貴州英坪磷礦水文地質條件研究及涌水量預測

曾凡祥，趙磊，曾道國，宋小軍，薛洪富，周文龍，宮學智，忙是材

(貴州省有色金屬和核工業地質勘查局地質礦產勘查院， 貴州 貴陽 550005)

0 引言

英坪磷礦位于黔中地區甕福礦田內，屬甕福高坪礦區英坪礦段，為現有英坪露天礦的深部延伸部分。是已探明的大型以膠磷礦為主的海相沉積磷塊巖礦床，共探獲b礦層磷礦體3個，磷塊巖礦體資源量超億噸，P2O5平均品位24.35%，礦石自然類型由上至下為致密狀磷塊巖、團塊狀磷塊巖、砂礫狀磷塊巖。礦體賦存標高350～1245 m，厚度1.75～38.45 m，平均厚度18.48 m，總體走向北北東，傾向為南東，傾角19°～56°。礦床直接頂板為燈影組第一段(ZC-dy1)底部白云巖、硅質巖，直接底板為陡山沱組第三段(Z1d3)硅質白云巖、硅質巖，為水文地質條件中等的巖溶孔洞裂隙充水礦床。英坪磷礦自2019年開工建設，目前正處于主要采掘工程建設階段，預計2022年開始地下開采。

區內研究程度高，成果豐碩，如杜遠生、張亞冠等專家學者從地質特征、成礦作用、成礦規律、成礦模式、找礦方向、地球化學、礦床成因等地質角度對該礦床進行研究(杜遠生等，2018；宋小軍等，2019a，2019b，2020，2021；薛洪富等，2019；張亞冠等，2020)，但對開采技術條件方面的研究較少。加之英坪礦段大面積露采，區內原有水文地質條件隨之改變，深部水文地質條件亟待查明。本文通過地質、水文地質勘查及水文地質試驗等方法(宋小軍等，2018①)，結合前人研究成果，從水文地質角度，對英坪磷礦床水文地質條件進行研究，豐富了該方面的研究成果；采用水文地質比擬法預測了首采地段礦坑涌水量，為礦山完全開采提供了科學依據(席鵬等，2021)，對該區域水文地質工作具有較大的參考意義。

1 地質背景

1.1 區域地質概況

英坪磷礦大地構造位置位于上揚子地塊黔北隆起區之鳳岡南北向隔槽式褶皺變形區內(圖1)。構造特征以寬緩背斜與緊閉向斜組合構成的隔槽式褶皺為主，具有近南北向的構造線特征(宋小軍等，2019c，2019d)。區內構造主要為白巖—高坪復背斜以及切錯該背斜的小壩斷層，英坪磷礦具體位于高坪背斜南段之東翼。

圖1 英坪磷礦大地構造位置圖(據貴州省地質調查院，2017修改)

區內出露地層由老至新有青白口系、南華系、震旦系、寒武系、石炭系、二疊系及三疊系及第四系。其中，青白口系下江時期清水江組，出露于白巖—高坪復背斜之核部；中三疊統地層出露于白巖—高坪復背斜之兩翼。

1.2 礦區地質特征

1.2.1 地層

礦區出露地層有青白口系下江時期清水江組(QbXq)，南華系上統南沱組(Nh3n)，震旦系下統陡山沱組(Z1d)、震旦系上統—寒武系紐芬蘭統燈影組(ZC-dy)，寒武系紐芬蘭統—第二統牛蹄塘組(C-1～2n)、寒武系第二統明心寺組(C-2m)、寒武系第二統金頂山組(C-2j)及第四系(Q)。其中，震旦系下統陡山沱組(Z1d)為b礦層磷礦體含礦地層(圖2)。

圖2 英坪磷礦區水文地質圖

1.2.2 斷裂

區內斷裂構造發育，構造形跡主要以SN向為主，次為NNE向，斷層均以高角度斷層出現。其中近SN向斷裂有F1、F102、F104、F351；NNE向斷裂有F106、F116。礦區受破礦斷層F116、F104、F102、F1、F351聯合控制，均具有走滑兼擠壓性質，并且呈現向S撒開、向N收斂展布特征。

2 區域水文地質概況

區內位于貴州高原中南部，地勢總體東高西低，地形切割中等，為低中山侵蝕巖溶地貌。區域上屬長江流域烏江水系一級支流清水江次級支流巖坑河末級支流阿羅河上游補給區和清水江次級支流冷水河末級支流高坪河上游補給區，流經礦區有英坪溪和阿羅河左支流兩條小溪溝。

從區域上英坪磷礦位于高坪背斜軸部東翼南段背斜蓄水構造內，礦系上覆及下伏燈影組、陡山沱組巖溶含水層是區內唯一影響礦床充水的巖層。根據區域水文地質圖(圖2)，礦區西側、北側以南華系南沱組冰磧礫巖及青白口系下江時期—清水江組凝灰質板巖構成隔水邊界，東側和南面以明心寺組、牛蹄塘組泥巖構成的隔水頂界，在地勢較低的中部英坪溪、高坪河、阿羅河以泉的形式排泄，區內燈影組及陡山沱組巖溶含水層，形成一個補給、徑流和排泄系統較完整的水文地質單元。地下分水嶺位于礦區10線至小壩后寨(圖2)，地下水分別向南北兩個方向運動。

區域內，地下分水嶺之南北兩個方向水力坡度分別為2.11%、1.24%，地下水向南徑流較強，加之SN向斷裂旁側，燈影組裂隙、溶蝕小孔洞發育密集呈帶狀，待英坪磷礦開采時，由于存在連通南北含水層的裂隙導水帶，將改變礦區北部地下水流場，礦區地下水由北向南徑流，英坪溪下游高坪河溝口，河床標高1143 m，為礦區最低侵蝕基準面。英坪磷礦位于該水文地質單元的補給、徑流區。

3 礦區水文地質條件

3.1 含水層、隔水層

3.1.1 含水層

第四系：含少量孔隙水，孔隙度大，透水性強，受大氣降水補給，泉水流量0.01～0.114 L/s，總體富水性弱，對礦床充水影響較小。

燈影組(ZC-dy)：覆于b礦層磷礦體之上，厚150～320 m，由一套灰色中厚層—厚層白云巖組成，與下伏陡山沱組呈假整合接觸。該層內下部及上部裂隙狀溶洞、溶孔發育。

陡山沱組(Z1d)：厚37～88 m，與下伏南沱組呈假整合接觸。頂部為b礦層磷礦體，由薄層—厚層白云質磷塊巖，致密狀、團塊狀、條帶狀及砂礫狀磷塊巖組成；中下部為淺灰—肉紅色中厚層泥—細晶白云巖，乳白色厚層塊狀硅質巖組成。該層內主要見小溶孔發育。

上述燈影組、陡山沱組之間，未有相對隔水層發育，將其視為一個含水層巖組，系b礦層充水主要因素。該巖組富水性不均勻，自西向東、自北向南逐漸減弱，總體透水性較好，為富水性中等至強的巖溶孔洞裂隙含水層。該含水層流量隨四季變化較大，受大氣降水的制約(圖3)，雨季，流量變幅大，枯季，流量變幅小(表1)。在強補給條件下，如英坪露天礦Ⅰ號坑，最大流量與年平均流量之比為3.06；原生補給條件下，如巖溶泉S20及福泉市磷礦小壩磷礦山3號井，最大流量與年平均流量之比為2.01～2.55，平均2.28。

表1 英坪磷礦2017年6月～2018年7月地下水流量動態變幅統計表

圖3 英坪磷礦地下水動態變化曲線圖

3.1.2 隔水層

金頂山組(C-2j)、明心寺組(C-2m)及牛蹄塘組(C-1～2n)碎屑巖隔水層，以砂巖、粉砂巖、炭質泥巖及灰綠色泥質粉砂巖為主，厚度>300 m，與下伏燈影組呈假整合接觸。含少量基巖裂隙水，富水性、透水性差，構成礦床燈影組、陡山沱組含水層的隔水頂板。

南華系南沱組(Nh3n)、青白口系下江時期—清水江組(QbXq)碎屑巖和淺變質板巖隔水層，其巖性主要為褐灰色、灰色中厚層狀凝灰質砂巖，灰綠色、灰色冰磧礫巖，厚度>100 m，與上覆地層陡山沱組(Z1d)呈假整合接觸。含少量基巖裂隙水，富水性及含水性均較差，構成礦床燈影組、陡山沱組含水層的隔水底板。

3.2 巖溶發育特征

礦區內燈影組、陡山沱組地下巖溶較地表發育強(表2)，地下巖溶以裂隙狀溶洞、溶孔為主，主要發育于b礦層頂板燈影組藻白云巖、硅質白云巖、泥—細晶白云巖及礦系底板硅質白云巖中，其發育強度由淺至深逐步減弱，常見黃色粘砂土充填，但溶洞與溶洞連通性不好。裂隙狀溶洞、溶孔構成礦層頂底板含水層的主要儲水空間，為礦床充水主要途徑。

表2 燈影組、陡山沱組巖溶發育特征一覽表

區內構造發育，巖溶具有順層走向及沿近于垂直巖層走向的張扭性裂隙帶發育的特點，順巖層走向發育于高坪河左岸的巖溶泉S20是其中最具代表性的巖溶。壓扭性斷裂膠結緊密，巖溶不發育。

3.3 斷裂及其水文地質特征

礦區斷裂構造發育，斷裂構造形跡呈SN向，次為NNE、NNW與近EW向，與礦床水文地質條件相關的斷裂主要有F1、F102、F104、F106、F116。

F1逆沖斷裂：為破礦斷裂，斷層帶為白云質膠結的角礫巖，膠結緊密。穿過此斷層時，抽水結果：單位涌水量q=0.0317 L/(s·m)，滲透系數K=0.0466 m/d，斷層破碎帶含水微弱，但斷層兩側裂隙、溶孔密集發育，具有良好的水力聯系，無阻水性能，斷層帶兩側的裂隙、溶孔密集發育帶成為礦坑充水的主要部位。

F102逆沖斷裂：在礦區深部破壞Ⅱ號礦體的連續，斷層破碎帶寬約5～20 m，大部分為糜棱巖，膠結緊密。穿過此斷層時，抽水結果：單位涌水量q=0.0124 L/(s·m)，滲透系數K=0.0117 m/d，斷層破碎帶含水微弱，沿斷層兩側裂隙、溶孔密集發育帶寬10.12～42.2 m，該帶含水性和導水性均較強，對礦床充水影響較大，為礦坑充水的主要部位。

F104逆斷裂：在礦區深部破壞Ⅰ號礦體與Ⅱ號礦體的連續，斷層破碎帶寬約3 m，斷層角礫由磷塊巖與白云巖組成，膠結良好。穿過此斷層時，抽水結果：單位涌水量q=0.032 L/(s·m)，滲透系數K=0.091 m/d，斷層破碎帶含水微弱，對礦床充水無特殊影響。

F106正斷裂：在礦區內為隱伏斷裂，受F1的制約，在礦區內不破壞礦層，斷層破碎帶為凝灰質板巖，膠結良好。穿過此斷層時，抽水結果：單位涌水量q=0.0994 L/(s·m)，滲透系數K=0.0494 m/d，斷層破碎帶含水微弱，對礦床充水影響較小。

F116正斷裂：在礦區內為隱伏斷層，受F1的制約，未穿越礦體，在深部導致了礦層的嚴重肢離與缺失落空。斷層破碎帶由斷層泥夾少量白云巖角礫組成，膠結良好。穿過此斷層時，抽水結果：單位涌水量q=0.0994 L/(s·m)，滲透系數K=0.0494 m/d，斷層破碎帶含水微弱，對礦床充水無特殊影響。

F351逆斷裂：在礦區2線深部破壞礦體的連續，斷層破碎帶寬約16 m，斷層角礫由硅質巖、白云巖、磷質團塊組成，鉆孔揭露后觀測鉆進水位和沖洗液消耗量未發生顯著變化，斷層兩盤具有良好的水力聯系，無阻水性能，對礦床充水的影響程度較大。

3.4 地下水補給、徑流、排泄條件

區內地下水的補給主要為大氣降水，其次為河水。礦區西側，白云巖大面積順斜坡向出露，由于淺部磷礦露天開采，形成大面積順層采剝面及采坑，原生地形地貌特征已改變(尹道謙，1983)。大氣降水及時形成坡面流，匯聚于采坑，采坑內回填的松散物孔隙度大，大氣降水對地下的入滲強度遠大于原生地質條件，地下水補給條件較好，補給強；流經本區的阿羅河左支流、英坪溪，主要通過巖溶裂隙、基巖裂隙、構造裂隙等入滲形成地下水。

區內地下水主要以巖溶孔洞裂隙水的形式存在，地下水徑流方向嚴格受下江時期清水江組隔水層、SN向F1、F102、F104、F351斷裂構造空間分布狀態的制約，具有沿含水層的走向、南北走向的斷裂帶徑流、排泄的優勢，發育于高坪河羊堡處巖溶泉S20是其主要代表。礦區南部水力坡度較北部大，地下水向南徑流較強，當英坪磷礦開采時，改變流場，以礦坑為中心向采空區形成徑向流。

4 礦床充水因素

本礦床共圈定出磷礦體3個，其中Ⅰ、Ⅱ號為主礦體，受地下水水力性質制約，全部礦體處于地下水水面之下，幾乎全部礦體低于礦區最低侵蝕基準面(表3)，燈影組、陡山沱組含水層中的地下水是礦床充水的主要水源，大氣降水、少量地表水體及相鄰礦山水是次要水源，充水通道有溶蝕孔洞、裂隙、構造裂隙、冒落導水裂隙帶等。

表3 英坪磷礦床水文地質結構統計表

(1)礦層頂底板燈影組、陡山沱組含水層中的地下水：燈影組、陡山沱組含水層，厚度大，主要含巖溶孔洞裂隙水，富水性中等至強。礦山開采時，燈影組、陡山沱組巖溶含水層中所含的地下水通過溶蝕孔洞、裂隙、冒落導水裂隙帶直接對礦床充水，是礦坑充水的直接水源。當井下采掘工程，揭穿大裂隙、斷裂兩側裂隙、溶孔密集發育含水帶時，地下水易呈股狀涌出。

(2)大氣降水：礦區處于斜坡位置，白云巖出露區地形坡度大，大氣降水部分沿坡流走，部分通過巖溶裂隙、構造裂隙、導水裂隙等對礦床進行充水，為間接充水水源。由于區內淺部磷礦露采，形成大面積的順層采剝面及采坑，有利于降水的匯集及下滲，降水滲入的大小是引起礦床充水的直接因素之一(施建和劉小亮，2016)。

(3)地表水體：礦區內有英坪溪和阿羅河左支流兩條小溪溝，由于露采，阿羅河左支流、英坪溪現已遷移，為水渠替代原生河道。因其滲漏量有限，對礦床充水影響較小。

(4)采空區老窯水：區內工礦活動強烈，主要為露采，形成一定的封閉采坑，積水嚴重。毗鄰礦區西側、北東側依次有英坪露天礦Ⅰ號坑、Ⅱ號坑、攔馬拗采坑、福泉市磷礦小壩磷礦山露采坑、地下1號井、3號井，呈帶狀分布(圖2)。

①小壩磷礦山：小壩磷礦山淺表露采已閉坑，其最北端916 m采礦平臺蓄有水量51000 m3，地下1、3號井，為在采礦井，目前涌水量分別為23.61 L/s、29.72～94.2 L/s。小壩磷礦山地下1、3號井有正常疏排水系統，淺表采坑內蓄水離礦區較遠，沒有對礦床充水造成影響，但若是1、3號井排水系統故障，礦井中積水易通過裂隙間接向礦床間接充水。

②英坪露天礦Ⅰ號坑、Ⅱ號坑、攔馬拗采坑：位于礦區上部(圖4)，除Ⅱ號坑仍在采礦外，其余采坑已閉坑。目前，Ⅰ號坑排水量為41.1～422.4 L/s，Ⅱ號坑中部1175 m采礦平臺蓄有水量225000 m3，攔馬拗采坑最北端1190 m采礦平臺蓄有水量264000 m3，為礦山開拓過程中，燈影組、陡山沱組含水層中的地下涌入采坑所致。上部采空區積水，通過四周及地下裂隙密集帶，對礦床充水造成影響。豐水期，采坑內蓄有大量地下水，坑底裂隙密集帶將被疏通淘空擴大形成大裂隙，而相鄰的下部英磷礦體距坑底垂直距離最小僅只有6.01 m(表4)，當井下采掘工程，溝通至大裂隙時，采坑水及其回填物易呈股狀潰入礦井，造成礦井突水、突泥、涌砂等危害，其危害程度與礦井離采坑之間的距離成反比。

圖4 英坪磷礦Ⅱ-Ⅱ′水文地質剖面圖(a)、Ⅲ-Ⅲ′水文地質剖面圖(b)

表4 英坪磷礦床與上部采空區空間位置關系特征統計表

綜上，根據英坪磷礦床與相鄰礦山的空間位置關系、接觸充水含水層的發育、分布情況分析，燈影組、陡山沱組含水層為其唯一接觸充水含水層，其賦水、導水性能較好，上部采空區老窯水易通過燈影組、陡山沱組溶蝕孔洞、裂隙、導水裂隙對英坪磷礦床順層徑流充水。

5 涌水量預測

英坪磷礦共圈定b礦層3個，編號分別為Ⅰ號礦體、Ⅱ號礦體、F351上盤礦體，礦山規劃井下采用井工方式開采，設計+830 m標高為首采地段，故本次涌水量預測只計算首采地段范圍。

(1)水文地質比擬法計算：根據已生產礦坑的排水資料預測水文地質條件與其相似的礦坑涌水量(陳書客等，2018；崔義文和文相正，2020；戴柳珍等，2020；施強等，2020)。英坪露天礦Ⅰ號坑位于礦區上部西側，最低開采水平為1090 m，實測正常排水量為11923.20 m3/d，豐水期最大排水量為36495.36 m3/d，采坑充水來源主要來自燈影組、陡山沱組含水層中的地下水。英坪露天礦Ⅰ號坑與本礦區毗鄰，位于水文地質單元的補給徑流區，同屬一個水文地質單元內，具有相同的水文地質條件，故可采用地下水單位涌水量比擬法建立以下計算式預測礦坑涌水量。

Q=Q1(S/S1)0.5(F/F1)0.25

(1)

式(1)中：Q—預測礦坑涌水量(m3/d)；Q1—英坪露天礦Ⅰ號坑實測排水量，其正常排水量為11923.2 m3/d，豐水期最大排水量為36495.36 m3/d；S—礦坑排水疏干降深，根據貴州翁安磷礦高坪礦區英坪礦段詳細勘探地質報告，英坪磷礦露采前原始平均靜止水位標高1203.01 m，與首采地段標高之差，求得疏干降深值為373.01 m。S1—英坪露天礦Ⅰ號坑排水疏干降深，根據貴州翁安磷礦高坪礦區英坪礦段詳細勘探地質報告(肖意泉等，1981②)，英坪磷礦露采前原始平均靜止水位標高1203.01 m，與Ⅰ號坑最低采空面1090 m之差，求得疏干降深值為113.01 m。F—礦坑排水疏干面積，英坪磷礦Ⅰ號坑為淺部磷礦露采區，本次開采可視為淺部磷礦開采的延伸區，礦坑涌水量計算時視為一個受四周無限補給的整體，地下疏排水疏干面積應為英坪磷礦Ⅰ號坑采空面積與英坪磷礦首采地段預測區范圍之和，其值為1235083 m2。F1—英坪露天礦Ⅰ號坑采空面積，其值為810000 m2。

根據上述確定的參數代入式(1)中計算，得出英坪磷礦+830 m段正常涌水量Q正=24178.39 m3/d，最大涌水量Qmax=77511.02 m3/d(表5)。

表5 單位涌水量比擬法預測礦坑涌水量結果表

由表5可知，預測的礦坑最大涌水量與正常涌水量之比為3.21，而區內原生地質條件下最大涌水量與正常涌水量之比為2.28，由此可知，采用英坪露天礦Ⅰ號坑最大排水量數據預測原生地質條件下的礦坑最大涌水量結果偏大。這是因為英坪露天礦Ⅰ號坑回填的松散物孔隙度大，豐水期，大氣降水對地下的入滲強度遠大于原生地質條件，地下水補給強。上已述及，區內燈影組、陡山沱組巖溶孔洞裂隙水，屬氣象動態型，而礦區為地下開采，地下水補給為原生地質條件，因此，采用原生地質條件下地下水動態變化最大值λmax預測計算礦坑最大涌水量。

Qmax=λmaxQ正

(2)

式(2)中：Qmax—預測礦坑最大涌水量(m3/d)；λmax—計算參數，無量綱，為區內原生地質條件下地下水動態變化最大值，其值為2.28；Q正—預測礦坑正常涌水量(m3/d)，其值為24178.39 m3/d。

根據上述確定的參數代入式(2)；預測英坪磷礦+830 m段最大涌水量Qmax=55368.51 m3/d(表6)。

表6 英坪磷礦床礦坑最大涌水量預測計算結果表

(2)涌水量預測評價：采坑排水量為實測，數據客觀真實，采用地下水單位涌水量比擬法預測+830 m 段的正常礦坑涌水量，建立數學模型和參數確定較為合理、可靠；礦區地下水屬氣象動態型，采用原生地質條件下地下水動態變化最大值λmax，所計算的最大礦坑涌水量基本符合實際。礦坑的涌水量預測結果可作為礦山開采設計的依據。

6 結論

本次通過地質、水文地質勘查及水文地質試驗等一系列工作，查明了礦床水文地質條件。

(1)英坪磷礦床處于水文地質單元的補給、徑流區，大氣降水、礦層頂底板燈影組、陡山沱組含水層中的地下水、上部采空區老窯水是礦床的主要充水因素。

(2)礦體雖位于當地侵蝕基準面、地下水水面之下，但附近無大的地表水體經過，燈影組、陡山沱組含水層中的地下水是礦床充水的直接水源。

(3)受空間位置關系的影響及接觸充水含水層的發育分布，英坪磷礦地下采掘越靠近上部英坪露天礦Ⅰ號坑、Ⅱ號坑、攔馬拗采坑，采坑水易通過燈影組、陡山沱組溶蝕孔洞、裂隙、導水裂隙對礦床順層徑流充水補給。豐水期，這些采坑水及其回填物易呈股狀潰入礦井，造成礦井突水、突泥、涌砂等危害，其危害程度與礦井離采坑之間的距離成反比。

(4)英坪磷礦床雖位于當地侵蝕基準面、地下水水面之下，但礦區內巖溶發育強度由淺至深逐步減弱，溶洞連通性不好，無地下暗河，區內斷裂構造的含水性微弱，上部采空區老窯水對礦床的充水影響，受空間位置關系的控制。綜上，英坪磷礦水文地質條件中等，為頂底板直接進水，水文地質條件中等的巖溶孔洞裂隙充水礦床。

(5)本次預測+830 m段的正常礦坑涌水量及最大涌水量，較為合理、可靠，基本符合實際，相關防排水系統可按照正常涌水量24178.39 m3/d，最大涌水量55368.51 m3/d進行設計。

注 釋

① 宋小軍,曾凡祥,薛洪富,浦慶隆,宮學智,忙是材,張安,張世帆,任永林,李堂英. 2018. 貴州省福泉市英坪深部磷礦勘探報告[R].貴州貴陽：貴州省有色金屬和核工業地質勘查局地質礦產勘查院.

② 肖意泉,經庚堯,毛銘曾,程儒賢,黃德輝,劉德華. 1981. 貴州甕安磷礦高坪礦區英坪礦段詳細勘探地質報告[R].貴州清鎮：貴州省地質局一一五地質大隊.