南泥湖露天礦區采場水力聯系及礦坑涌水量預測

刁文博，褚冬莉

(河南省地質礦產勘查開發局 第三地質勘查院，河南 鄭州 450000)

南泥湖鉬礦礦體厚大、形態簡單、覆蓋層淺、含雜簡單、易采易選，適于大型露天規模化開發。根據礦山提供的邊坡監測資料，邊坡一直處于穩定狀態，未出現失穩現象。但根據揭露出的地層顯示，地質構造與地質勘探階段查明的構造有較大出入，構造增多、規模增大，對邊坡的安全威脅較大。目前，北部+1 390 m開采平臺以上到界邊坡受構造影響已出現小規模垮塌破壞，礦坑底部持續積水，對礦區的生產開采造成了不利的影響。

本文研究了南泥湖露天礦區采場水力聯系及礦坑涌水量預測，通過長期水文監測、示蹤試驗及水化學分析等，基本查明了大氣降水、地表水、地下水及礦坑涌水之間的水力聯系和相互轉換關系。

1 礦區水文地質

1.1 含水層類型及其富水性特征

(1)含水層。含水層主要包括第四系松散堆積物孔隙含水層，基巖風化帶裂隙含水層，石英巖、長英角巖裂隙含水層，黑云母長英角巖裂隙含水層。

(2)隔水層。輝長石和斑狀二長花崗巖等巖漿巖類及裂隙不發育的變質巖類，為礦區的隔水巖組。

1.2 地下水補給、徑流、排泄條件

地下水天然條件下徑流方向與地表水總徑流方向一致，受地形構造控制，自東向西、自南向北流出礦區，在礦區開采條件下，由于礦坑底部低于地下水位，加之人為排水，礦區地下水總體由四周向礦坑匯水坑流動。

1.3 地下水的基本特征

(1)地下水間的水力聯系。在天然條件下，第四系松散層中的孔隙潛水(或上層滯水)與基巖風化帶裂隙水有緊密的水力聯系，構成統一的地下水面，而與深部基巖構造裂隙水間基本無水力聯系。

(2)地下水流向。區內無大的地表水體，地下水的補給來源是大氣降水。由于受氣候條件控制，基巖風化程度弱和地形坡度較大等因素，大氣降水大部分形成地表徑流，匯入溝谷；一部分沿孔隙、裂隙垂直滲入地下，補給風化帶及其以上含水層，短途運移后，遇阻或遇溝谷便排出地表，形成泉水或補給季節性河流。

(3)地下水的化學成分。研究區地下水中普遍含鉬，最高含量達7.5 mg/L。

2 水力聯系

2.1 動態觀測及其水文地質特征

2.1.1 地表水動態觀測

此次對礦坑西側的溝渠進行地表水流量監測，從上游到下游由南向北布設了3個監測點。地表水觀測點位置如圖1所示，監測結果見表1。

圖1 地表水觀測點位置Fig.1 Location of observation points of surface water

表1 地表水動態觀測

根據監測計算結果，結合氣象資料分析，地表水流量主要受降水影響，降水量較充沛時，地表水流量較大；反之，地表水流量較小。隨著雨季的過去，11月上旬后，地表水斷流。當降雨量較小時，根據對3個觀測點的斷面流量分析，從溪溝上游至下游，斷面流量逐漸減小，除去水面蒸發外，有部分地表水量滲入地下水；當降水量較大時，受地表匯水影響，尤其是觀測點2至觀測點3之間受西側山溝匯水，表現出下游斷面流量大于上游斷面流量的現象。

2.1.2 礦坑水位動態觀測

此次對礦坑坑底水位及抽水量進行了動態監測，監測數據見表2。

表2 礦坑抽水量及水位標高動態觀測Tab.2 Dynamic observation of pit pumping volume and water level elevation

結合現場觀測現狀及氣象資料分析，坑底匯水量主要受降水影響，降水期間，坑底匯水量明顯增大；未降水時，坑底匯水量逐漸減小。

2.1.3 地下水動態觀測

此次布設了1組地下水動態觀測點，是位于礦區東北角的鉆孔GZ1-3，鉆孔標高+1 325 m。監測數據見表3。

表3 鉆孔GZ1-3地下水埋深動態觀測Tab.3 Dynamic observation of groundwater depth in borehole GZ1-3

2.2 水化學分析

此次工作在礦區內共取了6組水樣，水樣取樣點位置如圖2所示。

圖2 水樣取樣點位置Fig.2 Location of water sampling points

根據水樣水化學分析結果，利用Aq·QA軟件采用多邊形圖示法和三線圖圖示法分別對水樣進行分析[1-5]，結果如下。

2.2.1 多邊形圖示法(Stiff圖)

水樣水化學Stiff圖如圖3所示。

圖3 水樣水化學Stiff圖Fig.3 Stiff diagram of water chemistry

2.2.2 三線圖圖示法(Piper圖)

礦區水樣Piper三線圖如圖4所示。根據Piper三線圖分析可知，水樣SY2、SY3、SY4、SY5、SY6的水化學類型基本一致，水樣SY1的水化學類型則與其他5個水樣明顯不一致。

根據上述2種方法結合分析可知，SY1的水化學類型為HCO3·SO4-Na·Ca型，SY2、SY3、SY4、SY5的水化學類型為SO4-Ca型，SY6的水化學類型為SO4-Ca·Mg型。其中，SY2、SY3、SY4、SY5、SY6水樣中Mg的含量均在20%～30%。利用AqQA繪制采樣點的TDS對比柱狀圖，如圖5所示，由圖5可知，水樣SY1的TDS含量較小，在300 mg/L；SY4的TDS含量較大，在1 800 mg/L；水樣SY2、SY3、SY5、SY6的TDS含量相對一致，均在1 000 mg/L。

圖4 礦區水樣Piper三線圖Fig.4 Piper three-line diagram of water samples in mining area

圖5 礦區水樣TDS對比柱狀圖Fig.5 Comparison histogram of TDS of water samples in the mining area

2.3 示蹤試驗

此次采用示蹤試驗數據繪制出示蹤劑響應曲線[6-10]，確定示蹤劑峰值到達時間，分析地下水運移方向、速率等要素，為進一步深入分析地下水與礦坑坑底匯水的聯系。現場試驗的延續時間根據Cl-濃度隨時間的變化關系曲線確定具體確定，要求地下水的Cl-濃度從背景值達到峰值并且再次逐漸降低到起始背景值。示蹤試驗匯水坑取樣點如圖6所示。

示蹤劑在含水層中的流動可以看成是由多個流管中的流動組成的。因此，示蹤劑在匯水坑中產出的濃度應該是從試驗井到匯水坑之間各個流管中濃度的綜合，部分示蹤元素通過管流優先迅速運移至取樣點，逐步展開示蹤峰值曲線如圖7所示。

圖7 觀測點1和觀測點5示蹤劑濃度監測曲線Fig.7 Monitoring curve of tracer concentration of observation point 1 and observation point 5

(1)滲透速度的確定。由觀測點1示蹤劑濃度監測曲線可知，曲線有2個高濃度點突出顯示，第1次出現在20 h，峰值濃度為21.04 mg/L，高出背景值(13.95 mg/L)濃度1.5倍，檢測干擾誤差小，示蹤效果明顯，試驗井距觀測點按照235 m計算，示蹤劑在含水層運動的視速度為11.75 m/h；第2次出現在第49 h，濃度為20.19 mg/L，示蹤劑在含水層運動的視速度為4.8 m/h；2點時間間隔29 h。由觀測點5示蹤劑濃度監測曲線可知，曲線有2個高濃度點突出顯示，第1次出現在第20 h，濃度為17.13 mg/L，井距按照235 m計算，示蹤劑在含水層運動的視速度為11.75 m/h；第2次出現在第49 h，濃度為15.78 mg/L，示蹤劑在含水層運動的視速度為4.8 m/h；2個點時間間隔29 h。觀測點1與觀測點5均是在匯水坑北側取樣監測，故其峰值監測曲線較為一致。由于含水層復雜的連通構造，滲流管道曲折程度高，造成2次脈沖濃度峰值；第1次峰值的出現表明了試驗井與礦坑底匯水坑有1個快速裂隙通道相連通。

(2)試驗井ZH2-1與礦坑底匯水坑之間含水層中有存在裂隙或破碎帶(高滲通道)。此次試驗所投示蹤劑在觀測點1與觀測點5兩個接受點接收到了很好的可辨識信號，試驗開始后第20 h都接受到了示蹤劑，示蹤元素快速運移至監測點，說明含水層中有存在裂隙或破碎帶(高滲通道)。

(3)試驗井ZH2-1與礦坑底匯水坑之間含水層中裂隙不發育。此次試驗所投示蹤劑投放量是按照7月底監測基底值的10倍(250 mg/L)投放，而觀測點1得到的最大示蹤劑峰值為21.04 mg/L，僅為試驗初始背景值(13.95 mg/L)濃度的1.5倍，這說明含水層中裂隙并不發育，隨著回灌試驗的進行，示蹤劑被不斷地稀釋，所以最大峰值僅為背景值的1.5倍。

3 露采礦坑涌水量預測

3.1 露采礦坑的涌水因素分析

隨著露采境界的進一步延深，坑底標高進入地下水位以下，地下水涌水也將成為露采礦坑充水的主要因素之一。

(1)礦區內地表沒有大的天然水體和人工水體，地下水賦存于第四系松散堆積物的孔隙及基巖風化裂隙或深部構造(裂隙)破碎帶之中，富水性弱且不均勻，區內未發現導水斷裂。因臨近礦區排水的影響，礦區+1 275 m標高以上的地下水已基本被疏干。露天采場目前開采標高最低為+1 258 m，在礦坑最低處形成一處匯水坑，標高+1 342 m以上為山坡型采場，只受大氣降水的影響，降水形成的地表徑流是礦坑主要的直接的充水源，人工抽排水方式進行疏干排出采場，對礦床的開采產生一定的影響。目前，露天礦坑礦體開采地段主要位于地下水位以上，地下水對礦床的開采影響不大，是礦床的次要充水水源，在采礦過程中未發現涌(突)水現象。

(2)露采最終境界坑底標高為+1 105 m，隨著開采標高延深至標高+1 275 m地下水位以下，地下水涌水量將逐漸成為礦床充水的主要因素，地下水因巖石含水不均勻，涌水量不均一，特別是在礦坑內揭露含水斷裂構造帶時，地下水從斷裂構造帶內涌入礦坑，形成直接充水水源。在以后開采過程中，應加強采空區分布及充水情況探查，圈定采空區范圍，密切關注現存采空區封存水情的變化，防止突涌水安全事故發生。

3.2 露采礦坑涌水量預測

通過礦區的水文地質條件和涌水因素分析，認為露天礦坑涌水量主要由大氣降水直接降入礦坑的水量、地表徑流量和地下水流入礦坑的水量組成。

3.2.1 礦坑降水直接補給量

大氣降水為礦床充水的主要因素之一，因而采用如下計算公式：

Q1=A×F

(1)

式中，Q1為礦坑大氣降水直接補給量；F為礦坑面積；A為日降水量。

現狀條件下礦坑面積為770 m2，假定露天開采最終境界條件下礦坑面積也為770 m2。根據欒川縣1984—2021年逐日降雨量資料計算可得，歷年平均日降雨量為2.26 mm，日最大降雨量為165.6 mm。根據文獻資料，1961—1983年日欒川縣單日最大降雨量為1961年的128.8 mm。由此可知，欒川縣近50年單日最大降水量為2019年的165.6 mm，故可設計日最大暴雨量為170 mm。現狀條件下，正常降雨時，直接降入礦坑的平均水量為1.74 m3/d，設計暴雨直接降入礦坑的最大水量為130.90 m3/d。最終開采境界條件下，正常降雨時，直接降入礦坑的平均水量為1.74 m3/d，設計暴雨直接降入礦坑的最大水量為130.90 m3/d。

3.2.2 地表徑流量

地表徑流量主要為大氣降水形成，因而采用涌水量計算公式：

Q2=φ×A×F

(2)

式中，Q2為采場大氣降水補給量；F為相應于采場的匯水面積；A為日最大降水量；φ為采場地表匯水徑流系數，選用經驗數值為0.8。

結合礦區現狀地形地貌，考慮到采場東側龍宇公司采場與洛鉬集團采場邊界，人為開采形成分水嶺，采場南側區天然分水嶺，采場西、北兩側修建有排水渠，確定現狀條件下露天采場的匯水面積為95.183 hm2。根據露天開采最終境界范圍，假定采場四周均修建有排水渠，則確定最終開采條件下露天采場的匯水面積為92.273 hm2。現狀條件下，正常降雨時，地表徑流的平均水量為1 720.91 m3/d，設計暴雨日地表徑流最大水量為129 448.88 m3/d。最終開采境界條件下，正常降雨時，地表徑流的平均水量為1 668.30 m3/d，設計暴雨日地表徑流的最大水量為125 491.28 m3/d。

3.2.3 地下水補給量

現狀條件下，地下水補給量可以枯水季節穩定的露天礦坑排水量作為地下水流入量。根據氣象資料可知，11月至次年2月降水較少，可作為枯水期。根據收集的近4年礦坑排水量資料分析，枯水期排水量較少，且無相應時期礦坑水位觀測記錄及地下水觀測記錄，故資料不足以支撐計算地下水流入量。根據本次礦坑抽水量及水位標高動態觀測，2020年11月27日至12月3日期間，抽水量為0，礦坑水位恢復了8 cm；2020年12月15—21日期間，抽水量為0，礦坑水位恢復了7 cm；且這兩段時間期間，僅12月1日有降水，降水量為7 mm。故此可以判斷地下水流入量在6 d內使礦坑水位恢復了大約7 cm。根據礦坑面積為770 m2，可以計算現狀條件下地下水流入量為8.98 m3/d。此外采用“大井法”進行地下水補給量預測，根據地下水補給量計算公式可得現狀開采條件下Q3=9.71 m3/d，露采最終境界條件下Q3=957.08 m3/d。對比現狀條件下枯水期地下水流入量8.98 m3/d，可知“大井法”計算地下水補給量相對可靠，故此次地下水補給量預測采用“大井法”計算數據。

3.2.4 露天礦坑總涌水量

將礦坑大氣降水補給量、地表徑流量和地下水補給量相加得到，現狀條件下，平均礦坑總涌水量為1 732.36 m3/d，設計暴雨日最大涌水量129 589.49 m3/d。露天礦坑開采最終境界條件下：日常平均礦坑總涌水量為2 627.12 m3/d，設計暴雨日最大涌水量為126 579.26 m3/d。露天礦坑總涌水量見表4。

表4 露天礦坑總涌水量Tab.4 Total water inflow of open pit m3/d

3.3 露天礦坑涌水量開采技術條件評價

3.3.1 礦床充水影響因素分析

礦區地形坡度大，溝谷發育，有利于大氣降水和礦坑水的自然排泄。此區最低侵蝕基準面的標高為+1 160 m，目前露天采場開采標高最低為1 258 m，最終開采境界坑底標高為+1 105 m，部分開采位于侵蝕基準面以下。

(1)大氣降水。受季節控制其補給水量有限，富水性弱，對礦床充水影響有限，但在潛水面下開采應做好汛期排水準備。

(2)第四系堆積物孔隙水。第四系沖積物孔隙含水層范圍較小，多沿溝谷分布，呈條帶狀、樹枝狀。

(3)基巖風化帶裂隙潛水。礦體及圍巖主要為長英角巖、石英巖、花崗閃長巖、透輝石斜長角巖、矽卡巖。其中，石英巖、長英角巖裂隙較發育，有利于降水滲入。近地表石英巖、長英角巖受風化后，往往形成裂隙含水層，風化裂隙水的埋藏和分布隨地形的變化和巖石風化強度的影響呈季節性存在于風化帶的裂隙中，自然狀態下沿基巖風化裂隙帶或基巖接觸面向溝谷方向運移，但一般含水量較小，對礦床充水影響不大。

(4)構造破碎帶裂隙承壓水。構造破碎帶在地表出露地帶，可接受大氣降水的直接補給，構造破碎帶便構成了礦床充水的主要通道，應加以防范。

(5)采空區積水。2007年正規開采以前，區內存在私挖亂采現象，形成了許多地下采空區，主要集中在+1 300 m中段、+1 330 m中段、+1 350 m中段的北部和東南部。2007年礦山開展了地下采空區地質災害治理工作，礦山對大部分采空區進行了較為精準的測量工作(少部分采空區無法進入，無法施測)，目前大部分地下采空區位于露采現狀境界內，已經開采，不存在了。其余少量露天采場北部和東南部的地下采空區目前正在治理中。就目前采空區狀況，不會對礦山現狀露天生產帶來大的影響，但應嚴密監視現存采空區積水狀況，并采取相應措施，以防后期開采時發生透水事故。

綜上所述，礦床充水以堅硬巖層裂隙充水為主，礦床充水因素主要是基巖裂隙潛水和構造帶破碎帶裂隙水，其補給來源主要是大氣降水。當構造破碎帶溝通各含水層時，構成充水主要通道，充水量的大小受采掘范圍、采掘深度和裂隙發育程度的控制。

3.3.2 礦區排水方式

礦區排水方式主要有2種方式。

(1)山坡型露天采場區(+1 342 m以上平臺)。地下水為基巖風化帶及深部構造破碎帶裂隙水，含水性弱、水量小，大氣降水是礦床充水的主要因素，礦區采用溝渠集水自流排水模式，細小水流匯入各溝渠。

(2)凹陷型露天采場區(+1 342 m標高以下)。采用集水坑(池)集水后，人工抽排水方式進行疏干排出采坑。在西部設有人工泵臺，當采坑集水后，由人工泵臺抽水，經抽水管自東向西排入標高+1 345 m的明渠中。目前礦區西側和南側均有截水溝，將采場上游所有匯水截流至采場下游的冷水河。為了實現正常時期的廢水零排放，在采場下游所有來水匯集處設第二水源，將所有來水處理后返回采場高位水池，作為選廠工業用水。

3.3.3 封閉不良鉆孔

該區共有施工鉆孔85個。其中，1958—1983年施工56個鉆孔，2006年施工18個鉆孔，2020年施工11個鉆孔。1958—1983年施工的56個鉆孔，由于勘探周期太長，質量管理制度不夠完善，要求也不盡統一。1980年以前施工的鉆孔基本用黃土封孔，封孔質量也未作檢查，有些涌水鉆孔根據地方上的要求，未進行封孔，而留作民用水井。1980年以后施工的鉆孔，均用稠泥漿進行全孔充填，孔口地段不少于5 m用水泥封實，立柱標記，但均未進行透孔檢查。2006年施工的18個鉆孔，其中2個鉆孔留作檢測孔，16個鉆孔進行了全孔水泥封孔，但未進行透孔檢驗。2020年施工的11個鉆孔，其中2個鉆孔留作長觀孔，9個鉆孔進行了全孔水泥封孔，但未進行透孔檢驗。由于鉆孔揭露并溝通了各個含水層，使之相互間產生了水力聯系，構成了生產礦井開采時礦井人為充水通道。在該礦山后期生產中，部分礦床需要地下開采，當礦體頂板破碎帶與鉆孔溝通時，鉆孔即成為泄水通道而向礦坑充水，因此這些鉆孔可能影響礦坑開采。今后，對這些鉆孔要進行透孔補封工作，在問題鉆孔附近先探后采，防止其他含水層中地下水和地表水灌入采場造成事故。

3.4 礦區水文地質類型

地下水賦存于第四系松散堆積物的孔隙及基巖風化裂隙或深部構造(裂隙)破碎帶之中，富水性弱且不均勻，區內未發現導水斷裂，地下水對礦床的開采影響不大，是礦床的次要充水水源。隨著開采標高延深至露采最終境界坑底標高1 105 m時，地下水涌水量將成為礦床充水的主要因素。礦區地處缺水區，水質硬度大、普遍含有鉬，不宜直接飲用。區內新建兩口深井僅能滿足采場生活用水，無富余能力供采場生產用，故采場生產用水截取礦區附近山溝水和采場涌水作為水源，不足部分從選礦工業場地的新水高位水池補充。根據礦床主要充水含水層的容水空間特征，礦區水文地質條件簡單。

4 結論

(1)根據地下水動態監測資料結合礦坑底匯水坑水面監測資料分析，地下水位變幅與匯水坑水面水位變幅呈現變化一致的趨勢，說明地下水與匯水坑具有一定的相關性。

(2)將礦坑大氣降水補給量、地表徑流量和地下水補給量相加，得到：現狀條件下，日常平均礦坑總涌水量為1 732.36 m3/d，設計暴雨日最大涌水量為129 589.49 m3/d。露天礦坑開采最終境界條件下：日常平均礦坑總涌水量為2 627.12 m3/d，設計暴雨日最大涌水量為126 579.26 m3/d。根據礦床主要充水含水層的容水空間特征，礦區水文地質條件簡單。