廣西某鉛鋅礦水文地質條件分析與涌水量預測

曹興旺，王 恒，楊明明

(桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西桂林541004)

廣西某鉛鋅礦水文地質條件分析與涌水量預測

曹興旺，王 恒，楊明明

(桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西桂林541004)

盤龍鉛鋅礦位于廣西壯族自治區武宣縣城以南桐嶺鎮的盤龍村～灣龍村一帶。礦體賦存于下泥盆系上倫組白云巖中，頂底板圍巖均為白云巖，礦體延伸展布受白云巖及層間擠壓破碎帶的控制，礦床水文地質條件相對復雜。通過資料收集與水文地質調查，綜合分析盤龍鉛鋅礦地質、水文地質條件。采用幾種不同的方法對本礦的涌水量進行預測。結果得出:大嶺礦段礦坑總涌水量枯水期為950 t/h、豐水期為1 200 t/h。

礦床開采;礦井涌水量;水文地質條件;涌水量預測

礦井涌、突水是一個復雜的地質問題，這使得礦井涌水量的預測值與實際值往往存在較大的偏差，礦井涌水量的預測往往難以獲得令人滿意的結果，這也導致礦井涌、突水的生產事件給國家的財產和礦工的生命安全造成了巨大的威脅。

礦井涌水量是確定礦床水文地質條件復雜程度的重要指標之一，關系到礦山的生產條件與成本，對礦床的經濟技術評價有的影響很大，并且是確定開采方案、排水設備和制定防治水措施的重要依據［1］。

預測礦井涌水量方法可分為兩類:一類是集中參數法，另一類是分布參數法(見圖1)。

圖1 礦井涌水量預測方法分類圖

礦井涌水量預測的發展的歷史幾十年來，各種數學模型在當時開采規模和勘探條件下，所預測的礦井涌水量對某些礦山開采起到了一定的積極指導作用，隨著礦山開采深度的加大和水文地質勘探所提供的不同性質的信息資料，一些涌水量預測的數學模型被后繼發展的新的數學模型所代替。如此反復，使得礦井涌水量預測的數學模型不斷發展［2］，精度也不斷提高。

1 研究區水文地質

1.1 含(隔)水巖組及地下水類型

根據地層巖性、巖層組合及地下水賦存條件，區內共劃分三種地下水類型，即松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水和碳

酸巖鹽巖溶水，在碳酸巖鹽巖溶水中又分碳酸巖鹽巖裂隙溶

洞水和碳酸巖鹽巖溶洞裂隙水兩個亞類。

1.1.1 松散堆積層孔隙水

礦區內第四系松散堆積層廣泛分布于洼地、谷地和平原地帶，巖性為含鐵錳結核粘土、含碎石粉質粘土，透水性弱或相對隔水。因河流切割較深、下伏巖溶發育，枯季地下水位一般都在基巖面以下，因此，一般屬弱透水非含水層。僅在低洼地帶弱含水。

1.1.2 基巖裂隙水

分布于礦區的南部、東南部丘陵地區，巖層包括:泥盆系下統郁江組(D1y)、那高嶺組(D1n)、蓮花山組(D1l)紫紅色砂巖、泥質粉砂巖、泥頁巖等。巖層中構造裂隙、層間裂隙、風化裂隙較發育，密集細小，透水性較差，地下水賦存和運移在裂隙中。在有利地形條件下，形成小泉水，泉水流量一般為0.08～0.82 L/s，屬弱富水性，深部富水性更差，極弱富水性，屬隔水層。

1.1.3 碳酸巖鹽巖溶水

1)碳酸巖鹽巖裂隙溶洞水

分布于礦區的北部、中西部和礦區外6～10 km的西部和西北部，巖層包括:石炭系上統、中統、下統和泥盆系上統、中統的灰巖、白云巖、白云質灰巖，局部夾泥灰巖、硅質巖等。碳酸巖鹽厚度大，質純，地下巖溶較發育，絕大部分地下水賦存運移于地下巖溶管道或裂隙狀溶洞中，由于地下巖溶管道、裂隙狀溶洞規模較大，透水性極強，但均勻性較差。在有利的地形、構造和巖性組合因素的影響、控制下，可形成大泉及地下河，成為富水帶，總體屬于強富水性含水巖組。其中:

石炭系上統(C1)分布區龍從灌區三級站附近的222號泉群流量25.75 L/s，泉群口標高87 m，表明該帶地下水位低于87 m標高，在泉群西北部調查的20多個溶洞和落水洞標高均在87 m以上，不見水，又無泉水，是必然的。泉群的北東面220號溶洞見水，標高74 m，推測暗河地下水流向，認為地下水由南西向北東逕流，排泄于黔江。

石炭系中統(C2)分布區調查泉水14個，流量一般為3～5 L/s，最大流量75 L/s，中等流量為30 L/s，地下水由南西向北東逕流，排泄于黔江。

石炭系下統(C3)分布區西南部出露三個泉水，流量分別為 13.33 L/s、23.57 L/s、2.8 L/s，地下水總體由南西向北東逕流，排泄于黔江。

泥盆系上統融縣組(D3r)分布區僅見一個大的泉水，位于北面排泄區，出露于落水洞底部，估計流量50 L/s。197號落水洞水流方向40°，即地下水逕流方向，排泄于黔江。

泥盆系中統東崗嶺組(D2d)、巴漆組(D2b)分布區的泉水流量在5～10 L/s之間，根據泉水出露標高分析，地下水沿北東方向逕流，排泄于黔江。

2)碳酸巖鹽巖溶洞裂隙水

分布于礦區的中部、中西部。巖層包括:泥盆系下統大樂組(D1d1)、官橋組(D1g)、二塘組(D1e)和上倫組(D1s1)地層，以薄—中層狀白云巖、白云質灰巖、灰巖、泥灰巖、泥質灰巖為主，層間夾鈣質頁巖、硅質巖等。不純碳酸鹽巖厚度較大，質不純，并夾有非可溶巖，地下巖溶不太發育，以溶蝕裂隙為主，地下水賦存運移于地下構造裂隙、層間裂隙和溶蝕裂隙及小的溶洞中，由于地下溶蝕裂隙規模較小，透水性中等，部分呈弱透水性(如大樂組)，均勻性較差。在有利地形、構造和巖性等因素的影響、控制下，以中小流量的泉出露，泉水流量一般在1～2.53 L/s之間，一般屬中等富水性含水巖組，部分成為相對隔水巖組。

1.2 巖溶發育特征

1.2.1 地表巖溶發育特征

礦區內地表巖溶有溶洞、落水洞、溶蝕裂隙等，多發育于巖層層面與構造裂隙交叉部位，沿層面和裂隙面繼續向深部延伸發育，巖溶發育受巖層層面及構造裂隙控制，大多數溶洞不見水，說明地下水位埋深大。

溶洞:因多期次地質構造運動地殼升降和溶蝕作用影響，致使區內地形相對高差拉大，60～65 m標高以上的溶洞懸掛于峭壁之中，成為無水溶洞，規模3～5 m，高出當地基侵蝕準面10～50 m不等。

落水洞:多分布于谷地、平原、洼地邊緣地帶，規模大小不一，最小直徑不到1 m，一般5 m左右，最大的134號落水洞直徑14.5 m，深6 m，197號落水洞規模30×20 m，深2～4 m。許多落水洞是當地地表水、地下水的補給、排泄通道。

1.2.2 地下巖溶發育特征

據1:20萬來賓幅區域水文地質普查資料，潯江流域桐嶺一帶地下巖溶具有如下特征:

(1)巖溶發育呈成層性:大致可以分為兩層，即標高40～60 m、5～30 m。

(2)巖溶發育數量隨著深度增加而減少:標高5米以上為巖溶強烈發育帶，標高5米以下為巖溶弱發育帶。

(3)巖溶發育規模隨著深度增加而減小。

(4)溶洞充填物隨著深度增加而減少:標高40～60 m的溶洞多被充填;標高5～30 m的溶洞多為半充填;標高5 m以下的溶洞多為空洞。

2 礦坑涌水量預測

2.1 解析法計算結果

解析法是預測礦井涌水量的常用方法之一，具有適應能力強的特點［3］，它是運用地下水動力學原理，以數學分析的方法，對一定邊界條件和初始條件下的地下水流動問題理想化模式的定解公式，然后，應用這些公式預測礦井涌水量［4］。

現分別利用穩定流和非穩定流解析法進行礦坑涌水量:

2.1.1 穩定流

首先，選擇計算公式。將礦坑視為一個大井，使用大井法計算，公式為:

式中:K為滲透系數(m/d);H為潛水含水層水頭(m);h為水頭值(m);Q為流量(t/d);r為鉆孔距大井中心的距離(m);C為常數1。

其次，進行參數計算。以24線為界分成兩部分，根據鉆探揭露的主要巖溶段深度和現狀礦坑地下水位，取平均標高－50 m為含水層底板，坑道放水試驗 S1、S2期間，即2010年5月25日至7月5日的平均流量為20 331.24 t/d。取其中具有代表性鉆孔對應的觀測數據(h由S1、S2觀測資料可知)，并代入(1)式計算得 r、h值，見表1。

表1 穩定流計算的含水層滲透系數結果表

24線以東地帶，以水22至水161鉆孔計算的平均值:K1=3.690 m/d代表東亞區含水層的滲透系數;24線以西地帶，以ZK2405至 ZK5001鉆孔計算的平均值:K2=8.494 m/d代表西亞區含水層的滲透系數。按面積比，取K2權重為2、K1權重為1，進行加權平均得:水均衡區含水層的滲透系數為 K=5.291 m/d。

最后，進行礦坑涌水量預測。利用上述計算參數，并取水頭值為標高－70 m，代入(1)式計算，得:礦坑地下水水位降深至－70 m水平時的礦坑涌水量為:

Q=21 582.646 t/d，即 899.277 t/h。

2.1.2 非穩定流

首先，選擇計算公式。

式中:r為鉆孔到井中心的距離(m);S為降深(m);Q為涌水量(t/d);T為含水層導水系數(m2/d);s為儲水系數;a為傳導系數(m3/d)。

其次，進行參數計算。由于放水試驗時間較長，可采用Jacob直線圖解法在半對數坐標紙上放水試驗數據繪制曲線s－t的直線段求參。

計算的參數如表2。取代表性鉆孔統計平均值得:含水層的導水系數 T=228.386m2/d，影響半徑r=528.786m。

表2 非穩定流計算的含水層水文地質參數結果表

最后，進行礦坑涌水量預測。利用上述計算參數，并取水頭值為標高－70 m，代入式(3)式計算，得:地下水水位降深至－70m水平時的礦坑涌水量為:

Q=26 750.68t/d，即 =1 114.612 t/h。

2.2 相關分析法計算結果

相關分析法是根據數理統計學理論，利用抽(放)水試驗結果，建立起降深與涌水量相關公式，進行外推計算涌水量或降深的一種常用地下水資源評價方法，因此，相關分析法要求試驗條件盡量的接近未來開采條件［5］。

現利用該進行礦坑涌水量計算，計算方法與步驟如下:

首先，選擇計算公式。降深與涌水量相關關系常見有直線型、對數型和指數性等，可利用(4)式的計算結果鑒別曲線類型、選擇計算公式［6］。

式中:S1、S2為水位降深(m);Q1、Q2為涌水量(m3/d)。

表3 降深與涌水量關系表

其次，確定待定參數。作出Q－lgS曲線，計算確定參數得，地下水水位降深至－70米水平時的礦坑涌水量為:

Q=23 762.664 t/d，即 990.111 t/h。

2.3 水文地質比擬法計算結果

水文地質比擬法是根據地質、水文地質條件相似性，利用已知區段、開采水平的礦坑涌水量、降深和巷道長度、面積等資料，建立起比擬公式，進行未知區域水量計算的一種常用地下水資源評價方法，即利用已知礦井涌水量預測新建礦井涌水量［7］。

首先，選擇計算公式。根據水文地質條件分析，選擇－70 m中段實際觀測資料做為已知數值，進行比擬計算?？衫?5)式做為比擬法計算公式。

式中:n為常數取0.6;Q為預測涌水量(t/d);Q0為實測涌水量(t/d);L0為實際巷道長度(m);L為設計巷道長度(m)。

已知數據表4:

表4 －70 m中段已知涌水量表 t/d

根據礦山開采方案，－70 m中段開采將向東、西兩端擴展，巷道將不斷增長，當達到設計總長度時為2 030 m，將其代入(5)式計算，得:礦坑涌水量見表5。

表5 －70 m中段水文地質比擬法計算礦坑涌水量結果表

2.4 礦坑涌水量計算結果綜合評述

根據上述計算3種方法的計算結果，匯總得礦坑預測涌水量如表6。

從表中可以看出，上述幾種方法計算預測的礦坑涌水量都比較相近，年平均涌水量在700～1 100 t/h之間。水文地質比擬法計算的是－70 m中段達到設計最終開采邊界的礦坑涌水量，根據鉆探反映的地下巖溶發育和礦坑實際涌水量情況，－120 m中段涌水量可能偏大，主要是把該段含水層水文地質參數視為與淺部一致所引起。當前，礦山開采是－70 m、－120 m、－170 m幾個中段同時進行的，礦坑地下水降落漏斗中心水位最低標高多保持在－60 m左右，為此，礦山建設設計總涌水量應當使用水文地質比擬法－70 m中段的計算值，即枯水期為950 t/h、豐水期為1 200 t/h、暴雨時為1 700 t/h。當然，礦坑排水泵量設計時，也應該考慮當出現大面積地面塌陷、大的巖溶管道與黔江溝通和特大突水、水泵維修的情況。

表6 礦坑涌水量計算結果匯總表 t/h

各預測方法預測結果對比如圖1?？芍欠€定流解析法預測的礦井涌水量最大，穩定流解析法最小。由于礦山巷道開拓時而進行，時而停止，而其會對礦井涌水量產生影響。礦區的地下水流即非穩定流，也不是完全的非穩定流。而相關分析法是由統計規律得來，此方法未考慮水文地質參數的作用。故認為水文地質比擬法預測結果較為合理。

圖1 各預測方法預測結果對比圖

圖2 水文地質比擬法不同水文季預測結果對比圖

水文地質比擬法不同季節預測結果對比如圖2所示。由圖上可以看出，枯水期和豐水期預測涌水量相差不大，這和本區的氣候和地下水補給來源有關，枯水期和豐水期降雨量相差很大，但是降雨入滲補給所占的比例較小。隨著礦井排水，地下水位下降，黔江補給地下水所占比例較大，因此枯水期和豐水期涌水量差別不大。

3 結語

通過收集分析前人的資料成果，及進行礦山水文地質調查，對廣西武宣縣盤龍鉛鋅礦區水文地質條件進行分析，最終對本礦區的水文地質條件評價結論如下:

1)盤龍鉛鋅礦區－150 m標高以上地帶，主要礦體位于當地侵蝕基準面——黔江河床以下;主要充水含水層包括巖溶較發育富水性中等(局部強)的礦體及其頂、底板;地下水有來自西側的降雨補給，也有黔江河水的倒灌補給，補給條件較好，與地表水的水力聯系較密切;正常條件下礦坑涌水量500～900 t/h，特大暴雨過后或發生大的突水時，礦坑總涌水量會出現大于1 000 t/h的現象，屬于大水礦山;礦床開采時需要采取強排水、防水措施。

2)礦區內，地下水可劃分為松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水和碳酸巖鹽巖溶水三種類型，在碳酸巖鹽巖溶水中又分碳酸巖鹽巖裂隙溶洞水和碳酸巖鹽巖溶洞裂隙水兩個亞類。其中下泥盆統上倫組上段(D1s12)白云巖為含礦層和主要含水層位，富水性中等，為礦坑最主要的充水含水層。按照含水層類型劃分，該區屬于以溶蝕裂隙巖溶含水層充水為主的礦床。

3)礦區屬于一個較完整的水文地質單元，平面圖上呈“∠”字形展布。其中:南部為淺變質砂巖、泥頁巖組成的隔水邊界;西北部沿社頭－橋鄉一帶由下泥盆統大樂組泥灰巖構成相對隔水邊界;北部和東部為黔江補給邊界。

4)礦坑充水的主要來源為降雨入滲、灌入和黔江河水的反補給;充水的主要形式有裂隙涌水和溶洞、溶蝕裂隙或破碎帶突水。

5)根據多種方法計算并比較可得，大嶺礦段礦坑總涌水量枯水期為950 t/h、豐水期為1 200 t/h、暴雨季節為1 700 t/h。

6)礦坑地下水涌水量較大，枯水期也在600 t/h以上，隨著生產巷道的延伸(深)，還會超過1 000 t/h，從水量上可以滿足礦區生產、生活用水的需求。但是，水質分析結果表明，地下水用于工業、農田灌溉是適宜的，地下水中As已經超標污染，不能直接作為生活用水，要采取適當措施進行處理，達到生活飲用水水質標準，礦坑地下水也可以作為礦山供水水源地。

［1］采礦手冊 vo16［M］.冶金工業出版社.1991.

［2］祝曉彬.地下水模擬系統(GMS)軟件［J］.水文地質工程地質.2003(5).

［3］張本臣，劉喜信，孫傳斌.礦坑涌水量預測的影響因素分析［J］.吉林地質.2006，25(1):58 －61.

［4］王曉明，代革聯，巨天乙，唐亦川，可視化的地下水數值模擬［J］.西安科技學院學報.2004(2).

［5］徐高強.山西省煤獷區礦井水涌水量預測模型研究.太原理工大學學位論文.太原:太原理工大學市政工程.2008.

［6］藍俊康，郭純青等.水文地質勘察［M］.北京:中國水利水電出版社.2008.

［7］王大純，張人權，史毅虹.水文地質學基礎［M］.地質出版社.1995.

P641.4+63

B

1004－1184(2012)04－0187－04

2012－03－07

曹興旺(1985－)，男，河南周口人，在讀碩士研究生，主攻方向:水文地質、工程地質。