河南莊金礦礦區水工環境地質研究

湯宜洋，王林峰，彭智博

(1. 河南省地質礦產勘查開發局第一地質勘查院，河南 鄭州 450001； 2. 河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，河南 鄭州 450001)

河南莊金礦礦區水工環境地質研究

湯宜洋1，王林峰1，彭智博2

(1. 河南省地質礦產勘查開發局第一地質勘查院，河南 鄭州 450001； 2. 河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，河南 鄭州 450001)

我國礦業一直是粗放式開采，日益嚴重的礦山地質環境問題時刻威脅著人民生命及財產安全，現已成為社會生態環境中最為突出的問題之一。基于此，以西峽縣河南莊金礦礦區為例，通過對該礦區的水工環境進行勘查實驗，并對礦區地質、水文資料進行研究分析，為礦區的合理開采提供可靠的依據。

金礦；水工環境；地質研究

1 水工環境地質研究的實際意義

生態環境是人類生存與發展的必要條件，礦山地質環境是生態環境中不可或缺的重要組成部分，礦產資源是人類生存與發展的物質基礎，是國民經濟發展的支柱型產業[1]。我國礦產資源豐富，尤其是金礦資源的開發歷史悠久[2]、規模大、強度高，礦產資源的開發推動了當地經濟的快速發展，但由于礦山開采規模的增大、開采強度的增高，采礦活動引發的礦山地質環境問題越來越多，地質環境問題造成的危害也越為嚴重。西峽縣河南莊金礦位于河南省西峽縣雙龍鎮河南莊村唐溝口附近，礦藏面積達4.833 3 km2。礦區內工業礦體共估算保有礦石量616 256 t，金屬量2 735.5 kg。

本次對河南莊礦區水工環境地質勘查的主要目的及任務是查明礦區水文地質工程地質條件；分析礦床充水因素；預測礦坑涌水量；對礦床水資源綜合利用進行評價；指出供水方向。查明礦體及其頂底板圍巖巖體質量和穩固性；預測可能發生的主要工程地質問題。評述礦區地質環境質量；預測礦床開發可能引起的主要環境地質問題并提出防治建議。確定礦區水文地質、工程地質、環境地質勘探類型，為礦山開采設計提供開采技術依據。

2 礦區水文地質概況

河南莊金礦區位于伏牛山南麓，地勢南高北低，屬低山區，地形較陡，切割強烈。區內相對高差100～200 m，最高標高為503 m,最低標高為320 m，最大相對高差為183 m。區內植被發育，灌木叢生，基巖出露一般。該區屬長江水系漢江流域老灌河支流蛇尾河區，常年有流水，可滿足礦山使用。

該礦區前期在水文地質、工程地質、環境地質的工作完成程度較低。通過本次勘探工作的完成，完善本區的水工環地質資料，為后期礦山擴大開采規模，改進開采技術等設計工作提供完善、準確的水工環地質依據。

3 礦床充水因素分析

經過對礦區水文地質條件的調查，結合收集以往資料分析，礦床充水水源主要有大氣降水、地表水、地下水等，現分述如下。

3.1 大氣降水

通過野外水文地質調查發現：從民井S006長觀點地下水水位標高與大氣降水、地表水體的動態變化關系不大。因此，大氣降水對礦坑充水雖然局部有輕微影響，但總體影響并不大。

3.2 地下水

通過水文孔SHK01的頂板、礦層及底板的抽水試驗結果顯示，涌水量均較小，含水層富水性較弱，透水性較差。

3.3 采空區分布與裂隙水水量

由于本礦區部分已經開采，共分6個中段，每個中段除了為開采需要建設的巷道外還有很多采空區，各中段采空區分布情況：320中段采空區面積392.691 m2，主要分布在Zk1502和Zk1601之間；290中段采空區面積197.368 m2，主要分布在Zk1502西南和Zk1302東部；260中段采空區面積89.906 m2，主要分布在Zk1302西部；230中段采空區面積3 136.472 m2，主要分布在Zk1402西部和Zk1307東部；200中段和170中段內除了巷道、未見采空區。由于已經停采很久了，很多中斷巷道關閉停止使用，所以具體各中段裂隙水水量無法測量，但礦坑每天向外排水量約100 m3左右。

4 礦坑涌水量估算及模型

4.1 涌水量估算

根據礦床地質特征，未來礦山開采主要采用中深部平巷開拓。礦床主要充水因素為含礦層自身的構造承壓水[3]，富水性弱，主要充水含水層由淺部到深部逐漸減弱，大氣降水是礦區地下水主要的補給來源。礦床含水層為承壓水狀態，經過開拓后轉為無壓狀態，抽水試驗孔位于直線隔水邊界附近，未來開采以礦層底部為準，其標高為170.00 m，故其為承壓轉無壓完整井。

礦區內以SHK01水文孔抽水試驗資料為重點分析。SHK01水文孔抽水試驗分3個階段進行，鉆探至礦層頂板后停鉆清孔并試抽，然后待水位穩定后進行礦層頂板抽水試驗；試驗結束后繼續鉆至礦層底板，然后起鉆清孔，封閉礦層頂板，然后試抽，很快出現掉泵現象，且水位恢復緩慢，表明礦層基本不含水，然后采取注水試驗進一步驗證；上一階段試驗結束后繼續鉆至設計孔深，然后起鉆清孔，封閉頂板及礦層，然后試抽停泵，待水位穩定后進行底板抽水試驗。SHK01水文孔礦層及頂、底板抽水試驗資料詳見表1。

表1 河南莊金礦區SHK01水文孔礦層及頂、底板抽水試驗成果

根據生產礦井不同深度可以計算其深度的涌水量，但生產井徑大，應進行井徑換算，本區地下水為層流，公式為：

例如：生產礦井半徑設計3.0 m，輻射半徑300 m，代入S3資料計算如下：

舉例僅代表7.8 m降深的涌水量，生產中可根據需要進行設計代入公式即可計算出設計結果。

4.2 礦坑涌水量估算——“比擬法”模型

根據對本區金礦生產坑道收集觀測資料，用水文地質比擬法進行計算。

生產坑道位于侵蝕基準面以下，巖性為秦嶺巖群白云石大理巖，坑道近似垂直于巖層走向，坑道規格高2.0 m，寬2.0 m，長65.7 m，坑道內實測流量34.56 m3/d，初見水位平均6.5 m，即降深6.5 m，坑道內集坑排水。

式中：Q、F、S分別代表未來生產礦山生產設計坑道的涌水量、坑道面積、水位降深；Q1、F1、S1分別代表生產坑道實測的涌水量、坑道面積、水位降深。

例如：未來生產坑道設長250 m，寬2.2 m，將數據代入公式：

144.66 m3/d

因地下水受大氣降水補給，受季節、降雨量、枯、豐水期影響較大，在預測時應靈活掌握。考慮到未來雨季地下水涌水量劇增，為安全起見以上各種預測方法可按兩倍以上增加計算，預報最大涌水量300 m3/d。

4.3 礦坑涌水量估算——“大井法”模型

根據礦床水文地質條件、礦床所處位置及井巷系統開采方式，以170 m控制標高以上范圍屬于礦權開采范圍。礦層水平投影面積為1.782 m×105 m，周長為1 978 m。可概化成一個長a為734.0 m，寬b為255 m的矩形，則其面積為1.872 m×105 m，礦區范圍內多為白云石大理巖巖溶裂隙水弱含水巖層，東部出現小區域分水嶺，連續完整穩定，可視為一側直線隔水邊界，抽水試驗孔位于直線隔水邊界附近。由于礦床地層傾角35(°)左右，使用“大井法”計算[4]。

礦層概化后的矩形整個坑道系統視為一個大的集水井，礦坑降深以首采段最低含水層底板為界，則最大降深疏干時取值170.84 m(承壓含水層均轉化為無壓水層，取含水層天然承壓水頭，同時也是首采段水平標高170.00 m)，采用承壓轉無壓完整井公式進行預測。

由于巖層在剖面上充水含水層的滲透性具有明顯的不均勻性，根據解析計算要求，滲透系數作均值概化，采用厚度加權平均值法：

其中K——相應分段的滲透系數；

M——剖面上各含水層段的厚度，m。

承壓含水層厚度M采用擬定首采區所有鉆孔(8個)的平均值66.7 m。

礦坑最大降深疏干時，承壓含水層均轉化為無壓水層，取含水層天然承壓水頭，礦坑降深S0采用抽水試驗孔的承壓水頭值，S0=(H底SK01-H靜SK01)=170.84 m。

坑道系統至隔水邊界的距離a，采用抽水孔距隔水邊界：a=1 729.00 m

因為一側隔水邊界，是單面供水，單面隔水。因此涌水量計算結果應除以2。礦坑承壓轉無壓公式為：

式中Q——預測“大井”法計算的巷道系統涌水量，m3/d；

M——承壓含水層厚度，采用擬定首采區所有鉆孔資料66.70 m；

Kcp——基巖裂隙水滲透系數，采用水文孔的平均值0.038 5 m/d；

S0——礦坑降深值，從含水層底算起，取含水層天然承壓水頭170.84 m；

r0——坑道設計引用半徑，取值284.34 m；

R0——坑道設計引用影響半徑，取值1 159.70 m；

a——坑道系統至隔水邊界的距離，采用抽水孔到隔水邊界的距離1 729.00 m。

將計算參數代入式中，其計算結果如下表2。

表2 礦坑涌水量結果

4.4 估算結果評述

礦區SHK01地質孔抽水時間2015年9月中旬底至10月上旬，為當地當年的枯水期，所以對礦坑進行最大涌水量預測時采用當地豐水期與枯水期的降雨量比值，由于沒有鄰近礦區豐水期與枯水期的資料，只能以礦區S010的常觀數據作為豐水期和枯水期的資料，因為該點為巖溶裂隙水。其最大流量為8.047 L/s，最小流量為4.883 L/s，豐水期與枯水期流量比值為1.65∶1。

因該礦坑最大涌水量在估算時沒有考慮到礦層的底板巖溶裂隙水補給、開采時所造成的裂隙導水補給及大氣降水入滲補給等因素，只是在礦區水文地質條件未發生改變時進行的礦坑最大涌水量預測，故預測的結果值偏小。

本次礦坑涌水量的估算采用的是群孔抽水試驗的計算結果，其計算公式采用的是1979年版《水文地質學》(二)第六章第一節中一側直線隔水邊界的承壓轉無壓計算公式[4]。兩種模型，兩種結果，前后相差較大，因為建模不同，為了確保安全生產，建議采用“大井模型”作為設計依據。

4.5 礦區水環境質量評價

1) 地表水

本區主要地表水體為蛇尾河和山間溪流。主要用途為防洪、灌溉、養殖等。溪流受季節影響變化較大。對照《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)所檢項目中，說明地表水水質基本良好。

2) 地下水

根據礦區地下水水質分析結果，對照《地下水質量標準》(GB14848-1993)及《生活飲用水衛生標準》(GB5749-1985)所檢項目中，指標均符合要求。故本區地下水可滿足一般工業用水和生活用水要求。

5 結 語

綜上所述，可知水工環彼此之間相互聯系，連續的紐帶就是水土。水工環地質調查工作難度比較大，專業性比較強，因此對調查人員的業務能力要求非常高，而且由于水工環調查技術越來越先進，因此調查人員必須提高自身的能力，不斷學習，只有如此，水工環調查工作才會發展迅速。

[1] 張慧穎. 會澤鉛鋅礦區水文地質條件及地下水環境質量評價[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2002.

[2] 孔令山. 基于環境保護探析水工環地質勘察工作策略[J]. 黑龍江科技信息, 2016(15): 111.

[3] 代尚京. 地下水環境影響評價中水文地質勘察工作的內容和方法[J]. 西部探礦工程, 2016(7): 155-156+159.

[4] 朱海寶. 水、工、環地質調查與數字填圖[J]. 科技信息, 2011(14): 313.

A Study on Hydraulic Environmental Geology in Mining Area of Henan Gold Mine

TANG Yiyang1, WANG Linfeng1, PENG Zhibo2

(1.HenanBureauofGeologyandMineralResourcesExplorationandDevelopment,ThefirstGeologicalExplorationInstitute,Zhengzhou,Henan450001,China; 2.HenanBureauofGeologyandMineralResourcesExplorationandDevelopment,MappingGeographicInformationInstitute,Zhengzhou,Henan450001,China)

China’s mining industry is the extensive mining, and its geological environment in growing problems is threatening people’s lives and property. It has now become one of the most prominent problems in the social environment. Based on this, we take Zhuang gold deposit mine in Xixia county for example to have exploration and experiment of hydraulic environment of the mining area, by trying to get a geological, hydrological data analysis to provide a reliable basis for rational exploitation of the mining area.

Gold deposit; Hydraulic environment; Geology

2017-03-01

湯宜洋(1979-)，男，安徽合肥人，工程師，研究方向：水工環地質，手機：13932271656，E-mail：19612311@qq.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.013