湖南花垣縣大腦坡鉛鋅礦區水文地質特征及礦坑涌水量預測研究

謝國軍

（湖南省地質礦產勘查開發局四0七隊，湖南 懷化 418000）

礦坑涌水量預測是礦產地質勘查綜合研究的一項重要內容，也是指定礦山開采設計的主要依據之一[1，2]。礦床開采過程中，地表水體與地下水通過各種途徑涌入礦坑，當涌水量超過排水能力時，就可能出現突透水事故，造成人員傷亡和財產損失。因此，準確預測礦坑涌水量是制定礦床疏排水方案并保證安全開采的前提條件。

針對礦坑涌水量涌水量預測，主要有基于裘布依穩定流理論的解析法[3]、數值法、水均衡法、Q-S曲線方程外推法[4]及水文地質比擬法等，各種方法的研究極大提高了礦坑涌水量的預測水平和精度。本文深入研究了湖南花垣縣大腦坡鉛鋅礦的水文地質條件，并對其水文地質邊界進行合理概化，采用解析法和比擬法對+360m水平礦坑涌水量進行預測對比評價，探討了相應的應用條件，為其他礦區解決類似問題提供參考。

1 礦區水文地質條件

1.1 礦區概況[5]

礦區位于花垣縣龍潭鎮、團結鎮和道二鄉境內，區內年平均氣溫17.2℃，多年平均降雨量1395.4mm，其中4月～9月降雨量占全年降雨量的73%，月最大降水量367.3mm（2017年6月），月最小降水量5.1mm（2017年12月）。區域地表分水嶺位于礦區南部，走向北東，北部位花垣河水系，南部為兄弟河水系，礦區內花垣河、兄弟河支流零星發育，流量一般小于0.2m3/s，旱季干涸。礦區地貌類型以巖溶侵蝕低山峰叢洼地和巖溶侵蝕丘陵洼地為主，地勢南西高、北東低，標高360m～700m，礦區最低侵蝕基準面高程368.02m。

大腦坡礦區位于花垣鉛鋅礦田北東段，張家界－花垣斷裂帶南盤，礦區為一傾向南東的單斜構造，巖層產狀一般傾向100°～130°，傾角6°～12°。礦區出露地層主要為寒武系和第四系殘坡積層。其中：中上統婁山關組、中統高臺組、下統清虛洞組上段上亞段及下亞段巖性主要為白云巖，巖溶發育程度弱～中等；清虛洞組下段第三四亞段為主要賦礦層位，巖性以純灰巖為主，巖溶發育強烈；清虛洞組下段第一亞段、第二亞段巖性以泥質灰巖為主，巖溶不發育，構成礦區隔水底板；第四系殘坡積層以粘性土為主，在巖溶洼地內廣泛分布。

據勘探資料，礦區主要工業礦體有III、IX、X號礦體，礦體主要賦存于清虛洞組上段下亞段、清虛洞組下段第三、四亞段巖層內，礦床儲量計算標高為464.20m～91.40m，首采地段位于礦區北部，首采標高為420m～360m，多處于當地侵蝕基準面之上。

1.2 含水層及富水性

礦區地層主要為寒武系和第四系殘坡積粉質黏土，依據含水介質的結構特征和水動力條件進行劃分，礦區地下水類型主要為松散堆積層孔隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水2大類。各種地下水的具有各自的特點和富水特性。

1.2.1 松散堆積層孔隙水

主要賦存于第四系殘坡積相（Qel-di）粉質黏土內，單一結構，局部含5%～10%的角礫，稍濕～濕，可塑狀，厚度0m～25.28m，平均4.83m。礦區內泉點出露少，流量0.01L/s～0.5L/s，地下水主要在地形低洼處匯集，富水性弱，對礦坑充水影響小。

1.2.2 碳酸鹽巖巖溶水

碳酸鹽巖巖溶水主要賦存于寒武系（∈）地層中。其中：

中上統婁山關組（∈2-3ls）、中統高臺組（∈2g）巖性以白云巖為主，婁山關組裂隙發育，溶蝕現象以溶孔為主，溶洞不發育；高臺組鉆孔遇洞率0.58%，線巖溶率0.04%，泉點出露少，流量小于0.5L/s，富水性弱。

清虛洞組上段上亞段（∈1q2-2）和第下亞段（∈1q2-1）為白云巖向灰巖過渡段，巖性為薄～厚層砂屑-泥晶白云巖，溶蝕現象以溶洞溶孔為主，鉆孔遇洞率分別為3.49%、7.56%，線巖溶率分別為0.66%、1.90%，泉流量0.04L/s～6.00L/s，富水性中等。

清虛洞組下段第三、四亞段（∈1q1-（3+4））巖性為質純藻灰巖，鉆孔遇洞率為29.07%，線巖溶率分別為2.35%，泉流量0.80L/s～50.16L/s，富水性強。

清虛洞組下段第一亞段（∈1q1-1）、第二亞段（∈1q1-2）巖性以泥質灰巖為主，鉆探揭露巖溶不發育，為礦區隔水底板。

1.3 地下水補給、逕流、排泄條件

礦區內地下水主要接受大氣降水補給，大氣降水在第四系覆蓋區通過土層垂向滲透進入含水層，在碳酸鹽巖裸露區和巖溶洼地內巖溶漏斗發育區直接通過巖溶管道直接灌入含水層。松散堆積層孔隙水在區域分水嶺以北逕流向北，最終排泄至花垣河，風水嶺以南地下水向南逕流，最終排泄至兄弟河。碳酸鹽巖巖溶水以巖溶管道無壓流為主，流向北西，多以暗河和巖溶泉的形式排泄于地表，礦區內巖溶水的排泄區位于礦區北部永豐村～上阿碧～麻山灣一帶的暗河（AH01～AH04），最低高程368.02m。

1.4 礦坑充水條件

1.4.1 充水水源

（1）大氣降水

區內潮濕多雨，雨量充沛，大氣降水是礦區地下水主要補給來源，當充水含水層接受大氣降水補給后，地下水通過巖溶發育帶、導水裂隙帶、采空陷落帶及突水帶直接或間接進入礦坑對礦床充水，大氣降水成為礦坑充水的重要來源。

（2）地表水

礦區內無大型地表水體，溪溝零星發育，流量小，且旱季斷流，首采區無地表水體，地表水礦坑充水的影響小。

（3）第四系松散巖類孔隙水

首采區第四系殘坡積相粉質粘土覆蓋厚度小，滲透性性能差，富水性弱，孔隙水通過下滲進入下伏碳酸鹽巖巖溶含水層，對礦坑充水的影響小。

（4）礦體圍巖巖溶水

礦體直接頂底與圍巖多為清虛洞組灰巖巖溶含水層，分布面積廣。頂板裸露地段，接受大氣降水補給，隱伏于第四系松散堆積層之下，間接接受松散堆積層孔隙水下滲補給；含礦層底板巖層為清虛洞組下段第一亞段泥灰巖，巖溶不發育，其下部為隔水性更好的碎屑巖，隔水性能好。勘探揭露，礦區碳酸鹽巖溶洞底板高程110.96 m～512.16m，溶洞底板總體向北東向傾斜。主要工業礦體（III、IX、X）頂板高程464.20m～92.36m，礦體底板高程462.00m～91.40m，礦體大多處于溶洞底板以下。未來礦山開采地下水通過溶洞、溶蝕裂隙和構造破碎帶形成的管道直接進入。

1.4.2 充水途徑

區內受斷裂構造、地層巖性以及地形地貌等因素影響，形成一系列北東向、北西向由溶洞、溶蝕裂隙及地下暗河等巖溶介質組成的巖溶水逕流通道，相互貫通后構成大腦坡礦區充水通道。

（1）斷裂構造帶通道

礦區斷裂構造主要呈北東向和北西向展布。其中：北東向斷裂以壓性為主，其次級斷裂以張性為主；北向斷裂多為張性。據研究分析，暗河AH01形成于壓性斷裂F3及其次級張性斷裂與北西向張性斷裂F107密切相關，暗河AH02空間分布則受壓性斷裂F2和北西向張性斷裂F110控制。F107、F110及斷裂疊加作用區域溶洞、溶蝕裂隙強烈發育，巖體破碎，地下水相對富集，形成了地下水集中逕流帶，礦床開采條件下成為巖溶含水層向礦坑充水的天然通道。

（2）溶洞、溶蝕裂隙、地下暗河等巖溶通道

溶洞、溶蝕裂隙、地下暗河等巖溶介質交織構成的巖溶水逕流帶，也構成礦區地下水富集、逕流和補給礦坑充水的主要通道。礦區巖溶發育為非均質各向異性，表現為溶隙和巖溶管道含水介質并存的特點。其中巖溶管道連通性好，導水性強，當巖溶管道直接揭露礦床時，其不僅是導水廊道，還是儲水空間，對礦坑充水作用強，危害性大。

2 礦坑涌水量預測

通過上述水文地質條件及礦坑充水條件的分析研究，本文采取解析法和比擬法預測III、IX、X號礦體+360m水平的礦坑平水期涌水量，根據暗河流量變幅預測豐水期礦坑用水流量。

2.1 解析法

2.1.1 正常涌水量

依據水文地質勘探資料，礦區邊界可以概化為：礦區北西部清虛洞組下段第二亞段（∈1q1-2）泥質灰巖出露，具有隔水性，并且近似呈直線展布，處理為直線隔水邊界；東南部寒武系中上統、中統紀下統清虛洞組巖溶化灰巖廣泛分布，且地下水流向北西，為地下水補給逕流區，處理為無限邊界，根據邊界條件映射得到礦區概化模型如圖1。

通過上述邊界條件概化及映射處理，本次針對III、IX、X號礦體+360m水平的礦坑涌水量預測按式（1）[6]進行計算。

式中，為含水層滲透系數（m/d）；r0為礦坑內邊界（m）；R為外補給邊界（m）；S為水位降低（m）；b為大井至隔水邊界的距離（m）；hR為外邊界水位，從下伏隔水層算起（m）；hr0為內邊界水位，從下伏隔水層算起（m）。

圖1 礦區概化模型

表1 解析法+360m礦坑正常涌水量計算結果表

表2 比擬法+360m礦坑正常涌水量計算結果表

（1）滲透系數k：

利用水文孔SZK1～SZK5抽水試驗獲得的各降深滲透系數，求取含水層平均滲透系數，計算整個含水層的加權平均滲透系數。

（2）礦坑內邊界r0：360m以上礦體水平投影呈不規則多邊形，礦坑內邊界按式（2）計算。

式中，P為多邊形周長，（m）。

（3）外補給邊界R：按式（3）計算。

式中，R0為引用影響半徑（m），按式（4）計算。

式中，H為含水層厚度（m），取平均平水期靜止水位與隔水頂板平均高差；S為水位降低（m），取平水期平均靜止水位與開采水平的高差。

根據上述公式求得+360m水平礦坑正常涌水量結果見表1。

2.1.2 最大涌水量

礦坑最大涌水量為豐水期礦坑涌水量，與大氣降水密切相關。礦區含水層厚度、水位降低及滲透系數等水文地質參數，本應按豐水期礦區統測鉆孔地下水位和抽水試驗結果進行計算，鑒于礦區勘探收集基礎數據有限，本文擬采用暗河流量長期觀測數據，按式（5）推算礦坑最大涌水量。

式中，Qmax為礦坑最大涌水量（m3/d）；Q為礦坑正常涌水量（m3/d）；γ為暗河流量變幅系數，按式（6）計算。

暗河AH01豐水期（4月～9月）平均流量486.96m3/d，年平均流量399.51 m3/d，變幅系數1.22；暗河AH02豐水期（4月～9月）平均流量262.00m3/d，年平均流量240.98m3/d，變幅系數1.09。首采區暗河平均流量變幅系數1.16，推算+360m水平礦坑最大涌水量為13062.96 m3/d。

2.2 比擬法

水文地質比擬法，是在整理已開采礦山礦坑排水資料，推求礦山下一個開采水平的礦坑涌水量；或以水文地質條件類似已開采礦山的礦坑涌水量為依據，預測礦坑涌水量。常用的比擬法有富水系數比擬法、單位涌水量比擬法。

相鄰李梅1采區水文地質條件復雜程度與大腦坡礦區類似，以李梅1采區礦坑排水資料為依據，推算大腦坡礦區+360m水平正常礦坑涌水量，按式（7）[7]進行計算。

式中，Q2、Q1分別為預測礦坑和已知礦坑的涌水量；F2、F1分別為預測礦坑和已知礦坑的開采面積；S2、S1分別為預測礦坑和已知礦坑的疏干降深；m、n待定系數，根據李梅1采區礦坑排水資料，采用反演法計算。

根據李梅1采區礦坑排水資料進行比擬，大腦坡+360m水平正常礦坑涌水量計算結果見表2。

根據首采區暗河平均流量，推算+360m水平礦坑最大涌水量為10142.30 m3/d。

2.3 涌水量預測結果分析評價

以上兩種方法礦坑涌水量預測結果見表3。解析法涌水量預測結果受水文地質邊界概化模型及滲透系數取值影響大，大腦坡礦區含水巖組滲透性各向異性明顯，解析法計算礦坑涌水量偏差大。比擬法利用相鄰生產礦山排水資料，結合礦床的實際情況預測的礦坑涌水量，綜合了多種水文地質因素，代表性強，準確度高，因此采用比擬法預測結果。

計算方法 正常涌水量（m3/d)最大涌水量（m3/d) 預測成果評價解析法 11261．17 13062．96 解析法預測結果偏大，比擬法預測結果更切合實際，推薦比擬法預測結果供設計參考。比擬法 8743．37 10142．30

3 結論及建議

（1）根據勘探結果，礦區地下水類型主要為松散堆積層孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水兩大類。

（2）礦床主要通過斷裂構造帶和巖溶管道直接充水。

（3）經研究分析，推薦比擬法預測礦坑涌水量供設計使用。

（4）解析法預測礦坑涌水量受水文地質邊界的概化模型及滲透系數取值影響大。

（5）比擬法預測礦坑涌水量操作相對簡單，但必須有可靠的類似已采礦山排水資料。