云南鶴慶縣北衙金礦露采礦坑涌水量預測方法

和 祥，楊蘇煥

(云南黃金礦業集團股份有限公司 云南昆明 650299)

北衙金礦位于云南大理白族自治州鶴慶縣境內，礦床為與喜馬拉雅期富堿斑巖有關的斑巖—矽卡巖—熱液型金多金屬礦床。目前礦區圈定礦體491個，其中有規模的礦體12個，均為同體共生金鐵銅礦體。主礦體為KT52、KT4、KT54，次要礦體9個。主礦體KT52在空間上沿萬硐山富堿性斑巖體與北衙組碳酸鹽巖接觸帶分布，礦體嚴格受巖體接觸帶控制，長1360m，寬一般600m～900m，礦體最高標高1851m，見礦最低標高1310m。礦體在空間上有分支特征，在中段平面上總體呈環狀或半環狀，分支沿走向、傾向延伸長，礦體厚2m～60m，金品位3g/t。KT52探獲(122b+332+333)資源/儲量：金金屬量140噸，占礦區探獲資源量的73%；共生鐵礦石量2066萬噸，共生銅金屬量16萬噸。

目前首采區萬硐山礦段的開采方式為露天凹陷坑采，隨著開采深度及生產規模的擴大，礦床深部水文地質條件較勘探前期發生了較大變化，礦坑涌水成為了最大的安全隱患。為確保礦山安全高效生產，根據礦區以往勘查取得的水文地質資料，結合生產揭露的實際情況，采用多種方法預測礦坑涌水量，為深部礦坑防治水提供可靠依據。

1 礦區水文地質概況

北衙金礦地處構造—剝蝕中山區喀斯特向斜盆地內，屬區域水文地質單元的徑流—排泄區。流經礦區北東部的鍋廠河為區內唯一常年流水地表水體，雨季實測流量6188L/s，旱季實測流量56.79L/s，是區內大氣降水地表徑流、地下水匯集的場所和主要排泄通道。

中三疊統北衙組(T2b)碳酸鹽巖廣泛裸露并構成盆地基底，下三疊統青天堡組(T1q)碎屑巖及峨眉山玄武巖(Pe)集中出露于盆地東部外圍，盆地中心地段第四系更新統含礫粘土巖(Q1s)、灰質角礫巖(Qp)較厚大，全新統松散層(Q4)分布零星。主礦體賦存于北衙組(T2b)碳酸鹽巖與石英正長斑巖接觸帶中，呈環繞巖體分布(圖1)。主要資源儲量位于北衙組巖溶水位以下，北衙組(T2b)碳酸鹽巖溶含水層構成礦體圍巖和礦床主要直接充水含水層，富水性弱—中等，局部富水性強。2017年底萬硐山露采礦坑坑底標高已達1602m，已采至北衙組(T2b)巖溶含水層水位以下，保有的資源儲量主要分布于礦區最低侵蝕基準面之下，地形有利于地表水、地下水匯集，礦坑水不能自流排放。確定礦床水文地質條件屬以北衙組溶蝕裂隙巖溶水直接充水為主的中等偏復雜類型。

圖1 北衙礦區水文地質簡圖

2 礦坑涌水量預測

2.1 水文地質概念模型

2.1.1 含水層結構與水動力模式

礦區含水層巖性結構為：白云質灰巖、砂屑灰巖、泥質灰巖、砂巖呈層狀產出，其構造類型為平緩向斜，軸向南北，含水體補給面積廣，邊界清楚，由于地形坡度較陡，降水迅速形成地表徑流，沿溪溝、順山坡、深切溝谷匯入東山河和鍋廠河；另一部分通過落水洞、洼地、層面裂隙及第四系松散層與基巖接觸面，滲入地下，形成散狀或集中潛流，遇河谷下切、構造破碎帶、隔水層阻擋而出露地表，形成侵蝕構造泉。另外北衙組(T2b)上部巖層中的潛流，通過垂向于層面裂隙、垂直節理、構造裂隙帶，補給下伏的含水層，甚至達更深的T2b下部含水層，并經生產坑道揭露而流入礦坑。

上述水文地質條件構成了北衙礦區地下水水平和垂直分帶的水動力模式(圖2)。

2.1.2 概念模型

(1)礦區屬深切割中山(絕對高度1000m～3500m，切割深度500m～1000m)上升地形，地形坡度大，有利于地表水自然排泄。

(2)礦區內地表水體有鍋廠河、東山河，東山河從礦區內流過，目前已對東山河進行改道，并進行了防滲處理；鍋廠河從礦區外圍東北角流過，河床底部巖性主要為火成巖和青天堡組(T1q)粉砂巖，在天然狀態下，鍋廠河與礦區地下水聯系微弱。

(3)北衙礦區為一獨立的水文地質單元，南至雞鳴寺-觀音箐一帶(F21)，北至鍋廠河支流大溝(F28)，西至馬鞍山斷裂以西一帶(F馬)，東至筆架山-桅桿坡地表分水嶺，邊界條件清楚。

(4)中三疊體北衙組(T2b)灰巖溶蝕裂隙巖溶含水系統比較復雜，富水性和滲透性各向異性明顯，在巖體外接觸帶的含礦部位，富水性相對較弱；遠離巖體后，富水性逐漸增強，形成以侵入巖體為中心，自巖體向外，徑向富水性呈弱-中等-強、極強序次排列，巖體及其近端環形含礦帶富水性弱-中等，遠端富水性中等-強，局部極強。

(5)大氣降雨為礦區主要補給源，所形成的地表徑流和地下潛流匯集于鍋廠河、萬硐山露天采坑排泄。

(6)與礦床開采有直接關系的中三疊統北衙組(T2b)溶蝕裂隙巖溶水，是礦床地下開采直接充水因素，第四系更新統Qp灰質角礫巖溶蝕裂隙水是礦床充水的間接因素。未來礦區暴雨對礦坑涌水量較大，但存在偶然性。

2.2 首采區開采方式

首采區萬硐山礦段礦體較集中，現階段采用凹陷露天坑同時開采不同類型的礦體，2017年10月坑底標高已達1602m。根據礦山采礦設計，推薦設計露天開采最低標高1429m，目前現有采礦權內最低開采標高為1540m。且在露天采場封閉圈1834 m臺階設置永久截水溝，防止山坡露天采場內的大氣降水匯入凹陷露天采場內增加排水費用。凹陷露天涌水采用采場底部集中排水方式，在露天坑底部設置集水坑和潛水移動泵站，隨著露天開采深度的下降，集水坑和移動泵站隨之下降，將集水排出境界外。

2.3 礦床充水因素分析

2.3.1 充水水源

露天開采主要充水水源為：大氣降水、北衙組(T2b)巖溶含水層地下水，其次為更新統灰質角礫巖(Qp)地下水。

2.3.2 充水通道

露天采場1834m截水溝內側匯集的大氣降水地表徑流，直接進入露天采場，是雨季露天采場礦坑涌水量的主要來源之一。1834m截水溝外側含水層接受的大氣降水入滲量，通過含水層間接滲入礦坑，為雨季地下水泄入礦坑涌水量的一部分。

采坑進入北衙組巖溶含水層潛水位以下后，該含水層地下水沿露天采場邊幫、坑底以涌水、滲水的方式直接進入礦坑，北衙組巖溶水是礦床主要直接充水因素。

礦體上覆Qp灰質角礫巖溶蝕裂隙巖溶含水層構成礦體間接頂板含水層，雖然大部分被前期露采疏干，但受統蛇山組(Q1s)相對隔水層托底，局部仍然存在上層滯水富水地段，受大氣降水補給和調節，在采場南幫泄入采坑，從2012年至今一直沿蛇山組(Q1s)含砂礫粘土巖接觸帶涌出，是露天采場礦坑涌水量相對獨立的構成部分。

2.3.3 影響充水強度的因素

大氣降水充水強度的主要影響因素為露采礦坑匯水面積、大氣降水強度(降水量、連續降水歷時長度)，每年雨季降水量較集中的7～9月形成的大氣降水涌水量較大；北衙組巖溶含水層充水強度的主要影響因素為開采面積、開采深度、含水層厚度和補給條件、含水介質賦水空間發育程度、距離侵入巖體的遠近等，其它條件相同時，開采侵入巖體遠端礦體比開采侵入巖體近端礦體形成的涌水量大；灰質角礫巖含水層充水強度的主要影響因素為含水層面積、大氣降水強度(降水量、連續降水歷時長度)，隨著含水層逐漸被露天開采剝離，充水強度逐漸減弱直至消除，涌水量大小主要隨季節性周期變化，每年雨季中后期的7～11月涌水量增加較大。

2.4 首采區涌水量預測

2.4.1 涌水量計算原則

萬硐山礦段露天采場礦坑涌水量旱季由更新統灰質角礫巖(Qp)含水層泄入水量和北衙組(T2b)巖溶含水層泄入水量兩部分構成；雨季由采坑匯集的大氣降水徑流水量、更新統灰質角礫巖(Qp)含水層泄入水量和北衙組(T2b)巖溶含水層泄入水量三部分構成。其中采坑匯集的大氣降水徑流水量和更新統灰質角礫巖(Qp)含水層泄入水量相對固定的水量，只隨季節變化，不會隨礦床疏干降深變化。而北衙組(T2b)巖溶含水層泄入水量不僅隨季節變化，還隨礦床疏干降深變化。結合礦山生產建設，選擇對露天采場1540m、1429m兩個中段進行涌水量估算。

2.4.2 礦坑涌水量預測估算方法

2.4.2.1 大氣降水直接降落在首采礦坑中的涌水量

(1)計算公式及估算參數

計算公式：Q多年日平均=F·A多年日平均·ψ(1)

Q暴=F·A暴·ψ(2)

估算參數意義及取值：

Q多年平均為萬硐山露天采場多年日平均匯集的大氣降水量(m3/d)；

Q暴為萬硐山露天采場設計頻率暴雨日匯集的大氣降水量(m3/d)；

F為露天采場匯水面積，取設計的1834m標高露天境界封閉圈面積，F1834=1491104.95 m2；

A多年日平均為多年雨季平均日降雨量，根據礦區旱、雨季分明，雨季降水量很集中的氣候特點，將日降水量≥5.0mm的降水視為有效降水，則雨季日平均有效降水量A雨季日平均=0.0180m；

A暴為設計頻率的日暴雨量，

ψ為地表徑流系數，開采境界內主要由北衙組(T2b)碳酸鹽巖和石英正長斑巖組成，裂隙發育，根據經驗和礦坑多年排水資料分析，正常降水時ψ取0.1，暴雨時ψ取0.2。

根據鶴慶縣城2000年～2016年連續17 年觀測的一日最大降水量，通過理論頻率的計算，求得各設計頻率的日最大降水量，計算結果見表1。

(2)估算結果

根據上述所確定的參數，最終求得的大氣降水直接降落在露采礦坑中的涌水量(表2)。

表2 大氣降水直接降落在露采礦坑中的涌水量計算結果表

2.4.2.2 灰質角礫巖(Qp)巖溶含水層泄入礦坑的涌水量

現露天礦坑已揭穿Qp巖溶含水層，該含水層泄入露采礦坑的水量只隨季節變化，而不會隨采深而變化。根據2012～2016年排水資料統計，旱季平均涌水量504m3/d，雨季平均涌水量1251m3/d，最大涌水量2335m3/d。

2.4.2.3 北衙組(T2b)巖溶水礦坑涌水量

萬硐山礦段已勘查和開采多年，積累了較多的抽水試驗資料和礦坑排水資料，并且礦區主要充水含水層分布面積廣，符合無限補給邊界條件，可以將采礦工程概化為一個大井，根據各中段水文地質特征，1540m中段采用地下水動力學“大井法非完整井”公式、1429m中段采用地下水動力學“大井法完整井”公式分別計算礦坑涌水量；另外萬硐山礦段已經露天開采多年，形成了較完善的采礦系統，未來露天采礦僅是在現有基礎上開采面積的擴大和深度的延伸，水文地質條件基本相似，采用水文地質“比擬法”預測估算1540m中段露采礦坑涌水量，并與“大井法”估算結果進行對比驗證。

(1)“大井法”

計算公式：

估算參數意義及取值：

Q為各中段北衙組巖溶水泄入露采礦坑的涌水量(m3/d)。

K為滲透系數(m/d)，采用萬硐山礦段北衙組9個鉆孔抽水試驗滲透系數加權平均值0.234m/d。

H為潛水含水層厚度(m)，采用萬硐山礦段北衙組巖溶含水層初始水位標高1721.58m與北衙組底板平均標高1428.04m之差，H=1721.58-1428.04=293.54m。根據統計萬硐山礦段226個鉆孔資料，北衙組底板平均標高為1428.04m。

Sw為預測水位降深(m)，正常開采中，水位降至坑底，即Sw1540=1721.58-1540=181.58m；Sw1429=1721.58-1429=292.58m。

R為大井影響半徑，采用經驗公式R=計算，R1540=3009.81m；R1429=4849.71m。

R0為大井引用影響半徑，用R0=R+r0求得，R01540=3456.30m，R01429=5253.39m。

L為過濾器長度，即井壁進水段長度(m)，取單個臺階高度15m。

根據上述所確定的參數，最終求得的涌水量結果(表3)。

表3 “大井法”北衙組礦坑涌水量計算結果表

注：最大涌水量采用一般涌水量乘以季節變化系數，季節變化系數采用萬硐山露天坑底北衙組年排水量季節變化系數平均值2.33。

(2)水文地質比擬法

估算參數意義和取值：

Q為預測1540m中段北衙組含水層泄入露采礦坑的涌水量(m3/d)；

Q0為現有露天礦坑北衙組含水層實際涌水量(m3/d)，采用坑底降至1602m標高時持續排水資料統計，旱季平均涌水量2606m3/d，雨季平均涌水量4139m3/d，最大涌水量8799m3/d。

F0為現有露天礦坑坑口面積(m2)，采用2017年年底坑底標高下降至1602m時對應的坑口面積，F0=1381781m2。

F為預測1540m中段露采礦坑坑口面積(m2)，根據采礦設計，F=1854948m2。

S0為萬硐山露天采場現水位降深(m)，采用涌水量預測范圍內初始水位標高平均值1721.58m與現露采坑底1602m標高之差，S0=1721.58-1602=119.58m。

S為預測萬硐山露天采場1540m中段水位降深(m)，采用涌水量預測范圍內初始水位標高平均值1721.58m與1540m中段標高之差，即S=1721.58-1540=181.58m。

m、n為地下水流態系數，根據2012年7月至2017年10月北衙組礦坑排水量，采用圖解法求得m=0.36，n=1.34。

根據上述所確定的參數，最終求得的涌水量結果(表4)。

表4 “比擬法”北衙組礦坑涌水量計算結果表

2.4.3 露采礦坑涌水量估算結果及評價

計算結果詳見表5。本文結合各開采中段的水文地質特征，各中段選擇適用公式進行估算，露天采場雨季大氣降水地表徑流水量采用大氣降水地表徑流系數法；Qp灰質角礫巖含水層涌水量采用排水資料統計數據；北衙組巖溶含水層涌水量1540m中段采用“大井法潛水非完整井”和“水文地質比擬法”公式計算，1429m中段采用“大井法潛水完整井”公式計算；其中計算參數均為礦區多年實測資料，計算公式、方法和參數選擇合理。

1540m中段北衙組巖溶含水層涌水量估算結果比擬法比大井法大50%～118%，鑒于“比擬法”估算參數有多年長期觀測的實際排水資料支撐，故推薦 “比擬法”預測估算的涌水量作為1540m預測中段的設計依據。1429m中段北衙組巖溶含水層涌水量由于受“比擬法”計算公式最大外推深度的限制，本文僅采用“大井法完整井”公式估算涌水量，估算結果為露采終了末期的涌水量。

表5 首采區礦坑總涌水量計算成果表

3 結論與建議

通過建立水文地質概念模型，重點分析了礦床充水因素，并選取相應的公式預測估算了首采區露天采場1540m、1429m中段的礦坑涌水量，結合礦區多年開采揭露實際情況，推斷1540m中段旱季平均涌水量8569 m3/d，雨季平均涌水量16745 m3/d；1429m中段旱季平均涌水量25219m3/d，雨季平均涌水量28650m3/d作為露采礦坑排水設計依據。最大涌水量根據設計頻率暴雨計算，水量很大，但具有偶然性，可考慮暫時積水淹沒1-2個臺階儲存暫時性洪水，不作為排水設計依據。本次估算未考慮萬硐山東側鍋廠河對礦坑充水的影響，建議在以后工作中加強研究采坑與鍋廠河之間的水力聯系，提高涌水量估算精度。