豫西鋁土礦水文地質(zhì)條件研究
——以澠池縣某礦為例

郝 珺

（河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 鄭州 450000）

鋁是國民經(jīng)濟(jì)中各行業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)原材料，廣泛用于建筑、包裝、交通運(yùn)輸、電信、電力、航空航天、軍工等領(lǐng)域[1]。在鋁土礦開采前需要開展相應(yīng)的水文、工程和環(huán)境地質(zhì)工作，尤其是水文地質(zhì)條件的研究。

目前，礦井涌水量預(yù)測(cè)中的解析法（穩(wěn)定井流）和比擬法由于可操作性強(qiáng)得到廣泛應(yīng)用。此外，前人也提出的其他預(yù)測(cè)方法：三圖～雙預(yù)測(cè)法[2]、模糊聚類分析法、灰色系統(tǒng)模型和數(shù)值模擬方法等。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省三門峽市澠池縣，南距隴海鐵路線觀音堂火車站和310國道平距12km，東南距澠池縣城18km。

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)

（1）自然地理。研究區(qū)屬中低山丘陵區(qū)，地勢(shì)南高北低。氣候?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫14.3℃，平均降水量609.7mm，平均蒸發(fā)量1858.8mm；春、夏、秋三季以東南風(fēng)、東風(fēng)為主，冬季以西北風(fēng)為主。

（2）含水層（組）與隔水層（組）。研究區(qū)地層從老到新主要發(fā)育有寒武～奧陶系（∈-O）巖溶裂隙含水組、上石炭統(tǒng)本溪組（C2b）隔水巖組、石炭～二疊系太原組（C2P1t）灰?guī)r溶蝕裂隙和砂巖（P1s^）裂隙含水巖組、風(fēng)化帶裂隙含水層、古近系潭頭組（E2t）孔隙裂隙含水層、第四系（Q）孔隙含水層。

1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)

研究區(qū)北鄰黃河，自西向東依次為煤窯溝、寺院東溝和四道溝，溝中常年有水，自南向北流入黃河。

（1）含水層（組）與隔水層（組）。含水層（組）主要是：①奧陶（O）巖溶裂隙含水巖組、②石炭-二疊系太原組（C2P1t）-下、中二疊統(tǒng)石盒子組（P1-2s^）灰?guī)r砂巖巖溶裂隙含水組、③風(fēng)化裂隙含水帶、④古近系潭頭組（E2t）礫巖透水層-第四系（Q）松散堆積物弱透水層。

隔水巖層（組）主要是：①上石炭統(tǒng)本溪組（C2b1-3）隔水巖組、②石炭-二疊系太原組（C2P1t）隔水巖組、③下、中二疊統(tǒng)石盒子組（P1-2s^）相對(duì)隔水層組。

（2）水文地質(zhì)邊界及水動(dòng)力特征。綜上所述，主要礦體所在區(qū)域石炭～二疊系巖溶裂隙含水層地下水補(bǔ)給面積局限，補(bǔ)逕排同為一區(qū)，表現(xiàn)出含水微弱，補(bǔ)給、徑流排泄途徑短，動(dòng)態(tài)變化與降雨關(guān)系密切，地下水流向受多種因素影響的復(fù)雜滲流場(chǎng)特征。

（3）研究區(qū)水化學(xué)特征。研究區(qū)內(nèi)地表水和地下水取樣分析結(jié)果可知：研究區(qū)內(nèi)地表水和淺層地下水屬中性～弱堿性、微硬～硬、重碳酸（硫酸）鈣鈉型冷水；深部石炭～二疊系巖溶裂隙地下水屬強(qiáng)酸性、極硬、硫酸鈣鎂型、咸型冷水；奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙地下水屬中性、極硬、硫酸鈣鎂型、微咸型冷水，含硫酸根離子較高，礦化度高，這說明研究區(qū)地下水徑流條件較差，此外與研究區(qū)內(nèi)石炭～二疊系地層含有黃鐵礦團(tuán)塊和局部存在老窯水有關(guān)。

2 涌水量預(yù)測(cè)

涌水量預(yù)測(cè)分頂板水和底板水兩部分計(jì)算。

2.1 頂板水礦坑涌水量預(yù)測(cè)

2.1.1 水動(dòng)力學(xué)法

（1）計(jì)算參數(shù)選擇：

由收集資料可知，研究區(qū)此部分石炭-二疊系巖溶裂隙含水層地下水位標(biāo)高平均為302.113m，滲透系數(shù)（k）采用鉆孔上部含水層抽水試驗(yàn)結(jié)果平均值4.01m/d，含水層厚度（h2）采用選用孔揭露的實(shí)際厚度，坑道長度（B）分別按鉆孔孔位兩側(cè)所在礦體底板等高線圖上縱剖面線方向302.113m水位線以下實(shí)際長度量得，隔水層坡度（i）采用區(qū)內(nèi)巖層傾角（α）平均值（14°）。

（2）石炭～二疊系巖溶裂隙含水層礦坑涌水量計(jì)算：

按石炭～二疊系巖溶裂隙含水層采用傾斜隔水層上完整坑道無壓水正坡單面進(jìn)水涌水量公式計(jì)算。

計(jì)算公式：

令h1=0則

而Q=qB

式中：q—單位長度坑道涌水量（m/d）；h1—預(yù)測(cè)坑道壁上的含水層厚度為0m；i—隔水層坡度（i=sinα，α=14°）

坑道長度平均541m，預(yù)測(cè)水位降深平均為69.113m，含水層厚度平均45.83m，補(bǔ)給帶寬度平均918m，礦體底板標(biāo)高平均233m，單位長度礦道涌水量27.03m3/d.m。將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算得出礦坑石炭～二疊系含水層涌水量為14712m3/d。

2.1.2 大井法

采用潛水計(jì)算公式：

式中：H—含水層厚度（m）；S—預(yù)測(cè)降深（m）；R—影響半徑（m）；r0—引用影響半徑（m），r0=261。

水位以下礦體面積213774m2，預(yù)測(cè)降深69.113m，含水層厚度45.83m，影響半徑918m，礦體底板標(biāo)高233m。將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算石炭-二疊系含水層涌水量為12880m3/d。

2.2 底板水礦坑涌水量預(yù)測(cè)

坑道位于上石炭統(tǒng)本溪組中，底部有鋁土礦、粘土巖和鐵質(zhì)頁巖等隔水層存在，坑道掘進(jìn)一般不揭露中奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層。但隔水層厚度不均，平均在5.96m左右，且屬軟弱-半堅(jiān)硬巖石，在薄的地段奧灰水就很容易沖破上石炭統(tǒng)軟弱的鋁土頁巖、粘土巖等隔水層而突入坑道，造成大量充水。本次預(yù)測(cè)不發(fā)生突水時(shí)的涌水量。計(jì)算方法取坑道寬度為一邊的正方形作平底井，選用承壓非完整井平底進(jìn)水公式。研究區(qū)此部分含水層地下水位標(biāo)高平均為272.653m，滲透系數(shù)（K）采用鉆孔下部含水層抽水試驗(yàn)結(jié)果平均值0.18263m/d。

承壓非完整井平底進(jìn)水公式：

式中：S—預(yù)測(cè)降深（m）；r0—坑道寬度的一半（m），r0=2。

預(yù)測(cè)降深39.653m，礦體底板標(biāo)高233m，預(yù)算O2m含水層涌水量58m3/d。

2.3 涌水量分析

通過計(jì)算，礦坑頂板涌水量利用大井法和水動(dòng)力學(xué)法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，為13797m3/d，底板涌水量58m3/d，合計(jì)礦坑涌水量為13855m3/d，在隔水層正常發(fā)育情況下，影響礦坑充水的主要因素是頂板水。

3 結(jié)論和建議

（1）研究區(qū)屬以裂隙巖溶含水層充水為主、頂板間接進(jìn)水、水文地質(zhì)條件中等（偏下）的礦床。

（2）研究區(qū)水文地質(zhì)條件中等，地表水質(zhì)基本良好，地下水質(zhì)較差。