老礦山水文地質(zhì)條件及開采后變化特征
——以水城觀音山鐵礦區(qū)為例

鮑大忠，游桂芝

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊(duì)，貴州 六盤水 553004)

以往眾多專家或?qū)W者著重研究某礦山或區(qū)域的水文地質(zhì)特征，基本從震前、震后、隧道長期抽水、巖溶水庫壩基環(huán)境、某盆地、傅疃河中下游富水地段、地?zé)崽锏人牡刭|(zhì)變化特征進(jìn)行了研究[1-8]，但對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)開采后的變化特征研究少見報(bào)道。即便是礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告編寫規(guī)定要求“重點(diǎn)針對(duì)礦床開采后開采技術(shù)條件發(fā)生的變化”開展工作，但實(shí)際報(bào)告編制也習(xí)慣性引用原勘查報(bào)告的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)開采后的水文地質(zhì)特征認(rèn)識(shí)不到位，或過于簡單或一句帶過或直接不提及，這對(duì)礦山生產(chǎn)指導(dǎo)意義不強(qiáng)。實(shí)際上礦山水文地質(zhì)條是復(fù)雜多變、動(dòng)態(tài)變化的。故本文通過以水城觀音山鐵礦區(qū)為例分析老礦山水文地質(zhì)開采后的變化特征。以便引起人們對(duì)老礦山水文地質(zhì)條件的重新認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，對(duì)礦山安全生產(chǎn)起真正意義上的指導(dǎo)作用。

1 礦山概況

觀音山鐵礦區(qū)位于貴州六盤水市鐘山區(qū)境內(nèi),始建于1966年，至2020年已有開采54 a開采歷史；主要開采褐鐵礦、菱鐵礦石；礦區(qū)共探明1、2、3、4、5、6、7、9、10、11、12、13、14、15號(hào)共14個(gè)礦體，礦體埋深0～600 m，主礦體為1、3、6、7、9號(hào)。目前礦山1 895 m中段以上礦石已采完，1 840 m中段主體部分采完，剩余礦體為1、5、7、9、14號(hào)和未開采的6號(hào)礦體。礦山地層近似直立、局部倒轉(zhuǎn)，礦體均為急傾斜礦體；礦床規(guī)模為中型；開拓方式由原來的露天開采轉(zhuǎn)為地下井工開采，采用平硐—盲豎井開拓，平硐布置在1950m水平標(biāo)高，平硐以下采用盲豎井開拓，沿盲豎井兩翼展開布置中段運(yùn)輸平巷，中段高度50～55 m，礦山采用無底柱分段崩落采礦法進(jìn)行采礦。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 礦區(qū)水文地質(zhì)工作概況

2020年又補(bǔ)做了地表水調(diào)查，收集1790平硐長觀資料[13]。

2.2 礦區(qū)水文地質(zhì)概況(開采前后相同)

礦區(qū)地勢(shì)總體北西高、南東低，最高點(diǎn)位于礦區(qū)北部近分水嶺山頂，海拔標(biāo)高2 180 m；最低點(diǎn)位于南東角的溝谷處，海拔標(biāo)高1 763 m，相對(duì)高差417 m，一般海拔1 800～2 000 m，屬中低山地貌。

礦區(qū)位于長江和珠江兩大水系分水嶺部位。地表分水嶺呈近似反“S”型分布于礦區(qū)北東部。

礦區(qū)及外圍出露的地層主要有石炭系下統(tǒng)舊司組(C1j)、上司組(C1sh)；上至下統(tǒng)擺佐組(C1-2b)；石炭系上統(tǒng)黃龍組(C2h)、馬平組(C2m)；第四系(Q)。其中：上司組(C1sh)、擺佐組(C1-2b)、黃龍組(C2h)、馬平組(C2m)中上部為主要含水層，巖性主為灰?guī)r、白云巖；馬平組(C2m)下部、舊司組(C1j)為相對(duì)隔水層，巖性為頁巖和泥灰?guī)r。馬平組的泥灰?guī)r構(gòu)成了礦區(qū)隔水邊界。地表分水嶺、隔水邊界、1 790 m平硐構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元(見圖1)。

圖1 觀音山鐵礦區(qū)水文地質(zhì)略圖

礦區(qū)地表水系：西側(cè)外有一竹林河，與礦區(qū)邊界近似平行，河流流向由北西向南東；東側(cè)外圍有銹水溝，水流流向自北北東向南經(jīng)礦區(qū)南部與竹林河交匯，匯水面積1.21 km2。

礦區(qū)屬黔西北暖溫帶夏濕春干涼氣候區(qū)。礦區(qū)近10 a平均降水量1 131.9 mm，年際變化不超過30%，多集中在6-8月，約占年降水量的三分之二。日降水量最大可達(dá)171.6 mm，每年十月至次年四月降水量極少，月降水量10～50 mm。

礦區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣布，溶蝕洼地、巖溶地貌較發(fā)育；北西向、南東向斷裂較發(fā)育；地下水的補(bǔ)給主要靠大氣降水。按埋藏條件地下水類型主要為潛水，按含水介質(zhì)地下水類型主要為巖溶水。

2.3 開采前礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.3.1 充水因素分析

1)充水水源

大氣降水：是礦井充水的主要因素。大氣降水主要通過巖石風(fēng)化節(jié)理、裂隙，或深部構(gòu)造節(jié)理、裂隙滲入地下，從而與下伏含水層與礦床的產(chǎn)生水力聯(lián)系，對(duì)礦床充水產(chǎn)生間接充水作用。

地表水：經(jīng)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，竹林河在礦區(qū)南東出口處(標(biāo)高1 720 m)，最大流量778 L/s(1957年7月30日)，最小流量314 L/s(1957年2月14日)，平均621 L/s；水位標(biāo)高低于礦區(qū)最低開采標(biāo)高1 790 m，對(duì)礦區(qū)開采不影響。銹水溝，流量173 L/s(1982年詳查報(bào)告)，徑流模數(shù)0.14 L/s·km2。河流流量小，河溝坡降大，對(duì)礦坑充水影響小。

開采前原礦區(qū)水文地質(zhì)單元內(nèi)分布有12個(gè)井泉水。井、泉流量一般為1～2 L/s，最大為211 L/s。

地下水：地下水主要為黃龍組、擺佐組、上司組本身所含的構(gòu)造裂隙水，富水性強(qiáng)，且為各礦體直接頂、底板，其地下水對(duì)礦井的充水較強(qiáng)，對(duì)開采會(huì)有影響。是礦井充水的直接水源。

斷層帶水：礦床產(chǎn)于水杉背斜南東傾末端，在近主背斜軸部發(fā)育著一束高角度走向斷裂，其中有一序次壓性結(jié)構(gòu)面，尖滅再現(xiàn)、分枝復(fù)合特征明顯，其含水性弱；二序次張性結(jié)構(gòu)面其開口寬大、延長、延深不大，但透水強(qiáng)烈，含水豐富；三序次壓扭性結(jié)構(gòu)面規(guī)模比壓性結(jié)構(gòu)面更大，其含水透水性介于兩者之間，富水性中等。原詳勘報(bào)告對(duì)1 790 m中段坑道內(nèi)所發(fā)現(xiàn)的斷層裂隙水文點(diǎn)觀測(cè)，大多斷層導(dǎo)水性較強(qiáng)，其觀測(cè)點(diǎn)水流量0.1～10.5 L/s。對(duì)開采會(huì)有影響。

巖溶水：礦區(qū)位于地下水補(bǔ)給區(qū)，且碳酸鹽巖廣布，巖溶較發(fā)育。據(jù)原報(bào)告：平面分布上，斷裂構(gòu)造緊密發(fā)育地段為巖溶發(fā)育區(qū)，兩側(cè)為中等發(fā)育區(qū)，中等發(fā)育區(qū)的外側(cè)為非巖溶層。垂直方向，據(jù)區(qū)內(nèi)100個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)和坑內(nèi)觀察，1 720 m標(biāo)高以上巖溶較發(fā)育，特別是淺部，垂直溶蝕裂隙空洞規(guī)模亦較大，以1.5 m以下者為多，1.5～3 m、5～10 m者次之；1 720 m標(biāo)高以下，隨著深度的增加巖溶逐漸減弱，溶蝕、裂隙、空洞的規(guī)模也越來越小。總的說來，本區(qū)以垂直巖溶分布為主，水平巖溶少見，垂直巖溶的發(fā)育又隨深度的增加而逐漸減弱。巖溶發(fā)育與礦體的關(guān)系：一般離礦體平距10 m范圍內(nèi)，巖溶發(fā)育，空洞多，流沙粘土淤泥亦分布其中，淺部特多，且頂板多于底板；距礦體10～50 m范圍內(nèi)，巖溶發(fā)育逐漸減弱，空洞散布，規(guī)模亦減小，但仍有碎石粘土流沙充填于孔洞中；距礦體50 m以外的地段，巖溶發(fā)育進(jìn)一步減弱。總的規(guī)律是，距礦體越遠(yuǎn)，空洞發(fā)育顯著減弱。

區(qū)內(nèi)鐵礦體因與斷層密切相關(guān),探明和控制的礦體在1 790 m標(biāo)高以上,溶蝕、裂隙、空洞總體上較為發(fā)育,為大氣降水的入滲補(bǔ)給形成巖溶水提供了良好的通道。故巖溶水對(duì)礦床充水有影響，對(duì)礦山開采影響較大。

因此，礦區(qū)開采標(biāo)高+1 790 m充水水源主要為大氣降水、含水層、斷層帶水、巖溶水。

2)充水通道

充水通道主要有：斷層帶、節(jié)理、裂隙。

礦區(qū)斷層較發(fā)育，斷層附近的巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育；礦區(qū)內(nèi)1 720 m標(biāo)高內(nèi)的礦山溶蝕、裂隙、空洞總體上較為發(fā)育；在自然條件下，這些斷層帶、節(jié)理、裂隙會(huì)成為礦坑內(nèi)地下水的集中徑流帶，成為大氣降水向礦坑充水的主要充水通道。

2.3.2 地下水補(bǔ)徑排條件

礦區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源于大氣降水。補(bǔ)給方式主要通過礦區(qū)內(nèi)大面積分布的巖溶裂隙、漏斗、落水洞、洼地等通道滲入或灌入地下補(bǔ)給地下水。在地下經(jīng)最短距離的徑流后，大部分地下徑流在不同含水性的地層界面、含水層受強(qiáng)烈切割處、低洼河(溝)谷地帶、等排泄于地表，補(bǔ)給地表水，又經(jīng)竹林河排泄，最終注入北盤江。

2.3.3 各礦體分布區(qū)原鉆孔實(shí)測(cè)地下水靜止水位

經(jīng)收集原觀音山鐵礦鉆孔靜止水位觀測(cè)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析開采前礦區(qū)平均靜止水位1 854.43 m，3、5、6、7號(hào)礦體平均靜止水位標(biāo)高分別為：1 847.73 m、2 020.70 m、1 754.59 m、1 959.22 m。除3、5、6、7號(hào)礦體位于地下水位以下外，其余地下水位均位于地下水位以上的包氣帶中。

2.4 開采后礦區(qū)水文地質(zhì)條件

觀音山鐵礦初期以露天開采為主，后期主要為坑采。坑采初期伴有大量排水。下面將對(duì)開采后的礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析：

2.4.1 充水因素分析

1)充水水源

大氣降水：同前“2.1.2.1”。

地表水：開采后經(jīng)2020年11月10日調(diào)查，水文地質(zhì)單元內(nèi)分布現(xiàn)有泉水1處(S1)，S1流量0.1 1/S，出露標(biāo)高+1 722 m。竹林河(H01)流量303 1/S；銹水溝(G01)流量5 1/S。現(xiàn)有地表水體出露標(biāo)高均在1 790 m標(biāo)高或以下，對(duì)現(xiàn)有開采標(biāo)高(1 790 m)內(nèi)礦坑充水無影響。

地下水、斷層帶水、巖溶水：由于開采后地下水流場(chǎng)的變化，現(xiàn)+1 790 m以上各坑道為疏干狀態(tài)，3、5、6、7號(hào)礦體已經(jīng)處于包氣帶中，地下水、斷層帶水、巖溶水對(duì)礦床充水影響較小。

老硐及生產(chǎn)礦井水：礦山分布有部分老硐，這些老硐均分布在礦體淺部，目前淺部礦體已全部采完，存在有大面積空區(qū)和部分積水，故淺部老硐對(duì)礦井生產(chǎn)有影響。

礦山目前僅有1 790 m標(biāo)高坑道生產(chǎn)，總長約1 720 m，是目前最低的生產(chǎn)礦井，大部份地表水和地下水均經(jīng)此坑道排出，少量經(jīng)銹水溝排泄。據(jù)礦方提供的1 790 m中段2019年坑道排水量觀測(cè)資料：流量為74～3 250 m3/d，年平均排水量764 m3/d，變化率4.25；涌水量隨降雨量動(dòng)態(tài)變化。1 790 m以上各坑道全為疏干狀態(tài)，僅在暴雨季節(jié)才會(huì)有雨水流出。故生產(chǎn)礦井水對(duì)礦坑影響較大。

露天采礦場(chǎng)水：由于露采破壞了原地貌形態(tài)，加上露采場(chǎng)底部高低起伏，致使有0.155 km2匯水面積上的地表徑流通過裂隙、溶洞、洼地以及未封鉆孔直接滲入地下，造成深部礦坑涌水量大幅度增加。據(jù)+1790m標(biāo)高坑道動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，1979年6月25日，洪峰流量最高達(dá)18 144 m3/d；1980年6月19日洪峰流量最高達(dá)30 270 m3/d；1981年6月22日，洪峰流量最高達(dá)19 631 m3/d。經(jīng)多年開采后，2019年8月21日洪峰流量只達(dá)到576 m3/d。經(jīng)2020年地表調(diào)查，露天采礦場(chǎng)無積水，對(duì)礦坑影響是逐漸減少。

同時(shí)，由于+1 790 m標(biāo)高中段以上大面積的采空和疏干，目前礦區(qū)及相鄰地帶內(nèi)已形成了以采空區(qū)為中心的地下水疏干漏斗，各礦體分布地帶地下水位已降到+1 790 m高程，地下水流場(chǎng)的改變，使得3、5、6、7號(hào)礦體已經(jīng)位于地下水位以上的包氣帶中。因此，故礦體的充水水源從開采前的“地下水直接充水”轉(zhuǎn)變?yōu)椤按髿饨邓g接充水”。開采后礦區(qū)開采標(biāo)高+1 790 m充水水源主要為大氣降水間接充水。

2)充水通道

同“2.3.1.2”條相比，充水通道增加了“露采坑、采礦冒落帶”，其余不變。

2.4.2 地下水補(bǔ)徑排條件

礦區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源于大氣降水。補(bǔ)給方式主要通過礦區(qū)內(nèi)大面積分布的巖溶裂隙、漏斗、落水洞、洼地、露采形成的洼陷、采礦冒落帶等通道滲入或灌入地下補(bǔ)給地下水。在地下經(jīng)最短距離的徑流后，大部分地下徑流在不同含水性的地層界面、含水層受強(qiáng)烈切割處、低洼河(溝)谷地帶、采礦坑道等排泄于地表，補(bǔ)給地表水，又經(jīng)竹林河排泄，最終注入北盤江。

2.4.3 各礦體開采情況及地下水位

截止2020年6月底，14個(gè)礦體中，2、4、10、11、12、13號(hào)礦體已采空，3、15號(hào)礦體1 790 m標(biāo)高以上已采空，1、5、7、9、14號(hào)礦體在1 790～1 840 m之間還有礦石未開采，6號(hào)礦體未開采。礦區(qū)內(nèi)各礦體開采情況詳見表1。

表1 礦區(qū)內(nèi)已采礦體開采情況表

觀音山鐵礦開拓的巷道已達(dá)到+1 790 m(目前礦山最低開采標(biāo)高)，+1 790～+1 950 m各中段采礦坑道均有中豎井或坑道相通。+1 790 m平硐排水控制的礦體包括除6號(hào)以外的所有開采礦體，控制采空區(qū)面積618 702 m2。+1 950 m、+1 840 m、+1 790 m平坑均為自排水設(shè)計(jì)，坑道內(nèi)無積水。+1 790 m坑道上部的坑道均處于疏干狀態(tài)，各開采礦體水位已降至+1 790 m，平均水位降深64.43 m。

2.4.4 開采后現(xiàn)狀礦區(qū)水文地質(zhì)勘探類型

礦區(qū)當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面位于礦區(qū)南部與銹水溝的交匯處的竹林河，標(biāo)高為1 720 m(見圖1)。現(xiàn)有殘余量的礦體為1、5、7、9、14號(hào)、未開采的礦體為6號(hào)。現(xiàn)殘余量的礦體和未開采礦體標(biāo)高與當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面的標(biāo)高關(guān)系見表2。

表2 現(xiàn)有礦體標(biāo)高與當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面標(biāo)高關(guān)系表

由表3可知，本次核實(shí)礦區(qū)范圍內(nèi)最低開采標(biāo)高+1790內(nèi)現(xiàn)有礦體1、5、6、7、9、14號(hào)(包括主礦體1、6、7號(hào))均位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之上。礦區(qū)地處分水嶺地帶，地形利于排水；+1 790 m中段坑道內(nèi)多數(shù)斷層導(dǎo)水性較強(qiáng)；礦床主要含水層為巖溶裂隙含水層，富水性強(qiáng)；地下水補(bǔ)給主要來源于大氣降水，補(bǔ)給較差，但現(xiàn)+1 790 m標(biāo)高以上地下水自然疏干，故礦區(qū)現(xiàn)為水文地質(zhì)條件為簡單的巖溶裂隙水充水礦床。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)條件開采后變化特征分析

根據(jù)開采前、后水文地質(zhì)條件可知，礦區(qū)開采后水文地質(zhì)發(fā)生了如下變化：

(1)礦山長期排水造成了地下水位大幅度下降。礦山平均靜止水位標(biāo)高由+1 854.43 m降至+1 790 m，平均水位降深64.43 m。

(2)+1790平硐排水量大幅度降低。正常排水量由1979年的1 200 m3/d到2019年的764 m3/d。

(3)地表井、泉大量干涸。在水文地質(zhì)單元內(nèi)，原來出露井、泉共12處，但現(xiàn)僅有泉水點(diǎn)1處(S1)。共余井、泉均已干涸。

(4)地表河流、溝谷流量明顯減少。礦區(qū)南部竹林河流量由原來的2 550 L/s(1965年6月)降至303 1/s(2020年11月10日)。原來位于南部銹水溝(G01)流量由原來的470 L/s(1965年6月)降至5 L/s(2020年11月10日)。

(5)地表露采坑大量形成改變了原始的大氣降水對(duì)地下的入滲補(bǔ)給條件，較原地形條件更有利于地下水補(bǔ)給。

(6)礦床地下水充水因素發(fā)生變化。充水水源：+1 790 m標(biāo)高內(nèi),由原來的大氣降水、地下水、斷層破碎帶水、巖溶水、含水層等多種充水因素，因疏干變?yōu)橹饕源髿饨邓g接充水為主。充水通道：原為斷層帶、節(jié)理、裂隙；開采后為斷層帶、節(jié)理、裂隙、露采坑、采礦冒落帶，改變?cè)兴牡刭|(zhì)條件，特別是采空區(qū)積水。

(7)礦床開采至上而下，上部形成大面積的采空區(qū)，部分采空區(qū)存在積水，在開發(fā)過程中，對(duì)采空區(qū)積水仍應(yīng)進(jìn)行探水處理。

4 結(jié)語

由開采后變化特征分析可知，觀音山鐵礦經(jīng)過多年的開采，水文地質(zhì)條件發(fā)生了極大變化。因此對(duì)老礦山(含生產(chǎn)礦山)，當(dāng)水文地質(zhì)條件發(fā)生較大變化時(shí)，礦山應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，隨時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管、掌握，對(duì)開采后的水文地質(zhì)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)狀及原始水文地質(zhì)條件進(jìn)行重新梳理、總結(jié)、評(píng)價(jià)，重新編制適合礦山實(shí)際的專項(xiàng)水文地質(zhì)報(bào)告或詳細(xì)編寫資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告的開采技術(shù)條件章節(jié)，以便指導(dǎo)礦山實(shí)際生產(chǎn)。