露天轉深部礦床水文地質特征及其水害防治對策
——以貴州英坪深部磷礦區為例

曾凡祥，趙 磊，曾道國，宋小軍，鞏 鑫

(貴州省有色金屬和核工業地質勘查局地質礦產勘查院，貴州 貴陽 550005)

露天轉深部，礦床充水受相鄰礦山水影響顯著。平枯水期，相鄰礦山水補給為礦井充水的重要補給來源；豐水期，相鄰礦山中儲積大量地下水，相鄰礦山水徑流補給為礦井充水的主要補給來源。該補給充水條件決定了此類礦床水文地質條件的特殊性，使其可作為一類獨特的礦床進行研究[1]。

英坪深部磷礦區位于甕福礦田高坪礦區英坪礦段內，為現有英坪露天礦的深部延伸部分。毗鄰礦區西側、北東側為英坪露天礦Ⅰ號坑、Ⅱ號坑、攔馬拗采坑、福泉市磷礦小壩露采坑及小壩磷礦山3號井、1號井(圖1)。英坪礦段先期采用露天開采方式，現淺部資源枯竭，礦山規劃向深部開采，相鄰礦山水向礦井突水成了礦山企業高度重視的水害問題[2]。

1-英坪露天礦Ⅰ號坑；2-英坪露天礦Ⅱ號坑；3-英坪露天礦攔馬拗采坑； 4-福泉市磷礦小壩露采坑；5-福泉市磷礦小壩1號井；6-福泉市磷礦小壩3號井

區內各類水文資料較為齊全豐富，水文地質勘查程度相對較高。本文根據前人基礎地質工作成果，通過綜合研究礦區水文地質特征，分析預測相鄰礦山水未來對其地下開采的影響及危害，據此，提出礦井水害防治對策具有理論和現實的雙重意義。

1 概述

礦區位于貴州省福泉市350°方向約30 km。區內位于NNE～SSW向高坪背斜E翼南部單斜構造內，礦區地層總體走向自南而北由北東東～北東～南北～北東變化；傾向為南東，傾角呈西緩東陡，南緩北陡變化。

礦區內僅b礦層有工業價值，b礦層礦體主要賦存于震旦系下統陡山沱組頂部第四段(Pt33d4)之中，以膠磷礦為主的海相沉積磷塊巖礦床，礦體呈層狀、似層狀產出，產狀與地層產狀一致。2018年，貴州省有色金屬和核工業地質勘查局地質礦產勘查院探明英坪深部磷礦區，磷塊巖礦體資源量超億噸，為大型磷礦床。

2 水文地質特征

2.1 露天轉深部礦床及水文地質特征

根據礦床與相鄰礦山的空間位置關系，接觸充水含水層的發育、分布情況及對礦井充水來源的組成，總結出這類礦床的水文地質特征和充水因素的規律性特征，將這類接受相鄰礦山水補給能力強的充水礦床劃分為一類獨特的礦床。

決定水文地質特征特殊性的首要因素是礦床與相鄰礦山的空間位置關系。由露天轉向深部，礦床埋藏層位在相鄰礦山側向或垂向補給能夠對礦床充水產生影響的范圍內，礦床與賦水、導水性能良好的含水層接觸，易受礦山水補給影響。除埋藏層位與接觸含水層影響作用外，礦床頂板中的冒落導水裂隙帶最大高度決定著相鄰礦山水能否涌入礦井，礦床冒落導水裂隙帶為礦井突水提供了通道。

2.2 礦區水文地質特征

礦區位于高坪背斜軸部東翼南段背斜蓄水構造內，屬長江流域烏江水系一級支流清水江次級支流巖坑河末級支流阿羅河上游補給區和清水江次級支流冷水河末級支流高坪河上游補給區(圖2)。礦區地勢總體東高西低，屬中等切割低中山侵蝕巖溶地貌，水系發育，流經礦區有英坪溪、阿羅河左支流等兩條小溪溝。

1-寒武系芙蓉統婁山關組巖溶裂隙溶洞含水層；2-寒武系第三統石冷水組、高臺組巖溶含水層；3-寒武系第二統清虛洞組巖溶含水層；4-寒武系第二統金頂山組隔水層；5-寒武系第二統明心寺組隔水層；6-寒武系紐芬蘭統-第二統牛蹄塘組隔水層；7-震旦系上統-寒武系系紐芬蘭統燈影組巖溶孔洞裂隙含水層；8-青白口系下江時期清水江組隔水層；9-地下分水嶺；10-地下水流向；11-河流、溪溝；12-地質界線；13-背斜軸；14-逆斷層；15-平移斷層；16-礦區范圍

2.2.1 礦區透、含、隔水層巖組特征

1)透水層巖組

第四系(Q):分布廣泛而零散，厚0～28.72 m。含少量孔隙水，為孔隙弱透水層。人工回填區域，孔隙度大，透水性強。

2)含水層巖組

(1)燈影組(Pt33b∈1dy1-3)

分布于礦區西側及礦區內10～12線，厚150～320 m，由一套灰色中厚層～厚層白云巖組成，與下伏陡山沱組呈假整合接觸，根據巖石組合特征分為三段。在鉆孔中，見該層內第一段(Pt33b∈1dy3)、第三段(Pt33b∈1dy1)裂隙狀溶洞、溶孔等極發育，而在礦區內10線向南，巖溶發育變弱。

(2)陡山沱組(Pt33d1-4)

分布于礦區西側，厚37～88 m，為礦區磷礦賦礦層位，與下伏南沱組呈假整合接觸，共細分為四個巖性段。頂部為第四段(Pt33d4)，俗稱“b” 礦層，由薄層至厚層白云質磷塊巖、致密狀、團塊狀、條帶狀及砂礫狀磷塊巖組成，巖溶發育較弱；中下部為第一、二、三段(Pt33d1-3)，由淺灰～肉紅色中厚層泥～細晶白云巖、乳白色厚層塊狀硅質巖組成。在鉆孔中，見該層內第三段(Pt33d3)裂隙狀溶洞、溶孔發育較強，而在礦區內10線向南，巖溶發育變弱。

上述燈影組、陡山沱組含水層之間，未有相對隔水層發育，將其合并為一個含水層巖組。該巖組是唯一影響礦床充水的含水層，其在區內分布面積較大，地下裂隙狀溶洞、溶孔發育，為富水中等至強的巖溶孔洞裂隙含水層(表1)。

表1 透、含、隔水巖層富水性分級統計表

3)隔水層巖組

(1)上覆隔水層

金頂山組(∈2j)碎屑巖，以粉砂巖及粘土巖為主，與下伏明心寺組整合接觸，厚 >150 m。表層風化裂隙發育，含基巖裂隙水，含水性、富水性均較弱，整體視為相對隔水層。

(2)頂板隔水層

明心寺組(∈2m)、牛蹄塘組(∈1～2n)碎屑巖，由黑色薄層高炭質泥巖、灰綠色薄層、中厚層狀泥質粉砂巖組成，厚 >200 m，與下伏燈影組呈假整合接觸。風化裂隙發育，裂隙集中發育帶含裂隙水，泉點出露多，但流量較小，含水性、富水性均較弱，為礦區頂板良好的隔水層。

(3)底板隔水層

南華系南沱組(Pt32cn)、青白口系下江時期～清水江組(Pt3ldq)，由一套碎屑巖和淺變質板巖組成，其巖性為褐灰色、灰色中厚層狀凝灰質板巖、灰綠色冰磧礫巖，厚>100 m，與上覆地層陡山沱組呈假整合接觸。區內泉水出露較少，含水性、富水性均較弱，是礦區底板良好的隔水層。

2.2.2 構造破碎帶的水文地質特征

礦區位于揚子陸塊黔北隆起區之鳳岡南北向隔槽式褶皺變形區與黔南凹陷區之都勻南北向隔槽式褶皺變形區交匯部位[4]，斷層構造發育，與礦床水文地質條件相關的斷層主要有以下。

F1逆沖斷裂：斷層整體走向NNW，傾向NE，傾角70°～75°，為破礦斷裂。斷層帶為白云質膠結的角礫巖，膠結緊密，未見溶蝕現象。ZKCS1鉆孔穿過此斷層時，抽水結果：q=0.031 7 L/s·m，K =0.046 6 m/d，斷層破碎帶含水微弱，對礦床充水無特殊影響。

F102逆沖斷裂：斷層整體走向SN向，傾向E至SEE，傾角60°～70°，為破礦斷裂。斷層破碎帶寬約5～20 m，大部分為糜棱巖，斷層帶膠結緊密，未見溶蝕現象。ZKCS2鉆孔穿過此斷層時，抽水結果：q=0.012 4 L/s·m，K =0.011 7 m/d，斷層破碎帶含水微弱，對礦床充水無特殊影響。沿F102斷層兩側裂隙、溶孔發育，裂隙、溶孔發育帶寬10.12～42.2 m，局部寬3.28～24.4 m，斷層帶兩側的裂隙、溶孔密集發育帶含水性和導水性均比較強，對礦床充水影響較大。

F104逆斷裂：斷層整體走向NEE向，傾向E至SEE，傾角60°，為破礦斷裂。斷層破碎帶寬約3 m，斷層角礫由磷塊巖與白云巖組成，膠結良好，未見溶蝕現象。ZK208鉆孔穿過此斷層，抽水結果：q=0.032 L/s·m，K =0.091 m/d，斷層破碎帶含水微弱，對礦床充水無特殊影響。

F351逆斷裂：斷層整體走向NWW～SN～NEE～NNW～SN，傾向近E，傾角70°～76°；斷層破碎帶寬約16 m，斷層角礫由硅質巖、白云巖、磷質團塊組成，膠結良好。該斷層在礦區內局部破壞b礦層，對礦床充水的影響程度較小。

F106正斷裂：在礦區內為隱伏斷層，在走向上與F1近似平行，在礦區內不破壞b礦層，斷層破碎帶為凝灰質板巖。ZKCS1鉆孔穿過此斷層，抽水結果：q=0.099 4 L/s·m，K =0.049 4 m/d，斷層破碎帶含水微弱，因該斷層在礦區內不破壞b礦層，對礦床充水影響程度較小。

2.2.3 地下水的補給、徑流、排泄條件

礦區地下水的補給主要為大氣降水，其次為河水。大氣降水主要通過落水洞、巖溶漏斗、巖溶裂隙、構造裂隙及第四系等入滲，進入地下循環。流經本區的阿羅河左支流、英坪溪，主要通過巖溶裂隙、基巖裂隙、構造裂隙等入滲形成地下水。

礦區內地下水主要以巖溶孔洞裂隙水的形式存在，地下水主要沿溶蝕裂隙、溶孔分散徑流，局部地段沿集中裂隙帶、溶蝕裂隙、溶孔集中發育帶、構造裂隙帶運動。礦區內地下分水嶺在10線至小壩后寨地表分水嶺附近，使得10線附近地下水位向北東及南西兩個方向逐漸遞減，地下水由10線附近向北東和南西方向徑流。

礦區西側，白云巖順坡向分布，由于淺部磷礦露天開采，形成大面積順層采剝面及采坑，原生地形地貌特征已改變[5]，大氣降水及時形成坡面流，匯聚于采坑，采坑內回填的松散物孔隙度大，大氣降水對地下的入滲強度遠大于原生地質條件，地下水補給條件較好。地下水在接受補給后，地下水在重力作用下，沿巖溶裂隙、溶蝕小孔洞分散徑流，在地勢較低的陡崖腳或阿羅河、高坪河附近一帶通過泉分散排泄。

2.3 礦床充水條件

2.3.1 礦層頂底板燈影組、陡山沱組含水層直接充水

燈影組、陡山沱組含水層，厚度大，主要含巖溶孔洞裂隙水。礦山開采時，燈影組、陡山沱組巖溶含水層中所含的地下水通過溶蝕孔洞、裂隙、冒落導水裂隙帶直接對礦床充水，是礦坑充水的直接水源。

2.3.2 大氣降水

礦區處于斜坡位置，白云巖分布區地形坡度大，大氣降水部分沿坡流走，部分通過巖溶裂隙、構造裂隙、導水裂隙等對礦床進行充水，為間接充水水源。由于區內淺部磷礦露采，形成大面積的順層采剝面及采坑，有利于降水的匯集及下滲，降水滲入的大小是引起礦床充水的直接因素之一[6]。

2.3.3 地表水體

礦區內英坪溪和阿羅河左支流兩條小溪溝，通過巖溶裂隙、構造裂隙、導水裂隙等對礦床間接充水，因其水量較小，對地下水補給量不大。

2.3.4 相鄰礦山水

區內工礦活動強烈，形成一定的封閉露采坑，豐水期，這些采坑內蓄有大量地下水，天然條件下形成地下水庫。露采坑內，由于打眼放炮采礦，在燈影組、陡山沱組含水層四周形成許多大大小小裂隙，采坑中的地下水，由于靜水壓力，通過這些裂隙對礦床間接充水。

綜上，根據含水層發育及接觸關系分析，燈影組、陡山沱組為英坪深部磷礦與相鄰礦山唯一接觸含水層，其賦水、導水性能較好。英坪深部磷礦床以燈影組、陡山沱組巖溶孔洞裂隙水為直接充水來源，相鄰礦山水通過燈影組、陡山沱組溶蝕孔洞、裂隙、導水裂隙對英坪深部磷礦床順層徑流補給。

3 相鄰礦山水未來對礦區地下開采的影響

及危害

3.1 相鄰礦山水文地質特征

3.1.1 英坪露天礦Ⅰ號坑、Ⅱ號坑

位于礦區西側燈影組、陡山沱組含水層分布區，距礦區90～150 m，Ⅰ號坑已閉坑回填恢復，Ⅱ號坑為在采礦坑。Ⅰ號坑內建有排水系統，其排水量為41.1～422.4 L/s，Ⅱ號坑中部，為一大蓄水池，其蓄水量為225 000 m3。礦坑充水因素主要為礦層頂板燈影組含水層中的地下水及大氣降水。據礦區地下水位特征，采坑底處于地下水面之下(圖3)，礦層頂板燈影組含水層中的地下水直接對礦坑充水，為直接充水因素；大氣降水直接落入或通過回填松散物孔隙下滲，對礦坑間接充水，為次要充水因素。

3.1.2 英坪露天礦攔馬拗采坑

位于礦區西側及礦區內燈影組、陡山沱組含水層分布區。采坑最北東端原為一大蓄水池，水深20 m，水量為264 000 m3。2014年，采坑北西側發生巖質順層滑坡，將其掩埋。礦坑充水因素主要為礦層頂板燈影組含水層中的地下水、大氣降水及阿羅河左支流中的河水。據礦區地下水位特征，采坑底處于地下水面之下(圖3)，礦層頂板燈影組含水層中的地下水直接對礦坑充水，為直接充水因素；大氣降水直接落入，阿羅河左支流中的河水少量入滲，為次要充水因素。

1-水位等值線及水位值；2-采坑底板等高線及高程值；3-采坑范圍；4-礦區范圍

3.1.3 福泉市磷礦小壩露采坑

位于礦區北東側燈影組、陡山沱組含水層分布區，正在閉坑回填恢復。采坑中段至南端位于礦區6～12線之間，距礦區20～200 m，采坑最北端深處，為一蓄水池，其蓄水量為51 000 m3，水池距礦區最近處為800 m。據礦區地下水位特征，采坑底處于地下水面之上(圖3)，礦坑充水因素主要為大氣降水及阿羅河左支流中的河水。大氣降水直接落入或通過回填松散物孔隙入滲，為直接充水因素；阿羅河左支流中的河水少量入滲，為次要充水因素。

3.1.4 福泉市小壩磷礦山Ⅰ號井、3號井

為在采礦井，位于礦區最北端東側、礦區4線東礦權邊界燈影組、陡山沱組含水層分布區。井內建有水倉，其排水量分別為23.61 L/s、29.72～94.2 L/s。礦井水主要來源于燈影組、陡山沱組巖溶孔洞裂隙含水層中的地下水，地下水以滴水、線流的形式滲入礦井，其流量不集中、呈分散狀向礦井排泄。

3.2 相鄰礦山水未來對礦區地下開采的影響及危害

3.2.1 冒落帶、導水裂隙帶高度分析

礦層頂板燈影組地層，是半堅硬巖組，巖石的抗壓強度Rc=29.8～47.8 MPa，平均39.09 MPa[7]，頂板管理考慮全部陷落，冒落帶最大高度和導水裂隙帶采用以下經驗公式進行計算：

Hc=(3～4)M[8]

(1)

(2)

式中：M為累計采厚(m)；n為可采磷礦層數

礦區可采礦層為1層，根據礦區b礦層礦體厚度，各靠近相鄰礦山附近礦體冒落帶、導水裂隙帶最大高度見表2。

表2 各靠近相鄰礦山附近礦體冒落帶、導水裂隙帶最大高度統計表

3.2.2 影響及危害預測

1)福泉市磷礦小壩露采坑、Ⅰ號井、3號井

福泉市磷礦小壩露采坑，采坑內雖存有蓄水，但距離礦區較遠，未來對礦區地下開采充水影響較小。

福泉市小壩磷礦山Ⅰ號井、3號井，井內有正常疏排水系統，對未來礦區地下開采不構成充水因素，對未來礦區地下開采充水影響較小。未來隨著礦區地下開采的進行，地下疏排水降落漏斗將逐漸向四周擴散，福泉市小壩磷礦山Ⅰ號井、3號井將有可能受到波及，出現礦井內無地下水排泄。

2)英坪露天礦Ⅰ號坑、Ⅱ號坑、攔馬拗采坑

位于礦區上部(圖4)，其坑底距相鄰的英萍深部磷礦體垂直距離，由南向北分別為190.10～176.24 m、260.10～214.14 m、140～6.01 m(圖5)，而上述中，英坪露天礦Ⅰ號坑、Ⅱ號坑、攔馬拗采坑附近，英萍深部磷礦體采礦過程中所產生的冒落導水裂隙帶平均高度為282.56 m、308.89 m、158.06 m，由此可知，采礦過程中所產生的冒落導水裂隙帶，其高度已延伸至采坑底部，冒落導水裂隙帶將溝通與采坑區裂隙帶的水力聯系。另外，露采坑為打眼放炮采礦，在四周及地下深部形成許多裂隙密集帶，由于靜水壓力，這些裂隙密集帶將被疏通淘空逐漸擴大形成大裂隙，當冒落導水裂隙帶溝通至大裂隙時，英坪露天礦Ⅰ號坑、Ⅱ號坑、攔馬拗采坑中的地下水及回填物易呈股狀潰入礦井，造成礦井突水、突泥、涌砂等危害。上已述及，豐水期，Ⅰ號坑最大排水量達422.4 L/s(36 495.36 m3/d)，由此可知，豐水期，上部相鄰礦山水未來對礦區地下開采的影響及危害將大大增加，其危害程度與礦井離采區之間的距離成反比。

1-Ⅱ-Ⅱ`水文地質剖面圖；2-Ⅲ-Ⅲ`水文地質剖面圖；3-寒武系第二統明心寺組；4-寒武系牛蹄塘組；5-寒武系-震旦系燈影組第三段；6-寒武系-震旦系燈影組第二段；7-寒武系-震旦系燈影組第一段；8-震旦系陡山沱組第四段；9-震旦系陡山沱組第三段；10-震旦系陡山沱組第一至二段；11-南華系南沱組；12-青白口系清水江組；13-浮土；14-硅質巖；15-炭質泥巖；16-粉砂質泥巖；17-白云巖；18-硅質白云巖；19-角礫狀白云巖；20-b礦層；21-整合地質界線；22-不整合地質界線；23-斷層及編號； 24-地層產狀；25-鉆孔；26-鉆孔編號；27-地下水位及水位值；28-礦區范圍

1-b礦層底板等高線及高程值；2-采坑底板等高線及高程值；3-礦體重合帶；4-破礦斷層；5-采坑范圍；6-礦區范圍

綜上，根據礦床與相鄰礦山的空間位置關系、各接觸含水層補給關系，上部相鄰礦山水通過燈影組、陡山沱組含水層對礦床未來地下開采的影響及危害較大。英坪深部磷礦屬典型的受上部相鄰礦山水補給能力強的巖溶孔洞裂隙充水礦床。

4 防治水害對策建議

英坪深部磷礦區，水文地質特征受多種條件的影響，礦床充水條件主要受頂底板含水層、大氣降水及相鄰礦山水等多因素控制。據此，未來礦山開采過程中的水害防治，應采取地表結合地下防治措施。

4.1 地表水防治

地表防治工作是地下防水的關鍵。其目標是，完善礦區內地表截排水系統，將大氣降水最大化截排，減少大氣降水滲入地下，進入地下循環；遇強降雨氣象，停止開采活動，疏散井下人員，確保人員和設備的安全。

4.2 頂板含水層的防治

對礦區的地下巖溶系統，特別是礦體分布范圍內的系統進行重點勘探，查明其空間分布狀態，查明巖溶強弱發育帶的空間位置及厚度；礦坑先探后掘、有疑必探，嚴格遵循采掘工作程序，防止含水層的地下水、溶洞裂隙水造成礦坑突水[9-10]；注意礦體及頂底板圍巖的冒落、地鼓、片幫等；要提前探明斷層兩側裂隙、溶孔密集發育帶的導水性及富水情況，對導水性、富水性強的斷裂帶，必須超前探水，防止接近或直接揭露時造成突水事故；對有關水文地質、工程地質、環境地質條件進行進一步的勘查，根據開采過程出現的新情況對相關參數進行調整，特別是礦坑涌水量的預測，根據實際的礦坑涌水量對相關預測數據進行修正。

4.3 相鄰礦山水防治

地下開采前，對未有排水系統的采坑，建立排水系統，對采坑中的積水進行疏排；對地表露采坑做好地表水截排，最大化減少大氣降水匯入采坑內，同時留足露采與坑采之間的禁采隔離帶；在采坑附近區采礦時，選擇枯水期施工；對已經探明的積水區，采掘工程接近時，要事先劃定警戒范圍，并安排好應急水倉、排水設備等，制定好安全措施后、再進行探放，待徹底排空積水后，才允許掘進或回采；對未知積水區，要嚴格執行“有掘必探，先探后掘”的原則，堅持探放水制度，絕不能“未探先掘”。嚴格保護各類礦柱，尤其是邊界防水礦柱、斷層和采空區防水礦柱。

5 結語

(1)露天轉深部礦床水文地質特征及充水因素的特殊性，決定了該類礦床可作為一類獨特的礦床進行研究。通過分析預測，受空間位置關系的影響，地下采掘越靠近上部英坪露天礦Ⅰ號坑、Ⅱ號坑、攔馬拗采坑，易發生礦井突水、突泥、涌砂等危害，豐水期，這些危害將會更加突出，其危害程度與礦井離采坑之間的距離成反比。

(2)英坪深部磷礦區靠近上部英萍露采坑，具備典型相鄰礦山水充水礦床的特征，大氣降水、上部相鄰礦山水是其燈影組、陡山沱組充水的主要補給來源。在分析礦區水文地質特征的基礎上，分析預測了上部英坪露天礦Ⅰ號坑、Ⅱ號坑、攔馬拗采坑礦山水未來對礦區地下開采的影響及危害較大，據此，提出地表結合地下水害防治措施具有較大可行性。