華陽川鈾鈮鉛多金屬礦露天礦坑充水因素分析及涌水量預(yù)測(cè)

張 濤，李 鵬，葉興超

(中陜核工業(yè)集團(tuán)二二四大隊(duì)有限公司，陜西 西安 710024)

華陽川鈾多金屬礦地處陜西省華陰市,是一個(gè)以鈾鈮鉛為主并伴生有稀有稀土元素的可綜合利用的超大型礦床。近年來,隨著中陜核工業(yè)集團(tuán)二二四大隊(duì)在華陽川地區(qū)普查,詳查工作的推進(jìn),該區(qū)鈾礦找礦勘查工作取得重大突破；在礦化蝕變特征、礦石礦物學(xué)特征以及成礦年代學(xué)等方面取得了一些認(rèn)識(shí)，但在礦床開采技術(shù)條件方面的研究程度較低。

根據(jù)礦體埋藏淺、規(guī)模大，適合露天開采的特點(diǎn)，進(jìn)行露天開采境界的優(yōu)化設(shè)計(jì)，推薦礦山露天開采時(shí)終了臺(tái)階坡面角取65°，最終邊坡角≤45°。露天采場(chǎng)底標(biāo)高為856 m，最高臺(tái)階標(biāo)高1 578 m。礦坑涌水量作為露天開采礦山疏排水方案設(shè)計(jì)的主要依據(jù),其預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度直接影響礦山開采設(shè)計(jì)的合理性和安全性，對(duì)于礦山安全生產(chǎn)意義重大。本文通過礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)測(cè)繪、水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)、地表水和地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)等工作，確定礦床水文地質(zhì)條件，分析礦體充水類型和預(yù)測(cè)露天礦坑涌水量；提出了未來礦山疏排水工作建議。

1 礦區(qū)概況

1.1 地形地貌

華陽川鈾鈮鉛多金屬礦地處華山南坡，屬秦嶺山脈北坡低中山地貌區(qū)。礦區(qū)海拔高度1 256～1 719 m，最大高差363 m，屬于低中山侵蝕地貌。地勢(shì)總體上北高南低，東高西低，地形坡度一般20°～30°。

1.2 氣象、水文

礦區(qū)位于秦嶺山地氣候區(qū)，其顯著特征為夏季涼爽、冬季寒冷，且晝夜溫差變化大。多年平均氣溫5.7℃～9.1℃，最高氣溫27.6℃，最低氣溫-20℃；月平均氣溫最高為17.3℃(七月份)，最低為-9℃(一月份)。多年平均降雨量777.40 mm，年最大降雨量為1 110.2 mm，年最小降雨量為465.3 mm，每年7、8、9三個(gè)月為雨季，降雨量約占全年降雨量的50%，歷史上日最大降雨量為119.1 mm(出現(xiàn)于1982年)。每年11月份開始霜凍并降雪，11月中旬至次年3月中旬為積雪期。當(dāng)?shù)爻Ｄ曛鲗?dǎo)風(fēng)向?yàn)镾W，風(fēng)向頻率8.76%，其次為NW，風(fēng)向頻率3.51%，靜風(fēng)頻率73.01%；年平均風(fēng)速1.9 m/s，最大風(fēng)速16.0 m/s。

礦區(qū)附近川河(下游稱羅敷河)屬渭河水系，發(fā)源于礦區(qū)以東約5km的林家溝，自東向西流經(jīng)礦區(qū)南側(cè)，上游匯水面積約42 km2，一般流量300～942 L/s，洪水期最大流量約2 000 L/s。其支流呈樹枝狀分布，礦區(qū)內(nèi)川河的支流有:飲馬店溝、門澗溝、柳溝、劉家溝，均發(fā)源于礦區(qū)北部分水嶺，自北向南流經(jīng)礦區(qū)，在下游匯入川河。其中較大的劉家溝，長(zhǎng)度約3.4 km，一般流量107～288 L/s。礦區(qū)地表水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，河水流量與大氣降水的關(guān)系較為密切；枯水期降水量少，河水流量一般較穩(wěn)定；雨季降水增多，河水流量也相應(yīng)增大。

1.3 水文地質(zhì)條件

1.3.1 含水巖組及其富水性

礦區(qū)地下水類型按其賦存條件和含水層性質(zhì)可分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、巖漿巖類裂隙含水巖組、變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙含水巖組、變質(zhì)巖類構(gòu)造-溶蝕裂隙含水巖組。

第四系松散巖類孔隙含水巖組：分布于礦區(qū)內(nèi)川河及其支流的河谷底部和溝谷兩側(cè)山體斜坡坡腳地段；巖性為粘性土、坡積碎石土和沖積、洪積砂、礫卵石。含水層厚度因地形而變，一般厚度0.5～3 m，在支溝溝口厚度可達(dá)3～15 m。地下水埋藏深度0.5～20 m，由于含水層出露部位高，補(bǔ)給源不足，雨季泉水沿基巖面產(chǎn)出，泉水涌水量<0.1 L/s，富水性弱。

巖漿巖類裂隙含水巖組：分布于礦區(qū)北部甕峪嶺一帶及56-72線以西地段，巖性主要為細(xì)粒含斑黑云二長(zhǎng)花崗巖，巖石呈塊狀-塊體狀，微風(fēng)化，裂隙不發(fā)育，單泉水流量<1 L/s，富水性弱。

變質(zhì)巖類風(fēng)化裂隙含水巖組：主要分布于礦區(qū)大月坪、武家坪片麻巖的風(fēng)化裂隙帶內(nèi)，發(fā)育在靠地表的淺部，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育。從鉆孔中觀察并參照地表氧化礦測(cè)試結(jié)果，風(fēng)化帶深度在17.8～115.9 m，地層整體為北傾單斜構(gòu)造，深部巖石的節(jié)理、裂隙發(fā)育程度降低，儲(chǔ)水條件變差。泉水流量0.1～1.0 L/s，富水性弱。

變質(zhì)巖類構(gòu)造-溶蝕裂隙含水巖組：該層主要受華陽川斷裂帶控制，在本區(qū)表現(xiàn)為寬大的脆-韌性斷裂帶，次級(jí)斷裂發(fā)育，形成了北西-南東向斷裂、裂隙密集帶，裂隙多被不同類型的脈巖、礦脈充填；斷裂帶總體呈東西向展布，東西兩端延伸出礦區(qū)，在礦區(qū)內(nèi)出露長(zhǎng)度約6 km，寬約0.5～1 km，總體走向100°～110°，傾向北東，傾角30°～65°，局部地段可見斷面南西陡傾。斷裂具有多期活動(dòng)性和力學(xué)性質(zhì)多次轉(zhuǎn)換特點(diǎn)：早期為壓(扭)性，形成擠壓韌性變形帶；中期為張(扭)性，以微小角度斜切了早期擠壓揉皺帶，區(qū)內(nèi)花崗斑巖沿此斷裂貫入；后期表現(xiàn)出壓扭性特征。其次礦區(qū)內(nèi)還發(fā)育北東向斷裂構(gòu)造，有劉家溝斷裂和楊峪溝斷裂。在斷裂帶內(nèi)形成了不同方向、不同規(guī)模裂隙相互交織的裂隙密集帶，裂隙充填物為多期次的碳酸巖和混合偉晶巖脈體，脈體發(fā)育溶蝕裂隙和溶孔；據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，單位涌水量0.003 8～0.089 1 L/s·m，富水性弱。該層地下水的水力特性整體為的無壓性質(zhì)；構(gòu)造裂隙帶延展較深，致使含水層厚度較大，在深部亦存在地下水活動(dòng)。

1.3.2 地下水補(bǔ)徑排特征

第四系松散巖類孔隙含水巖組主要接受大氣降水，與溝谷兩側(cè)基巖裂隙水互為轉(zhuǎn)化，潛水多沿坡面徑流，于地形低洼處以下降泉或溢流的形式排泄于地表水系。

地下水的主要補(bǔ)給源為大氣降水，因埋藏條件不同，故補(bǔ)給方式有所不同，有直接入滲補(bǔ)給，也有地表水系流經(jīng)基巖裂隙露頭時(shí)沿裂隙帶入滲。淺層地下水主要沿裂隙以水平運(yùn)動(dòng)為主，在溝谷邊坡處以泉或滲流形式排泄于地表水，少量沿構(gòu)造裂隙帶補(bǔ)給深部地下水。川河是礦區(qū)地表水和淺部地下水最終排泄渠道。

2 露天礦坑充水因素分析

華陽川鈾鈮鉛多金屬礦區(qū)主要含水層為變質(zhì)巖類構(gòu)造-溶蝕裂隙含水巖組；礦體巖性為碳酸巖、混合偉晶巖脈體，產(chǎn)于華陽川斷裂構(gòu)造帶中，與主要含水巖組直接接觸，為礦體直接充水的礦床。礦山未來擬選用露天開采方式，設(shè)計(jì)露天開采境界范圍1.63 km2，坑口長(zhǎng)1 800 m，寬1 330 m，標(biāo)高1 367～1 606 m；底部面積20 688 m2，標(biāo)高856 m；露天境界最終邊坡角45°；露天境界附近最低侵蝕基準(zhǔn)標(biāo)高為1 331 m。未來礦坑形成后，礦坑將是周圍地表水與地下水新的匯聚點(diǎn)，地表匯水面積約為7.98 km2。礦坑涌水量Q將由三部分組成：露天采坑地下水涌水量(Q1)、地表水匯入采坑的水量(Q2)、降入采坑的水量(Q3)。故礦坑涌水量需分三部分來預(yù)測(cè)。

3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

3.1 露天采坑地下水涌水量(Q1)

礦床含水層水文地質(zhì)單元概化：北部以華山巖體為零補(bǔ)給邊界，南部以川河為直線形補(bǔ)給邊界，邊界內(nèi)含水層可視為各向同性的均質(zhì)無壓含水層。跟據(jù)礦山開采方式和礦床充水特征選用“大井法”預(yù)測(cè)未來礦坑涌水量。

參照《水文地質(zhì)手冊(cè)》選用井位于兩個(gè)平行的供水與隔水邊界之間時(shí)管井完整井涌水量計(jì)算公式：

Q1=2π·K·S(2H-S)/Rc

Rc=2·ln(1.27·L·cot(πd/2L))-2·lnr0

式中：Q1為地下涌水量，m3/d；K為含水層平均滲透系數(shù)，m/d，取礦區(qū)11個(gè)鉆孔抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的算術(shù)平均值；S為未來礦坑排水降深，m，采用地形侵蝕基準(zhǔn)標(biāo)高與露天境界底部標(biāo)高之間差值1 331-856=475 m；H為含水層厚度，m；L為兩平行水力邊界之間距離，m；d為“大井”距隔水邊界的距離，m；r0為“大井”引用半徑，m。

式中：F1為礦坑底部面積，m2；根據(jù)設(shè)計(jì)露天境界底部開采面積為20 688 m2。其余各計(jì)算參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 地下水涌水量計(jì)算表

3.2 地表水匯入采坑的水量(Q2)

依據(jù)《礦坑涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算規(guī)程》，地表水匯入采坑的水量按正常降水量和設(shè)計(jì)頻率暴雨量分別計(jì)算。華陽川鈾鈮鉛多金屬礦屬于超大型礦山，暴雨設(shè)計(jì)頻率宜采用P=2%(50 a一遇)計(jì)算。

公式分別為Q2=F2Hφ，Q2=F2Hpφp，式中，F(xiàn)2為露天境界匯水面積，m2；φ為正常降雨地表徑流系數(shù)；φp為暴雨地表徑流系數(shù)；H為歷年雨季日平均降雨量，mm；Hp為暴雨設(shè)計(jì)頻率(P=2%)時(shí)的日暴雨量，mm。

根據(jù)華陽川鈾鈮鉛多金屬礦巖土類型，查《水文地質(zhì)手冊(cè)》中地表徑流系數(shù)表可得：正常降雨地表徑流系數(shù)φ為0.6，暴雨地表徑流系數(shù)φp為0.7。設(shè)計(jì)露天境界匯水面積F2為7.98 km2。H、Hp由華山氣象站1981-2017年逐月降雨量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算所得，其余各計(jì)算參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 地表水匯入采坑的水量計(jì)算表

3.3 降入采坑的水量(Q3)

降入采坑的水量按正常降水量和設(shè)計(jì)頻率(P=2%)暴雨量分別計(jì)算。

公式分別為Q3=F3H，Q3=F3Hp，式中，F(xiàn)3為露天境界面積，m2；設(shè)計(jì)露天境界面積為1.63 km2，其余各計(jì)算參數(shù)及取值參照Q2計(jì)算過程；計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 降入采坑的水量計(jì)算表

3.4 礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果

華陽川鈾鈮鉛多金屬礦露天開采后，礦坑涌水量由上述露天采坑地下水涌水量、地表水匯入采坑的水量及降入采坑的水量組成，即：礦坑涌水量Q=Q1+Q2+Q3。

預(yù)測(cè)結(jié)果：正常期礦坑涌水量為33 758 m3/d，50 a一遇暴雨期為971 822 m3/d。

4 結(jié)語

華陽川鈾鈮鉛多金屬礦區(qū)設(shè)計(jì)露天境界北部匯水范圍較大，地形地貌利于地表水匯集，對(duì)露天開采不利。從礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果看，地下水含水巖組受華陽川斷裂帶控制，富水性弱，采坑地下涌水量Q1只有6 610 m3/d，僅占礦坑總涌水量的19.58%，而相比地表水匯入采坑的水量Q2較大，約占60%。故未來礦山疏排水方案應(yīng)按三部分組成的礦坑總涌水量進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，重點(diǎn)應(yīng)針對(duì)地表水匯入采坑的水量Q2設(shè)計(jì)地表截排水渠工程，進(jìn)行有效地?cái)r截，防止這部分水量匯入礦坑；同時(shí)針對(duì)采坑地下涌水量Q1和降入采坑的水量Q3設(shè)計(jì)礦坑抽排水工程；最大程度降低礦坑涌水對(duì)礦山生產(chǎn)的影響。