山東省萊州市三山島金礦床充水因素分析及涌水量預(yù)測

袁星芳，劉樂軍，王文瑾，韓忠，曲洪飛

(山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 威海 264209)

0 引言

礦坑涌水量的大小是反映一定充水條件下，礦坑充水程度的定量指標[1]。礦床充水因素分析和礦坑涌水量預(yù)測既可防治礦坑突水、淹水等礦山惡性事故，又是確定礦山疏干設(shè)計、生產(chǎn)能力的主要指標[2-3]。三山島金礦床屬于典型的破碎帶蝕變巖型金礦，經(jīng)過近40年的大規(guī)模開采，探采深度已達到-690m標高，區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件已經(jīng)發(fā)生明顯變化，且礦坑涌水量呈逐年增大趨勢①山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，膠西北金礦集中區(qū)礦坑充水機理及礦坑水綜合利用研究成果報告，2017年。，對礦山生產(chǎn)造成了極大影響[4-5]。因此，查明礦床水文地質(zhì)條件，進行充水因素分析，預(yù)測礦床深部涌水量，是制定防、治水方案的依據(jù)[6-10]，對保障深部資源安全高效開采具有重要指導(dǎo)意義[11-14]。

1 礦床水文地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

三山島礦床西瀕渤海，地勢低平，地面海拔標高一般為1.2～4.5m，區(qū)內(nèi)最高峰為三山島，海拔為67.14m。

1.2 氣象水文

該區(qū)屬季風(fēng)性大陸型氣候，四季分明。多年平均氣溫12.5℃，平均降雨量727mm，降水多集中在7—9月，平均日照2538.2h，平均無霜期201d。

該區(qū)屬半島邊緣水系，無大江大河，均為夏秋洪水直瀉，春秋河床干涸的季節(jié)性河流。主要河流有王河，發(fā)源于萊州市東南部丘陵區(qū)，流域面積376km2，全長48km，河流東南向西北徑流，多年平均徑流量為6990萬m3，在三山島南側(cè)注入渤海，為一間歇性河流，河流干枯期較長，夏季連續(xù)水流不超過10d[15]。

1.3 含水層和隔水層特征

根據(jù)礦床地層巖性、埋藏條件及富水性，該區(qū)可分為第四系含水層與隔水層、F1斷裂(三山島斷裂)上盤含水層、F1斷裂(三山島斷裂)下盤含水層、F1斷裂中間隔水帶(圖1、圖2)[15-18]。

(1)第四系含水層和隔水層。礦床第四系廣泛分布，按巖性自上而下分為4層，第一、三層為含水層，第二、四層為相對隔水層或隔水層。

第一含水層主要由中、粗砂組成，局部地段為細砂及礫石，厚度3.50～17.29m，滲透系數(shù)5.35～117.46m/d，鉆孔單位涌水量0.21～25.59L/s·m，該層主要接受大氣降水垂向補給。

第一隔水層位于第一含水層之下，厚度5.5～9.0m，巖性主要為砂質(zhì)粘土、含鈣質(zhì)結(jié)核砂質(zhì)粘土及粘質(zhì)砂土等，局部中粗砂及砂礫石含水透鏡體，該層粘性小、隔水性能相對較差。

第二含水層位于第一隔水層之下，該層不連續(xù)，巖性主要為中粗砂、礫石、厚度3～4m，主要接受第一含水層越流補給。

第二隔水層位于基巖風(fēng)化殼之上，巖性主要為黃棕色含礫石砂質(zhì)粘土和紅棕色粘土，厚度3～5m，隔水性能較好。

(2)F1斷裂(三山島斷裂)下盤含水層。強含水帶(Ⅰ)位于F3斷裂影響帶和F4，F(xiàn)5斷裂帶之間，主要巖性為花崗巖，局部發(fā)育煌斑巖脈，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5三條NW向斷裂經(jīng)歷了扭、張、張扭的破壞，導(dǎo)致裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性能強，形成了一條NW—SE向的帶狀強含水帶，單位涌水量0.04～1.06L/s·m。

中等含水塊段(Ⅱ)為F1斷裂上盤除強含水帶(Ⅰ)以外的含水塊段，主要巖性為花崗巖，裂隙發(fā)育程度一般，透水性、富水性一般，單位涌水量<0.046L/s·m。

(3)F1斷裂(三山島斷裂)上盤含水層。弱含水塊段(Ⅲ)：F1斷裂上盤所有含水塊段，主要巖性為花崗巖，裂隙比較發(fā)育，但多為扭性、壓扭性裂隙，連通性差，透水性、富水性較差，局部一般—較好，單位涌水量<0.039L/s·m。

(4)F1斷裂中間隔水帶。中間隔水帶位于F1斷裂破碎帶的中間部位，呈條帶狀分布，巖性主要為斷層泥和破碎巖，為良好的隔水層，將F1斷裂上、下盤劃分成2個獨立的含水層。

1—強含水帶；2—中等含水塊段；3—弱含水塊段；4—隔水帶；5—地下水流向；6—斷裂編號；7—礦體編號；8—剖面線位置；9—鉆孔編號圖1 礦床水文地質(zhì)簡圖

1—中粗砂；2—花崗巖；3—變輝長巖；4—黃鐵絹英巖化花崗巖；5—黃鐵絹英巖圖2 A-A＇水文地質(zhì)圖

1.4 地下水補給、徑流、排泄條件

根據(jù)地下水補徑排關(guān)系，劃分為平原區(qū)和丘陵區(qū)。平原區(qū)分布在礦床的東北部和南部。主要接受大氣降水垂直補給，其次為上游含水層的側(cè)向補給以及地表水的徑流補給。地下水從東南向西北徑流，最終排泄入渤海。主要排泄途徑為農(nóng)業(yè)灌溉開采。丘陵區(qū)主要補給來源為大氣降水，大部分以地表徑流的形式排泄入海，小部分則穿過第四系直接補給基巖裂隙水。地下水從東南向西北徑流。主要排泄途徑為農(nóng)業(yè)灌溉開采。

1.5 地下水動態(tài)特征

區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)變化主要受氣候因素影響，高水位和豐水期一般出現(xiàn)在7—10月份，低水位和枯水期一般出現(xiàn)在1—3月份，年變幅0.5～5m。地下水水溫一般13～15℃，年變幅一般2℃左右。

2 礦床充水因素分析

2.1 深部構(gòu)造裂隙水對礦坑充水的影響

深部構(gòu)造裂隙(帶)一般具有較遠的延伸性，甚至與海水相連，一旦被深部采礦工程揭露，海水將被導(dǎo)入礦坑，增加礦坑涌水量，隨著開采深度和降深的增加，礦坑涌水量會不斷增多。因此深部構(gòu)造裂隙水成為深部礦坑充水的直接水源，開采水平越深，深部構(gòu)造裂隙水貢獻率越高。

2.2 淺部基巖風(fēng)化裂隙水對礦坑充水的影響

淺部基巖風(fēng)化裂隙水因埋藏淺，且距礦床開采層位具有一定距離，不會對礦坑充水產(chǎn)生直接影響。它是溝通深部構(gòu)造裂隙含水帶和孔隙含水層的通道，在接受上覆第四系孔隙水的補給的基礎(chǔ)上，對構(gòu)造裂隙含水帶起間接補給作用。

2.3 第四系孔隙水對礦坑充水的影響

第四系孔隙水進入礦坑，要經(jīng)過巖石裂隙漫長的滲流過程，入滲量的多少與含水層的富水性、滲流途徑、裂隙的發(fā)育程度、裂隙的導(dǎo)水性息息相關(guān)。深部礦床開采一般幾百米甚至幾千米，第四系孔隙水的補給一般比較微弱。

2.4 地表水對礦坑充水的影響

地表水的規(guī)模與礦床之間的距離、導(dǎo)水裂隙的溝通程度，直接影響礦床的充水強度。一般地表水體規(guī)模越大、距離越近、裂隙的導(dǎo)水性越好，威脅就越大，反之則小。區(qū)內(nèi)主要地表水體為王河，是夏秋洪水直瀉、冬春河床干涸的季節(jié)性河流，水量一般不大。隨著礦床開采深部的增加，滲流路徑的加長，滲透速度的降低，地表水體對礦坑充水的影響逐漸減弱。

2.5 大氣降水對礦坑充水的影響

大氣降水是地下水的主要補給來源，降水主要集中在6—9月，根據(jù)礦坑涌水量動態(tài)觀測數(shù)據(jù)與降雨量對比分析，礦坑涌水量動態(tài)受季節(jié)性變化并不明顯，一般滯后2～3個月。隨著開采深度的增加，大氣降水對礦坑充水的影響具有明顯的滯后性。

3 礦床涌水量預(yù)測

3.1 水文地質(zhì)概念模型

(1)模型范圍

模型范圍的確定，在充分研究礦床水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，同時考慮地下水系統(tǒng)的完整性和獨立性[13]。確定模型的范圍為北西部至渤海灣，東部至外貿(mào)大院，面積1.64km2(圖3)。

1—Riv邊界；2—通用水頭邊界；3—隔水邊界；4—模擬區(qū)圖3 模型范圍示意圖

(2)含水層結(jié)構(gòu)

因模擬區(qū)第四系松散巖類孔隙水和下伏基巖裂隙水具有明顯的隔水層，將模擬區(qū)概化為2個含水巖組。第一含水巖組為第四系松散巖類孔隙含水巖組，頂板為地面標高，底板為鉆孔第四系底板的高程數(shù)據(jù)插值所得，含水巖組厚度10～40m。第二含水巖組為基巖裂隙含水巖組，鑒于三山島礦床目前的開采水平為-690m標高，且探明礦體主要賦存于-600m～-800m標高之間，因此設(shè)定底板為-1000m，含水巖組厚度950～980m。

(3)邊界條件

側(cè)向邊界：根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)地下水的徑流特征和地層結(jié)構(gòu)，含水巖組北部和西南部瀕臨渤海，設(shè)定為河流邊界，F(xiàn)1斷裂帶為阻水體，設(shè)為隔水邊界，其他邊界因其與模擬區(qū)外有一定的水量交換，設(shè)為通用水頭邊界。

垂向邊界：潛水自由面為系統(tǒng)的上邊界，通過該邊界，潛水與系統(tǒng)外發(fā)生垂向水量交換，如大氣降水、蒸發(fā)排泄等。各含水巖組之間可通過越流進行垂向水量交換。垂向邊界的下邊界設(shè)定為隔水邊界。

3.2 地下水流數(shù)值模型

(1)數(shù)學(xué)模型。區(qū)內(nèi)地下水流以水平運動為主、垂向運動為輔，符合達西定律?？紤]相鄰含水層之間存在水量交換，可將地下水運動概化為空間三維流；地下水系統(tǒng)的輸入輸出隨時間、空間變化，故為非穩(wěn)定流；參數(shù)在平面上視為平面各向同性，而垂向上表現(xiàn)出明顯的各向異性。因此，區(qū)內(nèi)地下水流運動控制方程可表示為[19-20]：

x,y,z∈Ω,t≥0

式中：μs—含水介質(zhì)的貯水率(1/m)；H—地下水的水頭(m)；Kx，Ky，Kz—分別為水平和垂向的滲透系數(shù)(m/d)；w—含水層的源匯項(1/d)；Ω—滲流區(qū)域。

通過分析區(qū)內(nèi)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，對源匯項資料進行數(shù)據(jù)分類整理，利用GMS5.0軟件建立三山島礦床地下水流數(shù)值模型。模型采用10m×10m的網(wǎng)格進行剖分，2層，141行，141列。模擬期為2016年1月1日—2016年12月31日，以每個月作為一個應(yīng)力期，每個應(yīng)力期包括1個時間步長。

(2)初始條件。將2016年1月的第一含水巖組、第二含水巖組的地下水流場作為建模的初始水位。

(3)水文地質(zhì)參數(shù)。滲透系數(shù)K根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)獲得；給水度根據(jù)地層巖性、前人研究成果及經(jīng)驗值綜合確定；降雨入滲系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗值獲得。第一含水巖組水文地質(zhì)參數(shù)見圖4、表1，第二含水巖組滲透系數(shù)分區(qū)見圖5、表2。

1—水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)及編號；2—分區(qū)界限；3—模擬區(qū)圖4 第一含水巖組水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖

參數(shù)分區(qū)滲透系數(shù)/m·d1給水度降雨入滲系數(shù)Ⅰ15.00.0310.09Ⅱ85.00.1500.36Ⅲ20.50.0300.03Ⅳ15.00.0350.06Ⅴ0.010.0010.0009Ⅵ25.00.0700.19Ⅶ20.00.0650.17Ⅷ18.00.0600.15Ⅸ16.00.0550.12

1—滲透系數(shù)分區(qū)及編號；2—分區(qū)界限；3—模擬區(qū)圖5 第二含水巖組滲透系數(shù)分區(qū)圖

參數(shù)分區(qū)滲透系數(shù)/m·d1Ⅰ0.012Ⅱ0.10Ⅲ0.007Ⅳ0.015Ⅴ0.006Ⅵ0.01Ⅶ0.011

(4)源匯項。降雨入滲補給量利用GMS中的rch程序包，以面狀形式加到模型中；渤海側(cè)滲補給量利用GMS中的riv程序包，以現(xiàn)狀形式加到模型中；側(cè)向流入流出量利用GMS中的ghb程序包，以線狀形式加到模型中；蒸散發(fā)量利用GMS中的evt程序包，以面狀形式加到模型中；涌水量利用GMS中的wel程序包，以開采井的形式加坑道的具體位置；越流量在模型中自動計算。

(5)模型識別與驗證。以2016年1月1日的流場作為模型的初始流場，模擬期的源匯項根據(jù)實際搜集的數(shù)據(jù)，按照GMS5.0的數(shù)據(jù)格式進行輸入，采用試估-校正法，通過反復(fù)調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)和某些源匯項，對模型進行識別與驗證，最終確定模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和各均衡項。識別后的涌水量與實測涌水量基本吻合(圖6)，說明建立的地下水流模型基本合理，符合客觀實際，可以用來預(yù)測礦坑涌水量。

圖6 涌水量擬合效果圖

3.3 礦坑涌水量預(yù)測

根據(jù)礦床開采規(guī)劃，礦坑涌水量預(yù)測方案設(shè)置如下：-780m開采水平，假設(shè)開采時間為2020年1月1日—2024年12月31日，開采5年；-870m開采水平，假設(shè)開采時間為2025年1月1日—2029年12月31日，開采5年；-960m開采水平，假設(shè)開采時間為2030年1月1日—2034年12月31日，開采5年。

利用識別后的數(shù)值模型對上述方案進行預(yù)測，礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果見表3。

表3 礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果

4 結(jié)論

(1)隨著開采水平的加深，三山島金礦床礦坑涌水量隨之增多，-780m開采水平礦坑涌水量為54155m3/d，-870m開采水平礦坑涌水量為66611m3/d，-960m開采水平礦坑涌水量為82387m3/d。

(2)隨著開采水平的加深，深部構(gòu)造裂隙水逐漸成為深部礦坑充水的直接補給來源，且開采水平越深，深部構(gòu)造裂隙水的貢獻率越高。

(3)隨著開采水平的加深，大氣降水對礦坑充水的影響滯后越明顯。

(4)隨著開采水平的加深，地表水、第四系孔隙水對礦坑充水的影響逐漸減弱。