山東省平邑縣賀山莊金礦床充水因素分析及涌水量預(yù)測(cè)

陸建同，甘新宇＊

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東 濟(jì)寧 272100）

礦區(qū)位于平邑縣城東南25km處，行政區(qū)劃隸屬銅石鎮(zhèn)。礦區(qū)北距兗石鐵路及327國(guó)道5.4km，西北距平邑火車站30km、西北距日菏高速公路平邑東出口4km，交通方便。開采方式為地下開采，生產(chǎn)規(guī)模2.5萬t/年，開采標(biāo)高：+180m～-20m，另外保有資源儲(chǔ)量金礦石量315348t，金金屬量1369kg，平均品位4.34×10-6。因此依托賀山莊金礦補(bǔ)充勘探項(xiàng)目，研究該礦區(qū)水文地質(zhì)條件、并進(jìn)行礦床涌水量預(yù)測(cè)及充水因素分析，對(duì)金礦床的開采具有重要意義。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

賀山莊金礦位于魯中南山地丘陵區(qū)，構(gòu)造剝蝕地形，屬巖溶丘陵區(qū)。本區(qū)域最高點(diǎn)為南部吳王崮,標(biāo)高+653.9m；北部和東部地形起伏較小，地面標(biāo)高大多在+110.5～+150.0m，最高+235.0m，當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面標(biāo)高+109.0m。

1.2 氣象水文

本區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。多年平均氣溫13.5℃。年平均降水量742.6mm，降雨多集中于7-9月份，冬春兩季干旱。平均結(jié)冰期150天，最大凍土深度39cm。區(qū)域上地表水體主要有浚河、藍(lán)河、昌里水庫(kù)等。

區(qū)域水文地質(zhì)分區(qū)屬魯中南中低山丘陵碳酸鹽巖類為主的水文地質(zhì)區(qū)、曲阜—臨沂單斜斷陷水文地質(zhì)亞區(qū)、平邑?cái)鄩K巖溶水系統(tǒng)。

1.3 含水層與相對(duì)隔水層特征

根據(jù)以往地質(zhì)資料及本次施工成果，自上而下可分為第四系松散巖類孔隙含水層、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層及基巖裂隙含水層。

（1）第四系孔隙含水層。第四系主要分布于溝谷兩側(cè)、地勢(shì)平緩的低洼處，含水層主要有中粗砂及礫石組成，水位埋深2m～4m。民井單位涌水量0.103～0.771L/（s·m），礦化度0.64g/L。地下水水化學(xué)類型為HCO3—Ca、Mg型。

（2）碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。地表出露于礦區(qū)南部紅旗新村北和賀山莊東南一帶。根據(jù)以往資料及本次鉆孔揭露，該含水巖組溶洞和溶蝕孔洞發(fā)育，巖溶率約3%～15%，溶蝕孔洞和微裂隙中充填方解石團(tuán)塊和細(xì)脈。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，鉆孔單位涌水量2.406L/（s·m），滲透系數(shù)8.685m/d,礦化度為0.563g/L，地下水水化學(xué)類型為HCO3-Ca、Mg。該含水層富水性強(qiáng)，位于礦床底板，與礦床直接接觸，對(duì)礦床產(chǎn)生直接充水影響。

（3）碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。該含水巖組在礦區(qū)內(nèi)呈零星點(diǎn)狀分布，主要有饅頭組石英砂巖、頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r及朱砂洞組上灰?guī)r段灰?guī)r組成，裂隙不發(fā)育，富水性弱。在礦區(qū)外圍的西北出露較多。民井單位涌水量＜0.1L/（s·m）。

（4）基巖裂隙含水層。主要為裸露于地表的二長(zhǎng)閃長(zhǎng)玢巖風(fēng)化層，透水性較弱，直接接受大氣降水的補(bǔ)給，富水程度受季節(jié)影響變化較大，水位埋深10m左右，風(fēng)化層厚15m～45m。該風(fēng)化層富水性不均勻，局部富水性極弱。

（5）相對(duì)隔水層。礦床內(nèi)隔水層主要為多層次侵入的中生代二長(zhǎng)閃長(zhǎng)玢巖巖床、太古代二長(zhǎng)花崗巖巖床。依據(jù)巖石總體分布特征，將其大概分為兩層。

第一層為二長(zhǎng)閃長(zhǎng)玢巖，據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì),隔水層厚度由北向南厚度逐漸變薄,厚11.35m～145.5m左右，賦存標(biāo)高由北向南逐漸變淺，賦存標(biāo)高+6.29～+188.44，巖體較完整，裂隙多為閉合狀裂隙，總體透水性差，根據(jù)ZK1102抽水試驗(yàn),滲透系數(shù)0.000037m/d，為相對(duì)隔水層。

第二層為太古代二長(zhǎng)花崗巖，裂隙發(fā)育較差，層位穩(wěn)定，裂隙多為閉合狀裂隙，為良好的隔水層，該隔水其厚度大于108.75m，頂板賦存標(biāo)高+28.03～+188.44。

1.4 斷層構(gòu)造特征

1.4.1 賀山莊斷層

展布于礦區(qū)西南部，區(qū)內(nèi)出露長(zhǎng)度約1.5km。斷裂總體走向310°，呈舒緩波狀彎曲，傾向南西，傾角60°～72°，南西盤下降，北東盤抬升，垂直斷距約150m，為張性斷層。構(gòu)造角礫巖帶寬0.50m～6.00m，角礫巖微張性裂隙較發(fā)育。經(jīng)野外地表調(diào)查，賀山莊礦床坑道排水時(shí)，賀山莊斷層北側(cè)水位下降明顯，斷層南側(cè)地下水位無明顯變化，初步分析該斷層為相對(duì)阻水?dāng)鄬印?/p>

1.4.2 卓家莊斷層

位于礦區(qū)北部，為卓家莊礦段控礦斷層。區(qū)內(nèi)出露長(zhǎng)度約1.0km，總體走向310°，傾向南西，傾角60°～78°，為高角度正斷層，斷距不明顯。被后期中生代二長(zhǎng)斑巖脈充填，脈巖寬1.50m～8.60m。經(jīng)野外地表調(diào)查及訪問，賀山莊礦床坑道排水時(shí)，卓家莊斷層兩側(cè)水位下降均很明顯，水位一直影響到卓家莊斷層?xùn)|北部的西皋村，說明該斷層為透水?dāng)鄬印?/p>

1.5 礦區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

（1）補(bǔ)給。大氣降水的入滲補(bǔ)給是礦床內(nèi)地下水的重要補(bǔ)給來源。部分基巖直接裸露于地表，可直接接受大氣降水入滲補(bǔ)。礦床西部碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組通過裂隙、斷層破碎帶、巖脈與礦床地下水產(chǎn)生水力聯(lián)系。對(duì)礦床地下水有一定補(bǔ)給作用。對(duì)礦區(qū)內(nèi)地下水有地表徑流補(bǔ)給作用的地表水體為西皋河與灌溉渠，西皋河、灌溉渠的水源主要來至昌里水庫(kù)。當(dāng)昌里水庫(kù)向西皋河與灌溉渠道放水時(shí)或旱季時(shí)，西皋河與灌溉渠道水位上升，通過斷層破碎帶、裂隙等滲入補(bǔ)給礦區(qū)內(nèi)地下水含水巖組。

（2）地下水的徑流與排泄。礦區(qū)的碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組地下水徑流方向由西南向東北方向徑流。地下水與地表水有互補(bǔ)關(guān)系，雨季水位上升迅速，地表水沿巖溶裂隙滲漏補(bǔ)給地下水。旱季水位下降快，地下水沿巖溶裂隙排泄給地表水體，潛水徑流方向與地表水流基本一致，由北西流向南東，沿西皋河排泄。礦區(qū)為補(bǔ)給徑流區(qū)。

圖1 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄剖面示意圖

2 礦床充水因素分析

2.1 大氣降水對(duì)礦坑充水的影響

大氣降水的入滲補(bǔ)給是區(qū)域上地下水的重要補(bǔ)給來源。降雨一般集中在每年的7-9月份，每次降雨延遲1月左右，影響時(shí)間較長(zhǎng)，水位年變化幅度4m～10m左右。不會(huì)對(duì)礦床充水產(chǎn)生直接危害。

2.2 地表水與地下水對(duì)礦坑充水的影響

地表水中，主要有西皋河與灌溉渠，二者的主要補(bǔ)給水源為昌里水庫(kù)。當(dāng)向下游放水或大氣降水時(shí)，西皋河與灌溉渠水位上升，由于西皋河與灌溉渠內(nèi)有淤泥質(zhì)、粘性土等起到一定的阻水作用，所以地表水延斷層破碎帶、溶蝕裂隙等途徑補(bǔ)給緩慢。不會(huì)對(duì)礦床充水產(chǎn)生直接危害。

地下水中，碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層富水性強(qiáng)，透水性好，溶蝕裂隙發(fā)育，在紅旗新村北與賀山莊東南一帶出露地表，直接接受大氣降水補(bǔ)給，補(bǔ)給來源充足，與礦體直接接觸，對(duì)礦坑充水影響較大。是礦床充水的直接充水水源。對(duì)礦床充水產(chǎn)生直接危害。

3 坑道涌水量預(yù)測(cè)

3.1 邊界條件的確定

本礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測(cè)分別選用：①對(duì)于賦存于碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層中的礦體選用有一隔水邊界的“大井法”穩(wěn)定流承壓轉(zhuǎn)無壓公式；②原巖為隱爆角礫巖賦存于二長(zhǎng)閃長(zhǎng)玢巖的礦體，由于礦體底板隔水較好，采用潛水完整井公式預(yù)測(cè)；③“水文地質(zhì)比擬法”進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測(cè)。

3.2 坑道涌水量預(yù)測(cè)

本礦區(qū)共17個(gè)礦體，編號(hào)分別為①～?。其中，?與?（原卓家莊礦體）號(hào)礦體為隱爆角礫巖型；⑦、?為二長(zhǎng)斑巖型；其余13個(gè)礦體為白云巖型；其中?號(hào)為主礦體，?號(hào)為新發(fā)現(xiàn)礦體。由于礦體較多，現(xiàn)選擇具有代表性的礦體進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)，分別為⑦、⑧、⑩、?、?、?、?、?8個(gè)礦體。

3.2.1 “大井法”礦坑涌水量預(yù)測(cè)

現(xiàn)對(duì)⑦、⑧、⑩、?、?、?、?和?（其中⑦、⑧、⑩、?、?號(hào)礦體相距較近，根據(jù)開采設(shè)計(jì)采用同一坑道系統(tǒng)進(jìn)行開采，進(jìn)行總涌水量預(yù)測(cè)）礦體進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)，對(duì)于賦存于碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層中的礦體采用有一隔水邊界的“大井法”穩(wěn)定流承壓轉(zhuǎn)無壓公式。

有一隔水邊界的“大井法”穩(wěn)定流承壓轉(zhuǎn)無壓公式：

對(duì)于原巖為隱爆角礫巖賦存與二長(zhǎng)閃長(zhǎng)玢巖的礦體,由于礦體底板隔水較好,采用潛水完整井公式。

潛水完整井公式：

式中：Q：預(yù)測(cè)礦坑正常涌水量（m3/d）；Qmax：預(yù)測(cè)礦坑最大涌水量，根據(jù)礦坑開采時(shí)最大涌水量約為正常涌水量的1.5倍，Qmax取Q的1.5倍；d：礦坑距隔水邊界的距離；K：滲透系數(shù)（m/d）；H：承壓水頭高度（m）；M：含水層厚度（m）；R0：引用影響半徑（m），對(duì)于承壓水；r0：引用半徑（m）；S：預(yù)測(cè)水位降深（m）；h0：h0=H-S。

計(jì)算參數(shù)的確定:

K：滲透系數(shù)采用ZK1102鉆孔抽水試驗(yàn)資料，K=8.685m/d；

H：承壓水頭高度根據(jù)各礦體預(yù)測(cè)標(biāo)高與碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組穩(wěn)定水位標(biāo)高+142.87m計(jì)算；潛水水頭高度根據(jù)預(yù)測(cè)標(biāo)高與水位標(biāo)高171.83m計(jì)算。

S：礦坑疏干排水時(shí)，S=H；

M：各礦體對(duì)應(yīng)的碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組的厚度；

d：礦體距隔水邊界的距離；

r0：根據(jù)各礦體特征來定，礦坑幾何圖形近似矩形，采用r0=η(a+b)/4公式計(jì)算；式中：a為礦坑長(zhǎng)度，b礦坑平均寬度，η查表1；礦坑幾何圖形為多邊形時(shí)，采用r0=P/2π，P為多邊形的周長(zhǎng)。

表1 η對(duì)應(yīng)值表

h0：坑道疏干排水時(shí)h0為零。

通過“大井法”涌水量預(yù)測(cè)成果見表2。

表2 “大井法”坑道涌水量預(yù)測(cè)成果表

3.2.2 “水文地質(zhì)比擬法”礦坑涌水量預(yù)測(cè)

本次核實(shí)期間，⑦、⑧、⑩、?、?號(hào)礦體+120m中段坑道已經(jīng)形成(坑道長(zhǎng)220m,寬2.5m),并對(duì)其進(jìn)行坑道疏干涌水量觀測(cè),觀測(cè)值為3257.01m3/d(2015年4月5日)和2746.89m3/d(2015年4月9日)。根據(jù)本次實(shí)際涌水量觀測(cè)值采用穩(wěn)定流承壓水水文地質(zhì)比擬法公式對(duì)⑦、⑧、⑩、?、?、?、?和?號(hào)礦體進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算。穩(wěn)定流承壓水水文地質(zhì)比擬法公式：

式中：Q：預(yù)測(cè)礦坑正常涌水量（m3/d）；Qmax：預(yù)測(cè)礦坑最大涌水量，根據(jù)礦坑開采時(shí)最大涌水量約為正常涌水量的1.5倍；r：預(yù)測(cè)礦坑的引用半徑（m）；S：預(yù)測(cè)礦坑的水位降深（m）；r1：已知礦坑的引用半徑（m）；Q1：已知礦坑的實(shí)際涌水量（m3/d）；S1：已知礦坑的水位降深（m）。

計(jì)算參數(shù)的確定：

r1：已知⑦、⑧、⑩、?、?號(hào)礦體+120m中段坑道的引用半徑（m），用r=η(a+b)/4公式計(jì)算；式中：a為礦坑長(zhǎng)度，b礦坑平均寬度，η查表3，計(jì)算得55.63m。

表3 水文地質(zhì)比擬法礦坑涌水量預(yù)測(cè)成果表

Q1：⑦、⑧、⑩、?、?號(hào)礦體+120m中段坑道涌水量觀測(cè),取兩次觀測(cè)的平均值3051.96m3/d。

S1：碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組穩(wěn)定水位標(biāo)高+142.87m與+120m的差值,即22.87m；

S：根據(jù)各礦體預(yù)測(cè)標(biāo)高與碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組穩(wěn)定水位標(biāo)高+142.87m計(jì)算；

r：根據(jù)各礦體特征來定,礦坑幾何圖形近似矩形，采用r=η(a+b)/4公式計(jì)算；式中：a為礦坑長(zhǎng)度，b礦坑平均寬度，η查表3；礦坑幾何圖形為多邊形時(shí)，采用r=P/2π,P為多邊形的周長(zhǎng)。

通過“水文地質(zhì)比擬法”涌水量預(yù)測(cè)成果見表3。

3.3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)成果對(duì)比分析

“大井法”與“文地質(zhì)比擬法”礦坑涌水量預(yù)測(cè)對(duì)比。

由表4可以看出，“水文地質(zhì)比擬法”比“大井法”計(jì)算結(jié)果要?。欢吲c實(shí)際涌水量相比，“水文地質(zhì)比擬法”的計(jì)算結(jié)果更接近礦坑實(shí)際涌水量。

表4 礦坑正常涌水量預(yù)測(cè)成果對(duì)比表

4 結(jié)論

礦區(qū)內(nèi)地形為較平坦的丘陵區(qū)，地形起伏變化不大，礦體埋深小于200m，礦床充水主要為地下碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。且礦床下部位于主要含水層內(nèi)，含水層富水性強(qiáng)，補(bǔ)給條件好，與區(qū)域含水層水水力聯(lián)系較密切，構(gòu)造破碎帶或巖溶發(fā)育，預(yù)測(cè)礦床開采時(shí)涌水量大。綜上所述，該礦床水文地質(zhì)條件總體屬?gòu)?fù)雜型。