貴州省紅光壩鋁土礦水文地質(zhì)條件分析及涌水量預(yù)測

［摘要］在對(duì)紅光壩鋁土礦水文地質(zhì)分析基礎(chǔ)上，通過對(duì)泉水和降雨的長期觀察，基于頻率分析法對(duì)礦區(qū)涌水量進(jìn)行預(yù)測。首先，通過對(duì)鋁土礦水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析，總結(jié)了其特點(diǎn)和存在的問題。然后，利用相關(guān)數(shù)據(jù)和模型，對(duì)涌水量進(jìn)行預(yù)測，并將其與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明，水文地質(zhì)分析結(jié)果可以為鋁土礦的開采和管理提供重要依據(jù)，預(yù)測涌水量有助于減少事故風(fēng)險(xiǎn)和提高生產(chǎn)效率。研究成果可以為相關(guān)行業(yè)和領(lǐng)域提供指導(dǎo)和參考。

［關(guān)鍵詞］鋁土礦；水文地質(zhì)；涌水量預(yù)測

1 礦區(qū)自然地理概況

紅光壩鋁土礦位于烏江流域的西翼，礦區(qū)分布多組北北東—南南西褶皺構(gòu)造，屬于芙蓉江水系。地貌形成主要是由構(gòu)造剝蝕，其次是構(gòu)造侵蝕和風(fēng)化剝蝕所導(dǎo)致的。地貌格局形成了向斜成山，背斜成谷的特點(diǎn)。紅光壩所屬正安縣四季降雨充沛，溫差較大。礦區(qū)為斜坡地貌，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育大灣背斜和鳳王槽向斜兩組大型構(gòu)造?？傮w來看，西部地形較為陡峭，巖體穩(wěn)定性差。

1.1 地層巖性

礦區(qū)內(nèi)主要分布第四系堆積土、二疊系和志留系地層，主要包括梁山組（P2l）炭質(zhì)頁巖，大竹園組（P1d）鋁土礦、粘土巖和韓家店群（S1hj）頁巖為軟質(zhì)基巖。吳家坪（P3w）灰?guī)r、泥灰?guī)r，茅口組（P2m）灰?guī)r，棲霞組（P2q）灰?guī)r為硬質(zhì)巖組。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)構(gòu)造簡單，主要的構(gòu)造骨架是近于南北向的鳳王槽向斜和大灣背斜，和分布在礦區(qū)北西角邊緣和北東角邊緣的F11、F12、F13、F14、F15斷裂，都位于陡崖邊緣，對(duì)巖體有一定的破壞作用，在外力作用下，易誘發(fā)崩塌。具體區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分布見圖1。

2 礦床水文地質(zhì)特征

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)特征

新模向斜構(gòu)成芙蓉江與洪渡河的地表分水嶺，礦區(qū)位于地表分水嶺西側(cè)，即大氣降水向西徑流，形成東高西低，為烏江的一級(jí)支流芙蓉江的次一級(jí)支流馬河的補(bǔ)給區(qū)。大氣降水主要通過洼地、漏斗、落水洞一邊補(bǔ)給一邊徑流在礦區(qū)中南部礦層出露邊緣的水岜巖S14、S15、S16三泉集中排泄，匯集于馬河。

2.2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

據(jù)區(qū)內(nèi)出露地層由新到老，將第四系（Q）、二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P3w）劃為2個(gè)透水層；將二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）、棲霞組（P2q）劃為1個(gè)含水層；將二疊系中統(tǒng)梁山組（P2l）、二疊系下統(tǒng)大竹園組（P1d）、石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h）和志留系下統(tǒng)韓家店群（S1hj）劃分為4個(gè)隔水層（表1）。

2.2.1含水層（隔水層）

（1）透水層巖組

①第四系（Q）孔隙水含水層

該組巖性為黃色，灰白色粘土巖和砂礫巖組成厚度小于16 m。這些巖石主要分布在緩坡和溝谷地帶，屬于弱含水層，含有孔隙水。它們的水源直接來自大氣降水，通過滲透進(jìn)入下方的含水層。

②二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P3w）巖溶裂隙含水層

吳家坪組為灰色中厚層狀灰?guī)r，內(nèi)嵌燧石結(jié)合，主要分布在礦區(qū)的南東側(cè)。下部為頁巖、泥巖和粘土巖的互層，其中頁巖呈黑色，泥巖為灰黑色中厚層狀，粘土巖呈暗黑色。這些巖層中夾有厚度在0～1.5 m的煤層。上部是含水層，下部局部具有隔水性，總厚度大于50.00 m。勘探區(qū)內(nèi)有4處泉水出露，流量在0.01～0.300 L/s之間，平均為0.100 L/s，屬于富水性中等的巖溶裂隙含水層。

（2）含水層巖組

二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）、棲霞組（P2q）巖溶裂隙、溶洞含水層巖組上部茅口組（P2m）從上到下依次為深灰色中厚層細(xì)晶灰?guī)r，瘤狀灰?guī)r和包含燧石結(jié)合的帶狀灰?guī)r分部面積較大，厚402.18～454.32 m，平均427.30 m，巖溶較為發(fā)育。中下部棲霞組（P2q）為灰色、深灰色中厚層—塊狀灰?guī)r和“瘤狀”灰?guī)r，頂部見0.5～2.00 m的“鏈狀”灰?guī)r，厚50.54～92.05 m。分布面積大，巖溶發(fā)育，推測S14巖溶大泉為其主要排泄點(diǎn)，據(jù)調(diào)查，該含水巖組出露泉點(diǎn)24個(gè)，流量0.010～45.470 L/s，平均4.586 L/s，為富水性強(qiáng)的巖溶裂隙、溶洞水含水層。

（3）隔水層巖組

①二疊系中統(tǒng)梁山組（P2l）隔水層

該組巖層為頁巖和粘土巖互層，滲透系數(shù)小，具有良好的隔水性，厚0～9.21 m，平均厚度2.44。自北而南厚度逐漸變薄，部分地段缺失（如ZK201、ZK301、ZK1103等），未見泉點(diǎn)出露，局部隔水。

②二疊系下統(tǒng)大竹園組（P1d）隔水層

該組的巖石可以分為不同層次。頂部主要是淺灰色和灰色的粘土巖。中上部是灰色和淺灰色的較厚的層狀鋁土礦或鋁土巖。底部則是灰綠色和黃灰色的較厚的層狀綠泥石粘土巖。厚2.20～9.99 m，平均6.01 m，未見泉點(diǎn)出露，為較好的隔水層。

③石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h）隔水層

該層的巖石主要是灰色、灰白色和肉紅色的厚層或塊狀晶狀灰?guī)r。厚度小于2 m。由于該組巖層較薄，上下巖層組都為隔水層，且在組內(nèi)未發(fā)現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象和泉點(diǎn)出漏，因此被歸類為隔水層。

④志留系下統(tǒng)韓家店群（S1hj）隔水層

為黃綠、灰白紫紅色頁巖及含粉砂質(zhì)頁巖，局部夾薄層粉砂巖或薄層生物碎屑灰?guī)r。厚度大于200 m，主要分布礦區(qū)邊緣，未見泉水出露，系良好的隔水層。

2.2.2地下水的補(bǔ)徑排

（1）礦區(qū)地下水的補(bǔ)給條件

①地下水補(bǔ)給特點(diǎn)：地下水的唯一補(bǔ)給源是來自大氣降水。大氣降水具有集中強(qiáng)降雨的特點(diǎn)，而礦區(qū)位于高位中低山、中山等切割向斜和背斜共存的臺(tái)地地形，這有利于大氣降水。相比周圍地區(qū)，礦區(qū)的年降水量和降水強(qiáng)度都更高。同時(shí)植被也沒有大型闊葉植物，因此蒸發(fā)量也較周圍地區(qū)小。

相比周圍地區(qū)，礦區(qū)的年降水量和降水強(qiáng)度都更高。在中低山地區(qū)的切割向斜和背斜共存的臺(tái)地上，常年都是雨霧天氣，地表植被主要是草和灌木，沒有大的地表水體，因此蒸發(fā)量也較周圍地區(qū)小。

②地下水補(bǔ)給控制因素：區(qū)內(nèi)地表巖溶發(fā)育，礦區(qū)分布大大小小的封閉狀巖溶洼地，每個(gè)封閉洼地均成為一個(gè)獨(dú)立的地表流域單元，匯集大氣降水，經(jīng)地表徑流集中通過洼地中落水洞直接注入巖溶管道，進(jìn)入地下溶洞。

③地下水垂直補(bǔ)給關(guān)系：

在鉆孔簡易水文觀測的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，鉆孔水位會(huì)隨著鉆孔深度的加深而突然下降，這說明地下活動(dòng)與地下水補(bǔ)給互動(dòng)頻繁，潛水為主要的地下水動(dòng)力類型。地下水通過巖溶裂隙向下補(bǔ)給，整體上垂向補(bǔ)給是自上而下的趨勢。

（2）礦區(qū)地下水的徑流條件

根據(jù)地下水位流場分析，我們可以觀察到地表起伏在一定程度上影響了地下水位，具體而言，地形高的地方，地下水位相對(duì)來說也比較高?？傮w地下水位運(yùn)動(dòng)仍受韓家店（S1hj）頁巖隔水層的控制，巖溶裂隙管道影響。地下水主要向礦區(qū)低洼處運(yùn)動(dòng)匯集后經(jīng)巖溶管道排泄于水岜巖泉點(diǎn)，形成一個(gè)完整的補(bǔ)給、徑流、排泄的水文地質(zhì)單元。

①鳳王槽向斜西翼的地下水徑流方向嚴(yán)格受韓家店（S1hj）頁巖隔水層的控制，水力坡度一般為10%左右，自北向南，由黃斯蘭、周家凼、水井坪等地進(jìn)入巖溶管道，由巖溶管道向水岜巖（S14）排泄。

②鳳王槽向斜東翼、大灣背斜西翼的地下水徑流方向嚴(yán)格受巖溶裂隙管道的影響，水力坡度一般為15%左右，自北東向南西運(yùn)動(dòng)，由賴殼山、鄧家、沙壩等地進(jìn)入巖溶管道，由巖溶管道向水岜巖（S14）排泄。

③大灣背斜東翼的地下水徑流方向嚴(yán)格受巖溶裂隙管道的影響，水力坡度一般為10%，自北西向南東，由劉家寨落水洞（K43）經(jīng)熊家落水洞（K86）向水岜巖（S14）排泄。

（3）礦區(qū)地下水的排泄條件

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地表存在大量巖溶發(fā)育現(xiàn)象，地表徑流通過巖溶落水洞和巖溶洼地匯入地下含水層，此外地表植被多為草與灌木，少見闊葉植被，溪河以及水庫等地表水體在區(qū)域內(nèi)少見，總體蒸發(fā)損失量小。另外雖然礦區(qū)地下水位高于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面，但是由于受到隔水層的阻隔，地下水很難通過越流排泄到其他含水層或者河湖當(dāng)中。

但是研究區(qū)內(nèi)巖溶管道和巖溶暗河十分發(fā)育，具有一套完整的泉水排水系統(tǒng)，在隔水層標(biāo)高較低的地方可以形成巖溶下降泉的集中排泄點(diǎn)。區(qū)域內(nèi)韓家店（S1hj）頁存在低洼的集中地下水排泄點(diǎn)，通過水岜巖從巖溶泉S14～S16進(jìn)行排泄。

2.2.3巖溶發(fā)育特征及分布規(guī)律

（1）地表巖溶發(fā)育特征及分布規(guī)律

礦區(qū)內(nèi)地表巖溶的發(fā)育特征，以成因而論，發(fā)育受三方面因素的制約：一是地貌因素；二是巖性特征；三是構(gòu)造格局。從礦區(qū)調(diào)查的87個(gè)地表巖溶點(diǎn)來看，主要發(fā)育在海拔971～1492 m高程，二疊系棲霞組（P2q）和茅口組（P2m）上部，少許為茅口組（P2m）中部，其中高程在1200～1450 m最為發(fā)育。如鄧家、賴殼山、劉家寨一帶可見。其分布規(guī)律主要與水文地質(zhì)條件相關(guān)。在補(bǔ)給區(qū)，會(huì)形成洼地、落水洞、溶溝、溶槽等地形，而在補(bǔ)給徑流區(qū)則會(huì)形成豎井、巖溶管道、地下暗河等地形，排泄區(qū)則常見巖溶泉水。這些地形的巖溶發(fā)育程度通常呈現(xiàn)不均一性特征。

（2）地下巖溶分布及其特征

根據(jù)礦區(qū)的鉆孔資料顯示，上部的溶洞密度比較高，規(guī)模較大，而向下逐漸變得稀疏，規(guī)模也縮小，空洞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘氤涮钊芏?。充填物為燧石團(tuán)塊、灰?guī)r碎塊，塊徑一般為2～4 cm，最大的5～6 cm。常呈次棱角狀，說明是經(jīng)過了短距離搬運(yùn)的。根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，線巖溶率0.02％～23.69％，平均線巖溶率2.54％。在勘查期間因鉆孔遇溶洞導(dǎo)致停止施工鉆孔共計(jì)12 個(gè)鉆孔，合計(jì)鉆探進(jìn)尺3498.77 m，合計(jì)遇溶洞深度達(dá)118.67 m，其中最小的溶洞為8.05 m，最大的溶洞為12.77 m。根據(jù)鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)了溶洞分布在鳳王槽向斜東翼、大灣背斜西翼大堡和長凼一帶。溶蝕通道在北向南的方向上沿層順次發(fā)育，部分通道在水岜巖處轉(zhuǎn)向并排泄地下水。根據(jù)深部工程控制，溶洞的發(fā)育下限大致位于P2m、P2q 和P2l 分界線附近。這些溶洞的海拔在900～1100 m，最低出露標(biāo)高位于662.6 m（水岜巖巖溶泉點(diǎn)S16）。

3 礦床充水因素

3.1 礦床充水水源分析

礦區(qū)內(nèi)礦巖系上覆地層面積約為6.214 km2。棲霞組和茅口組的灰?guī)r是較厚的巖層，洼地、漏斗和落水洞十分發(fā)達(dá)。地表水體不發(fā)育，地下水的年平均流量約為121 L/s這片地區(qū)的水文地質(zhì)特征主要表現(xiàn)為中上部透水，下部含水，底部隔水，而且礦巖系頂板強(qiáng)棲霞茅口組灰?guī)r含水層，具有強(qiáng)富水性。巖溶管道和地下暗河中的地下水為鋁土礦開采礦產(chǎn)充水的主要原因[1，2]。

3.2 礦床充水途徑分析

茅口組（P2m）、棲霞組（P2q）頂板冒落裂隙帶或斷層破碎帶是地下水充水的途徑之一，通過頂板節(jié)理裂隙破碎巖石向坑道滲水。

巖溶溶洞和暗河廣泛分布于礦區(qū)內(nèi)，它們的面積寬廣，空間較大，并且相互連接良好。這些溶洞和暗河是地下水充水的重要通道。當(dāng)這些溶洞、暗河和裂隙被揭示時(shí)，會(huì)迅速涌水，具有一定的突發(fā)性。

4 礦坑涌水量預(yù)測方法

紅光壩鋁土礦礦體位于將大灣背斜東翼1200 m標(biāo)高以上、大灣背斜西翼1000 m標(biāo)高以上至ZK1608、ZK1406、ZK1204一線以北區(qū)域定為首采地段。礦體分布于呈近南北向的鳳王槽向斜和大灣背斜兩翼，出露于礦區(qū)北部及鳳王槽向斜西翼，由北往南呈“?！毙握共?。根據(jù)礦體的水文地質(zhì)特征，在紅光壩鋁土礦首采地段布置施工了大量地質(zhì)鉆孔、水文地質(zhì)鉆孔試驗(yàn)、鉆孔水位長期觀測及泉井長期觀測工作，預(yù)測鋁土礦體的礦坑涌水量。

4.1 礦坑涌水量預(yù)測方法

礦區(qū)無地表水體分布，無側(cè)向水源補(bǔ)給，地下水位埋藏較低，下部有巖溶管道發(fā)育，通過鉆孔揭露含水層的飽水層厚度，平均厚度為57.66 m，水位變幅大，隨大氣降雨的強(qiáng)弱水位發(fā)生升降變化，根據(jù)等水線，地下分水嶺的確定，參與礦坑涌水量計(jì)算的面積為6.214 km2。礦區(qū)礦坑涌水量根據(jù)集中排泄點(diǎn)的長期觀測序列資料進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)（圖2），分別求出頻率5%、50%、75%和95%的排泄量。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合首采區(qū)面積在全區(qū)中的比例，計(jì)算出1000 m中段以上首采區(qū)不同頻率的水量，用以代表首采區(qū)不同季節(jié)的礦井涌水量[3-5]。

4.2 礦坑涌水量預(yù)測

根據(jù)對(duì)水岜巖（S14、S15、S16）的長期觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，泉水流量和降雨存在強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和周期性通過分析排泄泉井標(biāo)高為1000 m以及地下水位流場圖（圖3），我們確定地下水位標(biāo)高在1000 m以上的范圍作為匯水面積，其面積為1.55 km2，而整個(gè)區(qū)域的匯水面積為6.214 km2?；谶@些數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算出1000 m中段以上首采區(qū)在不同頻率下的水量，這些數(shù)據(jù)可以代表首采區(qū)在不同季節(jié)的礦井涌水量[6]。

通過頻率分析法計(jì)算出首采區(qū)1000 m開采水平的礦坑涌水量計(jì)算公式：

礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果：利用頻率分析法預(yù)測礦坑涌水量比較符合紅光壩礦區(qū)的水文地質(zhì)條件的客觀實(shí)際，建議作為礦山開采排水設(shè)計(jì)的依據(jù)。

5 結(jié)論

礦區(qū)位于新模向斜中段西翼，屬烏江流域，芙蓉江水系，地貌成因類型以構(gòu)造剝蝕為主。區(qū)域地貌成因類型以構(gòu)造剝蝕為主，作用強(qiáng)烈，以茅口組和棲霞組巖溶裂隙，溶洞為主要含水層。地下水主要向礦區(qū)低洼處運(yùn)動(dòng)匯集后經(jīng)巖溶管道排泄于水岜巖泉點(diǎn)，形成一個(gè)完整的補(bǔ)給、徑流、排泄的水文地質(zhì)單元。大氣降水主要的補(bǔ)給水源，通過茅口組、棲霞組頂板冒落裂隙帶和溶洞、暗河形成充水。通過頻率分析法計(jì)算得知，礦區(qū)最大涌水量為11914.56 m3/d，正常礦坑涌水量為755.352 m3/d。

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