云南保山勐糯鉛鋅礦床礦坑充水因素及涌水量預(yù)測(cè)

張權(quán)　楊清榮　李永生　謝恩彩　楊世成　劉煉鋒

［關(guān)鍵詞］礦坑；涌水量；比擬法預(yù)測(cè)；鉛鋅礦；勐糯

隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)深度在不斷加大，礦山采掘工程活動(dòng)將打破地下水的動(dòng)態(tài)平衡，以達(dá)到新的平衡，在這個(gè)過(guò)程中可能釀成水害事故發(fā)生[1]，一旦遇到水害，由于其水量大、突發(fā)性強(qiáng)和破壞后果嚴(yán)重，常常帶來(lái)慘重的人身傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，給礦山的效益及安全開(kāi)采帶來(lái)了極大的威脅[2-8]。為此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦坑涌水量對(duì)礦山安全高效運(yùn)營(yíng)意義重大。

勐糯鉛鋅礦自建礦以來(lái)，除在不同勘查階段做過(guò)3期專(zhuān)門(mén)的水文地質(zhì)勘查工作外，還專(zhuān)門(mén)針對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件、地下水化學(xué)成分進(jìn)行了研究[9]，預(yù)測(cè)了礦坑涌水量[10]。

目前，礦山的開(kāi)采標(biāo)高已由最初的1050 m 下降至當(dāng)今的200 m，礦山的主要采掘巷道均位于最低侵蝕基準(zhǔn)面怒江（590 m）以下，其水文地質(zhì)條件較之以往發(fā)生了較大變化，未來(lái)，隨著采掘工程不斷向深部延伸，需要進(jìn)一步明確礦區(qū)水文地質(zhì)條件并預(yù)測(cè)礦坑涌水量，以期為礦山安全運(yùn)營(yíng)提供可靠依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)處于勐糯盆地與東側(cè)分水嶺夾持的斜坡上，一般地形坡度為15°～25°左右，最高點(diǎn)為礦區(qū)南部紅木寨分水嶺梁子，海拔1204 m，最低點(diǎn)為怒江河床，標(biāo)高590 m，相對(duì)高差614 m。礦區(qū)屬亞熱帶氣候，雨量充沛，根據(jù)龍陵縣氣象局勐糯鎮(zhèn)氣象站2007～2022年氣象資料，多年降雨量變化于679.30～1137.0 mm之間。

2 水文地質(zhì)特征

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)特征

區(qū)域內(nèi)有怒江大斷裂通過(guò)，并伴隨多條壓扭性次級(jí)斷裂，其走向近于南北，大致呈弧形等距離平行展布。這些斷裂控制了含水層的產(chǎn)狀、補(bǔ)給和徑流、排泄條件。區(qū)內(nèi)分布的主要含水層有：第四系松散巖類(lèi)孔隙含水層，中三疊統(tǒng)（T₂）巖溶裂隙含水層，泥盆系（D）巖溶裂隙含水層，中志留統(tǒng)上仁和橋組上段（S₂r²）裂隙含水層，下志留統(tǒng)下仁和橋組（S₁r）裂隙含水層。相對(duì)隔水層有：奧陶系（O）、寒武系（ε）隔水層，中志留統(tǒng)上仁和橋組下段（S₂r¹）隔水層，上志留統(tǒng)（S₃）隔水層。

大氣降水是區(qū)內(nèi)地下水主要的補(bǔ)給來(lái)源。地表水的滲漏亦是區(qū)內(nèi)地下水的一個(gè)重要補(bǔ)給來(lái)源，區(qū)內(nèi)第四系孔隙水和基巖裂隙水接受大氣降水補(bǔ)給后，短途運(yùn)移，就地排泄，豐水期溝谷地帶易于形成短暫表流，在碳酸鹽巖裸露的溝谷，地表徑流常常會(huì)大量滲漏補(bǔ)給地下水。

區(qū)內(nèi)地下水徑流和排泄條件主要受中部巖溶水系統(tǒng)控制。自然條件下，含水層接受大氣降水補(bǔ)給后，從東、南、西分水嶺依地勢(shì)向下徑流，在地形切割強(qiáng)烈區(qū)域以風(fēng)化裂隙泉點(diǎn)或泄流帶的形式排泄，匯聚成溪流，進(jìn)入碳酸鹽巖分布區(qū)后，部分地下水依地勢(shì)自分水嶺向中部勐糯盆地等溝谷一帶匯集，形成了豐富的地表水資源。

勐糯礦區(qū)位于東部分水嶺附近，礦山主要開(kāi)拓系統(tǒng)均布置于志留系中統(tǒng)底部的碎屑巖地層中，頂?shù)装搴畬訛槿醺凰缘暮翊蠛畬?。天然條件下，該含水層接受補(bǔ)給后，多于溝谷切割強(qiáng)烈處以風(fēng)化裂隙泉水形式排泄。在開(kāi)采條件下，勐糯礦區(qū)主要是對(duì)志留系中統(tǒng)和下統(tǒng)基巖裂隙水靜儲(chǔ)量的疏干排水，巷道涌水以各中段沿脈、穿脈迎頭掘進(jìn)所揭露的構(gòu)造裂隙水為主，邊掘進(jìn)邊疏干。

2.2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

礦區(qū)出露地層較全，奧陶系、志留系、泥盆系、三疊系、侏羅系和第四系均有出露，地層巖性主要為碳酸鹽巖和細(xì)碎屑巖建造，地層整體呈南北向展布（圖1），其中，中志留統(tǒng)上仁和橋組下段（ S₂r¹）為礦區(qū)主要賦礦層位。

2.2.1 含水層

（1）下志留統(tǒng)仁和橋組（ S₁r）

巖性為淺灰白色石英砂巖、石英千枚巖夾薄層黑色千枚巖，構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，多以層間破碎帶和微細(xì)裂隙為主，為礦床底板直接充水含水層。ZK132-101鉆孔抽水試驗(yàn)單位涌水量0.018 L/m·s，滲透系數(shù)0.058 m/d；200中段56線(xiàn)、48線(xiàn)鉆孔放水試驗(yàn)單位涌水量0.017-0.017 L/m·s，滲透系數(shù)0.002～0.006 m/d，該含水層富水性、透水性均較弱。

（2）中志留統(tǒng)上仁和橋組上段（ S₂r²）

該層由長(zhǎng)石石英砂巖夾深灰色石英千枚巖、黑灰色千枚巖組成，厚度42～400 m，平均153.26 m，自上而下產(chǎn)狀變陡并漸具承壓性，為礦床頂板直接充水含水層。SK02 水文地質(zhì)孔下段抽水試驗(yàn)單位涌水量0.008 L/m·s，滲透系數(shù)0.017 m/d；200中段44線(xiàn)、40線(xiàn)鉆孔放水試驗(yàn)單位涌水量0.011～0.015 L/m·s，滲透系數(shù)0.004～0.005 m/d，該含水層富水性、透水性均較弱。

（3）下泥盆統(tǒng)向陽(yáng)寺組（D₁x）

該層巖性為灰色、青灰色、紫紅色薄層條帶狀灰?guī)r、泥灰?guī)r及夾鈣質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖，巖芯比較破碎，節(jié)理較發(fā)育，巖溶裂隙發(fā)育弱，僅在斷裂破碎帶兩側(cè)存在一定的溶蝕裂隙痕跡，根據(jù)SK02鉆孔抽水試驗(yàn)，單位涌水量0.036 L/m·s，滲透系數(shù)0.027 m/d，富水性、透水性弱。

（4）中泥盆統(tǒng)何元寨組（D₂h）

該地層常見(jiàn)具有泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的淺灰色中—厚層狀泥灰?guī)r，底部可見(jiàn)微晶灰?guī)r；巖芯多呈碎塊狀及角礫狀，少量呈短柱狀，巖體極破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，發(fā)育有強(qiáng)富水性巖溶裂隙導(dǎo)水通道，巖溶發(fā)育標(biāo)高多集中在850～690 m，以溶蝕裂隙為主，該含水層發(fā)育有一個(gè)巖溶大泉（金坑電站泉）位于勐糯盆地下游溝口附近，流量600～1440 m?/d。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)，該層單位涌水量0.177～0.180 L/m·s，滲透系數(shù)0.161～0.190m/d，富水性、透水性中等。

（5）中三疊統(tǒng)（T₂）

分布于盆地中部，巖性為灰白、肉紅、紫灰色白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r，巖溶類(lèi)型為覆蓋型，巖溶極其發(fā)育，是區(qū)內(nèi)主要強(qiáng)含水層。該地層巖溶發(fā)育十分強(qiáng)烈，分布于盆地中部第四系之下，在地下一定深度轉(zhuǎn)化為水平溶洞或溶蝕管道系統(tǒng)，形成典型的埋藏型巖溶景觀（仙人洞），部分裸露于地表的巖層則形成渾圓狀山頭，靜止水位標(biāo)高745～756 m。仙人洞暗河發(fā)育于該含水層中，由南向北徑流，在大田壩上村寨以東200 m處溢出，暗河流量9200 m?/d～10500 m?/d，年內(nèi)流量變化較小。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)，單位涌水量0.033～2.194 L/m·s，滲透系數(shù)0.0533～2.6597 m/d，為區(qū)內(nèi)強(qiáng)—極強(qiáng)富水性含水層，但巖溶發(fā)育極不均一。

（6）第四系（Q）

多分布于溝谷一帶，巖性主要為亞砂土、亞粘土、砂礫石、泥炭質(zhì)淤積、洪積、殘積、坡積土，厚度0～44 m，最厚處位于盆地中部，整體富水性弱。

2.2.2 相對(duì)隔水層

（1）奧陶系（O）、寒武系（ε）

奧陶系地層巖性為紫紅色夾綠灰色頁(yè)巖、粉砂巖夾石英砂巖，厚度200～500 m。寒武系地層巖性為灰色板巖夾變質(zhì)砂巖、硅質(zhì)巖，厚度大于500 m。節(jié)理裂隙極其發(fā)育，但多為泥質(zhì)和鈣質(zhì)充填。

（2）中志留統(tǒng)上仁和橋組下段（ S₂r¹）

為區(qū)內(nèi)鉛鋅礦體的含礦層位，巖性為層紋狀灰?guī)r、泥灰?guī)r，夾灰黑色含碳千枚巖及淺綠灰色沉晶屑凝灰?guī)r，厚度為11～77 m，變化較大。礦該層地表無(wú)泉水出露，巖層節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖心完整，無(wú)地下水活動(dòng)跡象；局部地段巖石受斷層影響，巖心破碎，但隔水性仍很好。為礦區(qū)兩個(gè)含水層的隔水頂?shù)装濉?/p>

（3）上志留統(tǒng)（S₃）

由灰-深灰色千枚巖夾石英千枚巖組成，厚度48～120 m，節(jié)理裂隙不發(fā)育，無(wú)泉水出露，隔水性良好。對(duì)礦區(qū)地下水向勐興壩子排泄起了隔水作用。

2.2.3 構(gòu)造及其富水性

（1）南北向斷層

F1斷層：為一壓扭性斷裂，長(zhǎng)度1.3 km，該斷層在巷道內(nèi)僅見(jiàn)微滴水，SK02水文地質(zhì)鉆孔揭穿該斷層，據(jù)巷道調(diào)查出水及鉆孔抽水試驗(yàn)推測(cè)，該斷層導(dǎo)水性較差。

F10斷層：從礦區(qū)西緣通過(guò)，為怒江斷裂系之分支斷裂，破碎帶寬數(shù)米至數(shù)十米，一般西盤(pán)下降，傾向東或西。SK01水文地質(zhì)鉆孔位于F10斷層?xùn)|側(cè)泥盆系灰?guī)r含水層中，其水位低于斷層西側(cè)三疊系含水層，盆地下游排泄區(qū)兩條暗河分布于該斷層的兩側(cè)，推測(cè)該斷層具有一定阻水性能，斷層兩側(cè)水力聯(lián)系弱。

（2）東西向斷層

F2斷層：該斷裂帶走向近東西，傾角約45°，傾向北北西，發(fā)育深度約900 m。整體視電阻率在0.1～100 Ω·m，富水性、導(dǎo)水性比較好。

F3斷層：該斷裂帶走向北東，傾角約60°，傾向南東，張扭性質(zhì)，發(fā)育深度約800 m。視電阻率在10～100 Ω·m，富水性、導(dǎo)水性一般。

F4斷層：該斷裂帶走向北東，斷裂帶上盤(pán)傾向南東，傾角約80°，下盤(pán)傾向北西，傾角約80°，發(fā)育深度約1000 m。該斷裂帶視電阻率在10～100 Ω·m，富水性、導(dǎo)水性一般。

F5斷層：張扭性質(zhì)，走向近東西向，被F3錯(cuò)斷，與斷裂帶F4交匯，埋深標(biāo)高700～1000 m不等，斷裂帶整體視電阻率10～100 Ω·m，富水性、導(dǎo)水性好。

（3）節(jié)理裂隙

礦區(qū)節(jié)理主要以剪節(jié)理為主，少部分為張節(jié)理。地表和深部節(jié)理，按走向優(yōu)勢(shì)節(jié)理方位有280°～310°、5°～15°、35°～45°三組。總體上礦區(qū)地表節(jié)理較為發(fā)育，有利于地表水入滲補(bǔ)給，地下水坑道節(jié)理雖然較為發(fā)育，但是裂隙的延展性和連續(xù)性較差，垂向上難以形成連通性很好的有效裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，含水層層間節(jié)理裂隙是地下水和地表水的主要運(yùn)移通道[10]。

2.2.4 礦區(qū)地下水與地表水的聯(lián)系

怒江為區(qū)內(nèi)最大的地表水體，3500 m?/s，距離礦區(qū)約3000 m。另外，礦區(qū)一帶樹(shù)枝狀溝系及沖溝發(fā)育，多為季節(jié)性間歇溪流，雨季強(qiáng)降雨時(shí)存在地表明流，向下游進(jìn)入碳酸鹽巖后逐漸下滲斷流，枯水季節(jié)則多為干溝，盆地中部發(fā)育有勐糯河，天然流量1.1m?/s，下游蠻關(guān)、大田壩一帶，水電廠(chǎng)人工引水和仙人洞暗河水匯入后流量較大，約11 m?/s。

（1）怒江江水與礦區(qū)地下水聯(lián)系

天然條件下，勐糯盆地水文地質(zhì)單元內(nèi)地下水向盆地中部進(jìn)行排泄，而后以地表水和暗河水的形式匯聚后向怒江排泄，礦區(qū)東部分水嶺以東地表水與地下水則直接向怒江進(jìn)行排泄，受礦山開(kāi)采影響，當(dāng)前礦坑最低開(kāi)拓標(biāo)高200中段與怒江水面（590 m）之間存在較大的水頭差，但由于地層巖性、構(gòu)造等因素影響，怒江水與礦坑水之間無(wú)明顯水力聯(lián)系。具體原因如下：

①距離遠(yuǎn)，深部開(kāi)采集中在中部和南部，向北和向東距離怒江超過(guò)3 km。

②礦床頂?shù)装宓貙悠毡闉樯皫r、千枚巖等碎屑巖地層夾灰?guī)r或灰?guī)r透鏡體，巖層薄層狀結(jié)構(gòu)，含水層富水性透水性弱，含隔水層相間分布，深部裂隙閉合充填的更好。礦區(qū)東部分布巨厚奧陶系、寒武系隔水層，可有效阻隔怒江江水對(duì)礦坑水的補(bǔ)給。

③受區(qū)內(nèi)東西向主應(yīng)力的強(qiáng)烈擠壓變形和斷層的錯(cuò)斷，含水層在南北向不連續(xù)，呈現(xiàn)出斷斷續(xù)續(xù)分布的特點(diǎn)，無(wú)法與怒江進(jìn)行有效溝通。

④經(jīng)對(duì)礦區(qū)地表水和地下水水化學(xué)組分進(jìn)行了測(cè)試（測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表1），怒江水與礦坑排水水質(zhì)類(lèi)型存在較大差異，怒江水質(zhì)中Na+、K+比坑道水質(zhì)中少的多，說(shuō)明怒江水不是坑道水的充水水源，如圖2。

（2）盆地中部地表水與地下水的聯(lián)系

3 礦床充水因素分析

勐糯礦區(qū)含礦層為中志留系統(tǒng)上仁和橋組下段（S₂r¹）相對(duì)隔水層，頂?shù)装迩稁r、石英砂巖組成的厚大的弱含水層為礦坑水的主要充水水源。隨著礦山開(kāi)拓系統(tǒng)的不斷加深，勐糯礦區(qū)呈現(xiàn)出典型的空間流場(chǎng)形態(tài)，即礦山開(kāi)采僅對(duì)開(kāi)拓系統(tǒng)兩側(cè)的局部靜儲(chǔ)量進(jìn)行疏干，影響范圍有限，含水層補(bǔ)給礦坑水較為緩慢，整體地下水流場(chǎng)受影響較小。

坑道地下水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO₃-Ca·Mg、HCO₃-Ca·Na·Mg、HCO₃·SO₄-Ca·Na·Mg型，地下水以溶濾作用為主，近源補(bǔ)給，滲透路徑較短；水溫各中段差異明顯，水溫由860中段的21.6℃向深部增高至0m標(biāo)高的35℃，顯示垂向上各中段水力聯(lián)系較弱；各含水層電導(dǎo)率差異明顯，含礦層（S₂r¹）900～2100 μs/cm，頂板（S2r2）430～490 μs/cm，底板（S1）510～620 μs/cm，說(shuō)明在平面上，含礦層與其頂?shù)装逯g水力聯(lián)系弱，導(dǎo)水通道主要為構(gòu)造裂隙。

礦區(qū)最低開(kāi)拓標(biāo)高為200中段，未來(lái)將繼續(xù)向深部延伸，當(dāng)前礦坑深部水位低于盆地中部強(qiáng)富水性巖溶裂隙含水層550 m，水頭差較大，但頂板志留系中統(tǒng)和上統(tǒng)及泥盆系下統(tǒng)（S₂r²+S₃+D₁）富水性、透水性均較弱，共同組成一道厚層狀阻水墻，能有效阻擋盆地中部強(qiáng)巖溶裂隙含水層與礦坑水之間的水力聯(lián)系，當(dāng)前礦坑水與盆地中部灰?guī)r水之間水化學(xué)類(lèi)型差異較大，見(jiàn)圖3。礦區(qū)充水水源主要為基巖裂隙水，導(dǎo)水通道為采動(dòng)裂隙及構(gòu)造裂隙帶。

4 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

4.1 預(yù)測(cè)方法選擇

應(yīng)用單位涌水量比擬法，一般情況下，疏干面積（F₀）和降深（S₀）通常是礦坑涌水量（Q₀）增大的兩個(gè)主要因素。勐興鉛鋅礦已有60多年的開(kāi)采歷史，由于未來(lái)礦區(qū)擬設(shè)計(jì)開(kāi)拓中段150 m、100 m、50 m與0 m中段是現(xiàn)有中段200中段的延深，根據(jù)本次水文地質(zhì)調(diào)查，水文地質(zhì)條件、開(kāi)拓方法與上部中段類(lèi)似，具備比擬法估算礦坑涌水量的基礎(chǔ)。因此，可以利用現(xiàn)有中段的礦坑涌水量資料，采用比擬法估算深部不同中段的礦坑涌水量。由于礦區(qū)基巖透水性弱，富水性差異大，礦床地下水接受區(qū)域地下水側(cè)向補(bǔ)給水量有限，以垂向補(bǔ)給為主，控制著中上部地下水流場(chǎng)分布，中下部含水層壓力釋放并向上傳導(dǎo)，形成了以疏干巷道為中心的從源到匯的三維空間流場(chǎng)分布特征。礦山含水層只能局部疏干，水位難以降至開(kāi)采水平，井巷排水量主要受井巷揭露基巖構(gòu)造裂隙的數(shù)量控制。因此，礦山以疏干面積作為比擬要素。

4.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

4.2.1 已知中段開(kāi)采系統(tǒng)涌水量（Q₀）

礦區(qū)井下通過(guò)200 中段水倉(cāng)與500 中段水倉(cāng)排水，主要包括550中段、500中段、390中段、350中段、300中段、250中段、200中段，通過(guò)2018～2022年四個(gè)年度的涌水量動(dòng)態(tài)觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)所得860坑中段總涌水量，本次比擬選擇平水期涌水量1150 m?/d作為Q₀。

4.2.2 設(shè)計(jì)中段開(kāi)采系統(tǒng)控制面積（L）和已有中段開(kāi)采系統(tǒng)控制面積（L₀）

由于未來(lái)開(kāi)采設(shè)計(jì)中段與現(xiàn)有開(kāi)采中段類(lèi)似，開(kāi)采礦體為現(xiàn)有開(kāi)采礦體的延伸，不同中段探礦巷道的斷面基本一致，開(kāi)拓面積與巷道的展開(kāi)長(zhǎng)度呈線(xiàn)性關(guān)系。比擬中段與其余中段巷道總長(zhǎng)度之比L/L₀即可代表控制面積之比。比擬中段巷道總長(zhǎng)度為11915m。

比擬法計(jì)算涌水量公式如下：

n—正常涌水量與最大涌水量變化系數(shù)。

4.2.3 計(jì)算結(jié)果

將各項(xiàng)參數(shù)代入上述計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，所得涌水量計(jì)算結(jié)果如表2。

5 結(jié)論

（1）礦區(qū)含水層在平面上和垂向上呈強(qiáng)弱相間分布，礦床頂板直接充水含水層為志留系中統(tǒng)上仁和橋組上段（ S₂r²）裂隙含水層，底板直接含水層為志留系下統(tǒng)下仁和橋組（S₁）裂隙含水層，富水性、透水性弱。礦床頂板間接充水含水層為泥盆系（D）巖溶裂隙含水層組，富水性弱―中等；在頂板間接充水含水層與直接充水含水層之間分布有隔水性能較好志留系上統(tǒng)（S3）相對(duì)隔水層，使得上下含水層之間水力聯(lián)系較差。

（2）怒江水與礦坑排水水質(zhì)類(lèi)型存在較大差異，怒江水不是坑道水的充水水源。勐糯礦區(qū)含礦層為志留系下統(tǒng)上段（S₂r¹）相對(duì)隔水層，頂?shù)装迩稁r、石英砂巖組成的厚大弱含水層為礦坑水的主要充水水源。

（3）運(yùn)用比擬法，對(duì)礦山未來(lái)不同開(kāi)拓標(biāo)高的礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，從150 m至0 m，礦坑涌水量有增大趨勢(shì)，在深部巷道開(kāi)拓時(shí)，因基巖水含有一定的靜儲(chǔ)量，且水壓較高，礦山應(yīng)加大排水倉(cāng)、增加排水設(shè)施，降低突水危害。