湖北省神农架花椒树坪矿区ⅠZn矿体水文地质条件及充水因素分析

杨 潇

(1.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430074； 2.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

湖北省神农架花椒树坪矿区ⅠZn矿体水文地质条件及充水因素分析

杨 潇1,2

(1.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430074； 2.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

以地质条件为基础,从地形地貌、气象水文、含水层组划分、地下水补径排特征等5个方面对花椒树坪矿区锌矿ⅠZn矿体的水文地质条件进行分析，认为矿区地下水主要来源于大气降水，矿床的主要充水因素为富水性中等—强的灯影组岩溶裂隙含水层，导水通道主要为顶板炭质页岩导水裂隙带，地形有利于自然排水，水文地质条件简单。为矿山建设设计提供依据。

水文地质；充水因素；ⅠZn矿体；花椒树坪矿区

湖北省神农架花椒树坪矿区位于神农架林区松柏镇宋洛乡,矿区面积8.83 km2。矿区自2004年开始普查工作至2010年勘探工作结束,共投入钻探工作量10 935.83 m。该矿为近年来新发现的一沉积—改造型锌矿床。共查明ⅠZn、ⅡZn、ⅢZn三个工业矿体(其中ⅠZn勘查程度为勘探,为首采区)。矿床规模为中型。矿石易选,开采后经济与社会效益显著[1]。

矿体间接顶、底板主要为灰岩、白云岩,溶洞、溶隙、裂隙发育且多具张开性,富水性中等—强,泉水出露众多。因此查明矿床水文地质条件和充水因素,对矿山采取有效防水、治水措施,从而实现安全、经济开采具有重要意义[2]。

1 自然地理概况和地质背景

1.1 自然地理概况

矿区位于阳日—九道断裂以南、新华断裂以西、梨花坪复式背斜北翼,神农架林区中部。为岩溶—侵蚀高中山区地貌,山脉大致南北走向。地势总体为西南高北东低、山高谷深、沟壑纵横、峭壁林立。最高峰是位于矿区南部的冰洞山,海拔2 400.5 m,最低侵蚀基准面位于矿区北东缘宋洛河与玉泉河交汇的两河口一带,海拔804.9 m,两者高差1 595.6 m。

本区属北亚热带季风气候区,具有明显的垂直分带性。区内平均气温12 ℃,多年平均降雨量900～1 000 mm,雨量充沛,但年际变化大,5—8月降水最多,占全年降水的61.7%。

1.2 地质背景

2 水文地质条件

矿区所在区域北部以玉泉河为界、东以宋洛河为界、西以里叉河为界,为一相对独立的水文地质单元。矿区位于区域的北部,山脊走向自南向北又转向北西,构成矿区内的地表分水岭。ⅠZn矿体位于分水岭以东,ⅡZn、ⅢZn矿体位于分水岭以西(图1)。ⅠZn矿体赋存标高1 554.43～1 957.47 m,控制的最大垂深403.032 m。通过勘探区钻孔静水位观测,水位埋深随地形增高而加深,水位标高1 691.83～1 961.98 m,水位埋深10.45～533.32 m,仅有ZK1101矿体位于地下水位之上,其余都位于地下水位以下,且高于当地最低侵蚀基准面标高804.9 m。

2.1 地表水

区内地表水不发育,矿区外侧边缘主要有里叉河、玉泉河、宋洛河等,这些地表水系除直接汇集降水所形成的地表径流外,还接受地下水的补给,一般流量较稳定。河水洪峰出现在降雨丰富的5—8月份,属极不稳定的降雨补给型地表沟谷水,矿区地表沟谷水为区内地下水的主要排泄渠道。据2008—2009年观测,地表沟谷水在暴雨1—8 h后暴涨,雨后1—2 d暴落。枯季降雨强度小或降雨持续时间短,其降雨基本被地表吸收,沟谷水流无明显变化。降雨后,雨水迅速向沟谷汇流,少者1—2 h,多者半天,河水流量猛增数倍(表1)。

表1 地表水流量表Table 1 Data sheet of surface water flow

图1 花椒树坪矿区水文地质图Fig.1 Hydrogeological map of Huajiaoshuping mine area1.震旦系上统灯影组第三段；2.震旦系上统灯影组第二段；3.震旦系上统灯影组第一段；4.震旦系下统陡山沱组第四段第三岩性层；5.震旦系下统陡山沱组第四段第二岩性层；6.震旦系下统陡山沱组第四段第一岩性层；7.震旦系下统陡山沱组第三段；8.震旦系下统陡山沱组第二段；9.震旦系下统陡山沱组第一段；10.南华系南沱组第二段；11.南华系南沱组第一段；12.中元古界神农架群乱石沟组；13.透水岩组；14.中等—强富水的岩溶裂隙含水岩组；15.弱—中等富水的岩溶裂隙含水岩组；16.弱富水的岩溶裂隙含水岩组；17.弱富水的裂隙含水层组；18.隔水岩组；19.矿体及编号；20.矿化带及编号；21.断层；22.勘探线及编号；23.钻孔及编号；24.泉；25.岩溶洼地；26.溶洞；27.石芽；28.岩溶；29.首采区范围；30.矿区范围；31.地表水分水岭；32.地下水流向。

图2 花椒树坪矿区11勘查线水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological profile of NO.11 exploration line in Huajiaoshuping mine area1.震旦系上统灯影组第三段；2.震旦系上统灯影组第二段；3.震旦系上统灯影组第一段；4.震旦系下统陡山沱组第四段第三岩性层；5.震旦系下统陡山沱组第四段第二岩性层；6.震旦系下统陡山沱组第四段第一岩性层；7.震旦系下统陡山沱组第三段；8.震旦系下统陡山沱组第二段；9.南华系南沱组第二段；10.白云岩；11.条带状白云岩；12.含硅质条带白云岩；13.硅质白云岩；14.灰岩；15.含炭质灰岩；16.硅质岩；17.钙质硅质岩；18.炭质页岩；19.含炭页岩；20.页岩；21.粉砂岩；22.粉砂质页岩；23.角粒状白云岩；24.黄铁闪锌矿化白云岩；25.褐铁矿化白云岩；26.黄铁条带状白云岩；27.矿体及编号；28.钻孔编号及孔深；29.下降泉及流量；30.地下水位线及埋深。

2.2 含水层组划分

区内地层根据岩性、出露情况、裂隙发育程度、地下水埋藏条件、水力特征可划分为含水层、透水层、隔水层。含水层与隔水层具有相间分布的特点(图2)。

2.2.1 含水层

(3) 陡山沱组第四段第二岩性层(Z1d4-2)角砾状白云岩弱溶蚀裂隙含水层。为矿床的直接含水层,矿体赋存于该层中，张节理发育。地表岩溶率为11.1%,溶洞直径0.4～3 m,一般0.5～1.3 m。泉水流量0.008～0.04 L/s。ZK1104抽水试验单位涌水量0.021～0.027 L/s·m,渗透系数为0.039 9～0.048 8 m/d。

(4) 陡山沱组第三段(Z1d3)巨厚层状白云岩弱—中等岩溶裂隙含水层。分布于矿体下部。地表岩溶率12.2%,溶洞规模0.3～10 m,洞内部分裂隙为粘土充填,见有滴水。泉水流量0.01～1.24 L/s。据ZK202提水试验,单位涌水量8×10-5L/s·m,渗透系数4.1×10-5m/d。

(5) 南华系上统南沱组第一段(Nh2n1)巨厚层冰碛砾岩弱裂隙含水层。分布于矿体下部。地表裂隙较发育,部分地段裂隙宽约0.05～0.4 m,裂隙率一般0.19%～6.4%。沿裂隙有泉水出露,流量0.001～0.055 L/s。

(6) 乱石沟组(Pt2l)巨厚层条纹状白云岩弱岩溶裂隙含水层。分布于矿体下部。地表岩溶率为4.4%,溶洞直径0.2～0.5 m。有季节性泉水出露,泉水流量0.008～0.05 L/s。

2.2.2 隔水层

(1) 陡山沱组第四段第三岩性层(Z1d4-3)、第一岩性层(Z1d4-1)炭质页岩隔水层。为矿层的直接顶、底板,分布连续,厚度分别1.58～25.49 m、4.17～22.79 m,为良好的上覆、下伏隔水层。

(2) 陡山沱组第二段(Z1d2)含炭页岩隔水层。分布于矿体下部。厚26～83 m。该组岩石较完整,施工的钻孔岩芯裂隙不发育,隔水性好。

(3) 南华系上统南沱组第二段(Nh2n2)含砾粉质页岩隔水层。分布于矿体下部,厚50～90.38m。顶部风化裂隙发育,裂隙率0.24%～4.85%,深部裂隙减弱，裂隙多为粘土充填，具有良好的隔水性能。

2.3 地下水补径排特征

(1) 区域地下水主要补给来源于大气降水,补给通道为地表基岩风化带、裂隙、岩溶等。由于区内地表切割强烈,浅部地下水径流路径短,循环条件好,地下水位表现为随地势变化的特点,由高处往低处运移,并以泉的形式排泄出地表,无明显的补给、径流、排泄分区。深部地下水径流路程复杂,含水性不均匀[3]。

(2) 矿区地下水动态随降雨量成正相关变化。据长期观测资料表明,矿区雨季(6月份前后)水量大、水位高,旱季水量小、水位低(表2)。由图4可以看出,矿区地下水位自上年12月开始到次年3月逐渐降低,而从4月开始至8月底(9月初)达到最高峰,而后又开始波动性降低；泉水流量则在1—3月最低,4月份后逐渐增大。地下水位动态对降水量的反应较敏捷；泉水则在雨后半天—一天流量明显增大。

(3) 矿区地下水分水岭与地表水分水岭大体一致,地下水位不对称,西北边水力坡度小于南东侧,分水岭西侧地层富水性强于分水岭东侧地层。据全区124个泉水流量统计资料,分水岭西侧泉水流量远大于东侧(表3)。

图3 剥蚀构造夷平面及溶蚀、溶洞投影剖面示意图Fig.3 The planation surface erosion and tectonic erosion,cave projected cross-sectional schematic of Huajiaoshuping mine area1.发育于Z21d2中的溶蚀；2.发育于Z21d1中的溶蚀；3.发育于Z1d4-2中的溶蚀；4.发育于Z1d3中的溶蚀；5.发育于Pt2l中的溶蚀；6.山顶平地。

表2 各丰度期钻孔水位、泉水流量表Table 2 Data sheet of drilling water,spring water flow in each period

注:*表示观测时间不足一个水文年。

表3 分水岭两侧泉水流量汇总表Table 3 Data sheet of spring water flow on both sides of the watershed

注:分水岭以西(共32个)的泉只取了其中4个流量较大的参与计算对比。

2.4 断层水文地质特征

区内构造简单,断层不发育,按形成时代分为成矿期前断层及成矿期后断层两期。

根据地质调查及简易水文地质观测资料表明,成矿期前断层多为逆断层且具封闭性,断层处大多形成胶结紧密的角砾岩,富水性、导水性均较弱；成矿后期断层中对ⅠZn矿体有影响的主要是倾向北西西的高角度正断层F2,矿体被其错断。断层角砾岩胶结紧密,仅在地表浅层风化破碎严重,总体导水性及富水性较弱。但断层也不是均一的,通过地质调查在F2断层沿线两侧,泉水流量0.02～1.24 L/s,表明断层两侧部分地段破碎带裂隙发育,富水性达到弱—中等。

图4 矿区地下水动态与降水量变化对比图(2008-08—2009-09)Fig.4 Comparison chart of groundwater dynamics and changes in precipitation of Huajiaoshuping mine area

3 矿坑充水因素分析

3.1 矿体水文地质边界条件

ⅠZn矿体总体呈倾向北西的长条状展布。ⅠZn矿体含水层东部紧临陡山沱组第四段第一岩性层(Z1d4-1)炭质页岩隔水层和南华系上统南沱组第二段(Nh2n2)含砾粉质页岩隔水层,形成东部隔水边界。矿区西部、南北部含水层视为侧向无限边界。

3.2 充水水源

3.2.1 大气降水

区内年平均降雨量900～1 000 mm,近十一年最大年降水量为1 155.7 mm(2003年),最小年降水量为694.6 mm(2006年)。5—8月降水最多,最大月降水量269.7 mm(2004年7月)。灯影组岩层岩溶、裂隙都十分发育,有利于降水入渗补给。大气降水后主要通过节理裂隙、溶洞渗入或直接进入地下,顶板炭质页岩的厚度小于导水裂隙带高度,且该层部分地段岩芯较破碎,灯影组岩溶裂隙水将在该区域沿导水裂隙带深入矿井。

3.2.2 地表水

里叉河、玉泉河、宋洛河分别分布于矿区西、北、东部边缘,矿体赋存标高都高于河床标高；区内青草鱼沟、纵横爬等沟谷溪流来源于上游泉水,沿途接受地下水补给。故地表水对矿坑充水无影响。

3.2.3 地下水

(1) 直接充水含水层。陡山沱组第四段第二岩性层(Z1d4-2)含矿岩系岩溶裂隙含水层,是矿坑充水的直接因素,但其富水性较弱,对矿坑充水影响不大。

3.3 充水通道

由于区内地层都为层状结构,且相互多为整合接触,因而矿井充水的主要通道是导水裂隙带,其次为原生结构面裂隙和一些人为的充水通道[4]。

3.3.1 导水裂隙

根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719—1991)提供的方法来进行计算。

(1) 导水裂隙带最大高度：

式中:Hf——导水裂隙带最大高度,m；M——矿层厚度,0.24～3.7 m(采用钻孔中矿层的厚度)；n——矿层分层厚度,m,这里n=M。

经计算,导水裂隙带最大高度为20.17～44.9 m。根据钻孔资料对比,区内顶板炭质页岩厚度1.58～25.49 m,小于导水裂隙带高度,且该层部分地段岩芯较破碎,故灯影组岩溶裂隙水将在该区域沿导水裂隙带补给矿坑。

(2) 底板安全隔水厚度：

式中:t——安全隔水厚度(m)；L——采掘工作面底板最大宽度(m),3.5 m；r——Z1d4-1炭质页岩的容重(t/m3),2 600 t/m3；KP——Z1d4-1炭质页岩的抗张强度(Pa),8.4×106MPa；H——隔水层底板承压的水头压力(Pa,由钻孔终孔稳定水位水柱高度计算得出,H=ρgh,ρ为水密度1 000 kg/m3,g为重力加速度10 m/s2,h为钻孔隔水层底板以上水柱高度),0.23×106～1.71×106Pa。

计算得底板安全隔水厚度为0.41～1.12 m,对比钻孔资料,底板炭质页岩厚度为0.90～21.64 m,除ZK816外均大于上述计算安全隔水厚度。由此可知底板炭质页岩在局部厚度较薄(ZK816区域)、岩层较破碎的地段会构成矿层的充水通道。

巷道掘进和工作面回采时,不可避免地会改变原有围岩的性质,在围岩周围产生新的裂隙,包括回采顶板冒落产生的裂隙及底板破坏产生的裂隙[5],这些裂隙通道有可能导通含水层形成突水。

3.3.2 其他充水通道

(1) 溶洞、溶蚀裂隙等岩溶通道。溶洞、溶蚀裂隙等岩溶介质交织构成岩溶水径流带,也成为矿区地下水富集、径流和补给矿坑充水的通道。从矿区裂隙走向及岩溶发育方向玫瑰花图(图5)可以看出,矿区岩溶发育受裂隙发育控制。

图5 矿区裂隙走向、岩溶发育方向玫瑰花图Fig.5 The diagram of crack direction and krast direction of Huajiaoshuping mine area1.节理走向；2.岩溶裂隙走向。

矿区岩溶发育为非均质各向异性,表现为裂隙—溶隙含水介质和岩溶管道含水介质并存特点。其中岩溶管道连通性好、导水性强,当岩溶管道直接揭露矿床时,其不仅是导水廊道,还是储水空间,对矿坑充水作用强,危害大[6]。

(2) F2断层。有前述可知F2断层部分破碎带地段形成了地下水集中径流带,矿体在开采条件下可能成为北东部矿坑充水的天然通道。

4 结论

(1) 大气降水为矿坑的主要充水因素,开采时矿坑的直接充水因素是灯影组第一段灰岩岩溶裂隙水、陡山沱组第三段白云岩岩溶裂隙水。

(2) 矿体都位于侵蚀基准面以上,地表水对矿坑充水没有影响,地形有利于自然排水；矿体上覆含水层总体而言富水性中等—强,但在分水岭东侧,富水性弱—中等，含矿层富水性弱，区内构造简单,断层带富水性弱。水文地质条件简单。

(3) 正常情况下,各含水层对矿层开采不构成直接威胁。采掘过程中对水的防范重点是破碎带导水和岩溶积水,因此疏排工作中对降雨及井巷上覆岩层裂隙发育等情况应密切关注,坚持有疑必探、先探后掘。

(4) 未来开采中如遇到矿坑突水以静储量为主,静储量排泄后,流量便会变小,趋于稳定,不存在突水淹井的可能。

[1] 戴绍杰,朱重杰,杨潇,等.湖北省神农架林区花椒树坪矿区锌矿勘探地质报告[R].襄阳:湖北省鄂西北地质矿产调查所,2013.

[2] 刘晓亮,褚洪涛.我国复杂大水金属矿床的开采现状与发展趋势[J].采矿技术,2008,8(2):3-4.

[3] 郑志忠.隘头煤矿区矿井充水因素分析[J].中国西部科技,2009,8(14):13-16.

[4] 杨占盈,白有社.雅店煤矿水文地质条件及防治水研究[J].中国煤炭地质,2010,22(4):45-49.

[5] 柴登榜.矿井地质工作手册：下册[M].北京:煤炭工业出版社,1984.

[6] 张鼎,肖攀,何凤.湖南道县后江桥铁锰铅锌矿区水文地质条件分析及涌水量预测研究[J].工业安全与环保，2012,38 (4):42-45.

(责任编辑：于继红)

Analysis of Hydrogeology Condition and Water-filling Factors of IZn Orebody in Huajiaoshuping Zinc Ore District,Hubei Province

YANG Xiao1,2
(1.ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074; 2.EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441002)

Based on the geological condition,the paper analyzes hydrogeology condition of IZn orebody in Huajiaoshuping zinc ore district from topography and landform,meteology and hydrology,diviosion of aquifer formation and groundwater recharge-discharge characteristics. The paper is suggested that groundwater mainly comes from atmospheric precipitation. The main water filling factors of the ore deposit is rich aqueous medium-strong Dengying Formation of karst fractured aquifer. Underground watercourse is mainly water flowing fractured zone about roof carbonaceous shale . Terrain is conducive to the natural drainage. It provides a basis for mine construction design.

hydrogeology;water-filling factors;IZn orebody;Huajiaoshuping ore district

2014-04-28；改回日期：2014-08-01

杨潇(1984-),男,工程师,硕士在读,水文与水资源工程专业,从事矿区水文地质、工程地质、环境地质工作。E-mail:247421728@qq.com

P641.4

A

1671-1211(2015)01-0045-06

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20141224.0951.005.html 数字出版日期:2014-12-24 09:51