东刘家金矿矿区矿坑涌水量预测分析

华 斌，李霄燕，朱国庆

(1.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014;2.山东高新工程设计有限公司，山东 济南 250100)

东刘家矿区位于胶莱盆地东北缘，地形为低山丘陵，属风化剥蚀地貌，切割强，海拔最高272 m，最低140 m，地形坡度3°～10°。

矿区属暖温带季风型大陆气候，四季分明，雨量充沛，冬无严寒，夏无酷暑。无霜期长达218 d，多年平均气温为11.4℃，年平均降水量为 787.8 mm，主要集中在夏季，累年平均蒸发量1541mm。

区内冲沟发育，自然排水好，大气降雨通畅，矿区地表水体主要有东刘家水库。大气降水也大多是自然排水，随径流流入古现河。

区内地层以古元古代荆山群和中生代莱阳群最为发育，岩浆岩以牧牛山岩体为主。晚元古代“牧牛山”岩体中细粒二长花岗岩为主要岩石类型，整体呈现“舌状”，由 NE向 SW方向侵入于古元古代荆山群地层中，经钻孔揭露最大厚100 m，岩体内含有变粒岩、大理岩等地层包体，岩体普遍遭受糜棱岩化，局部钾化。东刘家金矿体主要产于牧牛山岩体中，控矿构造为层间滑动构造和NE向断裂。

断裂构造:区域内的断裂构造以NE走向为主，自西向东由桃村断裂、郭城断裂、朱吴—崖子断裂组成区内的主要构造格架，其中前二者控制了胶莱盆地的东北部的边缘，后者切割了马石庄—崖子地区的火山—沉积岩系。三者均具左行压扭性特征，为高角度平移断裂。

1 矿区水文地质特征

1.1 含水岩组

1)第四系冲洪积、坡积孔隙含水岩组(Ⅰ)

主要分布于丘陵地区沟谷坡麓或河流两侧，含水层岩性为细、中、粗砂或砂砾石层，水位埋深0.4～3 m，含水层厚度1～3 m。单位涌水量为0.102 L/s·m，中等富水性。水化学类型为 HCO3－Ca·Mg型，矿化度 0.14 ～0.40 g/L。

主要补给来源是大气降水，其次是地表水体的入渗补给，此外还接受基岩地下水的越流顶托补给。在天然状态下，地下水流向与地形坡向基本一致，总体自东南向北西方向径流;其排泄方式以人工开采为主，或补给下伏含水层。

2)碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组(Ⅱ)

矿区范围内主要有:莱阳群曲格庄组、龙旺庄组及止凤庄组等含水岩组，含水层岩性为砂岩、砾岩、砂砾岩。水位埋深1～3.5 m，涌水量多小于100 m3/d，弱富水性，水化学类型为 HCO3－Ca型，矿化度小于 0.3 g/L。

补给来源主要为大气降水，在天然状态下，碎屑岩类孔隙裂隙水沿地形坡向径流，总体方向由南向北径流。在径流过程中，地下水一部分以泉的形式排泄于沟谷河流中，一部分顶托补给第四系孔隙水，其余部分则沿坡向运移排泄出区外。

3)碳酸盐岩类岩溶裂隙水(Ⅲ)

矿区内该类含水岩组主要为荆山群野头组、禄格庄组大理岩段，单位涌水量为0.0138 L/s·m，弱富水性。通过对土堆矿区矿坑水质分析，水化学类型为 HCO3·SO4－Ca·Mg型，矿化度 0.327 g/L。

补给源主要来自大气降水及上覆第四系松散岩类孔隙水入渗补给，其排泄方式以矿坑排水为主，亦以径流的方式由南向北排泄，在径流过程中部分可形成泉水排泄于沟谷河流中。

4)基岩风化带裂隙含水岩组(Ⅳ)

层状岩类风化、构造裂隙含水亚组(Ⅳ1)主要为荆山群野头组变粒岩、禄格庄组安吉山片岩、陡崖组变粒岩，单井涌水量小于100 m3/d，富水性较弱，水化学类型为 HCO3－Ca·Mg型，矿化度100～250 mg/L。

块状岩类风化构造裂隙亚组(Ⅳ2)主要为新元古代玲珑超单元九曲单元弱片麻状中细粒黑云二长花岗岩及荣成超单元邱家单元片麻状细粒二长花岗岩，单井涌水量小于100 m3/d，富水性较弱。通过对矿坑排水水质分析，水化学类型为 SO4·HCO3－Ca·Mg型，矿化度 600～1 200 mg/L。

补给来源主要为大气降水直接入渗补给，上覆第四系松散岩类孔隙水的入渗补给，以及地表水体的侧渗补给。地下水流向与地形坡向一致，降雨后迅速泄流，最高水位出现在8、9月份。排泄方式以人工开采为主，亦以径流的方式沿坡向排泄，在径流过程中部分可形成泉水排泄于沟谷河流中。

1.2 隔水岩组

矿区内地下水隔水层包括脉岩及岩体类和斜长角闪岩及变粒岩类，前者主要由岩浆岩类岩石组成，为二长花岗岩、闪长玢岩、煌斑岩、花岗斑岩、花岗闪长岩、闪长岩等，其上部风化带以下岩石致密坚硬，节理裂隙不发育，可视为隔水层。斜长角闪岩及变粒岩类为弱风化带隔水体，节理裂隙不发育，隔水性能随埋深的增加而增加。

2 矿坑涌水量预测

2.1 矿坑充水因素

水源与通道的自然组合即构成充水因素。本矿区矿坑充水的主要通道为风化、构造及采动所形成的裂隙。矿床充水水源主要有大气降水、基岩裂隙水等，采区附近分布有地表水体。

2.1.1 地表水体

矿区内沿沟谷主要发育有古现河，上述河流雨季水位暴涨，旱季水量锐减乃至干涸;矿区西侧300 m有东刘家水库。

东刘家水库总库容104.3万 m3，东刘家含矿段距东流家水库最近，约300 m，矿体岩性大部分为黑云二长花岗岩，局部为大理岩，水库与含矿段之间为荆山群野头组大理岩，赋存碳酸盐岩类岩溶裂隙水，近地表岩溶裂隙较发育，对东刘家含矿段矿床充水影响相对较大，为间接充水水源。

2.1.2 大气降水

评价区内大气降水一部分呈地表水自然排泄外，一部分通过强风化带的孔隙裂隙及构造破碎带渗入矿坑。通过对周边土堆、沙旺矿段矿坑排水量与大气降水资料分析发现，矿坑排水与大气降水大致上一致，矿区处于地下水补给区，东刘家矿区与上述地貌和地质条件类似，故东刘家矿段补给来源大部分为大气降水，大气降水是矿床充水的主要因素。

2.1.3 地下水

东刘家矿段矿体围岩以角砾状黄铁矿化二长花岗岩为主，富水性及导水性差，对矿床充水影响小。故本矿区充水类型为以矿体顶板裂隙含水层充水为主的矿床，即裂隙充水矿床。

但已有地质勘探资料表明，东刘家矿段有坑道系统分布的地段出现了地下水降落漏斗，这反映了在人为疏干排水的情况下，这些地段地下水位大幅下降，进而袭夺上部地下水。因此，在人为疏干排水的情况下，在重力势能作用下，浅部地下水会沿构造裂隙向深部补给矿床水。

2.1.4 构造破碎带

矿区内断裂构造十分发育，按断裂性质可分为张性断裂和压扭性断裂。

矿区内张性断裂F7断裂穿过东刘家水库与东刘家矿床，钻孔ZK5351位于断裂F7上，通过对钻孔编录资料分析，孔深 226.2 ～285.4 m 时岩心局部破碎，364.0 ～456.4 m 处见碎裂岩，表明F7断裂深部导水性较强，上部岩心较完整，裂隙面多为碳酸盐岩脉充填，导水性差。通过收集东刘家探井排水资料，2010年3月东刘家探井排水量为 34 484.82 m3，同期土堆生产井排水量为12 060 m3，在巷道面积仅为土堆巷道面积1/3左右情况下，东刘家探井排水量明显大于土堆生产井排水量，可见F7断裂对东刘家矿床与东刘家水库有一定的沟通作用。

矿区内压扭性断裂带内岩石破碎、松散，发育碎裂岩、角砾岩、断层泥等，因导水性能差，对矿体充水影响不大。

2.2 矿坑涌水量预测

2.2.1 水文地质比拟法

水文地质比拟法是根据已知生产矿山的矿坑涌水量，预测水文地质条件及开采条件与之相似的矿山的矿坑涌水量的方法。本次评估为东刘家矿区(扩界、扩能)金矿项目，东刘家矿区已开采多年，已有地下水涌水量等实测值，故可用扩界前矿区的实测数据来比拟东刘家矿区(扩界、扩能)的地下水涌水量。

通过对矿区内钻孔终孔水位埋深及民井调查研究，枯水期各钻孔终孔水位埋深大多低于第四系底板，而丰水期水位多高于第四系底板，故矿区内地下水可看做为无压潜水—微承压水。根据矿区内各矿段近几年来的矿坑排水量统计，东刘家矿段的最大矿坑排水量分别为其平均矿坑排水量的1.06倍，为利于矿山排水设计以防治矿坑突水灾害，东刘家矿段预测最大矿坑涌水量的估算按正常涌水量的1.1倍计。

按照通过含水层的两个井径相同大井比拟，因为随着开拓深度的加深，随着矿井坑道系统面积的增大和水位降深加大矿坑涌水量增加的速度将递减，因此选取以下公式来计算设计矿井的涌水量:

生产矿井涌水量(Q1):东刘家矿段现状日均涌水量为1 120 m3/d，最低排泄面为标高为50 m。

设计矿井水位降深(S):矿体附近钻孔终孔水位标高与矿体赋存最低标高之差。

生产矿井水位降深(S1):生产井附近钻孔终孔水位标高与最低排泄面标高之差。

设计矿井坑道系统面积(F):因为设计矿井坑道系统是在原有矿井坑道系统的基础上延展而来的，因此设计矿井坑道系统面积应加上原有矿井坑道系统的面积。

生产矿井坑道系统面积(F1):即为现有生产矿井坑道系统面积。

依据开发利用方案，矿体标高为 236.47～304.19 m，预计中段标高－305 m时的正常矿坑预测涌水量为4 955.85 m3/d，最大矿坑涌水量为5 451.43 m3/d(见表1)。

表1 比拟法矿坑涌水量计算成果表

2.2.2 分析计算法

东刘家矿区因与东刘家水库距离约300 m，该地表水体对矿床充水影响较大，因此本次计算将其作为进水边界处理，选用公式为单供水边界潜水紊流计算公式。

式中:Q矿坑为计算矿坑涌水量(m3/d);K为含水层渗透系数(m/d);H为从含水层底板算起的水头高度(m);h0为井内水柱高度(m);rw为竖井引用半径(m);F为坑道系统分布面积(m2);b为大井到进水边界的距离(m)，取300 m。

综合分析水文地质孔勘查成果与利用各矿段已有开拓情况、水位降深和现状矿井排水量的关系来反求所得的渗透系数计算结果，东刘家矿段为0.027 m/d。考虑到随着开采深度的增加，岩层构造裂隙的发育程度相对减弱，因此对于开采深度比已开采矿体明显加大的矿体渗透系数乘以0.8的系数加以校正。

含水层厚度取各勘探孔含水层厚度的平均值35.02 m。

潜水含水层底板算起的水头高度(H)采用各矿段附近钻孔终孔水位标高的平均值与各矿体最低赋存标高的差，参考《山东省海阳市土堆、沙旺矿区深部及外围金矿补充详查报告》和《山东烟台鑫泰黄金矿业有限责任公司东刘家矿区(扩界、扩能)金矿资源开发利用方案》，东刘家矿区扩界后的矿体开采后平均水头高度为238 m。

井内水柱高度(h、h0)参数，疏干开采，井内水柱降至井底，取0 m;

大井引用半径(r0、rw)参数，假设预测各主要矿体完全采空，再加上巷道面积，故F面积取各矿体面积的2倍。

通过计算，开采期内正常涌水量为6 010 m3/d，最大涌水量为6 611 m3/d(见表2)。

表2 东刘家矿段大井法矿坑涌水量计算成果表

3 矿坑涌水量预测成果评价

从上表中可见，比拟法和分析计算法预测的涌水量基本一致，由于本矿区已有历史涌水量观测资料，比拟法精度比较高，因此本次矿井涌水量取比拟法预测结果:正常矿坑预测涌水量为 4 955.85 m3/d，最大矿坑涌水量为 5 451.43 m3/d。

[1]李俊停，王俞吉.水文地质手册[Z].北京:地质出版社.1988.

[2]房佩贤，卫中鼎，廖资生，等.专门水文地质学[M].北京:地质出版社.1987.

[3]水文地质干部进修班编著.矿坑涌水量预测方法[Z].1990.

[4]矿区水文地质工程地质勘探规范[S].国家技术监督局.1991.