河南庄金矿矿区水工环境地质研究

汤宜洋，王林峰，彭智博

(1. 河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南 郑州 450001； 2. 河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南 郑州 450001)

河南庄金矿矿区水工环境地质研究

汤宜洋1，王林峰1，彭智博2

(1. 河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南 郑州 450001； 2. 河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南 郑州 450001)

我国矿业一直是粗放式开采，日益严重的矿山地质环境问题时刻威胁着人民生命及财产安全，现已成为社会生态环境中最为突出的问题之一。基于此，以西峡县河南庄金矿矿区为例，通过对该矿区的水工环境进行勘查实验，并对矿区地质、水文资料进行研究分析，为矿区的合理开采提供可靠的依据。

金矿；水工环境；地质研究

1 水工环境地质研究的实际意义

生态环境是人类生存与发展的必要条件，矿山地质环境是生态环境中不可或缺的重要组成部分，矿产资源是人类生存与发展的物质基础，是国民经济发展的支柱型产业[1]。我国矿产资源丰富，尤其是金矿资源的开发历史悠久[2]、规模大、强度高，矿产资源的开发推动了当地经济的快速发展，但由于矿山开采规模的增大、开采强度的增高，采矿活动引发的矿山地质环境问题越来越多，地质环境问题造成的危害也越为严重。西峡县河南庄金矿位于河南省西峡县双龙镇河南庄村唐沟口附近，矿藏面积达4.833 3 km2。矿区内工业矿体共估算保有矿石量616 256 t，金属量2 735.5 kg。

本次对河南庄矿区水工环境地质勘查的主要目的及任务是查明矿区水文地质工程地质条件；分析矿床充水因素；预测矿坑涌水量；对矿床水资源综合利用进行评价；指出供水方向。查明矿体及其顶底板围岩岩体质量和稳固性；预测可能发生的主要工程地质问题。评述矿区地质环境质量；预测矿床开发可能引起的主要环境地质问题并提出防治建议。确定矿区水文地质、工程地质、环境地质勘探类型，为矿山开采设计提供开采技术依据。

2 矿区水文地质概况

河南庄金矿区位于伏牛山南麓，地势南高北低，属低山区，地形较陡，切割强烈。区内相对高差100～200 m，最高标高为503 m,最低标高为320 m，最大相对高差为183 m。区内植被发育，灌木丛生，基岩出露一般。该区属长江水系汉江流域老灌河支流蛇尾河区，常年有流水，可满足矿山使用。

该矿区前期在水文地质、工程地质、环境地质的工作完成程度较低。通过本次勘探工作的完成，完善本区的水工环地质资料，为后期矿山扩大开采规模，改进开采技术等设计工作提供完善、准确的水工环地质依据。

3 矿床充水因素分析

经过对矿区水文地质条件的调查，结合收集以往资料分析，矿床充水水源主要有大气降水、地表水、地下水等，现分述如下。

3.1 大气降水

通过野外水文地质调查发现：从民井S006长观点地下水水位标高与大气降水、地表水体的动态变化关系不大。因此，大气降水对矿坑充水虽然局部有轻微影响，但总体影响并不大。

3.2 地下水

通过水文孔SHK01的顶板、矿层及底板的抽水试验结果显示，涌水量均较小，含水层富水性较弱，透水性较差。

3.3 采空区分布与裂隙水水量

由于本矿区部分已经开采，共分6个中段，每个中段除了为开采需要建设的巷道外还有很多采空区，各中段采空区分布情况：320中段采空区面积392.691 m2，主要分布在Zk1502和Zk1601之间；290中段采空区面积197.368 m2，主要分布在Zk1502西南和Zk1302东部；260中段采空区面积89.906 m2，主要分布在Zk1302西部；230中段采空区面积3 136.472 m2，主要分布在Zk1402西部和Zk1307东部；200中段和170中段内除了巷道、未见采空区。由于已经停采很久了，很多中断巷道关闭停止使用，所以具体各中段裂隙水水量无法测量，但矿坑每天向外排水量约100 m3左右。

4 矿坑涌水量估算及模型

4.1 涌水量估算

根据矿床地质特征，未来矿山开采主要采用中深部平巷开拓。矿床主要充水因素为含矿层自身的构造承压水[3]，富水性弱，主要充水含水层由浅部到深部逐渐减弱，大气降水是矿区地下水主要的补给来源。矿床含水层为承压水状态，经过开拓后转为无压状态，抽水试验孔位于直线隔水边界附近，未来开采以矿层底部为准，其标高为170.00 m，故其为承压转无压完整井。

矿区内以SHK01水文孔抽水试验资料为重点分析。SHK01水文孔抽水试验分3个阶段进行，钻探至矿层顶板后停钻清孔并试抽，然后待水位稳定后进行矿层顶板抽水试验；试验结束后继续钻至矿层底板，然后起钻清孔，封闭矿层顶板，然后试抽，很快出现掉泵现象，且水位恢复缓慢，表明矿层基本不含水，然后采取注水试验进一步验证；上一阶段试验结束后继续钻至设计孔深，然后起钻清孔，封闭顶板及矿层，然后试抽停泵，待水位稳定后进行底板抽水试验。SHK01水文孔矿层及顶、底板抽水试验资料详见表1。

表1 河南庄金矿区SHK01水文孔矿层及顶、底板抽水试验成果

根据生产矿井不同深度可以计算其深度的涌水量，但生产井径大，应进行井径换算，本区地下水为层流，公式为：

例如：生产矿井半径设计3.0 m，辐射半径300 m，代入S3资料计算如下：

举例仅代表7.8 m降深的涌水量，生产中可根据需要进行设计代入公式即可计算出设计结果。

4.2 矿坑涌水量估算——“比拟法”模型

根据对本区金矿生产坑道收集观测资料，用水文地质比拟法进行计算。

生产坑道位于侵蚀基准面以下，岩性为秦岭岩群白云石大理岩，坑道近似垂直于岩层走向，坑道规格高2.0 m，宽2.0 m，长65.7 m，坑道内实测流量34.56 m3/d，初见水位平均6.5 m，即降深6.5 m，坑道内集坑排水。

式中：Q、F、S分别代表未来生产矿山生产设计坑道的涌水量、坑道面积、水位降深；Q1、F1、S1分别代表生产坑道实测的涌水量、坑道面积、水位降深。

例如：未来生产坑道设长250 m，宽2.2 m，将数据代入公式：

144.66 m3/d

因地下水受大气降水补给，受季节、降雨量、枯、丰水期影响较大，在预测时应灵活掌握。考虑到未来雨季地下水涌水量剧增，为安全起见以上各种预测方法可按两倍以上增加计算，预报最大涌水量300 m3/d。

4.3 矿坑涌水量估算——“大井法”模型

根据矿床水文地质条件、矿床所处位置及井巷系统开采方式，以170 m控制标高以上范围属于矿权开采范围。矿层水平投影面积为1.782 m×105 m，周长为1 978 m。可概化成一个长a为734.0 m，宽b为255 m的矩形，则其面积为1.872 m×105 m，矿区范围内多为白云石大理岩岩溶裂隙水弱含水岩层，东部出现小区域分水岭，连续完整稳定，可视为一侧直线隔水边界，抽水试验孔位于直线隔水边界附近。由于矿床地层倾角35(°)左右，使用“大井法”计算[4]。

矿层概化后的矩形整个坑道系统视为一个大的集水井，矿坑降深以首采段最低含水层底板为界，则最大降深疏干时取值170.84 m(承压含水层均转化为无压水层，取含水层天然承压水头，同时也是首采段水平标高170.00 m)，采用承压转无压完整井公式进行预测。

由于岩层在剖面上充水含水层的渗透性具有明显的不均匀性，根据解析计算要求，渗透系数作均值概化，采用厚度加权平均值法：

其中K——相应分段的渗透系数；

M——剖面上各含水层段的厚度，m。

承压含水层厚度M采用拟定首采区所有钻孔(8个)的平均值66.7 m。

矿坑最大降深疏干时，承压含水层均转化为无压水层，取含水层天然承压水头，矿坑降深S0采用抽水试验孔的承压水头值，S0=(H底SK01-H静SK01)=170.84 m。

坑道系统至隔水边界的距离a，采用抽水孔距隔水边界：a=1 729.00 m

因为一侧隔水边界，是单面供水，单面隔水。因此涌水量计算结果应除以2。矿坑承压转无压公式为：

式中Q——预测“大井”法计算的巷道系统涌水量，m3/d；

M——承压含水层厚度，采用拟定首采区所有钻孔资料66.70 m；

Kcp——基岩裂隙水渗透系数，采用水文孔的平均值0.038 5 m/d；

S0——矿坑降深值，从含水层底算起，取含水层天然承压水头170.84 m；

r0——坑道设计引用半径，取值284.34 m；

R0——坑道设计引用影响半径，取值1 159.70 m；

a——坑道系统至隔水边界的距离，采用抽水孔到隔水边界的距离1 729.00 m。

将计算参数代入式中，其计算结果如下表2。

表2 矿坑涌水量结果

4.4 估算结果评述

矿区SHK01地质孔抽水时间2015年9月中旬底至10月上旬，为当地当年的枯水期，所以对矿坑进行最大涌水量预测时采用当地丰水期与枯水期的降雨量比值，由于没有邻近矿区丰水期与枯水期的资料，只能以矿区S010的常观数据作为丰水期和枯水期的资料，因为该点为岩溶裂隙水。其最大流量为8.047 L/s，最小流量为4.883 L/s，丰水期与枯水期流量比值为1.65∶1。

因该矿坑最大涌水量在估算时没有考虑到矿层的底板岩溶裂隙水补给、开采时所造成的裂隙导水补给及大气降水入渗补给等因素，只是在矿区水文地质条件未发生改变时进行的矿坑最大涌水量预测，故预测的结果值偏小。

本次矿坑涌水量的估算采用的是群孔抽水试验的计算结果，其计算公式采用的是1979年版《水文地质学》(二)第六章第一节中一侧直线隔水边界的承压转无压计算公式[4]。两种模型，两种结果，前后相差较大，因为建模不同，为了确保安全生产，建议采用“大井模型”作为设计依据。

4.5 矿区水环境质量评价

1) 地表水

本区主要地表水体为蛇尾河和山间溪流。主要用途为防洪、灌溉、养殖等。溪流受季节影响变化较大。对照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)所检项目中，说明地表水水质基本良好。

2) 地下水

根据矿区地下水水质分析结果，对照《地下水质量标准》(GB14848-1993)及《生活饮用水卫生标准》(GB5749-1985)所检项目中，指标均符合要求。故本区地下水可满足一般工业用水和生活用水要求。

5 结 语

综上所述，可知水工环彼此之间相互联系，连续的纽带就是水土。水工环地质调查工作难度比较大，专业性比较强，因此对调查人员的业务能力要求非常高，而且由于水工环调查技术越来越先进，因此调查人员必须提高自身的能力，不断学习，只有如此，水工环调查工作才会发展迅速。

[1] 张慧颖. 会泽铅锌矿区水文地质条件及地下水环境质量评价[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2002.

[2] 孔令山. 基于环境保护探析水工环地质勘察工作策略[J]. 黑龙江科技信息, 2016(15): 111.

[3] 代尚京. 地下水环境影响评价中水文地质勘察工作的内容和方法[J]. 西部探矿工程, 2016(7): 155-156+159.

[4] 朱海宝. 水、工、环地质调查与数字填图[J]. 科技信息, 2011(14): 313.

A Study on Hydraulic Environmental Geology in Mining Area of Henan Gold Mine

TANG Yiyang1, WANG Linfeng1, PENG Zhibo2

(1.HenanBureauofGeologyandMineralResourcesExplorationandDevelopment,ThefirstGeologicalExplorationInstitute,Zhengzhou,Henan450001,China; 2.HenanBureauofGeologyandMineralResourcesExplorationandDevelopment,MappingGeographicInformationInstitute,Zhengzhou,Henan450001,China)

China’s mining industry is the extensive mining, and its geological environment in growing problems is threatening people’s lives and property. It has now become one of the most prominent problems in the social environment. Based on this, we take Zhuang gold deposit mine in Xixia county for example to have exploration and experiment of hydraulic environment of the mining area, by trying to get a geological, hydrological data analysis to provide a reliable basis for rational exploitation of the mining area.

Gold deposit; Hydraulic environment; Geology

2017-03-01

汤宜洋(1979-)，男，安徽合肥人，工程师，研究方向：水工环地质，手机：13932271656，E-mail：19612311@qq.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.013