滇西金顶铅锌矿跑马坪矿段水文地质条件及涌水量预测

范大明，余 璨

1. 长江工程职业技术学院，湖北 武汉 430212；2. 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明650051

矿井涌水量是指矿山在建设及生产过程中，单位时间内流入矿井及生产巷道、开采系统的水量，是用于判别矿井充水程度的重要指标之一，也影响着矿山的投产方式及生产成本，是确定矿山开采方案、给排水设备及制定矿山防水措施的重要依据[1-4]。目前，矿井涌水量的预测主要包括类比外推法、随机模拟法、解析法、水平衡法及数值法，随着计算机技术的迅猛发展，利用计算机数值模拟法构建数学模型已成为地下水研究领域应用最广泛的方法之一[5-9]。

云南兰坪县金顶铅锌矿跑马坪矿段是金顶特大型铅锌矿区北东侧的矿段，自上世纪60年代发现以来，前人对矿床/区进行了大量研究，成果多集中于矿床地球化学[10-11]、矿床成因[12-13]等方面，对水文地质及涌水量的研究鲜少开展。文章通过对跑马坪矿段水文地质条件进行分析，查明了矿段2180中段一下主要充水/含水层特征、富水性及断裂破碎带水文地质特征，利用不同研究方法对矿坑涌水量进行预测，后矿床后续水文设计和防治提供依据。

一、矿区概况

金顶铅锌矿大地构造位置地处唐古拉—昌都—兰坪—思茅褶皱系，夹持于弥沙何断裂带与澜沧江断裂带之间，主要出露第四系、第三系及白垩系地层。研究区属澜沧江流域，海拔高度2 823～2 267 m，属中等切割低中山地貌，水系发育，主要河流包括金平河、北大沟、后阱沟头及白草坪大沟，多呈EW向汇入矿区西侧的沘江。矿区受喜马拉雅—西藏气候区控制，属与温带-寒带气候，降雨集中于6－9月，占全年降雨量3/4，年最大降雨量1 327 mm，年最小降雨量713 mm，平均降雨量992 mm，年平均蒸发量达1 619 mm。

金顶跑马坪矿段矿体主要赋存于云龙组灰岩、角砾岩带内，矿体呈似层状、凸透镜状产出，中心部位厚而两端较薄，工业矿体平均厚度10.5 m，低品位矿平均厚度4.7 m，总体呈NE向，上覆于矿体深黑色碳质泥岩为矿体上盘的标志层。矿化受Fp1断层控制作用明显，断层面呈波状起伏，多充填碳质及断层泥，倾向上多见分支复合现象。跑马坪矿段以地下开采方式为主，现阶段2180中段及其以上坑道开拓开采方式为“主平硐+盲竖井”联合开拓，利用无底柱分段崩落法按照由上至下的顺序进行开采，其中2180中段为地下水的主要排泄区域。

二、水文地质特征

（一）含水层（组）的水文地质特征

矿区内地下水按充水含水层介质类型可划分为四类：第四系孔隙水、岩溶裂隙水、岩溶裂隙—脉状溶洞水及碎屑岩裂隙水，含水岩性主要为泥灰岩、沥青质灰岩及粉砂质泥岩中，多分布于沟谷、山坡及露天采场人工堆填区。

1. 第四系松散岩类孔隙水透（含）水层：主要为冲、洪积漂卵石层（Qal+pl）及人工填土层，含水岩性主要为灰—灰白色漂卵石，下伏地层为果郎组（Eg1）紫红色泥岩隔水层。主要受大气降水及河水补给，侧向以泉的形式排泄或向下游方向径流，孔隙水为主，富水性、透水性中等，对矿床充水影响较小。

图1 金顶铅锌矿水文地质单元边界[14]

2. 岩溶裂隙弱含水层：主要为三合洞（T3s）地层，地表大面积出露，覆于矿层之上，岩性以深灰色白云质泥岩、泥灰岩为主，富水性、透水性差，属岩溶裂隙弱含水层。

3. 基岩裂隙弱－中等含水层：主要为云龙组（Eya）地层，岩性为一套滨湖相地层，具季节性韵律，富水性不均匀，多呈弱—中等含水性，透水性一般，大气降水补给后可通过透水窗口直接充水含水层。

4. 碎屑岩裂隙中等含水层：主要为麦出箐组（T3m）及景星组（K1j1）地层，含水岩性为浅灰色石英砂岩，富水性、透水性中等，属碎屑岩裂隙中等含水层。

5. 云龙组（Eyb）岩溶裂隙－脉状溶洞水含水层为主要的含矿地层，出露于水文地质单元的中部，岩性为一套冲积—堆积相地层，富水性不均匀，自上而下逐渐变弱，总体透水性较好，为裂隙岩溶水及脉状溶洞水含水层，是矿床的直接充水含水层，对矿床充水影响较大。

（二）隔水层水文地质特征

歪古树村（T3w）隔水层主要分布于水文地质单位北部，深部呈楔形尖灭于矿床顶板，主要为厚层状泥岩、粉砂岩及长石石英砂岩，裂隙不发育，含水性极弱，隔水良好。

花开左组（J2h）隔水层及云龙组（Ey2-3）隔水层岩性以泥质粉砂岩、粉砂岩、泥岩及角砾石膏岩为主，厚度变化大，裂隙不发育，富水性极弱，透水性差，可视为相对隔水岩组。

云龙组（Ey2-2）隔水层位于主要含矿层位之下，岩性以棕红色、紫红色湖相泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及细砂岩为主，裂隙不发育，富含少量基岩裂隙水，富水性弱，透水性差，构成矿段内主要含水层的隔水底板。

果郎组（Eg1）隔水层下伏于第四系覆盖层之下，岩性为紫红、棕红细砂岩、粉砂岩及泥质粉砂岩互层，富含少量基岩裂隙水，富水性及透水性差，隔绝了第四系孔隙水与下伏地层的水力联系，构成矿床主要含水层的隔水顶板。

（三） 断裂构造水文地质特征

区内地质构造发育，水文地质单元构造格局复杂，主要可划分为两组：（1）由二级构造F4、F33断裂分别构成水文地质单元的西、东边界，隔断地下水与周边水文地质单元的联系；（2）由二级构造F1、F2及F5等出露的三级构造及大量发育的节理裂隙构成的导水构造，为地下水的径流提供运移通道及储存空间，连通了水文地质单元内不同层位的地下水。

（四）充水因素分析

矿体主要赋存于云龙组（Eyb）灰岩、角砾灰岩及灰岩角砾岩层中，主要赋存岩溶裂隙—脉状溶洞水，矿体位于当地侵蚀基准面及潜水面以下，地下水通过岩层的节理裂隙、溶隙、脉状溶洞及断裂构造对矿床直接充水，各岩层的透水性、富水性中等，对矿床的充水强度一般。

三、矿段涌水量计算

（一） 计算方法选择

跑马坪矿段所处水文地质单元的主要含水层呈一个封闭的单斜构造，矿段整体位于单斜构造的底部，四周边界与水文地质单元无明显的水力联系，大气降水是水文地质单元的主要补给源，年补给量为48.6×104m3/a，地下水位总体呈稳定趋势（表1）。岩层接受大气降水补给给地下水后，地下水向跑马坪矿段方向径流，并由矿段坑道揭露地段涌入矿坑。

矿井涌水量的预测方法可划分为数学模型法[15,16]及统计分析法[17-19]两大类，虑到跑马坪矿段岩溶裂隙－脉状溶洞水直接充水为主的水文地质实际，采用水均衡法、比拟法及数值模拟法对跑马坪2180中段以下的突水、涌水及矿坑涌水量进行预测。

表1 水文地质单元地下水均衡计算表

（二）水均衡法

水均衡法的实质是对研究区内水文地质单元的含水层在一段时期内的收入项及支出项进行分析研究：当地下水在均衡时期Δt内出现收支项与支出项的不平衡时，将会造成含水层水量贮存量ΔV（m3）的变化，其均衡方程的普遍式为：

目前，跑马坪矿段坑道已开拓至2180中段，矿段所处水文地质单元处于水均衡状态，随着2140及2100中段的开拓，水均衡状态被打破。在矿坑梳干期间，充水含水层中的水量变化（即ΔV值）很大。由于矿段内含水层多覆盖于地下，多呈不规则状，含水性不均匀，分别确定2140及2100各中段的参数为：H2140=40 m；H2100=80 m；S=6 300 000 m2；μ=0.01。据此，可得出由降深加大导致矿坑疏干作用引起充水含水层中的水量变化值分别为ΔV2140=2 520 000 m3及ΔV2100=504 000 m3。根据矿段开采实际分析，按照正常施工状态，预计跑马坪矿段施工开拓至2100中段需2年时间，则由于疏干含水层而涌入矿坑的涌水量为：

（式中：S—疏干排水的影响面积，m2；H—需疏干含水层的平均厚度，m；μ—给水度）

（三）比拟法

跑马坪矿段内，2140中段、2100中段及2180中段的水文地质条件相似，因此利用2180中段的涌水量实测资料对深部矿坑的涌水量进行预测，其计算公式为：

式中：Q—2140、2100中段矿坑侧向补给水量，m3/d；Q0—2180中段侧向补给量，m3/d；F0—2180中段疏干排水面积，m2；F—2140、2100中段疏干排水面积，m2；S0—2180中段水位降深，m；S—2140、2100中段水位降深，m。

由矿段内多年平均降雨量的统计分析，计算得出大气降雨对矿床的补给量（表2）。由表2可看出：（1）2180中段水仓的最大月抽水量为2 133 m3/d；（2）2140、2100中段开采排水面积（F）与2180中段目前疏干面积相同，为2.44×106m2。由上述参数及公式，计算得出跑马坪矿段2140及2100中段的日均涌水量为1 109 m3/d及1 163 m3/d。

表2 降雨入渗补给量计算表

（四）数值法

1. 数学模型的建立

矿区内南北向构造发育，矿体及矿体围中岩岩溶作用十分发育，地下水总体以岩溶裂隙的矿床充水为主，岩体质量一般且岩溶作用较强，由此可将水文地质单元视为均匀介质，从而构建矿段的多孔介质数学模型。

2. 模型边界条件概化

根据地层岩性及水文地质特征的不同，将矿段内模拟层划分为三个：其中云龙组（Eya）碎屑岩层及碳酸盐岩层（Eyb）水文地质特征基本一致，二者无明显隔水层，概化为非均质各向异性含水层；三合洞组（T3s）碳酸盐岩层属弱含水层，概化为单独模拟层；而果郎组（Eg1）、歪古树组（T3w）及花开左组（J2h）为隔水层，概化为一个模拟层。此外，由于矿段内坑道揭露范围相对集中，确定排泄系数为2 m2/d，并确定各模拟层概化参数（表3）。

表3 数值模拟概化参数

3. 利用GMS的3D GRID模块将模拟层模型剖分为5000×3个网格单元，每个单元面积46.8×40.4 m²。基于2180中段平面开拓条件下的地下水均衡模型，对矿段2140中段及2100中段未来四年的涌水量变化特征及疏干结束后矿坑涌水量特征进行预测。

图2 模拟涌水量与实际排水量、降雨量关系曲线

由图2可看出，巷道内涌水量计算值与实测值在时间及数量上吻合，矿段内补给及排泄情况与实际水文地质条件一致，大气入渗量及巷道涌水量基本维持均衡，表明本次数值模拟真实地反映了矿段内地下水的流动规律，可用于2140及2100中段地下水资源的评价及预报。

图3 疏干过程涌水量变化趋势图

由图3可看出：以2012年1月作为初始时刻，设定模拟期为60个月（5个水文年），经过30个月的疏干，矿坑内总涌水量达5.8×106；当疏干结束后，矿坑内涌水量随降雨量变化而呈规律性变化，总涌水量达40.7×104。

四、矿坑涌水量评价

通过不同计算方法对矿坑的涌水量进行预测，得出不同的涌水量预算结果。由表4可看出，水均衡法仅能对疏干过程中的平均涌水量进行预测，与数值法预测结果相差20.04%，这主要是由于水均衡法选取的疏干时间为坑道开拓时间，计算所用的疏干总时长相较真实值更小，其得到的涌水量计算值将相应偏大。而比拟法及数值模拟法预测所得的疏干结束后的涌水量结果相差不大，相对误差均在15%以内，比拟法预测值总体偏高，这主要是矿段的特殊水文地质特征所致：除大气降水外，矿段与周边水文地质单元几乎无水力联系，而比拟法主要以矿坑抽排水资料进行比拟，并未考虑其余充水因素的影响，其计算结果仅能作为矿井正常涌水量。

表4 跑马坪矿段涌水量计算结果

结合图3可看出：（1）在矿山前两年建设期的疏干阶段，涌水量逐渐增加，至25个月后矿区涌水量以年（12个月）为周期循环波动，其中夏季、秋季涌水量明显增加而春、冬季涌水量回落，符合自然气候降水规律；（2）30个月之后近5年内的矿段模拟涌水量基本相近，表明年均入渗量与涌水量相同，与图2分析结果一致。总体上，数值法弥补了水均衡法及比拟法未考虑充水因素影响且过于理想化的缺陷，在充分分析水文地质条件的基础上，综合考虑了疏干过程中时间及延迟性及大气降水补给的水力联系，可根据不同的施工进度及实际的工作面布置特征对相应的涌水量进行预测，更切合矿区实际，预测结果真实、可靠，得出的矿段涌水量推荐值如表5所示。

表5 跑马坪矿段涌水量推荐值

五、结论

1. 云龙组Eya、Eyb为未来矿坑涌水的主要含水层，矿段内长期稳定的地下水补给源主要来自上层滞水及云龙组（Eya）地层，矿坑涌水受大气降水影响而具明显波动性，长短不一的补给距离造成降水丰谷值的叠加，局部变化分异的特征显著。

2. 采用均衡法、比拟法及数值法对矿段涌水量进行预测，通过预测值的对比，得出数值法概化了复杂非均值、复杂边界条件，真是反映了含水系统的内部结构，符合矿山的实际水文地质条件，同时能结合充水因素的影响和井下生产进度，客观、全面的体现矿坑涌水的全过程，保证了涌水量预测结果的准确性。

3. 涌水量的分析预测结果表明，在充分掌握矿段水文地质条件及疏干排水特征的基础上，可对矿井的单位涌水量进行模拟预测，矿山下一步应建立长期的观测机制，继续对巷道水文地质进行监测，及时掌握抽/排水情况及水位动态变化，以期构建地表降水—地下水渗流场—巷道涌水量的数学模型，为矿山的地质灾害防治提供科学依据。

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