宋家沟钼矿区水文地质条件分析及矿坑涌水量预测研究

2018-09-21

地下水 2018年5期

(中陕核工业集团二二四大队有限公司，陕西西安 710024)

宋家沟钼矿位于陕西省洛南县黄龙铺一带，黄龙铺地区是我国最重要的钼矿产区。通过对宋家沟钼矿水文地质条件及充水因素分析，在区内开展抽水试验求取水文地质参数，并对宋家沟钼矿坑涌水量进行预测，为矿山生产及矿井充水防治起到了指导作用。

1 概述

1.1 自然地理

宋家沟钼矿位于陕西省洛南县石门镇黄龙铺村，属亚湿润山地气候，阴雨天气多，湿度大，气温低，温差大，冬季漫长，夏季短暂，年最低气温-18℃，最高气温37.1℃，多年平均气温11.5℃。最大年降水量1 244.6 mm，最小年降水量556.7 mm，平均年降水量754.8 mm；年平均相对湿度62.5%，结冰降雪期由本年10月至次年5月。年平均风速4.1～4.7 m/s，最大24 m/s。工作区地处秦岭山脉分水岭附近南坡，最大标高1 463.80 m，最低标高1 324.0 m，为低中山区，地势总体上北高南低。

1.2 地质概况

区内出露地层由老到新有：太古界太华群秦仓沟组黑云角闪斜长片麻岩及均质混合岩；中元古界上熊耳群细碧岩、细碧玢岩夹大理岩、绢云千枚岩及浅变质凝灰岩；中元古界高山河组变石英砂岩夹泥砂质板岩；中元古界龙家园组含燧石条带白云岩；中元古界巡检司组白云岩夹燧石条带。区内赋矿层位为上熊耳群和高山河组。

区内褶皱、断裂构造比较发育。褶皱构造主要有近东西向、北西—北北西向和北东—北北东向三组，依次形成于晋宁期、加里东期、海西—印支期和燕山期，具有多期迭加的特征。断裂构造由早到晚主要有近东西向、北西向和北东—北东东向三组，具有晚期切割、错动早期的特点。其中对成岩成矿有控制意义的为北西向断裂和北东—北东东向断裂。

区内出露岩浆岩主要有晋宁期片麻状二长花岗岩，海西—印支期辉绿岩、正长斑岩、含钼(铅)石英碳酸岩脉，燕山期黑云二长花岗岩和二长花岗斑岩等。矿区侵入岩以脉岩为主，其中海西—印支期脉岩最为发育，与钼矿化关系密切，燕山期脉岩偶见。

2 矿区水文地质特征分析

2.1 矿区地下水补给、径流、排泄

区内地下水的唯一补源是大气降水，自然状态下部分渗入第四系覆盖层孔隙中及含水岩层岩石裂隙-溶隙中形成地下水顺层流动，浅层的基岩风化裂隙水向沟谷方向流动，在沟谷中渗出形成泉水排泄于沟溪中，转化成地表水；中深层的裂隙水、裂隙-溶隙水顺层向水头底处流动。

2.2 矿区水文地质特征

2.2.1 矿区在区域水文地质单元中的位置

黄龙铺钼矿区宋家沟钼矿位于秦岭山脉分水岭地段南坡，矿区地形总体上是北高南低，最高海拔1 647.30 m(文公岭)，矿区内黄龙河最低海拔1 324 m(宋家沟口)，矿区最低侵蚀基准面标高1 324 m。矿区在区域水文地质单元中属于补给区。

2.2.2 矿区地下水类型划分及富水性

矿区含水层有第四系松散堆积物孔隙含水层，基岩裂隙含水层，基岩裂隙-溶隙含水层，其中后一组含水层为矿区主要含水层。

(1)第四系松散岩层孔隙含水层

主要分布于黄龙河、宋家沟、大石沟、小石沟等沟谷及两岸斜坡地带。含水层岩性为冲洪积卵砾石、残坡积粉土砾石等，厚度2～20.26 m，常见泉水流量为0.01～0.454 L/s，一般属弱富水区。最大的冲沟为黄龙河，以冲积、洪积物为主，仅在沟谷及两侧富水，其下游松散物变厚，富水性变强。

(2)基岩裂隙含水层

主要分布于矿区北部及东部，含水层岩性为高山河组下亚组的变石英砂岩、砂质绢云母板岩或者两者的互层。岩石裂隙不发育，裂隙发育率为0.12%～1.3%。富水性取决于裂隙的发育程度和空间分布形态，泉水流量0.039～0.221 L/s，一般属弱富水区。

(3)基岩、脉岩裂隙-溶隙含水层

广泛分布于矿区，主要分布在大石沟-宋家沟一带，是矿区最主要的含水层。含水层岩性主要为黄龙铺组细碧岩、细碧玢岩及充填其中的脉岩。据钻孔深部揭露该层中普遍有脉岩发育，脉岩主要为石英碳酸盐岩脉。石英碳酸盐岩脉与钼矿化关系密切，是黄龙铺地区内最主要的钼含矿层。脉岩的空间分布复杂，变化较大，呈网格状、树枝状、侵染状充填于地层中，脉体纵横穿插、互相贯通。脉体多为细脉、中脉，大的脉体较少，脉体厚度一般几厘米至几十厘米，个别可达数米。含脉率一般为5%～20%，脉体发育地段可达50%以上。脉中偶见大小不一的晶洞，其中的碳酸岩脉体中地下水溶蚀现象较明显，加之受构造破坏影响，造成岩石裂隙发育，透水性好，形成地下水的良好通道。因此该类岩层的富水性不均一，变化较大。

岩层富水性取决于岩石裂隙发育程度和空间分布形态、脉岩的种类、碳酸盐岩脉中岩溶发育程度等。因此该类地层富水性差异很大，部分地段岩石脉岩较少、岩石完整、裂隙不发育、透水性和富水性差形成相对隔水层；部分地段脉岩发育、含脉率高、裂隙和碳酸岩脉溶隙发育，连通性好，岩层的透水性好、富水性强，形成了上下相对隔水层之间的承压含水层，其水量受气象、水文因素影响较小，水量变化小，该承压含水层是宋家沟钼矿的主要充水含水层，对矿坑充水的影响很大。区内勘探钻孔在施工过程中多见高水头自流孔，如宋家沟ZK1203孔地下水自流水头高出孔口13.9 m，涌水量0.077 6 L/S；大石沟ZK0812-1孔地下水自流水头高出孔口0.15 m，涌水量2.083 L/S。钻孔单位涌水量0.038～1.13 L/S·m，富水性差异较大，一般为中等富水。

3 矿床充水的影响因素分析

矿床充水表现为矿床与含水层之间的水力联系程度。影响因素主要有：区域降水和地表水的补给因素，含水层的储水空间、渗透能力，及各层地下水的连通性。

工作区降水量较充沛，年内降水分配不均，降水多集中在7-9月份。第四系覆盖范围较广，表层风化裂隙发育，有利于降水及地表水渗入。

区内断裂构造一般发育，影响深度较大，它可以切穿不同深度的含水层，成为不同深度含水层的水力联系通道，矿区主要有北西向压扭性控矿断裂及北东向的张性容矿构造，北东向的容矿构造被碳酸岩脉及石英脉、石英方解石脉充填，透水性差，不利于地下水运移，各层地下水的连通性差，对矿坑充水影响较小。但受区域构造影响，区内次级构造发育，岩石破碎，裂隙发育，有利于地下水运移，对矿坑充水有一定影响。

据钻孔深部揭露资料，宋家沟钼矿产于上熊耳群黄龙铺组第四岩性段下层，赋矿岩石主要为细碧岩、黑云微晶片岩中的石英碳酸盐岩脉。脉岩厚度几厘米至几米，脉体相互穿插，其中的碳酸岩脉中溶隙、溶孔发育其透水性较好。由于岩石裂隙发育程度和空间分布形态、脉岩的种类、碳酸盐岩脉中岩溶发育程度等因素影响，因此，岩层富水性差异很大。其中有承压性质的裂隙-溶隙水是矿区矿坑充水的最主要来源。

通过矿床的开采条件及矿床充水影响因素分析，具承压性质的基岩、脉岩裂隙-溶隙含水层，富水性中等-强，为矿床充水的主要影响因素。

4 矿坑涌水量预测

4.1 解析法预测矿坑涌水量

4.1.1 水文地质参数的求取

选用矿区ZK1203、ZK1202-2、ZK1206-1三个勘探孔进行抽水(注水)试验，计算渗透系数K值，结果见表1。

4.1.2 影响半径的求取

矿区含水层有浅部的潜水和深部的承压水，其中深部为有承压性质的基岩、脉岩裂隙-溶隙含水层为矿区的主要含水层，也是矿坑充水的最主要来源。由于矿坑开拓水平的不同，将可能揭穿浅部潜水和深部承压水，因此矿坑排水影响半径分别用库萨金公式(潜水)和吉哈尔特公式(承压水)进行计算，计算结果见表2。

表1 钻孔抽(注)水试验渗透系数计算结果表

表2 影响半径计算结果表

4.1.3 矿坑疏干排水量计算

据钻孔揭露，矿区存在浅部和深部两个不同类型的含水层，在采矿过程中由于矿坑开拓水平的不同，将可能揭穿浅部的潜水含水层和深部的承压含水层。根据勘探钻孔揭露的矿区水文地质条件情况，建立水文地质模型，为了便于计算，将区内水文地质条件概化为：浅部的潜水地下水按有限厚的稳定流潜水进行涌水量预测；深部承压地下水按稳定流承压水进行涌水量预测；隔水顶底板近似呈水平状态。由于矿坑巷道长度未知，故选用丘嘉耶夫公式、裘布依公式分别计算矿坑单位长度的疏干排水量，计算结果见表3。

(1)当坑道底板位于隔水层顶板之上潜水含水层中

式中qr=f(α，β)

式中：q为单位长度矿坑疏干排水量(m3/d)；K为渗透系数(m/d)；H为静止水位至下部隔水底板的高度(m)；h为水位下降曲线在坑道壁上的高度(m)；qr为引用流量，即，可查《水文地质手册》中qr=f(α，β)曲线求得；H0为水位降深(m)；α、β为计算系数；T为坑道底板至下部隔水层的距离(m)；r为巷道半径(m)(按1 m计)； R为影响半径(m)；

(2)当坑道底板位于上下两个隔水层之间承压水含水层中

式中：H为承压含水层底板至静水头的高度(m)；M为承压含水层厚度(m)；M′为坑道底板以上的承压含水层厚度(m)；

其他符号意义同前。计算结果见表3。

表3 矿坑疏干排水量计算结果表

说明：据钻孔揭露钻孔地下水平均水位标高1 370 m；第一主要隔水层顶板平均标高1 332 m，底板平均标高1 276 m；第二主要隔水层下部顶板平均标高1 034 m；承压含水层平均厚度229 m，钻孔平均水头标高1 390 m。

4.1.4 矿坑涌水量预测

矿区存在浅部潜水和深部承压水两个不同类型的含水层，在采矿过程中由于矿坑开拓水平的不同，将可能揭穿浅部的含水层和深部的承压含水层，因此按这两个含水层分别进行矿坑涌水量预测。

1)开拓水平位于潜水含水层中矿坑正常及最大疏干排水量预测

该类水量大小受大气降水影响，与不同季节降水量大小密切相关。据收集的当地年降水量资料，月平均降水量约62.9 mm，雨季7月份降水量为140.9 mm，相当于月平均降水量的2.24倍。1 350 m开拓水平矿坑位于侵蚀基准面以上，矿坑涌水量的大小主要受降水影响。因此前节计算的单位长度矿坑疏干排水量0.155 m3/d可以视为该开拓水平正常矿坑涌水量，到了雨季，矿坑涌水量需在正常涌水量的基础上再乘以2.24倍的降水变异系数，即单位长度矿坑最大涌水量预测为0.347 m3/d。

2)开拓水平位于承压水含水层中矿坑正常及最大疏干排水量预测

当开拓水平位于承压含水层中时，由于承压水的水量相对比较稳定，受大气降水影响较小，因此，前节计算的矿坑疏干排水量可视为矿坑正常及最大疏干排水量。

4.2 水文地质比拟法计算矿坑涌水量

工作区周边有椿树沟和大刺沟等老矿山，其主要赋矿层位为高山河组变石英砂岩地层，采矿方法以露天开采为主、硐采为辅，由于缺乏矿山有关矿坑涌水量的观测数据资料，同时矿区开展的水文地质工作较少，给比拟法计算矿坑涌水量带来一定的困难。为此，本次将利用矿区2008年施工的PD1201探矿平硐涌水量观测数据来进行比拟计算1 350 m开拓水平矿坑涌水量。采用下式进行比拟计算：

式中：Q1、L1、H1、s1、r1为生产矿坑涌水量、长度、潜水层厚度、降深、矿坑半径；q、H、s、r为设计矿坑单位长度涌水量、潜水层厚度、降深、矿坑半径(同前按1 m计)。

PD1201探矿平硐情况：近坑点标高1 359.069 m，平硐长度272 m，断面规格2.2 m×2.4 m，涌水量1.4L/s(120.96 m3/d)，平均降深20.3 m。

计算结果为q=0.341 m3/d。该结果与解析法计算的数值相近。由于PD1201平硐涌水量为2009年8月份雨季期的观测数值，因此该计算结果可视为1350开拓水平矿坑最大涌水量。

4.3 矿坑涌水量预测结果评述及建议

工作区属裂隙-溶隙水分布区，是以基岩、脉岩裂隙-溶隙水为主的充水矿床，裂隙-溶隙水的循环是发生在裂隙状，管状和洞穴状的各种空隙中，组成不规则的通道，造成裂隙-溶隙水分布空间的复杂化。

钻孔揭露表明区内地下水存在有浅部的潜水和深部的承压水等两个不同类型的含水层。由于各个时期施工的勘探钻孔多，密度大，钻孔在钻进过程中及终孔后封孔不彻底将可能成为浅部和深部含水层的连通通道，进而导通浅部和深部的地下水，两个含水层被打穿后，引起彼此吸收和排泄作用，产生水力联系，改变了地下水的水文地质条件，使区内水文地质条件复杂化，对区内水文地质条件的概化和建立水文地质模型产生较大影响。

裂隙-溶隙水径流通道分布空间的复杂化，尤其是碳酸盐脉中发育有溶隙及溶洞，溶隙、溶洞存在相互连通的可能，对矿坑充水影响较大；另外，勘查区周围已建设并生产的矿山众多，采、探矿巷道复杂，其废弃巷道中的地下水也会对矿坑充水产生一定影响。在采矿活动的影响下，矿区地下水的水文地质条件将发生很大变化，因此，不排除发生矿坑突(透)水的可能，建议做专项水文地质工作，同时在矿山坑道施工及采矿过程中加强矿坑涌水量的动态监测，防止突水事故发生。