山东省莱州市三山岛金矿床充水因素分析及涌水量预测

2018-11-01袁星芳刘乐军王文瑾韩忠曲洪飞

山东国土资源 2018年11期

袁星芳，刘乐军，王文瑾，韩忠，曲洪飞

(山东省第六地质矿产勘查院，山东威海 264209)

0 引言

矿坑涌水量的大小是反映一定充水条件下，矿坑充水程度的定量指标[1]。矿床充水因素分析和矿坑涌水量预测既可防治矿坑突水、淹水等矿山恶性事故，又是确定矿山疏干设计、生产能力的主要指标[2-3]。三山岛金矿床属于典型的破碎带蚀变岩型金矿，经过近40年的大规模开采，探采深度已达到-690m标高，区内的水文地质条件已经发生明显变化，且矿坑涌水量呈逐年增大趋势①山东省第六地质矿产勘查院，胶西北金矿集中区矿坑充水机理及矿坑水综合利用研究成果报告，2017年。，对矿山生产造成了极大影响[4-5]。因此，查明矿床水文地质条件，进行充水因素分析，预测矿床深部涌水量，是制定防、治水方案的依据[6-10]，对保障深部资源安全高效开采具有重要指导意义[11-14]。

1 矿床水文地质条件

1.1 地形地貌

三山岛矿床西濒渤海，地势低平，地面海拔标高一般为1.2～4.5m，区内最高峰为三山岛，海拔为67.14m。

1.2 气象水文

该区属季风性大陆型气候，四季分明。多年平均气温12.5℃，平均降雨量727mm，降水多集中在7—9月，平均日照2538.2h，平均无霜期201d。

该区属半岛边缘水系，无大江大河，均为夏秋洪水直泻，春秋河床干涸的季节性河流。主要河流有王河，发源于莱州市东南部丘陵区，流域面积376km2，全长48km，河流东南向西北径流，多年平均径流量为6990万m3，在三山岛南侧注入渤海，为一间歇性河流，河流干枯期较长，夏季连续水流不超过10d[15]。

1.3 含水层和隔水层特征

根据矿床地层岩性、埋藏条件及富水性，该区可分为第四系含水层与隔水层、F1断裂(三山岛断裂)上盘含水层、F1断裂(三山岛断裂)下盘含水层、F1断裂中间隔水带(图1、图2)[15-18]。

(1)第四系含水层和隔水层。矿床第四系广泛分布，按岩性自上而下分为4层，第一、三层为含水层，第二、四层为相对隔水层或隔水层。

第一含水层主要由中、粗砂组成，局部地段为细砂及砾石，厚度3.50～17.29m，渗透系数5.35～117.46m/d，钻孔单位涌水量0.21～25.59L/s·m，该层主要接受大气降水垂向补给。

第一隔水层位于第一含水层之下，厚度5.5～9.0m，岩性主要为砂质粘土、含钙质结核砂质粘土及粘质砂土等，局部中粗砂及砂砾石含水透镜体，该层粘性小、隔水性能相对较差。

第二含水层位于第一隔水层之下，该层不连续，岩性主要为中粗砂、砾石、厚度3～4m，主要接受第一含水层越流补给。

第二隔水层位于基岩风化壳之上，岩性主要为黄棕色含砾石砂质粘土和红棕色粘土，厚度3～5m，隔水性能较好。

(2)F1断裂(三山岛断裂)下盘含水层。强含水带(Ⅰ)位于F3断裂影响带和F4，F5断裂带之间，主要岩性为花岗岩，局部发育煌斑岩脉，F3，F4，F5三条NW向断裂经历了扭、张、张扭的破坏，导致裂隙发育，导水性能强，形成了一条NW—SE向的带状强含水带，单位涌水量0.04～1.06L/s·m。

中等含水块段(Ⅱ)为F1断裂上盘除强含水带(Ⅰ)以外的含水块段，主要岩性为花岗岩，裂隙发育程度一般，透水性、富水性一般，单位涌水量<0.046L/s·m。

(3)F1断裂(三山岛断裂)上盘含水层。弱含水块段(Ⅲ)：F1断裂上盘所有含水块段，主要岩性为花岗岩，裂隙比较发育，但多为扭性、压扭性裂隙，连通性差，透水性、富水性较差，局部一般—较好，单位涌水量<0.039L/s·m。

(4)F1断裂中间隔水带。中间隔水带位于F1断裂破碎带的中间部位，呈条带状分布，岩性主要为断层泥和破碎岩，为良好的隔水层，将F1断裂上、下盘划分成2个独立的含水层。

1—强含水带；2—中等含水块段；3—弱含水块段；4—隔水带；5—地下水流向；6—断裂编号；7—矿体编号；8—剖面线位置；9—钻孔编号图1 矿床水文地质简图

1—中粗砂；2—花岗岩；3—变辉长岩；4—黄铁绢英岩化花岗岩；5—黄铁绢英岩图2 A-A＇水文地质图

1.4 地下水补给、径流、排泄条件

根据地下水补径排关系，划分为平原区和丘陵区。平原区分布在矿床的东北部和南部。主要接受大气降水垂直补给，其次为上游含水层的侧向补给以及地表水的径流补给。地下水从东南向西北径流，最终排泄入渤海。主要排泄途径为农业灌溉开采。丘陵区主要补给来源为大气降水，大部分以地表径流的形式排泄入海，小部分则穿过第四系直接补给基岩裂隙水。地下水从东南向西北径流。主要排泄途径为农业灌溉开采。

1.5 地下水动态特征

区内地下水动态变化主要受气候因素影响，高水位和丰水期一般出现在7—10月份，低水位和枯水期一般出现在1—3月份，年变幅0.5～5m。地下水水温一般13～15℃，年变幅一般2℃左右。

2 矿床充水因素分析

2.1 深部构造裂隙水对矿坑充水的影响

深部构造裂隙(带)一般具有较远的延伸性，甚至与海水相连，一旦被深部采矿工程揭露，海水将被导入矿坑，增加矿坑涌水量，随着开采深度和降深的增加，矿坑涌水量会不断增多。因此深部构造裂隙水成为深部矿坑充水的直接水源，开采水平越深，深部构造裂隙水贡献率越高。

2.2 浅部基岩风化裂隙水对矿坑充水的影响

浅部基岩风化裂隙水因埋藏浅，且距矿床开采层位具有一定距离，不会对矿坑充水产生直接影响。它是沟通深部构造裂隙含水带和孔隙含水层的通道，在接受上覆第四系孔隙水的补给的基础上，对构造裂隙含水带起间接补给作用。

2.3 第四系孔隙水对矿坑充水的影响

第四系孔隙水进入矿坑，要经过岩石裂隙漫长的渗流过程，入渗量的多少与含水层的富水性、渗流途径、裂隙的发育程度、裂隙的导水性息息相关。深部矿床开采一般几百米甚至几千米，第四系孔隙水的补给一般比较微弱。

2.4 地表水对矿坑充水的影响

地表水的规模与矿床之间的距离、导水裂隙的沟通程度，直接影响矿床的充水强度。一般地表水体规模越大、距离越近、裂隙的导水性越好，威胁就越大，反之则小。区内主要地表水体为王河，是夏秋洪水直泻、冬春河床干涸的季节性河流，水量一般不大。随着矿床开采深部的增加，渗流路径的加长，渗透速度的降低，地表水体对矿坑充水的影响逐渐减弱。

2.5 大气降水对矿坑充水的影响

大气降水是地下水的主要补给来源，降水主要集中在6—9月，根据矿坑涌水量动态观测数据与降雨量对比分析，矿坑涌水量动态受季节性变化并不明显，一般滞后2～3个月。随着开采深度的增加，大气降水对矿坑充水的影响具有明显的滞后性。

3 矿床涌水量预测

3.1 水文地质概念模型

(1)模型范围

模型范围的确定，在充分研究矿床水文地质条件的基础上，同时考虑地下水系统的完整性和独立性[13]。确定模型的范围为北西部至渤海湾，东部至外贸大院，面积1.64km2(图3)。

1—Riv边界；2—通用水头边界；3—隔水边界；4—模拟区图3 模型范围示意图

(2)含水层结构

因模拟区第四系松散岩类孔隙水和下伏基岩裂隙水具有明显的隔水层，将模拟区概化为2个含水岩组。第一含水岩组为第四系松散岩类孔隙含水岩组，顶板为地面标高，底板为钻孔第四系底板的高程数据插值所得，含水岩组厚度10～40m。第二含水岩组为基岩裂隙含水岩组，鉴于三山岛矿床目前的开采水平为-690m标高，且探明矿体主要赋存于-600m～-800m标高之间，因此设定底板为-1000m，含水岩组厚度950～980m。

(3)边界条件

侧向边界：根据模拟区内地下水的径流特征和地层结构，含水岩组北部和西南部濒临渤海，设定为河流边界，F1断裂带为阻水体，设为隔水边界，其他边界因其与模拟区外有一定的水量交换，设为通用水头边界。

垂向边界：潜水自由面为系统的上边界，通过该边界，潜水与系统外发生垂向水量交换，如大气降水、蒸发排泄等。各含水岩组之间可通过越流进行垂向水量交换。垂向边界的下边界设定为隔水边界。

3.2 地下水流数值模型

(1)数学模型。区内地下水流以水平运动为主、垂向运动为辅，符合达西定律。考虑相邻含水层之间存在水量交换，可将地下水运动概化为空间三维流；地下水系统的输入输出随时间、空间变化，故为非稳定流；参数在平面上视为平面各向同性，而垂向上表现出明显的各向异性。因此，区内地下水流运动控制方程可表示为[19-20]：

x,y,z∈Ω,t≥0

式中：μs—含水介质的贮水率(1/m)；H—地下水的水头(m)；Kx，Ky，Kz—分别为水平和垂向的渗透系数(m/d)；w—含水层的源汇项(1/d)；Ω—渗流区域。

通过分析区内的地质、水文地质条件，对源汇项资料进行数据分类整理，利用GMS5.0软件建立三山岛矿床地下水流数值模型。模型采用10m×10m的网格进行剖分，2层，141行，141列。模拟期为2016年1月1日—2016年12月31日，以每个月作为一个应力期，每个应力期包括1个时间步长。

(2)初始条件。将2016年1月的第一含水岩组、第二含水岩组的地下水流场作为建模的初始水位。

(3)水文地质参数。渗透系数K根据抽水试验数据获得；给水度根据地层岩性、前人研究成果及经验值综合确定；降雨入渗系数根据经验值获得。第一含水岩组水文地质参数见图4、表1，第二含水岩组渗透系数分区见图5、表2。

1—水文地质参数分区及编号；2—分区界限；3—模拟区图4 第一含水岩组水文地质参数分区图

参数分区渗透系数/m·d1给水度降雨入渗系数Ⅰ15.00.0310.09Ⅱ85.00.1500.36Ⅲ20.50.0300.03Ⅳ15.00.0350.06Ⅴ0.010.0010.0009Ⅵ25.00.0700.19Ⅶ20.00.0650.17Ⅷ18.00.0600.15Ⅸ16.00.0550.12

1—渗透系数分区及编号；2—分区界限；3—模拟区图5 第二含水岩组渗透系数分区图

参数分区渗透系数/m·d1Ⅰ0.012Ⅱ0.10Ⅲ0.007Ⅳ0.015Ⅴ0.006Ⅵ0.01Ⅶ0.011

(4)源汇项。降雨入渗补给量利用GMS中的rch程序包，以面状形式加到模型中；渤海侧渗补给量利用GMS中的riv程序包，以现状形式加到模型中；侧向流入流出量利用GMS中的ghb程序包，以线状形式加到模型中；蒸散发量利用GMS中的evt程序包，以面状形式加到模型中；涌水量利用GMS中的wel程序包，以开采井的形式加坑道的具体位置；越流量在模型中自动计算。

(5)模型识别与验证。以2016年1月1日的流场作为模型的初始流场，模拟期的源汇项根据实际搜集的数据，按照GMS5.0的数据格式进行输入，采用试估-校正法，通过反复调整水文地质参数和某些源汇项，对模型进行识别与验证，最终确定模型的结构、参数和各均衡项。识别后的涌水量与实测涌水量基本吻合(图6)，说明建立的地下水流模型基本合理，符合客观实际，可以用来预测矿坑涌水量。

图6 涌水量拟合效果图

3.3 矿坑涌水量预测

根据矿床开采规划，矿坑涌水量预测方案设置如下：-780m开采水平，假设开采时间为2020年1月1日—2024年12月31日，开采5年；-870m开采水平，假设开采时间为2025年1月1日—2029年12月31日，开采5年；-960m开采水平，假设开采时间为2030年1月1日—2034年12月31日，开采5年。

利用识别后的数值模型对上述方案进行预测，矿坑涌水量预测结果见表3。