甘肃礼县金山金矿区水文地质特征及矿区涌水量预测

（甘肃省有色金属地质勘查局白银矿产勘查院，甘肃 白银 730999）

1 矿区水文地质特征

1.1 含水层、隔水层的划分及其水文地质特征

按地下水类型及富水性特征划分，矿区内出露的地层可划分为2个含水岩组和1个隔水岩组，含水岩组即第四系松散岩类含水层和泥盆系中统李坝群变质岩类含水层，相对隔水岩组即印支～燕山期岩浆岩脉[1]。

1.1.1 含水层

（1）第四系松散岩类孔隙含水岩组：按其成因及其富水性可划分为两个亚层：

第四系冲洪积层：属潜水，分布于小峪河河床及阶地、竹园沟、张皮沟的沟心，呈带状分布。含水层岩性为第四系冲洪积卵（漂）石、砂砾石等[2]。水位埋深1m～5m，单井涌水量为500T/d～1000T/d，水量中等，地下水化学类型多为SO4·HCO3～Na·Ca型淡水，pH值7.35～7.60，矿化度在0.416g/L～0.546g/L之间。

该层地下水与下部埋藏较浅的基岩裂隙水有较弱的水力联系，是矿床开采间接的充水水源之一。

第四系坡积层：属潜水，分布于矿区沟系的山麓，主要由变质岩碎块、碎屑、粘土矿物、石英颗粒等组成，成分复杂，分选性差，磨圆度不好，孔隙度一般在15%～25%，透水性较好，水量微弱，在沟谷底部局部地段含上层滞水，对矿床开采影响甚微[3]。

（2）变质岩类孔隙、裂隙潜水含水岩组：按其岩性及其富水性划分为四个亚层，局部呈互层状产出，水位埋深3.32m～101.16m，标高1784.07m～1968.40m。

①泥盆系中统李坝群（D2lb）粉砂质千枚岩孔隙、裂隙潜水含水层，为矿区基岩裂隙水第一含（透）水亚层，局部溶蚀裂隙发育，富水性较弱。溶蚀裂隙宽1mm～4mm，长1.5cm～3.5cm，局部方解石充填。该层局部出露于地表。②泥盆系中统李坝群（D2lb）千枚状板岩孔隙、裂隙潜水含水层，为矿区基岩裂隙水第二含（透）水亚层，局部溶蚀裂隙发育，富水性较弱。裂隙宽5mm，长5cm，局部石英脉充填。该层局部出露于地表。③泥盆系中统李坝群（D2lb）构造角砾岩孔隙、裂隙潜水含水层，为矿区第三含水层，溶孔及溶蚀裂隙发育，富水性中等。最大溶孔直径1.2cm，呈不规则状。④泥盆系中统李坝群（D2lb）斑点状千枚岩孔隙、裂隙潜水含水层，为矿区基岩裂隙水第四含（透）水亚层，局部裂隙较发育，但由于裂隙多为石英脉或方解石脉所充填，连通性受到一定影响，富水性弱。该层局部出露于地表，亦为本矿区的主要含矿层。

1.1.2 相对隔水层

平面上，区内相对隔水层为印支～燕山期岩浆岩脉，共12条，其岩性多为石英闪长岩、闪长玢岩和煌斑岩，其岩石坚硬，裂隙不发育，面裂隙率仅为1.95%左右，可视为矿床隔水边界。这些岩脉零星分布于矿区的西部及东北部，呈条带状分布，多以南北走向为主，规模均不大，最大的一条分布于小峪河以西500m处，长度1450m，宽度70m，近南北走向，该岩脉处于另外一个水文地质单元。

纵向上，这些岩脉多数钻孔无控制，只有ZK15-5等17个钻孔揭露，主要岩性为石英闪长岩，闪长玢岩未有揭露，煌斑岩只有ZK11-4揭露，厚度仅为1.98m。石英闪长岩的层顶埋深介于18.49m～419.25m，分别揭露于ZK36-5及ZK28-13钻孔；其厚度介于1.06m～14.02m，分别揭露于ZK11-9及ZK28-13钻孔。多数钻孔的厚度小于3m，最大厚度的层顶埋深为419.25m（ZK28-13），位于孔底，而该孔的地下水位为87.78m，由于其连续性较差，也不是矿区主要层位，所以，该隔水层不足以形成承压水。

1.2 地表水与地下水的水力联系

矿区内地表水主要有小峪河、张皮沟、竹园沟和老沟溪流。张皮沟、竹园沟及老沟的地表水主要补给第四系松散岩类孔隙潜水含水层，其次通过第四系孔隙水间接补给分布于沟心的基岩裂隙潜水含水层。而地势较高的基岩裂隙水含水层通过地形有利地段补给地表水，因此，地表水和地下水之间因所在地貌单元的不同而存在互补性。

1.3 地表水、地下水动态变化与大气降水之间的关系

矿区内的地表水及地下水均接受大气降水的补给，因而直接受大气降水的影响，降水量大的年份或月份地表水流量就增大，反之则减小。根据水文长观资料，小峪河最大流量出现在2015年9月下旬，峰值为1056.7L/s，流量较小的是1月～2月，仅为228L/s。由于2016年6月～8月大旱，小峪河8月中旬的流量掉至观测历史极低，流量仅为81.5L/s。

而地下水，在降水量较大的年或月水位就有所升高，在降水量较小的年份或月份则普遍降低。地下水水位最低是在2月～3月，最高是9月份～10月份。地下水动态变化较大的是第四系孔隙潜水，由于水力坡度较缓，变幅一般在1m～2m之间。根据地下水长观资料，基岩裂隙水（ZK15-5和ZK30-8）曲线较平直，平水期与丰水期的变幅分别为2.18m和2.42m。

总体上，大气降水对地表水及第四系潜水的影响十分明显，而对基岩裂隙水的影响相对较弱。

1.4 地下水补给、径流和排泄条件

矿区地下水的主要补给源是大气降水。大气降水沿构造裂隙及构造破碎带垂直渗入补给基岩裂隙水，由水位高的位置（往往是地势较高的位置）向水位较低的位置（往往是地势较低位置）径流，矿床疏干范围内含水层中的地下水总体由北东（地势高处）向南西（地势低处）方向迳流。矿区地下水以下降泉或潜流方式由北向南排泄，在地形有利处转为地表径流。其中，第四系冲洪积孔隙潜水除接受大气降水的补给外，地表水体的侧向渗入也是其补给源之一。丰水期地表水补给第四系孔隙潜水，枯水期第四系孔隙潜水又补给地表水，水力联系明显。而基岩裂隙水在接受大气降水补给的同时，也接受第四系孔隙潜水的渗入补给。地表水与第四系孔隙潜水水力联系较密切，间接补给下覆的基岩裂隙水。在枯水期，裸岩部位的基岩裂隙水沿裂隙渗出侧向补给第四系孔隙潜水。

1.5 断裂构造破碎带的富水特征

矿区北侧有正沟里～园咀大断裂，南侧为碨子坝～洮坪～礼县断裂带，二者及矿区沟门前（李家坝）向斜、金山倒转背斜构成了矿床的基本构造骨架。断裂走向近东西向展布，矿区位于两大断裂之间，由于受两大断裂的影响，区内次一级断裂构造非常发育，按其走向可分为近东西向的、北北东向的、北东向的。勘探区分布的断层主要有F2、F1和F5。

F2断层：产状110°～130°＜40°～50°，为逆冲～平移断层，形成时代晚于F1及F5，并将其错断。地表局部出露，断层带宽3m～10m。钻孔中，仅有ZK19-5及ZK15-6将其揭露，视厚度约10m，断层带多由灰白色泥质物和断层角砾组成，塌孔严重，泥质物和断层角砾分别占70%和30%。角砾呈棱角状或次棱角状，主要为变质粉砂岩，砾径0.2cm～2cm，个别可达4cm，磨圆度差。泥质物结构松散，遇水易泥化。因此，该地段导水性较差。

F1断层：近东西走向，倾角30°～50°，出露于地表，为主要控矿构造。共有40个钻孔将其揭露，断层带厚1m～6m，多由灰白色泥质物和断层角砾组成，塌孔严重，泥质物和断层角砾分别占75%和25%。角砾呈棱角状或次棱角状，主要为变质粉砂岩，砾径0.2cm～3cm，个别可达4cm，磨圆度差，导水性较好。泥质物结构松散，遇水易泥化，导水性较差。

F5断层：走向基本平行于F1，倾角约30°～55°，出露于地表，断层带宽1.70m～5.30m，共有35个钻孔将其揭露。根据水文地质编录，断层带多由断层角砾及断层泥等组成，断层泥约占25%，断层角砾约占75%，局部夹断层角砾岩。断层角砾岩主要成分为千枚状板岩，泥钙质胶结，砾径0.1cm～1cm，次棱角状，局部溶孔及溶蚀裂隙发育，漏水严重；断层角砾砾径0.3cm～2cm，导水性较好；断层泥结构松散，遇水易泥化，导水性较差。

根据钻孔简易水文地质观测，其他小断层导水性很不均一，如钻孔ZKE5611的41m～42m段断层破碎带漏失严重，单位漏失量达2666.6L/h.m。该孔126m～126.8m也为断层带，单位漏失量达1445.7L/h.m。除此外，其他钻孔的断层部位漏失量均不大。

2 矿井充水因素分析

矿区内分布的地表水主要有小峪河、张皮沟和竹园沟3条地表径流。根据矿区水文地质条件和矿床开采方式，张皮沟和竹园沟流量较小，与矿区有分水岭相隔，小峪河为矿区地下水的排泄边界，因此，地表水对矿井充水影响小。由于采区拟采用露天开采的方式，大气降水可直按汇到入露天采坑；另外，矿区地下水也可通过裂隙等导水通道涌入采坑，形成采坑涌水。因此，矿井充水因素主要是大气降水和第四系孔隙潜水及基岩裂隙潜水。

3 矿区涌水量预测

3.1 矿区涌水量预测

采区位于金山矿段，以0线为界，分东西两个采场。露天开采时，会破坏地下水流场，因此，采坑涌水量主要有两部分组成，一是大气降水汇入量，二是地下水涌水量。其中，大气降水汇入量又分为两部分，一部分是露天采坑降雨量，二是汇水面积范围以内的汇入量。地下水中，第四系孔隙水仅限于老沟沟脑，因含水层厚度较小，范围有限，疏干后可以忽略不计。因此，矿井地下水涌入量主要为基岩裂隙水。

采坑涌水量计算公式为：Q=Q1+Q2+Q3；

式中：Q—采坑总涌水量（m3/d）；Q1—地下水涌入量（m3/d）；Q2—采坑大气降雨降入量（m3/d）；Q3—汇水面积范围以内的汇入量（m3/d）；

矿井地下水涌水量，采用大井法计算。

（1）大井法计算公式如下：

Q1=1.366K··S（2H-S）/lg（R0/r0）R0=R+r0

r0=（F/π）1/2R=2S·（K·H）1/2

式中：Q1—露天采坑的地下水涌水量（m3/d）；K—渗透系数（m/d）；H—含水层厚度（m）；S—水位降深（m）；R0—引用影响半径（m）；r0—井坑引用半径（m）；R—影响半径（m）；F—圆形采坑面积（m2）。

（2）大气降雨汇入量计算公式为：

Q2=A·F1Q3=A·F2·Φ

式中：A—多年日降雨量（mm），日均降雨量取4，日最大降雨量值取76.20（取值系20年一遇计算数据，依据“频率分析”）；F1—露天采坑面积（m2）；F2—汇水面积（m2），以露天采坑境界外第一分水岭核定，南部适当折减；Φ—径流系数，正常时取反求值0.2（不计蒸发），暴雨时取经验值0.3。

经计算，一期露天采坑东采场正常涌水量为2945.44m3/d，特殊工况下，最大涌水量为35203.78m3/d；西采场正常涌水量为2513.41m3/d，特殊工况下，最大涌水量为32284.91m3/d。矿井涌水量计算图如图1及图2。

图1 东采坑矿井涌水量计算简图

图2 西采坑矿井涌水量计算简图

3.2 单日最大降水量的频率分析

根据所收集的43年的日最大降水量资料，采用数学期望公式计算，列表按下式计算：

式中：m—序号；n—日最大降水量系列总数；Cv—变差系数；Ki—模比系数；hi—各年日最大降水量（mm）。—各年日最大降水量平均值（mm）。

日最大降水量平均值：

变差系数：

图解适线推求理论频率曲线：将计算的经验频率及相应的降水量点绘在频率曲线上，并假定偏差系数的若干倍，求Qp=Kp（Kp由Cs、Cv在专用表格中查得），将计算的Qp及相应的频率P（%）点绘在经验频率曲线图，视理论频率曲线与经验频率点据的配合情况，调整Cs与Cv的倍数，直至二者配合最佳并确定相应的理论频率曲线。计算理论频率曲线绘制如图3。

图3 日最大降水量频率曲线图

从频率曲线可以看出，矿区枯水年日最大降雨量≤40mm，频率占55%；平水年日最大降雨量介于40mm～60mm之间，频率占30%；丰水年日最大降雨量＞60mm，频率占15%。根据理论频率曲线，求得各频率的日最大降水量，P=10%（10年一遇）日最大降水量为66.10mm；P=5%（20年一遇）日最大降水量为76.20mm；P=2%（50年一遇）日最大降水量为88.83mm；P=1%（100年一遇）日最大降水量为97.67mm。

4 矿区水资源综合利用评价

矿区水量较大的地表水体只有小峪河。小峪河从矿区西部由北向南流过，上游无大型用水单位，水质清澈，水量充沛，可作为首选供水水源地。因其存在轻度污染，在经净化处理后即可达到工业及民用用水要求。如遇枯水年，在小峪河不能满足矿山用水要求时，小峪河流域的冲洪积孔隙潜水或桃坪河可作为第二水源地。矿床主要充水含水层富水性弱，单位涌水量小于0.1L/s·m，本矿床为以孔隙裂隙充水为主的矿床。