黄石狮子立山矿区水文地质特征分析及涌水量预测

李蔚林，石长柏，王 磊，孙 达，刘 徽

(1.湖北省地质局 第五地质大队,湖北 黄石 435000； 2.湖北省地质局 第一地质大队,湖北 大冶 435100)

矿坑涌水量是矿山建设及生产过程中,单位时间内流入各种巷道和开采系统的水量[1]。在矿山开采过程中,矿坑涌水量是困扰矿区安全生产的主要问题[2]。矿坑涌水量的影响因素主要有矿区所在地的水文地质条件、降雨量、地质构造、矿体结构等,同时还有矿井下人类生产活动的影响,这些因素错综复杂,难以控制,因此矿坑涌水量预测是一项复杂的工作[3]。由于矿山涌水量关系到矿山的生产条件与成本,矿山设计部门主要依据涌水量来确定排水设备和制定防治水措施,因此,如何根据矿山所处不同地层、构造、水文地质条件,正确预测矿坑涌水量显得尤为重要[4]。目前预测计算矿坑涌水量的方法很多,如“大井法”、“水文地质比拟法”、“水均衡法”、“数值法”等[5-6]。

狮子立山矿区位于黄石市团城山经济技术开发区内,距黄石市火车站、长江航运码头均约7 km。狮子立山矿区位于丘陵残丘区和垅岗残丘区的接触部位,地势中间高、南北两侧低,中部及东部低洼。按相对高差和形态可将矿区及其外围划分为丘陵残丘区、低山区、垅岗残丘区、湖盆区。矿区附近最大的地表水体为磁湖,其北部湖域位于矿区东部。狮子立山矿区累计查明4个工业矿体群,共计155个大小不等的锶矿体和铅锌矿体。矿体分布于27～36勘探线间,长1 600 m、宽100～720 m范围内,赋存标高+71～-666 m,埋深19～738 m。矿体受狮子立山隐伏背斜控制,多分布于背斜两翼,总体走向北东东—近东西,倾向为南东或北西,倾角10°～50°。

本文根据狮子立山矿区以往所做的普查、详查、核查工作以及矿山疏排水资料的基础上,从矿区含水层、地下水补径排、岩溶发育特征、矿床充水因素分析等方面，来全面认清矿区水文地质条件,并合理概化出水文地质模型,然后采用“大井法”和“水文地质比拟法”来预测矿坑涌水量。

1 矿区地质概况

狮子立山矿区位于鄂东南铁、铜、铅、锌多金属Ⅳ级成矿带北部,黄石—广济铅锌矿带的西端,下陆—姜桥断裂带的北段东侧,铁山岩体东缘,花家湖向斜的南翼。矿区地表出露地层除广布第四系残坡积冲积粘土、砂砾石外,主要为三叠系中统蒲圻组砂页岩,次为三叠系上统九里岗组粉砂岩、页岩、粘土岩夹长石石英砂岩；上三叠—下侏罗统王龙滩组粉砂岩、长石石英砂岩等。矿区深部有三叠系下统大冶组,三叠系中下统嘉陵江组碳酸盐岩。

根据地质测量及钻探揭露资料,通过对隐伏地层层序的建立,区内可恢复一个隐伏背斜,即狮子立山隐伏背斜。其位于狮子立山—肖家铺,背斜长1 800 m。背斜轴向在0线以西为225°左右,0线以东为北东65°。两翼地层产状较平缓,倾角为10°～20°,表现为一低缓宽阔的直立背斜。组成背斜的地层为下三叠统大冶组第三—第四岩性段及中下三叠统嘉陵江组第一岩性段。矿区内破碎带较发育,据其产出特征可分为层间破碎带和侵入接触破碎带。层间破碎带广泛发育于区内嘉陵江组碳酸盐岩、蒲圻组碎屑岩及其平行不整合面间,其中以大冶组第四岩性段和嘉陵江组下段接触面附近最为发育,其规模也较大,破碎带走向长100～500 m,斜长10～550 m不等,厚度一般为10～50 m,最厚断续可达200 m以上；侵入接触破碎带主要发育于燕山晚期侵入的石英闪长玢岩与嘉陵江组下段和蒲圻组下段接触带,其规模一般较小,长40～100 m,宽10～50 m,局部延伸可达200 m以上。

区内岩浆岩为铁山岩体以东部分,岩体侵入最新地层为上三叠统—下侏罗统王龙滩组。岩石类型主要为石英闪长玢岩,是燕山期构造岩浆旋回的产物。

2 水文地质条件分析

2.1 含(隔)水层

狮子立山矿区分布有3种不同类型的含水层,即岩溶含水层、岩浆岩风化裂隙含水层和其它含水岩层。

(1) 岩溶含水层。含水层由大冶组第四段及嘉陵江组第一段的白云岩、灰质白云岩、白云岩角砾岩和灰岩组成。分布在矿区及周围地段的地下深处,地表无出露,周边与区域可溶岩相连。埋藏条件复杂,大致以狮子立山的北麓为界,南部可溶岩被岩浆所超覆,顶界起伏较大；北部按其地层顺序倾伏于中三叠统蒲圻组之下。

矿区岩溶含水层的储水构造由溶洞、溶隙、溶蚀孔洞和裂隙组成网络系统。按岩溶作用强弱可将其划分出2个含水段,即含水空间以溶洞为主,溶隙次之的强带和溶隙、溶孔为主的弱带。由于受侵入岩和岩溶发育不均的影响,强带的顶底界起伏均较大,因而厚度也各地不一,其中顶界由标高+31.45～-160.33 m,底界和厚度大致以0勘探线为界,0勘探线以东强带下限较深,厚度也大,各线下限均值变化在标高为-200 m以下,线厚度均值由90.96～246.61 m,多数<190 m。0勘探线以西地段各线的下限平均标高由-61.41～-157.33 m,有向西逐渐加深之势,线平均厚度变化在40.58～97.78 m之间；弱带的下限大部分靠近大冶组第四岩性段和嘉陵江组第一岩性段分界面附近,由于受强带下限起伏变化较大的影响,厚度变化也较大,各线平均厚度由65.89～195.38 m。

据抽水试验资料表明,该层含水层水量在2 880～4 976 m3/d,渗透系数变化在5.275～7.454 m/d,其渗透性及富水性较强。水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型,矿化度276.45 mg/L。

(2) 风化裂隙及裂隙含水层。矿区裂隙含水介质以侵入岩为主,地表出露在狮子立山脊岭线及两侧斜坡地段,岩性以石英闪长玢岩为主,包括其间的铁帽和部分矿体。由于分布区地势较高,浅部为透水不含水段。矿区风化层下限起伏较大,含水部位厚度亦各地不一,下限标高变化在+13.35～-146.23 m之间,但大部分地段下限标高在-50 m以上。含水部位厚度各线均值由19.59～118.12 m,多数勘探线厚度平均值<80 m。

(3) 松散岩类孔隙含水层。该层含水层主要分布沟谷地段,为冲洪积含水层,位于矿区的低洼地带。含水部位厚度为1.45～7 m,地下水位埋深0.75～1.08 m,钻孔抽水涌水量一般<0.4 L/s。由于本层含水介质粒度较细,加上含泥量高,故富水性弱。

(4) 隔水层。矿区范围内主要隔水层为中上三叠统蒲圻组粘土质粉砂岩、粉砂质粘土岩及粉砂岩,大面积出露在矿区的北部,厚度在560 m以上。它的存在阻隔了东部磁湖地表水和矿区地下水产生密切水力联系的可能。

2.2 地下水补径排

2.2.1天然状态下的地下水补径排条件

(1) 地下水的补给。区域内地下水主要接受大气降水的垂向入渗补给,但因区内各含水介质的埋藏条件及上覆盖层透水性能的不同,故接受降水补给条件也因地而异。就岩溶含水介质而言,其最佳补给地是位于南端裸露山地,原因是该处降水入渗通道十分发育,表现为该地下水位年变幅达40 m以上,泉流量季节性变化系数介于100～474之间。而隐伏埋藏区动态变化急剧程度远远小于裸露山区。如北部一带钻孔和泉水涌水量的变化系数分别只有2.17和7.21,地下水位年变幅不足1 m,南部山间洼地水位年变幅不足2 m, 表明有弱透水岩层覆盖地段的岩溶水直接承受降水补给的量不大,以侧向补给为主。

(2) 地下水的径流与排泄。矿区各类型地下水径流排泄条件亦不一致。其中第四系孔隙水在随基岩地下水侧向和垂向补给后,作顺沟谷方向运移,区内这类含水层分布区泉水罕见,故以分散流沟底泄出或越流排泄为主。岩浆岩风化裂隙水,在裸露山地常以沟谷和相邻分水岭组成独立的小水文地质单元,地下水向沟谷方向运移,通过泉水泄出地表。可分为变质碎屑岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶地下水。根据详查工作得知,在中部的风烈山—刺山一带存在地下水分水岭,分水岭以北这2类地下水向王家昌—巷子口4号泉群这一低洼地段汇集,大部分地下水通过4号泉群集中排泄地表,少部分向花家湖方向运移。分水岭以南的地下水则向老下陆—磁湖一带的低洼地运动,然后再由西向东运移,以分散流方式排泄。南部裸露区岩溶水,则以地表分水岭为界,分别向南向北运动,通过山麓地带泉水集中排泄。

2.2.2人类活动下的地下水补径排条件

由于矿区及外围有多处地下采矿活动,大量地抽吸地下水和采矿系统改变了地下水的赋存空间及含水介质,这在一定程度上影响了地下水的补径排条件,人类活动加速了地下水的循环过程。

大气降水入渗补给和区域性补给是矿区地下水的主要补给来源。大气降水入渗补给量与降雨、岩性、地形地貌、植被等因素有关,人类活动改变了区域内下垫面的性质,从而在一定程度上影响了大气降水入渗补给量。地下采矿活动过程中大量地抽吸地下水改变了地下水径流路径和排泄去向。地下水在径流过程中遇到抽水井和巷道等地下水人工露头处排泄出来,缩短了径流路径。在人工露头处大量地抽排地下水,改变了原来的排泄去向,减少了排泄量,甚至掠夺了其它地区的补给量,局部地区形成了以抽水井为中心的地下水降落漏斗。

2.3 岩溶发育特征

根据钻孔揭露资料,矿区共有44个钻孔见可溶岩,其中遇溶洞钻孔23个,钻孔溶洞遇见率为52.3%,全矿区揭露溶洞92个,总高178.18 m,岩溶作用带的平均线溶洞率为1.52%。单个溶洞高度一般0.3～3 m。最高是10.49 m(ZK801),单孔遇溶洞数最多11个,溶洞高度53.01 m。除溶洞外,其它岩溶形态有溶隙,溶孔,蜂窝状、海绵状、针孔状溶蚀等,其中溶孔孔径一般<1 cm,多数介于0.2～0.5 cm之间。

据统计,矿区所见92个溶洞绝大部分发育在嘉陵江组第一岩性段中,大冶组第四岩性段较罕见(受埋深效应的影响)。45.6%溶洞沿白云岩角砾岩和构造角砾岩发育。而且灰质白云岩和层纹状白云岩中溶洞较为罕见。

从矿区遇溶洞钻孔分布情况来看,大都位于基线两侧,且遇溶洞钻孔基线南侧多于北侧,这种情况恰与矿区地质构造相吻合。因为基线处在北东东向隐伏背斜轴部地带,并在其南侧分布有一系列铁帽带,推测为一条宽20 m以上的破碎带。由于褶皱和破碎带的影响,使岩石破碎、裂隙发育,利于地下水溶蚀作用的进行和差异溶蚀的产生。另外矿区有18.6%的溶洞沿接触带附近发育,且高度>5 m的溶洞均见之于该部,说明接触带附近也是矿区溶洞发育的地段之一。由上可知,矿区溶洞发育和分布受构造控制十分明显。

2.4 矿坑充水因素分析

(1) 直接充水因素。Ⅰ号矿体群顶板围岩以石英闪长玢岩为主,底板围岩以粉砂质粘土岩和白云岩为主,少数为石英闪长玢岩；Ⅱ号矿体群顶、底板以白云岩为主,局部为石英闪长玢岩、灰岩和角砾岩；Ⅲ、Ⅳ号矿体群顶、底板围岩为灰岩。故岩浆岩风化裂隙含水层及岩溶含水层二者均是矿坑的直接充水因素。

(2) 间接充水因素。覆盖在风化裂隙含水层之上的人工堆积、山间沟谷低凹处的冲洪积含水层直接接受大气降水补给,在矿山矿坑疏排水时将以越流形式补给裂隙含水层,成为矿坑的间接充水因素。

另外金矿露采坑位于Ⅰ2号矿体之上,汇水面积约8.32万m2。大气降水汇于采坑内,将通过风化裂隙含水层向矿坑渗流,因此金矿露采坑汇集水也是矿坑的间接充水因素。

3 涌水量预测

3.1 水文地质模型概化

边界条件。矿区北部主要分布三叠系中统蒲圻组粘土质粉砂岩、粉砂质粘土岩及粉砂岩,岩石渗透性能极差,厚度在560 m以上,为矿区的主要隔水层之一,可作为矿区北部的隔水边界；矿区东部为岩浆岩,此处岩浆岩的富水性极弱,其钻孔单位涌水量为0.003 6 L/s·m,可作为矿区东部的隔水边界。矿区西部及南部主要分布大理岩裂隙岩溶含水岩组,即是矿坑地下水主要补给源。因此,为了方便计算,将矿区形态概化为北西、南东向的直角象限隔水边界。

3.2 水涌水量估算原则及方法

(1) 本次计算的矿坑涌水量不包括地表水沿地面塌陷通道的灌入量及矿坑揭露宽大裂隙或溶洞发生突水的溃水量。

(2) 矿坑系统涌水量预测估算采用稳定流地下水动力学法中的“大井法”和“水文地质比拟法”进行计算。因水位降深不大,依降深值计算的有效影响带距含水层底板还有一段距离,故井型定为潜水不完整井。

(3) 采用“大井法”潜水不完整井稳定流公式和水文地质比拟法对±0 m、-50 m两个中段进行涌水量估算。

3.3 涌水量计算

(1) 计算公式。“大井法”潜水不完整井稳定流计算公式：

(1)

(2)

“水文地质比拟法”计算公式：

(3)

式中：Q1为±0 m中段矿坑涌水量(m3/d)；Q2为需要估算中段(±0 m、-50 m中段)矿坑涌水量(m3/d)；H为含水层厚度(m)；S1为±0 m中段水位降深(m)；S2为需要估算中段(±0 m、-50 m中段)水位降深(m)。

(2) 计算参数的确定。以矿井(排水中段为±12 m)和观测孔联合计算,按一个观测孔的潜水不完整井涌水量计算参数。

(3) 计算结果。涌水量计算过程见表1、2,计算结果见表3。

表1 “大井法”计算涌水量过程表Table 1 Process table of “Big well method” calculation of water inflow

表2 水文地质比拟法计算涌水量过程表Table 2 Process table of calculating water inflow by hydrogeological analogy method

表3 矿坑涌水量预测结果表Table 3 Prediction results of mine water inflow

从矿坑涌水量预测结果(表3)中可以看出,“水文地质比拟法”计算的±0 m矿坑涌水量比实测值小,预测-50 m的矿坑涌水量偏大；“大井法”计算的±0 m和-50 m中段矿坑涌水量与实测值相近,且随着揭露主要含层面积扩大,其涌水量呈上升趋势,这与矿山含水层分布情况相符。因此,将大井法计算的矿坑涌水量作为矿山开采规划依据。

4 结论

本矿床主要充水围岩为岩浆岩风化裂隙含水层及岩溶含水层,矿区附近有大的地表水体分布,但与主要充水围岩地下水间水力联系不密切,矿体大部分赋存在当地侵蚀基准面之下,矿床虽有较大的断裂通过,但对沟通地表水进入矿坑不起作用,只能成为区域大冶组碳酸盐岩地下水径流进入矿区的通道。采用“大井法”和“水文地质比拟法”分别预测±0 m、-50 m中段的涌水量,结果表明,采用“大井法”预测的矿坑涌水量结果更加接近实测值,可作为矿山开采规划的依据。