雷波县卡哈洛磷矿水文地质与开采条件研究

刘军省

中化地质矿山总局地质研究院，河北涿州 072754

四川省雷波县卡哈洛磷矿是近年来在开展“扬子地台南缘磷矿资源评价”、“卡哈洛磷矿预查”和“卡哈洛磷矿普查”工作的基础上发现的特大型磷矿床，通过勘探提交磷矿石资源量1.23 亿t[1]；以往工作对研究区地质及矿产资源研究较为详细，涉及与采矿安全关系密切的水文地质工作相对较少，而查明矿区水文地质条件，准确预测矿坑涌水量，是矿产资源进行经济合理的开采和安全施工的重要保障。本文通过分析研究区水文地质特征及地下水补径排条件，利用现有资料预测首采区矿坑涌水量和天然地下水资源量，以期为矿山企业后续开采提供参考。

1 区域地形地貌及气象水文

研究区位于四川省凉山彝族自治州雷波县境内，处于川西南大凉山区，东临金沙江，属深切割的高中山区，在区域水文单元中属地下水排泄区。地形总的特点是西南高北东低，西部高山区山势陡峭，最高海拔2198m，研究区东南部臭水河最低海拔664m，相对高差达1534m。

研究区属亚热带湿润气候区，气候特点是四季温差分明，干湿季节分明。气候明显受地形高度影响，垂直分带性十分明显，1000m 标高以下为炎热带，1000～2500m 标高之间为温凉带，2500m 标高以上为寒冷带。研究区多年平均气温14.3℃，1 月均温1.5℃，极端最低气温-3.5℃，7 月均温24.8℃，极端最高气温35.5℃，年10℃以上气温191.6d。年平均降水量807.5mm，最大日降水量为125.3mm，相对湿度80%，降雨主要集中在8～10 月份，降水量根据月分配率明显可分为丰水、枯水、平水期三个季节，6～9月份为丰水期，1、2、3、11、12 月份为枯水期，4、5、10 月份为平水期。年蒸发量552.3mm，无霜期276d，霜期一般从11 月上旬至下年3 月上旬，日照1309h。

区域上主要河流为金沙江，位于研究区以东1200～7400m，由南向北径流。水面宽130～250m，平均流量4450m3/s，年径流量1400 亿m3，洪水流量23700m3/s，枯水流量1070m3/s。多年平均水位标高573m。研究区地表河流主要有二条：一是研究区中部的把堡河，由南向北径流，常年流水，丰水期流量3～5m3/s，枯水期流量0.5～1m3/s。二是研究区南部的臭水河，由西向东径流，流量在2.5m3/s 左右，两河流向东北汇入金沙江。另外，研究区内沟谷中尚有季节性小溪流4 条，流量在0.1～1.0m3/s 之间。

2 研究区水文地质

2.1 概述

研究区位于四川省雷波县卡哈洛区大岩洞乡、元宝山乡、岩脚乡和卡哈洛乡，南北长约20km，东西宽约2～5km，面积约40km2（图1）。区内大部分地区为陡坡峡谷地形，没有发现岩溶洼地、落水洞、地下暗河、河流河水漏失地段。区内地层岩性以白云岩或白云岩与砂页岩互层为主。因其本身可溶性弱，加上地形陡峭，补给条件不利，径流强，岩溶发育很微弱，仅是溶隙、溶孔等微小形态，洼地、漏斗和较大溶洞少见，宏观地貌与一般碎屑岩流水地形近似，岩溶发育程度弱。研究区一带地势南高北低，西高东低，地形切割较强，陡缓不一。区内存在一条近南北向分水岭，将矿床分为二个不同小的水文地质单元，分水岭北西地表水及地下水总体上由南西向北东径流，地表水汇集到把堡河，向北东流出研究区之外。分水岭以东地表水及地下水向东径流至研究区之外。

研究区共分为五个矿段。大岩洞矿段与拉祖矿段属同一成矿带，矿体呈北西走向斜穿研究区，向南西倾，矿体总长11km，矿体赋存标高2000～950m，多数在1700～1200m 标高之间，矿体底部平均标高1100m，控制最低标高1050m，矿体控制埋深600m 左右。矿体地表出露标高最高在2000m 标高，多在1550～1800m 之间。矿段中部沟谷标高1500m 左右（把堡河、溪2），矿段北部沟谷标高1110m（溪1），矿段南端沟谷标高750m左右（臭水河）。有三分之一矿量位于矿段中部沟谷处1500m 标高以上。罗拉米补矿段位于近东西向向斜构造内，南北两翼矿体在地表均有出露，地表出露标高 1830～1580m。矿体赋存标高1830～1380m，底部矿体标高1380m，矿体最大埋深605m。元宝山矿段矿体赋存于研究区中东部元宝山头上，矿体倾角特缓，10°左右，在山体东西两侧均有出露，矿体赋存标高1770～1320m，矿体埋深多在40～60m，最大埋深70m。上卡哈洛矿段位于研究区最北部，由于断层切割破坏，共出露6 条小矿体，仅有地表工程控制。矿体地表出露标高在700～1800m 之间。矿体赋存标高位于当地侵蚀基准面（海拔660m）标高之上[2]。

2.2 研究区含（隔）水层水文地质特征

（1）第四系全新统冲洪积孔隙潜水含水层（Q4）

第四系全新统冲洪积孔隙潜水含水层在研究区分布很少，仅在研究区东北角上坝附近的把堡河床两侧有少量分布，岩性多为冲积砂砾石、卵石层，厚度一般10～20m，底部含孔隙水，水位埋深3～7m，涌水量50m3/d 左右。水质类型为HCO3-Ca·Mg 型，矿化度0.1g/L，大气降水补给。位于山坡上的第四系残坡积层，平均厚16.23m，呈透水不含水状态。

（2）碎屑岩孔隙裂隙水含水层

本含水层岩性由下寒武统筇竹寺组（Є1q）灰黑色含炭粘土质长石石英粉细砂岩组成，呈北西-南东向分布于研究区中部罗拉米补矿段及研究区近西部大岩洞矿段内，是研究区主要含水层之一，位于磷矿层顶板之上，含水层富水性弱。地表有泉SQ002、泉SQ003、泉SQ006、泉SQ007、泉SQ012、泉SQ013、泉SQ014，流量0.08～3.8L/s，地下水径流模数 1.3L/s·km2，地下水类型为HCO3-Ca 型。

（3）碳酸盐岩、碎屑岩裂隙溶洞水含水层

本含水层为上奥陶统五一峰组（O3w）、临湘组（O3l）、中奥陶统上巧家组（O2q）、奥陶系下统下巧家组（O1q）、红石崖组（O1h）、上寒武统二道水组（Є3e）地层，岩性由灰岩、白云质灰岩、泥灰岩、砂页岩等组成，碳酸盐岩占30%～70%。呈北西-南东向分布于研究区西部大岩洞矿段，研究区东部仅少量分布。赋存裂隙溶洞水，富水性较强，地下水径流模数2.60～5.76L/s·km2。地下水质类型为HCO3-Ca 型。

（4）钙质砂页岩、生物灰岩、泥灰岩裂隙溶洞水含水层

含水层由下志留统大关组（S2d）、寒武系中统西王庙组（Є2x）、下寒武统沧浪组（Є1c）地层组成，岩性为钙质砂页岩、生物灰岩、泥灰岩等。呈北西-南东向分布于研究区西部及东部，研究区中部仅少量分布。赋存裂隙溶洞水，含水层富水性中等，大关组内有泉SQ001、泉SQ008、泉SQ009、泉SQ010、泉SQ016，泉流量0.01～1.0 L/S，地下水径流模数2.6～5.4 L/s·km2。地下水质类型为HCO3-Ca 型，矿化度0.02～0.25 g/L。

（5）碳酸盐岩裂隙溶洞水含水层

含水层岩性由上震旦统灯影组（Zbdn）白云岩、下寒武统麦地坪组（Є1m）白云质灰岩、磷矿层等组成，为研究区的主要的统一含水层，呈北西-南东向分布于研究区中部大岩洞矿段及东部元宝山矿段。本含水层赋存裂隙溶洞水，富水性较强。地表有泉SQ004、泉SQ005、泉SQ011出露，一般流量为0.1～1 L/s，此层与F3断裂交界处的泉SQ015 流量达50～140 L/s。地下水径流模数4.4～5.2L/s·km2。地下水类型为HCO3-Ca 型，矿化度0.16～0.80g/L。本含水层在罗拉米补矿段分布于向斜两翼及深部，向斜核部为下寒武统筇竹寺组（Є1q）长石石英粉细砂岩弱含水层。磷矿层赋存于下寒武统麦地坪组中部白云岩中，厚度多为2～8m，其含水性基本与白云岩相当。

（6）隔水层

由下志留统龙马溪组（S1l）页岩夹薄层粉岩组成，在研究区分布面积较少，仅在研究区西南角及东北角一带有少量分布。含水性弱，为研究区相对隔水层[3]。

2.3 地下水埋藏特征

大岩洞矿段和拉祖矿段水位埋深在65.10～369m 之间，平均水位埋深146.08m，平均水位标高为1611.78m；罗拉米补矿段水位埋深在16～189m 之间，平均埋深137.62m，平均水位标高为1610.95m；元宝山矿段水位埋深11.35～142.30m之间，平均埋深 49.53m，平均水位标高为1479.79m。大岩洞矿段钻孔地下水稳定水位标高1465.05～1879.00m，勘探线D17、D15、D11、D09、D05、D01 钻孔静水位平均标高1500 余m，约占大岩洞矿段资源量估算面积的70%；勘探线D13、D07、D00 钻孔平静水位均标高1600 余m，约占大岩洞矿段资源量估算面积的20%；勘探线D02、D04 位于大岩洞矿段南部，钻孔静水位平均标高1850 余m，约占大岩洞矿段资源量估算面积的10%。大岩洞矿段施工坑道4 条，分别为PD01、PD02、PD03、PD04，洞口高程均约为1570m，坑道高1.8 m，顶宽1.3m，底宽1.6m，洞长150～200m，坑底坡度角小于7‰。坑道水文编录发现坑道内干燥，两侧及顶部均无地下水渗漏，仅在局部偶见淋漓。大岩洞矿段作为首采矿段，标高1500m 以上含水微弱，平均标高1611m 以上基本无水，矿体大部分位于地下水位以上。水文地质条件问题对初期开采基本没有影响。

2.4 断裂带水文地质特征

研究区规模较大的断裂有F1-1、F1-2、F3、F4、F5，呈北北西-南南东向贯穿全区。其中研究区东部的F3断裂富水性明显，沿F3断裂有5 个泉水出露，其中泉SQ015 流量达50～140L/s。此断裂分布于研究区东边部，对采矿影响小。从各断裂带分布位置及钻孔资料分析，F1-2断裂中段通过罗拉米补矿段中部，对矿床开采将有一定的影响，F5位于罗拉米补矿段东部矿体的下盘，对采矿及下盘的井建开拓工程有一定的影响。由于构造带岩层较破碎，导水性相对较强，日后开采罗拉米补矿段时，应防范导水构造引起的坑道涌水量可能突然增大，防止突水事件。特别是在几组构造的交汇部位，富水性增强，应引起高度重视。另井建工程在通过断裂带时应注意坍塌等不良工程地质问题。

2.5 岩溶发育情况

本区碳酸盐岩岩溶以溶隙为主，溶洞不发育，具不均一性，以元宝山矿段相对发育，此矿段有7 个钻孔见有岩溶，ZKY0605 钻孔在孔深51.42～52.94m（1.52m）、53.88～54.78m（0.9m）、54.78～78.54m（23.54m 多为小溶隙）之间有三个溶洞，元宝山矿段矿段溶洞多发育在20～55m 深度内。罗拉米补矿段仅在 ZKL0702 钻孔 291.25 ～292.55m（1.3m）发现1 个溶洞；大岩洞矿段有3个钻孔见有溶洞,多发育在300～340m 之间，单个溶洞高多在1～2m，最高7.38m。研究区总岩溶率为4.06%。

2.6 研究区地表水及老窿水

（1）研究区地表水

金沙江位于研究区以外之东侧1200～7400m，由南向北径流，水面宽130～250m，多年平均流量4450m3/s。金沙江因地势低，且离研究区较远，对矿床开采不会造成影响。

研究区内地表河流有把堡河和臭水河，把堡河由南西向北东方向流经研究区中部，河床坡降较大，从南部1800m 标高降至北部650m 标高。河宽3～6m，常年流水，丰水期流量3～5m3/s，枯水期流量0.5～1m3/s。河水穿过大岩洞矿体处标高1500m。把堡河西侧尚有二条山间溪流（溪1、溪2），由西向东流入把堡河，丰水期流量1.0m3/s 左右，枯水期流量0.3～0.5m3/s，溪1 穿过大岩洞矿体处标高1110m。溪2 丰水期流量0.8～1.3m3/s，枯水期流量0.1～0.4m3/s，溪2 穿过大岩洞矿体处标高1525m。臭水河位于研究区南缘，由西向东径流，平水期流量2.5m3/s 左右。研究区中部偏东有一条地表分水岭，近南北向分布，分水岭以西地下水及雨季地表坡面流向把堡河排泄，分水岭以东地下水及雨季地表坡面流向东排泄于两条东西向的山间溪流中，并向东流出研究区之外，溪流平水期流量0.2m3/s 左右。把堡河流经研究区内的标高在1800～650m，开采标高低于附近河水标高时，河水对采矿有一定影响，是矿床充水因素之一。

（2）研究区老窿水

研究区中北部即罗拉米补矿段以北的半坡铅锌矿，以往有过开采铅锌矿的历史，在950m 标高一带有几条平洞，长约100 余米，其中有一条平洞有地下水流出，流量较大，浮标法测流量0.11m3/s。平洞位于河流溪2 溪边，四周岩体见有小的溶洞发育，加之上游河流对平洞有一定的补给作用，因此所测流量偏大。此处标高较低,对研究区内矿体开采无影响。研究区无以往开采史，大岩洞矿段和拉祖矿段内有5 处探矿水平坑道，地表坑口标高950～1700m 不等，多在1550m 标高，因坑道长度短（100m 左右），坑道内无积水。

2.7 地下水的补给、径流、排泄条件

研究区与采矿相关的含水层主要有二个，一是上震旦统灯影组（Zbdn）白云岩和下寒武统麦地坪组（Є1m）白云岩、磷块岩组成的裂隙溶洞水含水层，呈北西-南东向分布于研究区中部，富水性较强。二是由下寒武统筇竹寺组（Є1q）灰黑色含炭粘土质长石石英粉砂岩、细砂岩组成的碎屑岩孔隙裂隙水含水层，呈北西-南东向分布于研究区中部罗拉米补矿段及研究区西部大岩洞矿段内，位于磷矿层顶板，含水层富水性较弱。大气降水、地表水是地下水的主要补给源，碳酸盐岩含水层接受大气降水及地表水补给，通过裂隙和溶洞下渗，另一补给源是含水层的侧向径流补给。地下水与地表水径流方向与地表分水岭基本一致，由不同方向往低洼处径流汇集，以溪流形式汇入沟谷中排泄，地下水另一种排泄方式是在低洼处、构造带附近以泉水形式排泄。研究区地下水径流量较大，泉水排泄总量在8100m3/d 左右，仅泉SQ015 平均排泄量达7824m3/d。地下水动态变化与大气降水关系密切，地下水水位年变幅17.8m,地下水平均温度14℃。

2.8 水质特征

研究区水质的总体特征为：阳离子成分以Ca+、Mg2+为主，两者占阳离子总量的97%左右，阴离子以NO3-、HCO3-为主，两者占阴离子总量的92%左右，水温14℃，pH 为7.40～8.39，地表水硬度偏低，属软水[5]（小于8.4 德国度）；地下水硬度多属微硬水（8.4～16.8 德国度），矿化度0.06～0.12g/L；地表水水质类型属弱碱性、低矿化度重碳酸钙型软水-微硬水[4]。

3 矿坑涌水量预测

3.1 矿床充水因素

矿床充水因素主要有四种：一是地表水体；二是碳酸盐岩裂隙溶洞水和长石石英砂岩的孔隙裂隙水；三是断层破碎带构造裂隙水；四是大气降水。研究区内的地表水体主要为把堡河水，把堡河在大岩洞矿段中部横穿矿体处标高1500m，河水对1500m 标高以上的矿体开采无影响，但开采到1500m 标高以下时，特别是开采靠近河水横穿矿体处的500m 范围内风化带中的矿体时，应注意河水的充水影响。雨季时应注意溪1、溪2洪水对大岩洞北西矿段横穿矿体一带的充水影响。研究区南部臭水河水，在研究区东南角横穿大岩洞矿段矿体，在此附近对950m 标高以下的风化带矿体的开采有一定的充水影响。矿床充水的第二种因素是来源于上震旦统灯影组（Zbdn）、下寒武统麦地坪组（Є1m）的碳酸盐岩裂隙溶洞水和下寒武统筇竹寺组（Є1q）灰黑色含炭长石石英粉细砂岩组成的碎屑岩孔隙裂隙水。其中下寒武统麦地坪组（Є1m）的碳酸盐岩及磷矿层裂隙溶洞水可对采矿坑道直接充水。矿床充水的第三种因素是断层破碎带构造裂隙水，F1-1、F1-2、F5断裂中呈带状分布的构造裂隙水，对采矿有一定影响。矿床充水的第四种因素是大气降水，大气降水是地下水主要补给源，也是坑道主要充水因素，其影响坑道内涌水量的变化速度、幅度和延续时间。雨季除做好地面防洪外，应密切关注坑道涌水量的变化，及时调整排水设备[6]。

3.2 矿床水文地质边界条件

大岩洞矿段和拉补祖矿段西南1500m为下志留统龙马溪组（S1l）页岩夹薄层粉岩相对隔水层，矿段北东700m 为F1-1导水断裂，罗拉米补矿段及元宝山矿段位于F1-1导水断裂和F3导水断裂之间，隔水层及断裂与矿体近平行，因此大岩洞矿段和拉祖矿段水文地质边界条件类型概化为平行隔水边界，罗拉米补、元宝山矿段水文地质边界条件类型概化为平行供水边界。

3.3 矿坑涌水量计算方法的选择及参数的确定

因研究区面积大，区内各矿段矿体赋存标高不同，所处的水文地质条件不同，本次研究矿坑涌水量采用水平坑道双侧进水计算方法，同时按不同矿段分别对待：元宝山矿段因地处山头上，矿层内基本无水，上卡哈洛矿段位于研究区最北部只有零星小矿体，该两矿段本次不再计算矿坑涌水量；大岩洞矿段与拉祖矿段位于同一成矿带，水文地质条件相同，一并计算其涌水量；罗拉米补矿段单独计算。

（1）矿坑涌水量计算公式

根据矿体走向分布特点，考虑布设沿矿体走向的狭长坑道，选用稳定平面流潜水计算公式（1）[7]。

式中：Q为矿坑涌水量（m3/d）；K为渗透系数（m/d）；B为坑道长度（m）；H为引用含水层厚度（m）；L为影响宽度，即坑道至补给边界、隔水边界之距离（m）；h0为坑道底板至含水层底板水柱高度（m）

（2）参数的确定

①坑道底板至含水层底板水柱高度（h0）

区内主要含水层由上震旦统灯影组（Zbdn）白云岩、下寒武统麦地坪组（Є1m）白云岩、灰岩、磷矿层等组成，次要含水层为下统筇竹寺组（Є1q）长石石英粉细砂岩孔隙裂隙水含水层。统归为裂隙岩溶潜水含水层。潜水位平均埋深：大岩洞矿段146.08m，罗拉米补矿段137.62m，元宝山矿段49.53m。潜水位平均标高：大岩洞矿段1611.78m，罗拉米补矿段1610.95m。元宝山矿段1479.47m。预测疏干标高：矿坑正常涌水量预测疏干标高以1400m 计算。引用含水层厚度（H）：采用潜水位标高至疏干标高之差，大岩洞矿段为211.78m，罗拉米补矿段为210.95m。坑道底板标高至含水层底板标高之间距离（h0），忽略不计，即h0=0。

②影响宽度（L）值的确定

本次预测涌水量选用的矿坑疏干影响宽度L值，是各矿段矿体中心处至两侧天然隔、供水边界距离的平均值，大岩洞矿段L值为1100m，罗拉米补矿段L值650m。

③渗透系数（K）值的确定

因本区未进行钻孔抽水试验，潜水含水层的K值计算是利用天然边界已确定的影响宽度L（影响半径R）及其他参数的情况下，代入公式（2）[8]导出，求得大岩洞矿段含水层的渗透系数（K）为0.032m/d，罗拉米补矿段含水层的渗透系数（K）为0.011m/d。

式中：K为渗透系数（m/d）；R为影响半径（m）；S为水位降深（m）；H为含水层厚度（m）

④坑道长度（B）值的确定

因矿体规模特大，考虑日后采矿和疏干系统的实际情况，本次预测坑道涌水量其坑道长度均按1000m 计算。

（3）矿坑涌水量预测结果

将上述有关参数代入公式（1），求得大岩洞矿段、罗拉米补矿段涌水量如下：

预测的大岩洞矿段矿坑正常涌水量1305m3/d，罗拉米补矿段的正常涌水量753m3/d（疏干标高以1400m 计算）。

4 研究区天然地下水资源量预测

为了解研究区天然地下水资源量，采用了降水入渗系数法和径流模数法对研究区天然地下水资源量[9]进行了估算。

（1）入渗系数法

入渗系数法采用公式（3）：

式中：Q1为入渗补给量（m3/d）；a为入渗系数，取值0.21[5]；c为多年平均降雨量（807.5mm）；F为接受补给面积（碳酸盐岩含水层分布面积30km2）。

将相关参数代入公式（3），求得研究区降雨入渗量为：

（2）径流模数法

区域资料给出的灯影组（Zbdn）白云岩裂隙岩溶水含水层的径流模数M为5.2L/s·km2。以此径流模数计算求得的研究区地下水径流量为：

式中：Q2为天然径流量（m3/d）；M为径流模数M 取值[5]5.2L/s·km2；F为接受补给面积（km2）将相关参数代入公式（4），求得研究区地下水径流量为：

用入渗系数法和径流模数法求得的研究区降雨入渗补给量和地下水天然径流量相近，二者平均值为13780m3/d，可近似为研究区天然地下水资源量。

5 讨论

矿体位于当地侵蚀基准面以上，研究区地势相对高差大，地形有利自然排水，深部含水层可对矿层直接充水，地表水体和含水层之间存在一定水力联系。由碳酸盐岩构成的含水层及断裂带富水性较强。大气降水、地表水为地下水补给源，研究区水文地质条件属中等类型的碳酸盐岩裂隙岩溶充水矿床。

以往勘查阶段没有进行过抽水试验，研究区属岩溶充水水文地质条件中等复杂程度，采用经验公式计算矿井涌水量。计算的结果属于E 级预测的矿坑涌水量，误差大体在80%以内，即可信度只有0.2，难以满足设计的要求；另外由于岩溶地下水具有不均匀的特点，考虑本区地下水径流模数高达5.2L/s·m，泉水流量达到140L/s，报告计算的矿井涌水量可能偏小。因此，预测的矿坑涌水量可靠性差，未来矿山开采前应补做必要的水文地质工作。

研究区未进行水文地质钻孔试验，研究区地下水天然径流量的计算，其参数的选择依区域水文报告资料，计算结果的可靠程度较差，给出的数值为研究区主要含水层分布范围内的地下水天然径流量。因研究区范围特大，矿坑涌水量计算给出的数值是以坑道长度1000m、并按1400m 开采水平标高预测的涌水量，即预测的矿坑涌水量是研究区地下水径流量中的一部分水量。因矿床充水主要来源于大气降水和地表水的补给，所以给出的矿坑正常涌水量在丰水年雨季可能偏小。

研究区首采矿段为大岩洞矿段，1611m 标高以上基本无水，1500m 标高以上含水较弱。本区以水平坑道开采为主，地形有利于上部中段的自然排水，日后随着开采中段向下延深，可根据中段的实际涌水量，布设水仓及选择排水设备。

6 结论

研究区水文地质条件中等复杂程度，采用水平坑道双侧进水的涌水量计算方法预测大岩洞矿段及罗拉米补矿段矿坑疏干到1400m标高时的正常涌水量分别为1305m3/d 和753m3/d。因以往工作未进行过抽水试验，采用经验公式计算矿坑涌水量的结果为于E 级，即可信度为0.2，预测的矿坑涌水量可靠性差，未来矿山开采前应补做必要的水文地质工作。首采矿段为大岩洞矿段，近期坑道自然排水为主，日后随着开采中段向下延深，需要布设水仓及选择排水设备。