露天转深部矿床水文地质特征及其水害防治对策——以贵州英坪深部磷矿区为例

曾凡祥，赵 磊，曾道国，宋小军，巩 鑫

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿产勘查院，贵州 贵阳 550005)

露天转深部，矿床充水受相邻矿山水影响显著。平枯水期，相邻矿山水补给为矿井充水的重要补给来源；丰水期，相邻矿山中储积大量地下水，相邻矿山水径流补给为矿井充水的主要补给来源。该补给充水条件决定了此类矿床水文地质条件的特殊性，使其可作为一类独特的矿床进行研究[1]。

英坪深部磷矿区位于瓮福矿田高坪矿区英坪矿段内，为现有英坪露天矿的深部延伸部分。毗邻矿区西侧、北东侧为英坪露天矿Ⅰ号坑、Ⅱ号坑、拦马拗采坑、福泉市磷矿小坝露采坑及小坝磷矿山3号井、1号井(图1)。英坪矿段先期采用露天开采方式，现浅部资源枯竭，矿山规划向深部开采，相邻矿山水向矿井突水成了矿山企业高度重视的水害问题[2]。

1-英坪露天矿Ⅰ号坑；2-英坪露天矿Ⅱ号坑；3-英坪露天矿拦马拗采坑； 4-福泉市磷矿小坝露采坑；5-福泉市磷矿小坝1号井；6-福泉市磷矿小坝3号井

区内各类水文资料较为齐全丰富，水文地质勘查程度相对较高。本文根据前人基础地质工作成果，通过综合研究矿区水文地质特征，分析预测相邻矿山水未来对其地下开采的影响及危害，据此，提出矿井水害防治对策具有理论和现实的双重意义。

1 概述

矿区位于贵州省福泉市350°方向约30 km。区内位于NNE～SSW向高坪背斜E翼南部单斜构造内，矿区地层总体走向自南而北由北东东～北东～南北～北东变化；倾向为南东，倾角呈西缓东陡，南缓北陡变化。

矿区内仅b矿层有工业价值，b矿层矿体主要赋存于震旦系下统陡山沱组顶部第四段(Pt33d4)之中，以胶磷矿为主的海相沉积磷块岩矿床，矿体呈层状、似层状产出，产状与地层产状一致。2018年，贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿产勘查院探明英坪深部磷矿区，磷块岩矿体资源量超亿吨，为大型磷矿床。

2 水文地质特征

2.1 露天转深部矿床及水文地质特征

根据矿床与相邻矿山的空间位置关系，接触充水含水层的发育、分布情况及对矿井充水来源的组成，总结出这类矿床的水文地质特征和充水因素的规律性特征，将这类接受相邻矿山水补给能力强的充水矿床划分为一类独特的矿床。

决定水文地质特征特殊性的首要因素是矿床与相邻矿山的空间位置关系。由露天转向深部，矿床埋藏层位在相邻矿山侧向或垂向补给能够对矿床充水产生影响的范围内，矿床与赋水、导水性能良好的含水层接触，易受矿山水补给影响。除埋藏层位与接触含水层影响作用外，矿床顶板中的冒落导水裂隙带最大高度决定着相邻矿山水能否涌入矿井，矿床冒落导水裂隙带为矿井突水提供了通道。

2.2 矿区水文地质特征

矿区位于高坪背斜轴部东翼南段背斜蓄水构造内，属长江流域乌江水系一级支流清水江次级支流岩坑河末级支流阿罗河上游补给区和清水江次级支流冷水河末级支流高坪河上游补给区(图2)。矿区地势总体东高西低，属中等切割低中山侵蚀岩溶地貌，水系发育，流经矿区有英坪溪、阿罗河左支流等两条小溪沟。

1-寒武系芙蓉统娄山关组岩溶裂隙溶洞含水层；2-寒武系第三统石冷水组、高台组岩溶含水层；3-寒武系第二统清虚洞组岩溶含水层；4-寒武系第二统金顶山组隔水层；5-寒武系第二统明心寺组隔水层；6-寒武系纽芬兰统-第二统牛蹄塘组隔水层；7-震旦系上统-寒武系系纽芬兰统灯影组岩溶孔洞裂隙含水层；8-青白口系下江时期清水江组隔水层；9-地下分水岭；10-地下水流向；11-河流、溪沟；12-地质界线；13-背斜轴；14-逆断层；15-平移断层；16-矿区范围

2.2.1 矿区透、含、隔水层岩组特征

1)透水层岩组

第四系(Q):分布广泛而零散，厚0～28.72 m。含少量孔隙水，为孔隙弱透水层。人工回填区域，孔隙度大，透水性强。

2)含水层岩组

(1)灯影组(Pt33b∈1dy1-3)

分布于矿区西侧及矿区内10～12线，厚150～320 m，由一套灰色中厚层～厚层白云岩组成，与下伏陡山沱组呈假整合接触，根据岩石组合特征分为三段。在钻孔中，见该层内第一段(Pt33b∈1dy3)、第三段(Pt33b∈1dy1)裂隙状溶洞、溶孔等极发育，而在矿区内10线向南，岩溶发育变弱。

(2)陡山沱组(Pt33d1-4)

分布于矿区西侧，厚37～88 m，为矿区磷矿赋矿层位，与下伏南沱组呈假整合接触，共细分为四个岩性段。顶部为第四段(Pt33d4)，俗称“b” 矿层，由薄层至厚层白云质磷块岩、致密状、团块状、条带状及砂砾状磷块岩组成，岩溶发育较弱；中下部为第一、二、三段(Pt33d1-3)，由浅灰～肉红色中厚层泥～细晶白云岩、乳白色厚层块状硅质岩组成。在钻孔中，见该层内第三段(Pt33d3)裂隙状溶洞、溶孔发育较强，而在矿区内10线向南，岩溶发育变弱。

上述灯影组、陡山沱组含水层之间，未有相对隔水层发育，将其合并为一个含水层岩组。该岩组是唯一影响矿床充水的含水层，其在区内分布面积较大，地下裂隙状溶洞、溶孔发育，为富水中等至强的岩溶孔洞裂隙含水层(表1)。

表1 透、含、隔水岩层富水性分级统计表

3)隔水层岩组

(1)上覆隔水层

金顶山组(∈2j)碎屑岩，以粉砂岩及粘土岩为主，与下伏明心寺组整合接触，厚 >150 m。表层风化裂隙发育，含基岩裂隙水，含水性、富水性均较弱，整体视为相对隔水层。

(2)顶板隔水层

明心寺组(∈2m)、牛蹄塘组(∈1～2n)碎屑岩，由黑色薄层高炭质泥岩、灰绿色薄层、中厚层状泥质粉砂岩组成，厚 >200 m，与下伏灯影组呈假整合接触。风化裂隙发育，裂隙集中发育带含裂隙水，泉点出露多，但流量较小，含水性、富水性均较弱，为矿区顶板良好的隔水层。

(3)底板隔水层

南华系南沱组(Pt32cn)、青白口系下江时期～清水江组(Pt3ldq)，由一套碎屑岩和浅变质板岩组成，其岩性为褐灰色、灰色中厚层状凝灰质板岩、灰绿色冰碛砾岩，厚>100 m，与上覆地层陡山沱组呈假整合接触。区内泉水出露较少，含水性、富水性均较弱，是矿区底板良好的隔水层。

2.2.2 构造破碎带的水文地质特征

矿区位于扬子陆块黔北隆起区之凤冈南北向隔槽式褶皱变形区与黔南凹陷区之都匀南北向隔槽式褶皱变形区交汇部位[4]，断层构造发育，与矿床水文地质条件相关的断层主要有以下。

F1逆冲断裂：断层整体走向NNW，倾向NE，倾角70°～75°，为破矿断裂。断层带为白云质胶结的角砾岩，胶结紧密，未见溶蚀现象。ZKCS1钻孔穿过此断层时，抽水结果：q=0.031 7 L/s·m，K =0.046 6 m/d，断层破碎带含水微弱，对矿床充水无特殊影响。

F102逆冲断裂：断层整体走向SN向，倾向E至SEE，倾角60°～70°，为破矿断裂。断层破碎带宽约5～20 m，大部分为糜棱岩，断层带胶结紧密，未见溶蚀现象。ZKCS2钻孔穿过此断层时，抽水结果：q=0.012 4 L/s·m，K =0.011 7 m/d，断层破碎带含水微弱，对矿床充水无特殊影响。沿F102断层两侧裂隙、溶孔发育，裂隙、溶孔发育带宽10.12～42.2 m，局部宽3.28～24.4 m，断层带两侧的裂隙、溶孔密集发育带含水性和导水性均比较强，对矿床充水影响较大。

F104逆断裂：断层整体走向NEE向，倾向E至SEE，倾角60°，为破矿断裂。断层破碎带宽约3 m，断层角砾由磷块岩与白云岩组成，胶结良好，未见溶蚀现象。ZK208钻孔穿过此断层，抽水结果：q=0.032 L/s·m，K =0.091 m/d，断层破碎带含水微弱，对矿床充水无特殊影响。

F351逆断裂：断层整体走向NWW～SN～NEE～NNW～SN，倾向近E，倾角70°～76°；断层破碎带宽约16 m，断层角砾由硅质岩、白云岩、磷质团块组成，胶结良好。该断层在矿区内局部破坏b矿层，对矿床充水的影响程度较小。

F106正断裂：在矿区内为隐伏断层，在走向上与F1近似平行，在矿区内不破坏b矿层，断层破碎带为凝灰质板岩。ZKCS1钻孔穿过此断层，抽水结果：q=0.099 4 L/s·m，K =0.049 4 m/d，断层破碎带含水微弱，因该断层在矿区内不破坏b矿层，对矿床充水影响程度较小。

2.2.3 地下水的补给、径流、排泄条件

矿区地下水的补给主要为大气降水，其次为河水。大气降水主要通过落水洞、岩溶漏斗、岩溶裂隙、构造裂隙及第四系等入渗，进入地下循环。流经本区的阿罗河左支流、英坪溪，主要通过岩溶裂隙、基岩裂隙、构造裂隙等入渗形成地下水。

矿区内地下水主要以岩溶孔洞裂隙水的形式存在，地下水主要沿溶蚀裂隙、溶孔分散径流，局部地段沿集中裂隙带、溶蚀裂隙、溶孔集中发育带、构造裂隙带运动。矿区内地下分水岭在10线至小坝后寨地表分水岭附近，使得10线附近地下水位向北东及南西两个方向逐渐递减，地下水由10线附近向北东和南西方向径流。

矿区西侧，白云岩顺坡向分布，由于浅部磷矿露天开采，形成大面积顺层采剥面及采坑，原生地形地貌特征已改变[5]，大气降水及时形成坡面流，汇聚于采坑，采坑内回填的松散物孔隙度大，大气降水对地下的入渗强度远大于原生地质条件，地下水补给条件较好。地下水在接受补给后，地下水在重力作用下，沿岩溶裂隙、溶蚀小孔洞分散径流，在地势较低的陡崖脚或阿罗河、高坪河附近一带通过泉分散排泄。

2.3 矿床充水条件

2.3.1 矿层顶底板灯影组、陡山沱组含水层直接充水

灯影组、陡山沱组含水层，厚度大，主要含岩溶孔洞裂隙水。矿山开采时，灯影组、陡山沱组岩溶含水层中所含的地下水通过溶蚀孔洞、裂隙、冒落导水裂隙带直接对矿床充水，是矿坑充水的直接水源。

2.3.2 大气降水

矿区处于斜坡位置，白云岩分布区地形坡度大，大气降水部分沿坡流走，部分通过岩溶裂隙、构造裂隙、导水裂隙等对矿床进行充水，为间接充水水源。由于区内浅部磷矿露采，形成大面积的顺层采剥面及采坑，有利于降水的汇集及下渗，降水渗入的大小是引起矿床充水的直接因素之一[6]。

2.3.3 地表水体

矿区内英坪溪和阿罗河左支流两条小溪沟，通过岩溶裂隙、构造裂隙、导水裂隙等对矿床间接充水，因其水量较小，对地下水补给量不大。

2.3.4 相邻矿山水

区内工矿活动强烈，形成一定的封闭露采坑，丰水期，这些采坑内蓄有大量地下水，天然条件下形成地下水库。露采坑内，由于打眼放炮采矿，在灯影组、陡山沱组含水层四周形成许多大大小小裂隙，采坑中的地下水，由于静水压力，通过这些裂隙对矿床间接充水。

综上，根据含水层发育及接触关系分析，灯影组、陡山沱组为英坪深部磷矿与相邻矿山唯一接触含水层，其赋水、导水性能较好。英坪深部磷矿床以灯影组、陡山沱组岩溶孔洞裂隙水为直接充水来源，相邻矿山水通过灯影组、陡山沱组溶蚀孔洞、裂隙、导水裂隙对英坪深部磷矿床顺层径流补给。

3 相邻矿山水未来对矿区地下开采的影响

及危害

3.1 相邻矿山水文地质特征

3.1.1 英坪露天矿Ⅰ号坑、Ⅱ号坑

位于矿区西侧灯影组、陡山沱组含水层分布区，距矿区90～150 m，Ⅰ号坑已闭坑回填恢复，Ⅱ号坑为在采矿坑。Ⅰ号坑内建有排水系统，其排水量为41.1～422.4 L/s，Ⅱ号坑中部，为一大蓄水池，其蓄水量为225 000 m3。矿坑充水因素主要为矿层顶板灯影组含水层中的地下水及大气降水。据矿区地下水位特征，采坑底处于地下水面之下(图3)，矿层顶板灯影组含水层中的地下水直接对矿坑充水，为直接充水因素；大气降水直接落入或通过回填松散物孔隙下渗，对矿坑间接充水，为次要充水因素。

3.1.2 英坪露天矿拦马拗采坑

位于矿区西侧及矿区内灯影组、陡山沱组含水层分布区。采坑最北东端原为一大蓄水池，水深20 m，水量为264 000 m3。2014年，采坑北西侧发生岩质顺层滑坡，将其掩埋。矿坑充水因素主要为矿层顶板灯影组含水层中的地下水、大气降水及阿罗河左支流中的河水。据矿区地下水位特征，采坑底处于地下水面之下(图3)，矿层顶板灯影组含水层中的地下水直接对矿坑充水，为直接充水因素；大气降水直接落入，阿罗河左支流中的河水少量入渗，为次要充水因素。

1-水位等值线及水位值；2-采坑底板等高线及高程值；3-采坑范围；4-矿区范围

3.1.3 福泉市磷矿小坝露采坑

位于矿区北东侧灯影组、陡山沱组含水层分布区，正在闭坑回填恢复。采坑中段至南端位于矿区6～12线之间，距矿区20～200 m，采坑最北端深处，为一蓄水池，其蓄水量为51 000 m3，水池距矿区最近处为800 m。据矿区地下水位特征，采坑底处于地下水面之上(图3)，矿坑充水因素主要为大气降水及阿罗河左支流中的河水。大气降水直接落入或通过回填松散物孔隙入渗，为直接充水因素；阿罗河左支流中的河水少量入渗，为次要充水因素。

3.1.4 福泉市小坝磷矿山Ⅰ号井、3号井

为在采矿井，位于矿区最北端东侧、矿区4线东矿权边界灯影组、陡山沱组含水层分布区。井内建有水仓，其排水量分别为23.61 L/s、29.72～94.2 L/s。矿井水主要来源于灯影组、陡山沱组岩溶孔洞裂隙含水层中的地下水，地下水以滴水、线流的形式渗入矿井，其流量不集中、呈分散状向矿井排泄。

3.2 相邻矿山水未来对矿区地下开采的影响及危害

3.2.1 冒落带、导水裂隙带高度分析

矿层顶板灯影组地层，是半坚硬岩组，岩石的抗压强度Rc=29.8～47.8 MPa，平均39.09 MPa[7]，顶板管理考虑全部陷落，冒落带最大高度和导水裂隙带采用以下经验公式进行计算：

Hc=(3～4)M[8]

(1)

(2)

式中：M为累计采厚(m)；n为可采磷矿层数

矿区可采矿层为1层，根据矿区b矿层矿体厚度，各靠近相邻矿山附近矿体冒落带、导水裂隙带最大高度见表2。

表2 各靠近相邻矿山附近矿体冒落带、导水裂隙带最大高度统计表

3.2.2 影响及危害预测

1)福泉市磷矿小坝露采坑、Ⅰ号井、3号井

福泉市磷矿小坝露采坑，采坑内虽存有蓄水，但距离矿区较远，未来对矿区地下开采充水影响较小。

福泉市小坝磷矿山Ⅰ号井、3号井，井内有正常疏排水系统，对未来矿区地下开采不构成充水因素，对未来矿区地下开采充水影响较小。未来随着矿区地下开采的进行，地下疏排水降落漏斗将逐渐向四周扩散，福泉市小坝磷矿山Ⅰ号井、3号井将有可能受到波及，出现矿井内无地下水排泄。

2)英坪露天矿Ⅰ号坑、Ⅱ号坑、拦马拗采坑

位于矿区上部(图4)，其坑底距相邻的英萍深部磷矿体垂直距离，由南向北分别为190.10～176.24 m、260.10～214.14 m、140～6.01 m(图5)，而上述中，英坪露天矿Ⅰ号坑、Ⅱ号坑、拦马拗采坑附近，英萍深部磷矿体采矿过程中所产生的冒落导水裂隙带平均高度为282.56 m、308.89 m、158.06 m，由此可知，采矿过程中所产生的冒落导水裂隙带，其高度已延伸至采坑底部，冒落导水裂隙带将沟通与采坑区裂隙带的水力联系。另外，露采坑为打眼放炮采矿，在四周及地下深部形成许多裂隙密集带，由于静水压力，这些裂隙密集带将被疏通淘空逐渐扩大形成大裂隙，当冒落导水裂隙带沟通至大裂隙时，英坪露天矿Ⅰ号坑、Ⅱ号坑、拦马拗采坑中的地下水及回填物易呈股状溃入矿井，造成矿井突水、突泥、涌砂等危害。上已述及，丰水期，Ⅰ号坑最大排水量达422.4 L/s(36 495.36 m3/d)，由此可知，丰水期，上部相邻矿山水未来对矿区地下开采的影响及危害将大大增加，其危害程度与矿井离采区之间的距离成反比。

1-Ⅱ-Ⅱ`水文地质剖面图；2-Ⅲ-Ⅲ`水文地质剖面图；3-寒武系第二统明心寺组；4-寒武系牛蹄塘组；5-寒武系-震旦系灯影组第三段；6-寒武系-震旦系灯影组第二段；7-寒武系-震旦系灯影组第一段；8-震旦系陡山沱组第四段；9-震旦系陡山沱组第三段；10-震旦系陡山沱组第一至二段；11-南华系南沱组；12-青白口系清水江组；13-浮土；14-硅质岩；15-炭质泥岩；16-粉砂质泥岩；17-白云岩；18-硅质白云岩；19-角砾状白云岩；20-b矿层；21-整合地质界线；22-不整合地质界线；23-断层及编号； 24-地层产状；25-钻孔；26-钻孔编号；27-地下水位及水位值；28-矿区范围

1-b矿层底板等高线及高程值；2-采坑底板等高线及高程值；3-矿体重合带；4-破矿断层；5-采坑范围；6-矿区范围

综上，根据矿床与相邻矿山的空间位置关系、各接触含水层补给关系，上部相邻矿山水通过灯影组、陡山沱组含水层对矿床未来地下开采的影响及危害较大。英坪深部磷矿属典型的受上部相邻矿山水补给能力强的岩溶孔洞裂隙充水矿床。

4 防治水害对策建议

英坪深部磷矿区，水文地质特征受多种条件的影响，矿床充水条件主要受顶底板含水层、大气降水及相邻矿山水等多因素控制。据此，未来矿山开采过程中的水害防治，应采取地表结合地下防治措施。

4.1 地表水防治

地表防治工作是地下防水的关键。其目标是，完善矿区内地表截排水系统，将大气降水最大化截排，减少大气降水渗入地下，进入地下循环；遇强降雨气象，停止开采活动，疏散井下人员，确保人员和设备的安全。

4.2 顶板含水层的防治

对矿区的地下岩溶系统，特别是矿体分布范围内的系统进行重点勘探，查明其空间分布状态，查明岩溶强弱发育带的空间位置及厚度；矿坑先探后掘、有疑必探，严格遵循采掘工作程序，防止含水层的地下水、溶洞裂隙水造成矿坑突水[9-10]；注意矿体及顶底板围岩的冒落、地鼓、片帮等；要提前探明断层两侧裂隙、溶孔密集发育带的导水性及富水情况，对导水性、富水性强的断裂带，必须超前探水，防止接近或直接揭露时造成突水事故；对有关水文地质、工程地质、环境地质条件进行进一步的勘查，根据开采过程出现的新情况对相关参数进行调整，特别是矿坑涌水量的预测，根据实际的矿坑涌水量对相关预测数据进行修正。

4.3 相邻矿山水防治

地下开采前，对未有排水系统的采坑，建立排水系统，对采坑中的积水进行疏排；对地表露采坑做好地表水截排，最大化减少大气降水汇入采坑内，同时留足露采与坑采之间的禁采隔离带；在采坑附近区采矿时，选择枯水期施工；对已经探明的积水区，采掘工程接近时，要事先划定警戒范围，并安排好应急水仓、排水设备等，制定好安全措施后、再进行探放，待彻底排空积水后，才允许掘进或回采；对未知积水区，要严格执行“有掘必探，先探后掘”的原则，坚持探放水制度，绝不能“未探先掘”。严格保护各类矿柱，尤其是边界防水矿柱、断层和采空区防水矿柱。

5 结语

(1)露天转深部矿床水文地质特征及充水因素的特殊性，决定了该类矿床可作为一类独特的矿床进行研究。通过分析预测，受空间位置关系的影响，地下采掘越靠近上部英坪露天矿Ⅰ号坑、Ⅱ号坑、拦马拗采坑，易发生矿井突水、突泥、涌砂等危害，丰水期，这些危害将会更加突出，其危害程度与矿井离采坑之间的距离成反比。

(2)英坪深部磷矿区靠近上部英萍露采坑，具备典型相邻矿山水充水矿床的特征，大气降水、上部相邻矿山水是其灯影组、陡山沱组充水的主要补给来源。在分析矿区水文地质特征的基础上，分析预测了上部英坪露天矿Ⅰ号坑、Ⅱ号坑、拦马拗采坑矿山水未来对矿区地下开采的影响及危害较大，据此，提出地表结合地下水害防治措施具有较大可行性。