黑龙江省鸡西市麻山区民主南山晶质石墨矿水文地质条件分析及涌水量预测
2022-01-13胡升奇郭宝深李晓龙孙哲雨张铁成
胡升奇，郭宝深，李晓龙，孙哲雨，张铁成
(中化地质矿山总局黑龙江地质勘查院,黑龙江 哈尔滨 150060)
黑龙江省民主南山石墨矿，是近年来发现的大型石墨矿床[1]，矿区距最近的西麻山火车站里程约3.5 km，交通便利。
2018年在勘探施工期间，在矿区施工了SZK1002、SZK1202、SZK4403、SZK4404共计4个水文孔，其中SZK4403、SZK4404 2个水文孔位于首采区。通过收集以往区域、矿区水文地质资料，结合本次水文地质观测、抽水试验、水质分析等方面的工作，系统地研究了区域水文地质条件、矿区水文地质条件、首采区采场涌水量预测。
通过分析区域、矿区水文地质条件，包括地下水类型，隔水层，地下水补给、径流、排泄条件，确定了矿区为水文地质条件简单的裂隙充水矿床。
在矿区涌水量估算中，Q-S曲线外推法[2-6]、大井法[7-10]是2种可靠的方法。根据首采区的2个水文孔及抽水试验，分别确定了基岩风化裂隙潜水、基岩裂隙承压水的水文地质参数，分别采用Q-S曲线外推法、大井法估算了首采采场涌水量,为矿山开采设计提供水文地质资料。
1 区域水文地质条件
1.1 区域地下水类型
地下水的形成受地层岩性、地质构造、气象水文和地形地貌等多种因素控制，根据地下水埋藏条件、水力特征可分为：第四系松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水2类。其中基岩裂隙水又可分为：风化裂隙潜水、基岩裂隙承压水和构造裂隙承压水3类。第四系松散岩类孔隙潜水主要分布于为黄九旺沟、南沟等河谷区；风化裂隙潜水、基岩裂隙承压水，均在全区广泛分布；构造裂隙承压水，呈条带状分布，地下水赋存于构造裂隙中。
1.2 区域隔水层
受各种地质作用的综合影响，区内没有连续稳定的区域隔水层，因而将基岩裂隙不发育、裂隙连通性差的层段及石墨矿体(透水性较弱)视为相对隔水层，其埋深在60 m左右，岩性主要为片麻岩、变粒岩、混合岩等。
1.3 区域地下水补给、径流和排泄条件
区域内地下水以大气降水为主要补给来源。大气降水沿着岩土体的孔隙、裂隙及构造破碎带等导水通道渗入补给地下水，在不同地质构造、地形地貌等自然条件的控制下，做垂直运移和水平径流。在条件适宜时，以泉的形式排泄于地表沟谷，或以水平径流侧向补给邻区地下水、地表水。地下水总体流向与地形坡向基本保持一致，水力坡度小于地形坡度。
2 矿区水文地质条件
矿区处于低山丘陵区，山丘呈北东向展布，分水岭呈环形分布在信恒石粉厂—民主南山—南沟东侧。地形总的趋势是南西高北东低，最高海拔位于西南侧，标高600 m，相对高差265 m。最低侵蚀基准面位于矿区外北东(标高+310 m)，各矿体赋存标高+342.5～+431.99 m之间，露天开采最终底标高为+310 m，位于最低侵蚀基准面之上。黄九旺沟和南沟均为季节性河流，北东南西向呈树枝状发育，由南向北从矿区北部流出，矿区内南沟河谷宽10～30 m，河床宽0.30～1.10 m,水深通常0.05～0.5 m，测点处标高为349.5 m，河水冬季断流，一般流量630.40 m3/d、最大流量8 183.81 m3/d。
2.1 矿区含水层及其富水性
2.1.1 第四系松散岩类孔隙潜水含水层
分布于黄九旺沟和南沟的河谷中，分布面积约0.75 km2。由第四系冲积、洪积物组成，主要岩性为黄—黄褐色粉质黏土、砂、砂砾石。含水层以砂、砂砾石为主，分选、磨圆较差。含水层厚度一般3～5 m，水位埋深2～3 m，单井涌水量小于10 m3/h。水化学类型以重碳酸钙型为主，矿化度为186 mg/L，pH 7.3。
2.1.2 基岩风化裂隙潜水含水层
广泛分布于低山丘陵区及河谷区的下部，地下水赋存于混合岩、黑云斜长变粒岩、石墨斜长变粒岩、石墨石英片岩、透辉橄榄大理岩等风化裂隙中，地下水位埋深3.81～13.88 m，含水层厚37.42～44.89 m。据本次施工的SZK1202孔资料，地下水位埋深3.81 m(标高为+378.681 m)，风化带底板埋深44.89 m，当降深为2.51 m时，单井涌水量为10.19 m3/h，当降深为7.43 m时，单井涌水量为17.46 m3/h。SZK4404孔地下水位埋深13.88 m(标高为+372.168 m)，风化带底板埋深51.30 m,当降深为4.25 m时，单井涌水量为5.47 m3/h，当降深为11.87 m时，单井涌水量为8.64 m3/h，水化学类型为重碳酸钙型，矿化度为196～213 mg/L，pH 7.40～7.76。风化裂隙潜水抽水试验数据统计见表1。
表1 风化裂隙潜水抽水试验数据统计
2.1.3 基岩裂隙承压水含水层
全区广泛分布，隐伏于风化裂隙带之下，地下水赋存于混合岩、黑云斜长变粒岩、石墨斜长变粒岩、石墨石英片岩、透辉橄榄大理岩等基岩裂隙中，受裂隙发育程度、裂隙连通程度的影响，地下水具有承压性，地下水位埋深12.54～16.30 m，本次揭露含水层厚25.10～25.60 m，据本次施工的SZK1002孔资料，地下水位埋深12.54 m(标高为+381.974 m)，承压水头高度66.08 m，含水层顶板埋深78.60 m，底板埋深105.70 m，降深为14.68 m时，单井涌水量为6.40 m3/h，当降深为32.93 m时，单井涌水量为10.37 m3/h；SZK4403孔地下水位埋深16.30 m(标高为+370.026 m)，承压水头高度56.80 m，含水层顶板埋深73.10 m，底板埋深98.70 m，降深为6.85 m时，单井涌水量为7.88 m3/h，当降深为17.36 m时，单井涌水量为12.03 m3/h，水化学类型为碳酸钙型，矿化度为166～204 g/L，pH 7.2～8.06。基岩裂隙承压水抽水试验数据统计见表2。
表2 基岩裂隙承压水抽水试验数据统计
2.1.4 构造裂隙承压水
矿区内断裂构造主要有3条，呈条带状分布，近东西向断裂有2条(F1、F2)，南北向断裂构造有1条(F3)。
F1：位于矿区西北部，西段近东西向展布，北倾，东段北东向展布，倾向北西，倾角60(°)～70(°)，呈压扭性，矿区内长约1 km。断裂发育在西麻山组地层中。
F2：位于矿区西北部，近东西向展布，北倾，倾角±80(°)，呈压扭性，矿区内长约2 km。断层为西麻山组与余庆组分界。
F3：位于矿区中部第16勘查线西侧，南端为沟谷，北段被第四系覆盖，近南北向分布，东倾，倾角±65(°)，呈张性。
F1、F2断裂构造虽然规模较大，但该组构造与地表水、基岩裂隙水关系小，ZK3201、ZK3601孔分别见有断层破碎带，但构造裂隙多被泥质充填，节理裂隙被长英质脉、方解石细脉充填。富水性、导水性较差，多为富水性较弱、导水性较差的破碎带。
2.2 隔水层
矿区内隔水层为基岩裂隙不发育、裂隙连通性差的层段，本次水文孔揭露的顶板埋深为48.70～51.30 m，底板埋深为73.10～78.60 m，另外石墨矿体裂隙发育较差，连通性、透水性均较差，为相对隔水层，受其影响矿区基岩风化带下部裂隙水普遍具有承压性。
2.3 地下水补给、径流、排泄条件
大气降水是矿区地下水最主要的补给来源，也是矿床开采的主要充水水源，降水通过地表基岩风化带、基岩裂隙发育带及地表水体(黄九旺沟和南沟河)渗入地下而补给地下水。天然状态下地下水通过裂隙密集区径流，由高地形区向低处运移，在基岩区补给基岩风化裂隙潜水或基岩裂隙承压水(在基岩裂隙承压水补给区)，或补给第四系孔隙潜水(松散堆积物边界区)，或以泉的形式排泄于地表；松散堆积物覆盖区，地表水(黄九旺沟和南沟河)与第四系松散岩类孔隙潜水水力联系密切，丰水期地表水补给第四系潜水，枯水期第四系潜水补给地表水，地下水排泄以向下游径流排泄为主，局部可能补给下伏基岩风化裂隙潜水。基岩风化裂隙潜水与基岩承压水之间水力联系不密切，仅在局部裂隙发育区或断裂带的联系下产生水力联系。地下水总体流向与地形坡向基本一致，水力坡度小于地形坡度，地下水分水岭与地表水分水岭基本一致。
3 采场涌水量预测
首采区矿坑充水水源有大气降水和地下水两种。在天然状态下(未开采的情况下)或开采初期，大气降水以地表径流为主；开采中后期，大气降水以地表径流及直接降落到采坑中的降水为主。首采区地形呈南高北低之势，地表分水岭为民主南山山脊，东、西均为南沟河主沟及支沟相隔，采坑南边界以南的地表汇水面积为900 000 m2。
在首采区开采的过程中，将逐渐揭露基岩风化裂隙水含层和基岩承压水含水层，矿坑直接充水含水层为：露基岩风化裂隙水含层和基岩承压水含水层，矿坑充水量则随着采坑面积、深度的增加而增大。
首采区为36～54线之间的Ⅺ、Ⅺ-1号矿体，东西长约1 000 m，南北宽约180 m，最终边坡角选用60(°)。露天开采，开采水平标高为+310 m(矿区侵蚀基准面标高为+310 m)。首采区地表平均标高+390.01 m, 开采深度80.01 m。首采区平均地下水位埋深14.86 m(标高+375.24 m)，预测涌水量标高为+310 m，降深65.24 m。
首采区采坑涌水量的补给来源主要由大气降水和地下水两部分组成，其中大气降水部分可分为：①直接降落在采坑中的降水量；②采坑外地表径流汇入量两部分。地下水部分可分为：①基岩风化裂隙潜水；②基岩裂隙承压水两部分。
3.1 大气降水部分
3.1.1 直接降落在采坑中的降水量
直接降落在采坑中的日最大降水量采用下式计算：
Q直降=F×h÷1 000
(1)
式(1)中：Q直降表示直接降落在采坑中的日最大降水量，m3/d；F表示采坑面积，m2；h表示日最大降水量，mm。
采坑面积(F)以开采区范围，东西长约1 000 m，南北宽约180 m的地面范围计算，F为180 000 m2；日最大降水量(h)根据鸡西市气象观测资料，采用7月日平均降水量8.66 mm，日正常降水量按5～10月降水集中月份的日平均降水量6.12 mm分别计算。计算结果：直接降落在采坑中的日最大降水量为1 558.8 m3，5～10月降水集中月份的日正常降水量为1 101.6 m3。
3.1.2 采坑外地表径流汇入量
采坑外地表径流的日最大汇入量采用下式计算：
Q径=F×α×h÷1 000
(2)
式(2)中：Q径表示采坑外地表径流的日最大汇入量，m3/d；F表示地表径流面，m2；α表示地表径流系数；h表示日最大降水量，mm。
地表径面积(F)以开采区至民主南山地表分水岭的径流面积计算，东西长约1 000 m，南北平均宽约900 m，F为900 000 m2；地表径流系数取经验值0.8；日最大降水量(h)采用7月日平均降水量8.66 mm，日正常降水量按5～10月降水集中月份的日平均降水量6.12 mm分别计算。计算结果：采坑外地表径流的日最大汇入量为6 235.2 m3，5～10月降水集中月份的日正常降水量为4 406.4 m3。
3.2 地下水部分
3.2.1 基岩风化裂隙潜水
1)Q-S曲线外推法判断Q-S曲线类型，采用下式计算曲度：
(3)
式(3)中：n表示曲度值；S1、S2表示第1、2次降深的水位值，m；Q1、Q2表示第1、2次降深的涌水量，m3/d。
当n=1时，Q-S是直线关系；当1
对数型涌水量方程为：
lgQ=a+blogS
(4)
式(4)中：Q表示当降深值为S时的涌水量，m3/d；S表示需预测的降深值，m；a、b表示方程的参数。
b={N(∑(QlogS))-∑Q(∑logS)}/
{N∑(logS)2-(∑logS)2}
(5)
a=(∑Q-(b∑logS))/N
(6)
式(5)～(6)中：N表示抽水试验的降深次数；Q、S表示抽水试验时同一降次相应的涌水量与降深。
计算结果：a=0.874 49，b=1.357 389 8。
根据SZK4404孔资料，预测降深为27.42 m。
将所得系数代入对数型涌水量方程，进行钻孔涌水量预测，结果为：钻孔涌水量预测为244.51 m3/d。
采用下式进行井径换算，预测采坑涌水量：
(7)
式(7)中：Q坑表示预测的采坑涌水量，m3/d；Q孔表示钻孔涌水量，m3/d，取244.51；R表示影响半径，m，根据SZK4404孔试验数据，取117.25；r表示钻孔半径，m，取0.073；R0表示引用影响半径，m；r0表示采坑(大井)的引用半径，m。
R0=R+r0
(8)
(9)
式(9)中：η表示概化系数；a表示采坑长度，m,取1 000；b表示采坑宽，m，取180。
η的取值见表3，取1.1。
表3 概化系数η与b/a关系
计算结果：r0为324.5 m，R0为441.75 m，预测采坑内基岩风化裂隙潜水涌水量为5 851.28 m3/d。
2)大井法
采用潜水大井法公式进行采坑涌水量预测：
(10)
式(10)中：Q表示大井涌水量，m3/d；K表示含水层渗透系数，m/d，根据SZK4404孔试验数据，取0.75；H表示抽水前大井的水柱高度，m，根据SZK4404孔资料，取27.42；S0表示大井的降深，m，根据SZK4404孔资料，取27.42。
计算结果：预测采坑内基岩风化裂隙潜水涌水量为5 749.98 m3/d。
3.2.2 基岩裂隙承压水涌水量
1)Q-S曲线外推法
判断Q-S曲线类型，采用下式计算曲度n：
(11)
式(11)中：n表示曲度值；S1、S2表示第1、2次降深的水位值，m；Q1、Q2表示第1、2次降深的涌水量，m3/d。
当n=1时，Q-S是直线关系；当1
lgQ=a+blogS
(12)
式(12)中：Q表示当降深值为S时的涌水量，m3/d；S表示需预测的降深值，m；a、b表示方程的参数。
b={N(∑(QlogS))-∑Q(∑logS)}/
{N∑(logS)2-(∑logS)2}
(13)
a=(∑Q-(b∑logS))/N
(14)
式(13)～(14)中：N表示抽水试验的降深次数；Q、S表示抽水试验时同一降次相应的涌水量与降深。
计算结果：a=-0.189 69，b=2.846 609。
取开采区基岩裂隙承压水预测降深为65.24 m。
将所得系数代入对数型涌水量方程，进行钻孔涌水量预测，结果为：钻孔涌水量预测为430.27 m3/d。
采用下式进行井径换算，预测采坑涌水量：
(15)
式(15)中：Q坑表示预测的采坑涌水量，m3/d；Q孔表示钻孔涌水量，m3/d，取430.27；R表示影响半径，m，根据SZK4403孔试验数据，取115.96；r表示钻孔半径，m，取0.073；R0表示引用影响半径，m；r0表示采坑(大井)的引用半径，m。
R0=R+r0
(16)
(17)
式(16)～(17)中：η表示概化系数，η的取值见表3(取1.1)。
计算结果：r0为324.5 m，R0为440.46 m，预测采坑内基岩风化裂隙潜水涌水量为10 379.60 m3/d。
2)大井法
采用承压转无压公式进行采坑涌水量预测：
(18)
式(18)中：M表示承压含水层厚度，m,根据SZK4403孔试验数据，取25.60；h0表示抽水稳定后大井中的水柱高度，m,根据首采区现有资料，可视为承压水含水层底板在很深处，取值为36；K根据SZK4403孔试验数据取1.0；H取65.24 m；R0取440.46 m；r0取324.5 m。
计算结果：预测采坑内基岩裂隙承压水涌水量为12 774.78 m3/d。
汇总上述采坑涌水量预测结果，310 m标高以上露天采坑总涌水量见表4～5。
表4 310 m标高以上露天采坑日最大涌水量计算结果
表5 310 m标高以上露天采坑日正常涌水量计算结果
4 结 论
1)根据矿区水文地质条件、开采标高、矿体充水因素等，依照《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB 12719—91)，矿区水文地质勘探类型为二类一型，即水文地质条件简单的裂隙充水矿床。
2)本矿床为露天开采矿床，露天最低开采标高为最低侵蚀面310 m，310 m标高以上露天开采日正常涌水量Q-S曲线外推法为21 738.88 m3/d，大井法为24 032.76 m3/d；日最大涌水量Q-S曲线外推法为24 024.88 m3/d，大井法为26 318.76 m3/d。
3)民主南山矿区距麻山区仅6 km，距麻山区石墨矿选场1.5 km，矿石可送至麻山区石墨矿选场加工处理，因此矿山正式投产后矿区生产无须供水水源，生活用水仅需少量供水即可满足需求。随着未来矿山开采过程中，矿区涌水量逐渐增加，可将采坑涌水输送到西麻山区石墨矿选场作为生产用水，以小穆棱河水、沟谷区第四系潜水和矿区西侧约1.5 km的刘老八沟，作为选矿生产用水的后备水源，做到矿区水资源综合利用。矿区生活用水需水量较小，需要打井获取区内第四系孔隙潜水或基岩裂隙承压水，水质水量均可满足用水需求。
