昆阳磷矿二矿地下开采矿坑涌水量预测①

刘应辉

中化地质矿山总局云南地质勘查院，云南 昆明 650200

昆阳磷矿二矿为云南磷化集团有限公司下属大中磷矿山之一，现为露天开采，为保护生态环境，建设绿色矿山，该矿山于2020 年正式进入地下开采建设阶段。为保证矿山安全生产，必须先行分析预测矿坑涌水量，为地下开采矿坑疏排水提供依据，并可为相邻和相似矿山矿坑涌水量预测和水害治理提供借鉴。

1 矿区概况

昆阳磷矿二矿位于昆明市晋宁区二街镇境内，距昆明市南西212°方向平距44.5km，距晋宁区直线距离9km，矿区面积7.66km2，开采标高2350～1620m（图1）[1]。矿区地形呈北高南低，北东高，南西低，最高标高为矿区北部的矿界边缘，为2335m，最低标高为矿区南西部矿界附近冲沟，为1938.7m，相对高差396.3m。矿区内地貌类型以山地地貌为主，山地沟谷地貌次之，山地地貌基本分布于全区，以低中山地貌为主，地形地貌有利于地表水和地下水的径流排泄[2]。区内气候温和，属北亚热带高原季风气候，据晋宁区气象局1974 年1 月～2019 年12 月共46 年观测资料统计，多年平均降雨量873.3mm，历年最大年降雨量1144.1mm（1994 年)，一日最大降雨量123.6mm，降雨主要集中在每年的5～10 月份，占全年降雨量的85.3%[3]。

图1 区域水系及矿区位置图 Fig.1 Location map of regional drainage and mining area

矿区处二街河流域水文地质单元中部地表次级分水岭一带，地表水系属金沙江水系，矿区南临二街河，东距滇池约8km（图1）。区内梳状分布的沟谷多为季节性溪流，仅在雨季有表流。二街河为区内最大河流，源头为晋宁区响水村南部黑妈山（蛤蟆山），经响水村-二街镇-顺民村向西北，于安宁市鸣矣河乡双村入鸣矣河，后经螳螂川汇入金沙江。鸣矣河汇口处标高1880m，上游最大流量1.14m3/s，最小流量0.08m3/s，平均流量0.61m3/s，水源为大气降水、泉水及季节性基岩风化裂隙水。该河全长26.5km，流域面积112.7km2，平均坡降8.5%。上游（甸头村以南）河道狭窄，多支流，河床宽10～30m，河谷呈“V”字形，坡陡谷深，为水流深切地貌，上游修建野马冲水库和东冲（支流）水库；中游原河床宽40～200m，在砂页岩地层分布区发育有宽度不大的河流阶级地；下游（柿子村以北）河谷流经震旦系白云岩，河流侧蚀受限，河谷变窄。现从野马冲水库向下，基本在老河道基础上开挖砌渠成为人工河，河渠底宽7m，高2～2.5m。滇池距矿区东部最近距离约8km，水文地质勘探期间[4]于大河尾一带设置水位观测点，水位标高1886.74～1887m。

2 矿床水文地质条件

2.1 水文地质单元特征

依据地形地貌及水文条件，杉松园顶-老高山-金铜盆山地表分水岭作为水文地质单元北部界线，三尖山-马鞍山-樟木菁地表分水岭作为南部界线，响水村-三家村-待云寺一带地表分水岭作为西部界线，矿区东部次级地表分水岭作为东部界线，面积约180km2。二街河自南向北贯穿全区，矿区处二街河东部，为地下水补给、径流区。水文地质单元内最低侵蚀基准面为1880m，设计最低采矿标高为1800m，部分矿体位于当地最低侵蚀基准面之下。

2.2 地下水位现状及动态特征

矿区处于二街河流域水文地质单元的补给径流区，前期属露天开采，开采标高位于侵蚀基准面之上，对地下水动态变化影响较小，目前水位平均标高为2002.36m。地下水动态变化主要受降水周期性变化及农业开采影响，地下水动态特征为降水-开采型。据水文地质勘探报告，地下水位至6 月初降至最低，6 月之后水位逐渐抬升。依据多年降水资料，平水年平水期及丰水年丰水期对应于枯水年枯水期的季节影响比值系数分别为1.4、1.6。

2.3 含隔水层特征

矿区出露含隔水层[5]有第四系（Q），下二叠统倒石头组（P1d），下石炭统大塘组（C1d）、中石炭统威宁组（C2w），中泥盆统海口组（D2h）、上泥盆统宰格组（D3z），下寒武统沧浪铺组（Є1c）、筇竹寺组（Є1q)、中谊村组（Є1z)、渔户村组（Є1y)，上震旦统灯影组（Zbdn）（表1，图2）。

图2 水文地质图 Fig.2 Hydro-geological map

表1 地层水文地质特征表 Table 1 Hydro-geological characteristics of strata

上覆大塘组、宰格组及威宁组碳酸盐岩为矿体间接顶板充水含水层，下部中谊村组（矿层）、渔户村组及灯影组白云岩为矿床主要直接充水含水层，二者之间均匀分布有中泥盆统海口组、下寒武统沧浪铺组、筇竹寺组粉砂岩、页岩厚大隔水层（直接顶板隔水层），隔水性能较好，加之矿区内断裂构造不发育，使得上下含水层之间水力联系较差。

直接充水含水层中谊村组（矿层）、渔户村组及灯影组白云岩富水性垂向上呈现上弱下强趋势，上部的渔户村组富水性较弱，且厚度大于150m，使得下伏灯影组含水层对矿体充水影响减弱。

2.4 断裂构造水文地质特征

矿区内有三家村断层、F1断层及F2断层（图2），其水文地质特征如下：

2.4.1 三家村断层

位于矿区南部外围，为一向北倾斜的正断层，走向70°～75°，与下部矿界基本平行，倾向345°，倾角73°，断距较大，几百米到上千米。南盘地层为元古界昆阳群，北盘地层为下寒武统渔户村组，西起白龙梁子山南部，东至三家村。三家村以东被第四系覆盖，第四系一直延续到滇池岸边，岩性以粉砂、炭质粘土为主，厚度0～30m，一定程度上减弱滇池与三家村断层的水力联系。该断层为矿区内规模最大区域性断裂，依据设计地下开采1800m 标高线推断，矿区东南部距断层最近约883m，目前断层所在标高约为2000m，按照断层产状，发育到1800m 标高时距离地面的投影距离约61.15m，距离矿体1800 标高仍有821.85m的距离；另外，矿区最南部SK-1 钻孔距断层约850m，揭露矿床标高1610m，岩心较破碎，有多段出现断层角砾岩，钻进期间钻孔冲洗液漏失量较小，推断为三家村断层上盘出现的次级小断层，SK-1 位处三家村断层破碎带周边，认为断层对1800m 标高以上矿体开采基本无影响，后期随着开采标高的加深，需对其做进一步研究。

2.4.2 F1断层

发育于矿区西侧，为正断层，走向北西-南东，倾角80°左右，断距68m。断层北端被排土场填埋，据调查，过断层采矿过程中未发生涌水，且规模较小，处于露天开采范围内，距离地采边界约650m。

2.4.3 F2断层

位于矿区西北部，为正断层，走向北西-南东，倾角70°左右。依据地采设计，F2断层有一部分位于地采范围内，后期在地采过程中需进一步研究，同时开采时需做好相应探水及防治水措施。

2.5 地下水补给、径流、排泄条件

二街河与鸣矣河交汇处为当地最低侵蚀基准面，该河自南向北贯穿全区，控制着区域地表水和地下水补给、径流、排泄。碳酸盐类岩溶裂隙含水层为区内主要含水层，除接受大气降水，同时接受松散岩类孔隙含水层组和碎屑岩基岩风化裂隙含水层组的补给。

地下水的补给方式主要为大气降水入渗补给。区内气候温湿，多年平均降雨量873.3mm，充沛的大气降水为地下水的补给提供了物质来源。降水入渗条件受地形、植被、地表岩性等因素的影响，区内地表岩性主要为基岩全风化层、第四系粉砂、粉土、粉质粘土等，渗水试验渗透系数为3.22～117.04m/d。区内植被发育，表土松散，不利于地表径流，地下水接受大气降水入渗补给后，自地表分水岭依地势向沟谷汇聚，部分基岩裂隙水在山麓坡脚地带溢出成泉，排泄至附近沟谷形成地表径流；部分基岩裂隙水通过侧向径流补给浅层第四系孔隙水，然后沿二街河自南向北运移，最后排泄于鸣矣河；部分基岩裂隙水在深部基岩运移，形成区域性中、深层地下水的循环体系；区内大棚采用建机井抽取地下水方式进行灌溉，人工开采已成为区域地下水排泄的一个重要方式。

露天采坑直接揭露下部渔户村组含水层并控制着一定范围的地表径流，大气降水汇入后，直接补给地下水；采坑旁的排土场结构松散，覆土绿化，接受大气降水入渗补给后，呈饱水状态暂时蓄积地下水，然后缓慢下渗，延迟降水对地下水的补给。

弱富水含水岩组区，大气降水通过风化裂隙渗入地下补给地下水，地下水沿山地斜坡径流，在沟谷底部或陡坎处以泉的形式就近排泄，以地表水形式汇入二街河。一般在雨后泉水遍地出露，泉流量较小且随降雨量大小而变化。雨季后泉水流量骤减，大部分以季节性泉形式，水量变小或逐渐干涸，仅在含水层（风化带）分布面积较广、厚度较大或构造裂隙相对发育地带仍有出露。泉水流量一般小于0.5L/s。多数小型冲沟均无表流，或于沟谷底部以渗流形式汇入沟谷中，水量较小。

中等-强富水含水岩组区，主要包括震旦系灯影组(Zbdn)、下寒武统渔户村组（Є1y2+3）和中谊村组（Є1z），大气降水通过岩溶漏斗、溶蚀沟槽垂向渗入，补给地下水，并沿溶蚀孔洞及岩层层状溶缝向低处径流，在沟谷底部或河谷两侧以泉的形式排泄，最后汇入二街河。其特点是排泄点较少，泉水流量大，季节变化较大。

受地形、产状和隔水层控制，弱富水含水岩组区浅部风化裂隙水与中等-强富水含水岩组水力联系微弱。

3 矿床充水条件分析

3.1 充水水源

3.1.1 大气降水

大气降水入渗补给为矿床充水的主要来源。区内降水充沛，多年平均降水量为873.3mm，主要集中于每年的5～10 月份，占全年降雨量的85.3%。矿区地表出露大面积的白云岩，岩溶裂隙发育，为补给矿床直接充水含水层提供了便利条件，另外，矿区北侧为露天采坑，采坑内分布着排土场，无论是排土场还是保留的露天采坑，接受大气降水后，入渗补给下伏直接充水含水层。

3.1.2 地表水体

矿区附近主要的地表水体有二街河、滇池、露天采坑、尾矿库等。尾矿库下部有厚大隔水层，对矿床充水微弱。矿区西侧为二街河，距离矿区最近距离约450m，矿区内直接充水含水层与二街河接触，地下开采标高低于二街河水位时会对地下水形成反向补给，作为充水水源补给地下水。

滇池位于矿区东侧，距离矿区约8km，处于另一个水文地质单元，对矿床充水影响不大。

3.1.3 地下水

中谊村组、渔户村组及灯影组岩溶裂隙含水层为矿床直接充水含水层，分布于全矿区，单位涌水量0.002～0.141L/s.m，渗透系数0.001～0.20m/d，富水性空间分布不均一，垂向呈现上弱下强趋势，平面上由北向南富水性逐渐减弱。随着矿山地下开采排水，该含水层地下水将是矿坑充水的主要来源。

3.1.4 露天采坑

据云南磷化集团有限公司昆阳磷矿二矿200万t/a 地采项目设计[6]，矿山开采方式为露天+地下结合开采，交界处预留20m 标高的矿体作为保安矿柱，井下采用充填法采矿，而非崩落法采矿，地表不产生塌陷及移动，仅可能产生次生裂隙，地下开采距地表垂直距离在200m 以上，地下开采对地表影响较小。

矿区北侧的露天采坑受季节影响明显，雨季会存在积水现象，对直接充水含水层进行补给，但通过下泵抽排露天采坑积水，水源有限，不构成矿床主要充水水源。

3.2 充水通道

3.2.1 岩溶裂隙

矿床主要充水含水层为中谊村组、渔户村组及灯影组岩溶裂隙含水层，基本分布于全区，因此含水层岩溶裂隙构成了矿床充水的主要通道。

3.2.2 断层

矿区内与地采关系密切的断层为F2断层，经钻孔水位分析，目前断层上下盘水力联系较弱，但随着深部矿体开采，极有可能引起断层活化，成为矿床的充水通道。

3.2.3 次生裂隙

由于地采为充填采矿方法，不会产生塌陷区，仅出现由于不均匀沉降产生的次生裂隙，次生裂隙与岩溶裂隙作为统一通道构成矿床充水通道。

3.3 水文地质边界

昆阳磷矿二矿位于二街河流域补给径流区，水文地质单元内最低侵蚀基准面标高为1880m，设计开采最低标高为1800m，低于当地侵蚀基准面。矿区位于香条村背斜南翼，地层倾向150°左右，倾角平均15°，为总体呈向南东缓倾斜的单斜构造，矿体主要产于下寒武统中谊村组白云岩中。昆阳磷矿二矿所处的水文地质单元北至老高山-金铜盆山一带，基本与地表分水岭一致，为零通量边界；矿区西部为二街河，与直接充水含水层接触，视为定水头边界；南部为昆阳群黑山头组砂岩、板岩地层，视为隔水边界；东部分水岭视为零通量边界。

区内多年年平均降雨量为873.3mm，降水相对丰沛。大气降水是地下水的直接补给来源，北侧采坑内堆土场结构松散，接受大气降水入渗补给后，呈饱水状态暂时蓄积地下水，然后缓慢下渗，对保留露天采坑及地下水进行补给，而保留露天采坑直接以大气降水形式补给地下水。露天采坑之外降水受地势影响，向矿区南部、西部、南西部径流，最终汇入二街河。

矿区直接充水含水层为寒武系、震旦系岩溶裂隙含水层，空间富水性分布不均一，垂向呈现上弱下强趋势，平面上由北向南富水性逐渐减弱，作为矿体主要充水含水层；矿区内构造不发育，仅有两条小的正断层，其中F2断层上下盘水力联系较差，后期近断层开采时可能增强矿体下部含水层之间的水力联系。

综上，矿床地下水的补给水源主要为大气降水，主要充水含水层为中谊村组、渔户村组及灯影组岩溶裂隙含水层，含水层的岩溶裂隙构成了矿床充水的主要通道，矿坑涌水的大小取决于充水通道的规模及其透水性。

矿山对露天开采设计范围外的深部矿体采用分期分段形式地下开采。一期设计最低开采标高为1800m，将二矿矿区分为东西两采区，露天开采东采区，开采境界底标高为2000m，西采区开采境界底标高为1880m。矿区露天境界底均预留20m 保安矿柱，地采设计东采区开采标高范围主要为1800～1980m，西采区开采标高范围为1800～1860m，前期开采东采区1890m 中段，后期同时开采东西两采区的1800m 中段，采矿方法采用盘区式伪倾斜分段条带充填采矿法。开采规划见图3。

图3 开采规划图 Fig.3 Mining planning map

4 地下水矿坑涌水量预测

根据矿区水文地质条件，结合矿山地采设计和勘查资料（图3），矿床为层控矿床，倾角较平缓，直接充水含水层渔户村组白云岩溶蚀不发育裂隙发育，矿坑涌水量由矿床直接充水含水层补给，在开采条件下，随着矿坑疏干排水、地下水位降低，地下水由承压水转为无压水，地下水矿坑涌水量预测适合采用解析法[7]；解析法适用于边界条件简单的含水层，均质各向同性介质，一维、二维稳定或非稳定问题，承压流动或满足裘布依假设的无压流动、承压与无压并存的运动。根据矿坑涌水量预测计算规程（DZ/T 0342-2020），采用解析法—大井法和狭长水平坑道法估算涌水量；因“大井法”将矿坑概化成为近似水平的圆形大井，较为简单有效；而对于“狭长水平坑道法”，由于开采面积为不规则的长条形状，概化开采的长度及宽度较为困难；因此，本文采用稳定流承压转无压的“大井法”估算矿坑涌水量为主要计算方法，辅以“狭长水平坑道法”进行比较、验证，分析误差是否在允许范围或者误差是否属于正常，推荐涌水量估算方法和估算结果。

4.1 “大井法”估算

“大井法”是将形状复杂的坑道系统概化成一个圆形大井在工作。依据地质、水文地质条件，将中谊村组、渔户村组含水层概化成为近似水平的无限承压含水层，不考虑隔水边界的影响，采用“大井法”计算。在开采条件下，随着矿坑疏干排水、地下水位降低，地下水由承压水转为无压水，采用承压水转潜水含水层公式[7-10]：

式中符号的意义及取值：

（1）Q-地下水渗流总量，即地下水涌向采坑的水量（m3/d）。

（2）K-含水层渗透系数。依据开采设计最低开采标高1800m，进行了专项水文地质勘查，布设SK-1、SK-3 进行深部单孔抽水试验和SK-2 多孔抽水试验，最低控制到1541.49m 标高，再利用东部紧邻的昆阳磷矿IIIYP106、IIIYP130、IIIYP84、供ZK1 浅-中部抽注水资料及本矿区勘探报告浅-中部ZK73-2 多孔抽水试验资料（图2），最终求取平均值为0.136m/d（表2），满足规范和开采设计要求。

表2 渗透系数统计表 Table 2 Permeability coefficient statistics

（3）M-承压含水层厚度。依据水文地质调查、钻孔水文地质编录、抽水试验、水文测井等判定，渔户村组含水层较下伏灯影组含水层岩溶裂隙不发育，富水性弱，且厚度较厚，矿区构造不发育，致使灯影组越流补给量较小，因此矿坑充水含水层厚度为中谊村组、渔户村组厚度之和，据工程控制分别按18.24m、135.5m 计算，含水层厚度为153.74m。

（4）H-承压水头高度，目前水位标高为2002.36m，截至渔户村组含水层底部，承压水头高度为337.86m；

（5）h-采坑底部（疏干水位）至渔户村组含水层底部的距离，按目前水位至开采标高底板考虑，分别取225.5m、135.5m。

（6）r0-大井引用半径，按不规则圆形公式计算，F为大井水平投影面积，一期至1890m标高面积为1235733m2，二期至1800m 标高面积为3070220m2，分别取值627m、989m。

（7）R0-大井引用影响半径，R0=R+r0；R-大井的影响半径，S-水位降深，按目前水位至开采标高底板考虑，分别取112.36m、202.36m。

（8）a-进水边长系数，为矿坑宽度与二分之一矿坑等效长度的比值，按照开采标高分别取0.32、0.38。

将上述参数代入式（1），求得1890m、1800m标高涌水量分别为3200m3/d、7600m3/d。该涌水量是在枯水年枯水期所求得的，依据宁区气象局1974年1月～2019年12月共46年观测资料统计，平水年平水期及丰水年丰水期对应于枯水年枯水期的季节影响比值系数分别取1.4、1.6，分别求得1800m和1890m水平平水年平水期的正常涌水量和丰水年丰水期的最大涌水量（表3）。

表3 大井法涌水量估算结果表 Table 3 Estimation result table of water inflow by big well method

4.2 “狭长水平坑道法”估算

“狭长水平坑道法”是将形状复杂的坑道系统概化成一个长条形大井在工作。依据前述地质、水文地质条件，由于开采面积为不规则的长条形状，采用“狭长水平坑道法”计算。在开采条件下，随着矿坑疏干排水、地下水位降低，地下水由承压水转为无压水，采用承压水转潜水含水层公式[7]：

式中：Q-矿坑地下水流入量（m3/d）；K-含水层渗透系数，0.136m/d；M-含水层厚度153.74m；H-承压水水头高度，337.86m；S-水位降深，分别取112.36m、202.36m；M-采坑底至含水层底板距离，分别取225.5m、135.5m；R-水平坑道影响宽度(m)，B-矿坑形成后的长度，一期至1890m 标高长度为2050m，二期至1800m 标高长度为4018m；b-矿坑形成后的宽度，一期至1890m 标高宽度为324m，二期至1800m 标高等效宽度为764m；利用试算法，并结合《水文地质手册》表9-4-4 综合确定。

将上述参数代入式（2），求得1890m、1800m标高涌水量分别为3900m3/d、10200m3/d，该涌水量是在枯水年枯水期所求得的，根据平水年平水期及丰水年丰水期对应于枯水年枯水期的季节影响比值系数1.4、1.6，求得1800m 和1890m 水平平水年平水期的正常涌水量以及丰水年丰水期的最大涌水量（表4）。

表4 狭长水平坑道法计算涌水量参数表 Table 4 Water inflow parameters calculated by narrow horizontal adit method

4.3 两种方法分析、比较、验证

根据《地下水资源分类分级标准》[11]，以上两种方法计算的矿井涌水量精度均属于D 级，误差60%～80%[12]，可满足开采设计要求。两种方法相比较，显然采用“狭长水平坑道法”预测的涌水量比采用“大井法”预测的涌水量结果大很多。在计算公式中，影响半径是利用经验公式计算而得，一般偏小，从而计算的矿井涌水量偏大，因此，采用计算结果较小的“大井法”估算矿坑涌水量更为合适。开采过程中可利用实测的影响半径，或是利用“大井法”公式反求的影响半径，修正预算矿井涌水量。

5 结论

（1）矿山设计采矿最低标高为1800m，部分矿体位于当地最低侵蚀基准面1880m 之下；矿体直接充水含水层寒武系岩溶裂隙含水层富水性弱-中等；上覆间接顶板含水层碳酸盐岩岩溶裂隙含水层富水性弱-中等，与直接充水含水层间有厚层砂页岩隔水层阻隔；矿区内构造不发育，F2断层后期近断层开采时可能增强矿体下部含水层之间的水力联系。因此，矿床水文地质条件为矿层及底板岩溶裂隙含水层直接充水的中等类型。

（2）推荐“大井法”为地下水矿坑涌水量计算方法，估算开采至1890m 标高时正常涌水量为4500m3/d，最大涌水量为7200m3/d；开采至1800m 标高时正常涌水量为10600m3/d，最大涌水量为17000m3/d。在将来的开采过程中，应根据实测涌水量情况，使用时需适时修正。