东昆仑柴达木盆地东南缘某锰矿水文地质条件分析及涌水量预测

刘世响，高 俊，邓国成，常志岐，祝金峰

(1. 河南省地球物理空间信息研究院，河南 郑州 450009； 2. 河南省地质物探工程技术研究中心，河南 郑州 450009)

0 前 言

突发涌水是矿山开采中重大安全隐患，涌水量是矿山开发利用及水害防治技术路线选择的基础资料[1]，涌水量预测[2-8]是矿山开采从设计之前到矿山闭坑全过程的基本水文地质工作。正确预测涌水量才能做到安全又经济合理开发利用矿产资源。

在矿山开采设计之前的地质勘探阶段，开展水文地质条件研究，可为后续矿山开采、水害防治工作提供科学依据与技术保障。以东昆仑柴达木盆地东南缘某锰矿为例，通过分析区内水文地质条件，预测矿井涌水量，丰富了该矿床在水文地质方面相关的研究成果，为区域内同类型的矿床开采提供参考。

1 矿区地质特征

研究选取的锰矿于青海省境内，地处柴达木盆地东南缘。区域上广泛分布有古生界碎屑岩-碳酸盐岩系，中基性火山岩大面积出露，局部有古元古代变质岩系。第四系松散层多覆盖于山间盆地上。矿区内地层为奥陶-志留纪，主要岩性为硅质板岩、斜长角闪片岩、变砂岩等，属变质碎屑岩复理岩含矿组合。其中，硅质板岩为区内赋矿岩层。矿区构造简单，地层总体走向北东—南西，倾向南东，为一单斜构造[9-10]。

2 区域水文地质条件

矿区海拔在4 000～4 400 m，地形地貌条件为地下水补给排泄的主导制约因素。高山区为补给区，风化作用强烈，基岩多裸露，局部被第四系残坡积层所覆盖，岩石裂隙较发育。大气降水及融雪(冰)水是地下水的补给来源，区域地下水呈现出季节性变化特征；山麓地段属径流区，高程在3 700～4 000 m之间。该地段多数基岩出露，部分被第四系所覆盖，地下水来源主要是接受大气降水及基岩山区侧向补给，并向盆地低洼处运移；盆地河谷排泄区，分布地层主要为第四系的冲洪积物，结构松散，透水性良好，地下水在地势低洼处溢出，故属地下水的排泄区。区域地下水类型按埋藏条件可分为如下2类。

1)基岩裂隙水：分布于山区，含水层岩性主要有奥陶-志留系沙柳河群下亚群片岩、片麻岩，沙柳河群上亚群中-中基性火山碎屑岩和千枚岩组成的绿色岩系，以及各种花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩等岩体。富水性较弱，单泉流量<1.0 L/s，矿化度<1.0 g/L，水化学类型为HCO3-Ca·Mg。

2)松散岩类孔隙水：分布在沟谷地带及盆地内，含水层岩性主要为冲洪积砂砾卵石层及砂土，富水性较好，单泉流量>1.0 L/s，水化学类型相对复杂。

3 矿区水文地质条件

矿区位于青海省海西蒙古族藏族自治州，气候具有寒长暑短，四季不分明，属大陆性半干旱高山草原气候，其气候要素随地势而变化。

矿区水系不发育，为柴达木内陆水系，大气降水及冰雪融化作为补给源，向南北两侧分别流入不同的内陆盆地。矿区西南侧有沙柳河三级支流，向南向西过野马滩，流入沙柳河，直至素棱郭勒河-柴达木盆地。沙柳河流量一般1.472 m3/s，汛期最大流量56.734 m3/s。矿区南侧为小西沟中上游的次级支流，北东侧有几处溪流，流入茶卡盐湖。这些溪流只在降水季节(6～9月)有水流，且流程变化不定，不时潜入地下。

矿区位于山地，山系总体呈北西走向，山坡两侧地势大体相当，坡度多为30°～38°，山顶多呈半圆丘状-半棱角状，属于干旱至半干旱荒漠区。海拔4 100～4 400 m，比高200～330 m，最高4 400 m，属中低切割高山区。除山脊部分岩石裸露外，其余多为风成黄土、风成砂覆盖，且山间大滩、沟谷、山麓地带沙生植物或高寒草原、高寒草甸植被覆盖超过30%。由于矿区处于中高山区，地形切割一般，山体地势较缓—较陡，地貌差异较大，根据构造、地貌成因及相对高度将外围和矿区地貌类型划为：侵蚀构造中高山、剥蚀堆积低中山、山间谷地及山前倾斜平原。

3.1 地下水类型及含水岩组

本区地层隶属东昆仑地层分区柴达木北缘地层小区。地层主要有奥陶-志留纪滩间山群和第四系，地层出露简单，根据含水介质、地下水动力特征和空间关系，将矿区含水层划分为基岩类型裂隙水、断层脉状水。

3.1.1 基岩类型裂隙水

1)层状岩类裂隙水

广泛分布于矿区，其岩性主要为硅质板岩、锰矿化硅质岩、斜长角闪片岩等，不但片理较发育，近地表15 m岩石裂隙也很发育，单泉流量<1.0 L/s，矿化度<1.0 g/L，地下水属HCO3-Ca型水。

2)块状岩类裂隙水

矿区分布普遍，含水层主要岩性为斜长角闪片岩和硅质板岩等，单泉流量<0.5 L/s，矿化度一般<0.5 g/L，靠近积雪位置则是<0.3 g/L的超淡水，地下水属HCO3-Ca型水。

3.1.2 断层脉状水

区内的断裂构造在北侧斜贯展布，断层性质为压扭性逆断层，出露长度约700 m，宽2～5 m，倾向南东。通过钻孔水文地质编录，在28.0～83.03 m揭露出断裂一条，厚度55.03 m，产构造角砾岩，岩芯极为破碎，多呈碎块状、扁柱状，少量短柱状，为断层破碎带之构造角砾岩，未胶结而呈散体结构，属较强含水层。抽水试验结果表明，该断层破碎带含基岩裂隙断层脉状水，静止水位埋深33.85 m，静止水位标高4 089.28 m；含水层厚度H=51.9 m，降深S=7.65 m，涌水量Q=0.278 L/s；渗透系数K=0.06 m/d，单位涌水量q=0.036 3 L/(s·m)；水温2～3 ℃。q<0.1 L/(s·m)，富水性弱，水化学类型属HCO3·Cl-Na·Ca型水。

3.2 地下水补给及径流条件

研究区内地下水接受大气降水的补给，受地形及岩性影响，径流条件较差，基岩裂隙含水层岩性主要为板岩、片岩，地下水露头很少，区内未见明显之补给区及排泄区。综合比较，山区是基岩裂隙水的补给区-径流区，沟谷为排泄区。

3.3 矿床充水因素分析

3.3.1 大气降水

依据该矿床所在地理位置气象资料来看，年平均降水量160.9 mm，年最大降水量为234.8 mm，日最大降水量为17.5 mm，是未来雨季露天采坑直接充水水源。

3.3.2 地下水

地下水含水层节理裂隙不发育，富水性弱或极弱。但是，当矿体附近存在导水构造破碎带之时，则会对日后的矿山生产具有一定的威胁，且灾害性涌水极易发生。

3.3.3 封闭不良钻孔

在本次调查研究过程中，经钻孔揭露，发现多个含水层。如若钻孔封孔质量不满足要求，不良钻孔将成为沟通各含水层水力联系的通道，对采矿场造成一定的威胁。

3.4 供水水源与水质评价

3.4.1 供水水源

矿区供水水源缺乏，各冲沟绝大多数时间为干沟，仅在雨季才有水流，如矿区南侧的南小河水流点流量Q=250 L/s，北侧季节性溪流流量Q=2.156 L/s，均可作为供水的补充水源。但河水在10月下旬至翌年4月封冻断流、冬季供水十分困难。

当矿区涌水量大增时，可考虑距矿区西南18 km左右的沙柳河作为供水水源，沙柳河年平均流量3.66 L/s，最大流量8.513 L/s、最小流量1.216 L/s，水质清凉，矿化度<0.275 g/L的低温淡水，水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca型，各类指标符合饮用水水质标准。

3.4.2 水质评价

1)生活及饮用水水质评价

根据锰矿区南小河水质分析结果(见表1)，南小河水化学类型为Cl·SO4-Na·Ca 型水，矿化度0.645 g/L，总硬度(CaCO3) 288 mg/L ，库尔洛夫式为

表1 锰矿区南小河水质分析结果 mg/L

2)锅炉用水水质评价

利用水化学分析资料和水在锅炉中是否发生各种不良化学反应，采用成垢作用(锅垢总量H0，硬垢系数Kn)，腐蚀作用(腐蚀系数Kk)和起泡作用(起泡系数F)对地表水进行锅炉用水水质评价(见表2)。

表2 沙柳河河水锅炉用水水质评价

由表2锅炉用水水质评价表看出，南小河河水是中等沉淀物的锅垢多的水，半起泡具腐蚀性的水。

3)河水对混凝土的侵蚀性判定

4)地下水

相对而言，该矿区地下水资源显得贫乏，且季节性强，水量多变，只能做为矿山生产过程中的季节性临时补充水源，而主要水源还要靠矿区南侧的地表水来解决。

3.5 水文地质勘查类型

矿区的地下水含水层主要为硅质板岩、含锰硅质岩、片岩岩层，主要矿体位于当地侵蚀基准面(3 800 m)以上，分布在次级分水岭地段，附近无地表水体，钻孔单位涌水量q=0.036 L/(s·m)，小于0.1 L/(s·m)，主要充水含水层、断层破碎带的富水性弱，地下水补给条件差，区内不存在明显的补给、排泄区。本区水文地质勘查属二类一型，即水文地质条件简单矿床。

4 涌水量预测探讨

4.1 矿坑充水方式

本次工作范围内锰矿体围岩大多为硅质板岩、锰矿化硅质岩。围岩中发育有风化裂隙，主要分布于地表附近，分布深度20～80 m；后者因构造作用，Ⅳ、Ⅴ构造面发育，分布较广泛。矿体及围岩中均有分布。

潜水面以下2种裂隙中均含有地下水，形成层状岩类(板岩、片岩)裂隙水。由于岩层强分化带深度只有80 m左右，大都位于潜水面(72.70 m)以上，其下为中、弱分化带，裂隙不发育，分布也不均匀，地下水补给有限。因此，在矿体、硅质板岩中虽都含水，但富水性均较弱，且差异性也较明显。矿区内未见地下水(泉)出露，证实了上述基本特征。

4.2 大井法

4.2.1 计算方法和原则

矿体适宜露天开采，矿坑涌水量计算方法用“大井”法用稳定流理论[10-18]按完整井进行分析计算。

4.2.2 计算公式

采用裘布依公式(潜水)进行计算：

(1)

(2)

(3)

R0=R+r0

(4)

式(1)～(4)中Q为矿坑涌水量，m3/d；H为含水层厚度，m；K为渗透系数，m/d；S为“大井”降深，m；R为“大井”影响半径，m；R0为“大井”引用影响半径，m；r0为“大井”引用半径，m；F为采区面积，m2。

4.2.3 参数确定及计算结果

选用一水文地质孔有关资料进行计算。该钻孔水位标高为4 089.28 m，水位标高减隔水层标高(4 037.38 m)即为含水层厚度(Hcp)，Hcp=51.90 m；降深(S)与含水层厚度等值，S=51.90 m；渗透系数(Kcp)选用该水文地质孔抽水试验计算的渗透系数值，Kcp=0.06 m/d；“大井“影响半径(R)由以上数据代入式(2)计算可得R=183.17 m；F由采坑底面积在1∶2 000地形图设计、计算F=500×650=325 000 (m2)；“大井”引用半径(r0)经式(3)计算可得r0=332.1 m；“大井”引用影响半径(R0)经式(4)计算可得R0=515.27 m。

将以上参数代入式(1)，经计算得涌水量Q=1 157.3 m3/d。

4.3 采矿场最大涌水量预测

采矿场充水来源有2个方面：①采矿场范围内直接由大气降水补给量(Q1)；②矿区基岩裂隙水矿坑涌水量(Q2)。Q1依照下式计算：

Q1=F×X×α×100

(5)

式(5)中F为矿区面积，km2；X为日最大降水量，mm；α为暴雨地表径流系数。

由于矿体分布区段，呈近长方形，长650 m，宽500 m，面积(F)为0.325 km2。根据矿区所在县气象资料来看，本区多年平均降水量为160.9 mm，年最大降雨量为234.8 mm，日最大降水量(X)为17.5 mm，参照《水文地质手册》，暴雨地表径流系数α值选用0.5。将以上数据代入式(5)，经计算可得Q1=284.4 m3/d。

本次采用上述钻孔抽水资料预算的矿坑涌水量Q2=1 157.3 m3/d进行采矿场最大涌水量预测。则由Qmax=Q1+Q2计算可得Qmax=1 441.7 m3/d。

4.4 矿坑涌水量预测结果评述

矿区的含水层为层状类基岩裂隙潜水，含水层的分布、厚度及富水性受节理裂隙及断裂构造的控制，变化很大。在构造和裂隙不发育地段，地层的富水性极差，在断裂构造和裂隙发育，特别是当断层的规模较大，并能得到一定的补给时，可形成一定规模的集中涌水。

矿坑涌水量会随着开采深度的增加和揭露含水层的增多而逐渐增大。当开采深度达到一定程度时，总体趋势上矿坑涌水量会随开采时间的增长而逐渐减小。

矿坑涌水量的估算应用潜水公式“大气降水渗入量”和“大井法”计算相互比较。2种计算方法均采用了勘查工作取得的实际资料和抽水试验求取的水文地质参数，计算依据较充分，计算结果可靠，矿坑最大涌水量为1 441.7 m3/d。

5 结 论

东昆仑柴达木盆地东南缘某锰矿区含水层主要为硅质板岩、含锰硅质岩、片岩岩层,岩性致密，含水性差，地下水主要类型为基岩裂隙水和断层脉状水，主要充水含水层、断层破碎带的富水性弱，钻孔单位涌水量试验小于0.1 L/(s·m)。主要矿体位于当地侵蚀基准面3 800 m以上，分布在次级分水岭地段，附近无地表水体，地下水补给条件差，不存在明显的补给、排泄区，属于水文地质条件简单矿床。