贵州英坪磷矿水文地质条件研究及涌水量预测

曾凡祥，赵磊，曾道国，宋小军，薛洪富，周文龙，宫学智，忙是材

(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)

0 引言

英坪磷矿位于黔中地区瓮福矿田内，属瓮福高坪矿区英坪矿段，为现有英坪露天矿的深部延伸部分。是已探明的大型以胶磷矿为主的海相沉积磷块岩矿床，共探获b矿层磷矿体3个，磷块岩矿体资源量超亿吨，P2O5平均品位24.35%，矿石自然类型由上至下为致密状磷块岩、团块状磷块岩、砂砾状磷块岩。矿体赋存标高350～1245 m，厚度1.75～38.45 m，平均厚度18.48 m，总体走向北北东，倾向为南东，倾角19°～56°。矿床直接顶板为灯影组第一段(ZC-dy1)底部白云岩、硅质岩，直接底板为陡山沱组第三段(Z1d3)硅质白云岩、硅质岩，为水文地质条件中等的岩溶孔洞裂隙充水矿床。英坪磷矿自2019年开工建设，目前正处于主要采掘工程建设阶段，预计2022年开始地下开采。

区内研究程度高，成果丰硕，如杜远生、张亚冠等专家学者从地质特征、成矿作用、成矿规律、成矿模式、找矿方向、地球化学、矿床成因等地质角度对该矿床进行研究(杜远生等，2018；宋小军等，2019a，2019b，2020，2021；薛洪富等，2019；张亚冠等，2020)，但对开采技术条件方面的研究较少。加之英坪矿段大面积露采，区内原有水文地质条件随之改变，深部水文地质条件亟待查明。本文通过地质、水文地质勘查及水文地质试验等方法(宋小军等，2018①)，结合前人研究成果，从水文地质角度，对英坪磷矿床水文地质条件进行研究，丰富了该方面的研究成果；采用水文地质比拟法预测了首采地段矿坑涌水量，为矿山完全开采提供了科学依据(席鹏等，2021)，对该区域水文地质工作具有较大的参考意义。

1 地质背景

1.1 区域地质概况

英坪磷矿大地构造位置位于上扬子地块黔北隆起区之凤冈南北向隔槽式褶皱变形区内(图1)。构造特征以宽缓背斜与紧闭向斜组合构成的隔槽式褶皱为主，具有近南北向的构造线特征(宋小军等，2019c，2019d)。区内构造主要为白岩—高坪复背斜以及切错该背斜的小坝断层，英坪磷矿具体位于高坪背斜南段之东翼。

图1 英坪磷矿大地构造位置图(据贵州省地质调查院，2017修改)

区内出露地层由老至新有青白口系、南华系、震旦系、寒武系、石炭系、二叠系及三叠系及第四系。其中，青白口系下江时期清水江组，出露于白岩—高坪复背斜之核部；中三叠统地层出露于白岩—高坪复背斜之两翼。

1.2 矿区地质特征

1.2.1 地层

矿区出露地层有青白口系下江时期清水江组(QbXq)，南华系上统南沱组(Nh3n)，震旦系下统陡山沱组(Z1d)、震旦系上统—寒武系纽芬兰统灯影组(ZC-dy)，寒武系纽芬兰统—第二统牛蹄塘组(C-1～2n)、寒武系第二统明心寺组(C-2m)、寒武系第二统金顶山组(C-2j)及第四系(Q)。其中，震旦系下统陡山沱组(Z1d)为b矿层磷矿体含矿地层(图2)。

图2 英坪磷矿区水文地质图

1.2.2 断裂

区内断裂构造发育，构造形迹主要以SN向为主，次为NNE向，断层均以高角度断层出现。其中近SN向断裂有F1、F102、F104、F351；NNE向断裂有F106、F116。矿区受破矿断层F116、F104、F102、F1、F351联合控制，均具有走滑兼挤压性质，并且呈现向S撒开、向N收敛展布特征。

2 区域水文地质概况

区内位于贵州高原中南部，地势总体东高西低，地形切割中等，为低中山侵蚀岩溶地貌。区域上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，流经矿区有英坪溪和阿罗河左支流两条小溪沟。

从区域上英坪磷矿位于高坪背斜轴部东翼南段背斜蓄水构造内，矿系上覆及下伏灯影组、陡山沱组岩溶含水层是区内唯一影响矿床充水的岩层。根据区域水文地质图(图2)，矿区西侧、北侧以南华系南沱组冰碛砾岩及青白口系下江时期—清水江组凝灰质板岩构成隔水边界，东侧和南面以明心寺组、牛蹄塘组泥岩构成的隔水顶界，在地势较低的中部英坪溪、高坪河、阿罗河以泉的形式排泄，区内灯影组及陡山沱组岩溶含水层，形成一个补给、径流和排泄系统较完整的水文地质单元。地下分水岭位于矿区10线至小坝后寨(图2)，地下水分别向南北两个方向运动。

区域内，地下分水岭之南北两个方向水力坡度分别为2.11%、1.24%，地下水向南径流较强，加之SN向断裂旁侧，灯影组裂隙、溶蚀小孔洞发育密集呈带状，待英坪磷矿开采时，由于存在连通南北含水层的裂隙导水带，将改变矿区北部地下水流场，矿区地下水由北向南径流，英坪溪下游高坪河沟口，河床标高1143 m，为矿区最低侵蚀基准面。英坪磷矿位于该水文地质单元的补给、径流区。

3 矿区水文地质条件

3.1 含水层、隔水层

3.1.1 含水层

第四系：含少量孔隙水，孔隙度大，透水性强，受大气降水补给，泉水流量0.01～0.114 L/s，总体富水性弱，对矿床充水影响较小。

灯影组(ZC-dy)：覆于b矿层磷矿体之上，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。该层内下部及上部裂隙状溶洞、溶孔发育。

陡山沱组(Z1d)：厚37～88 m，与下伏南沱组呈假整合接触。顶部为b矿层磷矿体，由薄层—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；中下部为浅灰—肉红色中厚层泥—细晶白云岩，乳白色厚层块状硅质岩组成。该层内主要见小溶孔发育。

上述灯影组、陡山沱组之间，未有相对隔水层发育，将其视为一个含水层岩组，系b矿层充水主要因素。该岩组富水性不均匀，自西向东、自北向南逐渐减弱，总体透水性较好，为富水性中等至强的岩溶孔洞裂隙含水层。该含水层流量随四季变化较大，受大气降水的制约(图3)，雨季，流量变幅大，枯季，流量变幅小(表1)。在强补给条件下，如英坪露天矿Ⅰ号坑，最大流量与年平均流量之比为3.06；原生补给条件下，如岩溶泉S20及福泉市磷矿小坝磷矿山3号井，最大流量与年平均流量之比为2.01～2.55，平均2.28。

表1 英坪磷矿2017年6月～2018年7月地下水流量动态变幅统计表

图3 英坪磷矿地下水动态变化曲线图

3.1.2 隔水层

金顶山组(C-2j)、明心寺组(C-2m)及牛蹄塘组(C-1～2n)碎屑岩隔水层，以砂岩、粉砂岩、炭质泥岩及灰绿色泥质粉砂岩为主，厚度>300 m，与下伏灯影组呈假整合接触。含少量基岩裂隙水，富水性、透水性差，构成矿床灯影组、陡山沱组含水层的隔水顶板。

南华系南沱组(Nh3n)、青白口系下江时期—清水江组(QbXq)碎屑岩和浅变质板岩隔水层，其岩性主要为褐灰色、灰色中厚层状凝灰质砂岩，灰绿色、灰色冰碛砾岩，厚度>100 m，与上覆地层陡山沱组(Z1d)呈假整合接触。含少量基岩裂隙水，富水性及含水性均较差，构成矿床灯影组、陡山沱组含水层的隔水底板。

3.2 岩溶发育特征

矿区内灯影组、陡山沱组地下岩溶较地表发育强(表2)，地下岩溶以裂隙状溶洞、溶孔为主，主要发育于b矿层顶板灯影组藻白云岩、硅质白云岩、泥—细晶白云岩及矿系底板硅质白云岩中，其发育强度由浅至深逐步减弱，常见黄色粘砂土充填，但溶洞与溶洞连通性不好。裂隙状溶洞、溶孔构成矿层顶底板含水层的主要储水空间，为矿床充水主要途径。

表2 灯影组、陡山沱组岩溶发育特征一览表

区内构造发育，岩溶具有顺层走向及沿近于垂直岩层走向的张扭性裂隙带发育的特点，顺岩层走向发育于高坪河左岸的岩溶泉S20是其中最具代表性的岩溶。压扭性断裂胶结紧密，岩溶不发育。

3.3 断裂及其水文地质特征

矿区断裂构造发育，断裂构造形迹呈SN向，次为NNE、NNW与近EW向，与矿床水文地质条件相关的断裂主要有F1、F102、F104、F106、F116。

F1逆冲断裂：为破矿断裂，断层带为白云质胶结的角砾岩，胶结紧密。穿过此断层时，抽水结果：单位涌水量q=0.0317 L/(s·m)，渗透系数K=0.0466 m/d，断层破碎带含水微弱，但断层两侧裂隙、溶孔密集发育，具有良好的水力联系，无阻水性能，断层带两侧的裂隙、溶孔密集发育带成为矿坑充水的主要部位。

F102逆冲断裂：在矿区深部破坏Ⅱ号矿体的连续，断层破碎带宽约5～20 m，大部分为糜棱岩，胶结紧密。穿过此断层时，抽水结果：单位涌水量q=0.0124 L/(s·m)，渗透系数K=0.0117 m/d，断层破碎带含水微弱，沿断层两侧裂隙、溶孔密集发育带宽10.12～42.2 m，该带含水性和导水性均较强，对矿床充水影响较大，为矿坑充水的主要部位。

F104逆断裂：在矿区深部破坏Ⅰ号矿体与Ⅱ号矿体的连续，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。穿过此断层时，抽水结果：单位涌水量q=0.032 L/(s·m)，渗透系数K=0.091 m/d，断层破碎带含水微弱，对矿床充水无特殊影响。

F106正断裂：在矿区内为隐伏断裂，受F1的制约，在矿区内不破坏矿层，断层破碎带为凝灰质板岩，胶结良好。穿过此断层时，抽水结果：单位涌水量q=0.0994 L/(s·m)，渗透系数K=0.0494 m/d，断层破碎带含水微弱，对矿床充水影响较小。

F116正断裂：在矿区内为隐伏断层，受F1的制约，未穿越矿体，在深部导致了矿层的严重肢离与缺失落空。断层破碎带由断层泥夹少量白云岩角砾组成，胶结良好。穿过此断层时，抽水结果：单位涌水量q=0.0994 L/(s·m)，渗透系数K=0.0494 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：在矿区2线深部破坏矿体的连续，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，钻孔揭露后观测钻进水位和冲洗液消耗量未发生显著变化，断层两盘具有良好的水力联系，无阻水性能，对矿床充水的影响程度较大。

3.4 地下水补给、径流、排泄条件

区内地下水的补给主要为大气降水，其次为河水。矿区西侧，白云岩大面积顺斜坡向出露，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(尹道谦，1983)。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，补给强；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。

区内地下水主要以岩溶孔洞裂隙水的形式存在，地下水径流方向严格受下江时期清水江组隔水层、SN向F1、F102、F104、F351断裂构造空间分布状态的制约，具有沿含水层的走向、南北走向的断裂带径流、排泄的优势，发育于高坪河羊堡处岩溶泉S20是其主要代表。矿区南部水力坡度较北部大，地下水向南径流较强，当英坪磷矿开采时，改变流场，以矿坑为中心向采空区形成径向流。

4 矿床充水因素

本矿床共圈定出磷矿体3个，其中Ⅰ、Ⅱ号为主矿体，受地下水水力性质制约，全部矿体处于地下水水面之下，几乎全部矿体低于矿区最低侵蚀基准面(表3)，灯影组、陡山沱组含水层中的地下水是矿床充水的主要水源，大气降水、少量地表水体及相邻矿山水是次要水源，充水通道有溶蚀孔洞、裂隙、构造裂隙、冒落导水裂隙带等。

表3 英坪磷矿床水文地质结构统计表

(1)矿层顶底板灯影组、陡山沱组含水层中的地下水：灯影组、陡山沱组含水层，厚度大，主要含岩溶孔洞裂隙水，富水性中等至强。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。当井下采掘工程，揭穿大裂隙、断裂两侧裂隙、溶孔密集发育含水带时，地下水易呈股状涌出。

(2)大气降水：矿区处于斜坡位置，白云岩出露区地形坡度大，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(施建和刘小亮，2016)。

(3)地表水体：矿区内有英坪溪和阿罗河左支流两条小溪沟，由于露采，阿罗河左支流、英坪溪现已迁移，为水渠替代原生河道。因其渗漏量有限，对矿床充水影响较小。

(4)采空区老窑水：区内工矿活动强烈，主要为露采，形成一定的封闭采坑，积水严重。毗邻矿区西侧、北东侧依次有英坪露天矿Ⅰ号坑、Ⅱ号坑、拦马拗采坑、福泉市磷矿小坝磷矿山露采坑、地下1号井、3号井，呈带状分布(图2)。

①小坝磷矿山：小坝磷矿山浅表露采已闭坑，其最北端916 m采矿平台蓄有水量51000 m3，地下1、3号井，为在采矿井，目前涌水量分别为23.61 L/s、29.72～94.2 L/s。小坝磷矿山地下1、3号井有正常疏排水系统，浅表采坑内蓄水离矿区较远，没有对矿床充水造成影响，但若是1、3号井排水系统故障，矿井中积水易通过裂隙间接向矿床间接充水。

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)，除Ⅱ号坑仍在采矿外，其余采坑已闭坑。目前，Ⅰ号坑排水量为41.1～422.4 L/s，Ⅱ号坑中部1175 m采矿平台蓄有水量225000 m3，拦马拗采坑最北端1190 m采矿平台蓄有水量264000 m3，为矿山开拓过程中，灯影组、陡山沱组含水层中的地下涌入采坑所致。上部采空区积水，通过四周及地下裂隙密集带，对矿床充水造成影响。丰水期，采坑内蓄有大量地下水，坑底裂隙密集带将被疏通淘空扩大形成大裂隙，而相邻的下部英磷矿体距坑底垂直距离最小仅只有6.01 m(表4)，当井下采掘工程，沟通至大裂隙时，采坑水及其回填物易呈股状溃入矿井，造成矿井突水、突泥、涌砂等危害，其危害程度与矿井离采坑之间的距离成反比。

图4 英坪磷矿Ⅱ-Ⅱ′水文地质剖面图(a)、Ⅲ-Ⅲ′水文地质剖面图(b)

表4 英坪磷矿床与上部采空区空间位置关系特征统计表

综上，根据英坪磷矿床与相邻矿山的空间位置关系、接触充水含水层的发育、分布情况分析，灯影组、陡山沱组含水层为其唯一接触充水含水层，其赋水、导水性能较好，上部采空区老窑水易通过灯影组、陡山沱组溶蚀孔洞、裂隙、导水裂隙对英坪磷矿床顺层径流充水。

5 涌水量预测

英坪磷矿共圈定b矿层3个，编号分别为Ⅰ号矿体、Ⅱ号矿体、F351上盘矿体，矿山规划井下采用井工方式开采，设计+830 m标高为首采地段，故本次涌水量预测只计算首采地段范围。

(1)水文地质比拟法计算：根据已生产矿坑的排水资料预测水文地质条件与其相似的矿坑涌水量(陈书客等，2018；崔义文和文相正，2020；戴柳珍等，2020；施强等，2020)。英坪露天矿Ⅰ号坑位于矿区上部西侧，最低开采水平为1090 m，实测正常排水量为11923.20 m3/d，丰水期最大排水量为36495.36 m3/d，采坑充水来源主要来自灯影组、陡山沱组含水层中的地下水。英坪露天矿Ⅰ号坑与本矿区毗邻，位于水文地质单元的补给径流区，同属一个水文地质单元内，具有相同的水文地质条件，故可采用地下水单位涌水量比拟法建立以下计算式预测矿坑涌水量。

Q=Q1(S/S1)0.5(F/F1)0.25

(1)

式(1)中：Q—预测矿坑涌水量(m3/d)；Q1—英坪露天矿Ⅰ号坑实测排水量，其正常排水量为11923.2 m3/d，丰水期最大排水量为36495.36 m3/d；S—矿坑排水疏干降深，根据贵州翁安磷矿高坪矿区英坪矿段详细勘探地质报告，英坪磷矿露采前原始平均静止水位标高1203.01 m，与首采地段标高之差，求得疏干降深值为373.01 m。S1—英坪露天矿Ⅰ号坑排水疏干降深，根据贵州翁安磷矿高坪矿区英坪矿段详细勘探地质报告(肖意泉等，1981②)，英坪磷矿露采前原始平均静止水位标高1203.01 m，与Ⅰ号坑最低采空面1090 m之差，求得疏干降深值为113.01 m。F—矿坑排水疏干面积，英坪磷矿Ⅰ号坑为浅部磷矿露采区，本次开采可视为浅部磷矿开采的延伸区，矿坑涌水量计算时视为一个受四周无限补给的整体，地下疏排水疏干面积应为英坪磷矿Ⅰ号坑采空面积与英坪磷矿首采地段预测区范围之和，其值为1235083 m2。F1—英坪露天矿Ⅰ号坑采空面积，其值为810000 m2。

根据上述确定的参数代入式(1)中计算，得出英坪磷矿+830 m段正常涌水量Q正=24178.39 m3/d，最大涌水量Qmax=77511.02 m3/d(表5)。

表5 单位涌水量比拟法预测矿坑涌水量结果表

由表5可知，预测的矿坑最大涌水量与正常涌水量之比为3.21，而区内原生地质条件下最大涌水量与正常涌水量之比为2.28，由此可知，采用英坪露天矿Ⅰ号坑最大排水量数据预测原生地质条件下的矿坑最大涌水量结果偏大。这是因为英坪露天矿Ⅰ号坑回填的松散物孔隙度大，丰水期，大气降水对地下的入渗强度远大于原生地质条件，地下水补给强。上已述及，区内灯影组、陡山沱组岩溶孔洞裂隙水，属气象动态型，而矿区为地下开采，地下水补给为原生地质条件，因此，采用原生地质条件下地下水动态变化最大值λmax预测计算矿坑最大涌水量。

Qmax=λmaxQ正

(2)

式(2)中：Qmax—预测矿坑最大涌水量(m3/d)；λmax—计算参数，无量纲，为区内原生地质条件下地下水动态变化最大值，其值为2.28；Q正—预测矿坑正常涌水量(m3/d)，其值为24178.39 m3/d。

根据上述确定的参数代入式(2)；预测英坪磷矿+830 m段最大涌水量Qmax=55368.51 m3/d(表6)。

表6 英坪磷矿床矿坑最大涌水量预测计算结果表

(2)涌水量预测评价：采坑排水量为实测，数据客观真实，采用地下水单位涌水量比拟法预测+830 m 段的正常矿坑涌水量，建立数学模型和参数确定较为合理、可靠；矿区地下水属气象动态型，采用原生地质条件下地下水动态变化最大值λmax，所计算的最大矿坑涌水量基本符合实际。矿坑的涌水量预测结果可作为矿山开采设计的依据。

6 结论

本次通过地质、水文地质勘查及水文地质试验等一系列工作，查明了矿床水文地质条件。

(1)英坪磷矿床处于水文地质单元的补给、径流区，大气降水、矿层顶底板灯影组、陡山沱组含水层中的地下水、上部采空区老窑水是矿床的主要充水因素。

(2)矿体虽位于当地侵蚀基准面、地下水水面之下，但附近无大的地表水体经过，灯影组、陡山沱组含水层中的地下水是矿床充水的直接水源。

(3)受空间位置关系的影响及接触充水含水层的发育分布，英坪磷矿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，采坑水易通过灯影组、陡山沱组溶蚀孔洞、裂隙、导水裂隙对矿床顺层径流充水补给。丰水期，这些采坑水及其回填物易呈股状溃入矿井，造成矿井突水、突泥、涌砂等危害，其危害程度与矿井离采坑之间的距离成反比。

(4)英坪磷矿床虽位于当地侵蚀基准面、地下水水面之下，但矿区内岩溶发育强度由浅至深逐步减弱，溶洞连通性不好，无地下暗河，区内断裂构造的含水性微弱，上部采空区老窑水对矿床的充水影响，受空间位置关系的控制。综上，英坪磷矿水文地质条件中等，为顶底板直接进水，水文地质条件中等的岩溶孔洞裂隙充水矿床。

(5)本次预测+830 m段的正常矿坑涌水量及最大涌水量，较为合理、可靠，基本符合实际，相关防排水系统可按照正常涌水量24178.39 m3/d，最大涌水量55368.51 m3/d进行设计。

注 释

① 宋小军,曾凡祥,薛洪富,浦庆隆,宫学智,忙是材,张安,张世帆,任永林,李堂英. 2018. 贵州省福泉市英坪深部磷矿勘探报告[R].贵州贵阳：贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿产勘查院.

② 肖意泉,经庚尧,毛铭曾,程儒贤,黄德辉,刘德华. 1981. 贵州瓮安磷矿高坪矿区英坪矿段详细勘探地质报告[R].贵州清镇：贵州省地质局一一五地质大队.