云南石屏县法乌铜多金属矿区法乌铅锌矿涌水量预测

王泱泱,黄胜东,蔡家驭,王玉祥

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 650093;2.云南地质工程勘察设计研究院有限公司,云南 昆明 650093)

0 引言

云南省石屏县法乌铜多金属矿区位于石屏县城北西 332°方向,平距约 36 km。矿区隶属云南省石屏县龙武镇所辖。随着矿区的不断开采,对水文地质问题的研究显得越发重要[1],所以要关注并加以防范,才能预防矿坑涌水、地面沉降等地质灾害现象的发生。本文用解析法和比拟法预测了矿坑涌水量,并将这两种方法做了对比分析,不仅为矿山的生产设计以及安全开采提供了指标,而且为地质灾害现象的防治提供了依据[2-5]。一般而言,通过矿区水文地质条件分析,可以为后期矿山安全建设提供技术支撑,同时进行矿坑用水量预测,对于矿产开采预防突水及供水水源选择具有重要意义[6-9]。

1 矿区水文地质特征

1.1 水文地质单元

矿区所处水文地质单元位于记母白河(岔河溪沟)右岸坡北东侧山坡地带,北东侧以地表分水岭为边界,南西测至山体斜坡下部记母白河河谷为边界,北西侧大体以白糯溪沟右岸坡山体为边界,区水文地质单元面积为28.67 km2。

1.2 水文地质结构

矿区地下水形成分布主要受区域性深大断裂建水-石屏断裂带控制。根据地层岩性、岩溶与裂隙发育程度、地层富水性等,将法乌铅锌矿矿区地层划分为3个含(隔)水层:

(1)矿区主要含水层有第四系冲洪积、残坡积孔隙含水层(Qal+dl):主要分布在山间洼地、冲沟河床底部,由冲洪积、残坡积物组成,渗透性较好,接受大气降水补给。

(2)裂隙岩溶综合含水层:主要为中元古界大龙口组(Pt2d)、黑山头组(Pt2hs)、美党组(Pt2m)、震旦统灯影组(Zbdn)、陡山沱组(Z2d)、澄江组(Z1c),主要为砂岩、粉砂岩及灰岩、白云岩类,被第四系覆盖,裸露区地表裂隙较发育,主要接受大气降水补给,其次为相邻含水层迳流补给,以泉的方式流出地表。该层与上覆第四系及下伏花岗岩构造裂隙水均有密切水力联系。

(3)花岗岩风化裂隙含水层:由浅部风化的峨山花岗岩体组成,岩石为黑云母二长花岗岩、黑云母花岗岩、二长花岗岩组成,厚度变化比较大,分布在整个矿区,大部分山头裸露地表,其余被第四系覆盖,裸露区地表裂隙发育,主要是接受大气降水补给,从裂隙中溢出地表,以泉水形式流出,泉流量在0.1～1.5 L/s。该层与上覆岩石及构造裂隙水均有密切水力联系。

1.3 地下水补给、迳流、排泄条件

矿区地下水主要补给来源于大气降水,其次为相邻含水层补给。中元古界昆阳群的黑山头、大龙口组灰岩分布区,基岩裸露,地表节理裂隙较发育,易接受大气降水入渗补给,但其地形陡峻冲沟发育,有利于地下水排泄,加之泉水出露(尤其雨季)以及矿化度低,说明含水层较浅部位,地下水活动交替强烈。由于岩层的含水性随深度逐渐减弱,而矿区地形相对高差又较大,故泉水及大部分地下水直接排泄于山坡后流出矿区外,最终汇入红河水系;其流量明显受降水程度控制,雨季,尤其暴雨后,地下水流量大幅度增加,返之流量大幅减少。

矿区内地下水为孔隙裂隙潜水,地下水流向基本受地貌形态控制,地下潜水面起伏大体与地形一致,但较地形起伏稍有缓和,潜水位高差变化总体较大,标高1 626.80 m(矿区东山顶)～132 000 m(法乌溪沟),相差306.80 m,说明地下岩层的透水性较差。潜水位至山脊分水岭为接受大气降水的透水带,潜水位以下,地下水经上部透水带接受补给。矿区内补给区与径流、排泄区基本一致。

1.4 矿坑充水因素

1.4.1 大气降水

根据石屏县气象资料:矿区年均降雨量1 000 mm。日最大降雨量185 mm,每年6-9月为雨季,10月至次年5月上旬为旱季。历年最大积雪深度为17 cm。

1.4.2 地表水

地下水为孔隙裂隙潜水,地下水流向基本受地貌形态控制,地下潜水面起伏大体与地形一致,但较地形起伏稍有缓和,潜水位高差变化总体较大,标高1 626.80 m(矿区东山顶)～132 000 m(法乌溪沟),相差306.80 m。

2 矿坑涌水量预测

2.1 解析法

2.1.1 范围及标高

结合矿区地质构造和资源量分布情况,以划定的矿区勘探范围边界线为界,资源储量估算面积0.45 km2即为预测矿井系统面积,主要矿体资源储量估算以1 246 m为预测矿井最低排水标高。见图1。

1.侏罗系下统冯家河组:砂岩、粉砂岩;2.三叠系上统舍资组:砂岩夹粉砂岩、页岩;3.震旦系上统灯影组:白云岩、泥质灰岩;4.前震旦系大龙口组:灰岩、泥质灰岩夹白云岩、板岩;5.震旦系上统陡山沱组:石英岩、白云岩;6.地质界线;7.碎屑岩裂隙水-隔水或富水性极弱:枯季地下水径流模数<0.1 L/s·km2,泉流量<0.1 L/s;8.碎屑岩裂隙水-富水性弱:地下径流模数0.1～1 L/s·km2,泉流量0.1～0.5 L/s;9.纯碳酸岩岩溶水-溶洞暗河中等发育,暗河(大泉)流量10～100 L/s,地下径流模数3～5 L/s·km2;10.火成岩裂隙水-富水性中等,地下径流模数0.5～2 L/s·km2,泉流量0.1～1 L/s;11.碎屑岩裂隙水-富水性强:地下径流模数>2 L/s·km2,泉流量>1 L/s;12.河流水系;13.矿坑涌水量估算面积范围

2.1.2 边界条件

石屏法乌铜多金属矿区KT9号矿体分布于山体东侧,地下水均赋存于中元古界板岩、灰岩分布区,矿体围岩(花岗岩)富水性弱,以岩石裂隙水充水为主。根据区内岩石裂隙发育特征及坑道8个月的抽(排)水情况,本次对PD91(KT9)只估算标高在1 246 m以上的矿坑涌水量。

2.1.3 参数取值及计算

参照法乌矿区勘探报告中的钻孔压水试验成果。钻孔单位透水率(q)ZK9-2为0.91 Lu、ZK2-2为0.98 Lu,属弱透水性。依据ZK2-2、ZK9-2两个钻孔压水试验揭露的地层岩性及水文地质特征,其水文地质参数计算采用潜水完整井计算公式。

计算单位吸水量(ω),采用公式:

(1)

计算影响半径及渗透系数,采用公式:

(2)

式中:Q为流量(L/min),13.14 L/min;K为渗透系数:m/d;r为钻孔半径:0.037 5 m;S为钻孔静止水位为16.00 m;H为含水层厚度268 m;L为试段长度:285 m;

运用公式(1)和(2),计算结果为K=0.005 6 m/d,R=39.19 m。

2.1.4 涌水量估算

裘布依理论式计算法:

1)参数校验

PD91巷道1 460 m标高范围已有实测涌水量平均136 m3/d,对应的水位降深54 m,巷道长度约243 m,结合这几个实测参数对涌水量计算方法的主要参数进行校验。

根据《环境影响评价技术导则地下水环境(HJ610-2011)》中给出的公式计算影响半径:

(3)

式中:H为含水层厚度(m);W为降水补给强度(m/d);μ为重力给水度;K为渗透系数(m/d);

(4)

式中:Q为矿坑涌水量(m3/d);H为含水层厚度(m);h为坑道内水柱高度(m);K为渗透系数(m/d);R为影响半径(m);L为坑道长度(m)。

联立公式(3)(4)得出综合参数如下:

H为含水层厚度,54 m;W为降水补给强度,0.004 932 m/d;μ为重力给水度,0.008;K为渗透系数0.008 8 m/d;

2)预测影响半径及涌水量计算

矿区开采矿体含水层厚度为1 514～1 246 m,水位降深(S)为268 m,含水层厚度(H)为268 m;S=H=268 m。其它参数使用校验后得出的参数,代入公式(3)中计算。

计算结果为R=302 m。

式中:H为含水层厚度,268 m;W为降水补给强度,m/d;μ为重力给水度;K为渗透系数0.008 8 m/d;

涌水量计算使用公式(4),上式中:Q为矿坑涌水量(m3/d);H为含水层厚度(m):268 m;h为坑道内水柱高度(m):1 m;K为渗透系数(m/d):0.008 8 m/d;R为影响半径(m):302 m;L为坑道长度(m):300 m。

其它参数:坑道长度(L),按矿体中部向两边拓硐采矿取其矿体总长度作为坑道长度;坑道内水柱高度h取1 m。

计算结果为Q=630 m3/d。

2.2 比拟法

鉴于矿区地形坡度较陡,大气降水大部分呈地表径流流出矿区外,少部分渗入地下以及含水层的岩石裂隙不甚发育等特点,在涌水量预测中,采用PD91坑道8个月排水量的平均值代表矿区的实测涌水量。

矿坑涌水量预测采用以下简化计算公式:

(5)

KT9矿体:式中:Q1为实测矿坑排水量(m3/d);用PD91坑道排水量最大值146 m3/d、平均值136 m3/d。F为预测坑道控制1 246 m标高中段面积为267 500 m2;F1为已知坑道控制1 460 m标高中段面积为140 500 m2;S为预测1 246 m标高中段水位降深为268 m;S1为已知PD91坑道1 460 m标高中段水位降深为54 m;

计算结果Q最大=619 m3/d、Q平均=576 m3/d。

3 结论及建议

3.1 结论

(1)矿区构成第四系冲洪积、残坡积孔隙含水层—裂隙岩溶综合含水层—花岗岩风化裂隙含水层的水文地质结构。

(2)采用裘布依理论式计算法预测矿坑涌水量为630 m3/d,与采用PD91坑道排水量资料比拟法计算的576 m3/d结果相对接近,说明边界条件及参数取值较为合理,计算结果可信。

3.2 建议

未来矿坑充水主要矿层为中元古界昆阳群大龙口组板岩、灰岩及花岗岩裂隙水的直接渗入补给。其它含水层离矿区较远,对矿坑充水一般影响较小。侵蚀基准面以下矿层的顶板、底板均为相对隔水层,充水量很小,一般只表现顶板淋水,若井巷地处坡脚且通过岩石裂隙发育地带,顶板崩扩展至地表附近时则可能产生矿坑涌水现象,并且地表水与地下水间接联系较密切,地下水涌水量随降水量变化而变化,在雨季,坑道涌水量会明显增大。所以,在未来矿区建设生产中,要做好矿坑涌水量的动态监测,对有积水的区域要做好排水工作。