云南保山勐糯铅锌矿床矿坑充水因素及涌水量预测

张权　杨清荣　李永生　谢恩彩　杨世成　刘炼锋

［关键词］矿坑；涌水量；比拟法预测；铅锌矿；勐糯

随着矿产资源的开发深度在不断加大，矿山采掘工程活动将打破地下水的动态平衡，以达到新的平衡，在这个过程中可能酿成水害事故发生[1]，一旦遇到水害，由于其水量大、突发性强和破坏后果严重，常常带来惨重的人身伤亡及经济损失，给矿山的效益及安全开采带来了极大的威胁[2-8]。为此，准确预测矿坑涌水量对矿山安全高效运营意义重大。

勐糯铅锌矿自建矿以来，除在不同勘查阶段做过3期专门的水文地质勘查工作外，还专门针对矿区水文地质条件、地下水化学成分进行了研究[9]，预测了矿坑涌水量[10]。

目前，矿山的开采标高已由最初的1050 m 下降至当今的200 m，矿山的主要采掘巷道均位于最低侵蚀基准面怒江（590 m）以下，其水文地质条件较之以往发生了较大变化，未来，随着采掘工程不断向深部延伸，需要进一步明确矿区水文地质条件并预测矿坑涌水量，以期为矿山安全运营提供可靠依据。

1 矿区概况

矿区处于勐糯盆地与东侧分水岭夹持的斜坡上，一般地形坡度为15°～25°左右，最高点为矿区南部红木寨分水岭梁子，海拔1204 m，最低点为怒江河床，标高590 m，相对高差614 m。矿区属亚热带气候，雨量充沛，根据龙陵县气象局勐糯镇气象站2007～2022年气象资料，多年降雨量变化于679.30～1137.0 mm之间。

2 水文地质特征

2.1 区域水文地质特征

区域内有怒江大断裂通过，并伴随多条压扭性次级断裂，其走向近于南北，大致呈弧形等距离平行展布。这些断裂控制了含水层的产状、补给和径流、排泄条件。区内分布的主要含水层有：第四系松散岩类孔隙含水层，中三叠统（T₂）岩溶裂隙含水层，泥盆系（D）岩溶裂隙含水层，中志留统上仁和桥组上段（S₂r²）裂隙含水层，下志留统下仁和桥组（S₁r）裂隙含水层。相对隔水层有：奥陶系（O）、寒武系（ε）隔水层，中志留统上仁和桥组下段（S₂r¹）隔水层，上志留统（S₃）隔水层。

大气降水是区内地下水主要的补给来源。地表水的渗漏亦是区内地下水的一个重要补给来源，区内第四系孔隙水和基岩裂隙水接受大气降水补给后，短途运移，就地排泄，丰水期沟谷地带易于形成短暂表流，在碳酸盐岩裸露的沟谷，地表径流常常会大量渗漏补给地下水。

区内地下水径流和排泄条件主要受中部岩溶水系统控制。自然条件下，含水层接受大气降水补给后，从东、南、西分水岭依地势向下径流，在地形切割强烈区域以风化裂隙泉点或泄流带的形式排泄，汇聚成溪流，进入碳酸盐岩分布区后，部分地下水依地势自分水岭向中部勐糯盆地等沟谷一带汇集，形成了丰富的地表水资源。

勐糯矿区位于东部分水岭附近，矿山主要开拓系统均布置于志留系中统底部的碎屑岩地层中，顶底板含水层为弱富水性的厚大含水层。天然条件下，该含水层接受补给后，多于沟谷切割强烈处以风化裂隙泉水形式排泄。在开采条件下，勐糯矿区主要是对志留系中统和下统基岩裂隙水静储量的疏干排水，巷道涌水以各中段沿脉、穿脉迎头掘进所揭露的构造裂隙水为主，边掘进边疏干。

2.2 矿区水文地质特征

矿区出露地层较全，奥陶系、志留系、泥盆系、三叠系、侏罗系和第四系均有出露，地层岩性主要为碳酸盐岩和细碎屑岩建造，地层整体呈南北向展布（图1），其中，中志留统上仁和桥组下段（ S₂r¹）为矿区主要赋矿层位。

2.2.1 含水层

（1）下志留统仁和桥组（ S₁r）

岩性为浅灰白色石英砂岩、石英千枚岩夹薄层黑色千枚岩，构造裂隙较为发育，多以层间破碎带和微细裂隙为主，为矿床底板直接充水含水层。ZK132-101钻孔抽水试验单位涌水量0.018 L/m·s，渗透系数0.058 m/d；200中段56线、48线钻孔放水试验单位涌水量0.017-0.017 L/m·s，渗透系数0.002～0.006 m/d，该含水层富水性、透水性均较弱。

（2）中志留统上仁和桥组上段（ S₂r²）

该层由长石石英砂岩夹深灰色石英千枚岩、黑灰色千枚岩组成，厚度42～400 m，平均153.26 m，自上而下产状变陡并渐具承压性，为矿床顶板直接充水含水层。SK02 水文地质孔下段抽水试验单位涌水量0.008 L/m·s，渗透系数0.017 m/d；200中段44线、40线钻孔放水试验单位涌水量0.011～0.015 L/m·s，渗透系数0.004～0.005 m/d，该含水层富水性、透水性均较弱。

（3）下泥盆统向阳寺组（D₁x）

该层岩性为灰色、青灰色、紫红色薄层条带状灰岩、泥灰岩及夹钙质、泥质粉砂岩，岩芯比较破碎，节理较发育，岩溶裂隙发育弱，仅在断裂破碎带两侧存在一定的溶蚀裂隙痕迹，根据SK02钻孔抽水试验，单位涌水量0.036 L/m·s，渗透系数0.027 m/d，富水性、透水性弱。

（4）中泥盆统何元寨组（D₂h）

该地层常见具有泥质结构的浅灰色中—厚层状泥灰岩，底部可见微晶灰岩；岩芯多呈碎块状及角砾状，少量呈短柱状，岩体极破碎，节理裂隙较发育，发育有强富水性岩溶裂隙导水通道，岩溶发育标高多集中在850～690 m，以溶蚀裂隙为主，该含水层发育有一个岩溶大泉（金坑电站泉）位于勐糯盆地下游沟口附近，流量600～1440 m?/d。据钻孔抽水试验，该层单位涌水量0.177～0.180 L/m·s，渗透系数0.161～0.190m/d，富水性、透水性中等。

（5）中三叠统（T₂）

分布于盆地中部，岩性为灰白、肉红、紫灰色白云岩、白云质灰岩、砂质灰岩，岩溶类型为覆盖型，岩溶极其发育，是区内主要强含水层。该地层岩溶发育十分强烈，分布于盆地中部第四系之下，在地下一定深度转化为水平溶洞或溶蚀管道系统，形成典型的埋藏型岩溶景观（仙人洞），部分裸露于地表的岩层则形成浑圆状山头，静止水位标高745～756 m。仙人洞暗河发育于该含水层中，由南向北径流，在大田坝上村寨以东200 m处溢出，暗河流量9200 m?/d～10500 m?/d，年内流量变化较小。据钻孔抽水试验，单位涌水量0.033～2.194 L/m·s，渗透系数0.0533～2.6597 m/d，为区内强—极强富水性含水层，但岩溶发育极不均一。

（6）第四系（Q）

多分布于沟谷一带，岩性主要为亚砂土、亚粘土、砂砾石、泥炭质淤积、洪积、残积、坡积土，厚度0～44 m，最厚处位于盆地中部，整体富水性弱。

2.2.2 相对隔水层

（1）奥陶系（O）、寒武系（ε）

奥陶系地层岩性为紫红色夹绿灰色页岩、粉砂岩夹石英砂岩，厚度200～500 m。寒武系地层岩性为灰色板岩夹变质砂岩、硅质岩，厚度大于500 m。节理裂隙极其发育，但多为泥质和钙质充填。

（2）中志留统上仁和桥组下段（ S₂r¹）

为区内铅锌矿体的含矿层位，岩性为层纹状灰岩、泥灰岩，夹灰黑色含碳千枚岩及浅绿灰色沉晶屑凝灰岩，厚度为11～77 m，变化较大。矿该层地表无泉水出露，岩层节理裂隙不发育，岩心完整，无地下水活动迹象；局部地段岩石受断层影响，岩心破碎，但隔水性仍很好。为矿区两个含水层的隔水顶底板。

（3）上志留统（S₃）

由灰-深灰色千枚岩夹石英千枚岩组成，厚度48～120 m，节理裂隙不发育，无泉水出露，隔水性良好。对矿区地下水向勐兴坝子排泄起了隔水作用。

2.2.3 构造及其富水性

（1）南北向断层

F1断层：为一压扭性断裂，长度1.3 km，该断层在巷道内仅见微滴水，SK02水文地质钻孔揭穿该断层，据巷道调查出水及钻孔抽水试验推测，该断层导水性较差。

F10断层：从矿区西缘通过，为怒江断裂系之分支断裂，破碎带宽数米至数十米，一般西盘下降，倾向东或西。SK01水文地质钻孔位于F10断层东侧泥盆系灰岩含水层中，其水位低于断层西侧三叠系含水层，盆地下游排泄区两条暗河分布于该断层的两侧，推测该断层具有一定阻水性能，断层两侧水力联系弱。

（2）东西向断层

F2断层：该断裂带走向近东西，倾角约45°，倾向北北西，发育深度约900 m。整体视电阻率在0.1～100 Ω·m，富水性、导水性比较好。

F3断层：该断裂带走向北东，倾角约60°，倾向南东，张扭性质，发育深度约800 m。视电阻率在10～100 Ω·m，富水性、导水性一般。

F4断层：该断裂带走向北东，断裂带上盘倾向南东，倾角约80°，下盘倾向北西，倾角约80°，发育深度约1000 m。该断裂带视电阻率在10～100 Ω·m，富水性、导水性一般。

F5断层：张扭性质，走向近东西向，被F3错断，与断裂带F4交汇，埋深标高700～1000 m不等，断裂带整体视电阻率10～100 Ω·m，富水性、导水性好。

（3）节理裂隙

矿区节理主要以剪节理为主，少部分为张节理。地表和深部节理，按走向优势节理方位有280°～310°、5°～15°、35°～45°三组。总体上矿区地表节理较为发育，有利于地表水入渗补给，地下水坑道节理虽然较为发育，但是裂隙的延展性和连续性较差，垂向上难以形成连通性很好的有效裂隙网络系统，含水层层间节理裂隙是地下水和地表水的主要运移通道[10]。

2.2.4 矿区地下水与地表水的联系

怒江为区内最大的地表水体，3500 m?/s，距离矿区约3000 m。另外，矿区一带树枝状沟系及冲沟发育，多为季节性间歇溪流，雨季强降雨时存在地表明流，向下游进入碳酸盐岩后逐渐下渗断流，枯水季节则多为干沟，盆地中部发育有勐糯河，天然流量1.1m?/s，下游蛮关、大田坝一带，水电厂人工引水和仙人洞暗河水汇入后流量较大，约11 m?/s。

（1）怒江江水与矿区地下水联系

天然条件下，勐糯盆地水文地质单元内地下水向盆地中部进行排泄，而后以地表水和暗河水的形式汇聚后向怒江排泄，矿区东部分水岭以东地表水与地下水则直接向怒江进行排泄，受矿山开采影响，当前矿坑最低开拓标高200中段与怒江水面（590 m）之间存在较大的水头差，但由于地层岩性、构造等因素影响，怒江水与矿坑水之间无明显水力联系。具体原因如下：

①距离远，深部开采集中在中部和南部，向北和向东距离怒江超过3 km。

②矿床顶底板地层普遍为砂岩、千枚岩等碎屑岩地层夹灰岩或灰岩透镜体，岩层薄层状结构，含水层富水性透水性弱，含隔水层相间分布，深部裂隙闭合充填的更好。矿区东部分布巨厚奥陶系、寒武系隔水层，可有效阻隔怒江江水对矿坑水的补给。

③受区内东西向主应力的强烈挤压变形和断层的错断，含水层在南北向不连续，呈现出断断续续分布的特点，无法与怒江进行有效沟通。

④经对矿区地表水和地下水水化学组分进行了测试（测试结果详见表1），怒江水与矿坑排水水质类型存在较大差异，怒江水质中Na+、K+比坑道水质中少的多，说明怒江水不是坑道水的充水水源，如图2。

（2）盆地中部地表水与地下水的联系

3 矿床充水因素分析

勐糯矿区含矿层为中志留系统上仁和桥组下段（S₂r¹）相对隔水层，顶底板千枚岩、石英砂岩组成的厚大的弱含水层为矿坑水的主要充水水源。随着矿山开拓系统的不断加深，勐糯矿区呈现出典型的空间流场形态，即矿山开采仅对开拓系统两侧的局部静储量进行疏干，影响范围有限，含水层补给矿坑水较为缓慢，整体地下水流场受影响较小。

坑道地下水化学类型主要为HCO₃-Ca·Mg、HCO₃-Ca·Na·Mg、HCO₃·SO₄-Ca·Na·Mg型，地下水以溶滤作用为主，近源补给，渗透路径较短；水温各中段差异明显，水温由860中段的21.6℃向深部增高至0m标高的35℃，显示垂向上各中段水力联系较弱；各含水层电导率差异明显，含矿层（S₂r¹）900～2100 μs/cm，顶板（S2r2）430～490 μs/cm，底板（S1）510～620 μs/cm，说明在平面上，含矿层与其顶底板之间水力联系弱，导水通道主要为构造裂隙。

矿区最低开拓标高为200中段，未来将继续向深部延伸，当前矿坑深部水位低于盆地中部强富水性岩溶裂隙含水层550 m，水头差较大，但顶板志留系中统和上统及泥盆系下统（S₂r²+S₃+D₁）富水性、透水性均较弱，共同组成一道厚层状阻水墙，能有效阻挡盆地中部强岩溶裂隙含水层与矿坑水之间的水力联系，当前矿坑水与盆地中部灰岩水之间水化学类型差异较大，见图3。矿区充水水源主要为基岩裂隙水，导水通道为采动裂隙及构造裂隙带。

4 矿坑涌水量预测

4.1 预测方法选择

应用单位涌水量比拟法，一般情况下，疏干面积（F₀）和降深（S₀）通常是矿坑涌水量（Q₀）增大的两个主要因素。勐兴铅锌矿已有60多年的开采历史，由于未来矿区拟设计开拓中段150 m、100 m、50 m与0 m中段是现有中段200中段的延深，根据本次水文地质调查，水文地质条件、开拓方法与上部中段类似，具备比拟法估算矿坑涌水量的基础。因此，可以利用现有中段的矿坑涌水量资料，采用比拟法估算深部不同中段的矿坑涌水量。由于矿区基岩透水性弱，富水性差异大，矿床地下水接受区域地下水侧向补给水量有限，以垂向补给为主，控制着中上部地下水流场分布，中下部含水层压力释放并向上传导，形成了以疏干巷道为中心的从源到汇的三维空间流场分布特征。矿山含水层只能局部疏干，水位难以降至开采水平，井巷排水量主要受井巷揭露基岩构造裂隙的数量控制。因此，矿山以疏干面积作为比拟要素。

4.2 预测结果

4.2.1 已知中段开采系统涌水量（Q₀）

矿区井下通过200 中段水仓与500 中段水仓排水，主要包括550中段、500中段、390中段、350中段、300中段、250中段、200中段，通过2018～2022年四个年度的涌水量动态观测，统计所得860坑中段总涌水量，本次比拟选择平水期涌水量1150 m?/d作为Q₀。

4.2.2 设计中段开采系统控制面积（L）和已有中段开采系统控制面积（L₀）

由于未来开采设计中段与现有开采中段类似，开采矿体为现有开采矿体的延伸，不同中段探矿巷道的断面基本一致，开拓面积与巷道的展开长度呈线性关系。比拟中段与其余中段巷道总长度之比L/L₀即可代表控制面积之比。比拟中段巷道总长度为11915m。

比拟法计算涌水量公式如下：

n—正常涌水量与最大涌水量变化系数。

4.2.3 计算结果

将各项参数代入上述计算公式进行计算，所得涌水量计算结果如表2。

5 结论

（1）矿区含水层在平面上和垂向上呈强弱相间分布，矿床顶板直接充水含水层为志留系中统上仁和桥组上段（ S₂r²）裂隙含水层，底板直接含水层为志留系下统下仁和桥组（S₁）裂隙含水层，富水性、透水性弱。矿床顶板间接充水含水层为泥盆系（D）岩溶裂隙含水层组，富水性弱―中等；在顶板间接充水含水层与直接充水含水层之间分布有隔水性能较好志留系上统（S3）相对隔水层，使得上下含水层之间水力联系较差。

（2）怒江水与矿坑排水水质类型存在较大差异，怒江水不是坑道水的充水水源。勐糯矿区含矿层为志留系下统上段（S₂r¹）相对隔水层，顶底板千枚岩、石英砂岩组成的厚大弱含水层为矿坑水的主要充水水源。

（3）运用比拟法，对矿山未来不同开拓标高的矿坑涌水量进行了预测，从150 m至0 m，矿坑涌水量有增大趋势，在深部巷道开拓时，因基岩水含有一定的静储量，且水压较高，矿山应加大排水仓、增加排水设施，降低突水危害。