广西某铅锌矿水文地质条件分析与涌水量预测

曹兴旺，王 恒，杨明明

(桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004)

广西某铅锌矿水文地质条件分析与涌水量预测

曹兴旺，王 恒，杨明明

(桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004)

盘龙铅锌矿位于广西壮族自治区武宣县城以南桐岭镇的盘龙村～湾龙村一带。矿体赋存于下泥盆系上伦组白云岩中，顶底板围岩均为白云岩，矿体延伸展布受白云岩及层间挤压破碎带的控制，矿床水文地质条件相对复杂。通过资料收集与水文地质调查，综合分析盘龙铅锌矿地质、水文地质条件。采用几种不同的方法对本矿的涌水量进行预测。结果得出:大岭矿段矿坑总涌水量枯水期为950 t/h、丰水期为1 200 t/h。

矿床开采;矿井涌水量;水文地质条件;涌水量预测

矿井涌、突水是一个复杂的地质问题，这使得矿井涌水量的预测值与实际值往往存在较大的偏差，矿井涌水量的预测往往难以获得令人满意的结果，这也导致矿井涌、突水的生产事件给国家的财产和矿工的生命安全造成了巨大的威胁。

矿井涌水量是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一，关系到矿山的生产条件与成本，对矿床的经济技术评价有的影响很大，并且是确定开采方案、排水设备和制定防治水措施的重要依据［1］。

预测矿井涌水量方法可分为两类:一类是集中参数法，另一类是分布参数法(见图1)。

图1 矿井涌水量预测方法分类图

矿井涌水量预测的发展的历史几十年来，各种数学模型在当时开采规模和勘探条件下，所预测的矿井涌水量对某些矿山开采起到了一定的积极指导作用，随着矿山开采深度的加大和水文地质勘探所提供的不同性质的信息资料，一些涌水量预测的数学模型被后继发展的新的数学模型所代替。如此反复，使得矿井涌水量预测的数学模型不断发展［2］，精度也不断提高。

1 研究区水文地质

1.1 含(隔)水岩组及地下水类型

根据地层岩性、岩层组合及地下水赋存条件，区内共划分三种地下水类型，即松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水和碳

酸岩盐岩溶水，在碳酸岩盐岩溶水中又分碳酸岩盐岩裂隙溶

洞水和碳酸岩盐岩溶洞裂隙水两个亚类。

1.1.1 松散堆积层孔隙水

矿区内第四系松散堆积层广泛分布于洼地、谷地和平原地带，岩性为含铁锰结核粘土、含碎石粉质粘土，透水性弱或相对隔水。因河流切割较深、下伏岩溶发育，枯季地下水位一般都在基岩面以下，因此，一般属弱透水非含水层。仅在低洼地带弱含水。

1.1.2 基岩裂隙水

分布于矿区的南部、东南部丘陵地区，岩层包括:泥盆系下统郁江组(D1y)、那高岭组(D1n)、莲花山组(D1l)紫红色砂岩、泥质粉砂岩、泥页岩等。岩层中构造裂隙、层间裂隙、风化裂隙较发育，密集细小，透水性较差，地下水赋存和运移在裂隙中。在有利地形条件下，形成小泉水，泉水流量一般为0.08～0.82 L/s，属弱富水性，深部富水性更差，极弱富水性，属隔水层。

1.1.3 碳酸岩盐岩溶水

1)碳酸岩盐岩裂隙溶洞水

分布于矿区的北部、中西部和矿区外6～10 km的西部和西北部，岩层包括:石炭系上统、中统、下统和泥盆系上统、中统的灰岩、白云岩、白云质灰岩，局部夹泥灰岩、硅质岩等。碳酸岩盐厚度大，质纯，地下岩溶较发育，绝大部分地下水赋存运移于地下岩溶管道或裂隙状溶洞中，由于地下岩溶管道、裂隙状溶洞规模较大，透水性极强，但均匀性较差。在有利的地形、构造和岩性组合因素的影响、控制下，可形成大泉及地下河，成为富水带，总体属于强富水性含水岩组。其中:

石炭系上统(C1)分布区龙从灌区三级站附近的222号泉群流量25.75 L/s，泉群口标高87 m，表明该带地下水位低于87 m标高，在泉群西北部调查的20多个溶洞和落水洞标高均在87 m以上，不见水，又无泉水，是必然的。泉群的北东面220号溶洞见水，标高74 m，推测暗河地下水流向，认为地下水由南西向北东迳流，排泄于黔江。

石炭系中统(C2)分布区调查泉水14个，流量一般为3～5 L/s，最大流量75 L/s，中等流量为30 L/s，地下水由南西向北东迳流，排泄于黔江。

石炭系下统(C3)分布区西南部出露三个泉水，流量分别为 13.33 L/s、23.57 L/s、2.8 L/s，地下水总体由南西向北东迳流，排泄于黔江。

泥盆系上统融县组(D3r)分布区仅见一个大的泉水，位于北面排泄区，出露于落水洞底部，估计流量50 L/s。197号落水洞水流方向40°，即地下水迳流方向，排泄于黔江。

泥盆系中统东岗岭组(D2d)、巴漆组(D2b)分布区的泉水流量在5～10 L/s之间，根据泉水出露标高分析，地下水沿北东方向迳流，排泄于黔江。

2)碳酸岩盐岩溶洞裂隙水

分布于矿区的中部、中西部。岩层包括:泥盆系下统大乐组(D1d1)、官桥组(D1g)、二塘组(D1e)和上伦组(D1s1)地层，以薄—中层状白云岩、白云质灰岩、灰岩、泥灰岩、泥质灰岩为主，层间夹钙质页岩、硅质岩等。不纯碳酸盐岩厚度较大，质不纯，并夹有非可溶岩，地下岩溶不太发育，以溶蚀裂隙为主，地下水赋存运移于地下构造裂隙、层间裂隙和溶蚀裂隙及小的溶洞中，由于地下溶蚀裂隙规模较小，透水性中等，部分呈弱透水性(如大乐组)，均匀性较差。在有利地形、构造和岩性等因素的影响、控制下，以中小流量的泉出露，泉水流量一般在1～2.53 L/s之间，一般属中等富水性含水岩组，部分成为相对隔水岩组。

1.2 岩溶发育特征

1.2.1 地表岩溶发育特征

矿区内地表岩溶有溶洞、落水洞、溶蚀裂隙等，多发育于岩层层面与构造裂隙交叉部位，沿层面和裂隙面继续向深部延伸发育，岩溶发育受岩层层面及构造裂隙控制，大多数溶洞不见水，说明地下水位埋深大。

溶洞:因多期次地质构造运动地壳升降和溶蚀作用影响，致使区内地形相对高差拉大，60～65 m标高以上的溶洞悬挂于峭壁之中，成为无水溶洞，规模3～5 m，高出当地基侵蚀准面10～50 m不等。

落水洞:多分布于谷地、平原、洼地边缘地带，规模大小不一，最小直径不到1 m，一般5 m左右，最大的134号落水洞直径14.5 m，深6 m，197号落水洞规模30×20 m，深2～4 m。许多落水洞是当地地表水、地下水的补给、排泄通道。

1.2.2 地下岩溶发育特征

据1:20万来宾幅区域水文地质普查资料，浔江流域桐岭一带地下岩溶具有如下特征:

(1)岩溶发育呈成层性:大致可以分为两层，即标高40～60 m、5～30 m。

(2)岩溶发育数量随着深度增加而减少:标高5米以上为岩溶强烈发育带，标高5米以下为岩溶弱发育带。

(3)岩溶发育规模随着深度增加而减小。

(4)溶洞充填物随着深度增加而减少:标高40～60 m的溶洞多被充填;标高5～30 m的溶洞多为半充填;标高5 m以下的溶洞多为空洞。

2 矿坑涌水量预测

2.1 解析法计算结果

解析法是预测矿井涌水量的常用方法之一，具有适应能力强的特点［3］，它是运用地下水动力学原理，以数学分析的方法，对一定边界条件和初始条件下的地下水流动问题理想化模式的定解公式，然后，应用这些公式预测矿井涌水量［4］。

现分别利用稳定流和非稳定流解析法进行矿坑涌水量:

2.1.1 稳定流

首先，选择计算公式。将矿坑视为一个大井，使用大井法计算，公式为:

式中:K为渗透系数(m/d);H为潜水含水层水头(m);h为水头值(m);Q为流量(t/d);r为钻孔距大井中心的距离(m);C为常数1。

其次，进行参数计算。以24线为界分成两部分，根据钻探揭露的主要岩溶段深度和现状矿坑地下水位，取平均标高－50 m为含水层底板，坑道放水试验 S1、S2期间，即2010年5月25日至7月5日的平均流量为20 331.24 t/d。取其中具有代表性钻孔对应的观测数据(h由S1、S2观测资料可知)，并代入(1)式计算得 r、h值，见表1。

表1 稳定流计算的含水层渗透系数结果表

24线以东地带，以水22至水161钻孔计算的平均值:K1=3.690 m/d代表东亚区含水层的渗透系数;24线以西地带，以ZK2405至 ZK5001钻孔计算的平均值:K2=8.494 m/d代表西亚区含水层的渗透系数。按面积比，取K2权重为2、K1权重为1，进行加权平均得:水均衡区含水层的渗透系数为 K=5.291 m/d。

最后，进行矿坑涌水量预测。利用上述计算参数，并取水头值为标高－70 m，代入(1)式计算，得:矿坑地下水水位降深至－70 m水平时的矿坑涌水量为:

Q=21 582.646 t/d，即 899.277 t/h。

2.1.2 非稳定流

首先，选择计算公式。

式中:r为钻孔到井中心的距离(m);S为降深(m);Q为涌水量(t/d);T为含水层导水系数(m2/d);s为储水系数;a为传导系数(m3/d)。

其次，进行参数计算。由于放水试验时间较长，可采用Jacob直线图解法在半对数坐标纸上放水试验数据绘制曲线s－t的直线段求参。

计算的参数如表2。取代表性钻孔统计平均值得:含水层的导水系数 T=228.386m2/d，影响半径r=528.786m。

表2 非稳定流计算的含水层水文地质参数结果表

最后，进行矿坑涌水量预测。利用上述计算参数，并取水头值为标高－70 m，代入式(3)式计算，得:地下水水位降深至－70m水平时的矿坑涌水量为:

Q=26 750.68t/d，即 =1 114.612 t/h。

2.2 相关分析法计算结果

相关分析法是根据数理统计学理论，利用抽(放)水试验结果，建立起降深与涌水量相关公式，进行外推计算涌水量或降深的一种常用地下水资源评价方法，因此，相关分析法要求试验条件尽量的接近未来开采条件［5］。

现利用该进行矿坑涌水量计算，计算方法与步骤如下:

首先，选择计算公式。降深与涌水量相关关系常见有直线型、对数型和指数性等，可利用(4)式的计算结果鉴别曲线类型、选择计算公式［6］。

式中:S1、S2为水位降深(m);Q1、Q2为涌水量(m3/d)。

表3 降深与涌水量关系表

其次，确定待定参数。作出Q－lgS曲线，计算确定参数得，地下水水位降深至－70米水平时的矿坑涌水量为:

Q=23 762.664 t/d，即 990.111 t/h。

2.3 水文地质比拟法计算结果

水文地质比拟法是根据地质、水文地质条件相似性，利用已知区段、开采水平的矿坑涌水量、降深和巷道长度、面积等资料，建立起比拟公式，进行未知区域水量计算的一种常用地下水资源评价方法，即利用已知矿井涌水量预测新建矿井涌水量［7］。

首先，选择计算公式。根据水文地质条件分析，选择－70 m中段实际观测资料做为已知数值，进行比拟计算。可利用(5)式做为比拟法计算公式。

式中:n为常数取0.6;Q为预测涌水量(t/d);Q0为实测涌水量(t/d);L0为实际巷道长度(m);L为设计巷道长度(m)。

已知数据表4:

表4 －70 m中段已知涌水量表 t/d

根据矿山开采方案，－70 m中段开采将向东、西两端扩展，巷道将不断增长，当达到设计总长度时为2 030 m，将其代入(5)式计算，得:矿坑涌水量见表5。

表5 －70 m中段水文地质比拟法计算矿坑涌水量结果表

2.4 矿坑涌水量计算结果综合评述

根据上述计算3种方法的计算结果，汇总得矿坑预测涌水量如表6。

从表中可以看出，上述几种方法计算预测的矿坑涌水量都比较相近，年平均涌水量在700～1 100 t/h之间。水文地质比拟法计算的是－70 m中段达到设计最终开采边界的矿坑涌水量，根据钻探反映的地下岩溶发育和矿坑实际涌水量情况，－120 m中段涌水量可能偏大，主要是把该段含水层水文地质参数视为与浅部一致所引起。当前，矿山开采是－70 m、－120 m、－170 m几个中段同时进行的，矿坑地下水降落漏斗中心水位最低标高多保持在－60 m左右，为此，矿山建设设计总涌水量应当使用水文地质比拟法－70 m中段的计算值，即枯水期为950 t/h、丰水期为1 200 t/h、暴雨时为1 700 t/h。当然，矿坑排水泵量设计时，也应该考虑当出现大面积地面塌陷、大的岩溶管道与黔江沟通和特大突水、水泵维修的情况。

表6 矿坑涌水量计算结果汇总表 t/h

各预测方法预测结果对比如图1。可知，非稳定流解析法预测的矿井涌水量最大，稳定流解析法最小。由于矿山巷道开拓时而进行，时而停止，而其会对矿井涌水量产生影响。矿区的地下水流即非稳定流，也不是完全的非稳定流。而相关分析法是由统计规律得来，此方法未考虑水文地质参数的作用。故认为水文地质比拟法预测结果较为合理。

图1 各预测方法预测结果对比图

图2 水文地质比拟法不同水文季预测结果对比图

水文地质比拟法不同季节预测结果对比如图2所示。由图上可以看出，枯水期和丰水期预测涌水量相差不大，这和本区的气候和地下水补给来源有关，枯水期和丰水期降雨量相差很大，但是降雨入渗补给所占的比例较小。随着矿井排水，地下水位下降，黔江补给地下水所占比例较大，因此枯水期和丰水期涌水量差别不大。

3 结语

通过收集分析前人的资料成果，及进行矿山水文地质调查，对广西武宣县盘龙铅锌矿区水文地质条件进行分析，最终对本矿区的水文地质条件评价结论如下:

1)盘龙铅锌矿区－150 m标高以上地带，主要矿体位于当地侵蚀基准面——黔江河床以下;主要充水含水层包括岩溶较发育富水性中等(局部强)的矿体及其顶、底板;地下水有来自西侧的降雨补给，也有黔江河水的倒灌补给，补给条件较好，与地表水的水力联系较密切;正常条件下矿坑涌水量500～900 t/h，特大暴雨过后或发生大的突水时，矿坑总涌水量会出现大于1 000 t/h的现象，属于大水矿山;矿床开采时需要采取强排水、防水措施。

2)矿区内，地下水可划分为松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水和碳酸岩盐岩溶水三种类型，在碳酸岩盐岩溶水中又分碳酸岩盐岩裂隙溶洞水和碳酸岩盐岩溶洞裂隙水两个亚类。其中下泥盆统上伦组上段(D1s12)白云岩为含矿层和主要含水层位，富水性中等，为矿坑最主要的充水含水层。按照含水层类型划分，该区属于以溶蚀裂隙岩溶含水层充水为主的矿床。

3)矿区属于一个较完整的水文地质单元，平面图上呈“∠”字形展布。其中:南部为浅变质砂岩、泥页岩组成的隔水边界;西北部沿社头－桥乡一带由下泥盆统大乐组泥灰岩构成相对隔水边界;北部和东部为黔江补给边界。

4)矿坑充水的主要来源为降雨入渗、灌入和黔江河水的反补给;充水的主要形式有裂隙涌水和溶洞、溶蚀裂隙或破碎带突水。

5)根据多种方法计算并比较可得，大岭矿段矿坑总涌水量枯水期为950 t/h、丰水期为1 200 t/h、暴雨季节为1 700 t/h。

6)矿坑地下水涌水量较大，枯水期也在600 t/h以上，随着生产巷道的延伸(深)，还会超过1 000 t/h，从水量上可以满足矿区生产、生活用水的需求。但是，水质分析结果表明，地下水用于工业、农田灌溉是适宜的，地下水中As已经超标污染，不能直接作为生活用水，要采取适当措施进行处理，达到生活饮用水水质标准，矿坑地下水也可以作为矿山供水水源地。

［1］采矿手册 vo16［M］.冶金工业出版社.1991.

［2］祝晓彬.地下水模拟系统(GMS)软件［J］.水文地质工程地质.2003(5).

［3］张本臣，刘喜信，孙传斌.矿坑涌水量预测的影响因素分析［J］.吉林地质.2006，25(1):58 －61.

［4］王晓明，代革联，巨天乙，唐亦川，可视化的地下水数值模拟［J］.西安科技学院学报.2004(2).

［5］徐高强.山西省煤犷区矿井水涌水量预测模型研究.太原理工大学学位论文.太原:太原理工大学市政工程.2008.

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P641.4+63

B

1004－1184(2012)04－0187－04

2012－03－07

曹兴旺(1985－)，男，河南周口人，在读硕士研究生，主攻方向:水文地质、工程地质。