河南省陕县某金矿矿区水文地质特征及矿坑涌水量预测

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  摘要:.河南省陕县某金矿矿区位于河南省陕县东南部,规模中等。矿区水文地质条件简单。介绍了该矿区区域水文地质特征、矿区水文地质特征,并对矿区涌水量进行预测,为矿床的技术经济评价及矿山建设可行性研究和设计提供依据。
  关键词:金矿;水文地质特征;涌水量;预测
  概况:豫西某金矿矿区位于河南省陕县东南部,金属矿产主要为金,伴生主要有用组份为银、铅,规模中等。主要矿体控制标高均在侵蚀基准面以上,风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙组成的含水网络,富水性弱。因此,查清该矿区水文地质特征并合理预测矿坑涌水量,对矿床的技术经济评价及矿山建设可行性研究和设计起着极为重要的作用。
  1区域水文地质
  1.1自然地理
  矿区位于崤山山脉南部,山势陡峻,区内最高海拔1279.5m,最低标高843m,一般在1000m左右,相对高差400m左右。区内大部为森林、灌木覆盖,植被发育。本区气候类型属典型的大陆半干旱气候,年平均气温13.6℃,年平均雨量609.7mm,年平均蒸发量在1858.8mm,蒸发量约为降雨量3倍,属暖温带半湿润气候区。
  1.2区域水文地质特征
  区域属黄河流域洛河水系,地表水系较发育,山间沟谷内多为间歇性小溪,流向大致自北向南,沟谷中的水量受季节性影响,旱季部分沟谷干涸,雨季变大,一般流量在0~44.7L/s之间,分别由矿区西南部、南部、东南部、东部向南最终汇入洛河。区域内地表径流条件良好,不利于地表水的汇集。
  1.2.1区域含水层特征
  (1)松散岩类孔隙水
  主要分布在本区域沟谷阶地及东南部洛河沿岸,主要由上更新统黄土状亚砂土、中更新统黄土夹钙质结核层及土壤局部具底砾及山间全新统冲洪积砂砾石层组成,约占单元面积的40%。
  本区地下水类型为孔隙潜水。据调查资料:水质为HCO3·Ca型水,矿化度0.20~0.50g/L。
  (2)基岩类裂隙水
  本区基岩出露广泛,约占全单元面积的60%。基岩主要有主要由太古界太华群斜长角闪岩、斜长角闪片麻岩(ArJ)混合花岗岩岩(Ary)及中元古界长城系熊耳群安山岩类组成,按裂隙成因可将地下水类型分为基岩风化裂隙带潜水和构造蚀变破碎带裂隙脉状水。
  ①基岩风化裂隙带潜水
  基岩风化程度受地形、气候和岩性、构造的控制。风化深度一般为30~60 m,最深可达70 m以上。地下水位埋深一般在20~40m之间。其水量随季节不同有明显变化。
  ②构造蚀变破碎带裂隙脉状水
  受多期构造活动影响形成的一系列断裂破碎带,构成了地下水的储存空间。大气降水通过地表风化裂隙及构造破碎带补给深层地下水,在地形切割处以泉的形式排泄。为弱富水性含水带。
  1.2.2水文地质边界及水动力特征
  区域北部留沟以东经郭家坡、甘山至区域西南部石大山以东山脊为本区所属水文地质单元的部分分水岭,东至洛河,北至西岭,南至马家峪为界,形成了一个较完整的水文地质单元。本矿区位于该水文地质单元的补给径流区。
  矿区地下水的补给排泄条件决定了其径流方向与地形条件基本一致,地表水流向与地下水流向基本一致,自西向东流动。本区含水层大面积裸露,风化裂隙发育,大气降水和地表水是本区地下水的直接补给来源。地下水主要靠侵蚀下降泉和地表泄流带的形式进行排泄。
  2 矿区水文地质
  矿区出露岩層有太古界太华群杨寺沟岩组斜长角闪岩、斜长角闪片麻岩(ArJ)混合花岗岩(Ary)以及中元古界熊耳群许山组(Pt2x)安山玢岩、安山岩。沟溪两侧分布着第四系松散堆积物。含矿构造蚀变破碎带产出于太华岩群与中元古界熊耳群地层的接触带。矿区水系发育,地表水大致流向:从北至南,沟谷常年有水,但水量小,矿区众多沟谷溪流汇集到矿区东部南大河,该处地势平缓,可视为当地的侵蚀基准面,标高为843m。主要矿体均位于当地侵蚀基准面以上。
  2.1含水层与隔水层
  2.1.1含水层
  矿区主要含水层(带)为河谷第四系孔隙含水层、基岩风化裂隙含水带、构造破碎裂隙含水带。
  (1)第四系(Q)孔隙含水层
  矿区内极少部分被第四系中更新统地层黄土层覆盖。岩性主要以第四系河谷冲洪积砂卵(碎)石、漂(块)石、砂砾石为主,厚度不均,富水性差异较大。本层主要分布于山脚残坡积物,沟谷、河漫滩的河床中,厚度1~25.37m。据钻探和调查资料:本层厚度小于28m,水质类型为8-A 型(HCO3+SO4·Ca)水,矿化度0.23~0.28g/L。地下水位受季节影响较大,干旱季节常干枯。分布在沟谷河床中的坡洪积物,岩性为砂砾石,厚度小于20m,泉水出露标高在900~1100m之间,流量约0.009~0.24L/s,多为间歇性泉水。故本层富水性弱,属弱含水层。
  (2)基岩风化裂隙含水带
  主要分布在地表基岩风化带内。岩性主要为斜长角闪岩、混合花岗岩及安山岩类。在地表浅部,基岩风化裂隙发育,风化带厚度一般4—30m,地下水埋深15—30m。潜水面随地形变化而变化,地下水在山脊两侧由高往低向沟谷运动,最终以泉的形式排出地表。基岩风化裂隙含水带富水性不均一。由于地表风化程度不同,风化带厚度也不均等。在山顶风化裂隙水埋藏深度大,水量较小,在山坡地段,随着地形坡度变缓,汇水面积增大,风化裂隙水埋藏变浅,厚度、水量也增大,常在山麓地带溢出成泉。地下水动态随季节变化明显,据地表出露泉水调查资料,丰水期泉水流量一般0.01—0.20L/s,枯水期往往干枯,为弱富水性含水层。水化学类型为HCO3-、Ca2+型,矿化度平均为0.20—0.50g/L。
  (3)构造破碎带裂隙含水带
  受多期构造活动影响形成的一系列含矿断裂破碎带,这些断裂构造构成了地下水的主要存储空间,为矿区主要控水构造,也是矿床充水的重要通道。该含水层主要分布在构造破碎带,岩浆侵入接触地段。其中,钻探过程中ZK0005在斜长角闪岩与混合花岗岩接触带上出现涌水,说明了该含水层局部具有承压性质。矿体均赋存于该含水层中,抽(提)水试验在该区域内进行。根据zk31601、zk0005抽(提)水试验资料结果,本含水层单位涌水量0.001~0.005L/s·m,渗透系数0.001~0.0035m/d,富水性弱,水位标高999.64~114.42m。该含水层地下水,以静贮量为主,补给来源小或有限,属弱富水性含水带。   2.1.2隔水层
  基岩风化裂隙含水带以下,未经风化的完整变质岩、岩浆岩均为隔水层(带)。作为构造蚀变含矿带顶底板的斜长角闪岩、混合花岗岩是裂隙脉状含水带的直接顶底板。它们的分布、厚度变化很大,各含水带都不相同,含水层分布不连续,隔水意义不大。
  2.2 地下水的补给、径流、排泄条件
  矿区以北经高岭至槐岭以东为该区域北部分水岭,银洞岭以东至矿区南部边界沟口以西标高1165m为南部分水岭,东至刘家村、南大河,西至银洞岭为界。该区内地表径流径分别由北、西、南三个方向向中部宽坪沟汇集,形成了一个闭合的较完整的水文地质单元。本矿区位于该水文地质单元的补给径流区。
  矿区内无较大地表水体,全部为各沟谷溪流,季节性强,本区位于径流-补给区,属基岩山区水文地质单元。大气降水是本矿区含水层的主要补给来源,松散层孔隙水及基岩风化裂隙水通过垂直入渗直接接受大气降水补给,块状裂隙含水层在地表裸露位置直接接受大气降水补给,覆盖区及风化带通过风化裂隙带间接接受大气降水补给。大气降水通过局部基岩出露区构造裂隙及层间裂隙下渗,以垂直运动补给地下水,在一定深度又以水平运动向东南部径流,径流方向与地势一致,在东南部通过矿坑机械排水、人工取水和泉的形式向南大河进行排泄。
  2.3 矿区水化学特征
  矿区内地表水和地下水取样分析结果详见矿区水化学特征汇总表。
  矿区水化学特征汇总表
  2.4矿山供水水源评价
  矿区出露的主要层为含水性较弱的第四系和太古界太华群斜长角闪岩、斜长角闪片麻岩(ArJ)混合花岗岩岩(Ary)及中元古界长城系熊耳群安山岩(Pt2x)类。主要地表水为狼沟、马家沟、西寺家沟、通沟等沟溪(泉)水等,流量0.05~
  44.7L/s,该矿区主要沟溪出露地表水有害元素Fe、Pb、Zn、Cu等含量极微,符合生活用水标准,可做生活用水及工业用水水源。其中对寺家沟沟溪水进行了饮用水分析检测,结果显示各项指标符合生活用水水质标准;通沟、大湾湾沟、寺家沟地表水集中汇入宽坪沟,流量44.7L/s,建议将宽坪沟沟溪水作为矿山建设的供水水源地。
  2.5矿床充水因素分析
  本矿床矿体独特的含水系统决定了其充水条件的特殊性,大气降水是本矿床主要的充水水源,主要通过风化裂隙带-构造裂隙-成岩裂隙入渗补给对矿床进行充水,大氣降水对矿床充水的影响存在一定的滞后性;矿区地表水主要为季节性沟溪水,在矿区出露标高在843.5-1110m之间,雨季出现而旱季则干涸,流量甚小,只有暴雨季节才会流量激增,由于流量小,且距离矿体较远,地表水对矿体的充水影响可暂不考虑,但要避免暴雨季节地表水直接注入井筒对矿井充水;本区地下含水岩组属风化裂隙、基岩裂隙和构造裂隙组成的含水岩组,矿体即是含水岩组,地下水是矿体的充水是直接的因素。
  3矿坑涌水量预测
  本矿区经勘查基本查明了8矿体,其中K4号矿体为本矿区的主要矿体,储量估算资源占总资源量的77.09%,占用比例大。该矿体低赋存控制标高为800m,本次仅预测K4矿体的矿坑涌水量。
  3.1边界条件的确定
  矿区位于区域水文地质单元的径流区,区域地表分水岭为矿区K4号矿体以北至高岭以东山脊,补给边界距离矿区K4矿体直线距离1km,排泄边界为洛河,位于长水乡以南,距离矿区直线距离20km,矿坑所处水文地质条件为无限含水空间。根据计算矿坑排水影响半径856.07m,靠近分水岭一侧可作为无限含水空间。该矿体底板高程最低控制标高800m是预测区矿坑充水最低疏干位置。本次预测采用大井法和水文地质比拟法(把上下含水层看成一个整体,取混合渗透系数)两种计算方式,最后进行对比。
  3.2矿坑涌水量预测
  3.2.1 水文地质参数的确定
  由于施工条件的限制,本次水文地质工作没有安排专门的水文地质勘探孔,在矿区ZK31601和ZK0005两个地质勘探孔保持清水钻进的条件下进行了潜水非完整井稳定流抽(提)水试验,对试验数据进行分析整理,求取水文地质参数用于矿坑涌水量预测。抽(提)水试验情况见下表
  3.2.2 矿坑涌水量预测
  地下水对矿坑充水量采用大井法求解,即把开采坑道视为一个大井,利用裘布衣井流理论对矿坑充水进行预测。
  计算公式如下:
  计算结果见表
  K4号矿体矿坑涌水量计算结果表
  3.2.3 水文地质比拟法
  根据现场调查和资料收集,ZK31601下方有一平硐(LD1),长200米,宽1.6米;斜井下方一水仓,体积2.25m3,积满水耗时约1天,流量约为2.25m3/d。根据已调查收集老硐排水资料,运用水文地质比拟法对K4-Ⅰ号矿体进行涌水量预测。
  老硐开拓面积F0=400m2;原始水位取1057.711m,老硐水平标高1000m,水位降深(S0)57.711m;正常排水量取积满水仓的最大值,流量为Q0=2.25m3/d;K4-Ⅰ号矿体未来开拓面积位于原始水位以下部分F=140320m2,最低开采标高800m,水位降(S)257.711m。
  计算结果为Q=1667.94m3/d。
  根据经验值,预计最大的排水量是正常时的1.5倍,因此,预测最大涌水量是正常涌水量的1.5倍,即2501.90m3/d。
  综上所述,经计算结果可知运用大井法计算方式求得矿坑最大涌水量Q最大=1293.00m3/d,运用水文地质比拟法求得Q最大=2501.90m3/d,通过两种计算方式结果比对,结合矿山未来开采实际安全等因素,推荐采用Q最大=2501.90m3/d。
  结论
  本矿区主要矿体均位于当地侵蚀基准面以上,地形有利于大气降水和矿坑水的自然排泄,孔隙潜水和风化带裂隙水补给来源有限,富水性弱。本矿床充水以裂隙含水层为主,矿坑直接充水,水文地质条件简单的矿床,因此勘探类型属于第二类第一型。预计矿坑正常涌水量1667.94m3/d,矿坑最大涌水量2501.90 m3/d。
  参考文献:
  [1]房佩贤等,《专门水文地质学》,地质出版社,1996;
  [2]陈崇希等《地下水动力学》,地质出版社,1999;
  [3]地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队,《水文地质手册》,地质出版社,1978;
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