黔中某铝土矿区岩溶地下水系统水文地质条件及涌水量预测

蒋向东

（贵州省有色和核工业地质局二总队，贵州 六盘水 553000）

1 前言

1.1 研究意义

贵州是全国铝工业资源大省，全省现有铝土矿资源储量4亿多吨，占全国总量的21%，主要分布于黔中——黔东南一带。黔中长冲河铝土矿床水文地质条件及地质构造形态复杂，断层破碎带以及构造复合部位岩溶发育，多富集岩溶地下水，极有可能成为铝土矿开采的突水易发部位[1]。因此，查明该岩溶地下水系统水文地质条件及涌水量预测研究具有重大现实意义。

1.2 研究内容与目标

1.2.1 研究内容

充分收集气象、水文、基础地质、水文地质、环境地质、水资源开发利用、社会经济现状和发展规划等有关资料，对黔中地区长冲河铝土矿山水文地质条件进行深入研究，查明研究区地下水类型、赋存、埋藏、分布、形成条件、物理及化学性质、运动规律，动态变化、补径排条件，预测地下水动态变化，准确预测矿坑涌水量[2]。

1.2.2 研究目标

（1）通过室内资料搜集、整理和野外调查，查明该矿区域水文地质条件，包括含水层系统或蓄水构造的空间结构及边界条件，地下水补径排条件及其变化，地下水水位、水质、水量等动态变化，完善研究区的水文地质资料。

（2）运用两种水文地质模型预测矿坑涌水量，多种方法综合对比分析，相互印证，得出更符合实际的涌水量预测值。

1.3 本次研究工作概况

本次工作经过1年多的工作，经过初期资料收集本熟悉调查区自然地理、地貌、地质及水文地质概况；分析调查区水文地质条件、研究程度及存在的问题，经过野外调查，对露头进行观察、访问和研究，对水文地质单元进行详细调查。最后进行资料整理和论文的编制[3]。通过本次工作（见工作量统计表），详细查明了研究区水文地质特征，预测出矿坑涌水量，为矿山开采提供了更为详细的成果资料。

表1 完成实物工作量统计表

2 区域水文地质特征

2.1 水文水系

地表水属长江流域乌江水系。在自然条件下，地表与地下分水岭基本一致，以李家冲—中寨—茶园坝—赵家山构成近东西向的分水岭，地表及地下水南北分流，工作区位于分水岭之南，靠近分水岭。分水岭以南的栖霞组及茅口组溶洞暗河含水层形成了破岩→长冲河、小寨沟→长冲河、中寨→下麦坝、李家冲→贵化四条强径流带。区内主要地表径流发源于小寨沟，向南流入长冲河后注入猫跳河，水量随季节变化，旱季有断流现象，排泄基准面标高1200m[4]。分水岭以北，地表水汇流于迎燕水库后注入跳墩河，向北流入鸭池河，排泄基准面标高780m。

2.2 区域地层

区域主要出露地层有上板溪群清水江组、震旦系、寒武系、石炭系、二迭系、三迭系、上白垩统及第四系。缺失奥陶系、志留系、泥盆系、侏罗系、下白垩统和第三系。地层分布与区域主构造线方向一致，多北北东或北东向呈带状分布。寒武系及前寒武系地层主要分布于铁厂复式背斜的核部及两翼，石炭系沿寒武系地层外缘作带状蛇曲分布[5]。二迭系地层在铁厂复式背斜范围内，分布于次级向斜的核部；在铁厂复式背斜范围外，则呈小面积零星分布。三迭系广泛分布于铁厂复式背斜以外的广大范围，上白垩统仅见于图区北东及南西两隅；第四系零星广布全区地表。

2.3 含（隔）水层特征

2.3.1 含水层特征

（1）松散岩孔隙含水层（Q）：含水层岩性为残积土层，分布较广，土质结构松散。

（2）中二迭统茅口组(P2m)含水层：中厚层～厚层生物碎屑微晶石灰岩、白云质灰岩、白云岩，岩石岩溶节理裂隙发育，含有溶蚀裂隙水。

（3）中二迭统栖霞组(P2q)含水层：岩石节理裂隙及溶洞发育，含有溶蚀裂隙水。

（4）下石炭统摆佐组（C1b）含水层：以厚层白云质灰岩为主，局部为白云岩，含有溶蚀裂隙水。

（5）中寒武统高台组（∈2g）含水层：岩性为微晶白云岩，为矿系底板，含水层岩性由白云岩、白云质灰岩及灰岩组成。

2.3.2 隔水层特征

（1）中二迭统梁山组（P2l）：岩性上部为石英砂岩，下部为炭质页岩夹少量石英砂岩、劣质煤层。炭质页岩的隔水性能较好；砂岩岩性硬脆，节理发育，故隔水性较差。该层总体看属于隔水层，但在断层破碎带、页岩变薄或尖灭地段隔水性差。中二迭统栖霞组(P2q)底部为深灰～黑色含炭质、钙质粘土岩，与该层有联合隔水的作用。

（2）下石炭统九架炉组(C1j)，上部岩性为粘土岩、铝土岩，中部为铝土矿，下部为含铁质粘土岩夹赤铁矿，为隔水层，但在矿床开采后，该层将失去隔水作用[6]。

3 长河冲铝土矿区水文地质条件

3.1 矿区所处区域岩溶地下水系统位置

矿区位于分水岭南边靠近分水岭，区内地势北西高，南东低，加上区内多岩溶地貌，地表岩溶漏斗、岩溶洼地、落水洞及地下暗河发育，因此区内地表水容易排泄，即使大雨后也无积水现象，仅在矿区北东边缘有积水凼，且旱季无水。

研究区靠近分水岭，属地下水的补给～径流区。

3.2 含水层特征及富水性评价

（1）松散岩孔隙含水层（Q）：含水层岩性为残积土层，分布较广，土质结构松散。由于补给、赋存性能差，透水性较好，含水性较弱，只含有少量孔隙水，直接受大气降水控制，易于疏干，与下伏地层水力联系密切，对矿床的直接充水影响不大。

（2）中二迭统茅口组(P2m)含水层：中厚层～厚层生物碎屑微晶石灰岩、白云质灰岩、白云岩。岩石节理裂隙发育，岩溶发育，含有溶蚀裂隙水。

（3）中二迭统栖霞组(P2q)含水层：以白云质灰岩、白云岩为主，岩石节理裂隙及溶洞发育，含有溶蚀裂隙水。

（4）下石炭统摆佐组（C1b）含水层：以厚层白云质灰岩为主，含有溶蚀裂隙水，含岩溶水，富水性中等。

（5）中寒武统高台组（∈2g）含水层：岩性为薄～中厚微晶白云岩，为矿系底板，岩层节理裂隙发育，含岩溶、裂隙水，富水性中等。进入该层终孔后，对全孔进行抽水试验。

3.3 水文地质单元划分及其特征

矿区西起岸上断层F8，东以大岩向斜轴部为界，北边是分水岭，南边是长冲河。矿区由西向东依次出露寒武—石炭—二叠，因此形成一个近南北走向的单斜储水构造单元。

矿区靠近分水岭，属地下水的补给～径流区。区内地势北西高，南东低，坡向与地层产状一致，地下水往南东方向排泄。

在矿区内将地层分为含水层和隔水层两大层位，P2m、P2q、C1b、∈2g可视为无限含水层，P2l、C1j为隔水层。矿区的东、西、南、北部均为地下水的补给边界。

4 长河冲矿区大岩矿段岩溶地下水系统水文地质条件

4.1 矿段水文地质特征

大岩矿段在自然条件下，地表与地下分水岭基本一致，以李家冲—中寨—茶园坝—赵家山构成近东西向的分水岭，地表及地下水南北分流，工作区位于分水岭之南，靠近分水岭。分水岭以南的栖霞组及茅口组溶洞暗河含水层形成了破岩→长冲河、小寨沟→长冲河、中寨→下麦坝、李家冲→贵化四条强径流带。区内主要地表径流发源于小寨沟，向南流入长冲河后注入猫跳河，水量随季节变化，旱季有断流现象，排泄基准面标高1200m。分水岭以北，地表水汇流于迎燕水库后注入跳墩河，向北流入鸭池河，排泄基准面标高780m。（详见矿区水文地质图）。

图1 中国铝业贵州分公司第二铝矿长冲河矿区大岩矿段水文地质图

大岩矿段位于破岩向斜的北西翼，地层总体倾向南东，属单斜地层。地下水总体流向南东，由于区内断层构造发育，其中最大断层F6断层为隔水断层，地下水遇断层后沿断层上下盘破碎带向南西运动，部份排入小长冲河。区内地下水主要由大气降水补给。

4.2 断裂带水文地质条件特征

走向北东的F6断层贯穿整个矿段，对矿段内地下水起主导作用，为查明其导水性及水量，在其上盘布置CSK2号、CSK4号及CSK6号三组抽水孔，在其下盘布置CSK3号、CSK5号二组抽水孔，每组抽水孔相应的布置三个观测孔。各孔位置详见《矿区水文地质图》。

第一组水文孔：包括一个抽水孔（CSK2）、三个观测孔（GCK3、GCK4、CCK5）。CSK2号抽水孔，终深度136.19m。孔深56.10m时穿过第一个含水层栖霞组（P2q）地层，该层厚度53.60m，孔内无水。孔深119.40m时穿过第二个含水层摆佐组（C1b）地层，该层厚度52.80m，稳定水位65.80m，作三个降深的抽水试验，都出现掉泵现象，其涌水量为2.67L/s。GCK3、GCK5观测孔在抽水过程中水位均无明显变化，GCK4观测孔水位变化明显，水位由65.70m下降为69.60m，这说明CSK2与GCK4之间地下水是有一定联通性。但抽水孔与别的观测孔间地下水连通性较差。

F8断层位于矿区西部边缘，矿层之下部，对矿坑充水无影响，F6断层位于矿区中部，把矿区分割成东西两块，断层走向北东，倾向南东，倾角70°以上，断层角砾成份与母岩一致，胶结物多为钙质、泥质、铁质，导水性弱～中等，地下水遇断层后沿断层上、下盘破碎带运动，从抽水实验可知，断层联通性较差，因此对矿坑充水影响较小。

总之各断层之间联通性差，且断层与常年水体之间无水力联系；断层是地下水的排水和疏干的通道，但对矿坑的充水影响较小。在矿井建设过程中有可能破坏了地下水的天然流场，使断层产生一定的导水性，地表水就有可能沿断裂带进入矿井，进而与地下水发生水力联系，使矿井坑涌水量增大，应采取一定的预防措施。但区内有的断层破碎带含水性和导水性不明，不排出除这些断层破碎带在矿井坑道的局部位置对矿井涌水量产生影响的可能。

4.3 岩溶地下水系统动态特征

矿区西起岸上断层F8，东以大岩向斜轴部为界，北边是分水岭，南边是长冲河。矿区由西向东依次出露寒武—石炭—二叠，因此形成一个向东南倾斜，进南北走向的岩溶水系统。

在水文地质调查中，工作区内共发现泉点7个（位置见《矿区水文地质图》），标高在1422m～1456m之间，其中上升泉2个(SW1、SW3)，下降泉5个（SW2、SW4、SW5、SW6、SW7，其中SW5、SW6号泉在观察期间无水流出）。SW1上升泉出露于高台组地层中，SW3上升泉位于F6断层附近（现以被二矿排土填埋），SW7下降泉出露于茅口组地层中（为裂隙泉）。据观测，SW1号泉流量雨季最大为6.28升/秒，最小为0.43升/秒。四个下降泉位于第四系残坡积层中，水量较小，随季节性变化而变化，冬春两季干涸，据观测SW2，号泉流量雨季最大为2.47升/秒，枯水期断流，只在井口处有积水。

矿区外围有长冲河及破岩小河两条河流：长冲河发源于小寨沟，向南流至狗钻洞与下鱼洞之间形成伏流，河口至河沿标高1200m～1460m，流量55升/秒～1500升/秒，最大水深3m，河水由地下水补给，旱季大部分干枯。破岩小河发源于沙坝沟，河床标高1410m～1450m，破岩以北全年大部分时间无水，以南常年有水，流量1.5升/秒～12.26升/秒，流至低处形成暗河伏流，经3.6公里伏流后至上鱼洞以泉水出露。

据一个水文年的观测结果，区内地下水及地表水动态变化随季节变化而变化，丰水期流量增大，枯水期流量随之变小。

4.4 岩溶地下水系统结构模式

图2 矿区岩溶地下水系统示意图

4.4.1 地下水的补给

地下水补给来源主要为大气降水，补给方式有二种：一是通过岩石的节理裂隙渗入补给，二是以集中形式通过漏斗、落水洞等灌入补给。

4.4.2 地下水的径流

地下水的径流特征主要受构造及含水层岩性、岩层厚度的控制。工作区内的中二迭统茅口组灰岩及栖霞组灰岩、下石炭统摆佐组白云质灰岩、中寒武统高台组白云岩，均为区内的含水层。其岩性质坚性脆，分布广，受沉积、构造的影响，为溶蚀裂隙及溶洞的发育提供了条件。因此可认为本区各含水层深部地下水的运动受其上部各含水岩层地下水的控制。溶洞、裂隙、岩溶管道以及倾斜的岩层层面，是地下水径流的良好通道，遇断层后沿断层运动。

工作区靠近分水岭，属地下水的补给～径流区。经调查，该区的地下水补给、径流区基本一致。

4.4.3 地下水的排泄

区内中二迭统茅口组灰岩、栖霞组灰岩地层多形成岩溶洼地，上伏地层为厚度不一的笫四系残积层，表层溶隙发育但充填良好。该层岩性含水性差，因此地下水在沿该层运动过程中没有以上升泉或下降泉的形式流出地表。深部的岩溶洞隙充填程度较差，地下水则以局部承压的管道流形式作远距离运动。地下水在地质构造、地貌、岩性有利于汇水的条件下，在排泄基准面附近以暗河或泉的形式排泄，其次为沿裂隙向深部循环补给各含水层及溶洞暗河。区内地势北西高，南东低，坡向与地层产状一致，地下水往南东排泄。研究区既是地下水的补给区，又是地下水的径流区。

5 矿段涌水量预测

5.1 矿床充水条件分析

矿床的充水因素包括充水水源、充水通道、充水方式等因素。

5.1.1 矿床充水水源

（1）矿床的直接充水水源。九架炉组（C1j）为本区的含矿地层，今后的采矿层，其顶板C1b及底板∈2g均为含水层，为未来矿坑的直接充水层位，矿井在施工过程中将破坏其上下地层岩石的完整性而产生裂隙，加上构造成因形成的裂隙及岩溶裂隙管道等形成地下水活动的主要通道，以至地下水沿通道充进矿井。顶板C1b及底板∈2g含水层中的地下水将是矿井的直接充水水源。

（2）矿床间接充水水源。矿床的间接充水水源主要为地表水、地下水等。在矿系的上部，地表水首先渗入P2m、P2q地层，对其含水量进行补给。在接受补给后，其水量可通过导水裂隙及突水带等算直接进入C1b层位，对该层进行水量补给，故P2m、P2q地层为矿井充水的间接水源。

5.1.2 充水通道

充水通道主要有：构造、节理、裂隙、岩溶管道等。

勘探区断层较多，受其影响，岩石节理裂隙、岩溶发育。且矿层顶板摆佐组岩石的岩溶裂隙及溶洞发育，在天然条件下，这些节理裂隙、溶蚀带已成为矿坑内地下水的集中径流带，并成为未来开采条件下，摆佐组含水层中地下水向矿坑充水的天然通道，形成矿坑冒顶带及导水裂隙带。矿坑底板高台组岩层，其构造裂隙发育，含有岩溶裂隙水，且含水量较大，将有可能成为开采矿坑的底板突水通道。

5.2 矿坑涌水量预测

据《矿区水文地质工程地质勘探规范》规定，并结合矿区水文地质条件，对矿区的矿坑涌水量进行预测，该矿床面积（1.98km2），用两种方法预测涌水量。

5.2.1 水均衡法

根据矿区露采面积0.12784km2，其最大涌水量(Q)由下式计算：

式中：X—日最大降雨量（0.2122米/日）；b—降雨时流失量比例(0.7)；F—面积。

将以上参数代入计算公式，计算出矿区露采区最大涌水量：

（注：式中气象要素数据来源于清镇市气象局）。

表2 近三年气象记录资料统计表

5.2.2 水文地质比拟法

根据单位涌水量换算矿坑涌水量。

生产矿坑单位面积或单位体积上的单位涌水量：

式中q0—生产矿坑单位面积、单位降深的涌水量，m³/d；Q0—生产矿坑总涌水量，m³/d；F0—生产矿坑的开采面积，m2；S0—生产矿坑的水位降深值，m。

收集邻近的林歹矿区魏家寨矿段2007～2008年矿坑涌水量资料年平均总涌水量3168m³/d，面积1.2Km2，降深30m。

得出单位面积降深q0=0.000088。

地质、水文地质条件相似的新设计的矿坑总涌水量为：

F设—新设计生产矿坑的开采面积，为0.5145Km2；

S设—新设计生产矿坑的平均水位降深值，为53.95m；

代入公式得到Q设=2438.53m3/d。

根据多年经验的取系数为3，得最大涌水量为：

5.3 涌水量预测结果分析

综合比较水均衡法较好地反映了研究区水量的变化情况，计算结果具有一定的参考价值；水文地质比拟法对水文降深、富水性等参数进行了修正，在一定程度上提高了计算精度，比拟的两矿区在同一水文地质单元，无论地质还是水文地质条件都非常相近，故结果最符合实际情况。

6 结论

本文主要对黔中地区铝土矿岩溶地下水系统的水文地质条件进行研究，取得以下结论：

（1）矿区内分布的向斜、多个断裂构造控制着岩溶地下水总体径流方向为北西——南东，且由东向西断裂构造越来越复杂，岩溶发育程度变强，含水等径流增强、导水性和富水性变好，特别是断层F6很有可能构成矿井的导水通道，应特别注意防水措施。

（2）通过对矿区地下水系统的补给、径流、排泄特征作了分析研究，并对矿区内的含水层、隔水层分布特征及产出状态作了分析研究，采用抽水试验方法，反映除了断层对地下水的隔水和导水作用。

（3）运用二种方法，预测出矿坑涌水量，并做了对比分析，选出最合理的矿坑涌水量为7315.59m³/d。

（4）对矿床的充水水源、充水通道、充水方式等充水因素进行了研究，分析预测了矿体顶底板冒、突水的可能性，就区内有可能发生的灾害应有防治措施。