華陽川鈾鈮鉛多金屬礦露天礦坑充水因素分析及涌水量預測

張 濤，李 鵬，葉興超

(中陜核工業(yè)集團二二四大隊有限公司，陜西 西安 710024)

華陽川鈾多金屬礦地處陜西省華陰市,是一個以鈾鈮鉛為主并伴生有稀有稀土元素的可綜合利用的超大型礦床。近年來,隨著中陜核工業(yè)集團二二四大隊在華陽川地區(qū)普查,詳查工作的推進,該區(qū)鈾礦找礦勘查工作取得重大突破；在礦化蝕變特征、礦石礦物學特征以及成礦年代學等方面取得了一些認識，但在礦床開采技術條件方面的研究程度較低。

根據(jù)礦體埋藏淺、規(guī)模大，適合露天開采的特點，進行露天開采境界的優(yōu)化設計，推薦礦山露天開采時終了臺階坡面角取65°，最終邊坡角≤45°。露天采場底標高為856 m，最高臺階標高1 578 m。礦坑涌水量作為露天開采礦山疏排水方案設計的主要依據(jù),其預測結果的準確度直接影響礦山開采設計的合理性和安全性，對于礦山安全生產(chǎn)意義重大。本文通過礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)測繪、水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗、地表水和地下水動態(tài)觀測等工作，確定礦床水文地質(zhì)條件，分析礦體充水類型和預測露天礦坑涌水量；提出了未來礦山疏排水工作建議。

1 礦區(qū)概況

1.1 地形地貌

華陽川鈾鈮鉛多金屬礦地處華山南坡，屬秦嶺山脈北坡低中山地貌區(qū)。礦區(qū)海拔高度1 256～1 719 m，最大高差363 m，屬于低中山侵蝕地貌。地勢總體上北高南低，東高西低，地形坡度一般20°～30°。

1.2 氣象、水文

礦區(qū)位于秦嶺山地氣候區(qū)，其顯著特征為夏季涼爽、冬季寒冷，且晝夜溫差變化大。多年平均氣溫5.7℃～9.1℃，最高氣溫27.6℃，最低氣溫-20℃；月平均氣溫最高為17.3℃(七月份)，最低為-9℃(一月份)。多年平均降雨量777.40 mm，年最大降雨量為1 110.2 mm，年最小降雨量為465.3 mm，每年7、8、9三個月為雨季，降雨量約占全年降雨量的50%，歷史上日最大降雨量為119.1 mm(出現(xiàn)于1982年)。每年11月份開始霜凍并降雪，11月中旬至次年3月中旬為積雪期。當?shù)爻Ｄ曛鲗эL向為SW，風向頻率8.76%，其次為NW，風向頻率3.51%，靜風頻率73.01%；年平均風速1.9 m/s，最大風速16.0 m/s。

礦區(qū)附近川河(下游稱羅敷河)屬渭河水系，發(fā)源于礦區(qū)以東約5km的林家溝，自東向西流經(jīng)礦區(qū)南側(cè)，上游匯水面積約42 km2，一般流量300～942 L/s，洪水期最大流量約2 000 L/s。其支流呈樹枝狀分布，礦區(qū)內(nèi)川河的支流有:飲馬店溝、門澗溝、柳溝、劉家溝，均發(fā)源于礦區(qū)北部分水嶺，自北向南流經(jīng)礦區(qū)，在下游匯入川河。其中較大的劉家溝，長度約3.4 km，一般流量107～288 L/s。礦區(qū)地表水主要接受大氣降水的補給，河水流量與大氣降水的關系較為密切；枯水期降水量少，河水流量一般較穩(wěn)定；雨季降水增多，河水流量也相應增大。

1.3 水文地質(zhì)條件

1.3.1 含水巖組及其富水性

礦區(qū)地下水類型按其賦存條件和含水層性質(zhì)可分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、巖漿巖類裂隙含水巖組、變質(zhì)巖類風化裂隙含水巖組、變質(zhì)巖類構造-溶蝕裂隙含水巖組。

第四系松散巖類孔隙含水巖組：分布于礦區(qū)內(nèi)川河及其支流的河谷底部和溝谷兩側(cè)山體斜坡坡腳地段；巖性為粘性土、坡積碎石土和沖積、洪積砂、礫卵石。含水層厚度因地形而變，一般厚度0.5～3 m，在支溝溝口厚度可達3～15 m。地下水埋藏深度0.5～20 m，由于含水層出露部位高，補給源不足，雨季泉水沿基巖面產(chǎn)出，泉水涌水量<0.1 L/s，富水性弱。

巖漿巖類裂隙含水巖組：分布于礦區(qū)北部甕峪嶺一帶及56-72線以西地段，巖性主要為細粒含斑黑云二長花崗巖，巖石呈塊狀-塊體狀，微風化，裂隙不發(fā)育，單泉水流量<1 L/s，富水性弱。

變質(zhì)巖類風化裂隙含水巖組：主要分布于礦區(qū)大月坪、武家坪片麻巖的風化裂隙帶內(nèi)，發(fā)育在靠地表的淺部，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育。從鉆孔中觀察并參照地表氧化礦測試結果，風化帶深度在17.8～115.9 m，地層整體為北傾單斜構造，深部巖石的節(jié)理、裂隙發(fā)育程度降低，儲水條件變差。泉水流量0.1～1.0 L/s，富水性弱。

變質(zhì)巖類構造-溶蝕裂隙含水巖組：該層主要受華陽川斷裂帶控制，在本區(qū)表現(xiàn)為寬大的脆-韌性斷裂帶，次級斷裂發(fā)育，形成了北西-南東向斷裂、裂隙密集帶，裂隙多被不同類型的脈巖、礦脈充填；斷裂帶總體呈東西向展布，東西兩端延伸出礦區(qū)，在礦區(qū)內(nèi)出露長度約6 km，寬約0.5～1 km，總體走向100°～110°，傾向北東，傾角30°～65°，局部地段可見斷面南西陡傾。斷裂具有多期活動性和力學性質(zhì)多次轉(zhuǎn)換特點：早期為壓(扭)性，形成擠壓韌性變形帶；中期為張(扭)性，以微小角度斜切了早期擠壓揉皺帶，區(qū)內(nèi)花崗斑巖沿此斷裂貫入；后期表現(xiàn)出壓扭性特征。其次礦區(qū)內(nèi)還發(fā)育北東向斷裂構造，有劉家溝斷裂和楊峪溝斷裂。在斷裂帶內(nèi)形成了不同方向、不同規(guī)模裂隙相互交織的裂隙密集帶，裂隙充填物為多期次的碳酸巖和混合偉晶巖脈體，脈體發(fā)育溶蝕裂隙和溶孔；據(jù)鉆孔抽水試驗資料，單位涌水量0.003 8～0.089 1 L/s·m，富水性弱。該層地下水的水力特性整體為的無壓性質(zhì)；構造裂隙帶延展較深，致使含水層厚度較大，在深部亦存在地下水活動。

1.3.2 地下水補徑排特征

第四系松散巖類孔隙含水巖組主要接受大氣降水，與溝谷兩側(cè)基巖裂隙水互為轉(zhuǎn)化，潛水多沿坡面徑流，于地形低洼處以下降泉或溢流的形式排泄于地表水系。

地下水的主要補給源為大氣降水，因埋藏條件不同，故補給方式有所不同，有直接入滲補給，也有地表水系流經(jīng)基巖裂隙露頭時沿裂隙帶入滲。淺層地下水主要沿裂隙以水平運動為主，在溝谷邊坡處以泉或滲流形式排泄于地表水，少量沿構造裂隙帶補給深部地下水。川河是礦區(qū)地表水和淺部地下水最終排泄渠道。

2 露天礦坑充水因素分析

華陽川鈾鈮鉛多金屬礦區(qū)主要含水層為變質(zhì)巖類構造-溶蝕裂隙含水巖組；礦體巖性為碳酸巖、混合偉晶巖脈體，產(chǎn)于華陽川斷裂構造帶中，與主要含水巖組直接接觸，為礦體直接充水的礦床。礦山未來擬選用露天開采方式，設計露天開采境界范圍1.63 km2，坑口長1 800 m，寬1 330 m，標高1 367～1 606 m；底部面積20 688 m2，標高856 m；露天境界最終邊坡角45°；露天境界附近最低侵蝕基準標高為1 331 m。未來礦坑形成后，礦坑將是周圍地表水與地下水新的匯聚點，地表匯水面積約為7.98 km2。礦坑涌水量Q將由三部分組成：露天采坑地下水涌水量(Q1)、地表水匯入采坑的水量(Q2)、降入采坑的水量(Q3)。故礦坑涌水量需分三部分來預測。

3 礦坑涌水量預測

3.1 露天采坑地下水涌水量(Q1)

礦床含水層水文地質(zhì)單元概化：北部以華山巖體為零補給邊界，南部以川河為直線形補給邊界，邊界內(nèi)含水層可視為各向同性的均質(zhì)無壓含水層。跟據(jù)礦山開采方式和礦床充水特征選用“大井法”預測未來礦坑涌水量。

參照《水文地質(zhì)手冊》選用井位于兩個平行的供水與隔水邊界之間時管井完整井涌水量計算公式：

Q1=2π·K·S(2H-S)/Rc

Rc=2·ln(1.27·L·cot(πd/2L))-2·lnr0

式中：Q1為地下涌水量，m3/d；K為含水層平均滲透系數(shù)，m/d，取礦區(qū)11個鉆孔抽水試驗計算結果的算術平均值；S為未來礦坑排水降深，m，采用地形侵蝕基準標高與露天境界底部標高之間差值1 331-856=475 m；H為含水層厚度，m；L為兩平行水力邊界之間距離，m；d為“大井”距隔水邊界的距離，m；r0為“大井”引用半徑，m。

式中：F1為礦坑底部面積，m2；根據(jù)設計露天境界底部開采面積為20 688 m2。其余各計算參數(shù)取值及計算結果見表1。

表1 地下水涌水量計算表

3.2 地表水匯入采坑的水量(Q2)

依據(jù)《礦坑涌水量預測計算規(guī)程》，地表水匯入采坑的水量按正常降水量和設計頻率暴雨量分別計算。華陽川鈾鈮鉛多金屬礦屬于超大型礦山，暴雨設計頻率宜采用P=2%(50 a一遇)計算。

公式分別為Q2=F2Hφ，Q2=F2Hpφp，式中，F(xiàn)2為露天境界匯水面積，m2；φ為正常降雨地表徑流系數(shù)；φp為暴雨地表徑流系數(shù)；H為歷年雨季日平均降雨量，mm；Hp為暴雨設計頻率(P=2%)時的日暴雨量，mm。

根據(jù)華陽川鈾鈮鉛多金屬礦巖土類型，查《水文地質(zhì)手冊》中地表徑流系數(shù)表可得：正常降雨地表徑流系數(shù)φ為0.6，暴雨地表徑流系數(shù)φp為0.7。設計露天境界匯水面積F2為7.98 km2。H、Hp由華山氣象站1981-2017年逐月降雨量資料進行統(tǒng)計計算所得，其余各計算參數(shù)取值及計算結果見表2。

表2 地表水匯入采坑的水量計算表

3.3 降入采坑的水量(Q3)

降入采坑的水量按正常降水量和設計頻率(P=2%)暴雨量分別計算。

公式分別為Q3=F3H，Q3=F3Hp，式中，F(xiàn)3為露天境界面積，m2；設計露天境界面積為1.63 km2，其余各計算參數(shù)及取值參照Q2計算過程；計算結果見表3。

表3 降入采坑的水量計算表

3.4 礦坑涌水量預測結果

華陽川鈾鈮鉛多金屬礦露天開采后，礦坑涌水量由上述露天采坑地下水涌水量、地表水匯入采坑的水量及降入采坑的水量組成，即：礦坑涌水量Q=Q1+Q2+Q3。

預測結果：正常期礦坑涌水量為33 758 m3/d，50 a一遇暴雨期為971 822 m3/d。

4 結語

華陽川鈾鈮鉛多金屬礦區(qū)設計露天境界北部匯水范圍較大，地形地貌利于地表水匯集，對露天開采不利。從礦坑涌水量預測結果看，地下水含水巖組受華陽川斷裂帶控制，富水性弱，采坑地下涌水量Q1只有6 610 m3/d，僅占礦坑總涌水量的19.58%，而相比地表水匯入采坑的水量Q2較大，約占60%。故未來礦山疏排水方案應按三部分組成的礦坑總涌水量進行整體設計，重點應針對地表水匯入采坑的水量Q2設計地表截排水渠工程，進行有效地攔截，防止這部分水量匯入礦坑；同時針對采坑地下涌水量Q1和降入采坑的水量Q3設計礦坑抽排水工程；最大程度降低礦坑涌水對礦山生產(chǎn)的影響。