忠曲金矿巷道涌水水源判识研究

曹珍珍，康卫东，李贵娟，王润兰

(1.西北大学地质学系，大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069;2.陕西省煤田地质局一八六队，陕西西安 710054)

忠曲金矿巷道涌水水源判识研究

曹珍珍1，康卫东1，李贵娟2，王润兰1

(1.西北大学地质学系，大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069;2.陕西省煤田地质局一八六队，陕西西安 710054)

在综合分析忠曲金矿水文地质特征及巷道渗水与涌水水动力特征的基础上，结合各组水样的水化学相关性分析结果，判定巷道渗水及涌水与大气降水、雪水、泉水、溪沟水、尕海湖水、黄河水等各种类型水的关系，从而判识巷道涌水的水源。分析结果表明最终水源为矿区北侧的溪沟水、区域降水、表土层地下水、沟流水等，为忠曲金矿巷道涌水治理提供了依据。

巷道涌水;水源分析;水源判识;地下水水动力特征;水化学相关性分析

矿井巷道涌水是矿井生产过程中常见灾害，涌水量较大时不仅抽排费用大甚至还会造成停产，造成严重的经济损失。忠曲金矿巷道内出现12处渗水与涌水。巷道标高3 575.7～3 578.7 m段有9处渗水与滴水，渗滴水量1 L/s左右，巷道标高3 553.97～3 572.53 m段有3处涌水，总涌水量大于300 m3/h。为了给忠曲金矿巷道涌水治理提供依据，本文通过对矿区水文地质特征特征及各组水样进行水化学相关性分析，对忠曲金矿巷道渗水与涌水的水源进行了探讨。

1 矿区地质条件分析

1.1 工程地质条件分析

矿区地层主要有石炭系、二叠系和白垩系，石炭系上统(C)主要分布在矿区北部，与白垩系下统(K1)不整合接触，二叠系下统(P1)厚度大于709 m，二叠系上统(P2)厚370 m，二叠系上统下岩组(P2a)厚度45 m，白垩系下统(K1)与下伏地层呈角度不整合接触，厚179 m。矿区主要为一向南或向西倾斜的单斜构造，地层走向为 290°～300°，倾角为 65°～85°。区内断裂构造发育，主要为北东向和北西向两组断裂构造。北东向断裂构造，倾向 NNW，倾角为75°～85°，断裂破碎带长 50～120 m、宽2～15 m，为压扭性断裂;北西向断裂构造，倾向 SSW，倾角为35°～55°，断层面平直，为平推断层。断裂构造具多期次活动的特点，是本区主要的导水构造。

1.2 水文地质条件分析

1.2.1 含水层特征

区内主要含水层为第四系松散层、碳酸盐岩层、构造破碎带等。

1)第四系全新统(Q4)松散岩类含水层

矿区北侧小溪沟的沟脑处出露下降泉，泉水流量0.2～0.5 L/s，泉水与溪水 pH 值 7.4 ～ 7.7，矿化度 0.19 ～ 0.53 g/L，均属重碳酸—钙型水。

2)白垩系下统(K1)泥钙质砾岩隔水层

分布于矿区北东山梁、斜坡及沟谷，为紫红色泥钙质胶结砾岩，胶结程度较高，渗透系数很小，上覆0.5～2.5 m为泥炭草根层，透水性很差，该层无泉水出露，可视为隔水层。

3)二叠系(P)与石碳系(C)碳酸盐岩类含水层

(1)二叠系中统(P2)碳酸盐岩透水不含水层:

分布于矿区南沟谷斜坡。上岩组为青灰色块状灰岩、泥质灰岩，无泉水出露;下岩组为灰色、青灰色薄层状灰岩，含少量裂隙水，PD1平硐内200～270 m段硐顶有节理裂隙渗滴，雨季渗滴量增加。上、下岩组均可视为透水不含水层。

(2)二叠系下统(P1)碳酸盐岩含水层:

分布在矿区的中部，为青灰色、黄褐 ～红色中层 ～中厚层～块状灰岩，硅化蚀变灰岩，为含金赋矿层;岩层节理裂隙、溶洞均较为发育，可见最大溶洞长 8.6 m、宽 0.3～0.7 m，大部分被泥质充填，局部地段含风化裂隙、构造裂隙溶洞水。地表及露天采场未见地下水出露，推断矿床地下水埋深在3 650 m以下。

(3)石碳系上统(C3)碳酸盐岩透水不含水层:

分布于矿区北东端U型谷地坡麓，为青灰色块状灰岩，节理裂隙较为发育，透水性很好，区内无水点出露，可视为透水不含水层。

(4)构造破碎带(Pd):

由块状灰岩、泥质灰岩及方解石碎块混合组成，呈碎裂松散状，裂隙孔隙较为发育，隙间多被土、砂质填充，含微弱构造裂隙水。

1.2.2 地下水补径排特征

矿区碳酸盐岩含水层地下水的补给源为大气降水与地表水，构造破碎带与碳酸盐岩的裂隙、溶隙是降水与地表水下渗的主要渗水通道之一，构造破碎带也成为碳酸盐岩含水层之间地下水流动及其涌入巷道的主要导水通道之一。矿区碳酸盐岩层地下水主要以潜渗、暗流等形式径流排泄于山前断陷沼泽盆地或远处更低的侵蚀基准面(如黄河谷地等)。

2 巷道渗水与涌水水动力特征

2.1 巷道井口与出水点高程

矿区的主斜井井口高程3 783 m，井底高程3 576 m，垂直高差207 m;2号斜井井口高程3 780 m，井底高程3 577 m，垂直高差203 m。巷道内的12处出水点高程在3 554.0～3 578.7 m之间，较井口低202～229 m，较巷道顶部地面(3 700～3 900 m)低约 300 m，较北侧溪沟沟底(小桥处3 721 m)低142～167 m。

2.2 巷道渗水与涌水水力特征

巷道5段及以上无涌水现象，仅有9处渗水与滴水(标高 3 575.7～3 578.7 m)，渗滴水量较小，且明显无压，为局部含水层地下水(潜水)，其主要接受当地降水与溪沟水的下渗补给。巷道施工至6段开始出现3处涌水(标高3 553.97～3 572.53 m)，涌水量大，且具有承压性质，水头高出巷道底板约8 m(枯季停抽后巷道水位上升的稳定高度)，推断巷道涌水源为底板以下的区域含水层地下水(承压水)，承压水通过构造断裂带持续导入巷道。

根据巷道内渗水点与涌水点高程及其水力特征分析:二叠系下统碳酸盐岩层，在标高3 575 m以上分布局部潜水含水层(大部分地段为透水不含水层)，在标高3 575 m以下存在区域承压水含水层。巷道掘进到潜水含水层，则会出现渗水、滴水现象;巷道掘进至沟通区域承压含水层的断裂带，当巷道高程低于承压水头时即会发生涌水。

2.3 巷道涌水与排水动态特征

根据6段抽排水量统计:巷道涌水点的抽排水量在100～160 m3/h之间，巷道抽排水总量枯季约300 m3/h、雨季600～800 m3/h，年抽排水总量约 400×104m3。巷道渗水量、涌水量随季节变化十分明显，雨季涌水量约是枯季涌水量的2倍以上，且部分小涌水点具有枯季枯竭、雨季复现的特点，表明碳酸盐岩含水层地下水与降水、地表水有较密切的水力联系。

3 地表水与地下水水化学成分的相关性分析［1］

为进一步判识巷道渗水与涌水水源，共采集水样12组，其中巷道渗水与涌水点水样5组、矿区北侧溪沟水样5组、矿区周边的尕海湖与黄河水样各1组，进行水化学离子与化合物及主量和微量元素的实验室测试分析，水样类型与采样位置见图1。各水样的主要离子与化合物以及主量元素和微量元素含量的变化曲线详见图2、图3、图 4。对水样进行了相关性分析，求解其相关系数R。

图1 区域水样采集点位置图

分析各水样的水化学成份曲线以及相关系数R:各水样化学成份含量的变化含量均有较好的一致性(即含量变化的同步性)，各样本(水样)的相关系数 R大多在0.98以上，仅以主量元素为指标的黄河水(K－07)、尕海水(K－06)与其它水样本(K－01～K－05，K－001～K－005)的相关系数 R在0.92～0.94之间，以37种微量元素为指标的泉水(K－01)与其它水样本的相关系数 R在 0.70～0.84之间，但以36种微量元素(不含 Ba)为指标的泉水(K－01)与其它水样本的相关系数R仍达到0.98以上。即各水样(以水化学成份为指标)具有很好的相关性。

图2 各水样的主要离子与化合物曲线图

4 巷道渗水与涌水的水源判识［2］～［4］

4.1 雪水、泉水、溪沟水关系

分别采集雪水(K－03)、泉水(K－01)、雪水与泉水混合水(K－02)各1组水样，采集溪沟水2组水样(K－04、K－05)。

雪水源于降水，降水与雪融水渗入表土层并在沟脑溢出形成泉水，所以泉水实源于降水与雪水，沟溪水为汇集的上游雪融水与泉水及其混合水。雪水的矿化度较低，但微量元素较高;泉水由于溶滤表土盐份(主要是Ca离子)以及表土吸附微量元素的作用较强，所以泉水较之雪水，其矿化度急剧增高、微量元素明显降低;溪沟水继承了雪水与泉水的水化学成份，其含量多寡大致取决于雪水与泉水物质含量的混合比。

图3 各水样的主量元素曲线图

图4 各水样的微量元素曲线图

4.2 溪沟水、渗水、涌水关系

分别采集溪沟水(雪水与泉水混合水)3组水样(K－02、K－04、K－05)，采集巷道渗水2组水样(K－004、K－005)、涌水 3组水样(K－001、K－002、K－003)。

矿区北侧溪沟水汇集雪融水、泉水后沿河道径流，径流过程中不断渗失，调研期间溪沟水径流至小桥附近即全部渗失，采集水样时溪沟水径流至K－05取样点即全部渗失。当融雪水较多或雨水较大时，溪沟水流量大，溪沟水可径流过小桥(矿区东北角)流向下游;一般情况下溪沟水流量较小，在小桥之上游区即全部渗失。溪沟水渗失水量，即为矿区碳酸盐岩层地下水的补给量组成之一;事实上，矿区碳酸盐岩层地下水还有来至区域降水、表土层地下水、沟流水的入渗补给。

巷道渗水水化学离子和化合物及主量元素的平均含量，总体略大于或大致相当于溪沟水的平均含量;巷道渗水微量元素的平均含量，大多小于或大致相当于溪沟水的平均含量，渗水仅Ni、Zn等少数微量元素的平均含量略大于溪沟水的平均含量。表明巷道渗水为标高3 575 m以上的碳酸盐岩层局部含水层地下水(潜水)，其主要来源于北侧溪沟水的入渗补给。

巷道涌水水化学离子和化合物及主量元素的平均含量，均明显大于溪沟水、渗水的平均含量;巷道涌水微量元素的平均含量，基本上均大于渗水的平均含量，大多小于溪沟水的平均含量，涌水仅 Li、Cr、Ni、Zn、Ge、Sr、Cs 等少数微量元素的平均含量略大于溪沟水的平均含量。表明巷道涌水来源于标高3575m以下的碳酸盐岩层区域含水层地下水(承压水)，导水通道为构造断裂带，区域含水层地下水既有来至矿区北侧溪沟水的入渗补给，也有来至区域降水、表土层地下水、沟流水等的入渗补给。

4.3 巷道涌水与尕海湖水、黄河水关系

为查明巷道涌水与尕海湖水、黄河水的关系，分别采集了尕海湖(K－06)、黄河(K－07)水样各1组。

巷道涌水水化学离子和化合物及主量元素的平均含量，均明显大于尕海湖水、黄河水的含量;巷道涌水微量元素的平均含量，大多小于尕海湖水、黄河水的含量，涌水仅 Sc、Cs、U等少数微量元素的平均含量大于尕海湖水、黄河水的含量。从水化学特征分析，巷道涌水接受尕海湖水、黄河水补给的可能性甚微。

巷道涌水点标高3 554.0～3 572.5 m，涌水水头高程不会低于3 554 m;尕海湖水面标高为3 438 m，黄河水面标高为3 391 m;巷道涌水水头高出尕海湖水面、黄河水面的高度分别为116 m和163 m。显然，从水动力特征分析，尕海湖水、黄河水不可能成为矿区巷道涌水的水源。

5 结论

(1)从水化学特征分析，矿区巷道涌水接受尕海湖水、黄河水补给的可能性甚微;从水动力特征分析，尕海湖水、黄河水也不可能成为矿区巷道涌水的水源。

(2)采集的12组水样，可分为雪水、泉水、溪沟水、巷道渗水、巷道涌水、尕海湖水、黄河水等水样类型。各水样的水化学成份曲线与数据均有很好的相似性和相关性，表明所有水样均具有亲缘性，即各类型水的最早源头均应为大气降水。雪水源于降水，降水与雪融水渗入表土层并在沟脑溢出形成泉水，雪融水(降水)与泉水汇流成溪沟水。矿区北侧溪沟水继承了雪水(降水)与泉水的水化学成份，其含量多寡大致取决于雪水(降水)与泉水物质含量的混合比;矿区北侧溪沟水，当融雪水较多或雨水较大时，溪沟水可径流过小桥(矿区东北角)流向下游;一般情况下溪沟水流量较小，在小桥之上游区即全部渗失。

(3)矿区巷道渗水为标高3 575 m以上的碳酸盐岩层局部含水层地下水(潜水)，其主要来源于北侧溪沟水的入渗补给;巷道涌水来源于标高3 575 m以下的碳酸盐岩层区域含水层地下水(承压水)，导水通道为构造断裂带，区域含水层地下水既有来至矿区北侧溪沟水的入渗补给，也有来至区域降水、表土层地下水、沟流水等的入渗补给。巷道掘进到潜水含水层，则会出现渗水、滴水现象;巷道掘进至沟通区域承压含水层的断裂带，当巷道高程低于承压水头时即会发生涌水。

［1］谢家发，胡宝臣.统计学原理［M］.郑州大学出版社，2008.

［2］王玉民，焦立敏.利用水质分析法判定矿井涌水水源［J］.煤矿安全，2001，10(10)23－25.

［3］杨建等.新安矿井突水水源的水化学特征分析［J］.矿业研究与开发，2005，5(4):70－73.

［4］陈付申，齐玉峰，王关杰.银家沟硫铁矿矿床充水水源分析［J］.地下水，2008，11(6):114 －115.

GIS－based Method of Deyang City Planning Area Water Quality Management Model

CAO Zhen － zhen，KANG Wei－ dong，LI Gui－ juan，WANG Run － lan
(State Key Laboratory of Continental Dynamics，Geology system，Northwest University，Xi’an 710069，Shaanxi)

The article is based on comprehensive analysis of the hydrogeological characteristics，water seepage and the water gushing dynamic in Zhong Qu gold area. With correlation analysis of each group of chemical water samples，it determines the relationship among the gushing water seepage and atmospheric precipitation，snow，spring ，Gully water，Ga sea water，the water of the Yellow River water and other types of relationships，thereby distinguishing the roadway gushing water. The results show that the ultimate source of water for the mine north of Gully，regional precipitation，surface soil groundwater，ditch water，etc.，for the gold roadway Chung song provides the basis for governance.

Roadway gushing;water source analyzed;water source distinguished;groundwater dynamic characteristics;water chemical relative analysis

P641.4+1

A

1004－1184(2012)01－0017－03

2011－09－27

曹珍珍(1987－)，女，山东章丘人，在读硕士研究生，主攻方向:水文地质。