吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学  §10.3矿床水文地质分类及主要矿床水文地质类型的基本特点 一、矿床水文地质分类及主要矿床水文地质类型的基本特点 我国矿山淹井事故之多，数量之大，可谓世界之最，因此提高勘探与预测水平，始终是矿床水文地质工作追求的目标。长期的勘探与开采实践表明，相似水文地质条件的矿床，具有基本类同的充水条件与接近的矿坑涌水量及采后主要水文地质工程地质问题。随着资料和经验的积累，逐渐揭示了矿床所处的内外环境与充水条件，充水强度之间的内在联系，为在理论上分类奠定了基础。分类既要对我国复杂多变的矿床充水条件具有高度的概括，又应明确多类型的基本水文地质特征，同时不同类型之间的界线清楚便于掌握应用。 建国50多年来民，在这一研究领域我国活动经历了由借用前苏联分类到结合国情的自主研发过程，提出过很多与时代相适应的分类方案，均因实践的局限性，始终不断的完善中。随着60年代以来国家依靠自身力量，查明了一大批水文地质条件复杂的矿床，特别是在岩溶发育充水矿床的勘探中，采用大流量抽、放水试验的整体流暴露技术和70年代又在矿坑涌水量预测中引进数值方法，大大提高了勘探和预测水平；1977~1978国家以组织55个岩溶充水矿山回访调查，通过对勘探报告与开采实际的对比验证，对岩溶充水矿床的勘探预测方法的准确性及存在问题，有了更系统全面的掌握。在此基础上，1993年水文地质、工程地质研究所提出了《中国岩溶充水矿床水文地质勘探类型》，将岩溶充水矿床进一步划了溶隙充水、溶洞充水和暗河管道充水三个亚类。1991－10－01国家技术监督局在吸纳了《岩溶充水矿床水文地质勘探类型》和1982年地质矿产部颁发的《矿区水文地质工程地质普查勘探规范》的基础上，颁发了新的国家标准《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719－91）。该方案如下： 1.类及亚类 首先根据矿床主要充水层的储水空间特征，将充水矿床划分为三类： 第一类：以孔隙含水层充水为主的矿床，简称孔隙充水矿床。 第二类：以裂隙含水层充水为主的矿床，简称裂隙充水矿床。 第一类：以岩溶含水层充水为主的矿床，简称岩溶充水矿床。 岩溶充水矿床又可按岩溶形态划分三个亚类。第一类为溶蚀裂隙为主的岩溶充水矿床。第二类为以溶洞为主的岩溶充水矿床，第三类为以暗河为主的岩溶充水矿床。 2.不同的充水方式与型 按矿体（或层，下同）与主要充水含水层的空间关系，上述各类充水矿床方式分为：直接充水的矿床，指矿床主要充水层（含冒落带和底板破坏厚度），与矿体直接接触，地下水直接进入矿坑；顶板间接充水矿床，指主要充水层位于矿层冒落带之上，矿层与其之间有隔水层或弱透水层，地下水通过构造破碎带、弱透水层进入矿坑；底板间接充水矿床，指主要充水层位于矿层之下，矿层与其之间有隔水层或弱透水层，承压水通过底板薄弱地段、构造破碎带、弱透水层或导水的岩溶陷落柱进入矿坑。 若综合考虑矿体与当地侵蚀基准面的关系，地下水的补给条件、地表水与主要充水层水力联系密切程度，主要充水含水层和构造破碎带的富水性、导水性，第四系覆盖情况以及水文地质边界的复杂程度等，各类充水矿床又可分三个型： 第一型：水文地质条件简单的矿床。主要矿体位于当地侵蚀基准面上，地形有有利自然排水，或主要矿体虽在基准面以下，但附近无地表水体。矿床主要充水层和构造破碎带富水性弱至中等地下水补给条件差，很少或无第四系覆盖，水文地质边界简单。 第二型：水文地质条件中等的矿床。主要矿体位于当地侵蚀基准面以上，地形有自然排水条件，主要充水含水层和构造破碎带富水性中等至强，地下水补给条件好；或主要矿体位于当地侵蚀基准面以下，但附近地表水不构成矿床的主要充水因素，主要充水含水层、构造破碎带富水性中等，地下水补给条件差，第四系覆盖面积小且薄，疏干排水可能产生少量塌陷，水文地质边界较复杂。 第三型：水文地质条件复杂的矿床。主要矿体位于当地侵蚀基准面以下，主要充水含水层富水性强，补给条件好，并具较高水压，构造破碎带发育，导水性强且沟通区域强含水层或地表水体，第四系厚度大，分布广，疏干排水有产生大面积塌陷、沉降的可能，水文地质边界复杂。 1995年，水文地质工程地质研究所主编的《中国固体矿床的水文地质特征与勘探评价方法》中，以提出新分类划分法： 表14-1 中国固体矿床水文地质类型 区 类 亚类    非干旱区 岩溶充水矿床 溶隙充水矿床      溶洞充水矿床 顶板直接接触     暗河管道充水矿床 底板直接接触  干旱区  裂隙充水矿床 层状裂隙充水矿床 顶板间接接触     脉状裂隙充水矿床 底板间接接触    孔隙充水矿床    二、岩溶充水矿床 指分布在可溶岩地区，以岩溶充水为主的矿床。90%以上已开采的大水矿床均属此类。由于岩溶的形成发育条件、空间形态变区域地质、气候等因素控制形成很强的区域性特征，北方以溶隙为主，南方以溶洞为主，西南则以岩溶管道为主，形成三种不同的区域性矿床充水类型。 （一）溶隙充水矿床 分布在秦岭——大别山——淮河以北中朝准地质大地构造的大部分地区。重要矿床类型有海陆交互相沉积矿床和矽卡岩型矿床。以溶隙充水为主，最大特点是矿坑涌水量大，以底板突水为主。主要充水含水层是寒武奥陶系灰岩，其中以奥陶系灰岩为主，厚200~600m；岩溶形态以干谷、大泉和地下溶隙网络强径流为主要特点，此外，还有局部的地面岩溶塌陷与面岩溶陷落柱分布。地下溶隙网络形成在大面积纵横岩层中的区域构造，裂隙网络的基础上，以溶隙为主包括部分小溶洞组成的岩溶水系统。岩溶发育在垂向上有“层控”性，在水平方向有变构造控制的“构控”性。 1.主要特点 （1）巨型蓄水构造：以大型向斜、单斜构造盆地为主，形成完整的岩溶地下水系统。构造盆地宽缓，分布面积以超千km2为主，个别如山西河东，准葛尔煤田的保偿系统达1.16×104 km2；寒武奥陶系灰岩厚而较高，具相对统一的地下水面，地下水储存量以数十亿m3为主，个别如山西阳泉煤田的平定系统达126×108 m3，调蓄库容大，蓄水构造上裸露区面积一般占分布面积的20~50%以上，以降水补给为主，干谷是入渗集中补给区，全区各蓄水构造的平均补给量达1~4×108 m3/a。埋藏区上盖石崖，二叠系煤系地层，煤田座落在开型、高水头的大“水盆”上，占铜山开采大水矿床的50%，其中有矿坑涌水量位居国内之最的河南焦作煤矿89.17×104 m3/b和河北峥峥煤矿33×104 m3/d；裸露区在鲁冀等地有岩体入侵，分布有矽卡岩型铁矿，因裸露面积大，且矿体与中奥陶灰岩直接接触，矿坑涌水量也大，以地面岩溶坍陷溃水为主，有我国北方著名的大水矿床如山东莱芜和河北王窑等富铁矿。 （2）溶隙网络强径流带：它是巨型岩溶蓄水构造长距离漫长径流过程的强烈溶蚀分异作用的产物，如同地表水一样，它也分干流与支流，在蓄水构造中起汇流、储存、传输和调节作用。埋藏区受区域构造方向与断裂发育程度、强度的控制，沿构造断裂带、断块构造的地垒，无压向承压转化的过渡带及排泄区等地分布；在裸露区受断裂构造，水文网及岩体控制，沿断裂、水文网分布。水循环深度在埋藏区可达-500m；在水平方向上形成富水性与导水性极弱且含水较均匀的集中径流带，水井成功几乎近100%，导水系数达万~十万m3/d。其渗流场特征如河北峥峥煤田王凤矿1978年大型抽水试验，抽水强度13.56×104 m3/d ，单位涌水量7.68×104 m3/d.m，抽水降落漏斗呈碟状近同步等水位下降，水力坡度0.4‰，水力传递速度0.18km/min，导水系数7.14×104 m2/d。矿坑大水量的突水点和地 岩溶坍陷均分布其上。溶隙网络强径流带中的地下径流，在向排泄区运动中，因减压作用一般呈网络状分散溢出，地表形成既分散又集中的数至数十个岩溶大泉。反之，可以从泉流量大小，集中程度 解强径流的规模与水力性质。 （3）构造断裂的影响无所不在：大到控制蓄水构造、矿床、井田边界以及岩溶水的循环深度与强径流带的分布；小到控制突水点的分布及其突水量；此外，断裂又是岩体入侵通道，岩体控制充水围岩的厚度与边界；断裂与岩体的分割穿插常将岩溶水系统分割为边界条件与富水性各异的含水条带，造成断层两侧矿坑涌水量的巨大差异。如河北黑龙洞岩溶水系统中的王 煤矿和杨二庄铁矿分别位于南洛河阻水断层南、北两侧，南侧为大水矿床，北侧因岩体分割包围为中等偏弱充水矿床。 （4）矿坑涌水量大小取决于：①蓄水构造的规模；②裸露区面积大小；③强径流带的发育程度；④(煤矿)埋藏区在岩溶水系统水循环中的地位,在正倾系统(即正地形)中，埋藏区位于系统的中下游汇流区，多大水矿床；在反倾系统(负地形)中由于埋藏取位于系统上游的缓流区,无大水矿床；(铁矿)岩体对充水围岩的封闭程度。 3.开采的主要水文地质问题 （1）矿坑涌水量大，底板突水严重 截至1990年，境内煤铁矿床的总排水量为239×104 m3/d，占矿床分布区岩溶水的19.7%。1956~1988年境内煤矿共发生突水1220次，直接经济损失30亿以上；1988年底境内变底板突水威胁无法大面积开采的煤炭资源159.87亿吨，占已探明资源的38.33%。 （2）矿区供排矛盾突出 境内岩溶水天然资源401.46m3/s，其中半数分布在煤矿所在的52个岩溶水系统中，计201.29 m3/s。它们既是境内工农业生产的主要水源，又是煤矿开采的主要充水因素，由于矿山长期排水，已引起相关岩溶水系统所在地区的用水紧张，供排矛盾日趋突出，据原煤炭部调查，1986年各主要煤矿山缺水86×104 m3/d。 此外，辽、鲁、冀、皖的15个矿区的统计，共有岩溶坍陷坑432个，仅占国内总数的1.8%左右。无论从普遍性、规模或经济损失，均无法与溶洞充水矿床相比较。 （二）溶洞充水矿床 分布在秦岭——大别山——淮河以南地区。矿种多，其中多金属及煤、铝土矿均在国体经济中占重要地位。以溶洞充水为主，最大特点是地层岩溶坍陷对矿床开采的威胁。主要充水含水层为泥盆~二叠系灰岩，其中以二叠系茅口灰岩的厚度最大（300~500m），富水性最强，是大水矿床的主要充水含水层。地表岩溶形态千姿百态，地下以溶洞为主，溶隙为辅。洞与洞之间有溶隙相通，组成具特色的洞、隙网络，局部有岩溶暗河管道分布。在地壳持续间歇性上升地段，溶洞具成层性，上层溶洞在雨季是下层溶洞的蓄水库。 1.主要特点 （1）蓄水构造规模小：其规模因矿床成因类型而异，但与溶隙充水矿床相比规模小是其基本特点，受岩体控制的矽卡型矿床的蓄水构造，小则仅km2，含煤构造台地稍大，但也以数十km2为主，少数为100~300 km2，因此地下水储存量与补给量极有限，对矿床充水强度并不起控制作用。 （2）岩溶发育极不均匀：在垂向上，上部为溶洞带，分布在-100~-200m上下，下部溶隙带一般在-300m以上；水平方向，沿断裂、岩体与灰岩接触带、硫化矿床氧化带和地表水附近岩溶极发育；岩溶充填率高达40~80%以上，尤其在浅部溶洞均为充填或半充填，是造成地面岩溶坍陷普遍发育的主要原因。 （3）地面岩溶坍陷规模大具普遍性：由于境内多溶洞、充填率高、降水强度高、入渗强烈，加上蓄水构造规模小，矿坑排水时渗透场水力坡度大作用力强，使地面岩溶坍陷不仅有普遍性且规模大。岩溶坍陷一般沿疏干漏斗范围内的岩体与充水围岩接触带、硫化矿床氧化带、断层和地表水附近分布，河水和暴雨沿坍陷坑的回渗，是大水矿床形成的主要原因。 （4）矿坑涌水量大小的主控因素因矿床成因而异：本类矿床的矿坑涌水量一般以小和中等为主，超过5×104 m3/d的较少，最大威胁来自雨季地表水沿坍陷坑的溃水造成淹井事故。矽卡岩型矿床（大水矿床占国内25%左右），因岩体与充水围岩直接接触，多溶洞溃水，其涌水量大小取决于成矿围岩的富水性，岩体对充水围岩的封闭程度与断层的作用，其大水矿床的形成还需两个条件，即采后地面坍陷与地表水的规模；二叠系煤田（大水矿床占国内15%），因煤层与底板充水含水层呈间接接触，煤盆也缘以岩溶坍陷溃水为主，煤盆内以底板突水为主，其矿坑涌水量大小与岩溶坍陷底板隔水层厚度有关。如大水矿床恩口煤矿，其底板仅有0.04~1.42m厚的粘土角砾岩与充水含水层茅口灰岩相隔，单个突水点的最大涌水量达5.5×104 m3/d，矿坑总涌水量11.3×104 m3/d。 2.开采的主要水文地质问题 地面岩溶坍陷对溶洞充水矿床的开采危害最大，且具普遍性。对境内20个矿山截止1985年的统计：总岩溶坍陷坑为20588个，平均每个矿山达1027.9个。其中如湘中恩口煤矿，1972~1986年共产生坍陷坑6100个，面积25km2，毁坏农田9500亩，小型水库8座，1.83万m2成房搬迁，1977年暴雨二条河流因岩溶坍陷侧流，矿坑涌水量增至17×104 m3/d，后耗资980万元进行回填治理，但1990.6.12暴雨又造成150个回填坍陷坑的复坍，壶天河再次断流侧渗，河床中的复坍洞面积15810 m2，侧渗量48×104 m3/d。 此外，溶洞充水矿床由于溶洞的充填率很高，开采时也普遍存在泥沙突击问题，其最大突击量有时可以占总溃水量的50%。因变水动力条件控制一般发生深部井巷开拓的初期。恩口煤矿1980.9.23曾发生突泥封住工作中12人死亡的事故。 （三）暗河管道充水矿床 分布是西南岩溶山区与岩溶丘陵。据统计仅（1）东南4个区就有暗河200条。暗河管道充水矿床是指具有管道充水特征，并是开采中的主要充水水源。境内分布最广、储量最大的是煤和硫铁矿。最大特点是矿坑涌水量及不均匀。主要充水含水层是二叠、三叠灰岩，岩溶多裸露型。 1.主要特点 （1）管道流的特点：①管道中地下水运动与地表水有若干类似，人称加盖的地表水，不符合地下水渗流理论的基本特征；②暗河中管道泥与分散泥并存，分散的裂隙水泥量虽小，但它是暗河较稳定的补给源，使大多数暗河终年不枯；③管道泥在流场场面上呈低水槽，雨季瞬间流场则呈反漏斗，抽水时因含水不均难成统一的降落漏斗；④其水动力场的流速大、水力坡度大（如四川红岩煤矿，最大流速20225/d，主管道平均水力坡度2%）衰减系数和不稳定系数、流量与水位动态沿暗河管道时空不同步、疏干漏斗范围据13个矿区统计一般仅数百米。 （2）矿床充水特征 矿坑涌水量时空分配悬殊，常见水量在枯季水量小，雨季涌水量为平均水量的数~数十倍，由于流速快，雨后数十小时最多数天后涌水量猛增，因此多溃水突泥，但雨停既退。矿坑的平均涌水量很少超过万m2 /d，涌水量大小取决于地面汇水面积、降水强度以及所处构造部位。一般汇水面积大，矿坑涌水量大而较稳定，反之则差；位于向斜部位的矿坑涌水量较大、单斜次之、背斜部位最小；降雨强度直接影响矿坑涌水量大小。也是溃水突泥的直接控制因素。 2.开采的主要水文地质问题 溃水突泥是该类矿床的最大危害。由于管道系统规模有限，流速快，故调蓄动能差，暴雨期间多发灾害性突泥。境内几乎所有矿山都无一能免，轻则淹井淤泥，重则人员伤亡甚至报废矿井。如湖南翻花岑金属矿1990.11的一次溃水中突泥一万吨；四川红岩煤矿10次溃水突泥淹井事故中，最大矿坑涌水量67×104 m3/d。 由于矿坑涌水量变化悬殊，给治水设计带来很大困难。若据常见水量值设计矿坑排水沟断面、水泵排水能力、水仓容积，到暴雨时会淹井，若据最大预测值设计，则耗资巨大，利用率低，不经济，因为最大涌水量仅仅出现在一瞬间，多则一年1~2次，少则几~几十年才遇一次。 （四）岩溶充水矿床水文地质工作的思路与重点 由于岩溶发育及其富水规律受可溶岩的岩性厚度、地质构造、水动力条件等区域性因素的影响和控制。因此矿床水文地质工作应从上述区域性背景条件入手，才能掌握岩溶的发育特征与充水含水层的富水规律；在此基础上，结合矿床补给条件分布位置的特点与矿体和充水含水层之间关系对矿床的充水条件、充水强度进行预测评价。对于不同充水类型的矿床，水文地质工作应结合采后主要水文地质问题作为工作的深入点。如溶隙充水矿床，应以底板突水条件与构造控水作用为重点；溶洞充水矿床要以溶洞的分布发育规律及地面岩溶坍陷的形成条件为重点；暗河管道充水矿床主要是查明暗河管道的空间构造、规模、分布规律及形成条件。实践证明，对于水文地质条件复杂的岩溶充水矿床，应采用大口径、大流量的群孔抽水试验，对矿区的水文地质条件进行整体暴露，并用数值法模拟抽水成果，是查明矿区水文地质条件，提高预测评价精度的有效方法。 三、裂隙充水矿床 指碎屑岩、岩浆岩、变质岩等坚硬岩层中的煤和各种金属非金属矿。最大特点是矿坑涌水量小。大多分布于山区，以降雨补给为主，地形有利于自然排泄，地表入渗条件差；除沉积矿床外，多数分布面积小，以数~数十km2为最多见；充水含水蹭是各种脆性岩层的裂隙含水层（带），富水性较弱。其中对矿床充水影响较大的有：层状矿床的脆性岩层中由区域性构造裂隙组成的层状裂隙含水层；有玄武岩内的裂隙——孔洞组成的裂隙——孔隙含水层，以河北土县张北煤矿最典型，矿坑涌水量2*104m3/d；脉状矿床的构造破碎和岩脉裂隙组成的裂隙含水带。 1.主要特点 裂隙充水矿床矿坑水具明显的不均匀性，一般沿一定方向的构造线成点集中渗入或涌入，而其他方向或地段常常是干的；涌水量与裂隙宽度直接相关，其中90%较大涌水量均与断裂破碎带有关，若与地表水无联系，均与消耗储存量为主，来势猛、消失快；矿坑涌水量很小，一般为数~数十m3/d，超过5000 m3/d的不多，且随埋深减弱和随季节而变化，绝大多数矿床为水文地质条件的弱充水矿床。只有当矿区充水断裂破碎带沟通地表水时，才会发生大量涌水。 2.矿床水文地质工作的重要 研究层状裂隙含水层的区域性构造裂隙密集带与宽大裂隙带的分布发育规律及其与岩性、厚度、构造部位的关系；②研究成矿岩脉下矿体与围岩的裂隙特征、分布规律；③查明构造破碎带的规模、分布、力学性质、裂隙与充填状况及补给条件。 四、孔隙充水矿体 指产于松散沉积物中的砂矿，第三系半胶结碎屑沉积构造中的煤和油页岩，以及矿床充水条件受上复第四系松散层控制的弱含水基岩中的30多矿种的矿床。矿床以孔隙充水为主。最大特点是：大多数矿床为中等充水强度，矿坑出水均匀，也有尚未开采超级大水露天矿和流沙冲溃等复杂水文地质工程地质问题。 矿床位于有一定厚度的松散或半胶结孔隙含水层分布区，矿区地形低平，充水含水层埋藏浅或直接露地表，降水和地表水的补给条件较好。孔隙含水层的富水性变化复杂，但在宏观上含水层孔隙介质的粒度大、分选好、含泥量少，其含水性好，反之则差。主要充水含水层分别是第四系松散含水层和第三系（包括部分的白垩系）成岩差的半胶结碎屑岩含水层。 1.矿床充水特征 （1）受降水影响明显，浅埋矿床的矿坑涌水量与降水量呈同步变化特征，尤其是露天开采，如广东茂名油页岩露天矿，旱季水量小，最大暴雨时日排水量82.45 ×104m3/d； （2）地表水对矿坑涌水有直接影响，一般为渗入式补给，渗入量大小与矿体距地表水的远近、水体下方岩石的透水性、入渗面积与地表水头有关，尤其在雨季同地表水位上升、水头增大、地表水分布面积扩大与含水层接触面积增大，当井下产生冒落裂隙时，地表水含水呈溃入形式涌入矿坑； （3）山区河谷平原与冲洪积扇顶部的孔隙充水矿床，矿坑涌水量最大：如分布在这两个蓄水构造下的辽西元宝山煤矿与河北司家营铁矿，矿坑涌水量分别预测为33 m3/d和>100万m3/d； （4）第三系半胶结碎屑岩中的矿床，因含水层铁含量高，易风化，裂隙不发育，且一般上复弱透水层，补给径流条件差，矿坑涌水量以排泄储存量为主，初期涌水量有时较大，但随后逐渐减少稳定到一个较小值。 2.开采的主要水文地质问题 （1）流沙冲溃与地面坍塌，流沙冲溃是孔隙充水矿床特有的水文地质工程地质问题。当井巷或回采工作占揭穿或接近细粒砂层时，在水压作用下会发生含沙量极高的溃水，瞬间淹没矿井，冲毁设备，造成停产和伤亡事故。如吉林舒煤矿，一次溃水时涌水量1560 m3/h，含沙量高达50%，总溃沙量8万m3。溃沙都发生在粉、细沙层中，其颗粒周围附着的新水胶颗粒，饱水时胶体颗粒吸水膨胀，使沙粒比重减少，因此“真流沙”不需要太大的水冲力即能悬浮流动，形成水沙冲溃。它与水压高时形成的粗沙砾溃决意义不同，后者不是真正意义上的流沙。 流沙冲溃一般要产生地面坍塌，地表地下均有，它与采空场的位置与规模无明显关系，大多出现在河谷与冲沟地带，规模小，仅数十~数百m3。 （2）残余水头：指排水后疏干层仍保持一定高度的残余水柱，多位于粉、细沙层中，国内以安徽当玺姑山铁矿最为严重，残余水头可引起系列的水文地质工程问题，如流沙、基坑滑动、边坡崩陷等现象。淄稿是指露天矿边坡工作台阶因岩土软化造成运输机械沉陷。 （3）地面沉降：排水使含水层疏干降压，作用于孔隙中的水压被转移到土层颗粒上，使颗粒有效应力增荷和粒间距偏小；同时排水产生的渗透压力也直接作用与颗粒上，上述两种压力使地层压密，地面下沉，一般以排水点为中心形成地面沉降带。如姑山铁矿，中心下沉量30~60cm，影响范围2km2。 3.矿床水文地质工作 ①区域水文地质工作极重要。应从宏观的蓄水构造成因类型、规模及其富水条件与富水规律入手。重点是主要砂砾含水层的厚度、层数、埋藏分布规律、层与层之间及与地表水的水力联系；②在此基础上，从矿床所处部位查明矿体与主要充水含水层及地表水的接触关系、距离，分析进水方式（渗透式还是溃入式），评价矿床的充水条件与充水强度；③结合开采时可能发生的上述水文地质工程问题，开展专门性的调查与研究，其中主要是对产生流砂、残余水头的调查评价，必要时需进行室内流变试验或野外工程地质原位测试。