銅陵冬瓜山銅礦床60#線以北深部水文地質(zhì)特征及防治水措施

周天健 龐馮秋 汪慶玖 吳長貴 羅 嬌 丁凱華

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊(duì))

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市銅官區(qū)獅子山，是獅子山礦區(qū)的深部礦床。礦床埋深約1 km，銅金屬量近百萬噸。由于礦體埋藏較深，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，歷史上礦山基建過程中發(fā)生過多起突水事故[1-5]，1994年9月，冬瓜山主井掘至-899 m標(biāo)高處工作面爆破時(shí)發(fā)生突水，瞬時(shí)突水量達(dá)1 285 m3/h，靜水壓力達(dá)8～9 MPa，水位一直升至-80 m 標(biāo)高才穩(wěn)定，主井施工被迫停止[2]；2002年11月，當(dāng)-850 m回風(fēng)道掘進(jìn)至距離出風(fēng)井約20 m位置時(shí)，突遇涌水，2 h內(nèi)涌水量迅速從212 m3/h增加至500 m3/h，靜水壓力達(dá)8.8 MPa，經(jīng)過近20 h的搶險(xiǎn)排水井筒仍然處于淹沒狀態(tài)。可見，突水給該礦山帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全生產(chǎn)隱患[6]。目前，隨著礦區(qū)60#線以南礦段礦量逐漸減少，礦山已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)60#線以北礦段階段，主要開拓-790，-850 m等中段。相關(guān)研究認(rèn)為冬瓜山礦床北部的含水構(gòu)造較發(fā)育且富水性較強(qiáng)[5,7-8]，本研究結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)該礦床60#線以北的水文地質(zhì)特征進(jìn)行詳細(xì)闡述，初步查明深部含水構(gòu)造分布情況，并提出相應(yīng)的防治水措施，供相關(guān)研究參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

1.1 礦床地質(zhì)特征

冬瓜山銅礦為獅子山礦區(qū)的深部礦床，礦床主礦體賦存于青山背斜軸部及兩翼，嚴(yán)格受石炭系黃龍—船山組層位控制，局部出現(xiàn)跨層現(xiàn)象，呈似層狀，產(chǎn)狀與控礦巖層基本一致，空間上以背斜隆起部位的賦存標(biāo)高為最高，呈一個(gè)不完整的“穹隆狀”，底板賦存標(biāo)高為-745～-1 007 m，屬層控矽卡巖型大型銅礦床[9]。主礦體水平投影走向長 1 810 m，最大寬度和最小寬度分別為882，204 m，平均寬 500 m，最大厚度100.67 m，最小厚1.13 m，平均厚34 m；礦體走向NE35°～40°，礦體兩翼分別向北西、南東傾斜，傾角最大可達(dá)30°～40°；礦體沿走向向北東側(cè)伏，側(cè)伏角約10°；礦體埋藏標(biāo)高為-690～-1 007 m。礦體直接頂板巖性主要為大理巖，底板巖性主要為粉砂巖及石英閃長巖。礦體主要為含銅磁鐵礦、含銅蛇紋石和含銅矽卡巖[8]。

1.2 礦區(qū)地層及構(gòu)造特征

1.2.1 地 層

礦區(qū)地表出露的地層有第四系及三疊系中、下統(tǒng)，局部有三疊系上統(tǒng)零星分布。深部工程揭露有二疊系、石炭系、泥盆系等地層。其中，泥盆系發(fā)育上統(tǒng)五通組(D3w)，巖性以粉砂巖、頁巖、砂巖、粉砂質(zhì)頁巖為主；石炭系發(fā)育中、上統(tǒng)黃龍—船山組(C2+3)，巖性為灰?guī)r、白云巖，變質(zhì)后為大理巖、白云石大理巖、蛇紋石巖及石榴石矽卡巖；二疊系發(fā)育下統(tǒng)棲霞組(P1q)，巖性主要為灰?guī)r，變質(zhì)后為大理巖或矽卡巖；下統(tǒng)孤峰組(P1g)巖性主要為硅質(zhì)頁巖、含錳頁巖，變質(zhì)后為角巖及大理巖；上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)巖性為碳質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖，常含煤1～3層，變質(zhì)后為長英質(zhì)角巖、紅柱石角巖、角巖化黏土巖(粉砂巖)，局部為矽卡巖；上統(tǒng)大隆組(P2d)巖性為鈣質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖及硅質(zhì)巖，變質(zhì)后為角巖、矽卡巖；下統(tǒng)小涼亭組(T1x)主要巖性為灰?guī)r，變質(zhì)后為大理巖、角巖；下統(tǒng)塔山組(T1t)、中統(tǒng)南陵湖組(T2n)、中統(tǒng)分水嶺組(T2f)巖性均以灰?guī)r為主，變質(zhì)后巖性主要為大理巖；中統(tǒng)龍頭山組(T2l)巖性主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，一般未變質(zhì)或變質(zhì)程度較低。

1.2.2 構(gòu) 造

青山背斜為區(qū)內(nèi)主要的褶皺構(gòu)造，獅子山礦區(qū)位于背斜北東段，其樞紐向NE傾伏，北西翼較陡，傾角30°～50°，南東翼較緩，傾角25°～35°，軸部形態(tài)復(fù)雜。據(jù)工程揭示，-400 m標(biāo)高以上呈雙峰褶曲形態(tài)，主峰偏北西在-200 m標(biāo)高上、下局部出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，-400 m標(biāo)高以下逐漸平緩開闊，在其上疊加有橫跨褶皺，使背斜出現(xiàn)短軸“穹狀”隆起。礦區(qū)主要的成礦前斷裂有包村后山斷裂、曹山斷裂、青山腳—東獅子山斷裂、大團(tuán)山西坡斷裂、白芒山—羊山尖斷裂等；成礦后斷裂主要有陰澇—大沖破碎帶、銅塘沖破碎帶、龍?zhí)梁扑閹А?/p>

1.3 礦床水文地質(zhì)特征

冬瓜山礦床的含水層在垂向上富水性差異明顯，淺層含水層——塔山組小涼亭組地下水主要賦存于-200 m標(biāo)高以上，富水程度弱—中等；向下大隆組—孤峰組可概化為不均勻極弱透水段；其下為礦床深層含水層——棲霞組黃龍—船山組，為主礦體直接頂板，含微弱裂隙水，屬極弱含水層；主礦體直接底板為區(qū)域隔水邊界(圖1)?？拥赖某渌?部分組成：①大隆組—孤峰組裂隙相對(duì)發(fā)育地段，淺層地下水(T1t·T1x)的垂向弱滲透補(bǔ)給；②來自深層地下水(P1q·C2+3)的側(cè)向補(bǔ)給。由于礦體埋藏深，大氣降水、地表水及礦區(qū)的主要含水層(T2n、T2f、T2l)地下水不直接影響礦體開采。礦床南東側(cè)的青山腳—獅子山巖體、北部的曹山—包村巖體在垂直方向上延伸穩(wěn)定，兩者在礦體頂?shù)装?P1g—D3w)相應(yīng)高度內(nèi)分布連續(xù)，組成了礦床的隔水邊界；同時(shí)礦體位于巨厚層的區(qū)域隔水層之上，無深部地下水向上補(bǔ)給，因此，南東和北西兩側(cè)為相對(duì)隔水邊界。礦體頂板及兩翼含微弱裂隙水，礦體位于厚層極弱透水層之下和區(qū)域隔水層之上，接受上部越流和軸向深層地下徑流補(bǔ)給。

圖1 礦床水文地質(zhì)模型[10]

2 60#線以北水文地質(zhì)特征

2.1 坑道節(jié)理裂隙發(fā)育特征

根據(jù)坑道調(diào)查，坑道中結(jié)構(gòu)面以節(jié)理裂隙和層面為主，其中-790 m中段坑道裂隙走向主要為275°～304°，走向43°、64°次之(圖2(a))。其中，走向275°～304°的裂隙向S陡傾，傾角60°～90°，部分N傾，傾角30°～60°；-850 m中段裂隙走向以274°～304°為主，走向315°～344°、73°～85°次之(圖2(b))，其中，走向274°～304°的裂隙向SW陡傾，傾角70°～90°，少量NE傾，傾角70°～80°，裂面多平直光滑呈閉合狀。礦區(qū)優(yōu)勢裂隙主要走向NW，傾向以S—SW向?yàn)橹?，傾角較陡。

2.2 坑道突水概況及突水水化學(xué)特征

2.2.1 坑道各類突水概況

礦床60#線以北主要開拓-790，-850 m中段，發(fā)生坑道掘進(jìn)突水及探水孔突水事故30余次，突水水量一般多為每小時(shí)數(shù)十立方米，但個(gè)別突水點(diǎn)瞬時(shí)突水量可達(dá)每小時(shí)數(shù)百立方米，例如-850 m中段68#線D68-1探水孔施工至39.16 m標(biāo)高時(shí)，發(fā)生突水，瞬時(shí)突水量達(dá)到600 m3/h；-790 m中段67#線回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中發(fā)生突水，突水穩(wěn)定水量達(dá)到300 m3/h，導(dǎo)致掘進(jìn)工程被迫暫停，突水靜水壓力一般為2～4 MPa，突水水溫一般為35～41 ℃。

2.2.2 突水水化學(xué)特征

相關(guān)研究表明：通過水化學(xué)特征可有效辨別突水水源[11-13]。圖3為-790 m中段及-850 m中段坑道突水點(diǎn)水化學(xué)成分Piper圖。分析該圖可知，60#線以北坑道突水水化學(xué)類型以HCO3·SO4-Ca型為主，按舒卡列夫水化學(xué)分類標(biāo)準(zhǔn)均為8-A類水，屬于較典型的沉積巖地區(qū)溶濾水[14]。

(1)

CaMg+(CO3)22CO2(g)+2H2O→Ca2++

(2)

(3)

白云石和碳酸鈣共同溶解時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)方程式為

CaCO3+CaMg(CO3)2+3CO2(g)+

(4)

圖2 坑道節(jié)理裂隙玫瑰花圖

圖3 60#線以北坑道突水點(diǎn)水化學(xué)成分Piper圖

圖4 突水水樣成分

圖5 非碳酸鹽巖來源的鈣與硫酸根離子含量的關(guān)系

3 探水工程布置及認(rèn)識(shí)

3.1 探水工程概況

2011年至今，在礦床60#線以北礦段沿穿脈累計(jì)施工了探水孔77個(gè)，其中-790 m 中段施工了探水孔19個(gè)，總進(jìn)尺1 752 m；-850 m 中段施工了探水孔58個(gè)，總進(jìn)尺3 498 m。根據(jù)冒落帶計(jì)算結(jié)果及礦山以往探水經(jīng)驗(yàn)，探水孔深度應(yīng)總體控制在礦體頂板上方100 m范圍以內(nèi)，相鄰探水孔孔底間距約50 m(圖6)。經(jīng)過多年開展探水工作，共有18個(gè)探水孔出水，2個(gè)孔(D63A-2、D68-4)見有水泥砂漿充填體，探水孔出水量一般為20～60 m3/h，最大瞬時(shí)出水量達(dá)到600 m3/h(D68-1)，水壓約3 MPa，突水水溫一般為35～41 ℃，水質(zhì)類型均為HCO3·SO4-Ca型。

圖6 探水鉆孔剖面布置示意

3.2 探水認(rèn)識(shí)

3.2.1 斷裂構(gòu)造

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，70%以上的礦山突水事故均與斷層有關(guān)[18]，因此，研究礦區(qū)深部構(gòu)造分布情況，對(duì)于礦山開采及水害防治均有重要意義[19-21]。結(jié)合坑道調(diào)查、坑道開拓超前探水及本研究探水成果，推測并初步確認(rèn)的構(gòu)造有F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F15等8組(表1)。本研究基本查明了F15構(gòu)造的空間分布情況，F(xiàn)15位于礦體北西端，總體走向NE，傾向NW，傾角38°～65°，探水鉆孔的出水量一般為20～60 m3/h，最大瞬時(shí)突水量達(dá)600 m3/h，富水性強(qiáng)。

3.2.2 60#線以北水文地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)探水及坑道調(diào)查成果，在平面上可將60#線以北劃分為水文地質(zhì)條件簡單(Ⅰ)及較復(fù)雜(Ⅱ)2個(gè)區(qū)(圖7)。其中，水文地質(zhì)條件簡單區(qū)(Ⅰ區(qū))位于礦體南東段，地層巖性主要為棲霞組灰?guī)r、閃長巖，出水點(diǎn)少，坑道總體上較干燥；水文地質(zhì)條件較復(fù)雜區(qū)(Ⅱ區(qū))位于礦體北西段，巷道節(jié)理裂隙較發(fā)育，揭露的突水點(diǎn)較多，含水構(gòu)造相互切割，可能強(qiáng)化淺部含水層與深部含水層的水力聯(lián)系，地層巖性主要為棲霞組、黃龍—船山組灰?guī)r，巖溶發(fā)育程度弱，為礦床的直接充水頂板。Ⅱ區(qū)節(jié)理裂隙以NW向、EW向?yàn)橹?，各類突水點(diǎn)30余處，探水鉆孔揭露出水點(diǎn)的水量一般為20～60 m3/h，最大達(dá)600 m3/h，水溫較高(35～41 ℃)。該區(qū)為礦床內(nèi)相對(duì)富水的部位，礦坑涌水量中相當(dāng)一部分來自該區(qū)。

表1 推測出的導(dǎo)水構(gòu)造特征參數(shù)及驗(yàn)證情況

圖7 60#線以北水文地質(zhì)分區(qū)(-850 m中段)

4 防治水措施

根據(jù)坑道調(diào)查及探水成果，礦床60#線以北防治水的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)榈V體北西段，即Ⅱ區(qū)，今后在該范圍開展探采工作時(shí)須進(jìn)行超前探水。根據(jù)導(dǎo)水構(gòu)造富水性、分布位置以及可能出現(xiàn)的突水危害程度，本研究將F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F15等8組構(gòu)造劃分為重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)造及一般關(guān)注構(gòu)造，進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。其中，重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)造為F15、F3等，富水性中等—強(qiáng)，若發(fā)生突水災(zāi)害，將對(duì)礦山井下生產(chǎn)及人員安全造成較大危害；其余構(gòu)造為一般關(guān)注構(gòu)造，富水性較弱。

F15、F3構(gòu)造富水性中等—強(qiáng)，且距離礦體頂板近。目前，F(xiàn)15構(gòu)造的推測位置位于距離礦體頂板100 m范圍內(nèi)，該區(qū)段已進(jìn)行了注漿治理，效果較好，建議今后在70#線以東沿F15構(gòu)造按照“有疑必探”的原則進(jìn)行工作，一旦發(fā)現(xiàn)突水點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿治理。F3構(gòu)造向東可能延伸至礦體附近，在后續(xù)探采工作中，須進(jìn)行超前探水。若今后沿F3構(gòu)造出現(xiàn)出水點(diǎn)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿治理。由于F2、F4、F5、F6、F7、F9等構(gòu)造的富水性均較弱，相關(guān)探水孔基本也未出水，因此，在后續(xù)開采過程中，無需進(jìn)行專門處理，若遇到零星出水點(diǎn)，及時(shí)進(jìn)行注漿治理即可。

5 結(jié) 論

(1)礦床60#線以北的巷道結(jié)構(gòu)面以節(jié)理裂隙和層面為主，裂面多平直光滑呈閉合狀，裂隙走向以NW向?yàn)橹鳎瑑A向S—SW，傾角較陡；坑道突水水化學(xué)類型以HCO3·SO4-Ca型為主，按舒卡列夫水化學(xué)分類標(biāo)準(zhǔn)均為8-A類水，屬于較典型的沉積巖地區(qū)溶濾水，水中主要離子來源于碳酸鈣溶解及碳酸鈣與白云巖共同溶解。

(2)60#線以北存在F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F15等8組構(gòu)造，總體上礦床深部的含水層以構(gòu)造裂隙導(dǎo)水為主，其中礦體南東段水文地質(zhì)條件簡單，北西端水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。礦床防治水重點(diǎn)區(qū)域?yàn)榈V體北西段，今后在該區(qū)域進(jìn)行探采工作時(shí)，須進(jìn)行超前探水。

(3)F15、F3構(gòu)造為重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)造，應(yīng)按照“有疑必探”的原則進(jìn)行治理，若發(fā)現(xiàn)出水點(diǎn)，須及時(shí)進(jìn)行注漿治理。

致謝感謝孫浩、周貴斌、齊慶浩、汪令輝等同志在本文研究過程中給予的幫助！

參 考 文 獻(xiàn)

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