紫金山金銅礦地下開采礦坑涌水水源識別及防治方案

楊 柱 趙 恰 王 軍

(1.長沙礦山研究院有限責任公司；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室)

紫金山金銅礦為老礦山，深部銅礦床進行露天轉(zhuǎn)地下開采后，水文地質(zhì)條件與勘探初期發(fā)生了較大變化，準確識別礦坑涌水水源對于深入分析礦區(qū)水文地質(zhì)特征以及指導礦山生產(chǎn)具有重要意義。但由于深部礦體埋藏深，地下水位埋深達數(shù)百米，常規(guī)的抽水試驗、水文物探、水文鉆孔觀測等水文勘察手段難以取得理想效果，且成本極高[1-2]。

水文地球化學探查技術(shù)是依據(jù)地下水系統(tǒng)中天然(或人工示蹤劑)化學、物理及同位素成分的分布及變化規(guī)律，來分析地下水的補給、徑流、賦存及排泄特征，以便進一步了解含水介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，從而達到對地下水源進行準確探查的目的[3-4]。該方法主要用于水害預防和治理效果反饋，適用于對地下水以及與地下水有聯(lián)系的其他水體的研究。水文化學探查可分為利用地下水天然成分探查和人工示蹤探查2類[5-6]。前者主要適用于水文地質(zhì)條件調(diào)查和研究，初步判斷礦坑涌水水源[7-12]；后者主要用于一些疑難關(guān)鍵問題的深入研究。在礦坑涌水水源、通道、不同含水層的水力聯(lián)系及治水效果評價等方面，水文地球化學方法的應用效果顯著，近年來日漸顯現(xiàn)出快捷、簡便、準確等優(yōu)勢[13-16]，在煤礦防治水中得到了廣泛應用[17-20]，但在金屬礦山地下水防治中應用較少[2,21]。對于地下水埋藏深且構(gòu)造發(fā)育的金屬礦床，利用水文地球化學方法識別礦坑涌水水源可以取得較好的效果。本研究結(jié)合紫金山金銅礦工程實例，采用水化學分析和人工示蹤試驗方法綜合判定礦區(qū)深部銅礦的礦坑涌水水源，并制定相應的防治水方案，為區(qū)內(nèi)礦坑水害防治提供可靠依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

紫金山金銅礦位于福建省龍巖市上杭縣北部約14 km處，為我國特大型銅金礦床之一。礦山已進入深部井下開采階段，目前深部開拓有330平硐、245膠帶斜坡道及-50，-100，-150 m平巷。礦山在斜坡道掘進過程中，由于地下水不斷涌出及巖層破碎，嚴重影響了礦山生產(chǎn)進度。另外，礦區(qū)西南部距離地表河流汀江較近(圖1)，未來存在地表水反向補給礦坑的可能，因此，有必要在礦體回采前查明井下涌水來源，評價深部銅礦開采與汀江的水力聯(lián)系。

圖1 礦區(qū)匯水分布特征

2 礦坑涌水水源判別及人工示蹤驗證

2.1 礦坑涌水水源判別

2.1.1 樣品采集與測試方法

天然情況下汀江是當?shù)氐叵滤呐判够鶞剩V坑開拓過程中有可能形成汀江水反向補給。反向補給可能的位置為導水構(gòu)造貫通處以及補給源的水位相對較高處(金山水庫水位抬高了約40 m)。因此，將汀江水樣采集點布設于金山水庫二廟溝F1斷層附近。礦坑涌水水樣采集點為245斜坡道入口370 m、245斜坡道5#繞道、-50 m中段上山斜坡道、-100 m中段巷道以及-150 m中段回風巷。本研究共采集了7組代表性水樣，其空間分布如圖2所示。水樣陰離子組分采用離子色譜儀測定，陽離子組分采用ICP-AES譜儀測定，氫氧同位素組分采用MAT253同位素質(zhì)譜儀測定，測試結(jié)果見表1。

圖2 水樣及示蹤試驗鉆孔位置示意

2.1.2 水化學分析

2.1.2.1 地下水常規(guī)水化學分析

分析表1可知：礦區(qū)水化學類型以低礦化度水為主，其中汀江金山水庫庫水為極低礦化度中偏堿性HCO3·SO4-Ca型水；金山水庫庫岸附近地下水(2#樣品)為低礦化度中偏酸性SO4·HCO3·Cl-(Na+K)·Ca型水；淺層地下水(4#樣品)為極低礦化度酸性SO4-Ca型水；深層地下水(5#、6#樣品)為低礦化度酸性SO4·Cl-(Na+K)型或SO4-(Na+K)型水。礦區(qū)由地表向深部、由庫岸向山體，水化學特征表現(xiàn)為礦化度由低變高、HCO3含量由高變低、SO4含量由低變高、Cl含量由低變高、Ca含量由高變低、Na+K含量由低到高的特征，即隨著地下水循環(huán)深度加大，溶濾作用加強，地下水酸度變強、礦化度增高、溶解度低的組分(HCO3、Ca)逐漸減少，而溶解度高的組分(SO4、Cl、Na+K)逐漸增多。

表1 水樣化學組分測試結(jié)果

2.1.2.2 地下水微量元素水化學特征分析

1#～5#樣品中微量元素組分含量特征可表現(xiàn)為：①F、NO2、Br、Ag、As、Cd、Co、Cr、Hg、Se、Ni含量變化不大或含量較低，多數(shù)低于檢測限；②NO3、Al、Au、Cu、Li、Pb、Sn、V、Zn表現(xiàn)出由地表向深部含量逐漸增高的趨勢，與礦區(qū)礦床分布特征具有一致性；③B、Ba、Fe、Mn、Si、Sr表現(xiàn)出由地表向深部含量逐漸降低的趨勢，與礦區(qū)地下水向深部氧化作用減弱的特征具有一致性。

2.1.2.3 氫氧同位素水化學特征分析

本研究分別對1#、2#、4#、5#、6#水樣進行了氫氧穩(wěn)定同位素組分測試，結(jié)果表明：1#、2#、5#、6#水樣均落于當?shù)?以廈門地區(qū)為準)大氣降雨氘-氧同位素線上，說明上述取樣點的水主要來自大氣降雨或大氣降雨的入滲補給；4#水樣的氘氧同位素與前述4個地點的數(shù)值存在明顯差異，且與當?shù)亟涤昃€有所偏離，可見該取樣點的水并非受到大氣降雨來源水的混入作用影響。

2.1.2.4 常規(guī)組分Piper三線圖分析

根據(jù)各水樣(1#、2#、4#、5#、6#水樣)常規(guī)組分的基本特征，繪制了Piper三線圖(圖3)。分析圖3可知：5件水樣表現(xiàn)出3種水化學類型，1#、2#水樣落于菱形圖中部；5#、6#水樣均位于菱形圖右上邊緣處；4#水樣單獨位于菱形圖右上方邊緣處，其水化學類型有別于其余樣品。

2.1.2.5 常規(guī)組分及微量組分聚類分析

本研究對礦區(qū)各水樣常規(guī)組分及微量元素組分進行了聚類分析，各組水樣之間的關(guān)聯(lián)程度如表2所示。根據(jù)各組水樣之間的相關(guān)性進行了分層聚類分析(圖4)，并將相關(guān)度大于0.85的水樣視為有聯(lián)系的相近水樣。分析表明：①2#水樣與1#水樣的相關(guān)度達到0.889，屬汀江地表河水類；②5#水樣與6#水樣的水化學成分基本一致，相關(guān)度高達0.979，屬深層地下水類；③4#水樣與1#、2#水樣的水化學特征有所區(qū)別，相關(guān)度均較低，故而可單獨劃分為人工干擾淺層地下水類。

圖3 水樣的Piper三線圖

水樣編號1#2#4#5#6#1#1.0002#0.8891.0004#0.5180.6851.0005#0.4690.5900.6491.0006#0.4790.6080.7030.9791.000

2.1.3 礦坑涌水來源綜合分析

(1)礦區(qū)地下水可以分為3類，即汀江地表河水類、深層地下水類以及人工干擾淺層地下水類。

(2)坑道深部涌水主要來自硐室圍巖的基巖裂隙水，未受到汀江水混合的影響。

(3)245斜坡道5#繞道的淺層地下水水質(zhì)與其他水質(zhì)差異明顯，是因為淺層基巖裂隙水除了有來自大氣降雨的入滲補給外，還有人工干擾水組分的混合，但總體來看偏離當?shù)亟涤昃€不遠，說明該類人工水混合作用的影響較小。

2.2 人工示蹤試驗驗證

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)特征及水文地質(zhì)特征，本研究用于投放示蹤劑的鉆孔布置于汀江岸邊2條橫穿汀江及礦床的斷裂帶附近(圖2中SZK01、SZK02鉆孔)。根據(jù)礦區(qū)含水介質(zhì)類型，為便于監(jiān)測，本研究示蹤試驗選取了羅丹明、熒光素鈉2種示蹤劑。地下水示蹤試驗的接收點布設于245斜坡道內(nèi)的5個主要涌水點，即圖2中的3#、4#、5#、6#、7#取樣點，試驗監(jiān)測時間為24 d，監(jiān)測頻率為每天1次。

由圖5可知：5個監(jiān)測點的所有的熒光素鈉的濃度均為0.01×10-9，無任何變化。由圖6可知：5個監(jiān)測點的羅丹明濃度為(6.5～7.3)×10-9，與地下水天然背景值一致(其中，熒光素鈉背景值為0.01×10-9，羅丹明為6.65×10-9)，說明目前本研究所投放的2種示蹤劑均未運移至坑道各涌水點，礦坑排水引起的地下水降落漏斗未影響到汀江岸邊。

圖5 245斜坡道各涌水點熒光素鈉濃度(2015年)

3 礦坑涌水量預測

紫金山礦區(qū)深部銅礦礦坑充水水源主要有大氣降水、淺層風化裂隙水、深層構(gòu)造裂隙水、斷裂構(gòu)造水以及地表水。汀江地表水與礦區(qū)局部地段存在一定的水力聯(lián)系，但對未來采礦活動不具備充水威脅。

圖6 245斜坡道各涌水點羅丹明濃度(2015年)

本研究采用水文地質(zhì)比擬法和解析法分別進行礦坑涌水量預測。

根據(jù)245斜坡道區(qū)域開拓的水文地質(zhì)特征，采用水文地質(zhì)比擬法經(jīng)驗公式預測 0，-50，-100，-150 m 中段礦坑涌水量。計算公式為

(1)

式中，Q設計開采中段礦坑涌水量，(m3/d)；Q1為坑道涌水量，根據(jù)245斜坡道區(qū)域已開拓中段的水文地質(zhì)觀測資料，最大涌水量為4 824 m3/d，平均涌水量為3 200 m3/d；S為設計開采中段水文降深值，m；S1為坑道水位降深值，m；F為設計開采中段坑道面積，m2；F1為坑道面積，245區(qū)域已開拓中段面積為21 657 m2。

解析法礦坑涌水量計算公式為

(2)

式中，Q為礦坑涌水量，m3/d；K為混合含水層滲透系數(shù)，m/d；H為水頭高度，m；M為混合含水層厚度，m；R為引用影響半徑，m；r為引用半徑，m。

式(1)、式(2)計算結(jié)果見表3。

表3 礦區(qū)各中段涌水量預測結(jié)果

分析表3可知：2種方法預測的不同中段的礦坑涌水量較接近，相對而言，水文地質(zhì)比擬法根據(jù)礦區(qū)已開拓中段的實際情況對下步中段的礦坑涌水量進行預測，參數(shù)來源可靠，計算公式不受邊界條件限制，故該方法預測結(jié)果的可靠性優(yōu)于解析法。因此，本研究認為礦區(qū)-150 m中段開拓完畢后的正常涌水量將達到7 736 m3/d，最大涌水量將達到11 662 m3/d。

4 礦坑涌水防治方案

礦山防治水方法一般分為3類，即疏、堵、避，實際應用中，往往采用以其中一種方法為主，其余方法為輔的綜合防治方案[22-23]。由水化學分析及示蹤試驗結(jié)果可知，礦坑深部涌水主要來自硐室圍巖富含大氣降雨成因的基巖裂隙水，地表水對未來采礦活動威脅較小，深部含水介質(zhì)非均質(zhì)性強，側(cè)向補給有限，故而可采取“疏干降壓為主，預防為輔”的防治水方案。

(1)隨著礦床開采水平不斷延深和井下生產(chǎn)巷道開拓產(chǎn)生的涌突水點增加，地下水位將繼續(xù)降低。在礦體回采前，可在-150 m巷道布設叢狀放水孔以疏干深部構(gòu)造裂隙水。布設放水孔時，需考慮深部含水介質(zhì)的非均質(zhì)性及非統(tǒng)一性。放水孔需布設于揭露的構(gòu)造破碎帶或裂隙密集帶位置。

(2)保留本研究工作的水文地質(zhì)鉆孔作為礦區(qū)長期水文觀測孔，構(gòu)建地面及井下聯(lián)合觀測網(wǎng)絡，并加強對井下礦坑涌水的記錄及觀測。

(3)4#水樣化學組分有人工干擾組分混合，采礦實踐時，需在未來深部銅礦床大規(guī)模開采過程中由PD330排出地表的水量沿爆破振動裂隙滲入下部采坑。加強對PD330及其下部各中段排水量的長期動態(tài)觀測，及時對各中段礦坑涌水量的預測結(jié)果進行修正。

5 結(jié) 語

依據(jù)紫金山金銅礦水化學綜合分析結(jié)果，可知礦區(qū)深部礦坑涌水與地表水的相似程度較低，坑道涌水主要來源于硐室圍巖富含大氣降雨成因的基巖裂隙水，未受到汀江水混合的影響。結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件及充水因素判斷，礦區(qū)深部礦坑涌水主要為構(gòu)造裂隙水，可采用“疏干降壓為主、預防為輔”的防治水方案進行處理。

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