江西東鄉(xiāng)銅礦水文地質(zhì)特征分析

堯亮亮

（江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦）

東鄉(xiāng)銅礦1958年開始基建，至今已開采了60多年，在采礦過(guò)程中，曾發(fā)生過(guò)多次礦坑突水、突泥等事故，特別是礦體圍巖中富含水、泥、砂和碎石等傳統(tǒng)上所謂的巖溶洼地堆積物［1］、含水層以及一些導(dǎo)水?dāng)鄬?，?duì)礦山開采造成很大威脅。本研究對(duì)該礦礦床水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析總結(jié)，為礦山的安全生產(chǎn)提供參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)介

礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于萬(wàn)年逆沖隆起與懷玉坳陷的拼接帶北側(cè)贛東北北東向深斷裂帶南西部，上饒坳陷西部，南臨撫州斷陷紅盆地，成礦區(qū)隸屬欽（州）—杭（州）成礦帶贛中區(qū)段東鄉(xiāng)—上饒金銅礦聚集區(qū)。區(qū)域礦產(chǎn)以位于北部的本區(qū)銅礦為代表，南部圍繞侏羅系火山巖、侵入巖密集分布著與之有關(guān)的金、鉛鋅多金屬礦床。地層總體呈北東向展布，傾向南東。

礦區(qū)基本構(gòu)造形態(tài)為一被斷裂破壞而復(fù)雜化的北東向單斜構(gòu)造，在此單斜構(gòu)造的基礎(chǔ)上，發(fā)育有次一級(jí)的開闊型橫向和縱向的背斜和向斜。斷裂發(fā)育，遍布全區(qū)，按其走向可分為北東、北西和近南北向3組。北東向斷裂帶為本區(qū)主要導(dǎo)礦和儲(chǔ)礦構(gòu)造。其中F1斷裂帶縱貫全區(qū)，長(zhǎng)3 200 m，是本區(qū)最大的斷層?？傮w走向?yàn)?0°～70°，傾向南東，傾角為30°～50°，淺部?jī)A角稍緩。沿傾斜延深達(dá)1 000 m以上，斷層造成了規(guī)模較大的破碎帶。位于此斷層中的巖體和礦體均有破碎現(xiàn)象，顯示斷層多次活動(dòng)的特點(diǎn)。

2 自然地理概況

礦區(qū)為低山丘陵區(qū)，侵蝕基準(zhǔn)面海拔最低標(biāo)高為50 m左右，最高山峰標(biāo)高為150 m，相對(duì)高差為100 m左右。地勢(shì)由北西向南東逐漸變低。低山崗地大面積分布于境內(nèi)各地；丘陵以南東部較集中；平原以中部的北港河畔分布較廣，海拔多在30～50 m，地表較平坦。河流以蜿蜒境內(nèi)的北港河為主，自北東向南西流經(jīng)臨川注入撫河。

本區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，其氣候特點(diǎn)是春暖冬寒、夏秋酷暑、雨量充沛、四季分明。年平均氣溫為17.7℃，多年年平均降水量為1 758 mm（1996—2009年），最大年降水量為2 600.9 mm（1998年），最小年降水量為1 244.1 mm（2007年）。時(shí)間上，降水多集中在3—8月，約占全年降水量的75%；空間上，降水量由平原地區(qū)向丘陵地區(qū)逐步增加。

礦區(qū)內(nèi)沒有大的地表河流，只有小溪和小水塘，在礦區(qū)中部有一竹山峽小溪，自北向南流向，流量在12～355 L/s，最低侵蝕基準(zhǔn)面在44 m。礦區(qū)內(nèi)的地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)

3.1 含水層類型特征

（1）松散巖類孔隙含水組。松散巖類孔隙含水巖組遍布全區(qū)，主要為第四系含水層，水賦存在砂礫、泥砂堆積物中，成因?yàn)闅埰路e、洪、沖積及人工堆積等。單位涌水量為0.13～0.76 L/（s·m），滲透系數(shù)為1.91～17.52 m/d；主要受大氣降水、基巖裂隙水補(bǔ)給，該層對(duì)礦體充水無(wú)直接影響。

（2）紅層孔隙、裂隙—溶洞含水巖組。礦區(qū)內(nèi)白堊系紅層，分布在山前地帶，呈單斜構(gòu)造，厚度從山前的幾十米至400多米不等，含水層厚度為23～82 m，一般上層覆有第四系砂土、黏土及碎石層，上部地下水賦存在砂巖孔隙或裂隙中，形成孔隙—裂隙水，下部地下水賦存在砂礫孔隙、裂隙或溶洞中，屬富水程度中等的孔隙—裂隙—巖溶水含水巖組，該含水巖組多為礦體頂板間接充水的含水層。

（3）碳酸鹽巖巖類含水巖組。該含水巖組主要包括巖溶洼地堆積物孔隙水含水巖組、碳酸鹽巖溶洞—裂隙水含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙水含水巖組。①巖溶洼地堆積物孔隙水含水巖組分布在黃龍組上段，應(yīng)屬中上石炭世壺天群碳酸鹽巖巖溶堆積物；長(zhǎng)度大于2 000 m，寬40～500 m，垂向上位于白堊系底部礫巖與硅化巖、鐵礦層、侵入巖、碳酸鹽巖之間，據(jù)鉆孔統(tǒng)計(jì)，其分布標(biāo)高為85.65～200.40 m，巖性以白云巖粉組成的中砂、細(xì)砂以及粉質(zhì)黏土、粉土等，富含碎石和塊石；單位涌水量為0.324 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.304～0.688 m/d，巖層因斷層裂隙發(fā)育，難以起到隔水作用。②碳酸鹽巖溶洞—隙水含水巖組分布在礦區(qū)南部，巖性以白云巖為主、白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r少量，隱伏深部，呈長(zhǎng)廊狀圍繞礦體的東、南、西三面邊緣分布；巖溶較為發(fā)育，溶洞發(fā)育最低標(biāo)高為-285.83 m，最高標(biāo)高為41.40 m，單孔溶洞總高度大于20 m的鉆孔有10個(gè)，占見溶洞鉆孔的24.4%，單孔溶洞總高度占揭露厚度大于40%的鉆孔有8個(gè)，占見溶洞的鉆孔19.5%；鉆孔單位涌水量為0.000 56～0.774 L/（s·m），可見該含水層富水性不均勻，屬富水性弱—中等的溶洞—裂隙含水巖組，通過(guò)對(duì)礦床頂板的裂隙或者破碎帶進(jìn)入礦坑，是通過(guò)構(gòu)造向礦坑充水的主要因素。③碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙水含水巖組主要為上石炭統(tǒng)黃龍組下段濱?！獪\海相沉積的鈣質(zhì)碎屑巖夾碳酸鹽巖與花崗斑巖沿?cái)嗔亚秩攵纬傻墓杌瘞?，巖性主要有硅化巖、泥灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖等；單位涌水量為0.122 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.105 m/d，地下水局部具承壓，屬富水程度貧乏的含水巖組。

（4）基巖裂隙水含水層。根據(jù)含水裂隙特征又分構(gòu)造裂隙水和層間裂隙水，構(gòu)造裂隙水分布于礦區(qū)北部中元古宙千枚巖中，水量貧乏，其泉水量一般為0.01～0.3 t/s，動(dòng)態(tài)不穩(wěn)；層間裂隙水也分布在礦區(qū)北部，含水層為下石炭統(tǒng)華山嶺組石英砂巖和礫巖、梓山組砂頁(yè)巖，水賦存在層間裂隙中。該含水層含承壓水，有的鉆孔揭露到含水層后，涌水水頭高于地表19.62 m，但水量不大，泉流量一般在0.1～0.4 t/s。

（5）F1斷裂帶含水層。F1斷層是礦區(qū)最主要控巖控礦構(gòu)造，貫穿整個(gè)礦區(qū)，巖礦體均賦存于F1斷層帶由陡變緩處的破碎帶中，并構(gòu)成礦體頂板，其走向?yàn)?0°～70°，傾向?yàn)?40°～160°，傾角為30°～50°，其單位涌水量為0.005 3～0.91 L/（s·m），富水性弱—中等，坑道遇此斷層均有涌水，鉆孔施工至該層均有不同程度的沖洗液漏失，由此可見該斷裂帶導(dǎo)水性較好，是礦坑充水及可能導(dǎo)致局部突水的主要原因［2］。

3.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄

本區(qū)地形地貌較利于地表徑流的排泄，降水時(shí)，大部分降水匯集形成徑流通過(guò)竹山峽小溪排出礦區(qū)，一部分轉(zhuǎn)為土壤持水，接受補(bǔ)給條件較差，僅少部分入滲到地層巖石孔隙、裂隙、溶洞中，使其水位抬升，入滲的水一部分儲(chǔ)存在空隙間，另一部分在重力作用下，通過(guò)巖石空隙自高處向低處運(yùn)移，地下水運(yùn)移遲緩，水交替作用弱，最終對(duì)構(gòu)造、巖組裂隙、礦坑進(jìn)行充水。地下水主要接受大氣降水弱的垂向補(bǔ)給及斷裂構(gòu)造、各巖層孔隙、裂隙、溶蝕裂隙或溶洞局部側(cè)向補(bǔ)給，礦區(qū)坑道人工排水為主。

4 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

4.1 充水因素分析

礦區(qū)主要含水層構(gòu)成的地下水系統(tǒng)主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給及上部碎屑巖裂隙水和第四系孔隙水的入滲補(bǔ)給。降水時(shí)，大部分降水匯集形成徑流通過(guò)竹山峽小溪排出礦區(qū)，一部分轉(zhuǎn)為土壤持水，接受補(bǔ)給條件較差，僅少部分入滲到地層巖石孔隙、裂隙、溶洞中，使其水位抬升，入滲的水一部分儲(chǔ)存在空隙間，另一部分在重力作用下，通過(guò)巖石空隙自高處向低處運(yùn)移，地下水運(yùn)移遲緩，水交替作用弱，最終對(duì)構(gòu)造、巖組裂隙、礦坑進(jìn)行充水。地下水主要接受大氣降水弱的垂向補(bǔ)給及斷裂構(gòu)造、各巖層孔隙、裂隙、溶蝕裂隙或溶洞局部側(cè)向補(bǔ)給。

（1）大氣降水。大氣降水匯集后，除蒸發(fā)及土壤持水外，一部分直接滲入地下變成地下水，在各地層的孔隙、裂隙、溶蝕裂隙或溶洞中儲(chǔ)存、徑流，少部分進(jìn)入礦井；另一部分以地表徑流形式匯入溝溪，在礦區(qū)地表徑流過(guò)程中，這些地表水流有一部分下滲而轉(zhuǎn)化為地下水，少量進(jìn)入礦井。大氣降雨是其它含水層的最終補(bǔ)給來(lái)源。

（2）地表水。采礦范圍內(nèi)無(wú)大的地表水體，礦區(qū)內(nèi)一竹山峽小溪，地表溪流主要通過(guò)裂隙（孔隙）入滲到各種地層的孔隙、裂隙、溶蝕裂隙或溶洞等中儲(chǔ)存，再入滲到礦坑的方式進(jìn)行補(bǔ)給。從目前開采情況分析，地表水與礦坑涌水聯(lián)系不密切。

（3）白堊系下部礫巖裂隙—巖溶含水層。該含水層巖溶較發(fā)育，富水性中等—強(qiáng)，溶洞主要發(fā)育標(biāo)高為35～-77 m，最低為-160 m，與下伏碳酸鹽巖水力聯(lián)系密切，其補(bǔ)給來(lái)源于地表水的入滲、巖溶洼地堆積物孔隙含水層以及承壓性質(zhì)的碳酸鹽巖裂隙—巖溶含水層，是礦區(qū)主要的充水水源之一［3］。

（4）碳酸鹽巖裂隙—巖溶含水層。該層溶洞發(fā)育的最低標(biāo)高為-285.83 m，上覆巖層大部分為白堊系，各段富水性差異很大，其補(bǔ)給來(lái)源主要是上覆礫巖裂隙—巖溶含水層，是通過(guò)構(gòu)造向礦坑充水的主要因素。

（5）F1斷裂帶含水層。該斷層貫穿整個(gè)礦區(qū)，巖礦體均賦存于F1斷層帶由陡變緩處的破碎帶中，其主要補(bǔ)給來(lái)源是碳酸鹽巖裂隙—巖溶含水層，是礦坑充水及可能導(dǎo)致局部突水的主要原因。

4.2 礦坑涌水預(yù)測(cè)

4.2.1 礦山開采情況

礦山開采采用中段豎井開拓法，東西風(fēng)井呈對(duì)角線布置，中段開拓采用下盤脈外沿脈加穿脈的形式，開采中段依次有+45，+15，-45，-75，-105，-135，-165，-200，-235，-280，-325和-370 m共13個(gè)中段，-280 m以上已基本采空。

4.2.2 涌水量計(jì)算方法

隨著深部礦體的開采，含水層的巖溶發(fā)育程度有所減弱，從淺表向深部各含水層含（富）水性逐漸減弱，含水層厚度變薄，待定系數(shù)出入較大，導(dǎo)致前人預(yù)測(cè)的礦坑涌水量偏大。綜合分析，通過(guò)利用-325和-370 m中段實(shí)際涌水量與水位降深的關(guān)系，建立Q—S曲線，預(yù)測(cè)與其含水層富水性相近的-400 m中段礦坑涌水量。該方法的原理是根據(jù)穩(wěn)定井流抽水，抽水井涌水量與水位降深利用Q—S曲線的函數(shù)關(guān)系表示，再依據(jù)所建立的Q—S曲線方程，外推設(shè)計(jì)降深時(shí)的涌水量。利用-325和-370 m中段礦坑實(shí)際排水資料，利用曲度法，用曲度n值對(duì)函數(shù)曲線進(jìn)行鑒別［4］。

礦區(qū)平均靜水位標(biāo)高為56.40 m［5］，-325 m中段實(shí)際日正常涌水量為1 437.92 m3/d，最大涌水量為2 155.87 m3/d，-370 m中段日實(shí)際正常涌水量為1 576.56 m3/d，最大涌水量為2 369.66 m3/d，計(jì)算n值公式為

式中，S2為-370 m中段水位降深，m；S1為-325 m中段水位降深，m；Q2為-370 m中段實(shí)際涌水量，m3/a；Q1為-325 m中段實(shí)際涌水量，m3/a。

計(jì)算得nnormal=1.675，nmax=1.763，1＜n＜2。

因此Q—S曲線類型為冪曲線型，涌水量計(jì)算公式為

式中，S為現(xiàn)在坑道水位降深，m；Q為坑道排水量，m3/d；a、b為待定系數(shù)。

計(jì)算得bnormal=0.597，bmax=0.597，anormal=50.999，amax=76.463。

4.2.3 計(jì)算結(jié)果

利用-325和-370 m中段實(shí)際涌水量與水位降深的關(guān)系，建立Q—S曲線，預(yù)測(cè)與其含水層富水性相近的-400 m（水位降深343.6 m）中段礦坑涌水量。結(jié)合礦山多年來(lái)實(shí)際排水量，利用式（2）代入待定系數(shù)，以及水位降深值，預(yù)測(cè)-400 m中段礦坑涌水量。計(jì)算得Qnormal=1 665.656 m3/d；Qmax=2 497.325 m3/d。

由于水量估算是建立在未來(lái)礦坑開拓范圍與上部-325和-370 m中段相近的基礎(chǔ)上，其預(yù)測(cè)結(jié)果基本可靠，但計(jì)算基礎(chǔ)資料并未考慮突水、透水對(duì)礦坑充水的影響，靜止水位采用勘探期間的數(shù)值，現(xiàn)地下水靜水位下降明顯，含水層厚度減小，因此礦坑實(shí)際排水量可能仍會(huì)減少。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過(guò)分析礦區(qū)含水層分布及特征，可以確定礦區(qū)主要充水含水層碳酸鹽巖溶洞—裂隙水含水層和白堊系下部礫巖裂隙—巖溶含水層，以及巖溶洼地含水層，補(bǔ)給來(lái)源有限，地表水不構(gòu)成礦床充水的主要因素，礦區(qū)水文地質(zhì)條件上屬于以裂隙—巖溶充水為主的中等類型。

（2）經(jīng)對(duì)下一開采中段的涌水量預(yù)測(cè)分析，雖然礦區(qū)開采60余年，地下水位降落漏斗已基本形成，地面現(xiàn)象也趨于穩(wěn)定，總體看來(lái)礦坑涌水量不太大，但地下水在構(gòu)造、巖溶等發(fā)育部位造成礦井突水、突泥突砂的可能性仍然存在。礦山開采時(shí)要密切關(guān)注開拓面各類水文地質(zhì)、工程地質(zhì)變化情況。