铜山铜矿水文地质特征及矿坑涌水量预测研究_王志强.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 016铜山铜矿水文地质特征及矿坑涌水量预测研究王志强(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽 蚌埠 233000)摘要地下矿藏开采工作中水文地质调查工作非常重要，矿山水文地质情况的掌握直接影响整个矿山的经济效益，同时矿山开采工作又离不开水，矿山排水以及疏干水直接影响周边的水文地质环境。以某铜山铜矿为例，在已有的勘察、研究成果的基础上，并辅以必要的水文地质调查分析测试、综合研究等工作，详细调查矿区水文地质条件及矿床充水因素，预测矿坑涌水量，提出矿山防治水建议;预测可能出现的主要地质灾害并提出防治的建议;预测矿床开发可能引发的主要环境地质问题并提出防治的建议，对铜矿的开采工作具有指导意义。关键词铜山铜矿;水文地质调查;矿坑涌水量中图分类号S277文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0049 03收稿日期2022 08 19作者简介王志强(1986 )，男，安徽淮北人，工程师，主要从事水工环地质工作。0引言铜山铜矿位于安徽省怀宁县月山镇北东 2 5 km 的马鞍村境内，行政区划现隶属铜陵市铜山区，调查区交通发达，纵贯全区的矿山公路直接与合(肥)安(庆)公路 206国道衔接，距矿区 18 km 的安庆市设有长江航运码头，交通十分便利。本文收集已有的勘查、研究成果，并辅以必要的水文地质调查分析测试、综合研究等工作，详细调查矿区水文地质条件及矿床充水因素，预测矿坑涌水量，提出矿山防治水建议;预测可能出现的主要地质灾害并提出防治的建议;预测矿床开发可能引发的主要环境地质问题并提出防治的建议。1研究区地质环境背景矿区地处沿江丘陵平原区，矿区四周环山，矿区内地形起伏不大，形成小型山间盆地。山峰海拔高度在 150 300m，其中东、西马鞍山的峰顶标高分别为 164 9 m、163 2 m。多年平均降水量 1 394 0 mm，最大年降水量 2 294 2 mm，年降水日数 130 140 d，且主要集中于 3 8 月，约占全年降水总量的 70%。月山河支流西马鞍山河和无名河自北向南穿越铜山铜矿矿区汇入月山河。矿区周围小型水库有:河龙水库、大乌干尖水库、陶冲水库、余冲水库。矿区位于东马鞍山倒转背斜和龟形山背斜交汇处，矿山内褶皱、断层、破碎带发育。主要地层为三叠系下统南陵湖组、三叠系中统月山组、三叠系中统铜头尖组、三叠系上统拉犁尖组;侏罗系下统磨山组;四系上更新统檀家村组以及第四系全新统芜湖组。2矿区地下水类型以及含水岩组含水层由弱一极弱透水的碎屑岩、岩浆岩组成，既为地表、地下分水岭，又为相对隔水边界。南部在天然状态下为地下水排泄边界，矿床开采后，由于矿坑排水，地下水位下降，南部变为地下水天然的补给边界。矿 区 地 下水类型分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶以及基岩裂隙水。孔隙含水岩组和基岩含水岩组之间无隔水层，水力联系密切，两者具有统一的地下水位。孔隙含水岩组，为粘性土及含砾石粘性土与基岩接触，与基岩含水岩组水力联系弱。在天然状态下，碎屑岩类裂隙含水岩组与裂隙岩溶含水岩组之间有较弱的水力联系。矿区内三叠系碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组各层位之间无明显的隔水层故各层之间均有强、弱不等的水力联系。表 1矿井排水量与地下水流场特征表年份项目矿井排水量降落漏斗范围矿体外围降落漏斗深度矿体周边降落漏斗深度1992年前1992年后年际 逐年增加逐年扩展逐年加深逐年加深年内随 季 节 变化，总体呈上升趋势随 季 节 变化，总体呈扩展趋势随 季 节 变化，总体呈下降趋势随 季 节 变化，总 体 呈下 降 趋 势，且变幅较矿体外围小年际基本稳定基本稳定基本稳定随开采深度逐年加深年内随 季 节 变化，雨季略大，旱季略小，河水倒灌 时 增 幅较 大。总体 在 一 定范 围 内 变化随 季 节 变化，雨季略微收缩，旱季 略 微 扩展。总 体在 一 定 范围内变化。随 季 节 变化，雨季总体 略 微 抬升，旱季总体 略 微 下降。总 体在 一 定 范围内变化。随 季 节 变化，且变幅较 矿 体 外围小。942023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3矿体与大理岩接触带岩溶发育，地层破碎，含水丰富;闪长岩与大理岩接触带一般干燥无水，但局部与构造裂隙密集复合部位则含水。与南陵湖组灰岩的内接触带涌水，水量1 000 m3/d 以上。水量均以储存量为主，补给量有限。表 2地下水水位动态变化总体趋势年份项目矿井排水量矿体外围水位矿体周边水位1992年前1992年后年际逐年增加总 体 呈 衰 减 趋势总 体 呈 衰 减 趋势年内随季节变化，总体呈上升趋势随 降 水 呈 周 期性波动随大气降水，呈周期性的波动，且 变 幅 较 矿 体外 围 小。矿 井突 水 及 堵 水 前后(1989年、1992 年)，陡 升陡降，具突变性和异常性特点。年际基本稳定基本稳定随 开 采 水 平 加深，涌水点降低而呈衰减的趋势年内随季节变化，雨季略大，旱季略小，总体在一定范 围 内 变 化。雨 季 老 塌 陷 复活、新塌陷发生河 水 倒 灌 时 增幅较大随大气降水，呈周期性的波动，对 矿 井 排 水 的增 减 无 明 显 反映。随大气降水，呈周期性的波动，且 变 幅 较 矿 体外 围 小。矿 井突 水 及 堵 水 前后，又呈异常性特点天然状态下，地下水的主要补给来源为大气降水，其次为地表水。补给途径为大气降水直接入渗补给和地表水渗漏补给。自高向低，自北向南向河谷盆地径流。开采状态下，受矿井涌排水的控制，地下水则自四周向矿井汇集。除潘家老屋至新村地下分水岭一线以南，向南径流排出区外，其余皆向矿井汇集，以井下排水的形式排泄。3地下水动力场及降落漏斗发展趋势矿区地下水降落漏斗的形成主要为疏干排水引起区域地下水降落漏斗，由于开采井开采量急剧地减少，开采井形成的降落漏斗目前已大大地收缩(表 1)。矿坑的东、西、北三个方向为隔水边界，漏斗扩展受到一定程度的限制，主要充水方向来自南侧的月山组、南陵组灰岩，尤其是月山组中段的角砾状大理岩，因此降落漏斗主要向南侧扩展，并以东南、正南和西南三个方向延伸。经过1987 1992 年形成发展期后，矿山的开采深度和开采范围均在扩大，同时，矿山对矿坑水的治理也非常重视，每年也投入相当的财力、物力进行治水，使得疏干排水的降落漏斗外扩有所限，而且目前基本保持变化不大的状态。1992 年及其以前是降落漏斗的形成阶段，在矿坑正南(马山口南)延伸到马山口南的潘家老屋附近并且向东南方向延伸较远。2004 2008 年时期降落漏斗的形状东南方向和正南方向的总体趋势变化不大，但西南方向有较大的变化，降落漏斗的方向明显地向西南延伸。2009 2017 年降落漏斗的形状，东南方向和正南方向的总体趋势变化不大。铜山铜矿在开采情况下降落漏斗处于阶段性的相对稳定状态，并随降雨作周期性波动(表 2)。矿区地下水总体呈衰减的趋势。受矿井排水的影响程度不同，可分为相对稳定状态下的周期性变化和衰减状态下的周期性变化，主要表现为周期性、衰减性和突变性、异常性的特点，并且不同时期各自表现出不同的特点(表 3)。表 3不同时期地下水动态变化特征年份项目周期性衰减性突变性异常性矿体外围水位矿体周边水位矿体外围水位矿体周边水位矿体外围水位矿体周边水位1992年前1992年后每 年 枯 季 水 位 降低，雨季过后水位升高，并在一定的范 围 内 呈 周 期 性的变化，且矿床附近 变 幅 较 矿 体 外围 小。水 位 年 变幅大约 0 22 3 0m/a。总体衰减基本稳定随 矿 井 排 水 增 加或 开 采 水 平 的 加深呈衰减的趋势。1986 年 地 下 水 位标高 在 20 m 以上，1988 年 在 172 37 m 1989 年在 224 49m，1989 年 以 后 已 观测不到。突水、堵水均引起了 地 下 水 水 位 的升降，变幅相对较小。其 中 靠 近 F1断层变幅稍大，反映稍 快，西 部、东部 变 化 不 大，至3号孔反映已不明显。突水、堵水均引起了地 下 水 水 位 的陡升陡降，变幅相对 较 大。其 中 中部 变 幅 大，反 映快，西 部、东 部 变幅 小，反 映 慢。1992 年前变幅大，以后 变 幅 相 对 较小无异常无异常随老塌陷复活、新塌陷产生，防治水工作，水位连续下降、连 续 上 升，但升降幅度均不大。随老塌陷复活、新塌陷产生，防治水工作，水位连续下降、连续上升。4矿坑涌水量预测采用大井法预测水位降至 900m 深度时矿坑正常涌水量。Q=1 366K(2Ha Ma)Ma h2a/(lg0 lgr0)(1)式中:Q 为矿坑涌水量;K 为目前经注浆改造后的地层等效渗透系数;Ha为静止水位至有效带下限的水柱高度，取05第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月900 m;Ma为含水层顶板至有效带下限的厚度，取 900 m;ha为动水位至有效带下限的水柱高度，现矿坑内水位大致为 250 m，故取 650 m;0为引用影响半径;r0为引用矿坑(大井)半径;为大理岩地下水进入矿坑范围与矿坑(大井)周长的比值，因矿坑东、北、北西侧为隔水边界，进水边界角度大致为 120，取 1/3;为不完整系数(1)式中:=2Sw(HaK)1/2+r0(2)式中:K 为平均渗透系数;Sw为矿坑水位降深(m);为引用影响半径(m);r0为引用矿坑(大井)半径(m);取 Q(矿坑涌水量)为 2010 年雨季正常涌水量 14 000m3/d;r0取值运用下式反求:S=r2，其中 S 为矿坑面积。图 1 900m 标高矿坑涌水量计算示意取 1997 年 5 月 15 日河水倒灌时矿坑涌水量 19 047 m3和 1997 年 5 月 5 日河水倒灌前矿坑涌水量 11 217 m3作为对比，求出最大涌水量和正常涌水量之间的经验系数 n。n=Q1/Q2(3)Q1为最大涌水量;Q2为正常涌水量当矿坑开采到 900 m 中段时最大涌水量计算公式如下式:Q最大=nQ常(4)矿坑水位降至 900 m 标高时最大涌水量在完全疏干状况下为 49 506 m3/d。5矿区岩溶发育规律受岩性、构造、埋藏深度和水动力条件等因素的影响，不同岩层岩溶发育形态、发育程度、含水层富水性和分布规律均存在明显的差异，主要有溶孔(晶孔):多呈峰窝状，溶孔直径一般 0 5 1 cm 左右，浅部一般连通性好，深部连通性差，可见方解石晶粒;溶蚀裂隙:井下揭露以斜交裂隙为主，垂直层面次之。在构造带、接触带附近尤为发育，井下突水点多为裂隙出水，为本区矿床充水的主要通道;溶洞:分布于矿区南部外围，矿区内中部较发育，东部、西部未见。5 1水平分布规律总体上自南向北，自南部矿区外围向矿体，岩溶发育强度由强渐弱，发育深度由浅渐深。受构造、岩体侵入等的影响，F1 断层两侧、马山口以南、矿体南部外接触带，岩溶裂隙发育强度明显较正常地段增强，发育深度加深。5 2垂直分布规律矿区南部外围主要分布 T1n 地层，岩溶发育深度一般在 100 m 以上。一般可见 1 3 层溶洞，最多可见 7 层。其强度受地层控制，沿 T2y2、T1n 有两层岩溶裂隙发育带。东部 400 m 左右，580 640 m 两带较发育。这两层矿井涌水量也较大。岩溶裂隙形态上浅部以溶洞为主，伴之以溶孔、溶蚀裂隙，向下溶洞逐渐减少变小，以溶蚀裂隙、密集的蜂窝状溶孔为主;深部一般无溶洞，溶蚀裂隙少见，溶孔也相应变小、变少，且有方解石晶粒充填。6结语(1)矿区东、西、北为相对隔水边界，南部天然状态下为排泄边界，开采变为补给边界。(2)矿区内地下水类型为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、基岩裂隙水。(3)月山河、马鞍山河沿河地段松散岩类孔隙含水层与下伏三叠系岩溶裂隙含水层水力联系密切，其它地段水力联系弱。裂隙岩溶含水层组之间，矿体外围两者水力联系相对较弱，靠近矿体联系相对较密切。(4)本矿区岩溶裂隙发育形态为溶孔、溶蚀裂隙，次为溶洞。岩溶裂隙发育强度，在水平方向上总体自南向北，自 F1断层向东西两侧岩溶发育强度由强渐弱，发育深度由浅渐深。(5)本区地下水流场受矿井疏排水控制，形成了以矿井为中心的区域降落漏斗，总体呈葫芦形，地下水向矿井汇集。(6)地下水动态，受大气降水、河水倒灌、矿井排水的影响，具有周期性、衰减性和突变性、异常性的特点，总体呈衰减的趋势。1992 年以前呈衰减状态下的周期性变化，1992年以后呈相对稳定状态下的周期性变化。(7)天然状态下，矿区地下水的主要补给来源为大气降水，次为地表水。补给途径为大气降水直接入渗补给和地表水渗漏补给。矿床开采后排泄途径的改变，新增三叠系碳酸盐岩裂隙岩溶水的侧向补给、地面塌陷河水倒灌的补给以及矿区东南部南陵湖组及月山组侧向补给。天然状态下地下水在接受补给后，自北向南向河谷盆地径流。开采状态下，受矿井涌水的控制，地下水则自四周向矿井汇集。天然状态下地下水以泉的形式排泄于地表，部分向南、向东南排出区外。开采状态下，以潘家老屋至新新村为界，由南向北向矿井汇集，以井下排水的形式排泄。(8)预测矿坑水位降至 900 m 标高时最大涌水量在完全疏干状况下为 49 506 m3/d。(9)矿山环境地质问题主要为岩溶塌陷，汛期岩溶塌陷易发生区域主要分布在马鞍山口及下游周围及月形山与西马鞍山之间的沟谷。枯水季节岩溶塌陷易发生区域在降落漏斗近边缘地段，尤其开采井附近，排水漏斗与开采井漏斗叠加处。参考文献 1水文地质调查规范(1:50 000)DZ/T0282 2015 中华人民共和国国土资源部 2015 2李永良，李北平 构造地质学及地质制图学M 北京:煤炭工业出版社 1990 3袁开 先，付 丽 华 水 文 地 质 学M 北 京:水 利 电 力 出 版 社1984 4李国庆，刘之平 水力学M 北京:中央广播电视大学出版社20085马洪超，林立新 大井法预测矿坑涌水量J 采矿技术 20099(2):315第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月