銅陵冬瓜山銅礦床60#線以北深部水文地質特征及防治水措施

周天健 龐馮秋 汪慶玖 吳長貴 羅 嬌 丁凱華

(安徽省地質礦產勘查局321地質隊)

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市銅官區獅子山，是獅子山礦區的深部礦床。礦床埋深約1 km，銅金屬量近百萬噸。由于礦體埋藏較深，水文地質條件較復雜，歷史上礦山基建過程中發生過多起突水事故[1-5]，1994年9月，冬瓜山主井掘至-899 m標高處工作面爆破時發生突水，瞬時突水量達1 285 m3/h，靜水壓力達8～9 MPa，水位一直升至-80 m 標高才穩定，主井施工被迫停止[2]；2002年11月，當-850 m回風道掘進至距離出風井約20 m位置時，突遇涌水，2 h內涌水量迅速從212 m3/h增加至500 m3/h，靜水壓力達8.8 MPa，經過近20 h的搶險排水井筒仍然處于淹沒狀態。可見，突水給該礦山帶來了巨大的經濟損失和安全生產隱患[6]。目前，隨著礦區60#線以南礦段礦量逐漸減少，礦山已經進入大規模開發60#線以北礦段階段，主要開拓-790，-850 m等中段。相關研究認為冬瓜山礦床北部的含水構造較發育且富水性較強[5,7-8]，本研究結合礦山生產實際，對該礦床60#線以北的水文地質特征進行詳細闡述，初步查明深部含水構造分布情況，并提出相應的防治水措施，供相關研究參考。

1 礦區地質背景

1.1 礦床地質特征

冬瓜山銅礦為獅子山礦區的深部礦床，礦床主礦體賦存于青山背斜軸部及兩翼，嚴格受石炭系黃龍—船山組層位控制，局部出現跨層現象，呈似層狀，產狀與控礦巖層基本一致，空間上以背斜隆起部位的賦存標高為最高，呈一個不完整的“穹隆狀”，底板賦存標高為-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30°～40°；礦體沿走向向北東側伏，側伏角約10°；礦體埋藏標高為-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 礦區地層及構造特征

1.2.1 地 層

礦區地表出露的地層有第四系及三疊系中、下統，局部有三疊系上統零星分布。深部工程揭露有二疊系、石炭系、泥盆系等地層。其中，泥盆系發育上統五通組(D3w)，巖性以粉砂巖、頁巖、砂巖、粉砂質頁巖為主；石炭系發育中、上統黃龍—船山組(C2+3)，巖性為灰巖、白云巖，變質后為大理巖、白云石大理巖、蛇紋石巖及石榴石矽卡巖；二疊系發育下統棲霞組(P1q)，巖性主要為灰巖，變質后為大理巖或矽卡巖；下統孤峰組(P1g)巖性主要為硅質頁巖、含錳頁巖，變質后為角巖及大理巖；上統龍潭組(P2l)巖性為碳質頁巖、粉砂質頁巖，常含煤1～3層，變質后為長英質角巖、紅柱石角巖、角巖化黏土巖(粉砂巖)，局部為矽卡巖；上統大隆組(P2d)巖性為鈣質頁巖、硅質頁巖及硅質巖，變質后為角巖、矽卡巖；下統小涼亭組(T1x)主要巖性為灰巖，變質后為大理巖、角巖；下統塔山組(T1t)、中統南陵湖組(T2n)、中統分水嶺組(T2f)巖性均以灰巖為主，變質后巖性主要為大理巖；中統龍頭山組(T2l)巖性主要為白云巖、白云質灰巖，一般未變質或變質程度較低。

1.2.2 構 造

青山背斜為區內主要的褶皺構造，獅子山礦區位于背斜北東段，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°，軸部形態復雜。據工程揭示，-400 m標高以上呈雙峰褶曲形態，主峰偏北西在-200 m標高上、下局部出現倒轉，-400 m標高以下逐漸平緩開闊，在其上疊加有橫跨褶皺，使背斜出現短軸“穹狀”隆起。礦區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、龍塘湖破碎帶。

1.3 礦床水文地質特征

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域隔水邊界(圖1)。坑道的充水由2部分組成：①大隆組—孤峰組裂隙相對發育地段，淺層地下水(T1t·T1x)的垂向弱滲透補給；②來自深層地下水(P1q·C2+3)的側向補給。由于礦體埋藏深，大氣降水、地表水及礦區的主要含水層(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定，兩者在礦體頂底板(P1g—D3w)相應高度內分布連續，組成了礦床的隔水邊界；同時礦體位于巨厚層的區域隔水層之上，無深部地下水向上補給，因此，南東和北西兩側為相對隔水邊界。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域隔水層之上，接受上部越流和軸向深層地下徑流補給。

圖1 礦床水文地質模型[10]

2 60#線以北水文地質特征

2.1 坑道節理裂隙發育特征

根據坑道調查，坑道中結構面以節理裂隙和層面為主，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。礦區優勢裂隙主要走向NW，傾向以S—SW向為主，傾角較陡。

2.2 坑道突水概況及突水水化學特征

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，發生坑道掘進突水及探水孔突水事故30余次，突水水量一般多為每小時數十立方米，但個別突水點瞬時突水量可達每小時數百立方米，例如-850 m中段68#線D68-1探水孔施工至39.16 m標高時，發生突水，瞬時突水量達到600 m3/h；-790 m中段67#線回風巷掘進過程中發生突水，突水穩定水量達到300 m3/h，導致掘進工程被迫暫停，突水靜水壓力一般為2～4 MPa，突水水溫一般為35～41 ℃。

2.2.2 突水水化學特征

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

(1)

CaMg+(CO3)22CO2(g)+2H2O→Ca2++

(2)

(3)

白云石和碳酸鈣共同溶解時，其化學反應方程式為

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

(4)

圖2 坑道節理裂隙玫瑰花圖

圖3 60#線以北坑道突水點水化學成分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系

3 探水工程布置及認識

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施工了探水孔77個，其中-790 m 中段施工了探水孔19個，總進尺1 752 m；-850 m 中段施工了探水孔58個，總進尺3 498 m。根據冒落帶計算結果及礦山以往探水經驗，探水孔深度應總體控制在礦體頂板上方100 m范圍以內，相鄰探水孔孔底間距約50 m(圖6)。經過多年開展探水工作，共有18個探水孔出水，2個孔(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，最大瞬時出水量達到600 m3/h(D68-1)，水壓約3 MPa，突水水溫一般為35～41 ℃，水質類型均為HCO3·SO4-Ca型。

圖6 探水鉆孔剖面布置示意

3.2 探水認識

3.2.1 斷裂構造

據相關統計，70%以上的礦山突水事故均與斷層有關[18]，因此，研究礦區深部構造分布情況，對于礦山開采及水害防治均有重要意義[19-21]。結合坑道調查、坑道開拓超前探水及本研究探水成果，推測并初步確認的構造有F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F15等8組(表1)。本研究基本查明了F15構造的空間分布情況，F15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，最大瞬時突水量達600 m3/h，富水性強。

3.2.2 60#線以北水文地質分區

根據探水及坑道調查成果，在平面上可將60#線以北劃分為水文地質條件簡單(Ⅰ)及較復雜(Ⅱ)2個區(圖7)。其中，水文地質條件簡單區(Ⅰ區)位于礦體南東段，地層巖性主要為棲霞組灰巖、閃長巖，出水點少，坑道總體上較干燥；水文地質條件較復雜區(Ⅱ區)位于礦體北西段，巷道節理裂隙較發育，揭露的突水點較多，含水構造相互切割，可能強化淺部含水層與深部含水層的水力聯系，地層巖性主要為棲霞組、黃龍—船山組灰巖，巖溶發育程度弱，為礦床的直接充水頂板。Ⅱ區節理裂隙以NW向、EW向為主，各類突水點30余處，探水鉆孔揭露出水點的水量一般為20～60 m3/h，最大達600 m3/h，水溫較高(35～41 ℃)。該區為礦床內相對富水的部位，礦坑涌水量中相當一部分來自該區。

表1 推測出的導水構造特征參數及驗證情況

圖7 60#線以北水文地質分區(-850 m中段)

4 防治水措施

根據坑道調查及探水成果，礦床60#線以北防治水的重點區域為礦體北西段，即Ⅱ區，今后在該范圍開展探采工作時須進行超前探水。根據導水構造富水性、分布位置以及可能出現的突水危害程度，本研究將F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F15等8組構造劃分為重點關注構造及一般關注構造，進行區別對待。其中，重點關注構造為F15、F3等，富水性中等—強，若發生突水災害，將對礦山井下生產及人員安全造成較大危害；其余構造為一般關注構造，富水性較弱。

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

5 結 論

(1)礦床60#線以北的巷道結構面以節理裂隙和層面為主，裂面多平直光滑呈閉合狀，裂隙走向以NW向為主，傾向S—SW，傾角較陡；坑道突水水化學類型以HCO3·SO4-Ca型為主，按舒卡列夫水化學分類標準均為8-A類水，屬于較典型的沉積巖地區溶濾水，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組構造，總體上礦床深部的含水層以構造裂隙導水為主，其中礦體南東段水文地質條件簡單，北西端水文地質條件較復雜。礦床防治水重點區域為礦體北西段，今后在該區域進行探采工作時，須進行超前探水。

(3)F15、F3構造為重點關注構造，應按照“有疑必探”的原則進行治理，若發現出水點，須及時進行注漿治理。

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！

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