江西東鄉銅礦水文地質特征分析

堯亮亮

（江西銅業股份有限公司武山銅礦）

東鄉銅礦1958年開始基建，至今已開采了60多年，在采礦過程中，曾發生過多次礦坑突水、突泥等事故，特別是礦體圍巖中富含水、泥、砂和碎石等傳統上所謂的巖溶洼地堆積物［1］、含水層以及一些導水斷層，對礦山開采造成很大威脅。本研究對該礦礦床水文地質特征進行分析總結，為礦山的安全生產提供參考。

1 礦區地質簡介

礦區大地構造位置處于萬年逆沖隆起與懷玉坳陷的拼接帶北側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，成礦區隸屬欽（州）—杭（州）成礦帶贛中區段東鄉—上饒金銅礦聚集區。區域礦產以位于北部的本區銅礦為代表，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。

礦區基本構造形態為一被斷裂破壞而復雜化的北東向單斜構造，在此單斜構造的基礎上，發育有次一級的開闊型橫向和縱向的背斜和向斜。斷裂發育，遍布全區，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主要導礦和儲礦構造。其中F1斷裂帶縱貫全區，長3 200 m，是本區最大的斷層。總體走向為50°～70°，傾向南東，傾角為30°～50°，淺部傾角稍緩。沿傾斜延深達1 000 m以上，斷層造成了規模較大的破碎帶。位于此斷層中的巖體和礦體均有破碎現象，顯示斷層多次活動的特點。

2 自然地理概況

礦區為低山丘陵區，侵蝕基準面海拔最低標高為50 m左右，最高山峰標高為150 m，相對高差為100 m左右。地勢由北西向南東逐漸變低。低山崗地大面積分布于境內各地；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。河流以蜿蜒境內的北港河為主，自北東向南西流經臨川注入撫河。

本區屬亞熱帶濕潤季風氣候區，其氣候特點是春暖冬寒、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，降水量由平原地區向丘陵地區逐步增加。

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

3 礦區水文地質

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，主要為第四系含水層，水賦存在砂礫、泥砂堆積物中，成因為殘坡積、洪、沖積及人工堆積等。單位涌水量為0.13～0.76 L/（s·m），滲透系數為1.91～17.52 m/d；主要受大氣降水、基巖裂隙水補給，該層對礦體充水無直接影響。

（2）紅層孔隙、裂隙—溶洞含水巖組。礦區內白堊系紅層，分布在山前地帶，呈單斜構造，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，應屬中上石炭世壺天群碳酸鹽巖巖溶堆積物；長度大于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，據鉆孔統計，其分布標高為85.65～200.40 m，巖性以白云巖粉組成的中砂、細砂以及粉質黏土、粉土等，富含碎石和塊石；單位涌水量為0.324 L/（s·m），滲透系數為0.304～0.688 m/d，巖層因斷層裂隙發育，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南部，巖性以白云巖為主、白云質灰巖和灰巖少量，隱伏深部，呈長廊狀圍繞礦體的東、南、西三面邊緣分布；巖溶較為發育，溶洞發育最低標高為-285.83 m，最高標高為41.40 m，單孔溶洞總高度大于20 m的鉆孔有10個，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，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，通過對礦床頂板的裂隙或者破碎帶進入礦坑，是通過構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黃龍組下段濱海—淺海相沉積的鈣質碎屑巖夾碳酸鹽巖與花崗斑巖沿斷裂侵入而形成的硅化帶，巖性主要有硅化巖、泥灰巖、鈣質砂巖、粉砂巖等；單位涌水量為0.122 L/（s·m），滲透系數為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。根據含水裂隙特征又分構造裂隙水和層間裂隙水，構造裂隙水分布于礦區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，動態不穩；層間裂隙水也分布在礦區北部，含水層為下石炭統華山嶺組石英砂巖和礫巖、梓山組砂頁巖，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斷層是礦區最主要控巖控礦構造，貫穿整個礦區，巖礦體均賦存于F1斷層帶由陡變緩處的破碎帶中，并構成礦體頂板，其走向為50°～70°，傾向為140°～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水性較好，是礦坑充水及可能導致局部突水的主要原因［2］。

3.2 地下水補給、徑流、排泄

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

4 礦坑涌水量預測

4.1 充水因素分析

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

（1）大氣降水。大氣降水匯集后，除蒸發及土壤持水外，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存、徑流，少部分進入礦井；另一部分以地表徑流形式匯入溝溪，在礦區地表徑流過程中，這些地表水流有一部分下滲而轉化為地下水，少量進入礦井。大氣降雨是其它含水層的最終補給來源。

（2）地表水。采礦范圍內無大的地表水體，礦區內一竹山峽小溪，地表溪流主要通過裂隙（孔隙）入滲到各種地層的孔隙、裂隙、溶蝕裂隙或溶洞等中儲存，再入滲到礦坑的方式進行補給。從目前開采情況分析，地表水與礦坑涌水聯系不密切。

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

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

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

4.2 礦坑涌水預測

4.2.1 礦山開采情況

礦山開采采用中段豎井開拓法，東西風井呈對角線布置，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個中段，-280 m以上已基本采空。

4.2.2 涌水量計算方法

隨著深部礦體的開采，含水層的巖溶發育程度有所減弱，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，待定系數出入較大，導致前人預測的礦坑涌水量偏大。綜合分析，通過利用-325和-370 m中段實際涌水量與水位降深的關系，建立Q—S曲線，預測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穩定井流抽水，抽水井涌水量與水位降深利用Q—S曲線的函數關系表示，再依據所建立的Q—S曲線方程，外推設計降深時的涌水量。利用-325和-370 m中段礦坑實際排水資料，利用曲度法，用曲度n值對函數曲線進行鑒別［4］。

礦區平均靜水位標高為56.40 m［5］，-325 m中段實際日正常涌水量為1 437.92 m3/d，最大涌水量為2 155.87 m3/d，-370 m中段日實際正常涌水量為1 576.56 m3/d，最大涌水量為2 369.66 m3/d，計算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中段實際涌水量，m3/a；Q1為-325 m中段實際涌水量，m3/a。

計算得nnormal=1.675，nmax=1.763，1＜n＜2。

因此Q—S曲線類型為冪曲線型，涌水量計算公式為

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

計算得bnormal=0.597，bmax=0.597，anormal=50.999，amax=76.463。

4.2.3 計算結果

利用-325和-370 m中段實際涌水量與水位降深的關系，建立Q—S曲線，預測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。結合礦山多年來實際排水量，利用式（2）代入待定系數，以及水位降深值，預測-400 m中段礦坑涌水量。計算得Qnormal=1 665.656 m3/d；Qmax=2 497.325 m3/d。

由于水量估算是建立在未來礦坑開拓范圍與上部-325和-370 m中段相近的基礎上，其預測結果基本可靠，但計算基礎資料并未考慮突水、透水對礦坑充水的影響，靜止水位采用勘探期間的數值，現地下水靜水位下降明顯，含水層厚度減小，因此礦坑實際排水量可能仍會減少。

5 結 語

（1）通過分析礦區含水層分布及特征，可以確定礦區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，補給來源有限，地表水不構成礦床充水的主要因素，礦區水文地質條件上屬于以裂隙—巖溶充水為主的中等類型。

（2）經對下一開采中段的涌水量預測分析，雖然礦區開采60余年，地下水位降落漏斗已基本形成，地面現象也趨于穩定，總體看來礦坑涌水量不太大，但地下水在構造、巖溶等發育部位造成礦井突水、突泥突砂的可能性仍然存在。礦山開采時要密切關注開拓面各類水文地質、工程地質變化情況。