德興銅礦富家塢礦區(qū)水文地質(zhì)特征及礦坑充水分析

彭勃 朱見(jiàn)仁

（江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 江西南昌 330000）

德興銅礦富家塢礦區(qū)水文地質(zhì)特征及礦坑充水分析

彭勃 朱見(jiàn)仁

（江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 江西南昌 330000）

德興銅礦富家塢礦區(qū)采用露天開(kāi)采方式，臺(tái)階法開(kāi)拓方案，露天最高開(kāi)采標(biāo)高605m，最低開(kāi)采標(biāo)高-250m。隨著礦山露采規(guī)模的擴(kuò)大加深，礦坑充水問(wèn)題日益嚴(yán)重，本文主要分析富家塢礦區(qū)水文地質(zhì)特征，進(jìn)而從開(kāi)采前后兩階段對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)及礦坑充水分析。

德興銅礦；水文地質(zhì)；礦坑充水

德興銅礦富家塢礦區(qū)位于懷玉山脈官帽山支脈的東南麓，地形切割強(qiáng)烈，山形陡峻，屬以構(gòu)造剝蝕為主的丘陵山區(qū)。官帽山沿北東向南西延伸，在南東側(cè)亦有相平行的次級(jí)山脊排列，礦床賦存在官帽山主峰的東側(cè)，西北東三面被群山蜿蜒環(huán)抱，峰巒疊嶂。礦區(qū)主峰為北西側(cè)的官帽山，海撥650m，區(qū)內(nèi)侵蝕基準(zhǔn)面位于南東側(cè)溝谷中，海撥標(biāo)高160m，相對(duì)高差490m。

礦區(qū)內(nèi)無(wú)大的地表水體。在四周環(huán)山的狹窄盆地中，僅見(jiàn)三條小溪流斜穿礦區(qū)匯入東部南山河，雨季一般流量50～101L/s，最大884L/s，其余為間歇性溪流，旱季干枯。南山河溯源于礦區(qū)北西緊鄰的西源嶺，經(jīng)礦區(qū)東緣流向南西，至楊村匯入德興河。

1 地下水類型的劃分及其水文地質(zhì)特征

根據(jù)含水層的巖性特征、成因類型、賦水空間的形態(tài)特征等，將富家塢礦區(qū)及其周邊地下水類型劃分為第四系松散巖類孔隙水含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層、基巖構(gòu)造裂隙含水層三類。

1.1 第四系松散巖類孔隙水含水層

主要為坡積、河流沖洪積物所組成。其組分為粘性土、礫石、砂土等，礫石大小不一，分選性差，最大粒徑30～50cm或更大，多呈次滾園狀，其間混有大量砂、亞砂土、粘性土等，除局部受鐵、硅質(zhì)緊密膠結(jié)外，一般呈松散狀。主要分布在礦區(qū)東部南山河兩岸呈帶狀分布，其余僅在山間、緩坡處零星分布。一般寬約20～60m，厚約5～15m，地下水埋深約1～2m.。由大氣降水、基巖風(fēng)化裂隙水和河水補(bǔ)給。該含水層規(guī)模小，富水性及地下水涌水量有限，非礦坑充水重要因素。

1.2 基巖風(fēng)化帶裂隙含水層

為礦區(qū)分布最廣泛的含水層，存在于千枚巖類、蝕變千枚巖及蝕變變質(zhì)沉凝灰?guī)r類和花崗閃長(zhǎng)斑巖等的風(fēng)化帶中。據(jù)鉆孔資料計(jì)算，風(fēng)化層厚度平均20.86m。平均滲透系數(shù)kcp=0.171m/d，鉆孔單位涌水量為q=0.0043 L/s·m。該層地下水主要由大氣降水補(bǔ)給。

1.3 基巖構(gòu)造裂隙含水層

位于基巖風(fēng)化裂隙含水層之下。礦區(qū)深部變質(zhì)巖及火成巖，均為堅(jiān)硬致密的不含水層，但因成礦后斷裂構(gòu)造活動(dòng)，為地下水儲(chǔ)存、運(yùn)移提供了條件，并在局部地段形成對(duì)礦床充水起一定作用的構(gòu)造裂隙含水帶。含水帶滲透系數(shù)1.67×10-7～6.94×10-6cm/s。本層中還存在局部構(gòu)造裂隙承壓水，據(jù)260個(gè)勘探鉆孔統(tǒng)計(jì)，有21個(gè)鉆孔涌水，單位涌水量0.008～0.279l/s·m，滲透系數(shù) 2.6×10-4～6.26×10-3cm/s。構(gòu)造裂隙含水帶的發(fā)育深度可達(dá)250m。富家塢礦區(qū)東南部接觸帶構(gòu)造破壞較強(qiáng)烈，巖石風(fēng)化作用強(qiáng)，含水層的厚度和透水性較強(qiáng)。承壓水賦存于構(gòu)造破碎帶，在地形有利地段形成承壓水，由基巖風(fēng)化帶裂隙水和大氣降雨補(bǔ)給。

礦區(qū)及其附近無(wú)巨大地表水體，地下水露頭雖多，但流量很小，區(qū)內(nèi)無(wú)大的含水層，礦體及圍巖透水性弱，地下裂隙承壓水聯(lián)系性差。

除上述含水層（帶）以外，礦區(qū)內(nèi)大范圍分布的火成巖體和千枚巖均致密堅(jiān)硬，基本為隔水層。

礦區(qū)地下水主要為SO4-Ca+Mg型。pH值7.1～7.3，呈中性-弱堿性。SiO220～24mg/l，侵蝕性 CO221.2mg/l。總硬度 2.66～46.04，屬微硬水-極硬水。礦化度1110.2～1210.4mg/l，屬微咸水。受礦石和采空區(qū)氧化作用的影響，礦區(qū)部分地表水呈酸性，pH=3.55～6.6。為SO4+HCO3-Ca+Na+Mg型水，礦化度 45.07～391.12mg/l。

2 開(kāi)采前礦區(qū)水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)及礦坑充水分析

2.1 與礦坑充水有關(guān)的含水層與隔水層

礦區(qū)含水層主要有第四系松散巖類孔隙含水層、基巖風(fēng)化裂隙含水層、構(gòu)造裂隙等三類。

第四系松散層主要由坡積、河流沖積物所組成。該層主要在礦區(qū)東部南山河兩岸呈帶狀分布，其余僅在山間、緩坡處零星分布。一般寬約20～60m，厚約 5～15m，地下水埋深約 1～2m，規(guī)模狹小。

風(fēng)化帶含水層主要分布于礦區(qū)東南部地勢(shì)低洼地帶。風(fēng)化層厚度平均20.86m。平均滲透系數(shù)kcp=0.171m/d，鉆孔單位涌水量為q=0.0043L/s·m。

構(gòu)造裂隙含水帶指礦區(qū)深部變質(zhì)巖及火成巖內(nèi)的構(gòu)造裂隙帶，在局部地段對(duì)礦床充水起一定作用。富家塢礦區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造裂隙含水帶有F9、F10、F21斷裂破碎含水帶等。上述含水帶在鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中有涌水、漏水現(xiàn)象，滲透性和含水性較好。滲透系數(shù)k=0.171m/d，鉆孔單位涌水量Q=0.217L/s·m。構(gòu)造裂隙含水帶的發(fā)育深度可達(dá)250m。富家塢礦區(qū)東南部接觸帶構(gòu)造破壞較強(qiáng)烈，巖石風(fēng)化作用強(qiáng)，含水層的厚度和透水性較強(qiáng)。

2.2 礦坑主要充水因素

礦區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高約160m，礦體最高產(chǎn)出部位約440m，區(qū)內(nèi)160m以上的礦體約占全區(qū)儲(chǔ)量的1/3，開(kāi)采時(shí)可自然排水。侵蝕基準(zhǔn)面以下，因變質(zhì)巖系空隙度小，透水性差，礦區(qū)附近不存在較大地表水體，因此礦坑充水主要為大氣降雨及其滲透補(bǔ)給。

2.3 礦區(qū)地下水的補(bǔ)給、排泄條件

礦區(qū)地表水和地下水均受大氣降雨補(bǔ)給，每年3～7月連綿梅雨是潛水補(bǔ)給的主要季節(jié)。地表風(fēng)化帶首先接受降雨補(bǔ)給，由于地形陡峻，地下水排泄條件良好，強(qiáng)風(fēng)化帶普遍呈透水而不含水的透水層，只在地形較低處會(huì)形成不厚的含水層。

構(gòu)造裂隙含水層中的含水帶則靠風(fēng)化層和大氣降雨補(bǔ)給，在地形較低的地段，往往形成上升泉及鉆孔涌水現(xiàn)象。

2.4 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)德興銅礦富家塢礦區(qū)初步開(kāi)發(fā)方案以及礦區(qū)的自然地理?xiàng)l件和水文地質(zhì)資料，礦區(qū)處于四周中低山環(huán)繞的盆地，為一獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，礦山開(kāi)采方式為露天開(kāi)采，因此計(jì)算選用“水力均衡法”，其參數(shù)的選擇符合礦區(qū)的客觀情況，以露采方式為依據(jù)進(jìn)行了露采范圍涌水量的預(yù)算，預(yù)算的最低標(biāo)高為-180m。涌水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 富家塢銅鉬礦區(qū)礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果表

3 開(kāi)采后礦區(qū)水文地質(zhì)條件現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

3.1 開(kāi)采現(xiàn)狀

礦區(qū)1998年以前為硐采，據(jù)調(diào)查1998年由于暴雨及地面不規(guī)范采礦等原因的影響致使地下開(kāi)采的大部分巷道垮塌并形成地表陷落。2007年后轉(zhuǎn)為露天開(kāi)采，礦山正常運(yùn)行2年多，目前已形成1.5萬(wàn)t/d的生產(chǎn)能力。目前采礦生產(chǎn)區(qū)段集中在張家山下部，最低開(kāi)采臺(tái)階標(biāo)高為+290m。由于富家塢礦區(qū)北部分布有官帽山、西部分布有張家山、礦體周邊均有高山分布，最終開(kāi)采境界跨越了官帽山和張家山山頭，廢石量主要分布在上部，基建剝離量較大。為了盡早使采場(chǎng)達(dá)到4.5萬(wàn)t/d的生產(chǎn)能力，并消除原官帽山滑坡體再次產(chǎn)生滑坡的可能性，繼1.5萬(wàn)t/d基建剝離期間對(duì)官帽山削坡減載工作后，德興銅礦對(duì)官帽山和張家山在可行性研究確定的最終開(kāi)采境界范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)幫剝離工作，目前官帽山、張家山區(qū)段最低剝離臺(tái)階標(biāo)高為+485m。目前開(kāi)采的標(biāo)高均在最低侵蝕基準(zhǔn)面之上，采場(chǎng)的水大多數(shù)可以自行往外排泄，僅采坑底部有一定數(shù)量的積水坑。

3.2 開(kāi)采前后水文地質(zhì)條件變化

目前礦區(qū)的露采規(guī)模較小，開(kāi)采深度在最低侵蝕基準(zhǔn)面以上，礦坑充水因素較開(kāi)采前變化較小，充水來(lái)源主要為大氣降水，其次為地下水各含水層（主要為風(fēng)化裂隙含水層和構(gòu)造裂隙含水層）的充水。

3.3 未來(lái)礦坑涌水量預(yù)測(cè)

3.3.1 礦山開(kāi)采規(guī)劃

根據(jù)《江西銅業(yè)股份有限公司德興銅礦擴(kuò)大采選生產(chǎn)規(guī)模技術(shù)改造工程第四冊(cè)采礦擴(kuò)產(chǎn)技術(shù)改造初步設(shè)計(jì)書(shū)》的規(guī)劃設(shè)計(jì)，生產(chǎn)規(guī)模由現(xiàn)有1.5萬(wàn)t/d擴(kuò)大到4.5萬(wàn)t/d，未來(lái)礦山開(kāi)采仍為露天開(kāi)采方式。在原1.5萬(wàn)t/d生產(chǎn)規(guī)模初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了充分利用原境界深部和周邊分布的表內(nèi)礦和表外礦資源，對(duì)富家塢礦區(qū)進(jìn)行擴(kuò)幫延深。設(shè)計(jì)以2008年6月底現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)，在原露天開(kāi)采境界的基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)采最終境界的礦巖量進(jìn)行了重新計(jì)算，確定的最終露天開(kāi)采境界長(zhǎng)2000m，寬1820m，最高開(kāi)采標(biāo)高575m（目前已提前剝離到485m），最低開(kāi)采標(biāo)高-250m，封閉圈標(biāo)高170m。

由于前期露采場(chǎng)均在170m標(biāo)高以上的山坡上作業(yè)，大氣降水可順山溝自然排出，170m標(biāo)高以下為凹陷區(qū)采場(chǎng)內(nèi)涌水采用機(jī)械排水方式排出，根據(jù)礦區(qū)的氣象和水文地質(zhì)條件，前期采場(chǎng)匯水面積較小，設(shè)計(jì)采用潛水泵，在采場(chǎng)邊幫上布置排水管的排水方案。大氣降水在礦坑內(nèi)匯集后，由泵排出。

露天礦工作臺(tái)階允許淹沒(méi)時(shí)間最大為7d。

采場(chǎng)內(nèi)的酸性水進(jìn)入廢石場(chǎng)下游已建設(shè)使用的酸性水庫(kù)，輸送到銅礦區(qū)經(jīng)過(guò)硫化法提銅及廢水處理后排放，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。

3.3.2 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

富家塢礦區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高160m，本次涌水量計(jì)算最低標(biāo)高為-250m。在侵蝕基準(zhǔn)面以下，變質(zhì)巖系空隙度小，透水性差。礦區(qū)附近沒(méi)有大的地表水體。地下水對(duì)礦坑的充水影響不大。本區(qū)降水豐富，蒸發(fā)少，大氣降水是露天坑的主要充水因素。設(shè)計(jì)的露天坑底或中間臺(tái)階以上盡量采用永久的或臨時(shí)的截水溝使大氣降水自流排出采區(qū)。

根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)全露天坑的總匯水面積為2.1km2，其中170m以下的凹陷區(qū)的受水面積為1.05km2。按170m封閉圈設(shè)截水溝，分南北兩條截水溝，截流170m標(biāo)高以上的的大氣降水，并以自流方式分別排出境外。各溝的最大截水面積均為0.5km2左右。170m臺(tái)階以下進(jìn)入凹陷開(kāi)采。凹陷區(qū)涌水量計(jì)算如下：

公式：Q=AS/t

式中：Q——礦坑涌水量（m3/d）；

A——最大年降雨量（m）（由德興氣象站1958～2008年統(tǒng)計(jì)的氣象資料，最大年降雨量2550mm）；

S——采場(chǎng)總的匯水區(qū)及+170m以下凹陷區(qū)的面積（m2）（根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖求得面積分別為2.1km2、1.05km2）；

t——疏干時(shí)間為365d。

代入公式計(jì)算得：Q總=14671m3/d，Q凹=7335m3/d。

170m凹陷區(qū)按照50年內(nèi)的日最大降雨量（德興市氣象站1958～2008年統(tǒng)計(jì)的氣象資料，日最大降雨量331mm）允許淹沒(méi)7d的標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算的最大涌水量為49650m3/d。

開(kāi)采前后礦坑涌水量對(duì)比詳見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)采前后礦坑涌水量表

選用機(jī)械排水設(shè)備時(shí)考慮抽水設(shè)備的各種損耗，應(yīng)選取合適的抽水設(shè)備。

170m截水溝的形成在投產(chǎn)十幾年以后才能實(shí)現(xiàn)。此前應(yīng)以臨時(shí)截水溝截水為主。臨時(shí)截水溝的洪峰流量和局部凹陷區(qū)的匯水量可根據(jù)工程實(shí)際控制的匯水面積并參考上述排水標(biāo)準(zhǔn)由礦山自行確定。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著開(kāi)采面積的進(jìn)一步擴(kuò)大，開(kāi)采深度的進(jìn)一步加深，采場(chǎng)的涌水量會(huì)逐漸增加，暴雨后采場(chǎng)的排水等水文地質(zhì)問(wèn)題會(huì)逐漸暴露出來(lái)。因此提出以下防治措施：①170m截水溝的形成在投產(chǎn)十幾年以后才能實(shí)現(xiàn)。此前應(yīng)合理的布設(shè)臨時(shí)截水溝，將采區(qū)范圍內(nèi)的降水引出區(qū)外，防止雨水全部流入采坑底部，引起采坑的嚴(yán)重積水。②礦區(qū)前期經(jīng)多年開(kāi)采，在礦體上部有原地下開(kāi)采形成的采空區(qū)，并已形成地表陷落，是露天開(kāi)采基建和生產(chǎn)的重大安全隱患。由于種種原因，對(duì)采空區(qū)的分布情況尚未完全掌握，下階段設(shè)計(jì)前，應(yīng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，查明其分布范圍、積水、塌陷情況，為采空區(qū)處理提供準(zhǔn)確資料。在露天礦基建剝離開(kāi)始前，要完成采空區(qū)處理工作，使其充分陷落、以確保安全施工。

[1]江西省地質(zhì)局水文地質(zhì)大隊(duì).《景德鎮(zhèn)幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告》（1：20萬(wàn)）.1980.

[2]江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.《江西銅業(yè)股份有限公司德興銅礦富家塢礦區(qū)露天開(kāi)采技術(shù)改造地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告》.2004.

[3]江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.《江西銅業(yè)股份有限公司德興銅礦擴(kuò)大采選生產(chǎn)規(guī)模技術(shù)改造工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告》.2008.

[4]中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司.《江西銅業(yè)股份有限公司德興銅礦擴(kuò)大采選規(guī)模技術(shù)改造初步設(shè)計(jì)》.2009.

P641.4

A

1004-7344（2016）01-0170-02

2015-12-1

彭 勃（1986-），女，吉林四平人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。