銅陵冬瓜山銅礦水文地質(zhì)特征及防治水對策

龐馮秋 周天健

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊)

礦井水害一直是威脅礦山安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，它不僅影響了礦山正常生產(chǎn)，增加了生產(chǎn)作業(yè)成本，而且直接威脅到礦工的生命安全[1-3]。因此，查明礦區(qū)水文地質(zhì)特征并制定合理的防治水措施，對于保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市獅子山區(qū)境內(nèi)，為獅子山礦區(qū)的深部礦床，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(xiàn)跨層現(xiàn)象，呈似層狀，產(chǎn)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。冬瓜山銅礦北段礦體埋藏較深，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。為有效治理該礦井下水害，本研究對礦區(qū)水文地質(zhì)特征進行分析并制定合理的防治水措施。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

1.1 含(隔)水層

根據(jù)礦區(qū)巖層賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征，區(qū)內(nèi)含(隔)水層可劃分為松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組、碳酸鹽巖類夾碎屑巖類溶蝕裂隙含水巖組、碎屑巖類裂隙含水巖組、巖漿巖類裂隙含水巖組等5個含水巖組(圖1)。

(1)松散巖類孔隙含水巖組。該巖組分布于山間溝谷洼地及山坡，為殘積、坡積和沖積層，巖性主要為黏土夾碎石、亞黏土等，厚度為4～25 m。沖積層組成河床和漫灘，具有二元結(jié)構(gòu)，上部巖性為灰褐色亞黏土、淤泥質(zhì)黏土，不含水，邊緣地帶碎石含量增多，富水性增強；下部巖性為泥質(zhì)砂礫石層，結(jié)構(gòu)緊密，含水微弱，涌水量為0.019 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.340 m/d，水化學(xué)類型屬HCO3-Ca型，礦化度為0.142～0.225 g/L。坡積洪積層位于沖積層外側(cè)的坡麓和大的沖溝內(nèi)，巖性為亞黏土夾碎石，結(jié)構(gòu)較緊密，含水性差；山坡前緣碎石含量增高，受基巖地下水補給，富水程度弱—中等，民井抽水試驗所得出的單位涌水量為0.003 3～0.425 L/(s·m)，水化學(xué)類型屬HCO3-Ca(或Ca·Mg)型，礦化度為0.016～0.242 g/L。

(2)碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組。該巖組的巖性由三疊系龍頭山組、分水嶺組、南陵湖組，石炭系黃龍—船山組石灰?guī)r、白云巖(變質(zhì)后為大理巖、白云石大理巖)等組成。前者為分布于礦床兩側(cè)，為淺部主要含水層，巖溶發(fā)育，形態(tài)以小溶洞和溶蝕裂隙為主，巖溶發(fā)育下限標高為-200 m[4]，強巖溶帶位于10 m標高以上，破碎帶、裂隙發(fā)育帶和接觸帶附近巖溶增強，富水程度中等—強，滲透系數(shù)為0.047 7～1.927 m/d；后者含水層埋藏于礦區(qū)深部青山背斜軸部隆起內(nèi)，礦床內(nèi)該層頂界面最高分布標高為-380 m，向兩翼延伸至標高-1 000 m以下，為礦床主礦體的直接頂板，構(gòu)造裂隙發(fā)育，多被方解石充填，富水程度弱。

圖1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

(3)碳酸鹽巖類夾碎屑巖類溶蝕裂隙含水巖組。該巖組巖性由三疊系塔山組、小涼亭組石灰?guī)r及鈣質(zhì)頁巖組成，沿青山背斜軸出露，銅井沖內(nèi)及其以北被第四系覆蓋，兩翼位于南陵湖組之下，為礦床淺層含水層。該巖組的富水程度在空間上分布不均勻，強導(dǎo)水破碎帶附近和青山背斜軸部含水性增強，水化學(xué)類型以HCO3-Ca型為主，礦化度為0.169～0.339 g/L。該巖組兩翼埋藏區(qū)構(gòu)造裂隙含水，富水程度極弱—無水。

(4)碎屑巖類裂隙含水巖組。該巖組巖性由二疊系大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組及泥盆系五通組硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)灰?guī)r、黏土頁巖和粉砂巖、細砂巖、石英砂巖等組成，地表未出露。二疊系含水層巖石軟硬相間，脆性巖石裂隙較發(fā)育，富水程度極弱—無水，滲透系數(shù)為0～0.001 13 m/d，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Ca·(K+Na)型，礦化度為0.694 g/L。五通組為區(qū)域隔水邊界，分布于-740 m標高以下，厚度大于1 250 m，裂隙不發(fā)育，滲透系數(shù)為0.001 6～0.012 5 m/d，屬相對隔水層。

(5)巖漿巖類裂隙含水巖組。礦床內(nèi)該巖組巖性以閃長巖類巖石為主，呈巖墻狀產(chǎn)出，并以巖枝、巖脈的形式沿層面貫入圍巖。風(fēng)化帶在60 m深度范圍內(nèi)含微量風(fēng)化裂隙水，滲透系數(shù)為0.009 3～0.019 2 m/d，富水程度弱。青山腳—獅子山巖體、青山—包村巖體構(gòu)成了礦床南東和北東隔水邊界。

1.2 破碎帶水文地質(zhì)特征

礦區(qū)主要發(fā)育3條破碎帶，溝通了含水層之間的水力聯(lián)系，強化了地下水徑流，為區(qū)內(nèi)地下水的主要導(dǎo)水通道(表1)。破碎帶性質(zhì)為張性、張扭性，平面上呈NE、NW、EW向延伸，在垂向上變化規(guī)律復(fù)雜，淺部巖石的破壞形式以水平拉張為主，破碎帶由上至下逐漸變窄，膠結(jié)程度淺部松散而深部緊密，對圍巖的影響范圍淺部較大，巖石破碎、碳酸鹽巖巖溶相對發(fā)育，向深部變小，出現(xiàn)泥化帶，顯示出擠壓特征。

表1 礦區(qū)破碎帶特征

2 礦山水害情況及充水條件

2.1 水害情況

1994年9月，冬瓜山主井開拓至-899 m標高處遇到較強的蓄水裂隙，放炮后發(fā)生突水，瞬時突水量達1 285 m3/h，靜水壓力達8～9 MPa，第1 d涌水量達1萬m3，水位迅速上升致使-263 m標高以下被淹，淹沒高度達637 m，主井施工被迫停止。2002年11月，當-850 m回風(fēng)道掘進至距離出風(fēng)井約20 m時，突遇涌水，在2 h內(nèi)涌水量迅速由212 m3/h增至500 m3/h，靜水壓力達8.8 MPa，隨著水位升高，涌水量逐漸減小。由于突水位置距離地面深度近千米，鑿井臨時排水系統(tǒng)的排水能力無法滿足大流量排水需求，經(jīng)過近20 h的搶險排水，井筒仍然處于淹沒狀態(tài)。2004年12月，-790 m回風(fēng)道在距離出風(fēng)井約184 m時，發(fā)生了大流量突水，瞬時最大突水量接近2 000 m3/h，后逐漸減小并穩(wěn)定于120 m3/h左右。該處經(jīng)過注漿處理后，在該處未成形的圍巖刷大時，再次出現(xiàn)了新的裂隙突水，突水量接近60 m3/h。2013年12月—2014年9月，-790 m中段67#線回風(fēng)巷掘進過程中，揭露出導(dǎo)水構(gòu)造，突水量為10～300 m3/h，該處經(jīng)過注漿治理后，于2015年2月實施超前探水，探水孔的出水量約80 m3/h。2013年6月—2015年10月，-850 m中段68#線回風(fēng)道施工至接近破碎帶時，掘進及超前探水的突水量達40～150 m3/h。

2.2 充水條件

地下水為礦床充水的主要水源[5-7]，冬瓜山銅礦床主要賦存于黃龍—船山組，黃龍—船山組灰?guī)r富水程度低，礦床淺部南陵湖組地層區(qū)域分布較廣，為間接充水含水層，巖溶發(fā)育，富含巖溶裂隙水，含水性中等，或通過構(gòu)造破碎帶與深部含水層發(fā)生水力聯(lián)系。目前，礦山的坑道涌水點出露于頂板接觸帶、底板接觸帶以及巖體接觸帶，以裂隙涌水為主。

2.2.1 充水水源

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，礦床突水水源有3種類型，即礦體直接頂板棲霞組及礦體賦存層位黃龍—船山組灰?guī)r構(gòu)造裂隙水、礦區(qū)淺部巖溶裂隙水以及區(qū)域地下水徑流。

(1)棲霞組、黃龍—船山組灰?guī)r構(gòu)造裂隙水。棲霞組、黃龍—船山組儲水空間十分有限，根據(jù)對礦區(qū)數(shù)次突水(水溫、水壓)情況的分析，可知構(gòu)造裂隙儲藏有一定量的水，但其靜儲量十分有限，若得不到補給，會很快枯竭。

(2)淺層巖溶裂隙水。根據(jù)礦區(qū)勘探資料，淺層巖溶裂隙水與朱村向斜、陶家山向斜蓄水構(gòu)造相通，水源豐富。由于礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，煤系地層巖石破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，有一定的滲透性。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造破碎帶、裂隙帶、未封鉆孔、巖體接觸帶等一些構(gòu)造都有可能成為深層水與淺層水的聯(lián)系通道。近年來，獅子山水源地水位加速下降，充分說明了深層突水及排水對淺層水的影響較大，即說明淺層水為礦山突水的主要水源。

(3)區(qū)域地下水深層徑流補給。銅陵地區(qū)棲霞組灰?guī)r巖溶發(fā)育，為區(qū)域上富水程度最強的含水層。該地層在銅官山背斜兩翼、永村橋背斜兩翼出露，地表溶蝕裂隙、溶蝕漏斗極為發(fā)育，可直接接受大氣降水補給。

2.2.2 充水途徑

根據(jù)對礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景條件的分析，認為礦床充水通道可能存在以下5種類型。

(1)構(gòu)造破碎帶。構(gòu)造破碎帶的導(dǎo)水作用是由破碎帶自身和旁側(cè)裂隙帶共同構(gòu)成。出風(fēng)井回風(fēng)道及礦體北西端為巖溶裂隙密集區(qū)，也為突水多發(fā)區(qū)?；仫L(fēng)道坑道掘進過程中揭露的破碎帶位于棲霞組灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r中，走向近EW，寬度為1～3.5 m，局部達5 m，裂面呈鋸齒狀，不規(guī)則，具有明顯的膨大收縮特征，富水。礦體北西端揭露出1組斷裂構(gòu)造，總體走向NE、傾向NW、傾角為38°～65°，探水鉆孔的出水量一般為20～30 m3/h，最大瞬時突水量達600 m3/h。

(2)巖體接觸帶。礦區(qū)揭露出的閃長巖與黃龍—船山組及礦體的接觸帶發(fā)育多條破碎帶，涌水量為21～96 m3/h。礦區(qū)北段巷道工程出水點平面散點分布方向與青山背斜長軸方向基本一致，在地層界面及附近、礦體地層接觸面及附近出水點的水量一般為12～25 m3/h。另據(jù)ZK750、ZK754鉆孔勘探資料，在揭露包山巖體西接觸帶時，孔內(nèi)水位出現(xiàn)明顯下降。

(3)層間構(gòu)造。青山背斜在其褶皺變形過程中，因鉛直面上所受的水平應(yīng)力不均勻及橫跨褶皺疊加的影響，在D3w/C2+3、C2+3/P1q、P1q/P1g、P1g/P2l、T1t/T1x等巖石力學(xué)性質(zhì)相差較大的界面上發(fā)生滑脫，從而形成了廣泛發(fā)育的層間剝離、破碎、裂隙及虛脫等構(gòu)造[8]。根據(jù)礦區(qū)主井、出風(fēng)井資料，D3w/C2+3、C2+3/P1q、P1q/P1g、P1g/P2l、T1t/T1x接觸面附近層間構(gòu)造發(fā)育，巖石破碎，裂隙密集，主要突水點均出現(xiàn)于該類部位，可以認為層間構(gòu)造具有相當強的導(dǎo)水性。

(4)青山背斜軸部裂隙密集帶。青山背斜在形成過程中沿背斜軸部產(chǎn)生了大量張性裂隙，使得背斜沿軸部地層剝蝕呈負地形，軸部地層富水程度高于兩翼。根據(jù)礦區(qū)主井揭露資料，突水段張性羽狀裂縫發(fā)育，其走向(NE向)與背斜軸走向一致，傾角均大于80°。

(5)未封或封孔質(zhì)量不合格的勘探鉆孔。在勘探中一些未封孔或封孔質(zhì)量不佳的鉆孔，將使淺部含水層與深部含水層溝通起來，在巷道掘進中遇到或接近該類鉆孔時，易引發(fā)突水事故。據(jù)統(tǒng)計，礦區(qū)未封閉或封孔效果不良的鉆孔有ZK382(嚴重漏芯，封孔失敗)、ZK3811、ZK504、ZK5813(未見主礦體)，ZK540(長觀孔)，礦床北段有ZK750(供水井)、ZK754(封孔失效)。

3 防治水措施

礦山防治水方法一般有3種方法，即疏、堵、避，實際應(yīng)用中往往采用以其中一種方法為主、其余方法為輔的綜合防治方案[9-10]。目前，冬瓜山銅礦面臨的防治水問題主要來自構(gòu)造裂隙水的威脅，因此防治水的重點應(yīng)為查找導(dǎo)水構(gòu)造帶位置。該礦為深埋礦床，從地面解決井下突水問題不僅成本高，而且效果也不理想，因此，本研究主要采用井下封堵導(dǎo)水通道的方式來堵住淺層向下補給量，達到防治水的效果，確保礦山安全開采。

為降低注漿費用、保證施工進度，當巷道工程需要穿過破碎帶時，應(yīng)通過超前探水、綜合分析已有水文地質(zhì)條件等方法，預(yù)判破碎帶發(fā)育的具體位置、規(guī)模、富水性等情況，盡可能避開破碎帶位置。-850 m 中段回風(fēng)巷道掘進接近破碎帶時，揭露的出水點較多，巖石破碎，最大瞬時突水量達600 m3/h，水量較大，巷道施工被迫暫時停止。按原設(shè)計，回風(fēng)巷道和盲回風(fēng)井恰好穿過該破碎帶，經(jīng)過優(yōu)化巷道設(shè)計方案(圖2)，采用改道方案避開該破碎帶，改道后，巷道施工未遇到出水情況，既保證了施工安全，又大大縮短了施工工期。

圖2 回風(fēng)巷道變更方案示意

注漿封堵是根治水源的一種有效手段[11-16]。隨著鉆探和注漿工藝的發(fā)展，注漿封堵既能減少災(zāi)害損失，又可減少礦井恢復(fù)生產(chǎn)所用的時間。對于無法規(guī)避的導(dǎo)水構(gòu)造位置，一般采用預(yù)注漿等手段對破碎帶進行加固處理，并在巷道掘進過程中進行有效支護，防止坍塌[17]。-850，-790 m中段的主回風(fēng)道靠近出風(fēng)井側(cè)的坑道為整個冬瓜山礦床的斷裂構(gòu)造強富水區(qū)，出風(fēng)井在下掘至底后，反向施工回風(fēng)道期間發(fā)生了多次突水現(xiàn)象，分析表明，突水與淺層地下水有一定的水力聯(lián)系，每個探水注漿段中均出現(xiàn)較大的鉆孔涌水。出風(fēng)井突水淹井后，本研究制定的治理的方案為：首先對-850，-790 m中段仍未掘進的回風(fēng)道采取分段探水注漿方式進行逐段推進，當回風(fēng)道掘進至距突水點一定距離后，采取鉆孔預(yù)注漿工藝封閉突水斷裂破碎帶，使突水點所在巷道的周圍形成有效的注漿帷幕圈，切斷與破碎帶的水力聯(lián)系；然后施工放水鉆孔實行控制性放水，通過現(xiàn)有的排水系統(tǒng)排除井內(nèi)積水[18]。經(jīng)過15個月的治理，達到了預(yù)期的封堵效果，檢查帷幕體鉆孔超過主破碎帶上盤10 m，揭露為完全封閉的細小裂隙，殘余涌水量為1.6 m3/h，實際堵水率為99.84%。注漿段坑道掘進時，主破碎帶段的殘余涌水量僅為2 m3/h，表明此次注漿治理成效顯著。

對于深井施工而言，遇到含水層時應(yīng)進行注漿處理，將井筒涌水量控制在規(guī)定的限值以內(nèi)[19-20]。平巷施工時，對于分散涌水或深部構(gòu)造裂隙中存在少量靜儲量，雖然涌水量不大，但是封堵難度大，要在不影響施工進度和排水能力的前提下，考慮采用排水疏干方法，涌水點可以不封堵，巷道掘進時直接通過。

礦區(qū)淺層地下水為礦床重要的充水水源，淺層地下水大量向深部補給，必然導(dǎo)致水害事故發(fā)生。此外，礦區(qū)地下水位持續(xù)下降，還可能會誘發(fā)大量環(huán)境地質(zhì)問題。礦床內(nèi)淺層地下水與深層地下水之間的水力聯(lián)系受到分布于兩者之間的二疊系碎屑巖裂隙發(fā)育程度的制約，兩者一般無水力聯(lián)系，僅在局部裂隙相對發(fā)育的地段存在。冬瓜山銅礦主井突水后的排水試驗表明，ZK342(T1t·T1x)鉆孔水位在9 d內(nèi)下降了8.49 m；出風(fēng)井突水后，ZK750鉆孔水位下降明顯，7 d內(nèi)下降了6.2 m，而后水位逐漸回升，說明在局部裂隙相對發(fā)育的地段存在一定的水力聯(lián)系。因此，建設(shè)礦區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，開展礦區(qū)淺層地下水與深層地下水的動態(tài)長期監(jiān)測工作十分必要。

4 結(jié) 語

冬瓜山銅礦礦區(qū)淺部、中部、深部分別為含水相對豐富的巖溶裂隙含水層、含水微弱的砂頁巖裂隙含水層以及含水弱且較不均勻的灰?guī)r裂隙含水層，深部含水層以構(gòu)造裂隙導(dǎo)水為主。通過詳細分析該礦區(qū)水文地質(zhì)特征，采用了破碎帶避讓、注漿堵水、疏排水、地下水動態(tài)監(jiān)測等綜合防治水方法，在礦山生產(chǎn)建設(shè)中取得了較理想的效果，為礦山安全生產(chǎn)提供了重要保障，對于類似深井開采的礦山也有一定的借鑒意義。

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