德兴铜矿富家坞矿区水文地质特征及矿坑充水分析

彭勃 朱见仁

（江西省地质环境监测总站 江西南昌 330000）

德兴铜矿富家坞矿区水文地质特征及矿坑充水分析

彭勃 朱见仁

（江西省地质环境监测总站 江西南昌 330000）

德兴铜矿富家坞矿区采用露天开采方式，台阶法开拓方案，露天最高开采标高605m，最低开采标高-250m。随着矿山露采规模的扩大加深，矿坑充水问题日益严重，本文主要分析富家坞矿区水文地质特征，进而从开采前后两阶段对矿区水文地质条件进行评价及矿坑充水分析。

德兴铜矿；水文地质；矿坑充水

德兴铜矿富家坞矿区位于怀玉山脉官帽山支脉的东南麓，地形切割强烈，山形陡峻，属以构造剥蚀为主的丘陵山区。官帽山沿北东向南西延伸，在南东侧亦有相平行的次级山脊排列，矿床赋存在官帽山主峰的东侧，西北东三面被群山蜿蜒环抱，峰峦叠嶂。矿区主峰为北西侧的官帽山，海拨650m，区内侵蚀基准面位于南东侧沟谷中，海拨标高160m，相对高差490m。

矿区内无大的地表水体。在四周环山的狭窄盆地中，仅见三条小溪流斜穿矿区汇入东部南山河，雨季一般流量50～101L/s，最大884L/s，其余为间歇性溪流，旱季干枯。南山河溯源于矿区北西紧邻的西源岭，经矿区东缘流向南西，至杨村汇入德兴河。

1 地下水类型的划分及其水文地质特征

根据含水层的岩性特征、成因类型、赋水空间的形态特征等，将富家坞矿区及其周边地下水类型划分为第四系松散岩类孔隙水含水层、基岩风化带裂隙含水层、基岩构造裂隙含水层三类。

1.1 第四系松散岩类孔隙水含水层

主要为坡积、河流冲洪积物所组成。其组分为粘性土、砾石、砂土等，砾石大小不一，分选性差，最大粒径30～50cm或更大，多呈次滚园状，其间混有大量砂、亚砂土、粘性土等，除局部受铁、硅质紧密胶结外，一般呈松散状。主要分布在矿区东部南山河两岸呈带状分布，其余仅在山间、缓坡处零星分布。一般宽约20～60m，厚约5～15m，地下水埋深约1～2m.。由大气降水、基岩风化裂隙水和河水补给。该含水层规模小，富水性及地下水涌水量有限，非矿坑充水重要因素。

1.2 基岩风化带裂隙含水层

为矿区分布最广泛的含水层，存在于千枚岩类、蚀变千枚岩及蚀变变质沉凝灰岩类和花岗闪长斑岩等的风化带中。据钻孔资料计算，风化层厚度平均20.86m。平均渗透系数kcp=0.171m/d，钻孔单位涌水量为q=0.0043 L/s·m。该层地下水主要由大气降水补给。

1.3 基岩构造裂隙含水层

位于基岩风化裂隙含水层之下。矿区深部变质岩及火成岩，均为坚硬致密的不含水层，但因成矿后断裂构造活动，为地下水储存、运移提供了条件，并在局部地段形成对矿床充水起一定作用的构造裂隙含水带。含水带渗透系数1.67×10-7～6.94×10-6cm/s。本层中还存在局部构造裂隙承压水，据260个勘探钻孔统计，有21个钻孔涌水，单位涌水量0.008～0.279l/s·m，渗透系数 2.6×10-4～6.26×10-3cm/s。构造裂隙含水带的发育深度可达250m。富家坞矿区东南部接触带构造破坏较强烈，岩石风化作用强，含水层的厚度和透水性较强。承压水赋存于构造破碎带，在地形有利地段形成承压水，由基岩风化带裂隙水和大气降雨补给。

矿区及其附近无巨大地表水体，地下水露头虽多，但流量很小，区内无大的含水层，矿体及围岩透水性弱，地下裂隙承压水联系性差。

除上述含水层（带）以外，矿区内大范围分布的火成岩体和千枚岩均致密坚硬，基本为隔水层。

矿区地下水主要为SO4-Ca+Mg型。pH值7.1～7.3，呈中性-弱碱性。SiO220～24mg/l，侵蚀性 CO221.2mg/l。总硬度 2.66～46.04，属微硬水-极硬水。矿化度1110.2～1210.4mg/l，属微咸水。受矿石和采空区氧化作用的影响，矿区部分地表水呈酸性，pH=3.55～6.6。为SO4+HCO3-Ca+Na+Mg型水，矿化度 45.07～391.12mg/l。

2 开采前矿区水文地质条件评价及矿坑充水分析

2.1 与矿坑充水有关的含水层与隔水层

矿区含水层主要有第四系松散岩类孔隙含水层、基岩风化裂隙含水层、构造裂隙等三类。

第四系松散层主要由坡积、河流冲积物所组成。该层主要在矿区东部南山河两岸呈带状分布，其余仅在山间、缓坡处零星分布。一般宽约20～60m，厚约 5～15m，地下水埋深约 1～2m，规模狭小。

风化带含水层主要分布于矿区东南部地势低洼地带。风化层厚度平均20.86m。平均渗透系数kcp=0.171m/d，钻孔单位涌水量为q=0.0043L/s·m。

构造裂隙含水带指矿区深部变质岩及火成岩内的构造裂隙带，在局部地段对矿床充水起一定作用。富家坞矿区内主要构造裂隙含水带有F9、F10、F21断裂破碎含水带等。上述含水带在钻孔钻进过程中有涌水、漏水现象，渗透性和含水性较好。渗透系数k=0.171m/d，钻孔单位涌水量Q=0.217L/s·m。构造裂隙含水带的发育深度可达250m。富家坞矿区东南部接触带构造破坏较强烈，岩石风化作用强，含水层的厚度和透水性较强。

2.2 矿坑主要充水因素

矿区侵蚀基准面标高约160m，矿体最高产出部位约440m，区内160m以上的矿体约占全区储量的1/3，开采时可自然排水。侵蚀基准面以下，因变质岩系空隙度小，透水性差，矿区附近不存在较大地表水体，因此矿坑充水主要为大气降雨及其渗透补给。

2.3 矿区地下水的补给、排泄条件

矿区地表水和地下水均受大气降雨补给，每年3～7月连绵梅雨是潜水补给的主要季节。地表风化带首先接受降雨补给，由于地形陡峻，地下水排泄条件良好，强风化带普遍呈透水而不含水的透水层，只在地形较低处会形成不厚的含水层。

构造裂隙含水层中的含水带则靠风化层和大气降雨补给，在地形较低的地段，往往形成上升泉及钻孔涌水现象。

2.4 矿坑涌水量预测

根据德兴铜矿富家坞矿区初步开发方案以及矿区的自然地理条件和水文地质资料，矿区处于四周中低山环绕的盆地，为一独立的水文地质单元，矿山开采方式为露天开采，因此计算选用“水力均衡法”，其参数的选择符合矿区的客观情况，以露采方式为依据进行了露采范围涌水量的预算，预算的最低标高为-180m。涌水量计算结果见表1。

表1 富家坞铜钼矿区矿坑涌水量计算结果表

3 开采后矿区水文地质条件现状评价

3.1 开采现状

矿区1998年以前为硐采，据调查1998年由于暴雨及地面不规范采矿等原因的影响致使地下开采的大部分巷道垮塌并形成地表陷落。2007年后转为露天开采，矿山正常运行2年多，目前已形成1.5万t/d的生产能力。目前采矿生产区段集中在张家山下部，最低开采台阶标高为+290m。由于富家坞矿区北部分布有官帽山、西部分布有张家山、矿体周边均有高山分布，最终开采境界跨越了官帽山和张家山山头，废石量主要分布在上部，基建剥离量较大。为了尽早使采场达到4.5万t/d的生产能力，并消除原官帽山滑坡体再次产生滑坡的可能性，继1.5万t/d基建剥离期间对官帽山削坡减载工作后，德兴铜矿对官帽山和张家山在可行性研究确定的最终开采境界范围内进行扩帮剥离工作，目前官帽山、张家山区段最低剥离台阶标高为+485m。目前开采的标高均在最低侵蚀基准面之上，采场的水大多数可以自行往外排泄，仅采坑底部有一定数量的积水坑。

3.2 开采前后水文地质条件变化

目前矿区的露采规模较小，开采深度在最低侵蚀基准面以上，矿坑充水因素较开采前变化较小，充水来源主要为大气降水，其次为地下水各含水层（主要为风化裂隙含水层和构造裂隙含水层）的充水。

3.3 未来矿坑涌水量预测

3.3.1 矿山开采规划

根据《江西铜业股份有限公司德兴铜矿扩大采选生产规模技术改造工程第四册采矿扩产技术改造初步设计书》的规划设计，生产规模由现有1.5万t/d扩大到4.5万t/d，未来矿山开采仍为露天开采方式。在原1.5万t/d生产规模初步设计的基础上，为了充分利用原境界深部和周边分布的表内矿和表外矿资源，对富家坞矿区进行扩帮延深。设计以2008年6月底现状图为基础，在原露天开采境界的基础上，对开采最终境界的矿岩量进行了重新计算，确定的最终露天开采境界长2000m，宽1820m，最高开采标高575m（目前已提前剥离到485m），最低开采标高-250m，封闭圈标高170m。

由于前期露采场均在170m标高以上的山坡上作业，大气降水可顺山沟自然排出，170m标高以下为凹陷区采场内涌水采用机械排水方式排出，根据矿区的气象和水文地质条件，前期采场汇水面积较小，设计采用潜水泵，在采场边帮上布置排水管的排水方案。大气降水在矿坑内汇集后，由泵排出。

露天矿工作台阶允许淹没时间最大为7d。

采场内的酸性水进入废石场下游已建设使用的酸性水库，输送到铜矿区经过硫化法提铜及废水处理后排放，不会对环境造成影响。

3.3.2 矿坑涌水量预测

富家坞矿区侵蚀基准面标高160m，本次涌水量计算最低标高为-250m。在侵蚀基准面以下，变质岩系空隙度小，透水性差。矿区附近没有大的地表水体。地下水对矿坑的充水影响不大。本区降水丰富，蒸发少，大气降水是露天坑的主要充水因素。设计的露天坑底或中间台阶以上尽量采用永久的或临时的截水沟使大气降水自流排出采区。

根据规划设计全露天坑的总汇水面积为2.1km2，其中170m以下的凹陷区的受水面积为1.05km2。按170m封闭圈设截水沟，分南北两条截水沟，截流170m标高以上的的大气降水，并以自流方式分别排出境外。各沟的最大截水面积均为0.5km2左右。170m台阶以下进入凹陷开采。凹陷区涌水量计算如下：

公式：Q=AS/t

式中：Q——矿坑涌水量（m3/d）；

A——最大年降雨量（m）（由德兴气象站1958～2008年统计的气象资料，最大年降雨量2550mm）；

S——采场总的汇水区及+170m以下凹陷区的面积（m2）（根据规划设计图求得面积分别为2.1km2、1.05km2）；

t——疏干时间为365d。

代入公式计算得：Q总=14671m3/d，Q凹=7335m3/d。

170m凹陷区按照50年内的日最大降雨量（德兴市气象站1958～2008年统计的气象资料，日最大降雨量331mm）允许淹没7d的标准。计算的最大涌水量为49650m3/d。

开采前后矿坑涌水量对比详见表2。

表2 开采前后矿坑涌水量表

选用机械排水设备时考虑抽水设备的各种损耗，应选取合适的抽水设备。

170m截水沟的形成在投产十几年以后才能实现。此前应以临时截水沟截水为主。临时截水沟的洪峰流量和局部凹陷区的汇水量可根据工程实际控制的汇水面积并参考上述排水标准由矿山自行确定。

4 结语

随着开采面积的进一步扩大，开采深度的进一步加深，采场的涌水量会逐渐增加，暴雨后采场的排水等水文地质问题会逐渐暴露出来。因此提出以下防治措施：①170m截水沟的形成在投产十几年以后才能实现。此前应合理的布设临时截水沟，将采区范围内的降水引出区外，防止雨水全部流入采坑底部，引起采坑的严重积水。②矿区前期经多年开采，在矿体上部有原地下开采形成的采空区，并已形成地表陷落，是露天开采基建和生产的重大安全隐患。由于种种原因，对采空区的分布情况尚未完全掌握，下阶段设计前，应对采空区进行详细调查，查明其分布范围、积水、塌陷情况，为采空区处理提供准确资料。在露天矿基建剥离开始前，要完成采空区处理工作，使其充分陷落、以确保安全施工。

[1]江西省地质局水文地质大队.《景德镇幅区域水文地质普查报告》（1：20万）.1980.

[2]江西省地质环境监测总站.《江西铜业股份有限公司德兴铜矿富家坞矿区露天开采技术改造地质灾害危险性评估报告》.2004.

[3]江西省地质环境监测总站.《江西铜业股份有限公司德兴铜矿扩大采选生产规模技术改造工程地质灾害危险性评估报告》.2008.

[4]中国恩菲工程技术有限公司.《江西铜业股份有限公司德兴铜矿扩大采选规模技术改造初步设计》.2009.

P641.4

A

1004-7344（2016）01-0170-02

2015-12-1

彭 勃（1986-），女，吉林四平人，工程师，主要从事水工环地质工作。