铜陵冬瓜山铜矿水文地质特征及防治水对策

庞冯秋 周天健

(安徽省地质矿产勘查局321地质队)

矿井水害一直是威胁矿山安全生产的主要灾害之一，它不仅影响了矿山正常生产，增加了生产作业成本，而且直接威胁到矿工的生命安全[1-3]。因此，查明矿区水文地质特征并制定合理的防治水措施，对于保障矿井安全生产具有重要意义。冬瓜山铜矿位于安徽省铜陵市狮子山区境内，为狮子山矿区的深部矿床，主矿体赋存于青山背斜轴部及两翼，严格受石炭系黄龙—船山组层位控制，局部出现跨层现象，呈似层状，产状与控矿岩层基本一致，空间上以背斜隆起部位的赋存标高为最高，呈一个不完整的“穹隆状”，底板赋存标高为-745～-1 007 m。冬瓜山铜矿北段矿体埋藏较深，水文地质条件较复杂。为有效治理该矿井下水害，本研究对矿区水文地质特征进行分析并制定合理的防治水措施。

1 矿区水文地质特征

1.1 含(隔)水层

根据矿区岩层赋存条件、含水介质及水力特征，区内含(隔)水层可划分为松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组、碳酸盐岩类夹碎屑岩类溶蚀裂隙含水岩组、碎屑岩类裂隙含水岩组、岩浆岩类裂隙含水岩组等5个含水岩组(图1)。

(1)松散岩类孔隙含水岩组。该岩组分布于山间沟谷洼地及山坡，为残积、坡积和冲积层，岩性主要为黏土夹碎石、亚黏土等，厚度为4～25 m。冲积层组成河床和漫滩，具有二元结构，上部岩性为灰褐色亚黏土、淤泥质黏土，不含水，边缘地带碎石含量增多，富水性增强；下部岩性为泥质砂砾石层，结构紧密，含水微弱，涌水量为0.019 L/(s·m)，渗透系数为0.340 m/d，水化学类型属HCO3-Ca型，矿化度为0.142～0.225 g/L。坡积洪积层位于冲积层外侧的坡麓和大的冲沟内，岩性为亚黏土夹碎石，结构较紧密，含水性差；山坡前缘碎石含量增高，受基岩地下水补给，富水程度弱—中等，民井抽水试验所得出的单位涌水量为0.003 3～0.425 L/(s·m)，水化学类型属HCO3-Ca(或Ca·Mg)型，矿化度为0.016～0.242 g/L。

(2)碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组。该岩组的岩性由三叠系龙头山组、分水岭组、南陵湖组，石炭系黄龙—船山组石灰岩、白云岩(变质后为大理岩、白云石大理岩)等组成。前者为分布于矿床两侧，为浅部主要含水层，岩溶发育，形态以小溶洞和溶蚀裂隙为主，岩溶发育下限标高为-200 m[4]，强岩溶带位于10 m标高以上，破碎带、裂隙发育带和接触带附近岩溶增强，富水程度中等—强，渗透系数为0.047 7～1.927 m/d；后者含水层埋藏于矿区深部青山背斜轴部隆起内，矿床内该层顶界面最高分布标高为-380 m，向两翼延伸至标高-1 000 m以下，为矿床主矿体的直接顶板，构造裂隙发育，多被方解石充填，富水程度弱。

图1 矿区水文地质概况

(3)碳酸盐岩类夹碎屑岩类溶蚀裂隙含水岩组。该岩组岩性由三叠系塔山组、小凉亭组石灰岩及钙质页岩组成，沿青山背斜轴出露，铜井冲内及其以北被第四系覆盖，两翼位于南陵湖组之下，为矿床浅层含水层。该岩组的富水程度在空间上分布不均匀，强导水破碎带附近和青山背斜轴部含水性增强，水化学类型以HCO3-Ca型为主，矿化度为0.169～0.339 g/L。该岩组两翼埋藏区构造裂隙含水，富水程度极弱—无水。

(4)碎屑岩类裂隙含水岩组。该岩组岩性由二叠系大隆组、龙潭组、孤峰组及泥盆系五通组硅质页岩、硅质灰岩、黏土页岩和粉砂岩、细砂岩、石英砂岩等组成，地表未出露。二叠系含水层岩石软硬相间，脆性岩石裂隙较发育，富水程度极弱—无水，渗透系数为0～0.001 13 m/d，水化学类型为SO4·HCO3-Ca·(K+Na)型，矿化度为0.694 g/L。五通组为区域隔水边界，分布于-740 m标高以下，厚度大于1 250 m，裂隙不发育，渗透系数为0.001 6～0.012 5 m/d，属相对隔水层。

(5)岩浆岩类裂隙含水岩组。矿床内该岩组岩性以闪长岩类岩石为主，呈岩墙状产出，并以岩枝、岩脉的形式沿层面贯入围岩。风化带在60 m深度范围内含微量风化裂隙水，渗透系数为0.009 3～0.019 2 m/d，富水程度弱。青山脚—狮子山岩体、青山—包村岩体构成了矿床南东和北东隔水边界。

1.2 破碎带水文地质特征

矿区主要发育3条破碎带，沟通了含水层之间的水力联系，强化了地下水径流，为区内地下水的主要导水通道(表1)。破碎带性质为张性、张扭性，平面上呈NE、NW、EW向延伸，在垂向上变化规律复杂，浅部岩石的破坏形式以水平拉张为主，破碎带由上至下逐渐变窄，胶结程度浅部松散而深部紧密，对围岩的影响范围浅部较大，岩石破碎、碳酸盐岩岩溶相对发育，向深部变小，出现泥化带，显示出挤压特征。

表1 矿区破碎带特征

2 矿山水害情况及充水条件

2.1 水害情况

1994年9月，冬瓜山主井开拓至-899 m标高处遇到较强的蓄水裂隙，放炮后发生突水，瞬时突水量达1 285 m3/h，静水压力达8～9 MPa，第1 d涌水量达1万m3，水位迅速上升致使-263 m标高以下被淹，淹没高度达637 m，主井施工被迫停止。2002年11月，当-850 m回风道掘进至距离出风井约20 m时，突遇涌水，在2 h内涌水量迅速由212 m3/h增至500 m3/h，静水压力达8.8 MPa，随着水位升高，涌水量逐渐减小。由于突水位置距离地面深度近千米，凿井临时排水系统的排水能力无法满足大流量排水需求，经过近20 h的抢险排水，井筒仍然处于淹没状态。2004年12月，-790 m回风道在距离出风井约184 m时，发生了大流量突水，瞬时最大突水量接近2 000 m3/h，后逐渐减小并稳定于120 m3/h左右。该处经过注浆处理后，在该处未成形的围岩刷大时，再次出现了新的裂隙突水，突水量接近60 m3/h。2013年12月—2014年9月，-790 m中段67#线回风巷掘进过程中，揭露出导水构造，突水量为10～300 m3/h，该处经过注浆治理后，于2015年2月实施超前探水，探水孔的出水量约80 m3/h。2013年6月—2015年10月，-850 m中段68#线回风道施工至接近破碎带时，掘进及超前探水的突水量达40～150 m3/h。

2.2 充水条件

地下水为矿床充水的主要水源[5-7]，冬瓜山铜矿床主要赋存于黄龙—船山组，黄龙—船山组灰岩富水程度低，矿床浅部南陵湖组地层区域分布较广，为间接充水含水层，岩溶发育，富含岩溶裂隙水，含水性中等，或通过构造破碎带与深部含水层发生水力联系。目前，矿山的坑道涌水点出露于顶板接触带、底板接触带以及岩体接触带，以裂隙涌水为主。

2.2.1 充水水源

根据矿区水文地质条件，矿床突水水源有3种类型，即矿体直接顶板栖霞组及矿体赋存层位黄龙—船山组灰岩构造裂隙水、矿区浅部岩溶裂隙水以及区域地下水径流。

(1)栖霞组、黄龙—船山组灰岩构造裂隙水。栖霞组、黄龙—船山组储水空间十分有限，根据对矿区数次突水(水温、水压)情况的分析，可知构造裂隙储藏有一定量的水，但其静储量十分有限，若得不到补给，会很快枯竭。

(2)浅层岩溶裂隙水。根据矿区勘探资料，浅层岩溶裂隙水与朱村向斜、陶家山向斜蓄水构造相通，水源丰富。由于矿区内构造复杂，煤系地层岩石破碎、节理裂隙发育，有一定的渗透性。矿区内构造破碎带、裂隙带、未封钻孔、岩体接触带等一些构造都有可能成为深层水与浅层水的联系通道。近年来，狮子山水源地水位加速下降，充分说明了深层突水及排水对浅层水的影响较大，即说明浅层水为矿山突水的主要水源。

(3)区域地下水深层径流补给。铜陵地区栖霞组灰岩岩溶发育，为区域上富水程度最强的含水层。该地层在铜官山背斜两翼、永村桥背斜两翼出露，地表溶蚀裂隙、溶蚀漏斗极为发育，可直接接受大气降水补给。

2.2.2 充水途径

根据对矿区地质构造背景条件的分析，认为矿床充水通道可能存在以下5种类型。

(1)构造破碎带。构造破碎带的导水作用是由破碎带自身和旁侧裂隙带共同构成。出风井回风道及矿体北西端为岩溶裂隙密集区，也为突水多发区。回风道坑道掘进过程中揭露的破碎带位于栖霞组灰岩、大理岩化灰岩中，走向近EW，宽度为1～3.5 m，局部达5 m，裂面呈锯齿状，不规则，具有明显的膨大收缩特征，富水。矿体北西端揭露出1组断裂构造，总体走向NE、倾向NW、倾角为38°～65°，探水钻孔的出水量一般为20～30 m3/h，最大瞬时突水量达600 m3/h。

(2)岩体接触带。矿区揭露出的闪长岩与黄龙—船山组及矿体的接触带发育多条破碎带，涌水量为21～96 m3/h。矿区北段巷道工程出水点平面散点分布方向与青山背斜长轴方向基本一致，在地层界面及附近、矿体地层接触面及附近出水点的水量一般为12～25 m3/h。另据ZK750、ZK754钻孔勘探资料，在揭露包山岩体西接触带时，孔内水位出现明显下降。

(3)层间构造。青山背斜在其褶皱变形过程中，因铅直面上所受的水平应力不均匀及横跨褶皱叠加的影响，在D3w/C2+3、C2+3/P1q、P1q/P1g、P1g/P2l、T1t/T1x等岩石力学性质相差较大的界面上发生滑脱，从而形成了广泛发育的层间剥离、破碎、裂隙及虚脱等构造[8]。根据矿区主井、出风井资料，D3w/C2+3、C2+3/P1q、P1q/P1g、P1g/P2l、T1t/T1x接触面附近层间构造发育，岩石破碎，裂隙密集，主要突水点均出现于该类部位，可以认为层间构造具有相当强的导水性。

(4)青山背斜轴部裂隙密集带。青山背斜在形成过程中沿背斜轴部产生了大量张性裂隙，使得背斜沿轴部地层剥蚀呈负地形，轴部地层富水程度高于两翼。根据矿区主井揭露资料，突水段张性羽状裂缝发育，其走向(NE向)与背斜轴走向一致，倾角均大于80°。

(5)未封或封孔质量不合格的勘探钻孔。在勘探中一些未封孔或封孔质量不佳的钻孔，将使浅部含水层与深部含水层沟通起来，在巷道掘进中遇到或接近该类钻孔时，易引发突水事故。据统计，矿区未封闭或封孔效果不良的钻孔有ZK382(严重漏芯，封孔失败)、ZK3811、ZK504、ZK5813(未见主矿体)，ZK540(长观孔)，矿床北段有ZK750(供水井)、ZK754(封孔失效)。

3 防治水措施

矿山防治水方法一般有3种方法，即疏、堵、避，实际应用中往往采用以其中一种方法为主、其余方法为辅的综合防治方案[9-10]。目前，冬瓜山铜矿面临的防治水问题主要来自构造裂隙水的威胁，因此防治水的重点应为查找导水构造带位置。该矿为深埋矿床，从地面解决井下突水问题不仅成本高，而且效果也不理想，因此，本研究主要采用井下封堵导水通道的方式来堵住浅层向下补给量，达到防治水的效果，确保矿山安全开采。

为降低注浆费用、保证施工进度，当巷道工程需要穿过破碎带时，应通过超前探水、综合分析已有水文地质条件等方法，预判破碎带发育的具体位置、规模、富水性等情况，尽可能避开破碎带位置。-850 m 中段回风巷道掘进接近破碎带时，揭露的出水点较多，岩石破碎，最大瞬时突水量达600 m3/h，水量较大，巷道施工被迫暂时停止。按原设计，回风巷道和盲回风井恰好穿过该破碎带，经过优化巷道设计方案(图2)，采用改道方案避开该破碎带，改道后，巷道施工未遇到出水情况，既保证了施工安全，又大大缩短了施工工期。

图2 回风巷道变更方案示意

注浆封堵是根治水源的一种有效手段[11-16]。随着钻探和注浆工艺的发展，注浆封堵既能减少灾害损失，又可减少矿井恢复生产所用的时间。对于无法规避的导水构造位置，一般采用预注浆等手段对破碎带进行加固处理，并在巷道掘进过程中进行有效支护，防止坍塌[17]。-850，-790 m中段的主回风道靠近出风井侧的坑道为整个冬瓜山矿床的断裂构造强富水区，出风井在下掘至底后，反向施工回风道期间发生了多次突水现象，分析表明，突水与浅层地下水有一定的水力联系，每个探水注浆段中均出现较大的钻孔涌水。出风井突水淹井后，本研究制定的治理的方案为：首先对-850，-790 m中段仍未掘进的回风道采取分段探水注浆方式进行逐段推进，当回风道掘进至距突水点一定距离后，采取钻孔预注浆工艺封闭突水断裂破碎带，使突水点所在巷道的周围形成有效的注浆帷幕圈，切断与破碎带的水力联系；然后施工放水钻孔实行控制性放水，通过现有的排水系统排除井内积水[18]。经过15个月的治理，达到了预期的封堵效果，检查帷幕体钻孔超过主破碎带上盘10 m，揭露为完全封闭的细小裂隙，残余涌水量为1.6 m3/h，实际堵水率为99.84%。注浆段坑道掘进时，主破碎带段的残余涌水量仅为2 m3/h，表明此次注浆治理成效显著。

对于深井施工而言，遇到含水层时应进行注浆处理，将井筒涌水量控制在规定的限值以内[19-20]。平巷施工时，对于分散涌水或深部构造裂隙中存在少量静储量，虽然涌水量不大，但是封堵难度大，要在不影响施工进度和排水能力的前提下，考虑采用排水疏干方法，涌水点可以不封堵，巷道掘进时直接通过。

矿区浅层地下水为矿床重要的充水水源，浅层地下水大量向深部补给，必然导致水害事故发生。此外，矿区地下水位持续下降，还可能会诱发大量环境地质问题。矿床内浅层地下水与深层地下水之间的水力联系受到分布于两者之间的二叠系碎屑岩裂隙发育程度的制约，两者一般无水力联系，仅在局部裂隙相对发育的地段存在。冬瓜山铜矿主井突水后的排水试验表明，ZK342(T1t·T1x)钻孔水位在9 d内下降了8.49 m；出风井突水后，ZK750钻孔水位下降明显，7 d内下降了6.2 m，而后水位逐渐回升，说明在局部裂隙相对发育的地段存在一定的水力联系。因此，建设矿区地下水动态监测网，开展矿区浅层地下水与深层地下水的动态长期监测工作十分必要。

4 结 语

冬瓜山铜矿矿区浅部、中部、深部分别为含水相对丰富的岩溶裂隙含水层、含水微弱的砂页岩裂隙含水层以及含水弱且较不均匀的灰岩裂隙含水层，深部含水层以构造裂隙导水为主。通过详细分析该矿区水文地质特征，采用了破碎带避让、注浆堵水、疏排水、地下水动态监测等综合防治水方法，在矿山生产建设中取得了较理想的效果，为矿山安全生产提供了重要保障，对于类似深井开采的矿山也有一定的借鉴意义。

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