铜陵冬瓜山铜矿床60#线以北深部水文地质特征及防治水措施

周天健 庞冯秋 汪庆玖 吴长贵 罗 娇 丁凯华

(安徽省地质矿产勘查局321地质队)

冬瓜山铜矿位于安徽省铜陵市铜官区狮子山，是狮子山矿区的深部矿床。矿床埋深约1 km，铜金属量近百万吨。由于矿体埋藏较深，水文地质条件较复杂，历史上矿山基建过程中发生过多起突水事故[1-5]，1994年9月，冬瓜山主井掘至-899 m标高处工作面爆破时发生突水，瞬时突水量达1 285 m3/h，静水压力达8～9 MPa，水位一直升至-80 m 标高才稳定，主井施工被迫停止[2]；2002年11月，当-850 m回风道掘进至距离出风井约20 m位置时，突遇涌水，2 h内涌水量迅速从212 m3/h增加至500 m3/h，静水压力达8.8 MPa，经过近20 h的抢险排水井筒仍然处于淹没状态。可见，突水给该矿山带来了巨大的经济损失和安全生产隐患[6]。目前，随着矿区60#线以南矿段矿量逐渐减少，矿山已经进入大规模开发60#线以北矿段阶段，主要开拓-790，-850 m等中段。相关研究认为冬瓜山矿床北部的含水构造较发育且富水性较强[5,7-8]，本研究结合矿山生产实际，对该矿床60#线以北的水文地质特征进行详细阐述，初步查明深部含水构造分布情况，并提出相应的防治水措施，供相关研究参考。

1 矿区地质背景

1.1 矿床地质特征

冬瓜山铜矿为狮子山矿区的深部矿床，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，属层控矽卡岩型大型铜矿床[9]。主矿体水平投影走向长 1 810 m，最大宽度和最小宽度分别为882，204 m，平均宽 500 m，最大厚度100.67 m，最小厚1.13 m，平均厚34 m；矿体走向NE35°～40°，矿体两翼分别向北西、南东倾斜，倾角最大可达30°～40°；矿体沿走向向北东侧伏，侧伏角约10°；矿体埋藏标高为-690～-1 007 m。矿体直接顶板岩性主要为大理岩，底板岩性主要为粉砂岩及石英闪长岩。矿体主要为含铜磁铁矿、含铜蛇纹石和含铜矽卡岩[8]。

1.2 矿区地层及构造特征

1.2.1 地 层

矿区地表出露的地层有第四系及三叠系中、下统，局部有三叠系上统零星分布。深部工程揭露有二叠系、石炭系、泥盆系等地层。其中，泥盆系发育上统五通组(D3w)，岩性以粉砂岩、页岩、砂岩、粉砂质页岩为主；石炭系发育中、上统黄龙—船山组(C2+3)，岩性为灰岩、白云岩，变质后为大理岩、白云石大理岩、蛇纹石岩及石榴石矽卡岩；二叠系发育下统栖霞组(P1q)，岩性主要为灰岩，变质后为大理岩或矽卡岩；下统孤峰组(P1g)岩性主要为硅质页岩、含锰页岩，变质后为角岩及大理岩；上统龙潭组(P2l)岩性为碳质页岩、粉砂质页岩，常含煤1～3层，变质后为长英质角岩、红柱石角岩、角岩化黏土岩(粉砂岩)，局部为矽卡岩；上统大隆组(P2d)岩性为钙质页岩、硅质页岩及硅质岩，变质后为角岩、矽卡岩；下统小凉亭组(T1x)主要岩性为灰岩，变质后为大理岩、角岩；下统塔山组(T1t)、中统南陵湖组(T2n)、中统分水岭组(T2f)岩性均以灰岩为主，变质后岩性主要为大理岩；中统龙头山组(T2l)岩性主要为白云岩、白云质灰岩，一般未变质或变质程度较低。

1.2.2 构 造

青山背斜为区内主要的褶皱构造，狮子山矿区位于背斜北东段，其枢纽向NE倾伏，北西翼较陡，倾角30°～50°，南东翼较缓，倾角25°～35°，轴部形态复杂。据工程揭示，-400 m标高以上呈双峰褶曲形态，主峰偏北西在-200 m标高上、下局部出现倒转，-400 m标高以下逐渐平缓开阔，在其上叠加有横跨褶皱，使背斜出现短轴“穹状”隆起。矿区主要的成矿前断裂有包村后山断裂、曹山断裂、青山脚—东狮子山断裂、大团山西坡断裂、白芒山—羊山尖断裂等；成矿后断裂主要有阴涝—大冲破碎带、铜塘冲破碎带、龙塘湖破碎带。

1.3 矿床水文地质特征

冬瓜山矿床的含水层在垂向上富水性差异明显，浅层含水层——塔山组小凉亭组地下水主要赋存于-200 m标高以上，富水程度弱—中等；向下大隆组—孤峰组可概化为不均匀极弱透水段；其下为矿床深层含水层——栖霞组黄龙—船山组，为主矿体直接顶板，含微弱裂隙水，属极弱含水层；主矿体直接底板为区域隔水边界(图1)。坑道的充水由2部分组成：①大隆组—孤峰组裂隙相对发育地段，浅层地下水(T1t·T1x)的垂向弱渗透补给；②来自深层地下水(P1q·C2+3)的侧向补给。由于矿体埋藏深，大气降水、地表水及矿区的主要含水层(T2n、T2f、T2l)地下水不直接影响矿体开采。矿床南东侧的青山脚—狮子山岩体、北部的曹山—包村岩体在垂直方向上延伸稳定，两者在矿体顶底板(P1g—D3w)相应高度内分布连续，组成了矿床的隔水边界；同时矿体位于巨厚层的区域隔水层之上，无深部地下水向上补给，因此，南东和北西两侧为相对隔水边界。矿体顶板及两翼含微弱裂隙水，矿体位于厚层极弱透水层之下和区域隔水层之上，接受上部越流和轴向深层地下径流补给。

图1 矿床水文地质模型[10]

2 60#线以北水文地质特征

2.1 坑道节理裂隙发育特征

根据坑道调查，坑道中结构面以节理裂隙和层面为主，其中-790 m中段坑道裂隙走向主要为275°～304°，走向43°、64°次之(图2(a))。其中，走向275°～304°的裂隙向S陡倾，倾角60°～90°，部分N倾，倾角30°～60°；-850 m中段裂隙走向以274°～304°为主，走向315°～344°、73°～85°次之(图2(b))，其中，走向274°～304°的裂隙向SW陡倾，倾角70°～90°，少量NE倾，倾角70°～80°，裂面多平直光滑呈闭合状。矿区优势裂隙主要走向NW，倾向以S—SW向为主，倾角较陡。

2.2 坑道突水概况及突水水化学特征

2.2.1 坑道各类突水概况

矿床60#线以北主要开拓-790，-850 m中段，发生坑道掘进突水及探水孔突水事故30余次，突水水量一般多为每小时数十立方米，但个别突水点瞬时突水量可达每小时数百立方米，例如-850 m中段68#线D68-1探水孔施工至39.16 m标高时，发生突水，瞬时突水量达到600 m3/h；-790 m中段67#线回风巷掘进过程中发生突水，突水稳定水量达到300 m3/h，导致掘进工程被迫暂停，突水静水压力一般为2～4 MPa，突水水温一般为35～41 ℃。

2.2.2 突水水化学特征

相关研究表明：通过水化学特征可有效辨别突水水源[11-13]。图3为-790 m中段及-850 m中段坑道突水点水化学成分Piper图。分析该图可知，60#线以北坑道突水水化学类型以HCO3·SO4-Ca型为主，按舒卡列夫水化学分类标准均为8-A类水，属于较典型的沉积岩地区溶滤水[14]。

(1)

CaMg+(CO3)22CO2(g)+2H2O→Ca2++

(2)

(3)

白云石和碳酸钙共同溶解时，其化学反应方程式为

CaCO3+CaMg(CO3)2+3CO2(g)+

(4)

图2 坑道节理裂隙玫瑰花图

图3 60#线以北坑道突水点水化学成分Piper图

图4 突水水样成分

图5 非碳酸盐岩来源的钙与硫酸根离子含量的关系

3 探水工程布置及认识

3.1 探水工程概况

2011年至今，在矿床60#线以北矿段沿穿脉累计施工了探水孔77个，其中-790 m 中段施工了探水孔19个，总进尺1 752 m；-850 m 中段施工了探水孔58个，总进尺3 498 m。根据冒落带计算结果及矿山以往探水经验，探水孔深度应总体控制在矿体顶板上方100 m范围以内，相邻探水孔孔底间距约50 m(图6)。经过多年开展探水工作，共有18个探水孔出水，2个孔(D63A-2、D68-4)见有水泥砂浆充填体，探水孔出水量一般为20～60 m3/h，最大瞬时出水量达到600 m3/h(D68-1)，水压约3 MPa，突水水温一般为35～41 ℃，水质类型均为HCO3·SO4-Ca型。

图6 探水钻孔剖面布置示意

3.2 探水认识

3.2.1 断裂构造

据相关统计，70%以上的矿山突水事故均与断层有关[18]，因此，研究矿区深部构造分布情况，对于矿山开采及水害防治均有重要意义[19-21]。结合坑道调查、坑道开拓超前探水及本研究探水成果，推测并初步确认的构造有F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F15等8组(表1)。本研究基本查明了F15构造的空间分布情况，F15位于矿体北西端，总体走向NE，倾向NW，倾角38°～65°，探水钻孔的出水量一般为20～60 m3/h，最大瞬时突水量达600 m3/h，富水性强。

3.2.2 60#线以北水文地质分区

根据探水及坑道调查成果，在平面上可将60#线以北划分为水文地质条件简单(Ⅰ)及较复杂(Ⅱ)2个区(图7)。其中，水文地质条件简单区(Ⅰ区)位于矿体南东段，地层岩性主要为栖霞组灰岩、闪长岩，出水点少，坑道总体上较干燥；水文地质条件较复杂区(Ⅱ区)位于矿体北西段，巷道节理裂隙较发育，揭露的突水点较多，含水构造相互切割，可能强化浅部含水层与深部含水层的水力联系，地层岩性主要为栖霞组、黄龙—船山组灰岩，岩溶发育程度弱，为矿床的直接充水顶板。Ⅱ区节理裂隙以NW向、EW向为主，各类突水点30余处，探水钻孔揭露出水点的水量一般为20～60 m3/h，最大达600 m3/h，水温较高(35～41 ℃)。该区为矿床内相对富水的部位，矿坑涌水量中相当一部分来自该区。

表1 推测出的导水构造特征参数及验证情况

图7 60#线以北水文地质分区(-850 m中段)

4 防治水措施

根据坑道调查及探水成果，矿床60#线以北防治水的重点区域为矿体北西段，即Ⅱ区，今后在该范围开展探采工作时须进行超前探水。根据导水构造富水性、分布位置以及可能出现的突水危害程度，本研究将F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F15等8组构造划分为重点关注构造及一般关注构造，进行区别对待。其中，重点关注构造为F15、F3等，富水性中等—强，若发生突水灾害，将对矿山井下生产及人员安全造成较大危害；其余构造为一般关注构造，富水性较弱。

F15、F3构造富水性中等—强，且距离矿体顶板近。目前，F15构造的推测位置位于距离矿体顶板100 m范围内，该区段已进行了注浆治理，效果较好，建议今后在70#线以东沿F15构造按照“有疑必探”的原则进行工作，一旦发现突水点，应及时进行注浆治理。F3构造向东可能延伸至矿体附近，在后续探采工作中，须进行超前探水。若今后沿F3构造出现出水点，应及时进行注浆治理。由于F2、F4、F5、F6、F7、F9等构造的富水性均较弱，相关探水孔基本也未出水，因此，在后续开采过程中，无需进行专门处理，若遇到零星出水点，及时进行注浆治理即可。

5 结 论

(1)矿床60#线以北的巷道结构面以节理裂隙和层面为主，裂面多平直光滑呈闭合状，裂隙走向以NW向为主，倾向S—SW，倾角较陡；坑道突水水化学类型以HCO3·SO4-Ca型为主，按舒卡列夫水化学分类标准均为8-A类水，属于较典型的沉积岩地区溶滤水，水中主要离子来源于碳酸钙溶解及碳酸钙与白云岩共同溶解。

(2)60#线以北存在F2、F3、F4、F5、F6、F7、F9、F15等8组构造，总体上矿床深部的含水层以构造裂隙导水为主，其中矿体南东段水文地质条件简单，北西端水文地质条件较复杂。矿床防治水重点区域为矿体北西段，今后在该区域进行探采工作时，须进行超前探水。

(3)F15、F3构造为重点关注构造，应按照“有疑必探”的原则进行治理，若发现出水点，须及时进行注浆治理。

致谢感谢孙浩、周贵斌、齐庆浩、汪令辉等同志在本文研究过程中给予的帮助！

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