武山铜矿深部矿坑涌水量预测

李明骏

（江西铜业集团有限公司 武山铜矿，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山铜矿位于江西省瑞昌市白杨镇境内，是上世纪60年代发现的大型铜矿床，矿床由南、北两个矿带组成，矿区周边有赤湖、白杨溪等地表水体。矿山始建于1966年，目前矿山生产能力达5000t/d以上。矿山目前主要采矿中段在-360m，开拓中段为-410m中段。南、北矿带矿坑平均涌水量分别为9426.62m3/d、5074.66m3/d。

2 区域水文地质特征

矿区处于横立山～黄桥复向斜东段北翼［1］，区内地下水运动主要受该向斜控制，向斜核部为石炭、二叠—三叠系的碳酸盐岩含水地层，翼部为志留～泥盆的砂页岩地层，构成区域地下水南、北隔水边界和隔水底板，形成了从南北两翼向核部汇水，地下水整体呈东西向迳流的长条形向斜岩溶储水构造。向斜内石炭、二叠—三叠系灰岩平均宽约6.5km，沿走向东到赤湖，西达湖北省境内。向斜内灰岩岩溶比较发育，储存较丰富的溶洞裂隙水。区域内复式向斜在空间上呈“W”形，三叠系大冶组页岩为区内含水层之间的稳定隔水边界（如图1）。

3 矿区水文地质条件

矿床分为南、北两个矿带。北矿带矿体呈似层状产于泥盆系上统五通组与石炭系黄龙组的不整合面及黄龙组地层中［2］，南矿带矿体赋存与二叠系至三叠系碳酸盐岩类地层与花岗闪长斑岩的接触带上，呈似环状产出，矿体均埋藏于当地侵蚀基准面以下。

3.1 含隔水层水文地质特征

根据各岩层含水特征，武山铜矿区含水组可划分为：嘉陵江大治灰岩岩溶裂隙含水组、长兴茅口灰岩岩溶裂隙含水组、栖霞黄龙灰岩含水组；大冶组页岩、志留系和泥盆系砂岩、茅口组炭质灰岩及岩浆岩均为隔水层。

3.1.1 含水层（组）水文地质特征

（1）嘉陵江大治灰岩岩溶裂隙含水组。分布于矿区南部，由中厚层至巨厚层白云质灰岩、灰岩、薄层状灰岩组成，平均厚度507m。具有近矿体强，远离矿体弱，浅部强深部弱的岩溶发育规律。平均岩溶率0.88%，充填率49%。单位涌水量0.27～0.43 L/s·m，富水性中等。

（2）长兴茅口灰岩岩溶裂隙含水组。位于南、北矿带之间，由厚层状燧石结核灰岩、燧石条带灰岩等岩组成，均厚约400m。灰岩岩溶发育具有浅部强，深部弱，矿体附近发育强，远离矿体弱的特征。隐伏溶蚀洼地、溶洞在0～30线发育最强，强岩溶带主要在-160m标高以上，局部最低发育至-680m。长兴、茅口灰岩平均岩溶率为1.31%，充填率62.14%。单位涌水量0.13～0.45L/s·m，富水性中等。

（3）栖霞黄龙灰岩含水组。主要分布于矿区北部，由深灰色中厚层状燧石结核灰岩、含炭质灰岩、白云质灰岩及灰岩组成，平均厚度约200m。具有在断裂带、硫化物矿体附近岩溶发育强，且地下水酸性强，其浅部发育强于深部，靠近矿体发育强于远离矿体的规律。黄龙组、栖霞组灰岩地层岩溶主要发育在-320m 标高以上，-320m以下变弱，岩溶发育最大深度可达-960m标高。钻孔见洞率40.6%，平均岩溶率为2.61%，充填率68.61%。单位涌水量0.9～1.15L/s·m，富水性强。

图1 武山铜矿区水文地质平面图

3.1.2 隔（阻）水层水文地质特征

（1） 大冶组页岩隔水层。主要发育在矿区南部，在矿区内分布稳定，由灰白、灰绿色（风化后为黄绿色或浅黄色）薄层泥质钙质页岩，层厚8～32m，钻孔揭露在岩浆岩接触带附近蚀变后成灰黑色或灰黄色。在矿区三叠系灰岩抽水试验时，设于近旁二叠系灰岩内的观测孔水位均无影响，隔水性较好。

（2）茅口组炭质灰岩隔水层。分布于矿区中北部，中厚层状炭质灰岩夹扁豆状岩、薄层灰质页岩组成。厚度62～130m，分布稳定，勘查查明岩溶裂隙不发育，仅在硫化矿床酸性水影响下，-40m标高以上局部见有溶洞。单位涌水量分别为0.0001～0.0002L/s·m，为较稳定隔水层。

（3）志留系、泥盆系砂岩隔水层。分布于北矿带矿体底板，主要由石英砂岩及含砾石英砂岩组成，岩层浅部风化裂隙发育，多充填有泥铁质物，断裂带附近构造裂隙发育，单位涌水量为0.067～0.139L/s·m，为相对隔水层。

（4）岩浆岩弱裂隙隔水层。矿区内主岩体为花岗闪长斑岩体，岩体内部风化带较浅，-40m标高以下岩体内风化裂隙发育较弱，为相对隔水层。

3.2 断裂构造水文地质特征

矿区内断裂构造主要有：北东向层间断裂、北北西—北西和北北东—北东向斜平移断裂。

3.2.1 北东向层间断裂

规模较大的有FⅡ—11、FⅡ—12、FⅡ—2，部分已被矿体或岩浆岩充填，在灰岩含水层内不形成单独地下水体系，断裂带地下水随着主要含水层疏干而疏干，其断裂带透水性不均，但从矿区新南副井石门附近揭露的FⅡ—2断层来看，该断层裂隙带涌水与大气降水关系密切，涌水量可达3775m3/d。

3.2.2 北北西—北西和北北东—北东向斜断层

主要有该两组断层发育规模较大，主要有F26、E27，F1、F2，F11、F12等。

（1）F26、F27位于矿区西部，两断层切断了三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系地层。破坏了大冶页岩岩隔水层，导致矿区西部郭家桥一带和西南汉老岭背斜溶洞裂隙水取得了联系。

（2）F1、F2位于北矿带西段79线附近，平行分布，切断了二叠系、石炭系、泥盆系、志留系地层。由于断层错动，使弱含水组与强含水组互相接触，F2断裂被岩浆岩贯入充填，加之两断层之间及西部岩溶相对不发育，构成北矿带西段相对弱透水地段（即西阻水体）。

（3）F11、F12位于北矿带90线与100线之间，沿断层带及两断层间有岩浆岩侵入，花岗闪长斑岩后又经破碎多形成角砾状，加上岩石破碎，风化剧烈，泥质含量高形成该两断裂之间弱透水地段（即东阻水体）。

3.3 地下水补给、径流排泄特征

自然条件下，区域地下水主要受大气降水补给。地下水总体径流方向由西向东，以赤湖、地表溪流、泉水为排泄口。矿区位于地下水的径流带上，矿山转入深部开采以后，巷道地下水不断疏干，形成了以坑道为中心的地下水疏干降落漏斗，随着矿山开采水平的不断下降，形成四周来水的局面，矿坑疏干排水成为地下水的主要排泄方式。

综上，矿体位于当地侵蚀基准面之下，三叠系至石炭系灰岩溶洞裂隙水为矿床直接充水水源，主要充水含水层富水性中等—强，断裂构造较发育，部分断裂导水性较好，水文地质条件属于复杂类型。

4 矿区地下水变化情况

4.1 大气降水与坑道涌水量动态变化规律

矿山目前主要采矿中段在-360m，-410m中段为基建开拓中段，通过收集矿山2015-2019年矿坑涌水量、年度降雨量情况如下（表1）。

表1 2015年-2019年度矿大气降水与坑涌水量情况统计表

可得出武山铜矿矿坑涌水量与年降雨量存在一定的动态变化规律，地下水位、矿坑排水的峰值滞后大气降雨量峰值影响较为明显［3］，存在1个月的滞后性左右（如图2）。由于矿山的采矿方法为充填法采矿，大气降水对矿坑没有形成直接充水的影响，矿坑涌水主要为区域地下水的补给。

图2 武山铜矿矿坑涌水量与年降雨量关系图

4.2 矿区地下水变化情况

矿山建立了完备的地下水水位观测系统，共有地表水文长期观测孔29个。北矿带东部3个观测孔，西部4个观测孔；南矿带东部5个观测孔，西部5个观测孔，南部7个观测孔，南东部5个观测孔，通过开展水文长期观测发现，随着矿山往深部开采，矿区地下水位不断下降，北矿带地下水位已经突破了东、西阻水体的阻隔，受南、北相对隔水层的限制，呈条带状向东西方向扩展；南矿带降落漏斗主要沿地层走向向东、西两个方向扩展，西部降落漏斗扩展到大屋周、楼下周以西白杨溪溪谷平原，地下水位的下降已使大屋周、楼下周泉枯竭，白杨溪溪谷平原(下余村)一带的沼泽泉已干枯，虽东部北端因阻水岩体的存在，漏斗东部扩展较慢，但矿区南部地下水已降至基岩面以下，并有向南部继续扩展的趋势。

5 矿坑涌水量预测

5.1 水文地质比拟法预测

南、北矿带-360m中段平均涌水量分别为9156m3和4370m3，目前南、北矿带地下水位平均标高分别为9.9m、17.4m。

采用比拟法［4-6］计算，公式如下：

式中：

Q为预测中段的地下水涌水量，m3/d；

Q0为-360m坑道实测涌水量，北矿带4370m3/d，南矿带9156m3/d；

F为预测中段影响面积，m2；

F0为-360m中段影响面积，北矿带214396m2，南矿带143916m2；

S为预测中段地下水水位降深，m；

S0为-360m中段地下水水位降深，北矿带377.4m，南矿带369.9m

经计算，各中段地下水涌水量见表2。

表2 南、北矿带正常涌水量预测计算表（水文地质比拟法）

5.2 数值模型法预测

将地下水流系统概化为单层含水层、非均质、各向异性等效多孔介质三维地下水流系统［7-9］，定解微分方程：

式中：Ω为渗流区域；

h为地下水系统的水位标高，m；

Kx，Ky为含水介质的水平渗透系数，m/d；

μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度；

p为潜水面的降水入渗强度等，m/d；

Γ0为渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；

图3 模型边界与含水层实体模型

h0为系统的初始水位分布，m；

Γ1为渗流区域的流量边界；

Kn为边界面法线方向的渗透系数，m/d，

n为边界面的法线方向；

q为Γ1边界的单位面积上的流量，m/d，流入为正，流出为负，隔水边界为0。

该方法采用GMS软件进行矿区水文地质数值模拟，然后运用MODFLOW模块求解［10］。模型范围西至严家畈—宋家湾地下分水岭，为隔水边界。东至赤湖边界，为通用水头边界。北抵纱帽组与罗惹坪组砂岩分界线，为隔水边界。西南至大冶组下段页岩隔水层，为隔水边界。东南部至坛山坳向斜轴部，为通用水头边界，模拟区面积约为32.3km2（见图3）。上边界按接受大气降雨入渗补给考虑，下边界为隔水边界。

通过数值模型分别对南、北矿带-360m中段预测涌水量为9753.14m3和4265 m3，实测南、北矿带-360m中段平均涌水量分别为9156m3和4370 m3，最大误差在6.5%，说明模型概化参数较合理。

表3 南、北矿带正常涌水量预测计算表（数值模型法）

利用矿区抽水试验成果对模型进行识别拟合，然后利用拟合好的模型进行矿坑涌水量预测，得到南、北矿带各中段正常涌水量的预测结果见表3。

5.3 预测结果评价

从比拟法预测结果表2、数值法预测结果表3可以看出。比拟法-610m中段的地下水涌水量比数值法计算结果稍小，其它两个中段比拟法较数值法计算成果稍大。由于数值法在将矿区含水层概化为垂向单层含水层的基础上建立的数值模型，然后采用模拟调参的方法（渗透系数随不同开采中段向下衰减，但于-810m中段往下不变）将模型预测结果与实际抽水试验等位线结果进行拟合，从而使模型趋于实际，在调整参数的过程中存在诸多主观因素。比拟法利用现-360m中段平均水涌水量，现有中段开采面积及水位降深来预测深部中段地下水涌水量，水文地质条件相似，预测结果更趋于矿山生产实际，更为可靠，因此-610m中段矿坑地下水涌水量采用比拟法计算成果。另外，这两种方法计算过程中，都假定含水层垂向上富水性比较均一，而实际岩溶发育随着深度的增加在逐步减弱，因此预测结果都较可靠。

6 结论

（1）在收集和分析矿山地下水长期观测数据的情况下，总结武山矿区水文地质条件，明确深部开采方法和水文地质边界条件基础上，选用水文地质比拟法和数值模型法来预测矿坑深部的涌水量的方法是可行的，且可以相互验证，从而确保预测结果的可靠性。

（2）结合矿区近年地下水变化情况分别选用水文地质比拟法和数值模型法估算了武山铜矿深部-610m、-810m、-1110m中段的各中段正常涌水量，两种方法的预测结果误差在大多在10%以内，能满足矿山深部涌水量预测精度要求。

（3）矿山在深部开采过程中应当根据实际矿坑涌水量对下一中段涌水量预测进一步调整和纠偏，更好指导和服务矿山防治水及矿坑排水工作。

（4）通过总结分析发现武山铜矿矿坑涌水量与年降雨量存在一定的动态变化规律，地下水位、矿坑排水的峰值滞后大气降雨量峰值1个月左右，建议矿山在大气降水峰值后加大坑内排水能力，从而确保坑内的排水安全。