李明駿

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山銅礦位于江西省瑞昌市白楊鎮(zhèn)境內(nèi)，是上世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的大型銅礦床，礦床由南、北兩個(gè)礦帶組成，礦區(qū)周邊有赤湖、白楊溪等地表水體。礦山始建于1966年，目前礦山生產(chǎn)能力達(dá)5000t/d以上。礦山目前主要采礦中段在-360m，開(kāi)拓中段為-410m中段。南、北礦帶礦坑平均涌水量分別為9426.62m3/d、5074.66m3/d。

2 區(qū)域水文地質(zhì)特征

礦區(qū)處于橫立山～黃橋復(fù)向斜東段北翼［1］，區(qū)內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)主要受該向斜控制，向斜核部為石炭、二疊—三疊系的碳酸鹽巖含水地層，翼部為志留～泥盆的砂頁(yè)巖地層，構(gòu)成區(qū)域地下水南、北隔水邊界和隔水底板，形成了從南北兩翼向核部匯水，地下水整體呈東西向逕流的長(zhǎng)條形向斜巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造。向斜內(nèi)石炭、二疊—三疊系灰?guī)r平均寬約6.5km，沿走向東到赤湖，西達(dá)湖北省境內(nèi)。向斜內(nèi)灰?guī)r巖溶比較發(fā)育，儲(chǔ)存較豐富的溶洞裂隙水。區(qū)域內(nèi)復(fù)式向斜在空間上呈“W”形，三疊系大冶組頁(yè)巖為區(qū)內(nèi)含水層之間的穩(wěn)定隔水邊界（如圖1）。

3 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦床分為南、北兩個(gè)礦帶。北礦帶礦體呈似層狀產(chǎn)于泥盆系上統(tǒng)五通組與石炭系黃龍組的不整合面及黃龍組地層中［2］，南礦帶礦體賦存與二疊系至三疊系碳酸鹽巖類地層與花崗閃長(zhǎng)斑巖的接觸帶上，呈似環(huán)狀產(chǎn)出，礦體均埋藏于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下。

3.1 含隔水層水文地質(zhì)特征

根據(jù)各巖層含水特征，武山銅礦區(qū)含水組可劃分為：嘉陵江大治灰?guī)r巖溶裂隙含水組、長(zhǎng)興茅口灰?guī)r巖溶裂隙含水組、棲霞黃龍灰?guī)r含水組；大冶組頁(yè)巖、志留系和泥盆系砂巖、茅口組炭質(zhì)灰?guī)r及巖漿巖均為隔水層。

3.1.1 含水層（組）水文地質(zhì)特征

（1）嘉陵江大治灰?guī)r巖溶裂隙含水組。分布于礦區(qū)南部，由中厚層至巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、薄層狀灰?guī)r組成，平均厚度507m。具有近礦體強(qiáng)，遠(yuǎn)離礦體弱，淺部強(qiáng)深部弱的巖溶發(fā)育規(guī)律。平均巖溶率0.88%，充填率49%。單位涌水量0.27～0.43 L/s·m，富水性中等。

（2）長(zhǎng)興茅口灰?guī)r巖溶裂隙含水組。位于南、北礦帶之間，由厚層狀燧石結(jié)核灰?guī)r、燧石條帶灰?guī)r等巖組成，均厚約400m。灰?guī)r巖溶發(fā)育具有淺部強(qiáng)，深部弱，礦體附近發(fā)育強(qiáng)，遠(yuǎn)離礦體弱的特征。隱伏溶蝕洼地、溶洞在0～30線發(fā)育最強(qiáng)，強(qiáng)巖溶帶主要在-160m標(biāo)高以上，局部最低發(fā)育至-680m。長(zhǎng)興、茅口灰?guī)r平均巖溶率為1.31%，充填率62.14%。單位涌水量0.13～0.45L/s·m，富水性中等。

（3）棲霞黃龍灰?guī)r含水組。主要分布于礦區(qū)北部，由深灰色中厚層狀燧石結(jié)核灰?guī)r、含炭質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r組成，平均厚度約200m。具有在斷裂帶、硫化物礦體附近巖溶發(fā)育強(qiáng)，且地下水酸性強(qiáng)，其淺部發(fā)育強(qiáng)于深部，靠近礦體發(fā)育強(qiáng)于遠(yuǎn)離礦體的規(guī)律。黃龍組、棲霞組灰?guī)r地層巖溶主要發(fā)育在-320m 標(biāo)高以上，-320m以下變?nèi)酰瑤r溶發(fā)育最大深度可達(dá)-960m標(biāo)高。鉆孔見(jiàn)洞率40.6%，平均巖溶率為2.61%，充填率68.61%。單位涌水量0.9～1.15L/s·m，富水性強(qiáng)。

圖1 武山銅礦區(qū)水文地質(zhì)平面圖

3.1.2 隔（阻）水層水文地質(zhì)特征

（1） 大冶組頁(yè)巖隔水層。主要發(fā)育在礦區(qū)南部，在礦區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定，由灰白、灰綠色（風(fēng)化后為黃綠色或淺黃色）薄層泥質(zhì)鈣質(zhì)頁(yè)巖，層厚8～32m，鉆孔揭露在巖漿巖接觸帶附近蝕變后成灰黑色或灰黃色。在礦區(qū)三疊系灰?guī)r抽水試驗(yàn)時(shí)，設(shè)于近旁二疊系灰?guī)r內(nèi)的觀測(cè)孔水位均無(wú)影響，隔水性較好。

（2）茅口組炭質(zhì)灰?guī)r隔水層。分布于礦區(qū)中北部，中厚層狀炭質(zhì)灰?guī)r夾扁豆?fàn)顜r、薄層灰質(zhì)頁(yè)巖組成。厚度62～130m，分布穩(wěn)定，勘查查明巖溶裂隙不發(fā)育，僅在硫化礦床酸性水影響下，-40m標(biāo)高以上局部見(jiàn)有溶洞。單位涌水量分別為0.0001～0.0002L/s·m，為較穩(wěn)定隔水層。

（3）志留系、泥盆系砂巖隔水層。分布于北礦帶礦體底板，主要由石英砂巖及含礫石英砂巖組成，巖層淺部風(fēng)化裂隙發(fā)育，多充填有泥鐵質(zhì)物，斷裂帶附近構(gòu)造裂隙發(fā)育，單位涌水量為0.067～0.139L/s·m，為相對(duì)隔水層。

（4）巖漿巖弱裂隙隔水層。礦區(qū)內(nèi)主巖體為花崗閃長(zhǎng)斑巖體，巖體內(nèi)部風(fēng)化帶較淺，-40m標(biāo)高以下巖體內(nèi)風(fēng)化裂隙發(fā)育較弱，為相對(duì)隔水層。

3.2 斷裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要有：北東向?qū)娱g斷裂、北北西—北西和北北東—北東向斜平移斷裂。

3.2.1 北東向?qū)娱g斷裂

規(guī)模較大的有FⅡ—11、FⅡ—12、FⅡ—2，部分已被礦體或巖漿巖充填，在灰?guī)r含水層內(nèi)不形成單獨(dú)地下水體系，斷裂帶地下水隨著主要含水層疏干而疏干，其斷裂帶透水性不均，但從礦區(qū)新南副井石門附近揭露的FⅡ—2斷層來(lái)看，該斷層裂隙帶涌水與大氣降水關(guān)系密切，涌水量可達(dá)3775m3/d。

3.2.2 北北西—北西和北北東—北東向斜斷層

主要有該兩組斷層發(fā)育規(guī)模較大，主要有F26、E27，F(xiàn)1、F2，F(xiàn)11、F12等。

（1）F26、F27位于礦區(qū)西部，兩斷層切斷了三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系地層。破壞了大冶頁(yè)巖巖隔水層，導(dǎo)致礦區(qū)西部郭家橋一帶和西南漢老嶺背斜溶洞裂隙水取得了聯(lián)系。

（2）F1、F2位于北礦帶西段79線附近，平行分布，切斷了二疊系、石炭系、泥盆系、志留系地層。由于斷層錯(cuò)動(dòng)，使弱含水組與強(qiáng)含水組互相接觸，F(xiàn)2斷裂被巖漿巖貫入充填，加之兩斷層之間及西部巖溶相對(duì)不發(fā)育，構(gòu)成北礦帶西段相對(duì)弱透水地段（即西阻水體）。

（3）F11、F12位于北礦帶90線與100線之間，沿?cái)鄬訋Ъ皟蓴鄬娱g有巖漿巖侵入，花崗閃長(zhǎng)斑巖后又經(jīng)破碎多形成角礫狀，加上巖石破碎，風(fēng)化劇烈，泥質(zhì)含量高形成該兩斷裂之間弱透水地段（即東阻水體）。

3.3 地下水補(bǔ)給、徑流排泄特征

自然條件下，區(qū)域地下水主要受大氣降水補(bǔ)給。地下水總體徑流方向由西向東，以赤湖、地表溪流、泉水為排泄口。礦區(qū)位于地下水的徑流帶上，礦山轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采以后，巷道地下水不斷疏干，形成了以坑道為中心的地下水疏干降落漏斗，隨著礦山開(kāi)采水平的不斷下降，形成四周來(lái)水的局面，礦坑疏干排水成為地下水的主要排泄方式。

綜上，礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之下，三疊系至石炭系灰?guī)r溶洞裂隙水為礦床直接充水水源，主要充水含水層富水性中等—強(qiáng)，斷裂構(gòu)造較發(fā)育，部分?jǐn)嗔褜?dǎo)水性較好，水文地質(zhì)條件屬于復(fù)雜類型。

4 礦區(qū)地下水變化情況

4.1 大氣降水與坑道涌水量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

礦山目前主要采礦中段在-360m，-410m中段為基建開(kāi)拓中段，通過(guò)收集礦山2015-2019年礦坑涌水量、年度降雨量情況如下（表1）。

表1 2015年-2019年度礦大氣降水與坑涌水量情況統(tǒng)計(jì)表

可得出武山銅礦礦坑涌水量與年降雨量存在一定的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，地下水位、礦坑排水的峰值滯后大氣降雨量峰值影響較為明顯［3］，存在1個(gè)月的滯后性左右（如圖2）。由于礦山的采礦方法為充填法采礦，大氣降水對(duì)礦坑沒(méi)有形成直接充水的影響，礦坑涌水主要為區(qū)域地下水的補(bǔ)給。

圖2 武山銅礦礦坑涌水量與年降雨量關(guān)系圖

4.2 礦區(qū)地下水變化情況

礦山建立了完備的地下水水位觀測(cè)系統(tǒng)，共有地表水文長(zhǎng)期觀測(cè)孔29個(gè)。北礦帶東部3個(gè)觀測(cè)孔，西部4個(gè)觀測(cè)孔；南礦帶東部5個(gè)觀測(cè)孔，西部5個(gè)觀測(cè)孔，南部7個(gè)觀測(cè)孔，南東部5個(gè)觀測(cè)孔，通過(guò)開(kāi)展水文長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著礦山往深部開(kāi)采，礦區(qū)地下水位不斷下降，北礦帶地下水位已經(jīng)突破了東、西阻水體的阻隔，受南、北相對(duì)隔水層的限制，呈條帶狀向東西方向擴(kuò)展；南礦帶降落漏斗主要沿地層走向向東、西兩個(gè)方向擴(kuò)展，西部降落漏斗擴(kuò)展到大屋周、樓下周以西白楊溪溪谷平原，地下水位的下降已使大屋周、樓下周泉枯竭，白楊溪溪谷平原(下余村)一帶的沼澤泉已干枯，雖東部北端因阻水巖體的存在，漏斗東部擴(kuò)展較慢，但礦區(qū)南部地下水已降至基巖面以下，并有向南部繼續(xù)擴(kuò)展的趨勢(shì)。

5 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

5.1 水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)

南、北礦帶-360m中段平均涌水量分別為9156m3和4370m3，目前南、北礦帶地下水位平均標(biāo)高分別為9.9m、17.4m。

采用比擬法［4-6］計(jì)算，公式如下：

式中：

Q為預(yù)測(cè)中段的地下水涌水量，m3/d；

Q0為-360m坑道實(shí)測(cè)涌水量，北礦帶4370m3/d，南礦帶9156m3/d；

F為預(yù)測(cè)中段影響面積，m2；

F0為-360m中段影響面積，北礦帶214396m2，南礦帶143916m2；

S為預(yù)測(cè)中段地下水水位降深，m；

S0為-360m中段地下水水位降深，北礦帶377.4m，南礦帶369.9m

經(jīng)計(jì)算，各中段地下水涌水量見(jiàn)表2。

表2 南、北礦帶正常涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算表（水文地質(zhì)比擬法）

5.2 數(shù)值模型法預(yù)測(cè)

將地下水流系統(tǒng)概化為單層含水層、非均質(zhì)、各向異性等效多孔介質(zhì)三維地下水流系統(tǒng)［7-9］，定解微分方程：

式中：Ω為滲流區(qū)域；

h為地下水系統(tǒng)的水位標(biāo)高，m；

Kx，Ky為含水介質(zhì)的水平滲透系數(shù)，m/d；

μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；

p為潛水面的降水入滲強(qiáng)度等，m/d；

Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；

圖3 模型邊界與含水層實(shí)體模型

h0為系統(tǒng)的初始水位分布，m；

Γ1為滲流區(qū)域的流量邊界；

Kn為邊界面法線方向的滲透系數(shù)，m/d，

n為邊界面的法線方向；

q為Γ1邊界的單位面積上的流量，m/d，流入為正，流出為負(fù)，隔水邊界為0。

該方法采用GMS軟件進(jìn)行礦區(qū)水文地質(zhì)數(shù)值模擬，然后運(yùn)用MODFLOW模塊求解［10］。模型范圍西至嚴(yán)家畈—宋家灣地下分水嶺，為隔水邊界。東至赤湖邊界，為通用水頭邊界。北抵紗帽組與羅惹坪組砂巖分界線，為隔水邊界。西南至大冶組下段頁(yè)巖隔水層，為隔水邊界。東南部至壇山坳向斜軸部，為通用水頭邊界，模擬區(qū)面積約為32.3km2（見(jiàn)圖3）。上邊界按接受大氣降雨入滲補(bǔ)給考慮，下邊界為隔水邊界。

通過(guò)數(shù)值模型分別對(duì)南、北礦帶-360m中段預(yù)測(cè)涌水量為9753.14m3和4265 m3，實(shí)測(cè)南、北礦帶-360m中段平均涌水量分別為9156m3和4370 m3，最大誤差在6.5%，說(shuō)明模型概化參數(shù)較合理。

表3 南、北礦帶正常涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算表（數(shù)值模型法）

利用礦區(qū)抽水試驗(yàn)成果對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別擬合，然后利用擬合好的模型進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測(cè)，得到南、北礦帶各中段正常涌水量的預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

5.3 預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

從比擬法預(yù)測(cè)結(jié)果表2、數(shù)值法預(yù)測(cè)結(jié)果表3可以看出。比擬法-610m中段的地下水涌水量比數(shù)值法計(jì)算結(jié)果稍小，其它兩個(gè)中段比擬法較數(shù)值法計(jì)算成果稍大。由于數(shù)值法在將礦區(qū)含水層概化為垂向單層含水層的基礎(chǔ)上建立的數(shù)值模型，然后采用模擬調(diào)參的方法（滲透系數(shù)隨不同開(kāi)采中段向下衰減，但于-810m中段往下不變）將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際抽水試驗(yàn)等位線結(jié)果進(jìn)行擬合，從而使模型趨于實(shí)際，在調(diào)整參數(shù)的過(guò)程中存在諸多主觀因素。比擬法利用現(xiàn)-360m中段平均水涌水量，現(xiàn)有中段開(kāi)采面積及水位降深來(lái)預(yù)測(cè)深部中段地下水涌水量，水文地質(zhì)條件相似，預(yù)測(cè)結(jié)果更趨于礦山生產(chǎn)實(shí)際，更為可靠，因此-610m中段礦坑地下水涌水量采用比擬法計(jì)算成果。另外，這兩種方法計(jì)算過(guò)程中，都假定含水層垂向上富水性比較均一，而實(shí)際巖溶發(fā)育隨著深度的增加在逐步減弱，因此預(yù)測(cè)結(jié)果都較可靠。

6 結(jié)論

（1）在收集和分析礦山地下水長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，總結(jié)武山礦區(qū)水文地質(zhì)條件，明確深部開(kāi)采方法和水文地質(zhì)邊界條件基礎(chǔ)上，選用水文地質(zhì)比擬法和數(shù)值模型法來(lái)預(yù)測(cè)礦坑深部的涌水量的方法是可行的，且可以相互驗(yàn)證，從而確保預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。

（2）結(jié)合礦區(qū)近年地下水變化情況分別選用水文地質(zhì)比擬法和數(shù)值模型法估算了武山銅礦深部-610m、-810m、-1110m中段的各中段正常涌水量，兩種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差在大多在10%以內(nèi)，能滿足礦山深部涌水量預(yù)測(cè)精度要求。

（3）礦山在深部開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際礦坑涌水量對(duì)下一中段涌水量預(yù)測(cè)進(jìn)一步調(diào)整和糾偏，更好指導(dǎo)和服務(wù)礦山防治水及礦坑排水工作。

（4）通過(guò)總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)武山銅礦礦坑涌水量與年降雨量存在一定的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，地下水位、礦坑排水的峰值滯后大氣降雨量峰值1個(gè)月左右，建議礦山在大氣降水峰值后加大坑內(nèi)排水能力，從而確?？觾?nèi)的排水安全。