王秋波，李云飛

（山西中條山集團(tuán)胡家峪礦業(yè)有限公司，山西 運(yùn)城 043704）

山西中條山銅礦區(qū)作為我國(guó)主要的銅礦集中區(qū)之一[1-2]，位于華北克拉通南緣晉豫活動(dòng)帶[3]，胡家峪南和溝銅礦床為區(qū)內(nèi)胡—篦型銅礦代表性礦床之一。自20世紀(jì)50年代投產(chǎn)以來，南和溝銅礦床已開采60余年，目前井下開采至240m中段，為延長(zhǎng)礦山壽命，已進(jìn)行外圍探礦工作。隨著開采深度、規(guī)模的增加，礦山水文地質(zhì)條件也隨之變化，為降低水文地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，確保礦山安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展，有必要對(duì)南和溝銅礦床深部水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析，并對(duì)深部礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前礦井涌水量預(yù)測(cè)常用水文地質(zhì)比擬法[4]、數(shù)值法[5]、解析法[6]等方法，其中解析法因成本較低、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。因此本文將結(jié)合南和溝H01勘探線水文地質(zhì)資料對(duì)礦床地下水賦存狀況、充水因素等水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析，并結(jié)合礦山疏排設(shè)計(jì)及礦體賦存情況，使用解析法對(duì)深部礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終確定南和溝銅礦床水文地質(zhì)勘查類型，為礦山技術(shù)部門合理選擇排水設(shè)備、制定防治水措施提供技術(shù)支持，進(jìn)而為礦山實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、合理有效配置水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦床地質(zhì)特征

1.1 地層巖性

胡家峪南和溝銅礦床位于山西省垣曲縣西南部變質(zhì)巖地區(qū)，含有豐富的黃銅礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦等礦石[2]，屬中型富銅礦床。區(qū)內(nèi)出露地層由老向新依次為下元古界[7]中條群界牌梁組（Pt1j）、龍峪組（Pt1l）、余元下組（Pt1y）、篦子溝組（Pt1bz）、余家山組（Pt1yj）及新生界第四系（Q），其中界牌梁組（Pt1j）巖性主要為石英巖、黑云母片巖；龍峪組（Pt1l）巖性主要為鈣質(zhì)云母片巖，一般成分多以泥砂質(zhì)為主；余元下組（Pt1y）巖性變化較大，主要為厚層大理巖，分布全區(qū)；篦子溝組（Pt1b）巖性類型復(fù)雜多樣，主要為薄層大理巖、鈣質(zhì)云母片巖和石榴云母片巖、矽化大理巖、黑色片巖，在礦區(qū)北部及中南部有出露；余家山組（Pt1yj）巖性主要為厚層大理巖，其次為鈣質(zhì)云母片巖、黑云石英白云石大理巖、黑色片巖（圖1）。該銅礦床與黑色片巖在空間上緊密相伴，篦子溝組（Pt1bz）為主要賦礦層位，部分礦體賦存于余元下組（Pt1y）頂部和余家山組（Pt1yj）底部過渡巖層中[8]，故以上含礦巖組又統(tǒng)稱為“黑色片巖含銅建造”。

圖1 南和溝礦區(qū)251m標(biāo)高地質(zhì)簡(jiǎn)圖

1.2 礦區(qū)構(gòu)造

有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示大部分礦山突水事故均與斷層構(gòu)造有關(guān)[9]，故研究礦區(qū)構(gòu)造對(duì)防治水具有重要意義。南和溝礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，褶皺構(gòu)造及斷裂構(gòu)造發(fā)育，胡家峪倒轉(zhuǎn)向斜為區(qū)內(nèi)主要控礦構(gòu)造，向斜軸向NNE，由軸部向兩翼依次為余家山組、篦子溝組，礦體主要產(chǎn)出于倒轉(zhuǎn)向斜的正常翼篦子溝組地層中。胡家峪斷層為區(qū)內(nèi)主要斷層，斷層走向近南北向，傾向近SE，斷層延伸約800m，斷距大于300m，礦井240中段揭露3條斷層，為胡家峪斷層的次級(jí)斷層，其中斷層F1巖性為厚層大理巖與矽化大理巖，斷層F2巖性為黑色片巖與矽化大理巖，斷層F3巖性為大理巖、黑色片巖及矽化大理巖，該3條斷層走向及傾向與主斷層基本一致，綜上所述，南和溝礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

2 水文地質(zhì)特征

2.1 充水因素

胡家峪南和溝礦區(qū)位于中低山區(qū)，屬于地下水補(bǔ)給區(qū)，區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)為典型的侵蝕構(gòu)造，溝谷縱橫，多呈“V”形。礦區(qū)所在區(qū)域?qū)儆诖箨懶愿珊怠敫珊禋夂?，降水多集中在夏季，約占全年降水量的60%以上，年降水量為530～720mm，區(qū)內(nèi)溝谷無(wú)常年地表水流經(jīng)，僅雨季過后有短暫洪水流經(jīng)，屬季節(jié)性河流，除此之外區(qū)內(nèi)無(wú)其他水源，故大氣降水和季節(jié)性河流是礦區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源。

礦區(qū)地表風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙發(fā)育，且礦井下斷裂、破碎帶較多，以上構(gòu)造直接或間接為大氣降水及地表水向地下滲漏補(bǔ)給提供了導(dǎo)水通道，礦井涌水點(diǎn)多位于構(gòu)造破碎帶，故區(qū)內(nèi)地表裂隙和斷裂構(gòu)造為井下主要充水途徑，是影響充水的主要因素。

2.2 含水層特征

為進(jìn)一步查明南和溝礦井深部含水層的富水性及巖層特征等特性，礦山有關(guān)單位在南和溝H01勘探線251m標(biāo)高上進(jìn)行了水文地質(zhì)鉆探（圖2），孔號(hào)為ZK0103，孔深400m。結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和鉆探結(jié)果可知，南和溝礦井地下水類型主要為變質(zhì)巖類裂隙水[10]和碳酸鹽巖裂隙巖溶水[11]，其中變質(zhì)巖類裂隙水主要賦存于石英巖、石榴云母片巖、鈣質(zhì)云母片巖、黑色片巖破碎帶等巖層中，碳酸鹽巖裂隙巖溶水主要含水巖層為厚層大理巖。另外由于礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖石裂隙發(fā)育程度各異，局部構(gòu)造裂隙破碎帶存在等因素，井下含水層富水性差異較大。

圖2 南和溝礦區(qū)H01勘探線水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖

3 深部涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)礦區(qū)之前記錄資料可胡家峪知南和溝礦井最大涌水量與正常涌水量無(wú)明顯波動(dòng)，分析原因可能是礦區(qū)無(wú)常年地表徑流，且降雨較少，故本次預(yù)測(cè)針對(duì)礦井正常涌水量進(jìn)行計(jì)算。本文采用解析法對(duì)南和溝銅礦井深部即240m中段以下礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，解析法利用地下水動(dòng)力學(xué)原理[6]將礦井復(fù)雜巷道的水文地質(zhì)條件概化成均值進(jìn)行計(jì)算。目前解析法中應(yīng)用最廣泛的是“大井”法[6]，礦井疏干過程中，當(dāng)?shù)V井的涌水量包括其周圍的水位降低呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，即可認(rèn)為以礦井為中心形成的地下水輻射流場(chǎng)基本滿足穩(wěn)定井流的條件。在理論上可將形狀復(fù)雜的坑道系統(tǒng)看成是一個(gè)大井在工作，不規(guī)則坑道系統(tǒng)的圈定面積相當(dāng)于大井的面積，整個(gè)坑道系統(tǒng)的涌水量，相當(dāng)于大井的涌水量，從而可以近似應(yīng)用裘布依穩(wěn)定井流基本公式預(yù)測(cè)礦井涌水量。

3.1 裘布依公式

南和溝礦井深部含水層計(jì)劃采取疏排方案，涌水量采用“大井”法的有限邊界承壓穩(wěn)定流公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算公式如下：

式中：Q—礦井深部涌水量(m3/d)；K—含水層滲透系數(shù)(m/d)；M0—含水層（出水段）厚度(m)；S—水位標(biāo)高之底板差(m)；R0—含水層引用補(bǔ)給半徑(m)，；r0—引用半徑(m)，(F為已有采區(qū)面積)。

3.2 計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

為明確含水層的發(fā)育特征、滲透性及部分水文地質(zhì)參數(shù)，礦山有關(guān)單位在鉆孔ZK0103（圖1）上進(jìn)行了穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 抽水試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果及已有資料可確定計(jì)算參數(shù)，具體情況如下：

（1）滲透系數(shù)K

由表1可知，含水層滲透系數(shù)值：K=0.02001m/d。

（2）引用半徑r0

礦區(qū)240m中段現(xiàn)有水平工作面面積F=100000m2，計(jì)算引用半徑r0=178.68m。

（3）含水層引用補(bǔ)給半徑R0

（4）水位標(biāo)高及底板差S

礦井深部含水層計(jì)劃采取疏排方案，故涌水量也可稱為疏降水量，結(jié)合已有資料和圖1可知，地下水位標(biāo)高為248m，礦體底板標(biāo)高為3m，故疏排降壓設(shè)計(jì)降深為：S=245m。

（5）含水層（出水段）厚度M0

抽水試驗(yàn)過程中，礦體以上部分層位破碎帶發(fā)育，出水明顯，出水層位厚度共計(jì)32m，故含水層（出水段）厚度M0=32m。

（6）涌水量預(yù)測(cè)

將以上參數(shù)帶入裘布依公式中，計(jì)算得到預(yù)測(cè)涌水量Q=914.14m3/d。

通過以上計(jì)算得到南和溝礦井深部涌水量為914.14m3/d，根據(jù)礦山現(xiàn)有水泵觀測(cè)記錄可知，南和溝礦井240m中段以上涌水量約為800～1000m3/d，同時(shí)有關(guān)部門曾使用浮標(biāo)法對(duì)礦井涌水量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果為800m3/d左右，由此可知此次礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果基本符合礦山實(shí)際情況，預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

4 結(jié)果與討論

4.1 水文地質(zhì)條件類型

結(jié)合水文地質(zhì)特征與抽水試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)照GB/T12719-2021《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查規(guī)范》[12]中關(guān)于水文地質(zhì)勘查復(fù)雜程度的有關(guān)要求（見表2），對(duì)南和溝礦區(qū)水文地質(zhì)勘查復(fù)雜程度進(jìn)行分析：礦區(qū)地表水體與含水層補(bǔ)給條件方面，南和溝礦區(qū)主要礦體均位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，地形有利于自然排水，同時(shí)大氣降水與季節(jié)性河流構(gòu)成主要充水來源，含水層補(bǔ)給條件一般；第四系覆蓋方面，據(jù)礦山有關(guān)部門研究，礦區(qū)地表范圍內(nèi)第四系覆蓋層約10m左右，厚度較??；水文地質(zhì)邊界條件方面，礦井含水層分布不均勻，隔水層中構(gòu)造裂隙發(fā)育，故邊界條件較復(fù)雜；巖層富水性方面，由表1得到鉆孔中的單位涌水量為0.00628L/s·m，小于0.1L/s·m，說明含水層富水性弱；隔水性能方面，礦井隔水層部分區(qū)域破碎帶、裂隙發(fā)育，存在導(dǎo)水構(gòu)造，隔水性能一般；老空水分布方面，南和溝礦井開采中段較多，各水平巷道內(nèi)積水均流入240m中段水倉(cāng)，一部分井下施工回收利用，一部分集中抽水排出，目前井下排水設(shè)備均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故礦井內(nèi)積水量較少；疏干排水時(shí)，由于礦井內(nèi)破碎帶、裂隙等原因，可能會(huì)產(chǎn)生少量塌陷。根據(jù)分類依據(jù)就高不就低的原則，南和溝礦床屬于水文地質(zhì)條件中等型礦床。

表2 水文地質(zhì)勘查復(fù)雜程度類型

通過查閱GB15218-1994《地下水資源分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[13]及錢學(xué)溥[14]等人的研究得到，根據(jù)礦井涌水量大小可將礦山涌水量級(jí)別分為小型、中型、大型、特大型，其中礦井涌水量為500～5000m3/d時(shí)，為中型充水礦山，南和溝礦區(qū)涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果為914.14m3/d，屬于中型充水礦山。

4.2 防治水建議及措施

通過對(duì)南和溝礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況和深部水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析，得出以下建議：首先在今后礦井開拓、開采過程中，井巷支護(hù)可采用防、隔水性能良好的混凝土及錨噴進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)在支護(hù)材料中可按比例添加防水劑；其次在開拓巷道及采區(qū)巷道內(nèi)布置水溝，水溝面積要滿足礦井正常涌水及最大涌水時(shí)的排放要求；最后要完善井下水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷裂帶不但具有導(dǎo)水性，且本身富水性較強(qiáng)，為避免發(fā)生斷層導(dǎo)水而引發(fā)重大涌水事故，在斷層構(gòu)造較發(fā)育的地段應(yīng)選擇部分點(diǎn)作為地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期觀測(cè)孔。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)胡家峪南和溝礦區(qū)水文地質(zhì)特征和水文地質(zhì)鉆探結(jié)果進(jìn)行分析，得到大氣降水和季節(jié)性河流是礦區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源，裂隙和斷裂構(gòu)造構(gòu)成是影響充水的主要因素，礦區(qū)地下水類型主要為變質(zhì)巖類裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水，含水巖層主要為厚層大理巖、石英巖、石榴云母片巖、鈣質(zhì)云母片巖、黑色片巖破碎帶等，井下含水層富水性差異較大，綜合分析南和溝礦床水文地質(zhì)勘查類型屬于水文地質(zhì)條件中等型礦床。

（2）采用解析法對(duì)南和溝銅礦床深部礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，選取“大井”法有限邊界承壓穩(wěn)定流公式計(jì)算得到南和溝深部礦井涌水量為914.14m3/d，該結(jié)果基本符合礦山實(shí)際情況，預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，屬于中型充水礦山。

（3）南和溝礦區(qū)今后開拓、開采過程中，井巷支護(hù)應(yīng)注意使用防、隔水性較好的混凝土及錨噴進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)支護(hù)材料中可按比例添加防水劑，另外可在主要巷道布置水溝，同時(shí)在斷層構(gòu)造較發(fā)育的地段布置地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期觀測(cè)孔，以此避免礦井突水事故發(fā)生。