山西胡家峪南和溝銅礦床深部水文地質特征及礦井涌水量預測

王秋波，李云飛

（山西中條山集團胡家峪礦業有限公司，山西 運城 043704）

山西中條山銅礦區作為我國主要的銅礦集中區之一[1-2]，位于華北克拉通南緣晉豫活動帶[3]，胡家峪南和溝銅礦床為區內胡—篦型銅礦代表性礦床之一。自20世紀50年代投產以來，南和溝銅礦床已開采60余年，目前井下開采至240m中段，為延長礦山壽命，已進行外圍探礦工作。隨著開采深度、規模的增加，礦山水文地質條件也隨之變化，為降低水文地質災害風險，確保礦山安全生產和可持續發展，有必要對南和溝銅礦床深部水文地質特征進行分析，并對深部礦井涌水量進行預測。目前礦井涌水量預測常用水文地質比擬法[4]、數值法[5]、解析法[6]等方法，其中解析法因成本較低、操作簡便等特點被廣泛應用。因此本文將結合南和溝H01勘探線水文地質資料對礦床地下水賦存狀況、充水因素等水文地質特征進行分析，并結合礦山疏排設計及礦體賦存情況，使用解析法對深部礦井涌水量進行預測，最終確定南和溝銅礦床水文地質勘查類型，為礦山技術部門合理選擇排水設備、制定防治水措施提供技術支持，進而為礦山實現安全生產、合理有效配置水資源提供科學依據。

1 礦床地質特征

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巖地區，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。區內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）巖性主要為鈣質云母片巖，一般成分多以泥砂質為主；余元下組（Pt1y）巖性變化較大，主要為厚層大理巖，分布全區；篦子溝組（Pt1b）巖性類型復雜多樣，主要為薄層大理巖、鈣質云母片巖和石榴云母片巖、矽化大理巖、黑色片巖，在礦區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稱為“黑色片巖含銅建造”。

圖1 南和溝礦區251m標高地質簡圖

1.2 礦區構造

有關統計顯示大部分礦山突水事故均與斷層構造有關[9]，故研究礦區構造對防治水具有重要意義。南和溝礦區地質構造較為復雜，褶皺構造及斷裂構造發育，胡家峪倒轉向斜為區內主要控礦構造，向斜軸向NNE，由軸部向兩翼依次為余家山組、篦子溝組，礦體主要產出于倒轉向斜的正常翼篦子溝組地層中。胡家峪斷層為區內主要斷層，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，南和溝礦區地質構造復雜。

2 水文地質特征

2.1 充水因素

胡家峪南和溝礦區位于中低山區，屬于地下水補給區，區內地貌形態為典型的侵蝕構造，溝谷縱橫，多呈“V”形。礦區所在區域屬于大陸性干旱、半干旱氣候，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，區內溝谷無常年地表水流經，僅雨季過后有短暫洪水流經，屬季節性河流，除此之外區內無其他水源，故大氣降水和季節性河流是礦區地下水的主要補給來源。

礦區地表風化裂隙和構造裂隙發育，且礦井下斷裂、破碎帶較多，以上構造直接或間接為大氣降水及地表水向地下滲漏補給提供了導水通道，礦井涌水點多位于構造破碎帶，故區內地表裂隙和斷裂構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，礦山有關單位在南和溝H01勘探線251m標高上進行了水文地質鉆探（圖2），孔號為ZK0103，孔深400m。結合礦區地質構造和鉆探結果可知，南和溝礦井地下水類型主要為變質巖類裂隙水[10]和碳酸鹽巖裂隙巖溶水[11]，其中變質巖類裂隙水主要賦存于石英巖、石榴云母片巖、鈣質云母片巖、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。另外由于礦區地質構造復雜，巖石裂隙發育程度各異，局部構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H01勘探線水文地質簡圖

3 深部涌水量預測

根據礦區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明顯波動，分析原因可能是礦區無常年地表徑流，且降雨較少，故本次預測針對礦井正常涌水量進行計算。本文采用解析法對南和溝銅礦井深部即240m中段以下礦井涌水量進行預測，解析法利用地下水動力學原理[6]將礦井復雜巷道的水文地質條件概化成均值進行計算。目前解析法中應用最廣泛的是“大井”法[6]，礦井疏干過程中，當礦井的涌水量包括其周圍的水位降低呈現相對穩定的狀態時，即可認為以礦井為中心形成的地下水輻射流場基本滿足穩定井流的條件。在理論上可將形狀復雜的坑道系統看成是一個大井在工作，不規則坑道系統的圈定面積相當于大井的面積，整個坑道系統的涌水量，相當于大井的涌水量，從而可以近似應用裘布依穩定井流基本公式預測礦井涌水量。

3.1 裘布依公式

南和溝礦井深部含水層計劃采取疏排方案，涌水量采用“大井”法的有限邊界承壓穩定流公式進行預測，計算公式如下：

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

3.2 計算參數及結果

為明確含水層的發育特征、滲透性及部分水文地質參數，礦山有關單位在鉆孔ZK0103（圖1）上進行了穩定流抽水試驗，試驗結果見表1。

表1 抽水試驗結果

根據抽水試驗結果及已有資料可確定計算參數，具體情況如下：

（1）滲透系數K

由表1可知，含水層滲透系數值：K=0.02001m/d。

（2）引用半徑r0

礦區240m中段現有水平工作面面積F=100000m2，計算引用半徑r0=178.68m。

（3）含水層引用補給半徑R0

（4）水位標高及底板差S

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

（5）含水層（出水段）厚度M0

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

（6）涌水量預測

將以上參數帶入裘布依公式中，計算得到預測涌水量Q=914.14m3/d。

通過以上計算得到南和溝礦井深部涌水量為914.14m3/d，根據礦山現有水泵觀測記錄可知，南和溝礦井240m中段以上涌水量約為800～1000m3/d，同時有關部門曾使用浮標法對礦井涌水量進行測量，結果為800m3/d左右，由此可知此次礦井涌水量預測結果基本符合礦山實際情況，預測結果較為準確。

4 結果與討論

4.1 水文地質條件類型

結合水文地質特征與抽水試驗結果，對照GB/T12719-2021《礦區水文地質工程地質勘查規范》[12]中關于水文地質勘查復雜程度的有關要求（見表2），對南和溝礦區水文地質勘查復雜程度進行分析：礦區地表水體與含水層補給條件方面，南和溝礦區主要礦體均位于當地侵蝕基準面以下，區內溝谷縱橫，地形有利于自然排水，同時大氣降水與季節性河流構成主要充水來源，含水層補給條件一般；第四系覆蓋方面，據礦山有關部門研究，礦區地表范圍內第四系覆蓋層約10m左右，厚度較薄；水文地質邊界條件方面，礦井含水層分布不均勻，隔水層中構造裂隙發育，故邊界條件較復雜；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，礦井隔水層部分區域破碎帶、裂隙發育，存在導水構造，隔水性能一般；老空水分布方面，南和溝礦井開采中段較多，各水平巷道內積水均流入240m中段水倉，一部分井下施工回收利用，一部分集中抽水排出，目前井下排水設備均能正常運轉，故礦井內積水量較少；疏干排水時，由于礦井內破碎帶、裂隙等原因，可能會產生少量塌陷。根據分類依據就高不就低的原則，南和溝礦床屬于水文地質條件中等型礦床。

表2 水文地質勘查復雜程度類型

通過查閱GB15218-1994《地下水資源分類分級標準》[13]及錢學溥[14]等人的研究得到，根據礦井涌水量大小可將礦山涌水量級別分為小型、中型、大型、特大型，其中礦井涌水量為500～5000m3/d時，為中型充水礦山，南和溝礦區涌水量預測結果為914.14m3/d，屬于中型充水礦山。

4.2 防治水建議及措施

通過對南和溝礦區地質構造發育情況和深部水文地質特征進行分析，得出以下建議：首先在今后礦井開拓、開采過程中，井巷支護可采用防、隔水性能良好的混凝土及錨噴進行支護，同時在支護材料中可按比例添加防水劑；其次在開拓巷道及采區巷道內布置水溝，水溝面積要滿足礦井正常涌水及最大涌水時的排放要求；最后要完善井下水文地質監測系統，礦區斷裂構造發育，斷裂帶不但具有導水性，且本身富水性較強，為避免發生斷層導水而引發重大涌水事故，在斷層構造較發育的地段應選擇部分點作為地下水動態長期觀測孔。

5 結論

（1）通過對胡家峪南和溝礦區水文地質特征和水文地質鉆探結果進行分析，得到大氣降水和季節性河流是礦區地下水的主要補給來源，裂隙和斷裂構造構成是影響充水的主要因素，礦區地下水類型主要為變質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勘查類型屬于水文地質條件中等型礦床。

（2）采用解析法對南和溝銅礦床深部礦井涌水量進行預測計算，選取“大井”法有限邊界承壓穩定流公式計算得到南和溝深部礦井涌水量為914.14m3/d，該結果基本符合礦山實際情況，預測結果較為準確，屬于中型充水礦山。

（3）南和溝礦區今后開拓、開采過程中，井巷支護應注意使用防、隔水性較好的混凝土及錨噴進行支護，同時支護材料中可按比例添加防水劑，另外可在主要巷道布置水溝，同時在斷層構造較發育的地段布置地下水動態長期觀測孔，以此避免礦井突水事故發生。