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)地下水運動主要受該向斜控制，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條形向斜巖溶儲水構(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?；?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)?，巖溶發(fā)育最大深度可達(dá)-960m標(biāo)高。鉆孔見洞率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抽水試驗時，設(shè)于近旁二疊系灰?guī)r內(nèi)的觀測孔水位均無影響，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。由于斷層錯動，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不發(fā)育，構(gòu)成北礦帶西段相對弱透水地段（即西阻水體）。

（3）F11、F12位于北礦帶90線與100線之間，沿斷層帶及兩斷層間有巖漿巖侵入，花崗閃長斑巖后又經(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，隨著礦山開采水平的不斷下降，形成四周來水的局面，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中段為基建開拓中段，通過收集礦山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)計表

可得出武山銅礦礦坑涌水量與年降雨量存在一定的動態(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，大氣降水對礦坑沒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系統(tǒng)，共有地表水文長期觀測孔29個。北礦帶東部3個觀測孔，西部4個觀測孔；南礦帶東部5個觀測孔，西部5個觀測孔，南部7個觀測孔，南東部5個觀測孔，通過開展水文長期觀測發(fā)現(xiàn)，隨著礦山往深部開采，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。

5 礦坑涌水量預(yù)測

5.1 水文地質(zhì)比擬法預(yù)測

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］計算，公式如下：

式中：

Q為預(yù)測中段的地下水涌水量，m3/d；

Q0為-360m坑道實測涌水量，北礦帶4370m3/d，南礦帶9156m3/d；

F為預(yù)測中段影響面積，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)計算，各中段地下水涌水量見表2。

表2 南、北礦帶正常涌水量預(yù)測計算表（水文地質(zhì)比擬法）

5.2 數(shù)值模型法預(yù)測

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。

通過數(shù)值模型分別對南、北礦帶-360m中段預(yù)測涌水量為9753.14m3和4265 m3，實測南、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)測計算表（數(shù)值模型法）

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

5.3 預(yù)測結(jié)果評價

從比擬法預(yù)測結(jié)果表2、數(shù)值法預(yù)測結(jié)果表3可以看出。比擬法-610m中段的地下水涌水量比數(shù)值法計算結(jié)果稍小，其它兩個中段比擬法較數(shù)值法計算成果稍大。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)隨不同開采中段向下衰減，但于-810m中段往下不變）將模型預(yù)測結(jié)果與實際抽水試驗等位線結(jié)果進(jìn)行擬合，從而使模型趨于實際，在調(diào)整參數(shù)的過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)有中段開采面積及水位降深來預(yù)測深部中段地下水涌水量，水文地質(zhì)條件相似，預(yù)測結(jié)果更趨于礦山生產(chǎn)實際，更為可靠，因此-610m中段礦坑地下水涌水量采用比擬法計算成果。另外，這兩種方法計算過程中，都假定含水層垂向上富水性比較均一，而實際巖溶發(fā)育隨著深度的增加在逐步減弱，因此預(yù)測結(jié)果都較可靠。

6 結(jié)論

（1）在收集和分析礦山地下水長期觀測數(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)值模型法來預(yù)測礦坑深部的涌水量的方法是可行的，且可以相互驗證，從而確保預(yù)測結(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)測精度要求。

（3）礦山在深部開采過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際礦坑涌水量對下一中段涌水量預(yù)測進(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。