江西武宁县东坪矿区水文地质特征及矿坑涌水量预测论文

 

SCI论文（www.lunwensci.com）：

　　摘要：东坪矿区位于九宫山隆起带东段，在基本查明矿区水文地质特征的基础上，运用水文地质比拟法对矿区矿坑的涌水量进行预测，为后续的矿山开采技术条件提供必要的理论依据。

　　关键词：东坪矿区；水文地质特征；比拟法；矿坑涌水量预测

　　东坪矿区所处大地构造为江西北部隆起带九岭逆冲隆起之幕阜山—九宫山凸起。成矿区为原扬子成矿省江南成矿带九岭成矿亚带北侧幕阜山—九宫山—莲花山凸起。北邻长江中下游成矿带的九瑞铜多金属矿聚集区，南邻修水-武宁滑覆拗褶带，东邻鄱阳湖坳陷。总体上以东西向构造形迹为主体。自新生代以来，该区地壳普遍以间歇性上升运动为主，地形高峻、河谷深切、基岩裸露，第四系松散堆积层较薄，分布零乱，为典型的基岩中低山区。两条溪流分别从矿区的北西侧、南东侧流过，在矿区南西侧边缘汇合，最低侵蚀基准面标高约为+240m。

　　矿区内出露的岩石地层单位单一，仅为双桥山群安乐林组(Pt3laa)，其岩性为灰绿色、黄绿色、青灰色、灰色变质粉砂质、凝灰质变质细砂岩、粉砂质板岩、千枚状板岩、变沉凝灰岩等，由变质砂岩类与板岩类构成基本层序，沉积韵律明显，各种原生沉积构造多见，尤其是板岩中常含条纹条带构造成为其特征之一。

　　1　区域水文地质

　　地下水以大气降水补给为主，地下水动态呈降水补给型曲线。区内地层岩性、构造、气候、地貌等因素，控制着地下水的类型、水质、水量和埋藏条件，致使地下水的分布极不均匀。地下水的储存和径流受构造控制作用明显，区内地下水北东—北东东向断裂及北西向断裂构造的复合部位富水性较好，尤以张性或张扭性断裂和活动期次多，形成时期较晚的断裂，富水性相对较强，多形成脉状储水构造。地下水的埋藏、运动、分布受地形地貌条件的影响极为显著。在分水岭地区，地下水以垂直运动为主，地下水位埋藏较深，水量、水位年变幅不大，地下水涌水量较小，开采难度大。斜坡和山前等地带常是地下水的径流、排泄区，地下水以水平运动为主，埋藏较浅，水位、水量相对稳定。在地形和地质条件有利的部位形成泉水。地势低平的河谷盆地，有利于大气降水的汇集，地下水的垂直和侧向补给条件较好，水量相对丰富，埋藏亦浅，利于开采。

　　2　矿区地下水类型及富水性

　　2.1　松散岩孔隙潜水含水层

　　赋存于第四系松散堆积层空隙中，以潜水为主。主要分布于矿区山间谷地，地形低洼处亦有一定分布。含水层富水性为弱~极弱，按含水来源性质又可分为两个亚类：上部颜色呈浅黄、棕黄色粉质粘土类碎石层，下部紫红、浅灰色碎石类粘性土层，杂乱，直径一般0.1cm~5cm，由上往下含量渐增，固结性差。据施工中的坑道揭露，该层在坑口仅见星零滴水，单井涌水量5m3/d~10m3/d。PH值为6.60~8.00，矿化度0.233g/L~0.307g/L，水质类型为：HCO3-Ca·Mg型或HCO3-Ca·(K+Na)型弱酸性~弱碱性软淡水。

　　2.2　风化带网状裂隙含水层

　　为矿区主要含水层，出露标高149.4m~561.8m，地下水位出露标高141.05m~556.5m。岩石风化较强烈，多风化成松散状砂土、可塑状粉质粘土，风化带平均厚度5m~10m。冲沟坳谷发育，排水条件好，储水能力相对较差。钻孔稳定流抽水试验表明，单位涌水量一般小于0.001L/s.m，水质类型为HCO3- (K+Na)·Ca型或HCO3-Ca·Mg型低矿化度弱酸性软淡水，富水性极弱。本层为下游山区村民的主要供水来源，单井涌水量约2m3/d~5m3/d，矿化度一般为0.03g/L~0.06g/L，PH值6.5。

　　2.3　基岩裂隙含水层

　　该含水层岩石结构致密，性脆，上部以垂直微细裂隙较发育，裂隙多呈闭合、微细张开状态，有利于接受大气降水的补给。基岩多裸露地表，并构成构造剥蚀低山地形的山脊和坡地，出露标高221.4m~536.7m，地下水位出露标高194.7m~505.9m。泉流量常见值0.02L/s~0.12L/s，地下水径流模数0.24L/s·km2~2.97L/s·km2。钻孔稳定流抽水试验表明，渗透系数0.05m/d~0.09m/d，单位涌水量0.016L/s.m~0.0137L/s.m，PH值7~8，矿化度0.05g/L~0.25g/L，水质类型为HCO3-Ca·(K+Na)型弱碱性软淡水，抽水试验表明其富水性较弱。

　　2.4　构造裂隙(带)含水层

　　矿区内共发现具一定规模的断裂构造5条，均属压扭性断裂，可分为北东-南西向与北西-南东向两组断裂。其中北东-南西向断裂及其两侧的次级裂隙为区内主要控矿构造，由于断层规模较大，出露于地表，使该断层本身也具富水性，在断层附近出露上升泉，泉水流量一般小于0.5L/s。该组断裂富水性不均匀，在断层带及其影响带复合部位，地下水易于富集，富水性弱~中等，是矿区主要构造含水层。
 

　　3　隔水层

　　区内基岩中的地下水均赋存于风化裂隙带内，其存储运移特征与风化带的发育程度和深度紧密相关，风化裂隙带的埋藏下界可能与潜水位大体一致。据钻孔资料，风化带以下变质砂岩、千枚岩、角岩化变质砂岩均为致密结构，含水性极弱，钻进中冲洗液消耗正常，动水位随进尺稍有缓慢下降的趋势，可视为相对隔水层。

　　4　地下水的补径排条件

　　东坪矿区地下水有一个比较完整的补给、径流、排泄系统，是一个以裂隙含水层为主的水文地质单元。补给区位于矿区四周的分水岭所组成的缓坡地带，此处地势高峻，主要接受降雨补给，沿裂隙通道下渗向深部径流补给地下水。地下水径流方向明显，基本由南东汇集向北西方向径流，最终于地形或地层适宜地段以泉或渗流的形式排泄。矿区补给、径流、排泄系统往往具有补给来源短、径流途径快，出露泉点稀少、流量小等为其特点，表现形式主要以径流型动储量为主的典型丘陵山区水文地质特征。其排泄量受降雨控制明显，雨季流量大，枯季流量骤减，属地下水动态不稳定型。除以上裂隙含水层外，还存在着风化裂隙水，普遍具有就地补给、就地排泄的特点，出露泉流量一般多小于0.5L/s。地下水主要接受降雨补给，沿风化裂隙径流，于沟谷适宜地段以泉或渗流的形式排泄。

　　矿区地下水处于区域补给、径流、排泄系统的径流-排泄区，东坪河的分水岭地带。地下水主要接受降雨补给和部分地表水下渗补给，同时还接受外围裂隙水的侧向补给，矿区处于补给-径流交替地带。由于受构造影响，区内岩体节理裂隙较发育，大多表现为闭合-微张状态，成为地下水的赋存和径流通道。

　　近年随着矿山探矿作业和巷道掘进，一部分基岩裂隙水亦通过人工开采的方式排泄，但排泄量不大，基本就地消耗。

　　综上所述，属矿区地下水在浅部补给条件较差，径流及排泄条件较好；而深部则补给、径流、排泄条件均相对较差。

　　5　地下水动态变化特征

　　矿区内地下水动态变化特征与大气降水密切相关，矿区降水具有年内分配不均及垂向差异较大的特点。矿区降水集中在每年6月~9月，每年雨季地下水得到补给，水位出现暴涨暴落特征，雨季过后，水位缓慢下降，动态曲线呈不对称的“分水岭”型，区内地下水具有“集中补给，常年消耗”的动态特点。

　　6　矿床充水因素

　　矿区出露的地层岩性单一，主要有双桥山群安乐林组变质杂砂岩、第四纪松散层堆积物。矿区外围的双桥山群板岩是相对隔水层，双桥山群安乐林组变质砂岩和北北东向构造破碎带，既是主矿带的赋存层位，又是矿床开采地段的含水层，同时也是矿坑主要的充水岩层和围岩；第四系在局部较厚地段易形成弱富水性含水层，也是次要的充水岩层。含水层主要接受大气降水的补给，形成基岩裂隙水、构造裂隙水和第四纪松散层孔隙水，通过基岩裂隙、断裂破碎带径流运动进入矿坑，属裂隙充水矿床。

　　矿区出露的地层岩性单一，主要有双桥山群安乐林组变质杂砂岩、第四纪松散层堆积物。矿区外围的双桥山群板岩是相对隔水层，双桥山群安乐林组变质砂岩和北北东向构造破碎带，既是主矿带的赋存层位，又是矿床开采地段的含水层，同时也是矿坑主要的充水岩层和围岩；第四系在局部较厚地段易形成弱富水性含水层，也是次要的充水岩层。含水层主要接受大气降水的补给，形成基岩裂隙水、构造裂隙水和第四纪松散层孔隙水，通过基岩裂隙、断裂破碎带径流运动进入矿坑，属裂隙充水矿床。地表水(东坪河)由于其所处的位置较低，加之矿区南侧地下水补给地表水，矿坑坑口高于东坪河最高洪水位高程，故地表水在正常情况下对矿坑回灌是不可能的。除山间溪流外，地表无其它较大的地表水体，地表水对矿坑充水能力影响有限。

　　矿床主要接受地下水入渗补给，具有一定规模的断层裂隙 (破碎带)及其密集张性裂隙带是地下水的主要充水通道。矿床开采可能形成的采矿裂隙是潜在充水通道，因此确定本矿床属于直接充水的矿床。

　　根据矿井涌水量、大气降水量历时相关曲线图，本矿井涌水量与大气降水量变化密切。第四系底部粘性土、砂土的存在，部分阻隔了第四系上部含水层与下部基岩含水层的水力联系，据武宁县东坪铜多金属矿区详查探矿坑道PD6观测资料：矿坑涌水量为51.6m3/d~73.7m3/d，平均涌水量68.7m3/d。

　　综上所述，东坪矿区大气降水、不均匀构造裂隙水是矿床充水的主要因素。

　　7　地表水特征

　　东坪矿区范围内地表水只有一条东坪河主干溪流(XL02)为常年性流水，溪流枯季流量为0.4L/s，丰水期(6~9)径流量可达20L/s~110L/s，最大洪峰流量0.116m3/s(2011年5月23日)，四小时后骤减至21L/s左右。水质清澈透明，无污染。地表水含砂量小，径流量变幅大，但是距离矿区近，成本低、难度小，对矿区供水影响随季节变化。于东坪河主干溪流(XL02)取得样品测试分析，其无嗅无味，无肉眼看见物，PH值7.40~87.60，总硬度37.98mg/L~81.97mg/L，矿化度52.00mg/L~74.54mg/L，铁、铝为0mg/L，汞、锌、镉、铬、铅、铜、锰均<0.001mg/L，钙13.22mg/L~24.12mg/L，镁1.20mg/L~5.27mg/L，硝酸盐13.00mg/L~46.00mg/L，氯化物0.09mg/L~0.12mg/L。
 

　　8　地下水特征

　　东坪矿区地下水以基岩裂隙水为主。据ZK7-20、ZK16-28钻孔调查取得的样品测试分析，其无嗅无味，无肉眼可见物，PH值7.92~8.51，总硬度9.41mg/L~69.40mg/L，矿化度69.00mg/L~233.00mg/L，汞、铁、铝、锰为0mg/L，锌、镉、铬、铅、铜均<0.001mg/L，钙3.41mg/L~21.50mg/L，镁0.22mg/L~3.83mg/L，硝酸盐1.00mg/L~3.00mg/L，氯化物2.69mg/L~6.28mg/L，以国家现行的《地下水质量标准》(GB/T14848-93)作为评价依据，选择《生活饮用水卫生标准》(GB/5749-2006)(卫生部、标准化管理委员会)要求的基本因子予以评价，地下水组分满足Ⅱ~Ⅱ类水质要求。因此，广泛分布于矿区范围内的新元古界双桥山群安乐林组变质砂岩杂砂岩基岩裂隙水，符合饮用水质标准，可作为矿区生产、生活饮用水。

　　因矿区新元古界双桥山群安乐林组变质砂岩及外围双桥山群安乐林组板岩大面积分布，岩石富水性较弱，而矿区构造裂隙水虽然富水性为弱—中等，但是富水性呈现不均匀的特点，况且需要另外成井，成井较困难，费用较高，难度大，显然矿区地下水可采资源有限。因此东坪矿区基岩裂隙水水量不能完全满足矿山生产要求及今后发展需求，根据矿山实际建议需求，建议优先考虑使用地表水，可在上下游水库拦蓄地表水，地下水仅作备用水源，以应不时之需。

　　9　矿坑涌水量预测

　　9.1　充水水源

　　矿床充水水源主要为大气降水、基岩风化裂隙水和构造裂隙水。
　
　　9.2　充水方式

　　矿区主要接受地下水入渗补给，具有一定规模的断层裂隙(破碎带)及其密集张性裂隙带是地下水的主要充水通道。

　　9.3　矿坑涌水量预测

　　本次采用水文地质比拟法进行矿坑涌水量预测。

　　从矿区探矿坑道及相邻生产矿井的涌水情况分析，矿井涌水量与矿井采空区面积大致成正相关关系，而与水位降深成曲线关系。由于涌水量预算水平(250m以上)与现有探矿坑道实际巷道控制标高HJPD5(217.7m)相差不大，因此在预算矿井涌水量为预算矿坑涌水量面积97140m2与现有巷道控制面积23750m2的比值，然后乘以现有矿坑总涌水量，平均正常涌水量53.2m3/d，最大涌水量111.71m3/d。

　　水文地质比拟法涌水量预测结果如下：

　　东坪矿区由于采矿坑道排放的影响，矿区主要含水岩层双桥山群变质砂岩和断裂带、构造裂隙(破碎带)等主要含水层动储量已处于部分疏干状态，东坪铜多金属矿区HJPD5矿坑平均正常涌水量为53.2m3/d，最大涌水量为111.71m3/d。用比拟法计算220m以上标高的平均正常涌水量217.53m3/d，最大涌水量为456.91m3/d，变化系数2.10。

　　9.4　矿坑涌水量预测结果评价

　　根据东坪矿区HJPD5涌水量观测台帐结果显示，本次用比拟法计算220m以上标高的最大涌水量为456.91m3/d，所得数据基本准确、可靠。本次矿坑涌水量预测采用的预测方法、水文地质参数及结果基本满足矿区情况，可以为未来建井工程提供理论依据，对于所计算出的涌水量值，对于矿业权益人进行矿山的总体规划以及设计合适的井口并配备适当的排水设备均有较好的指导作用。

　　10　结论

　　东坪矿区位于鄂赣交界赣西北地区(九宫山分水岭)西南侧，最低侵蚀基准面位于东坪河在矿区附近(下董村)的最低侵蚀基准面标高约为240m，矿区目前主要开采中段较最低侵蚀基准面标高高出30m，位于侵蚀基准面以上，矿区内地势高、地形切割深度大、坡度陡，地形上有利于自然排水，未对采区附近的沟谷和河流形成明显影响。

　　矿坑主要充水来源为大气降水和构造裂隙含水带补给。矿体及顶、底板岩石较为完整，富水性弱；坑道内仅在断层构造带、破碎带复合部位有地下水渗流。构造破碎带富水性弱~中等，除东坪河主干溪流(XL02)、冲沟有常年流水外，无其他地表水体；第四系覆盖层面积小且较薄，局部地段基岩裸露，矿床开采时发生突水事件可能性不大，但是前人开采老窿且部分掩埋，这些老窿积水是造成矿坑突水的因素之一，应引起重视。

　　矿区水文地质边界条件简单，矿区水文地质条件划分为简单类型。

　　在目前的开采过程中。且在矿体产出部位矿体顶底板以变质砂岩为主，其隔水作用有效地防止了采区周边含水层对作业区的影响。但在矿体内及其附近的裂隙水、大气降水，由于含矿破碎带规模大、深度大，若未得到有效的排泄，可能会对矿山的今后的开采形成较大影响。

　　随着矿区开采工作逐步加大，对矿区的水文地质条件的影响也会逐渐增大。安全生产是每一座矿山生产的基本条件，建议矿山企业进一步加强采矿平硐中水文地质情况的检测工作，时刻监测坑道涌水量，加强相关排水工作，以确保矿山能正常安全生产。