王秋波，李云飞

（山西中条山集团胡家峪矿业有限公司，山西 运城 043704）

山西中条山铜矿区作为我国主要的铜矿集中区之一[1-2]，位于华北克拉通南缘晋豫活动带[3]，胡家峪南和沟铜矿床为区内胡—篦型铜矿代表性矿床之一。自20世纪50年代投产以来，南和沟铜矿床已开采60余年，目前井下开采至240m中段，为延长矿山寿命，已进行外围探矿工作。随着开采深度、规模的增加，矿山水文地质条件也随之变化，为降低水文地质灾害风险，确保矿山安全生产和可持续发展，有必要对南和沟铜矿床深部水文地质特征进行分析，并对深部矿井涌水量进行预测。目前矿井涌水量预测常用水文地质比拟法[4]、数值法[5]、解析法[6]等方法，其中解析法因成本较低、操作简便等特点被广泛应用。因此本文将结合南和沟H01勘探线水文地质资料对矿床地下水赋存状况、充水因素等水文地质特征进行分析，并结合矿山疏排设计及矿体赋存情况，使用解析法对深部矿井涌水量进行预测，最终确定南和沟铜矿床水文地质勘查类型，为矿山技术部门合理选择排水设备、制定防治水措施提供技术支持，进而为矿山实现安全生产、合理有效配置水资源提供科学依据。

1 矿床地质特征

1.1 地层岩性

胡家峪南和沟铜矿床位于山西省垣曲县西南部变质岩地区，含有丰富的黄铜矿、黄铁矿、磁黄铁矿等矿石[2]，属中型富铜矿床。区内出露地层由老向新依次为下元古界[7]中条群界牌梁组（Pt1j）、龙峪组（Pt1l）、余元下组（Pt1y）、篦子沟组（Pt1bz）、余家山组（Pt1yj）及新生界第四系（Q），其中界牌梁组（Pt1j）岩性主要为石英岩、黑云母片岩；龙峪组（Pt1l）岩性主要为钙质云母片岩，一般成分多以泥砂质为主；余元下组（Pt1y）岩性变化较大，主要为厚层大理岩，分布全区；篦子沟组（Pt1b）岩性类型复杂多样，主要为薄层大理岩、钙质云母片岩和石榴云母片岩、矽化大理岩、黑色片岩，在矿区北部及中南部有出露；余家山组（Pt1yj）岩性主要为厚层大理岩，其次为钙质云母片岩、黑云石英白云石大理岩、黑色片岩（图1）。该铜矿床与黑色片岩在空间上紧密相伴，篦子沟组（Pt1bz）为主要赋矿层位，部分矿体赋存于余元下组（Pt1y）顶部和余家山组（Pt1yj）底部过渡岩层中[8]，故以上含矿岩组又统称为“黑色片岩含铜建造”。

图1 南和沟矿区251m标高地质简图

1.2 矿区构造

有关统计显示大部分矿山突水事故均与断层构造有关[9]，故研究矿区构造对防治水具有重要意义。南和沟矿区地质构造较为复杂，褶皱构造及断裂构造发育，胡家峪倒转向斜为区内主要控矿构造，向斜轴向NNE，由轴部向两翼依次为余家山组、篦子沟组，矿体主要产出于倒转向斜的正常翼篦子沟组地层中。胡家峪断层为区内主要断层，断层走向近南北向，倾向近SE，断层延伸约800m，断距大于300m，矿井240中段揭露3条断层，为胡家峪断层的次级断层，其中断层F1岩性为厚层大理岩与矽化大理岩，断层F2岩性为黑色片岩与矽化大理岩，断层F3岩性为大理岩、黑色片岩及矽化大理岩，该3条断层走向及倾向与主断层基本一致，综上所述，南和沟矿区地质构造复杂。

2 水文地质特征

2.1 充水因素

胡家峪南和沟矿区位于中低山区，属于地下水补给区，区内地貌形态为典型的侵蚀构造，沟谷纵横，多呈“V”形。矿区所在区域属于大陆性干旱、半干旱气候，降水多集中在夏季，约占全年降水量的60%以上，年降水量为530～720mm，区内沟谷无常年地表水流经，仅雨季过后有短暂洪水流经，属季节性河流，除此之外区内无其他水源，故大气降水和季节性河流是矿区地下水的主要补给来源。

矿区地表风化裂隙和构造裂隙发育，且矿井下断裂、破碎带较多，以上构造直接或间接为大气降水及地表水向地下渗漏补给提供了导水通道，矿井涌水点多位于构造破碎带，故区内地表裂隙和断裂构造为井下主要充水途径，是影响充水的主要因素。

2.2 含水层特征

为进一步查明南和沟矿井深部含水层的富水性及岩层特征等特性，矿山有关单位在南和沟H01勘探线251m标高上进行了水文地质钻探（图2），孔号为ZK0103，孔深400m。结合矿区地质构造和钻探结果可知，南和沟矿井地下水类型主要为变质岩类裂隙水[10]和碳酸盐岩裂隙岩溶水[11]，其中变质岩类裂隙水主要赋存于石英岩、石榴云母片岩、钙质云母片岩、黑色片岩破碎带等岩层中，碳酸盐岩裂隙岩溶水主要含水岩层为厚层大理岩。另外由于矿区地质构造复杂，岩石裂隙发育程度各异，局部构造裂隙破碎带存在等因素，井下含水层富水性差异较大。

图2 南和沟矿区H01勘探线水文地质简图

3 深部涌水量预测

根据矿区之前记录资料可胡家峪知南和沟矿井最大涌水量与正常涌水量无明显波动，分析原因可能是矿区无常年地表径流，且降雨较少，故本次预测针对矿井正常涌水量进行计算。本文采用解析法对南和沟铜矿井深部即240m中段以下矿井涌水量进行预测，解析法利用地下水动力学原理[6]将矿井复杂巷道的水文地质条件概化成均值进行计算。目前解析法中应用最广泛的是“大井”法[6]，矿井疏干过程中，当矿井的涌水量包括其周围的水位降低呈现相对稳定的状态时，即可认为以矿井为中心形成的地下水辐射流场基本满足稳定井流的条件。在理论上可将形状复杂的坑道系统看成是一个大井在工作，不规则坑道系统的圈定面积相当于大井的面积，整个坑道系统的涌水量，相当于大井的涌水量，从而可以近似应用裘布依稳定井流基本公式预测矿井涌水量。

3.1 裘布依公式

南和沟矿井深部含水层计划采取疏排方案，涌水量采用“大井”法的有限边界承压稳定流公式进行预测，计算公式如下：

式中：Q—矿井深部涌水量(m3/d)；K—含水层渗透系数(m/d)；M0—含水层（出水段）厚度(m)；S—水位标高之底板差(m)；R0—含水层引用补给半径(m)，；r0—引用半径(m)，(F为已有采区面积)。

3.2 计算参数及结果

为明确含水层的发育特征、渗透性及部分水文地质参数，矿山有关单位在钻孔ZK0103（图1）上进行了稳定流抽水试验，试验结果见表1。

表1 抽水试验结果

根据抽水试验结果及已有资料可确定计算参数，具体情况如下：

（1）渗透系数K

由表1可知，含水层渗透系数值：K=0.02001m/d。

（2）引用半径r0

矿区240m中段现有水平工作面面积F=100000m2，计算引用半径r0=178.68m。

（3）含水层引用补给半径R0

（4）水位标高及底板差S

矿井深部含水层计划采取疏排方案，故涌水量也可称为疏降水量，结合已有资料和图1可知，地下水位标高为248m，矿体底板标高为3m，故疏排降压设计降深为：S=245m。

（5）含水层（出水段）厚度M0

抽水试验过程中，矿体以上部分层位破碎带发育，出水明显，出水层位厚度共计32m，故含水层（出水段）厚度M0=32m。

（6）涌水量预测

将以上参数带入裘布依公式中，计算得到预测涌水量Q=914.14m3/d。

通过以上计算得到南和沟矿井深部涌水量为914.14m3/d，根据矿山现有水泵观测记录可知，南和沟矿井240m中段以上涌水量约为800～1000m3/d，同时有关部门曾使用浮标法对矿井涌水量进行测量，结果为800m3/d左右，由此可知此次矿井涌水量预测结果基本符合矿山实际情况，预测结果较为准确。

4 结果与讨论

4.1 水文地质条件类型

结合水文地质特征与抽水试验结果，对照GB/T12719-2021《矿区水文地质工程地质勘查规范》[12]中关于水文地质勘查复杂程度的有关要求（见表2），对南和沟矿区水文地质勘查复杂程度进行分析：矿区地表水体与含水层补给条件方面，南和沟矿区主要矿体均位于当地侵蚀基准面以下，区内沟谷纵横，地形有利于自然排水，同时大气降水与季节性河流构成主要充水来源，含水层补给条件一般；第四系覆盖方面，据矿山有关部门研究，矿区地表范围内第四系覆盖层约10m左右，厚度较薄；水文地质边界条件方面，矿井含水层分布不均匀，隔水层中构造裂隙发育，故边界条件较复杂；岩层富水性方面，由表1得到钻孔中的单位涌水量为0.00628L/s·m，小于0.1L/s·m，说明含水层富水性弱；隔水性能方面，矿井隔水层部分区域破碎带、裂隙发育，存在导水构造，隔水性能一般；老空水分布方面，南和沟矿井开采中段较多，各水平巷道内积水均流入240m中段水仓，一部分井下施工回收利用，一部分集中抽水排出，目前井下排水设备均能正常运转，故矿井内积水量较少；疏干排水时，由于矿井内破碎带、裂隙等原因，可能会产生少量塌陷。根据分类依据就高不就低的原则，南和沟矿床属于水文地质条件中等型矿床。

表2 水文地质勘查复杂程度类型

通过查阅GB15218-1994《地下水资源分类分级标准》[13]及钱学溥[14]等人的研究得到，根据矿井涌水量大小可将矿山涌水量级别分为小型、中型、大型、特大型，其中矿井涌水量为500～5000m3/d时，为中型充水矿山，南和沟矿区涌水量预测结果为914.14m3/d，属于中型充水矿山。

4.2 防治水建议及措施

通过对南和沟矿区地质构造发育情况和深部水文地质特征进行分析，得出以下建议：首先在今后矿井开拓、开采过程中，井巷支护可采用防、隔水性能良好的混凝土及锚喷进行支护，同时在支护材料中可按比例添加防水剂；其次在开拓巷道及采区巷道内布置水沟，水沟面积要满足矿井正常涌水及最大涌水时的排放要求；最后要完善井下水文地质监测系统，矿区断裂构造发育，断裂带不但具有导水性，且本身富水性较强，为避免发生断层导水而引发重大涌水事故，在断层构造较发育的地段应选择部分点作为地下水动态长期观测孔。

5 结论

（1）通过对胡家峪南和沟矿区水文地质特征和水文地质钻探结果进行分析，得到大气降水和季节性河流是矿区地下水的主要补给来源，裂隙和断裂构造构成是影响充水的主要因素，矿区地下水类型主要为变质岩类裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水，含水岩层主要为厚层大理岩、石英岩、石榴云母片岩、钙质云母片岩、黑色片岩破碎带等，井下含水层富水性差异较大，综合分析南和沟矿床水文地质勘查类型属于水文地质条件中等型矿床。

（2）采用解析法对南和沟铜矿床深部矿井涌水量进行预测计算，选取“大井”法有限边界承压稳定流公式计算得到南和沟深部矿井涌水量为914.14m3/d，该结果基本符合矿山实际情况，预测结果较为准确，属于中型充水矿山。

（3）南和沟矿区今后开拓、开采过程中，井巷支护应注意使用防、隔水性较好的混凝土及锚喷进行支护，同时支护材料中可按比例添加防水剂，另外可在主要巷道布置水沟，同时在断层构造较发育的地段布置地下水动态长期观测孔，以此避免矿井突水事故发生。