黄屯硫铁矿水文地质特征及防治水对策

杨 柱，王 军，李林贵，黄胜昔

（1．长沙矿山研究院有限责任公司，长沙410012；2．安徽省庐江县金鼎矿业有限公司，安徽 庐江231555）

黄屯硫铁矿位于安徽省庐江县龙桥镇境内，为未开发利用的新矿床，已探明铁资源量4 000多万t，一期拟开采6～30线之间标高－340m以上的矿体。矿体赋存于主要含水层（火山碎屑岩）中，含水层（包括矿体）构造、裂隙发育，开采地下水水头压力大，地下水储量极其丰富，数值模拟法预测涌水量达108 668m3／d［1］，为水文地质条件复杂的火山岩地层大水金属矿床［2］。矿区西南侧紧邻的马鞭山铁矿床在主、副井及风井基建过程中，多次遇到含水断层涌水导致淹井，严重影响矿山生产进度及经济效益。因此，在矿山大规模基建及采矿活动前，深入研究矿区水文地质条件，提出合理的防治水方案对矿山建设意义重大。

1 矿区水文地质特征

矿区位于黄屯古镇以北约1km处，东、南、西三面均为地势较高的丘陵、坡地；北面为地势较低的喇叭形山前冲洪积扇，与长江—黄陂湖冲湖积平原相接。受地形控制构成了东、南、西三面高，向北开口的簸箕状地下水系统，整个水文地质单元面积约63．3km2。

1．1 矿区含（隔）水层分布及特征

1．1．1 含水层

1）第四系松散岩类孔隙水含水岩组

分布于黄屯河河谷，含水岩组为第四系下部冲洪积砂砾石层微承压。上覆地层为厚3～9m的第四系全新统黏土层。该层在矿区内分布比较稳定，除局部缺失外，一般厚度为0～50m，平均厚度18．5 m。砾石直径0．5～10cm，磨圆度较好，内夹较多的粗砂和少量黏土等。该含水层富水性较弱，单孔水量4．75～9．5m3／d，渗透系数0．16～0．24m／d。

2）火山碎屑岩与熔岩类孔洞—裂隙水含水岩组

由侏罗系上统龙门院组第二、一岩性段（J3l2、1）岩石组成，分布普遍，厚度近300m，为矿区主要含水层组，岩性主要为粗安岩、含砾粗安岩、凝灰岩等。岩石裂隙发育，裂隙倾角70°至近直立，沿裂隙及硅化处多发育孔洞，具连通性。受地质构造影响，岩石裂隙发育极不均一，导致该含水层组的富水性和透水性在水平及垂直方向差异较大，为承压水，富水性中等—极强，钻孔单位涌水量 0．178～21．861 L／s·m，渗透系数1．514～21．861m／d。

3）碎屑岩夹碳酸盐类岩溶裂隙水含水岩组

主要由三叠系上统拉犁尖组下段（T3l1）及中统铜头尖组（T2t）岩石组成，岩性主要为粉砂岩、泥质粉砂岩及灰岩等。陡倾角裂隙较发育，沿裂隙常发育孔洞，具连通性。部分钻孔施工过程中出现漏水和掉钻现象，富水性中等，钻孔单位涌水量0．783～0．872L／s·m，渗透系数1．07～1．49m／d。

1．1．2 隔水层

1）三叠系拉犁尖组上段（T3l2）：矿区范围内未出露，岩性主要为石英砂岩、粉砂岩等。层理及微裂隙较发育，但多被泥质充填，沿裂隙零星发育小孔洞，为相对隔水层。

2）岩浆岩：岩浆岩主要为岳山粗安斑岩（J3lταπ）和黄屯闪长玢岩（δμ），闪长玢岩分布于钻孔中深部，粗安斑岩分布于矿区东部钻孔。根据钻孔资料，岩芯完整，裂隙不发育，为相对隔水层。

1．2 矿区构造及富水性

1．2．1 断裂构造

1）F1断层：根据水文勘探群孔抽水试验成果，断层南段及北段属隔水断层，中段受后期构造Fp2、Fp3、Fp4穿插影响，使F1断层中段东西两侧地下水水力联系较好。

2）F2断层：F2－1、F2－2两条断层组合形成相对隔水断层。F2－1局部受构造破碎带贯穿影响，存在透水性相对较强的区段；F2－2断层未受构造破碎带影响，隔水性很好，使东部岳山矿区地下水不能直接进入本矿区。

3）F3断层：断层位于本矿床南侧，属张性正断层，断裂带裂隙发育，钻孔揭露岩芯较破碎，断裂面上见硫化矿物、硅质薄膜，为含水构造。抽水试验证明F3断层为透水断层。

1．2．2 构造破碎带

根据物探异常特征、钻孔揭露情况，矿区范围发育多条构造破碎带（Fp1、Fp2、Fp3、Fp4、Fp5），其中 Fp1至Fp4为NE或NEE向展布，Fp5为NW向展布。群孔抽水试验验证，除Fp5导水性较差以外，Fp1至Fp4破碎带导水性较好，为矿区内集中径流带。

1．3 地下水补给、径流、排泄条件

天然状态下，东、南、西侧中低山区基岩裂隙接受大气降水补给后，向沟谷汇聚，而后自南向北径流运动。由于受到上覆弱透水层阻隔，矿区基岩裂隙水具有承压性，越流补给第四系孔隙水，第四系孔隙水在接受基岩裂隙水越流补给的同时，还接受大气降水入渗补给、地表水体入渗补给，自南向北的径流运动。

开采条件下，矿区地下水流场将发生改变。随着地下开采矿山基建及采矿工程的进行，矿区内地下水位将大幅下降，深部基岩裂隙水压力释放，第四系地下水将自上而下逐层越流补给基岩风化带及断裂破碎带，再由风化带及断裂破碎带进入下部基岩含水层，最终汇入矿坑，形成以矿坑为中心的三维空间流场。

2 与防治水有关的水文地质条件分析［3］

1）矿区地下水在平面上的分布规律

矿区地下水在平面上有不均一性，地下水沿构造破碎带、张裂隙（矿体侵入时发育）富集，矿区中部3～14线富水性最强。从平面上看，矿区地下水受构造影响，西部边界F1断层阻水，中段局部透水；东部边界 F2－1断层阻水稍差，而F2－2断层隔水效果较好；南部F3断层有较强的富水、导水性，可视为无限边界；北部边界为矿区的反向补给边界。矿区进水方向明确，平面上具备采用地面帷幕注浆堵水的水文地质条件（图3）。

2）矿区地下水在垂向上的分布规律

垂向上看，矿区地下水系统可分为五层（图1），表层为第四系冲洪积亚黏土层，为相对隔水层；其下为第四系冲洪积砂砾石层，局部缺失，并略具承压性；第三层为第四系残积黏土及火山岩强风化高岭土层，为相对隔水层，但该层在矿区中部有缺失，构成地下水天窗；第四层为火山岩裂隙—孔洞含水层，该含水层是本区最主要的含水层，含水性及透水性极强，为矿坑充水的直接充水水源；第五层为基底沉积岩裂隙水，为相对弱含水层。

图1 黄屯硫铁矿地下水系统垂向结构图Fig．1 The vertical structure of the groundwater system of Huangtun Pyrite

根据钻孔压水试验岩石透水性研究（图2，压水试验共59段／12孔，厚度加权统计分析），对矿区含水层透水性进行垂向分带［4－5］：标高－240m以上岩石透水性为强—极强，说明矿区浅层地下水循环交替积极，水力联系较好；－240～－330m标高透水性中等；－330m以下岩石透水性弱—极弱，说明矿区深层地下水运动缓慢，水力联系不畅。地面帷幕注浆具备垂向上的水文地质条件。

图2 钻孔透水率分布（标高）曲线图Fig．2 Drilling water permeability distribution（elevation）graph

3）矿区主要进水方向与通道分析

矿区侏罗系上统龙门院组第二、一岩性段（J3l2、1）发育的构造破碎带是矿床开采的主要过水通道，龙门院火山岩J3l2、1成岩过程及后期发育的裂隙、孔洞是矿区地下水的运移通道，为地下水提供赋存空间。疏干条件下，矿区地下水主要存在三个进水方向（图3）：

①F1断层与F2断层之间的南部进水通道。数值模拟估算大疏干条件下－340中段南部通道进水4．76万 m3／d。

②F1断层与F2断层之间的北部进水通道。数值模拟估算大疏干条件下－340中段北部通道进水4．33万 m3／d。

③F1断层ZK2603至GK07之间西部进水通道。数值模拟估算大疏干条件下－340中段北西部通道进水1．05万 m3／d。

4）矿体及围岩特征

矿体分布于30～11线（沿走向长约1km），赋存于标高－89．06～－331．57m的岩层之中，首采1号矿体旁侧破碎带（主要为Fp2、Fp3，以及F1次生构造）网状发育，矿体、矿体底板（±10m）分别有41%、34%、35%岩石呈碎块状、砂状、松软状破碎，局部易破碎呈粉砂状，岩石质量为极劣或劣。矿体分布不集中，围岩稳定性差，采用井下矿体旁侧帷幕注浆堵水［6］的方案，不仅会投资巨大，而且施工困难，安全隐患大，不具备条件。

3 地下水害防治对策

矿山防治水方法一般分为三种，即疏、堵、避，实际应用中往往采用一种方法为主，其它方法辅助的综合防治方案［7－8］。近年来，岩溶金属矿床防治水技术发展很快［9－10］，但对于构造裂隙导水的火山岩大水矿床的防治水工程尚属空白，无相关工程案例可循。从与防治水有关的水文地质条件分析可知，如采用传统的超前疏干法，矿区中心地下水位将降低200m以上，将往南、北、西方向形成巨型降落漏斗，不仅存在突水风险，而且排水电费高昂。采用避水方案，矿体与主要含水层为统一含水层，两者之间没有相对隔水层存在，也不具备条件。

图3 黄屯硫铁矿水文地质及防治水工程布置图Fig．3 Huangtun pyrite hydrogeological and water control project arrangement

因此，从上述分析可知，本矿具备地面帷幕注浆堵水的水文地质条件。地面帷幕注浆［11］是在矿区主要进水方向采用系列钻孔注浆的方法，用一定的压力将浆液材料压到含水层的岩溶裂隙中，经固结后减少裂隙的体积和过水断面，以截断地下水进入矿坑的补给源。根据矿区水文地质边界条件，可在矿区F1断层、F2断层的首采矿界范围之间以及F1断层中部分别布置中帷幕（长907m）、南帷幕（长957m）、西帷幕（长676m），以拦截基岩地下水侧向径流的主要通道（图3）。帷幕建成后，可拦截矿区侧向径流补给，预计能减少矿坑85%以上的涌水量，节省大量排水费用（年节省排水电费为8 428．6万元）。同时，可使帷幕外地下水位降深减少，基本消除井下突水淹井事故，并可以改善采矿作业环境，提高采矿效率。目前国家对矿山安全生产及矿山地质环境的保护越来越重视，而矿山地面帷幕注浆堵水能在这两方面均起到重要的作用。国内很多岩溶金属矿山如张马屯铁矿、新桥硫铁矿、大红山铜矿、赵家湾铜矿、凡口铅锌矿等已经进行了地面帷幕注浆工程［12］，并且取得了很好的堵水效果，可为本矿提供借鉴。

4 结论

黄屯硫铁矿是一个火山岩地层大水金属矿床，主要含水层为侏罗系上统龙门院组的火山碎屑岩，透水性强，矿坑涌水量极大。随着矿山地质环境治理成本的提高和国家对采矿安全监管力度的加大，传统的疏干方法已经不适合本矿。从采矿安全和减少排水电费的角度考虑，借鉴岩溶大水矿山防治水经验，提出地面帷幕注浆堵水为主的综合防治水方法，根据水文地质边界条件，在矿区中部、南部、西部建造堵水帷幕，可有效拦截矿坑地下水的基岩侧向补给，大幅减少矿坑涌水量，做到绿色无公害采矿。

［1］ 胡程亮，谢兰芳，黄 乐，等 ．安徽省庐江县黄屯硫铁矿水文地质勘探报告［R］．长沙：湖南省勘测设计院，2012．

［2］ 刘晓亮，褚洪涛．我国复杂大水金属矿床的开采现状及发展趋势［J］．采矿技术，2008，8（2）：3－4．

［3］ 杨 柱 ．安徽省庐江县黄屯硫铁矿总体防治水方案［R］．长沙：长沙矿山研究院有限责任公司，2013．

［4］ 范 波，罗平平 ．钻孔压水试验理论研究现状及展望［J］．煤炭工程，2010（1）：91－94．

［5］ 王新峰，梁 杏，孙蓉琳，等 ．一种层状岩体压水试验成果计算分析渗透性的新方法［J］．水文地质工程地质，2011，38（1）：46－52．

［6］ 王 亮 ．大水金属矿床井下近矿体帷幕注浆堵水技术研究［D］．长沙：长沙矿山研究院，2011．

［7］ 王 军 ．矿山防治水技术现状及发展趋势［J］．采矿技术，2001，1（2）：20－22．

［8］ 辛小毛，王 亮 ．大水金属矿山防治水综合技术方法的研究［J］．矿业研究与开发，2009，29（2）：78－81．

［9］ 褚洪涛 ．我国金属矿山大水矿床的地下开采采矿方法［J］．采矿技术，2006，6（3）：49－52．

［10］ 王 军 ．矿山地下水害防治技术新进展［J］．采矿技术，2002，2（3）：55－58．

［11］ 王 军 ．岩溶矿床帷幕注浆截流新技术［J］．矿业研究与开发，2006，26（增刊1）：151－153．

［12］ 卢 萍，侯克鹏 ．帷幕注浆技术在矿山治水中的应用现状与发展趋势［J］．现代矿业，2010（3）：21－24．