0 引言

露天矿山在开采过程中，大气降水、地表水等主要充水水源容易通过各类导水通道向采坑中心汇集，导致地下水水位发生变化，当水位超过一定标高后，就会给矿山岩土体造成一定危害，影响矿山开采工作，最终威胁矿山施工安全，降低矿山开采作业效率（王振臣，2019；崔义文和文相正，2020； 施强等，2020；秦磊等，2021；李毅，2022）。为了保障开采安全，需要将采坑地下水水位控制在剥采标高以下。长期以来，中国露天矿山地下水控制方式主要是利用集水坑或截水沟进行排水，排水措施单一，排水系统设计也相对简单（王卫卫，2018；潘博等，2019；吴庆深等，2019；杨丽萍，2020；王洋和李焕忠，2021；查君珍等，2021）。然而，这种方式在丰水季节的排水效果有限，同时也影响矿山周边生态环境（黄选明等，2020）。由于露天矿山开采水源相对单一，水害类型相对简单（赵春虎等，2022），因此露天矿山充水特征和水害防治技术的研究较为薄弱。随着矿山企业逐渐向绿色矿山转型，如何科学地转变地下水控制方式是露天矿山防治水工作面临的新课题及难题。

德兴斑岩型铜矿床位于江西省德兴市（东经 117.45º、北纬 28.59º），大地构造位置处于扬子克拉通东南缘与华夏地块的缝合接触带（Zhou et al.， 2012；熊燕云等，2019）。德兴斑岩型铜矿床矿石量 1500 Mt，其中铜 6.45 Mt，钼 0.25 Mt，金 24 t 和银 285 t，为中国最大的露天开采矿床之一，具有悠久的开采和研究历史（周清等，2013；熊燕云等， 2019）。在开采过程中，地下水涌出对爆破孔的施工造成了较大困扰。为了保障矿山开采作业的顺利进行，避免安全事故的发生，需要对矿山地下水进行防治（魏国昌等，2013；张涛等，2021）。本研究基于区域图件、降雨等资料，通过分析地下水的水文地球化学特征，厘清了富家坞采区地下水的来源和循环路径；同时采用地球物理勘探（高密度电阻率法）方法，研究了富家坞采区内的构造形式和地下水的空间分布特征；最终揭示了采区地下水的赋存状态，并提出了“疏排-注浆-帷幕-截流”的水害防治方案。

1 矿区水文地质条件

德兴铜矿床是中国东部最大的斑岩型铜矿床，包含了富家坞、铜厂和朱砂红 3 个矿区（周清等， 2013；Li et al.，2017）。其中，富家坞矿区位于怀玉山脉官帽山支脉的东南麓，地形切割强烈，山形陡峻，构造主要有东西向构造体系、北东向构造体系和北北东向构造体系（Li et al.，2013）（图1）。矿区主峰为北西侧的官帽山，海拨 650.48 m，区内侵蚀基准面位于南东侧沟谷中，海拨标高160 m，相对高差 490.48 m。矿区气候属暖温带气候，温和多雨。据德兴气象站资料，矿区年平均降雨量为1802 mm，蒸发量 1272 mm，最大年降雨量 2524 mm。降雨多集中在 3—7 月份，占全年降水量的 66.5%，平水期是 8—11 月，枯水期是 12—2 月。历年平均年气温 18. 05℃，最高为40.7℃，最低为-9.9℃。

矿区含水层主要有第四系松散孔隙含水层、基岩风化裂隙含水层（带）和构造裂隙含水层（带）3类 （图1）：①第四系松散孔隙含水层主要由坡积、河流冲积物所组成，呈带状主要分布于矿区东部及东南部的南山河两岸，一般宽 20～60 m，厚 5～15 m，地下水埋深 1～2 m，规模狭小。受大气降水补给，对矿坑充水影响小。②风化裂隙含水层（带）主要分布于矿区东南部地势低洼地带。矿区风化裂隙含水层（带）厚度为7～15 m，最厚达30～35 m，平均值为 11.64 m。平均渗透系数 k=0.171 m/d，钻孔单位涌水量为q=0. 0043 L/（s·m）。③富家坞矿区内主要构造裂隙含水带有F9、F10、F21断裂破碎含水带等。上述含水带在钻孔钻进过程中有涌水、漏水现象，渗透性和含水性较好。除上述含水层（带）以外，矿区内大范围分布的火成岩体和千枚岩均致密坚硬，基本为隔水层。

矿区地表水和地下水均受大气降雨补给，每年 3—7 月连绵梅雨是潜水补给的主要季节。地表风化带首先接受降雨补给，由于地形陡峻，地下水排泄条件良好，强风化带普遍呈透水而不含水的透水层，只在地形较低处会形成不厚的含水层。构造裂隙含水层中的含水带则靠风化层和大气降雨补给，在地形较低的地段，往往形成上升泉及钻孔涌水现象。根据各个地下水长期观测点测定结果，风化裂隙带及构造裂隙含水带，其水位、水量均随季节变化而产生较大变幅。在雨季期间，风化裂隙带水位可在较短时间达到水位高峰，而构造裂隙含水带一般要 5～30 d才能达到水位高峰。这些水受动力作用向较低地段移动，沿裂隙渗入一定深度。风化裂隙带地下水涌水量变幅为 0.307～7.639 L/s，水位变幅达 20.88 m；构造裂隙含水带涌水量变幅为 0.592 L/s，水位变幅为7. 01 m。

2 方法选择与数据处理

2.1 水文地球化学

为了解地下水化学成分、查明地下水来源，采集水质样品 6件。富家坞矿区的 3件样品为露天采场底部和崖边渗出的地下水；3 件地表水样采集于铜山中学和德铜宾馆附近的小河。测试项目包括 K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃^-、CO₃ ^2-、TDS、δD 和δ₁₈O。

水化学分析在核工业230研究所完成，K⁺、Na⁺、 Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 的含量采用电感耦合等离子体发射光谱法获得，检出限分别为 0. 05 mg/L、0. 03 mg/L、 0. 02 mg/L、0. 003 mg/L；Cl^-、SO₄ ^2- 的含量采用离子色谱法获得，检出限为 0. 05 mg/L；HCO₃^- 和 CO₃ ^2- 的含量采用重碳酸根和氢氧根离子滴定法获得，检出限为5 mg/L；TDS为现场手持式哈希水质分析仪测得。

氢氧同位素在核资源与环境国家重点实验室中完成，实验条件：（1）氢同位素测试方法：样品在 45℃温度下与 2％的 H₂与 He 混合气平衡 40 min 后用 MAT-253 测试所得，精度为 δD≤2‰；（2）氧同位素测试方法：样品在 28℃恒温下与 0.3％的 CO₂与 He 混合气平衡 20 h 后用 MAT-253 测试所得，精度为δ₁₈O≤0.2‰。

本文采用 Piper 三线图分析水化学类型，水样 δD-δ₁₈O 分布图分析矿坑水补给来源，Gibbs 图分析地表水和地下水溶质来源。

2.2 高密度电阻率法

高密度电阻率法是以岩（矿）石之间的电性差异为基础，通过一对电位电极主动向地下发射电流，另一对测量电极观测地下电位响应来获得地下高分辨率电阻率信息，电阻率值的变化反映了地层成分的变化，从而推断和解释地下地质体的结构特征（曹新文等，2017）。高密度电阻率法采用先进的自动控制，可将数量众多的电极自由组合，达到像地震勘探一样多次覆盖的测量，从而提取更多的地电信息（底青云等，2003）。

为了解地下地质体的结构特征，查明地下水的分布、范围及运移通道，采用 DUK-2A 高密度电法系统，在富家坞矿坑布设 2 条剖面，其中 F1 剖面点距为 5 m，剖面长度 300 m，F2剖面点距为 3 m，剖面长度 180 m。由于矿区内接地条件较差，数据采集过程中采用浇灌盐水、打孔及复合电极等方式将接地电阻控制在 10 kΩ 以内，并采用抗干扰能力较强的温纳装置进行数据采集。在数据处理过程中，结合野外记录剔除突变点和噪声引起的畸变数据，选取合适的网格和参数利用最小二乘法进行反演计算。剖面F1和F2分别反演共迭代9次和8次，数据总体上的均方根误差分别为 RMS=7.8% 和 RMS= 5.34%。由拟合差的统计分布直方图（图2a、2b）可知，F1 和 F2 两条剖面反演拟合效果好，拟合精度高；而反演估算的视电阻率值与观测视电阻率的散点分布呈近似线性关系，同样说明两条剖面的反演数据高，反演稳定，模型误差较小（图2c、2d）。

3 结果与讨论

3.1 水文地球化学特征

3.1.1 水化学类型

根据水样分析结果（表1），富家坞采区地下水和泗洲镇河水水样的 Na⁺ 质量浓度分别为 364~420 mg/L 和 81.8~93.5 mg/L，K⁺ 质量浓度分别为 4.87~5.42 mg/L 和 1. 09~1.76 mg/L，Ca²⁺ 质量浓度分别为 118~136 mg/L 和 3.18~6.14 mg/L，Mg²⁺ 质量浓度分别为 5.36~6.20 mg/L 和 0. 013~0. 029 mg/L。由此可知，富家坞采区地下水和泗洲镇河水均具有 K⁺、 Ca²⁺、Mg²⁺ 与 Na⁺ 浓度差异较大，阳离子以 Na⁺ 为主的特征。阴离子成分中，富家坞采区地下水和泗洲镇河水水样的HCO₃^- 质量浓度分别为175~193 mg/L和 79.64~94.77 mg/L，Cl^-质量浓度分别为 2. 07~2.64 mg/L 和 1. 04~1.37 mg/L，SO₄ ^2- 质量浓度分别为 3.98~4.37 mg/L 和 3.24~4.33 mg/L，CO₃ ^2- 质量浓度分别为 15.80~19.45 mg/L 和 11. 03~13.31 mg/L。由此可知，富家坞采区地下水和泗洲镇河水均具有 Cl^-、SO₄ ^2-、CO₃ ^2- 与 HCO₃^- 浓度差异较大，阴离子以 HCO₃^- 为主的特征。

Piper三线图可用于分析水化学类型，反映水体主要离子组成及特征，并识别其控制端元（Li et al.，2018）。由图3可以看出，富家坞采区地下水及泗洲镇河水阳离子组成主要靠近 Na⁺ +K⁺ 端，Na⁺ +K⁺ 分别占总阳离子浓度的 70%~80% 及 90% 以上，阴离子组成主要靠近 HCO₃^--CO₃ ^2- 端，HCO₃^--CO₃ ^2- 占总阴离子浓度的90%以上。上述特征显示，富家坞采区地下水及泗洲镇河水水化学类型主要为 HCO₃^- Na⁺ 型。

3.1.2 补给来源分析

利用环境同位素示踪地下水活动是目前广泛应用的一种技术，氢氧同位素是最理想的示踪地下水运动的原子，水循环过程中有时会发生蒸发和凝聚作用，氢氧同位素可以起到指示蒸发和凝聚过程机制的作用（王恒纯，1991）。本次研究主要分析了富家坞采区地下水及泗洲镇河水中H和O稳定同位素（表1）。

从表1 中可以看出富家坞采区地下水中 δD 值为-13.87‰~-51.84‰，平均值为-38.45‰；δ¹⁸O 值为-3.14‰~-7.37‰，平均值为-5.91‰。泗洲镇河水中 δD 值为-38.20‰~-47.41‰，平均值为-43.53‰；δ¹⁸O 值为-6. 09‰~-6.37‰，平均值为-6.26‰。从源区蒸发水蒸气到降雨区途中，水蒸气冷凝过程会导致氢氧稳定同位素组成按一定线性关系变化，这种关系称为大气降水线方程（郑淑蕙等，1983）。因此，δD 和 δ¹⁸O 间比例关系的研究，对揭示水汽来源及反映某一地区的自然地理环境有重要意义（王永森等，2009；张七道等，2020；赵明华等，2020）。根据图4 中水样 δD-δ¹⁸O 与大气降水线的分布关系可以看出，富家坞采区地下水与泗洲镇河水的样品均处于大气降水线的附近，表明研究区域内的地下水与地表水的主要补给来源为大气降水。

3.1.3 溶质来源分析

Gibbs 利用 TDS 与 Na⁺ /（Na⁺ +Ca²⁺）、Cl^－/（Cl^－ +HCO₃^-）离子质量浓度比值关系，根据世界范围内河流、湖泊及主要海洋水分析，提出了天然河水溶质起源模型（Gibbs，1970）。该模型将水体离子起源划分为岩石风化型、大气降水型及蒸发-浓缩型。由图5可知研究区水样TDS与Na⁺/（Na ⁺+Ca²⁺）、TDS与 Cl^－/Cl^－+HCO₃^-）比值整体上靠近岩石风化一端，表明富家坞采区地下水及泗洲镇河水主要化学组分来源于水岩相互作用过程，属于岩石风化型。通过绘制 Na端元水样摩尔浓度比值散点图可知（图6），富家坞采区地下水及泗洲镇河水主要化学组分来源于硅酸盐岩风化作用，这与研究区主要分布千枚岩和斑岩的特征相一致。

大气降水是富家坞采区地下水和泗洲镇河水的主要来源，大气降水与千枚岩和斑岩等硅酸盐发生、水岩作用（式 1），形成以 Na⁺、HCO₃^- 为主要离子的地下水，控制着矿区地下水和河水的水化学类型。

3.1.4 地下水运移特征

前文可知，富家坞采区地下水和泗洲镇河水水样的水化学类型、补给/溶质来源均相似。然而，二者的 TDS值却存在较大的差异，富家坞采区地下水的 TDS 为 87~985 mg/L，平均值 941 mg/L；而泗洲镇河水样 TDS 为 198~238 mg/L，平均值 214 mg/L。这显示富家坞采区地下水并非直接来源于泗洲镇河水，而富家坞采区地下水 TDS较高的原因可能与地下水长期与岩石发生溶解及离子交换作用有关。

地下水总是由水位高处流向水位低处。富家坞采区内受矿区地形改变的影响，基岩裂隙含水层水位随着地形的起伏发生改变。天然状态下，地形地貌未发生较大改变，地下水在水力梯度作用下由高水位的山峰向低水位山涧或侵蚀低洼处发生径流。随着多年的开采，矿区内的地形地貌特征被人为地破坏和改变，进而使得地下水的流场发生了变化。由人为因素造成的地下水流场的改变，一是改变了地下水排泄条件，导致地下水整体水位不断下降，二是长期排泄导致区内地下水水位线整体变缓，水力梯度整体变小，地下水在基岩裂隙中运移变得更缓慢，从而伴随着长期的水岩作用，并使水岩作用更加充分，基岩中的矿物成分不断溶解于地下水中，使地下水的矿化度变高（图7）。长期水岩作用下，矿区基岩中石英、长石、云母、绿泥石等硅酸盐类矿物不断溶解于水中，导致地下水矿物度值明显升高（李政葵等，2019）。

a—TDS与Cl^- /（Cl^- +HCO₃^-）关系；b—TDS与Na⁺ /（Na⁺ +Ca²⁺）关系

3.2 地下水赋存特征

由高密度电法剖面反演解译图可以看出（图8），F1 剖面在横向 0～60 m 处 25 m 以浅表现为低阻，阻值小于 100 Ω·m，可能与含水断层有关，横向 90 m 之后电阻率大致分为两层，上层为高阻，阻值大于250 Ω·m，下层为相对低阻，阻值为150 Ω·m左右；而 F2剖面垂向上总体分为两层，10 m 以浅表现为高阻，阻值大于 1000 Ω·m，10 m 以深呈相对低阻，其中横向 30～90 m 存在一大范围的低阻区，阻值小于300 Ω·m，推测底板含水量较高。

因此，从整体上来看，在富家坞采区底板的探测范围内，虽然存在相对高阻的区域，但是电阻率要明显低于正常条件下的千枚岩和斑岩。上述特征表明由于机械作业、爆破，以及卸载等原因，基岩采动裂隙分布于整个矿区的底部。这些次生裂隙带是接受大气降水的直接通道，也是目前矿区主要的充水通道。大气降水形成汇流后，受采场地形起伏导致地表水运移至低洼处，或者是受采动影响，地下水沿边帮或边坡流出，导致水储存于采动裂隙中，从而形成低阻区。

在垂向上，在已探测的50 m以浅范围内并未出现明显的高阻区域，也就是隔水层，说明采动形成的次生裂隙带发育深度可超过 50 m。在本次的物探剖面中，多数接近地表的区域显示相对高阻，考虑到测试时间为旱季，降雨量较少，地下水的补给速度小于地下水向下运移的速度，导致近地表的地下水含量减少，而显示相对高阻。在横向上，电阻率的变化强度明显高于垂向上，显示受限于次生裂隙带自身特点及底板地层岩性，地下水在带内垂向入渗要明显优于横向扩散。在F1剖面的南侧，存在一个明显的低阻区，该区域被北东向的断层切穿。一方面，上述断层可作为通道，将矿区外围的地下水运移到矿区内，导致其含水量较高；另一方面，该断层形成的破碎带孔隙发育，具有更大的含水空间。因此，断层发育地区含水量更高。

3.3 充水特征及水害治理

3.3.1 矿区充水特征

结合前文水文地球化学和地球物理勘探的研究成果，富家坞采区的充水条件及充水特征如下：

（1）充水水源。露天开采矿山，其开采方式的本质特征决定了其充水水源较为固定，即以大气降水和地表水体为主，以浅层地下水为辅（董小芳等， 2017；黄选明等，2020）。

露天矿开采范围大，接受补给与汇水面积广，且矿坑剥采中心标高最低，在接受大气降水补给后，水流快速汇集流向矿坑底部。此外，大气降水也是地表水体和浅层含水层的补给水源。根据德兴气象站的统计资料显示，本区降水丰富，蒸发量少，可见大气降水对采区的充水影响十分显著。

地表水体主要指河流、湖泊等相对稳定的补给水体，其补给方式为侧向渗透补给，其补给强度与地表水体规模、地表水体与矿坑之间地层的渗透能力、水力梯度等参数有关。根据富家坞采区的水文地质资料显示，富家坞采区附近不存在大的地表水体，仅见3条小溪流斜穿采区汇入东部南山河，雨季一般流量 50～101 L/s，最大流量 884 L/s，其余为间歇性溪流，旱季干枯。同时，水文地球化学特征显示，采区内水体与大气降水相一致，而与地表河流水存在明显差异，说明地表水体对采区充水影响较小。

采区内含水层厚度较小，其中第四系孔隙含水层和构造裂隙含水层分布于采区局部地段，风化带裂隙含水层分布在地表浅部，因此浅层含水层水对采区充水的影响程度有限。但在开采过程中，地下水可能沿边坡渗出并向矿坑底部汇集，恶化开采环境。

综上所述，大气降水是富家坞采区的主要充水水源，但其补给具有季节性，雨季时会严重影响开采作业效率。

（2）充水通道。充水水源在很大程度上决定了充水通道。露天开采矿山，其充水通道与地下开采有着显著差异，露天开采充水通道主要有人为开挖通道、垂向导水钻孔和断裂破碎带等，而地下开采中经常用到的导水裂隙带在露天开采中并不存在。露天矿开采后，形成巨大的矿坑、边坡以及临时开挖的水沟等均成为大气降水汇集的有利通道，各类充水水源均可通过此通道直接流向矿坑底部。露天矿在前期勘探阶段施工过数量不等的地质或水文地质钻孔，如其封孔质量不良，就会成为潜在的导水通道。通过对富家坞采区现有水文地质资料及物探资料的分析可知，在开采条件下，采动形成的次生裂隙带和北东向的断裂是本区地下水的主要补给通道和赋存区域（图9）。

（3）充水强度。在地下开采中，充水强度通常以矿井涌水量来表示，借鉴这一概念，可用疏排水量表示露天开采的充水强度，其大小与矿坑所处地理位置、周边地质与水文地质条件、自然环境等直接相关。富家坞采区的充水强度具有季节性变化明显和持续周期长的特点。

3.3.2 矿区水害治理

矿山水害防治的主要技术有：探、防、堵、疏、排、截、监（武强等，2013）。露天开采中应用较多的是疏、排、截。根据富家坞采区的充水条件及充水特征，本区防治水主要从以下3个方面考虑：大气降水疏排、断层水封堵、边坡水截流。

（1）大气降水疏排。大气降水的疏排包括台阶平盘排水和坑底排水，台阶平盘通过施工排水沟，将工作台阶上的集水疏导引流至集水坑后统一排出，而坑底由于标高最低，可采用移动式排水泵站，直接将坑底集水抽出。

（2）断层水封堵。含水断层存在破碎带，孔隙发育，提供了储水空间，且断层可作为导水通道将采区外围的地下水运移到采区内。含水断层经过的区域，其含水量较高，可能对开采构成威胁。因此，在现阶段疏干排水措施的基础上，针对断层水防治提出两种控水措施：一是通过注浆封堵裂隙，切断导水通道；二是在含水断层外围适当位置建立帷幕墙，切断补给来源。

（3）边坡水截流。大气降水形成汇流后，地表水受地形起伏影响运移至低洼处，地下水受采动影响沿边坡渗出，或者储存于采动裂隙之中。随着开采逐渐向深部延伸，地下水在重力和水力坡度作用下向下运移，对下部台阶的开采形成威胁。因此，可在边坡不同标高处设置截水沟，及时将水排出区外，防止其全部流入坑底，造成坑底严重积水。

4 结论

（1）在德兴铜矿床的富家坞采区，大气降水是矿区地下水的主要补给水源，硅酸盐风化是矿区地下水水化学特征的主要影响因素。地下水的水位与降水量关系密切。

（2）在矿区内，北东向的断层和裂隙（包括采动裂隙和节理）是控制地下水赋存情况的主要因素，其中采动裂隙广泛分布于整个矿区的底部，延伸深度可超过50 m。

（3）本区水患主要有大气降水、断层水和边坡水，进而提出“疏排-注浆-帷幕-截流”四位一体的防治水技术措施。

致谢 感谢审稿人和编辑部提出的宝贵意见。

参考文献