山東省蒼山縣溝西-西官莊鐵礦溝西礦區(qū)水文地質(zhì)特征及涌水量預(yù)測(cè)

朱昶，許錦亮，劉邦軍，張立，馬騰，宋帥良

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州 272100)

1 地質(zhì)背景

蒼山縣溝西-西官莊地區(qū)賦存有隱伏的鞍山式低品位鐵礦，礦床規(guī)模大，礦體產(chǎn)出穩(wěn)定，礦石質(zhì)量較好。地質(zhì)勘探共施工51個(gè)地質(zhì)鉆孔，9個(gè)水文地質(zhì)孔，圈定了2條主礦帶4個(gè)礦體(N①，N②，S①，S②)，礦帶延伸長(zhǎng)度2200m，礦床平均品位TFe 30.86%，mFe 18.96%，共求得鐵礦石資源量16444.9萬(wàn)t[注]①山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，唐好生、安仰生、朱昶等，山東省蒼山縣溝西-西官莊礦區(qū)溝西礦段鐵礦勘探報(bào)告，2012年12月。。對(duì)勘探施工的51個(gè)地質(zhì)孔全部進(jìn)行了簡(jiǎn)易水文地質(zhì)編錄，9個(gè)水文地質(zhì)孔進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)。

礦區(qū)地層由老到新主要為新太古代泰山巖群山草峪組，新元古代青白口紀(jì)土門群黑山官組、二青山組和震旦紀(jì)土門群佟家莊組，古生代寒武紀(jì)長(zhǎng)清群李官組、朱砂洞組、饅頭組。新太古代泰山巖群山草峪組是(鞍山式)鐵礦的賦存層位[1]。第四系分布于山前平地及溝谷兩側(cè)。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

礦區(qū)位于魯中臺(tái)隆的南部丘陵區(qū)，地形西高東低，礦區(qū)西部二青山最高點(diǎn)標(biāo)高+218.10m，東南部雙山屯南最低點(diǎn)標(biāo)高+41.50m。東北及南部為剝蝕沖洪積地形，地勢(shì)較平坦，標(biāo)高+40.70～+88.80m。礦區(qū)面積約15.50km2。當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面標(biāo)高47.50m，該礦床礦體位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下。

2.2 氣象水文

區(qū)內(nèi)氣象屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候，四季分明，多年平均氣溫13.2℃。多年平均降水量787.7mm(1958—2011年)；年平均蒸發(fā)量1385.9mm，最大凍土深度31cm。

礦區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，會(huì)寶嶺水庫(kù)位于礦區(qū)北西約4.5km，為區(qū)外最大的地表水體，防洪水位高程78.25m，總庫(kù)容1.97億m3。

2.3 含水層

因巖性、地質(zhì)時(shí)代及富水程度不同和鉆孔抽水試驗(yàn)[2]，分為蓋層裂隙巖溶含水層和基巖水裂隙含水層。

2.3.1 裂隙巖溶含水層

(1)長(zhǎng)清群饅頭組裂隙巖溶含水層：巖性主要為灰?guī)r夾頁(yè)巖、云斑灰?guī)r，巖層傾向SE，傾角10°～12°，含水層厚度平均55m，巖溶裂隙較發(fā)育，大部分隱伏于第四系之下，大氣降水為主要補(bǔ)給來(lái)源，裂隙滲透性能、含水性較好，裂隙率3～5條/m，地下水位埋深3.95～5.02m，泉涌水量2.222～5.556L/s，鉆孔單位涌水量0.312～2.96L/s·m，為中等至強(qiáng)富水含水層[3]。水化學(xué)類型HCO3-Ca型或HCO3-Mg·Ca型水，礦化度小于0.61g/L。含水巖層位于蓋層頂部，對(duì)礦床開采無(wú)影響。

(2)長(zhǎng)清群朱砂洞組裂隙巖溶含水巖層：分布礦區(qū)的中部，均被第四系所覆蓋，呈NE，SW向展布。巖性為灰?guī)r，巖層平均累計(jì)上、下灰?guī)r段厚度105m，巖層走向8°～38°，傾向SE，傾角15°～18°。裂隙較發(fā)育，以高角度裂隙為主，該組上、下灰?guī)r段裂隙均較發(fā)育，裂隙率3～5條/m，下灰?guī)r段巖溶孔徑φ 0～4cm，鉆孔單位涌水量0.185～3.605L/s·m，為中等至強(qiáng)富水性含水層，水化學(xué)類型HCO3-Ca型水，礦化度小于0.55g/L。

(3)長(zhǎng)清群李官組裂隙巖溶含水巖層：為礦區(qū)主要含水巖層，巖性為石英砂巖，分布在整個(gè)礦區(qū)的上部至中深部，7線以西出露地表，礦區(qū)東南部夏家莊一帶也有零星出露，巖層傾向SE，傾角12°～15°，含水層厚度平均61.40m。裂隙率4～6條/m，裂隙滲透性能較好,含水性較好，地下水位埋深4.12～5.15m，泉涌水量小于2.222L/s，鉆孔單位涌水量0.114～0.162L/s·m，為中等富水含水層。水化學(xué)類型溝西礦段HCO3·SO4-Ca型或HCO3-Mg型水，礦化度0.58～1.48g/L。該組對(duì)礦床開采無(wú)直接影響。

2.3.2 基巖水裂隙含水層

巖性為黑云變粒巖、黑云角閃片巖及磁鐵角閃石英巖等，是賦存礦的巖層，大部分巖石裂隙較發(fā)育，多為閉合型裂隙，含水極微弱，鉆孔單位涌水量0.057～0.175L/s·m，水化學(xué)類型為HCO3-Ca或HCO3·SO4-Ca·Na型水，礦化度1.42～1.96g/L。

2.4 隔水層

主要有長(zhǎng)清群朱砂洞組余糧村頁(yè)巖隔水層，佟家莊組、二青山組粉砂巖、頁(yè)巖隔水層和黑山官組頁(yè)巖隔水層。

2.4.1 長(zhǎng)清群朱砂洞組余糧村頁(yè)巖隔水層

該隔水層由紫色頁(yè)巖組成，巖層平均厚55.70m，最厚86.50m，自西向東逐漸增厚，西部由于剝蝕嚴(yán)重，厚度只有12.00m，全區(qū)發(fā)育，巖石完整，結(jié)構(gòu)較為致密，裂隙不發(fā)育，單位涌水量小于0.001L/s·m，富水性極微弱，相對(duì)具較好阻水作用，為良好的隔水層。

2.4.2 佟家莊組二青山組粉砂巖頁(yè)巖隔水層

隔水層主要由較厚的頁(yè)巖組成，其次為粉砂巖，分布于全礦床，巖層穩(wěn)定、連續(xù)，自西向東逐漸增厚，隔水層平均厚303.40m，垂向上隔水性好，單位涌水量小于0.001L/s·m，含水極微弱，相對(duì)隔阻水。

2.4.3 黑山官組頁(yè)巖隔水層

該隔水層由黑山官組頁(yè)巖及底礫巖組成，礦區(qū)內(nèi)巖層厚度最厚為7.05m，平均厚度2.83m。巖石結(jié)構(gòu)較為致密，裂隙不發(fā)育，起到一定的隔水作用，為局部發(fā)育的隔水層。

2.5 斷層構(gòu)造水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育,主要為棗莊斷裂(F8)及其次級(jí)派生構(gòu)造(F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6和F7斷層)，斷裂構(gòu)造對(duì)地下水有較強(qiáng)的控制作用[4]。

F1，F(xiàn)2斷層：位于礦區(qū)西北部，其中F1斷層走向25°，延伸長(zhǎng)度約1.4km，F(xiàn)2斷層走向35°，延伸長(zhǎng)度約2.5km，兩斷層多為第四系覆蓋。由于斷裂帶透水性差，具良好的阻水性，在南段形成泉溢出地表，泉涌水量1.881～9.429L/s，隨季節(jié)變化差異明顯。斷層最大斷深至蓋層的底部，對(duì)礦體沒有影響。

F3，F(xiàn)4斷層：位于礦區(qū)西部，其中F3斷層走向35°～60°，延伸長(zhǎng)2.1km，F(xiàn)4斷層走向35°，延伸長(zhǎng)1.2km，兩斷層出露地表，平行產(chǎn)出，傾向NW，傾角約60°。近斷裂處礦體走向略有改變，扭曲現(xiàn)象明顯，礦石較破碎，距離礦床較遠(yuǎn)，對(duì)礦床開采無(wú)影響。

F5斷層：位于礦區(qū)中西部，多出露地表，局部為第四系覆蓋，延伸長(zhǎng)度約6.0km，總體走向47°，傾向NW，傾角78°，為高角度正斷層。斷層破碎帶寬一般0.8～2.5m，帶內(nèi)角礫巖發(fā)育，該斷層南段較窄，裂隙發(fā)育，為導(dǎo)水、透水?dāng)鄬樱V層有錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)礦床開采將產(chǎn)生一定影響。

F6斷層：位于礦區(qū)中部，多為第四系覆蓋，北部出露地表，延伸長(zhǎng)度約5.7km，走向35°～50°，傾向NW，傾角49°～70°，為正斷層。斷層破碎帶寬1～12m，斷層兩盤地層垂直斷距達(dá)110m，水平斷距22～80m，斷層切穿了礦區(qū)含礦地層及南北兩礦帶。通過SZK403鉆孔抽水試驗(yàn)觀測(cè)資料分析，F(xiàn)6斷層以西觀測(cè)井與抽水孔產(chǎn)生水位同步下降，說明斷層透水性較好，對(duì)礦床開采將產(chǎn)生一定影響。

F7斷層：位于礦區(qū)中東部，總體走向36°，傾向NW，傾角52°～63°，為高角度正斷層。斷層兩盤地層垂直斷距約80m，水平斷距約60m，斷層以西含水豐富，以東鉆孔施工無(wú)水，礦床西部地下水受該斷裂阻水作用在東官莊溢出成上升泉，以東則形成弱富水區(qū)。該斷層易對(duì)礦坑充水產(chǎn)生威脅，礦床開采不可揭露該斷層。

棗莊斷裂(F8)：由礦區(qū)西官莊礦段南部通過，斷層帶走向近EW，傾向S，傾角60°～70°，破碎帶寬度一般為20～50m，局部可達(dá)500m，發(fā)育斷層角礫巖和斷層泥，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，角礫成分以斷層兩盤巖石為主，切割地層為泰山巖群山草峪組、土門群二青山組、佟家莊組及長(zhǎng)清群朱砂洞組、饅頭組。該斷裂為南盤下降北盤上升阻水正斷層，形成區(qū)域范圍內(nèi)地下水徑流排泄最低排泄點(diǎn)，泉涌水量為5.556L/s，為不透水擋水墻。

2.6 地表水體與含水層之間水力聯(lián)系

礦區(qū)內(nèi)會(huì)寶嶺水庫(kù)為礦區(qū)附近最大的地表水體，位于礦床北西部約4.5km,防洪水位高程78.25m，總庫(kù)容1.97億m3；水庫(kù)與礦床之間有一近NNE走向的丘陵山脈，標(biāo)高88.9～100.20m，丘陵山脈標(biāo)高高于水庫(kù)防洪水位標(biāo)高，由于丘陵的阻隔，水庫(kù)水不會(huì)溢入礦床內(nèi)。礦區(qū)西側(cè)白水牛石斷層由水庫(kù)東部穿過，斷層破碎帶內(nèi)夾有約4m厚的斷層泥，在低凹處滴水潤(rùn)濕現(xiàn)象，極微弱透水。阻隔了會(huì)寶嶺水庫(kù)水與礦床各含水層的直接水力聯(lián)系。

2.7 大氣降水的影響

大氣降水是該區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源，降水一般集中在每年的7，8，9月份。根據(jù)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料分析，最高水位標(biāo)高47.84m，最低水位標(biāo)高43.15m，礦區(qū)內(nèi)地形起伏較大，地形坡降大于6×10-3，地表徑流快，不利于大氣降水的入滲，因頁(yè)巖泥灰?guī)r裂隙不發(fā)育，隔水性較好，大氣降水間接性補(bǔ)給礦坑地下水比較慢也比較弱，不會(huì)直接對(duì)礦坑產(chǎn)生充水危害。

3 坑道涌水量預(yù)測(cè)

3.1 礦床充水因素分析

礦床產(chǎn)于變質(zhì)巖系巖層中，為隱伏礦體，礦體呈陡傾斜的層狀，溝西礦段礦體走向NW 280°～315°，北翼礦體N①，N②礦體傾向SW，傾角49°～87°，局部較直立甚至倒轉(zhuǎn)；南翼礦體S①，S②礦體傾向NE，傾角60°～87°，局部近直立。礦體均為E向傾伏，并隱伏于蓋層之下，由于上部礦體與蓋層石英砂巖含水層呈不整合接觸，蓋層含水層的水易對(duì)采礦坑道產(chǎn)生充水危害，將產(chǎn)生一定影響；礦床內(nèi)分布有2條斷層，斷層本身含水而透水，圍巖含水性與斷層含水性相一致，斷層延伸規(guī)模較大，構(gòu)造破碎帶裂隙發(fā)育，其富水性較強(qiáng)，構(gòu)造對(duì)礦床開采會(huì)直接造成較大威脅和影響。

3.2 邊界條件的確定

礦床礦體沿走向呈舒緩波狀展布，為弱—中等承壓含水層，按區(qū)域水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)，北起文峰山斷裂，南至棗莊斷裂,西鄰白水牛石斷裂，東至龍輝大斷裂，形成一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元邊界條件的模型，做為該次涌水量預(yù)測(cè)范圍邊界條件(圖1)。

由于礦體均被第四系及蓋層所覆蓋，地下水為承壓性質(zhì)，溝西礦段均視為相對(duì)隔水底板的雙邊進(jìn)水無(wú)限邊界承壓水完整井水文地質(zhì)模型。

3.3 計(jì)算公式選擇

礦山開采方式為巷道開采，礦體賦存于泰山巖群山草峪組黑云變粒巖中，根據(jù)水文地質(zhì)編錄情況，上部沉積蓋層較厚，由于頁(yè)巖隔水層的阻隔，蓋層地下水與礦體頂?shù)装搴畬勇?lián)系微弱，該次只預(yù)測(cè)礦體及礦體頂?shù)装逵克?，即首采?biāo)高-600～-1000m各標(biāo)高水平的礦床坑道涌水量。選用承壓—無(wú)壓完整式巷道雙邊進(jìn)水水平坑道計(jì)算公式。

(1)承壓—無(wú)壓完整式巷道雙邊進(jìn)水水平坑道計(jì)算公式[5，6]：

Qmax=3Q

式中：Q—坑道正常涌水量(m3/d)；B—坑道長(zhǎng)度(m)；K—滲透系數(shù)(m/d)；H—承壓水頭高度(m)；S—水位降深(m)；M—含水層厚度(m)；R0—引用影響半徑(m)；r0—坑道引用半徑(m)；Qmax—最大涌水量(m3/d)。

(2)計(jì)算參數(shù)的選?。築—開采坑道沿礦體走向開挖的長(zhǎng)度2200m；K—坑道滲透系數(shù)采用SZK202，SZK307，SZK403等9個(gè)水文孔礦層及礦層頂?shù)装寤旌铣樗囼?yàn)平均值確定，K=0.08m/d；H—各開采標(biāo)高根據(jù)各鉆孔平均穩(wěn)定水位高程50.51m計(jì)算；S—巷道需疏干，令S=H；r0—選用礦體平均寬度的一半，即為9.80m；M—根據(jù)水文地質(zhì)鉆孔統(tǒng)計(jì)各標(biāo)高段黑云變粒巖中揭露的含水層平均厚度(m)。

(3)預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)述：通過對(duì)坑道的充水因素分析，礦體及其頂、底板圍巖裂隙含水層以自身充水為主。預(yù)測(cè)坑道各水平涌水量結(jié)果(表1)。

4 相鄰礦床開采涌水量分析對(duì)比

會(huì)寶嶺鐵礦位于溝西鐵礦礦區(qū)西約1.5km，水文地質(zhì)條件相似，據(jù)2012年度正常生產(chǎn)的會(huì)寶嶺鐵礦礦坑涌水量資料：開采至-601m標(biāo)高，巷道長(zhǎng)度約2400m，礦井最大涌水量為18465.6m3/d(1月23日)，最小涌水量為13029.6m3/d(4月13日)，日平均涌水量為14687m3/d(表2)。

表1 坑道涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果

表2 會(huì)寶嶺鐵礦2012年度礦坑涌水量

由表2可知，會(huì)寶嶺鐵礦礦坑涌水量約為預(yù)測(cè)該勘探區(qū)礦坑最大涌水量的3倍，預(yù)測(cè)差異原因如下：①會(huì)寶嶺鐵礦區(qū)西側(cè)緊臨變質(zhì)巖裸露區(qū)，側(cè)向補(bǔ)給條件較好；勘探區(qū)離西部變質(zhì)巖裸露區(qū)距離較遠(yuǎn)，側(cè)向補(bǔ)給條件差。②會(huì)寶嶺鐵礦礦體埋藏較淺，蓋層較薄，易接受大氣降水補(bǔ)給；該勘探區(qū)蓋層相對(duì)較厚，有多層頁(yè)巖阻隔，不易接受大氣降水補(bǔ)給。③勘探區(qū)處于地下水徑流區(qū)下游，會(huì)寶嶺鐵礦處于地下水徑流區(qū)上游，由于會(huì)寶嶺鐵礦生產(chǎn)疏干排水，已對(duì)地下水徑流量(該勘探區(qū)地下水接收的補(bǔ)給量)進(jìn)行部分截流，導(dǎo)致該勘探區(qū)地下水補(bǔ)給量減少。④會(huì)寶嶺鐵礦巷道長(zhǎng)度略長(zhǎng)于該礦區(qū)巷道[7，8]。

5 結(jié)論

該礦床產(chǎn)于變質(zhì)巖系巖層中，為隱伏礦體，礦體呈陡傾斜的層狀，礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬于中等型。建議未來(lái)礦山企業(yè)在坑道設(shè)計(jì)、施工和開采過程中，上部礦體均應(yīng)留一定厚度的防水保安礦柱，保護(hù)好黑山官組頁(yè)巖的完整性不被破壞，防止蓋層裂隙巖溶水直接潰入坑道，做到“早預(yù)測(cè)早預(yù)防，有疑必探、先探后掘”的防治水原則，防止發(fā)生礦井突水災(zāi)害。

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