召口礦水文地質(zhì)特征及防治水措施

郭超 牛學(xué)忠 張小笛

摘 要：召口礦地下水系統(tǒng)包括奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組、第四系砂礫石孔隙水含水巖組、石炭及二疊系砂頁巖裂隙含水巖組、閃長巖裂隙含水巖組；奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組是礦坑充水的主要來源；多年來礦山采用超前疏干排水的方法，保證了生產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：金嶺鐵礦 召口礦 水文地質(zhì)特征 奧陶系灰?guī)r 防治水

中圖分類號：TD741 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0073-02

大量研究表明，奧陶系灰?guī)r是一個強含水層，是礦山開采中主要的充水水源和礦井突水的巨大隱患[1]。金嶺鐵礦最早在20世紀70年代提出“兩層水”理論，召口礦床根據(jù)兩層水理論，采用“下層局部疏干法”治理礦坑水并取得了成功。隨著近年對厚層灰?guī)r各向異性的研究不斷深入，人們認識到奧陶系灰?guī)r巖溶水富水性的差異不僅表現(xiàn)在垂向上，而且也表現(xiàn)在平面上，是一個三維空間賦水不均一的含水層。該文通過對金嶺鐵礦召口礦區(qū)的地下水水文地質(zhì)特征進行分析，對奧陶系灰?guī)r賦水特征進一步研究，并結(jié)合礦井實際，確定相應(yīng)的探查方法和防治水對策，以期為同類礦山的安全防治水工作提供參考。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

金嶺鐵礦位于淄博市境內(nèi)，礦部設(shè)在張店區(qū)中埠鎮(zhèn)。召口礦區(qū)位于淄博市臨淄區(qū)鳳凰鎮(zhèn)西北5 km，是金嶺鐵礦區(qū)已進行開采的十幾處礦床之一。該區(qū)所處的大地構(gòu)造位置為華北陸塊（I）、魯西隆起（II）東北部、魯中隆起區(qū)（III）北部、泰山-沂山斷?。↖V）、鄒平-周村凹陷（V）北緣。區(qū)域構(gòu)造形態(tài)為一短軸背斜，核部為金嶺閃長巖雜巖體所占據(jù)，核部周圍為奧陶紀灰?guī)r包圍，張店逆斷層、湖田向斜、金嶺斷層及北高陽斷層分布于該區(qū)四周，區(qū)域水文地質(zhì)單元屬于魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)。地下水補給主要依靠大氣降水及上游徑流補給，地下水排泄條件為人工開采及向下游徑流排泄，處于徑流排泄區(qū)。

1.1 區(qū)域含水巖組及特征

礦區(qū)主要含水巖組為奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組和第四系砂礫石孔隙水含水巖組，次要含水巖組為石炭、二疊系砂頁巖裂隙含水巖組，閃長巖裂隙含水巖組。

1.1.1 奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組

灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組是主要含水巖組，厚度30～400 m，水位標高約-240 m。富水特征主要體現(xiàn)在平面上不均一，主徑流帶在古地形之溝谷和低洼處富水性好。剖面上富水性也不均一，靠近礦體的接觸帶附近，灰?guī)r底部裂隙及溶孔等被熱液礦物充填，富水性差，可分為四個帶。

I帶為巖溶裂隙充填帶：該帶在礦床內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定，天然狀態(tài)下，粘土充填程度較好，不含水，具有一定的隔水能力。該帶單位涌水量0.032～6.352 L/s·m，滲透系數(shù)0.626～1.562 m/d。

II帶為巖溶裂隙帶，巖溶裂隙較發(fā)育，很少充填，是主要富水段。該帶單位涌水量0.505～12.356 L/s·m，滲透系數(shù)5.012～32.568 m/d。

III帶裂隙帶，巖溶發(fā)育微弱，裂隙很少發(fā)育，是次要富水段。該帶單位涌水量0.006～2.356 L/s·m，滲透系數(shù)0.212～2.879 m/d。

IV帶熱液礦物充填帶，是礦體直接頂板，此帶廣泛分布，厚度較大，一般為100m左右，含水微弱，具有一定的隔水性。該帶單位涌水量0.002～0.687 L/s·m，滲透系數(shù)0.012～1.025 m/d。

礦區(qū)南部邊界是湖田向斜，其南北兩翼灰?guī)r地下水水力聯(lián)系甚弱，淄博盆地灰?guī)r地下水難以透過向斜軸部補給礦區(qū)灰?guī)r地下水，湖田向斜可以作為礦區(qū)南部和東南部的阻水屏障。

1.1.2 第四系砂礫石孔隙含水巖組

第四系砂礫石含水巖組為主要含水巖組，厚度5～20 m，水位標高約15 m。該含水巖組透水性好，含水較豐富，滲透系數(shù)25～100 m/d，單位涌水量約為12.75 L/s·m。第四系底部一般分布有一層粘土層與下伏基巖接觸，是天然的隔水巖組。北金召北礦床局部有第四系砂礫石層與基巖接觸，與石灰?guī)r含水巖組有水力聯(lián)系，但由于近年來礦山注漿堵水治理、礦山疏干排水等，地下水位大幅下降，礦床內(nèi)大部分地段已干涸，對礦床開采的威脅小。

1.1.3 石炭、二疊系砂頁巖裂隙含水巖組

該含水層富水性微弱，對礦床開采威脅小，為次要含水巖組。

1.1.4 閃長巖裂隙含水巖組

在閃長風(fēng)化裂隙帶內(nèi)透水且含水，但富水性微弱，作為礦體的直接底板為完整的閃長巖，故該含水巖組對礦床開采威脅小。

1.2 礦床水文地質(zhì)邊界條件

礦區(qū)南部邊界是湖田向斜，其南北兩翼灰?guī)r地下水水力聯(lián)系甚弱，淄博盆地灰?guī)r地下水難以透過向斜軸部補給礦區(qū)灰?guī)r地下水，湖田向斜可作為礦區(qū)南部和東南部的阻水屏障。

礦區(qū)東部邊界是金嶺斷層，盡管斷層南段是透水的，但斷層破碎帶并不富水，礦區(qū)灰?guī)r地下水也不會獲得斷層以東的大量補給，故金嶺斷層可以作為礦區(qū)東部隔水邊界，斷層對相鄰礦床開采不具充水意義。

礦區(qū)西部隔水邊界是張店斷層，礦區(qū)北部隔水邊界是北高陽斷層。

1.3 地下水的補給、徑流和排泄條件

區(qū)內(nèi)第四系砂礫石孔隙水的補給來源以大氣降水入滲為主，其次是上游地下水的徑流補給，農(nóng)業(yè)灌溉、地下徑流為其主要排泄途徑，地下水總體流向為自東南向西北徑流。

區(qū)內(nèi)灰?guī)r巖溶裂隙水補給來源為裸露區(qū)大氣降水入滲補給和上部第四系砂礫石孔隙水的少量補給，地下徑流、人工開采和礦井排水為其主要排泄途徑。

2 灰?guī)r各向異性分析及礦坑涌水量預(yù)測

2.1 灰?guī)r各向異性分析

通過對近年來礦區(qū)施工的各種探放水孔的水文地質(zhì)觀測，總結(jié)出礦區(qū)灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組的富水性和導(dǎo)水性具有以下特點：

（1）富水性在水平方向上具有不均勻性，鉆孔單位涌水量一般為0.3～4.0 L/s·m，最大可達64.81 L/s·m。

（2）富水性在垂直方向上表現(xiàn)為上強下弱，如北金召北礦床4-2A號孔灰?guī)r分段抽水試驗結(jié)果：上部段單位涌水量為10.9 L/s·m，下部段則為0.3 L/s·m，兩者相差30余倍。

（3）導(dǎo)水性在水平方向上具有方向性，一般沿灰?guī)r走向的導(dǎo)水性較強，而沿傾向方向?qū)暂^弱。

2.2 礦坑涌水量預(yù)測

召口礦區(qū)采礦許可證開采標高-100 m至-590 m，北金召礦床開拓至-570 m，北金召北礦床開拓至-430 m，本次對北金召礦床-590 m、北金召北礦床-470 m進行礦坑涌水量預(yù)測。

2.2.1 計算方法和公式的選擇

目前，北金召礦床開拓至-570 m，北金召北礦床開拓至-430 m，坑道為接力排水，根據(jù)以往的水文地質(zhì)資料，本次根據(jù)資料采用比擬法對北金召礦床-570 m礦坑涌水量、北金召北礦床-430 m礦坑涌水量進行預(yù)測。計算公式如下：

Q=Q0*（S/S0）1/2

式中：Q為預(yù)測中段的礦坑涌水量（m3/d）。

Q0為已知中段的礦坑涌水量。

S為預(yù)測中段地下水位降深值（m）。

S0為已知中段地下水位降深值（m）。

2.2.2 預(yù)測結(jié)果

根據(jù)礦山資料，北金召礦床開拓至-570 m礦坑平均涌水量為9904 m3/d，最大涌水量為10828 m3/d。本次預(yù)測北金召礦床-590 m礦坑平均涌水量為10200 m3/d，最大涌水量為11151 m3/d。其預(yù)測涌水量結(jié)果見表1。

根據(jù)礦山資料，北金召北礦床開拓至-430 m礦坑平均涌水量為4504 m3/d，最大涌水量為5188 m3/d。本次預(yù)測北金召北礦床-470 m礦坑正常涌水量為4955 m3/d，最大涌水量為5188 m3/d。期預(yù)測結(jié)果見表2。

3 防治水對策

合理的防治水方法必須與礦井的水文地質(zhì)條件相結(jié)合，并綜合考慮現(xiàn)有的技術(shù)條件等因素。通過對礦井水文地質(zhì)條件及充水因素的分析，結(jié)合實際的生產(chǎn)情況，確定采用預(yù)防為主，防治結(jié)合的原則進行防治水工作[2]。

3.1 地面防治水措施

地面防治水是預(yù)防礦井水災(zāi)的第一道防線。要做好地面防治水工作，要掌握地表水的性質(zhì)、特點及變化規(guī)律，其次要掌握本礦區(qū)的地形地貌及當(dāng)?shù)貧夂驐l件，要研究確定防治水措施及防排水工程[3]。

礦區(qū)地表水系不發(fā)育，主要接受大氣降水補給。礦山在采用井下機械強制排水的同時，還要做好以下防水措施：（1）防止井口灌水；（2）防止地表滲水；（3）防止地面積水；（4）加強雨季前的防汛工作。

結(jié)合召口礦實際，地面防治水主要采取4種措施：（1）加強地面防水工程的檢查，在雨季到來之前，對地面防水工程應(yīng)做全面檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理；（2）修建排水渠，排放積水，疏干地表水源；（3）注漿填堵塌陷坑、裂隙等地表透水通道；（4）充填、平整積水洼地。

3.2 地下防治水措施

3.2.1 做好水文地質(zhì)和觀測工作

（1）做好礦井水文地質(zhì)工作。

在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中，應(yīng)不斷積累和掌握水文地質(zhì)資料，根據(jù)資料不斷完善礦山的防治水措施。

（2）做好水文觀測工作。

①收集當(dāng)?shù)貧庀?、降水量等氣象水文資料，查明區(qū)域地表水體的分布水量和補給排泄條件，查明洪水泛濫的影響程度。

②在礦區(qū)內(nèi)設(shè)置水文觀測孔，觀測各種水源的水壓、水位和水量變化規(guī)律，查明礦井水的來源以及礦井水和地下水、地表水的補給關(guān)系。

③觀測礦井涌水量及其季節(jié)性變化規(guī)律。

3.2.2 井下探水

礦井建設(shè)和生產(chǎn)都必須堅持有疑必探、先探后掘的原則。探水時要采取相應(yīng)的安全措施。

建立突發(fā)事故處理應(yīng)急預(yù)案并進行技術(shù)演練，提高處理突發(fā)事故的總體能力，將重大安全突發(fā)事故的危害和影響降低到最低程度。特別是若周邊礦山均停止開采，地下水的補給必然大大增加，本礦山的涌水量也必然大幅度增加，必須對上述情況制定周全的應(yīng)急預(yù)案，確保萬無一失。

3.2.3 井筒掘進防治水措施

由于本區(qū)第四系地層中砂礫石含水層厚度較大，含水豐富，凡是穿過第四系的礦井施工，應(yīng)打工程孔驗證第四系地層厚度及含水情況，采用凍結(jié)法施工，第四系地層全程凍結(jié)。

3.2.4 地表鉆孔處理

由于本區(qū)第四系地層中砂礫石含水層厚度較大，含水豐富，地表鉆孔往往使第四系孔隙水含水層和奧陶系灰?guī)r裂隙含水層發(fā)生水力聯(lián)系。礦山在鉆探施工時，建議加強坑內(nèi)鉆的施工，如需地表施工鉆孔時，應(yīng)采取以下措施。

（1）在鉆探施工中，不管涌不涌水均須及時安裝止水器封堵。

（2）根據(jù)采礦需要，對部分特殊位置地表孔主動揭露處理。

（3）盡可能在較高水平截斷地表孔進行處理。

（4）對地表孔涌水堅持“只堵不放”的原則。

4 結(jié)論

（1）礦山利用奧陶系灰?guī)r含水層各項異性采用下層局部疏干法對礦坑水進行治理，取得了顯著的效果。

（2）目前北金召礦床開拓至-570 m礦坑平均涌水量為9904 m?/d，最大涌水量為10828 m?/d；北金召北礦床開拓至-430 m礦坑平均涌水量為4504 m?/d，最大涌水量為5188 m?/d。

本次預(yù)測北金召礦床-590 m礦坑平均涌水量為10200 m?/d，最大涌水量為11151 m?/d；北金召北礦床-470 m礦坑正常涌水量為4955 m?/d，最大涌水量為5188 m?/d。

（3）加強基建和生產(chǎn)期的水文地質(zhì)工作，對礦區(qū)水文地質(zhì)條件不清地段，必須堅持“超前疏干排水”的原則。

（4）礦山應(yīng)盡快建立第四系砂礫石孔隙水、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水的水位、水量、水質(zhì)等動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，密切關(guān)注地下水及水文地質(zhì)條件變化情況；同時盡快建立地表巖移監(jiān)測網(wǎng)，并堅持觀測，對資料隨時整理，發(fā)現(xiàn)異常及時采取應(yīng)對措施。

（5）礦山應(yīng)繼續(xù)加強對礦坑排水的監(jiān)測，對資料隨時整理，發(fā)現(xiàn)異常，及時采取應(yīng)對措施，以防意外事故發(fā)生。

（6）礦山在巷道開拓過程中，特別要注意避免遇到探礦鉆孔，如遇到鉆孔，及時采取措施治理，避免造成涌水事故。

參考文獻

[1] 劉啟人.我國巖溶充水礦床的基本水文地質(zhì)特征及巖溶水的防治與利用[J].中國巖溶，1988（4）：335-339.

[2] 崔海平，孫國棟，冀奉之.金嶺鐵礦礦山防治水實踐[J].山東冶金，2012（6）：5-6

[3] 袁長青.礦井水患的防治[J].煤炭技術(shù)，2007（4）：55-57.