山東汶上東平地區(qū)李官集鐵礦床水文地質(zhì)特征及礦坑涌水量預(yù)測(cè)

韓 剛，魏新力，孫卓恒，江 海，楊冬銘，張東生

(1. 山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101； 2. 河南臻德工程檢測(cè)有限公司，河南 鄭州 450000； 3. 山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東 濟(jì)南 250000； 4. 山東正元冶達(dá)科技發(fā)展有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

1 礦區(qū)地質(zhì)

1.1 地層

山東汶上東平李官集鐵礦床為汶上—東平成礦帶的重要組成部分，礦區(qū)地表均被新生界第四系覆蓋，下伏基巖為泰山群山草峪組(Arts)變質(zhì)巖系。其中，太古界泰山群山草峪組(Arts)為一套中—深變質(zhì)巖系，巖系主要為黑云變粒巖、黑云片巖、斜長(zhǎng)角閃巖、條帶狀磁鐵角閃石英巖和條帶狀含磁鐵角閃石英巖。新生界第四系(Q)在礦區(qū)地表覆蓋較厚，最厚80 m，最薄為45 m，向北北西方向逐漸變厚，以耕植土、粘土、中粗砂、亞粘土等為主。此外，礦區(qū)內(nèi)風(fēng)化殼埋深45～103 m，標(biāo)高在0～-58 m處，厚度18～49 m，表層風(fēng)化成土狀和碎屑狀。

1.2 構(gòu)造

礦區(qū)構(gòu)造以北北西向和北北東向的斷裂構(gòu)造為主，伴生節(jié)理構(gòu)造。其中北北西向構(gòu)造呈大致平行狀分布，斷距150～400 m，屬于壓扭性斷裂，傾向南西，傾角約70(°)，其西盤下降，并相對(duì)依次向北西扭動(dòng)，東盤上升，并相對(duì)依次向南東扭動(dòng)。礦區(qū)北北東向斷層切割北北西向斷層，與其成“入”字型構(gòu)造，是礦區(qū)內(nèi)主要的破礦構(gòu)造；北北東向斷層傾向西，傾角70(°)～80(°)，張扭性質(zhì)顯著，相對(duì)富水。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)

2.1 水文地質(zhì)概況

礦區(qū)位于汶河沖積平原，地勢(shì)平坦，北高南低，地面標(biāo)高約45 m。小汶河經(jīng)礦區(qū)北部及西北部，由東北蜿蜒流向西南，為季節(jié)性河流，在雨季或上游放水時(shí)有水，其余時(shí)節(jié)基本干枯，對(duì)礦床充水無直接影響。礦區(qū)地層由第四系及泰山群變質(zhì)巖系組成，第四系巖性有粘土、中粗砂、亞粘土、粉土等，厚度約46.13～80 m，其中含水層為砂層，富水性強(qiáng)，為礦區(qū)主要含水層；泰山群變質(zhì)巖系由片巖、角閃巖、石英巖、變粒巖類組成，為一弱含水層。

2.2 含水層特征

礦區(qū)地層由第四系及泰山群變質(zhì)巖系組成，地下水分為第四系松散巖類水和泰山群變質(zhì)巖系裂隙水。

1)第四系松散巖類水含水層

礦區(qū)第四系松散巖類水為微承壓水，以沖積形成的中粗砂、粗砂為主，次為細(xì)砂、粉砂。埋藏在32 m以上，共分3層，總厚度1～16.80 m。礦區(qū)內(nèi)均有分布，東北部以第1層砂為主，其余地方以第2層砂為主，砂呈層狀，分布穩(wěn)定，第3層砂呈透鏡狀。含水層富水性受顆粒粗細(xì)及砂層厚度的控制，砂層越厚顆粒越粗涌水量越大，反之越小。單位涌水量49.798 m3/h·m，滲透系數(shù)80.648 m/d，水位埋深3.09 m，地下水流向大致為東北流向西南，局部因小汶河水的補(bǔ)給，流向有所改變。水質(zhì)為HCO3-Ca，礦化度小于0.518 g/L，水位變幅2.26～3.08 m。

2)泰山群變質(zhì)巖系裂隙水含水層

礦區(qū)變質(zhì)巖系均被第四系覆蓋，埋深46～79 m，主要有變粒巖、磁鐵礦，次為片巖、石英巖，為礦床的直接充水巖層，含裂隙承壓水。因變質(zhì)巖均有細(xì)粒物質(zhì)組成，其富水性與巖性關(guān)系不大，而與裂隙的規(guī)模、性質(zhì)、發(fā)育程度有密切關(guān)系。礦區(qū)以線性閉合裂隙為主，裂隙發(fā)育在-200 m標(biāo)高以上，局部深于-200 m標(biāo)高。鉆孔揭露風(fēng)化殼為上部-7.4～-63.2 m標(biāo)高為風(fēng)化殼，厚度45.0～55.8 m，發(fā)育著風(fēng)化裂隙，因巖石強(qiáng)烈風(fēng)化致使巖石松軟泥狀、碎屑狀、塊狀，風(fēng)化裂隙發(fā)育，故富水相對(duì)較強(qiáng)，單位涌水量0.001 41～0.044 8 m3/h·m，滲透系數(shù)0.050 3～0.168 m/d；風(fēng)化殼以下基巖裂隙仍較發(fā)育，因巖石較風(fēng)化殼相對(duì)堅(jiān)硬，無泥質(zhì)充填，單位涌水量0.000 465 m3/h·m，滲透系數(shù)0.001 73～0.059 4 m/d，小于風(fēng)化殼。礦區(qū)裂隙多屬壓性的閉合裂隙及剪裂隙，僅在局部構(gòu)造見角礫巖，或小型巖層錯(cuò)動(dòng)部位見到張裂隙，鉆孔中遇到此裂隙多數(shù)漏水，故造成富水性的不均一性或局部的富水。綜上所述，礦區(qū)裂隙承壓水為一弱含水層且富水性不均一，風(fēng)化殼富水性較弱，其下至-200 m標(biāo)高相對(duì)較強(qiáng)，-200 m標(biāo)高以下又變?nèi)酢?/p>

風(fēng)化殼單位涌水量0.001 41～0.044 8 m3/h·m，滲透系數(shù)0.050 3～0.168 m/d。其中，-220 m標(biāo)高單位涌水量0.000 465 m3/h·m，滲透系數(shù)0.001 73～0.059 4 m/d，小于風(fēng)化殼；-200 m標(biāo)高以下鉆孔1壓水試驗(yàn)試段透水率q=7.596 Lu，滲透系數(shù)為0.151 m/d；鉆孔2壓水試驗(yàn)試段透水率q=1.074 Lu，滲透系數(shù)0.005 6 m/d；水質(zhì)淺部為HCO3-Ca·SO4·Cl-Na·Mg水，深部為SO4·HCO3-Ca·Na，礦化度0.518～0.843 g/L，地下水流向大致由北向南流，水位變幅2.68～2.82 m。

2.3 隔水層特征

由第四系粘土、亞粘土、含姜石鈣質(zhì)亞粘土組成，礦床范圍內(nèi)埋藏在31 m以下，厚14.40～50.34 m。風(fēng)化殼表層巖石風(fēng)化成土狀，充填風(fēng)化裂隙，也起到隔水效果。此外，變質(zhì)巖系含水層在-300 m標(biāo)高以下也起到隔水效果。

2.4 含水層之間的水力聯(lián)系

第四系松散巖類水與變質(zhì)巖系裂隙水的水力聯(lián)系：第四系含水層底部為粘土、亞粘土隔水層，故第四系松散巖類水與泰山群變質(zhì)巖系裂隙水無水力聯(lián)系，經(jīng)過第四系及變質(zhì)巖風(fēng)化殼水抽水試驗(yàn)時(shí)，分別對(duì)第四系及變質(zhì)巖系含水層觀測(cè)，證實(shí)均無影響。

地表水與第四系水的水力聯(lián)系：由于第四系隔水層的阻隔，地表水與變質(zhì)巖系含水層無水力聯(lián)系。因礦區(qū)內(nèi)各含水層無水力聯(lián)系，故不會(huì)造成補(bǔ)給來源的增加，因此，礦床充水是穩(wěn)定的。

3 斷層含水特征及對(duì)礦床充水的意義

北北西向斷層傾向SW，東盤上升向南扭動(dòng)，西盤下降，向北扭動(dòng)，斷層兩盤均為泰山群變質(zhì)巖系和第三系弱含水層或隔水層，推測(cè)為一弱導(dǎo)水?dāng)鄬樱瑢?duì)礦床充水影響不大。

北北東向斷層位于礦區(qū)中部，將礦體切割為南北兩段，為張性斷層，通過含水微弱的泰山群變質(zhì)巖系，對(duì)礦體起破壞作用。北北東向斷層寬約50 m，見角礫巖、碎裂巖、碎裂狀黑云變粒巖，局部見斷層泥，在3#井巷道(標(biāo)高-320 m)施工中揭露該斷層，斷層附近有淋雨，斷層突水點(diǎn)水壓約1.0 MPa，水量約20 m3/h，隨后水量逐漸減小，水量基本穩(wěn)定在15～17 m3/h，因此斷層相對(duì)富水(見表1)。

表1 -320 m巷道突水流量及水壓統(tǒng)計(jì)

據(jù)礦區(qū)詳查資料中的抽水試驗(yàn)信息可知：當(dāng)主孔下降43.95 m，相距200 m斷層同側(cè)的觀測(cè)孔下降3.35 m，尚未穩(wěn)定，以6 cm/h的幅度繼續(xù)下降，當(dāng)主孔停抽后9 h內(nèi)，觀測(cè)孔仍在持續(xù)下降，證實(shí)北北東向斷層為一弱透水?dāng)鄬印?/p>

4 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

4.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)以及水文地質(zhì)特征可知：礦區(qū)主要為變質(zhì)巖系裂隙水含水層，巖石的成巖裂隙普遍發(fā)育但單個(gè)裂隙的規(guī)模很小，構(gòu)造裂隙受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)左右而略有表現(xiàn)，據(jù)此，可將本區(qū)該地下水運(yùn)動(dòng)等效為達(dá)西線性滲流[1-2]。據(jù)此，可將礦區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)近似的概化成三維多孔介質(zhì)滲流方程，采用下述數(shù)據(jù)模型公式預(yù)測(cè)礦坑涌水量。

式(1)中：T為導(dǎo)水系數(shù)；K為滲透系數(shù)；B為含水層底板標(biāo)高；S為儲(chǔ)水系數(shù)；Γ1為第1類補(bǔ)給邊界；φ為含水層一類邊界水頭標(biāo)高；μ為給水度；W為單位時(shí)間單位面積垂向流量，這里主要指巷道排水；H為含水層水頭。

4.2 定解條件

1)初始條件。礦區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的初始水位值由GMS軟件根據(jù)勘測(cè)孔實(shí)測(cè)水位及天然地下水流場(chǎng)坡度插值生成，采用的插值方法為地下水計(jì)算中常用的Kriging插值方法，調(diào)用的模塊為2D Scatter。

2)邊界條件。模擬以礦區(qū)為中心將邊界向南北和東西向各延伸3.7，4 km，均作第一類邊界條件處理。其中，北部邊界水頭取30 m，南部邊界為28 m。因模型頂部存在較厚的粘土隔水頂板，阻斷與上覆第四系含水層水力聯(lián)系，故模型區(qū)域上邊界取為零通量邊界[2-3]。因礦區(qū)底部現(xiàn)有鉆孔揭露情況中未見明顯隔水底板，據(jù)泰山群基巖裂隙發(fā)育情況，下邊界擬取為-400 m，同樣作零通量邊界處理。

4.3 礦床疏干討論

礦床疏干時(shí)地下水運(yùn)動(dòng)都屬于非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，這是因開采條件不斷變化所致。但在一些礦區(qū)長(zhǎng)期開采過程中，仍有相對(duì)的穩(wěn)定階段。在不同開采階段，地下水運(yùn)動(dòng)經(jīng)常在非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)間轉(zhuǎn)變[4-5]。礦山基建期，隨開拓井巷發(fā)展，疏干漏斗不斷擴(kuò)大，以消耗含水層的儲(chǔ)存量為主，疏干流場(chǎng)屬非穩(wěn)定流；回采期，井巷輪廓已定，當(dāng)以消耗補(bǔ)給量為主時(shí)，疏干流場(chǎng)符合穩(wěn)定流；當(dāng)仍以消耗存儲(chǔ)量為主時(shí)，礦坑涌水量漸減，疏干流場(chǎng)仍為非穩(wěn)定流。

4.4 數(shù)值模型及參數(shù)

本次模型采用GMS軟件通過modflow即有限差分方法求解數(shù)學(xué)模型，將連續(xù)的時(shí)間和空間劃分成一系列的離散網(wǎng)格。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行空間離散使用的是GMS中的3D Grid模塊，3D Grid模塊可以自動(dòng)將研究區(qū)含水層系統(tǒng)劃分為一個(gè)三維的網(wǎng)格系統(tǒng)。模擬區(qū)域?yàn)橐痪匦?如圖1所示)，礦區(qū)近似位于區(qū)域的中心，面積約為80 km2，模擬深度為-400 m。上邊界標(biāo)高取區(qū)內(nèi)粘土層的底板標(biāo)高，該模型平面劃分為80 m×100 m的單元格，垂直方向上按地層滲透性差別大致分為3層，在GMS中調(diào)用HUF子程序包對(duì)其進(jìn)行處理。

圖1 模擬區(qū)域邊界及地層示意

在對(duì)滲透系數(shù)的采用上，根據(jù)勘察資料中水文孔的抽水試驗(yàn)以及利用的資料成果，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，推薦滲透系數(shù)K值如表2所示。另外，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制較難取得同一試驗(yàn)的各向異性滲透系數(shù)，而是一個(gè)綜合滲透系數(shù)，故取K=Kxx=Kyy。

表2 模型各層滲透系數(shù)取值

4.5 礦區(qū)總涌水量預(yù)測(cè)模擬

在礦區(qū)現(xiàn)階段，井巷輪廓已定，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的疏干，流場(chǎng)可近似認(rèn)為穩(wěn)定流。根據(jù)水流連續(xù)原理，開采區(qū)的涌水量等于組成采區(qū)邊界各個(gè)單元的流量之和。據(jù)表1可知：現(xiàn)-320 m水平巷道內(nèi)出水點(diǎn)的水壓均為1.2 MPa左右，由此可估算出水頭值約為-200 m；根據(jù)本次選擇的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行穩(wěn)定流計(jì)算，進(jìn)而獲得此時(shí)的穩(wěn)定涌水量以及預(yù)測(cè)疏干水平標(biāo)高的穩(wěn)定涌水量(見表3)。

表3 各疏干水平穩(wěn)定涌水量

由表3可知：當(dāng)?shù)V區(qū)疏干水平標(biāo)高為-200 m時(shí)，平均穩(wěn)定涌水量為3 886.5 m3/d；當(dāng)?shù)V區(qū)疏干水平標(biāo)高為-320 m時(shí)，平均穩(wěn)定涌水量為4 485.3 m3/d。

5 結(jié) 論

1)第四系松散巖類水含水層的水質(zhì)為HCO3-Ca，礦化度小于0.518 g/L；泰山群變質(zhì)巖系裂隙水含水層的水質(zhì)淺部為HCO3-Ca·SO4·Cl-Na·Mg水，深部為SO4·HCO3-Ca·Na，礦化度0.518～0.843 g/L。

2)礦區(qū)內(nèi)北北西向斷層對(duì)礦床的充水影響不大，北北東向斷層為一弱含水層，且為破礦構(gòu)造。

3)經(jīng)過數(shù)學(xué)模型計(jì)算，礦區(qū)疏干水平標(biāo)高為-200 m時(shí)，平均穩(wěn)定涌水量為3 886.5 m3/d；當(dāng)?shù)V區(qū)疏干水平標(biāo)高為-320 m時(shí)，平均穩(wěn)定涌水量為4 485.3 m3/d。