蒼嶧鐵礦帶蒼山縣溝西-西官莊礦區溝西礦段(鳳凰山鐵礦)主井井筒檢查孔水文地質特征分析

朱昶

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州 272100)

0 引言

為今后鐵礦礦山資源開發利用及鐵礦防治水方案提供參考，減少礦山施工過程中遇有裂隙巖溶含水層而發生突水事故，對施工主井、副井、進風井、東風井和西風井井筒檢查孔進行了水文地質編錄和分層抽水試驗[注]①山東省魯南地質工程勘察院，臨沂礦業集團有限責任公司鳳凰山鐵礦主井井筒檢查孔水文地質工程地質勘察報告，2013年。，以主井井筒檢查孔為例，對豎井井筒檢查孔進行水文地質特征分析。

蒼山縣鳳凰山鐵礦隸屬臨沂礦業集團有限責任公司，行政區劃屬山東省蒼山縣尚沿鎮，為隱伏的鞍山式低品位鐵礦，礦床規模大，礦石質量較好。礦區地層由老到新主要為新太古代泰山巖群山草峪組，新元古代青白口紀土門群黑山官組、二青山組和震旦紀土門群佟家莊組，古生代寒武紀長清群李官組、朱砂洞組、饅頭組[注]②山東省魯南地質工程勘察院，山東省蒼山縣溝西-西官莊礦區溝西礦段鐵礦勘探報告，2012年。。第四系分布于山前平地及溝谷兩側。泰山巖群山草峪組是(鞍山式)鐵礦的賦存層位[1]。

對施工主井、副井、進風井、東風井和西風井井筒檢查孔進行了水文地質編錄和分層抽水試驗，以主井井筒檢查孔為例，闡述分析其水文地質特征。

1 水文地質條件

1.1 地形地貌

礦區位于魯中臺隆的南部丘陵區，地形西高東低，礦區西部最高點標高+218.10m，東南部最低點標高+41.50m。東北及南部為剝蝕沖洪積地形，地勢較平坦，標高+40.70～+88.80m。當地最低侵蝕基準面標高+47.50m，該礦床礦體位于當地最低侵蝕基準面之下。

1.2 氣象水文

區內氣象屬暖溫帶季風半濕潤氣候，四季分明，多年平均氣溫13.2℃。多年平均降水量787.7mm(1958—2011年)；年平均蒸發量1385.9mm，最大凍土深度31cm。

礦區內地表水不發育，會寶嶺水庫位于礦區北西約4.5km，為區外最大的地表水體，防洪水位高程78.25m，總庫容2.09億m3。

1.3 含(隔)水性

1.3.1 朱砂洞組灰巖含水段

含水段分為上灰巖、余糧村頁巖、下灰巖，分布于第四系之下、蓋層的上部，裂隙不發育或較發育，鉆進過程中沖洗液消耗量2376～4752L/h，孔內不返水，鉆孔單位涌水量0.185L/s·m，為中等富水潛水含水層[4]。地下水水化學類型為HCO3-Ca型水，礦化度小于0.52g/L。

1.3.2 石英砂巖含水層

由石英砂巖與泥灰巖組成，裂隙發育，鉆進過程中沖洗液消耗量3960～6336L/h。井檢孔含水層埋深144.55～247.40m，井檢孔單位涌水量0.26L/s·m，為中等富水承壓水含水層[2]。地下水水化學類型為HCO3-Ca型水，礦化度小于0.51g/L。

1.3.3 石英砂巖、粉砂巖、含海綠石石英砂巖含水段

含水段共分2段，采用混合抽水試驗，含水層埋深247.40～523.30m，均為承壓含水層，分布在蓋層的中部及底部,半張性裂隙不發育,均為閉合裂隙,井檢孔地下水位埋深8.20m，含水層埋深511.45～523.30m，鉆孔單位涌水量0.0047L/s·m，由于含水層補給來源差，含水極差，為弱富水含水層,水化學類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度小于0.689g/L。

1.3.4 隔水層

埋深525.80～1092.00m，為承壓含水層,巖性為頁巖、黑云變粒巖、黑云角閃片巖及磁鐵角閃石英巖等，鉆孔單位涌水量0.057～0.175L/s·m，水化學類型為HCO3-Ca或HCO3·SO4-Ca·Na型水，礦化度1.42～1.96g/L。該含水層巖石裂隙多為閉合型裂隙，含水性微弱，阻隔水性較好。

綜合分析，水文地質鉆孔由于巖性變化及裂隙發育不均一，含水層的水文地質條件不同，造成涌水量有所不相同，含水層的補給條件及裂隙發育不均一是制約水量大小的主要因素。

1.4 斷層構造水文地質特征

井檢孔附近地層走向近SN，向南東緩傾斜的單斜構造，地層傾角一般在10°～12°。根據物探及地質勘探資料：F6斷層位于井檢孔的東部120m，走向NE,傾向NW，傾角49°～80°,為高角度透水正斷層，鉆孔未有揭露；位于井檢孔東F7斷層，距離1160m，斷層走向NE，傾向NW，傾角63°，為一阻水性斷裂，該斷層距井檢孔較遠，主井施工不會對斷層產生影響。

上部蓋層石英砂巖、灰巖、含海綠石石英砂巖裂隙發育，裂隙頻率一般5～8條/m，下部基巖局部破碎段，是由于區內泰山巖群變質地層經過強烈的變質變形作用形成了一系列復式倒轉似背斜和復式倒轉似向斜，基底發育褶皺構造的擠壓影響所致。

1.5 大氣降水與礦坑充水的影響

大氣降水是該區地下水主要補給來源，降水一般集中在每年的7，8，9月份。根據地下水動態觀測資料分析，最高水位標高47.84m，最低水位標高43.15m，礦區內地形起伏較大，地形坡降大于6×10-3，地表徑流快，不利于大氣降水的入滲，因頁巖泥灰巖裂隙不發育，隔水性較好，大氣降水間接性補給礦坑地下水比較慢也比較弱，不會直接對礦坑產生充水危害。

2 井檢孔涌水量計算

2.1 水文地質試驗

抽水試驗段共劃分為4段，采用穩定流抽水試驗[3](圖1—圖4)，從4張曲線圖中可以看出，水位降深與涌水量均比較穩定，黑云變粒巖段單位涌水量最小，其他試驗段涌水量自上而下逐漸增大，單位涌水量也隨之增大，石英砂巖段抽水試驗經計算滲透系數最大，裂隙發育，為較好的含水段。

圖1 上部灰巖段抽水試驗段QS-f(t)曲線

圖2 石英砂巖段抽水試驗段QS-f(t)曲線

圖3 粉砂巖、頁巖抽水試驗段QS-f(t)曲線

圖4 黑云變粒巖段抽水試驗段QS-f(t)曲線

2.2 井筒涌水量預測評價

2.2.1 水文地質參數的確定

井檢孔位于南礦帶的底板黑云變粒巖中。井檢孔抽水試驗證明，上部灰巖及石英砂巖含水層水量較大，佟家莊組粉砂巖、二青山組頁巖、灰巖及含海綠石石英砂巖含水層水文地質條件補給差。雖然上

部第四系覆蓋，朱砂洞組灰巖受季節性影響水位變化較大，采用潛水完整井計算；李官組石英砂巖承壓水含水層，抽水時未完全揭露含水層底板，采用承壓非完整井計算；佟家莊組、二青山組承壓含水層，采用承壓完整井計算；黑云變粒巖含水段均采用無限邊界承壓完整井公式計算[4，5]。

潛水完整井公式：

承壓非完整井公式：

承壓完整井公式：

式中：Q—流量(m3/d)；K—滲透系數(m/d)；R—影響半徑(m)；r—鉆孔半徑(m)；M—含水層厚度(m)；S—水位降深(m)；H—水柱高度(m)；ξ—阻力系數。

各含水段的水文地質參數計算結果見表1。

表1 鉆孔抽水試驗計算成果

2.2.2 井筒(荒徑)涌水量預計

上部蓋層灰巖選擇直線隔水邊界潛水完整井，石英砂巖采用承壓轉無壓直線隔水邊界完整井計算，中下部粉砂巖、頁巖及黑云變粒巖影響范圍較小，蓋層選擇無限邊界承壓轉無壓完整井公式計算[4，5]。

隔水邊界潛水完整井：

承壓轉無壓隔水邊界完整井：

承壓轉無壓無限邊界完整井：

最大涌水量：Q大=3Q

式中：Q—井筒預計涌水量(m3/d)；Q大—井筒最大涌水量(m3/d)；K—平均滲透系數(m/d)；R—影響半徑(m)；r—井筒半徑(荒井半徑)(3.50m)；M—含水層厚度(m)；S—靜止水位至含水層底板的降距(m)；H—水柱高度(m)；d—井筒到斷層的距離1160m。主井井筒(荒徑)涌水量預計結果見表2。

表2 井筒涌水量預計結果

2.3 注漿段的確定

井筒檢查孔產生充水現象且巖石破碎段為:58.65～63.95m，128.95～144.55m，157.95～169.70m，328.90～345.15m。上部灰巖及石英砂巖段，含水層水量較大，在井筒設計施工中應引起足夠的重視，采取注漿或圍幕護壁的方法予以解決。

3 結論

該礦床產于變質巖系巖層中，為隱伏礦體，礦區水文地質條件屬于中等型。建議未來礦山企業在坑道設計和施工過程中，應提前打入探水孔，做到“早預測早預防，有疑必探、先探后掘”的防治水原則[6]。

致謝：山東省魯南地質工程勘察院陳占成研究員審閱全文并給予取予悉心指導和幫助。

參考文獻：

[1] 張增奇，劉明渭．山東省巖石地層[M]．武漢：中國地質大學出版社，1996．

[2] GB12719-91．礦區水文地質工程地質勘探規范[S]．

[3] 薛禹群，朱學愚．地下水動力學[M]．北京：地質出版社，1978．

[4] 地質礦產部水文地質工程地質技術方法研究隊．水文地質手冊[M]．北京：地質出版社，1985：716-757．

[5] 供水水文地質手冊編寫組．供水水文地質手冊第二冊水文地質計算[M]．北京：地質出版社，1985．

[6] 謝軍民，姜文娟．棲霞香夼東部石灰巖礦區水文地質條件分析[J]．山東國土資源，2012，28(10)：33-37．