山東省蒼山縣溝西-西官莊鐵礦溝西礦區水文地質特征及涌水量預測

朱昶，許錦亮，劉邦軍，張立，馬騰，宋帥良

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州 272100)

1 地質背景

蒼山縣溝西-西官莊地區賦存有隱伏的鞍山式低品位鐵礦，礦床規模大，礦體產出穩定，礦石質量較好。地質勘探共施工51個地質鉆孔，9個水文地質孔，圈定了2條主礦帶4個礦體(N①，N②，S①，S②)，礦帶延伸長度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t[注]①山東省魯南地質工程勘察院，唐好生、安仰生、朱昶等，山東省蒼山縣溝西-西官莊礦區溝西礦段鐵礦勘探報告，2012年12月。。對勘探施工的51個地質孔全部進行了簡易水文地質編錄，9個水文地質孔進行分層抽水試驗。

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。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。

2 礦區水文地質條件

2.1 地形地貌

礦區位于魯中臺隆的南部丘陵區，地形西高東低，礦區西部二青山最高點標高+218.10m，東南部雙山屯南最低點標高+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。礦區面積約15.50km2。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。

2.2 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1.97億m3。

2.3 含水層

因巖性、地質時代及富水程度不同和鉆孔抽水試驗[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)長清群饅頭組裂隙巖溶含水層：巖性主要為灰巖夾頁巖、云斑灰巖，巖層傾向SE，傾角10°～12°，含水層厚度平均55m，巖溶裂隙較發育，大部分隱伏于第四系之下，大氣降水為主要補給來源，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，為中等至強富水含水層[3]。水化學類型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，對礦床開采無影響。

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

(3)長清群李官組裂隙巖溶含水巖層：為礦區主要含水巖層，巖性為石英砂巖，分布在整個礦區的上部至中深部，7線以西出露地表，礦區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。該組對礦床開采無直接影響。

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

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

2.4.1 長清群朱砂洞組余糧村頁巖隔水層

該隔水層由紫色頁巖組成，巖層平均厚55.70m，最厚86.50m，自西向東逐漸增厚，西部由于剝蝕嚴重，厚度只有12.00m，全區發育，巖石完整，結構較為致密，裂隙不發育，單位涌水量小于0.001L/s·m，富水性極微弱，相對具較好阻水作用，為良好的隔水層。

2.4.2 佟家莊組二青山組粉砂巖頁巖隔水層

隔水層主要由較厚的頁巖組成，其次為粉砂巖，分布于全礦床，巖層穩定、連續，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，相對隔阻水。

2.4.3 黑山官組頁巖隔水層

該隔水層由黑山官組頁巖及底礫巖組成，礦區內巖層厚度最厚為7.05m，平均厚度2.83m。巖石結構較為致密，裂隙不發育，起到一定的隔水作用，為局部發育的隔水層。

2.5 斷層構造水文地質特征

區內斷裂構造較發育,主要為棗莊斷裂(F8)及其次級派生構造(F1，F2，F3，F4，F5，F6和F7斷層)，斷裂構造對地下水有較強的控制作用[4]。

F1，F2斷層：位于礦區西北部，其中F1斷層走向25°，延伸長度約1.4km，F2斷層走向35°，延伸長度約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，隨季節變化差異明顯。斷層最大斷深至蓋層的底部，對礦體沒有影響。

F3，F4斷層：位于礦區西部，其中F3斷層走向35°～60°，延伸長2.1km，F4斷層走向35°，延伸長1.2km，兩斷層出露地表，平行產出，傾向NW，傾角約60°。近斷裂處礦體走向略有改變，扭曲現象明顯，礦石較破碎，距離礦床較遠，對礦床開采無影響。

F5斷層：位于礦區中西部，多出露地表，局部為第四系覆蓋，延伸長度約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，帶內角礫巖發育，該斷層南段較窄，裂隙發育，為導水、透水斷層，礦層有錯動現象，對礦床開采將產生一定影響。

F6斷層：位于礦區中部，多為第四系覆蓋，北部出露地表，延伸長度約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110m，水平斷距22～80m，斷層切穿了礦區含礦地層及南北兩礦帶。通過SZK403鉆孔抽水試驗觀測資料分析，F6斷層以西觀測井與抽水孔產生水位同步下降，說明斷層透水性較好，對礦床開采將產生一定影響。

F7斷層：位于礦區中東部，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。該斷層易對礦坑充水產生威脅，礦床開采不可揭露該斷層。

棗莊斷裂(F8)：由礦區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500m，發育斷層角礫巖和斷層泥，泥質、鈣質膠結，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，形成區域范圍內地下水徑流排泄最低排泄點，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系

礦區內會寶嶺水庫為礦區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，總庫容1.97億m3；水庫與礦床之間有一近NNE走向的丘陵山脈，標高88.9～100.20m，丘陵山脈標高高于水庫防洪水位標高，由于丘陵的阻隔，水庫水不會溢入礦床內。礦區西側白水牛石斷層由水庫東部穿過，斷層破碎帶內夾有約4m厚的斷層泥，在低凹處滴水潤濕現象，極微弱透水。阻隔了會寶嶺水庫水與礦床各含水層的直接水力聯系。

2.7 大氣降水的影響

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。

3 坑道涌水量預測

3.1 礦床充水因素分析

礦床產于變質巖系巖層中，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；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采礦坑道產生充水危害，將產生一定影響；礦床內分布有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，斷層延伸規模較大，構造破碎帶裂隙發育，其富水性較強，構造對礦床開采會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，按區域水文地質條件評價，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，形成一個完整的水文地質單元邊界條件的模型，做為該次涌水量預測范圍邊界條件(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，溝西礦段均視為相對隔水底板的雙邊進水無限邊界承壓水完整井水文地質模型。

3.3 計算公式選擇

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，根據水文地質編錄情況，上部沉積蓋層較厚，由于頁巖隔水層的阻隔，蓋層地下水與礦體頂底板含水層聯系微弱，該次只預測礦體及礦體頂底板涌水量，即首采標高-600～-1000m各標高水平的礦床坑道涌水量。選用承壓—無壓完整式巷道雙邊進水水平坑道計算公式。

(1)承壓—無壓完整式巷道雙邊進水水平坑道計算公式[5，6]：

Qmax=3Q

式中：Q—坑道正常涌水量(m3/d)；B—坑道長度(m)；K—滲透系數(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)計算參數的選取：B—開采坑道沿礦體走向開挖的長度2200m；K—坑道滲透系數采用SZK202，SZK307，SZK403等9個水文孔礦層及礦層頂底板混合抽水試驗平均值確定，K=0.08m/d；H—各開采標高根據各鉆孔平均穩定水位高程50.51m計算；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—根據水文地質鉆孔統計各標高段黑云變粒巖中揭露的含水層平均厚度(m)。

(3)預測結果評述：通過對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。預測坑道各水平涌水量結果(表1)。

4 相鄰礦床開采涌水量分析對比

會寶嶺鐵礦位于溝西鐵礦礦區西約1.5km，水文地質條件相似，據2012年度正常生產的會寶嶺鐵礦礦坑涌水量資料：開采至-601m標高，巷道長度約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 坑道涌水量預測結果

表2 會寶嶺鐵礦2012年度礦坑涌水量

由表2可知，會寶嶺鐵礦礦坑涌水量約為預測該勘探區礦坑最大涌水量的3倍，預測差異原因如下：①會寶嶺鐵礦區西側緊臨變質巖裸露區，側向補給條件較好；勘探區離西部變質巖裸露區距離較遠，側向補給條件差。②會寶嶺鐵礦礦體埋藏較淺，蓋層較薄，易接受大氣降水補給；該勘探區蓋層相對較厚，有多層頁巖阻隔，不易接受大氣降水補給。③勘探區處于地下水徑流區下游，會寶嶺鐵礦處于地下水徑流區上游，由于會寶嶺鐵礦生產疏干排水，已對地下水徑流量(該勘探區地下水接收的補給量)進行部分截流，導致該勘探區地下水補給量減少。④會寶嶺鐵礦巷道長度略長于該礦區巷道[7，8]。

5 結論

該礦床產于變質巖系巖層中，為隱伏礦體，礦體呈陡傾斜的層狀，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、施工和開采過程中，上部礦體均應留一定厚度的防水保安礦柱，保護好黑山官組頁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“早預測早預防，有疑必探、先探后掘”的防治水原則，防止發生礦井突水災害。

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