召口礦水文地質特征及防治水措施

郭超 牛學忠 張小笛

摘 要：召口礦地下水系統包括奧陶系馬家溝組灰巖巖溶裂隙含水巖組、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；奧陶系馬家溝組灰巖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，保證了生產安全。

關鍵詞：金嶺鐵礦 召口礦 水文地質特征 奧陶系灰巖 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，奧陶系灰巖是一個強含水層，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。隨著近年對厚層灰巖各向異性的研究不斷深入，人們認識到奧陶系灰巖巖溶水富水性的差異不僅表現在垂向上，而且也表現在平面上，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的地下水水文地質特征進行分析，對奧陶系灰巖賦水特征進一步研究，并結合礦井實際，確定相應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 礦區水文地質概況

金嶺鐵礦位于淄博市境內，礦部設在張店區中埠鎮。召口礦區位于淄博市臨淄區鳳凰鎮西北5 km，是金嶺鐵礦區已進行開采的十幾處礦床之一。該區所處的大地構造位置為華北陸塊（I）、魯西隆起（II）東北部、魯中隆起區（III）北部、泰山-沂山斷隆（IV）、鄒平-周村凹陷（V）北緣。區域構造形態為一短軸背斜，核部為金嶺閃長巖雜巖體所占據，核部周圍為奧陶紀灰巖包圍，張店逆斷層、湖田向斜、金嶺斷層及北高陽斷層分布于該區四周，區域水文地質單元屬于魯西北平原松散巖類水文地質區。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。

1.1 區域含水巖組及特征

礦區主要含水巖組為奧陶系馬家溝組灰巖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 奧陶系馬家溝組灰巖巖溶裂隙含水巖組

灰巖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，灰巖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：該帶在礦床內發育穩定，天然狀態下，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0.626～1.562 m/d。

II帶為巖溶裂隙帶，巖溶裂隙較發育，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5.012～32.568 m/d。

III帶裂隙帶，巖溶發育微弱，裂隙很少發育，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0.012～1.025 m/d。

礦區南部邊界是湖田向斜，其南北兩翼灰巖地下水水力聯系甚弱，淄博盆地灰巖地下水難以透過向斜軸部補給礦區灰巖地下水，湖田向斜可以作為礦區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，與石灰巖含水巖組有水力聯系，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

在閃長風化裂隙帶內透水且含水，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 礦床水文地質邊界條件

礦區南部邊界是湖田向斜，其南北兩翼灰巖地下水水力聯系甚弱，淄博盆地灰巖地下水難以透過向斜軸部補給礦區灰巖地下水，湖田向斜可作為礦區南部和東南部的阻水屏障。

礦區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，礦區灰巖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東部隔水邊界，斷層對相鄰礦床開采不具充水意義。

礦區西部隔水邊界是張店斷層，礦區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

區內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，農業灌溉、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。

區內灰巖巖溶裂隙水補給來源為裸露區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 灰巖各向異性分析及礦坑涌水量預測

2.1 灰巖各向異性分析

通過對近年來礦區施工的各種探放水孔的水文地質觀測，總結出礦區灰巖巖溶裂隙含水巖組的富水性和導水性具有以下特點：

（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為上強下弱，如北金召北礦床4-2A號孔灰巖分段抽水試驗結果：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）導水性在水平方向上具有方向性，一般沿灰巖走向的導水性較強，而沿傾向方向導水性較弱。

2.2 礦坑涌水量預測

召口礦區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，根據以往的水文地質資料，本次根據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礦坑涌水量進行預測。計算公式如下：

Q=Q0*（S/S0）1/2

式中：Q為預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 預測結果

根據礦山資料，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。其預測涌水量結果見表1。

根據礦山資料，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。期預測結果見表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條件相結合，并綜合考慮現有的技術條件等因素。通過對礦井水文地質條件及充水因素的分析，結合實際的生產情況，確定采用預防為主，防治結合的原則進行防治水工作[2]。

3.1 地面防治水措施

地面防治水是預防礦井水災的第一道防線。要做好地面防治水工作，要掌握地表水的性質、特點及變化規律，其次要掌握本礦區的地形地貌及當地氣候條件，要研究確定防治水措施及防排水工程[3]。

礦區地表水系不發育，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，對地面防水工程應做全面檢查，發現問題及時處理；（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 做好水文地質和觀測工作

（1）做好礦井水文地質工作。

在礦井建設和生產過程中，應不斷積累和掌握水文地質資料，根據資料不斷完善礦山的防治水措施。

（2）做好水文觀測工作。

①收集當地氣象、降水量等氣象水文資料，查明區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在礦區內設置水文觀測孔，觀測各種水源的水壓、水位和水量變化規律，查明礦井水的來源以及礦井水和地下水、地表水的補給關系。

③觀測礦井涌水量及其季節性變化規律。

3.2.2 井下探水

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

建立突發事故處理應急預案并進行技術演練，提高處理突發事故的總體能力，將重大安全突發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急預案，確保萬無一失。

3.2.3 井筒掘進防治水措施

由于本區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，應打工程孔驗證第四系地層厚度及含水情況，采用凍結法施工，第四系地層全程凍結。

3.2.4 地表鉆孔處理

由于本區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巖裂隙含水層發生水力聯系。礦山在鉆探施工時，建議加強坑內鉆的施工，如需地表施工鉆孔時，應采取以下措施。

（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 結論

（1）礦山利用奧陶系灰巖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）加強基建和生產期的水文地質工作，對礦區水文地質條件不清地段，必須堅持“超前疏干排水”的原則。

（4）礦山應盡快建立第四系砂礫石孔隙水、奧陶系灰巖巖溶裂隙水的水位、水量、水質等動態監測系統，密切關注地下水及水文地質條件變化情況；同時盡快建立地表巖移監測網，并堅持觀測，對資料隨時整理，發現異常及時采取應對措施。

（5）礦山應繼續加強對礦坑排水的監測，對資料隨時整理，發現異常，及時采取應對措施，以防意外事故發生。

（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，2007（4）：55-57.