安徽當涂楊莊鐵礦區礦坑涌水量預測

許 斌

(安徽省地質礦產勘查局324地質隊，安徽 池州 247100)

0 引言

在水文條件復雜的礦山，礦坑涌水是礦山開采所面臨的重要安全問題，同時也是礦井排水、礦山給排水合理設計依據[1-2]。安徽當涂楊莊鐵礦區位于當地侵蝕基準面以下，主要充水含水層屬于以裂隙為主的裂隙-巖溶含水巖組，富水性中—強，但礦床東、西、北面均為隔水邊界，補給條件差，礦床圍巖存在突水事故威脅，頂部分布有厚層砂礫石層，但與礦體之間隔有厚層隔水層，水力聯系微弱。文章通過解析法預計礦坑涌水量[3]，判斷礦區水文地質條件，為礦山建設提供有力支撐。

1 礦床類型及簡要地質特征

楊莊鐵礦礦床屬典型的玢巖型氣化-熱液交代為主的充填-接觸交代型鐵礦床。區域大地構造單元位于揚子準地臺、下揚子臺坳、沿江拱斷褶帶、安慶凹斷褶束，寧蕪中生代陸相火山巖盆地南段鐘姑山礦田內。礦區地層簡單，淺表均為第四系地層覆蓋。礦區內隱伏的前第四系地層主要為三疊系中統徐家山組(T2x)、黃馬青組(T2h)及侏羅系中下統象山群(J1-2xn)。構造較為簡單，礦床位于鐘姑山復背斜之次級褶皺——向陽向斜的北轉折端，斷裂構造不甚發育，未見明顯的斷裂構造，但層間裂隙較發育。巖漿巖主要為燕山期閃長(玢)巖、輝石閃長(玢)巖。出現的巖脈主要為輝綠玢巖巖脈、閃長玢巖巖脈。礦化以磁鐵礦化為主，其次赤鐵礦化、少量黃鐵礦化、黃銅礦化。圍巖蝕變強烈。常見蝕變為碳酸鹽化、矽卡巖化、鈉長石化等等。

2 水文地質

楊莊鐵礦區位于青弋江、水陽江河谷平原之河漫灘偏東北，西南距蕪湖市殘丘一階地區約12 km，東北距音山—和睦山丘陵一階地區約3 km，處在著名的鐘姑鐵礦田南面，東距姑山鐵礦2 km，東北距白象山鐵礦4 km，北距鐘九鐵礦2.5 km，西北距和睦山鐵礦3 km。礦區所在之河漫灘地帶，地形平坦，區內溝渠縱橫、池塘密布。礦區東面距青山河3 km，最低侵蝕基準面為+5.0 m(按青山河平均水位高程+4.72 m計)。

2.1 含水巖組

礦區含水巖組主要為第四系孔隙含水巖組(Ⅰ)、白堊系廣德組火山巖裂隙含水巖組(Ⅱ1)、侏羅系象山群砂巖裂隙含水巖組(Ⅱ0)、三疊系黃馬青組砂泥巖裂隙含水巖組(Ⅱ)、三疊系徐家山組砂泥巖、碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組(Ⅲ)和燕山晚期閃長巖裂隙含水巖組(Ⅳ)。

(1)第四系孔隙含水巖組，富水性中—強(Ⅰ)。

本組復蓋全礦區，埋藏深度0～50 m，最深75.5 m。地層產狀平緩且穩定，與鄰近礦區及區域具有很高對比性，自上而下：

全新統蕪湖組(Q4w)厚19～25 m，底板標高-12～-20 m，富水性中等。上部為粉質黏土，中部為薄層砂質黏土與黏質砂土、粉砂互層，鉆孔單位涌水量q=0.02 L/(s·m)，滲透系數k=0.05～0.07 m/d；下部為粉細砂局部夾粉土，q=0.26～0.83 L/(s·m)，k=1.82～2.01 m/d。水化學類型屬HCO3—Ca·Mg型，礦化度0.8 g/L。地下水位埋深0.5～2.0 m，水力性質為潛水。

上更新統大橋鎮組(Q3d)厚25～45.5 m，底板標高-43～-68 m，富水性強。上部為粉土質砂質黏土，厚10.25～12.7 m，k=0.04 m/d；下部為砂礫卵石層，頂部有時見薄層中細砂層，結構松散，厚10.25～20.5 m，為強透水的含水層，q=0.98～5.91 L/(s·m)，平均2.09 L/(s·m)，k=2.91～37.56 m/d。水化學類型屬HCO3·SO4—Ca·Mg型，礦化度1.05 g/L，水位埋琛1～3 m，水力性質為承壓水。

(2)白堊系廣德組火山巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅱ1)。

該組分布于礦區北部外側鐘九鐵礦區及東部外側姑山鐵礦區，呈層狀覆蓋在閃長巖體之上，對本礦坑充水無影響，屬次要含水層。巖性為火山巖及火山碎屑巖，最大厚度400 m。裂隙不發育，巖石較疏松，易軟化，q=0.0502 L/(s·m)，k=0.0727 m/d 。

(3)侏羅系象山群砂巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅱ0)。

該層僅分布于礦區東側的狹長地帶，覆蓋在黃馬青組之上，對礦坑充水無影響，屬次要含水巖組。巖性為層狀石英砂巖，q=0.02～0.1 L/(s·m)，k=0.02～0.8 m/d，富水性弱，水化學類型HCO3·SO4—Ca·Mg型。

(4)三疊系黃馬青組砂泥巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅱ)。

分布于全礦區，大部分埋伏于(Ⅰ)含水巖組之大橋鎮組砂礫卵石層之下，局部位于(Ⅱ0)含水巖組之下。巖性為粉砂質泥巖與泥質粉砂巖互層，層狀(中厚層狀為主夾薄層狀)構造，層面結構緊密。裂隙發育段分布于風化帶、層間破碎帶以及接觸帶。巖石多屬軟巖，泥化較重，巖芯破碎，多組閉合和充填裂隙發育(泥質、碳酸鈣質或鐵質充填)，偶見開口裂隙。經在ZKW1和ZKW3進行穩定流抽水試驗，ZKW1結果：q=0.017 L/(s·m)，k=4.7×10-3m/d；ZKW3結果：q=0.04 L/(s·m)，k=4.9×10-3m/d。水化學類型屬SO4—Ca·Na·Mg型，礦化度M=1.34 g/L。水力性質為承壓水。

(5)三疊系徐家山組砂泥巖、碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組，富水性中—強(Ⅲ)。

本組分布全礦區，上覆(Ⅱ)含水巖組。巖性主要為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和粉砂巖互層，夾白云質灰巖、泥灰巖，是主要成礦層。巖溶較發育，溶孔和晶洞直徑一般1～2 cm，溶洞直徑一般約1～2 m，溶蝕裂隙見于多組裂隙發育段，裂隙間距<5 cm。可將本含水巖組的富水性分區如下：

Ⅲ-3區：采用抽水試驗數據，q=2.72～3.41 L/(s·m)，k=1.3～5.10 m/d，富水性強；

Ⅲ-2區：采用抽水試驗數據，q=0.26～0.35 L/(s·m)，k=1.06～1.14 m/d，富水性中等；

Ⅲ-1區：采用鐘九礦區抽水資料，q=0.149 L/(s·m)，k=0.17 m/d，富水性中等偏弱。

本含水巖組水化學類型屬SO4—Ca·Mg型水，礦化度M=2.7～2.85 g/L，偏硅酸50～55 mg/L，水力性質屬承壓水。

(6)燕山晚期閃長巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅳ)。

本組分布全礦區，在礦區內均深埋于含水巖組(Ⅲ)之下。巖性為閃長巖。巖石強度軟至半堅硬。富水性弱至極弱，q=0.001～0.04 L/(s·m)，k=0.07～0.08 m/d。水化學類型屬HCO3·Cl—Na·Ca型，礦化度M=0.225 g/L，水力性質屬承壓水。

2.2 地下水補給、徑流、排泄條件及水力聯系

(1)補給：礦區地下水靠大氣降水補給。

(2)徑流。

地下徑流流向：礦區北、西外側的地下水總流向仍和地形起伏一致，由北北東的和睦山—前鐘山丘陵地流向南南西的河谷平原。但至礦區因受姑山鐵礦排水影響，致使地下徑流改變流向，由西北流向東南或自西向東注入姑山礦坑，礦區年地下徑流(包括第四系水和基巖水)流向是穩定的。

地下徑流狀態：降水入滲形成淺部和深部徑流，前者主要滲流在第四系孔隙含水巖組中，流程短、流動暢快，水循環周期短，水質屬重碳酸類型，礦化度較低(M<1 g/L)；后者滲流在各類基巖裂隙或裂隙-巖溶含水巖組中，流程長、流動緩慢，水質屬硫酸類型，礦化度偏高(M>1 g/L)，水循環周期長，礦區深部存在半封存的古地下水。

微動態：礦區地下逕流也受固體潮影響呈現日微動態特征。

(3)排泄。

楊莊鐵礦區地下水排泄形式，除部分由地下逕流排出礦區外，大部分由姑山鐵礦以排水形式排出地表。

(4)水力聯系。

從淺部至深部分述如下：

第四系孔隙含水巖組上部Q4w與下部Q3d之間有一層厚約10～12 m分布較穩定的黏性土層，平均滲透系數kCP=0.04 m/d(姑山礦第四系邊坡帷幕止水工程采用值)，屬相對隔水層，在天然狀態下兩者水力聯系不密切，上部水位埋深淺，常與地表水(稻田水)持平，而下部水位埋深則與基巖水位埋深基本一致。礦區長觀孔第四系水位是上、下部混合水位，因受上部淺水位制約，比基巖水位高1～2 m。在排水情況下基本上無水力聯系。

第四系孔隙含水巖組下部Q3d砂礫卵石層與下伏基巖裂隙含水巖組T2h、J1-2xn、δ等分別相接觸，兩者之間不存在隔水層，在天然狀態下水力聯系程度較弱。

象山群裂隙含水巖組(Ⅱ0)、黃馬青組裂隙含水巖組(Ⅱ)與徐家山組裂隙-巖溶含水巖組(Ⅲ)之間不存在絕對隔水層，具有統一的地下水位，兩者存在水力聯系，但聯系程度較差。

2.3 坑道充水因素分析

(1)地質因素：徐家山組裂隙-巖溶含水巖組中的地下水從含水層的破碎帶、節理密集帶經由坑道頂底板或掌子面直接涌入坑道，屬正常情況下的涌水量；含水斷層帶脈狀承壓水突入坑道，很可能形成突水事故；遇含水溶洞引起坑道突水[4]。

(2)人為因素：遇到未封的或沒有封好的鉆孔引起突水。

3 解析法預計礦坑涌水量

3.1 水文地質條件概化

綜上所述，本礦區主要充水含水巖組為三疊系中統徐家山組裂隙-巖溶含水巖組，富水性中—強。其東、西、北三面為燕山期閃長巖包圍，富水性弱—極弱，視為相對隔水層。

垂向上，礦區含水巖組為四層結構，分別為：Ⅰ——第四系孔隙含水巖組，富水性中—強；Ⅱ——三疊系黃馬青組裂隙含水巖組，富水性弱，視為相對隔水巖組；Ⅲ——三疊系徐家山組裂隙-巖溶含水巖組,富水性中—強；Ⅳ——燕山晚期閃長巖裂隙含水巖組，富水性弱，視為相對隔水巖組。

據此，用于礦坑涌水量預計的礦區水文地質條件概化模型：平面上為東、西、北三面直線隔水邊界，南面供水邊界(圖1)；剖面上為四層結構的水平含(隔)水層且底板及東、西兩壁或北壁為隔水邊界(圖2)。

圖1 礦坑涌水量預測平面概化圖

圖2 礦坑涌水量預測剖面概化圖

3.2 公式選擇

選用三面直線隔水邊界箱形映射的非穩定流承壓轉無壓公式：

(1)

式中：Q為礦坑涌水量， m3/d；k為滲透系數，m/d；H為承壓水頭高度，m；m為承壓含水層厚度，m；h0為大井中水位高度，m；a為導壓系數，m2·d-1；t為時間，d；b為平行隔水邊界的距離，m；b0、b1、b2為大井匯點距隔水邊界的距離，m；r0為大井半徑，m。

經映射，得數學原點(匯點)坐標為:

X=3 481 652.858，Y=41 233.447。

3.3 參數選擇

①承壓含水層厚度(m)：根據水文地質剖面線上各孔間面積加權平均求得m=269 m。

②滲透系數(k)：根據鉆孔非穩定流抽水試驗計算結果及分區面積加權求得k=2.12 m/d(表1)。

表1 礦區滲透系數分區計算表

③彈性釋水系數(μ*)：根據ZKW1、ZKW2、ZKW3非穩定流抽水試驗計算結果求得平均值μ*=0.0004。

④設計開采面積F：計算得礦體水平投影面積為F=1.59×106m2。

⑤有效裂隙率μ：根據各勘探線可見線巖溶率求得全礦區平均巖溶率μ=0.0103。

⑥大井半徑(r0)：根據礦體投影面積形狀，選擇r0=L/(2π)，計算得礦體水平投影多邊形周長L=6 191 m，r0=L/(2π)=986 m。

⑦承壓水頭高度H：取ZKW8基巖年平均水位值計算(平均水位標高為+3.86 m)；計算礦坑最大涌水量時，取ZKW8基巖水位最大者計算，為+4.25 m。

⑧時間t：與年水位平均值對應，取365 d；計算礦坑最大涌水量時，取豐水期時間153 d(5—9月)。

⑨大井中水位高度h0：按等于0計算。

⑩大井距隔水邊界的距離b0，b1，b2：在1∶10000基巖水文地質圖上量得。

3.4 涌水量預測結果

預測中采用的參數均為實測數據，解析法所選擇的理論公式，合乎礦區水文地質條件，但結果略偏大，即礦坑正常涌水量為16 900～26 000 m3/d，礦坑最大涌水量為40 900 m3/d(表2)。

表2 解析法預測礦坑正常和最大涌水量結果表

4 結論

(1)解析法預測的涌水量為進入巷道的正常的涌水量，不包括各種因素(斷層破碎帶、溶洞、未封鉆孔等)引起的突水水量及靜儲量。

(2)預測中采用的參數均為實測數據。解析法所選擇的理論公式，合乎礦區水文地質條件，但結果略偏大，即礦坑正常涌水量為16 900～26 000 m3/d，礦坑最大涌水量為40 900 m3/d。