山東蘭陵土山隱伏鐵礦床充水因素及涌水量預(yù)測(cè)

李 軍，宋月梅，陳麗靜，王 娜

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì))，山東 濟(jì)寧272100)

山東蘭陵縣土山鐵礦床為深隱伏沉積變質(zhì)巖型(鞍山式)鐵礦床，鐵礦石資源量2320.2萬t，為一中型鐵礦床，目前礦山處于開采初期。礦山東側(cè)緊鄰蘭陵縣智造產(chǎn)業(yè)園，北距206國(guó)道1.5km，南部距嵐曹縣高速峨山出入口5km，交通便利。礦床距地表水體后大窯水庫較近，且斷裂構(gòu)造發(fā)育，對(duì)礦床充水因素進(jìn)行分析及涌水量預(yù)測(cè)十分重要，為礦山深部的開采提供參考資料。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)背景

1.1 地形地貌及水文

礦區(qū)位于蒼嶧鐵礦帶中部低山丘陵區(qū)，礦區(qū)面積約0.92km2，地形中間高四周低，土山山頂為區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)，標(biāo)高+137.90m，最低點(diǎn)標(biāo)高(當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面)+61.50m，本礦體位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下；礦區(qū)及附近唯一地表水體為后大窯水庫，緊鄰礦區(qū)東邊界，為區(qū)域最大地表水體，水庫控制流域面積3.03km2，設(shè)計(jì)水位76.57m，興利庫容88.8萬m3，總庫容145萬m3。

1.2 含(隔)水層特征

1.2.1 含水層特征

(2)南華紀(jì)二青山組(Nh1e)灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙含水層：分布于礦區(qū)大部分地區(qū)，西部出露于地表，為礦床主要含水巖層，灰?guī)r、含海綠石石英砂巖等組成，整合于二青山組頁巖隔水層之下。主要富水含水巖層厚12.10m～18.80m，埋深50.40m～170.20m，含水層單位涌水量0.0612 L/s·m～0.094L/s·m，富水性較弱；滲透系數(shù)0.399m/d～0.55m/d，透水性稍差。

1.2.2 相對(duì)隔水層特征

(1)南華紀(jì)佟家莊組(Nh2-3t)粉砂巖-二青山組(Nh1e)頁巖隔水層：位于礦區(qū)中東部，整合于李官組石英砂巖裂隙含水層之下(圖1、圖2)，由粉砂巖和頁巖組成，隔水層較厚，厚40m～100m。自西向東逐漸增厚，是良好的隔水層，尤其是二青山組頁巖隔水好。

(2)青白口紀(jì)黑山官組(Qbh)頁巖隔水層：平行不整合于二青山組含海綠石石英砂巖巖溶裂隙含水層下，厚度1.35m～6.40m。巖石結(jié)構(gòu)致密，裂隙弱發(fā)育，為隔水層，隔水效果較好。

圖1 礦區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖

1.3 斷層構(gòu)造水文地質(zhì)特征

礦區(qū)內(nèi)有6條斷層，其中F1斷層(白水牛石斷層)為區(qū)域上較大的斷裂，其余5條斷裂為F1斷裂的次級(jí)斷裂。

F1(白水牛石斷層)：位于礦區(qū)東部，呈近南北走向的正斷層，傾向西，傾角55°～65°。為礦床的東部自然邊界。斷層破碎帶寬度20m～40m，帶內(nèi)碎裂巖、角礫巖以及糜棱巖較為發(fā)育。破碎帶頂部為會(huì)寶嶺水庫。破碎帶膠結(jié)較差、兩壁一頂較為潮濕，局部見滴水或滲水現(xiàn)象，尚未見大的出水點(diǎn)。初步判斷有一定的導(dǎo)水性，建議下一步開采時(shí)預(yù)留足夠的防水礦柱。

F2斷層：位于礦區(qū)東部，白水牛石斷裂次生構(gòu)造，產(chǎn)狀201°∠80°，破碎帶寬0.15m～0.30m，帶內(nèi)角礫泥質(zhì)膠結(jié)，裂隙較發(fā)育。兩壁一頂較為潮濕，偶見滴水現(xiàn)象。初步判斷導(dǎo)水性微弱。

F3斷層切割較深，將礦體切割錯(cuò)斷成兩部分。斷層及其兩側(cè)破碎帶見有滴水或淋水現(xiàn)狀，各出水點(diǎn)水量1m3/d～5m3/d，斷層具有弱導(dǎo)水性。

F4斷層傾向東，傾角82°～85°，斷層未切割礦體，水文地質(zhì)意義不大；F5斷層傾向西，傾角85°，斷層未切割礦體，水文地質(zhì)意義不大；F6斷層位于礦區(qū)西北部，產(chǎn)狀328°∠75°，斷層規(guī)模相對(duì)較小，延伸較淺，且離礦床較遠(yuǎn)，不會(huì)影響到礦床開采，水文地質(zhì)意義不大。

2 礦床充水因素分析

2.1 大氣降水及地表水體對(duì)礦坑充水的影響

大氣降水是本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源，由于地形坡降大于13‰，地表徑流快，不利于大氣降水的入滲，大氣降水間接性補(bǔ)給礦坑地下水比較慢。礦體雖位于侵蝕基準(zhǔn)面以下，但地形有利于自然排水，大氣降水及地表水體不構(gòu)成礦床充水的主要因素。

圖2 水文地質(zhì)條件剖面示意圖

2.2 導(dǎo)水構(gòu)造對(duì)礦坑充水的影響

礦區(qū)有6條斷層，其中F4、F5、F6斷層未切割礦體且距礦體較遠(yuǎn)，不會(huì)對(duì)礦坑充水產(chǎn)生危害。

F1斷層為區(qū)域上大斷層，破碎帶頂部為會(huì)寶嶺水庫，通過井下調(diào)查，初步判斷有一定的透水性，建議下一步開采時(shí)預(yù)留足夠的防水礦柱。

F3斷層、F4斷層具有微弱透水作用，溝通了變質(zhì)巖裂隙水和蓋層水的水力聯(lián)系，但根據(jù)井下實(shí)際調(diào)查結(jié)果，F(xiàn)3斷層、F4斷層導(dǎo)水性較弱，一般不會(huì)對(duì)坑道產(chǎn)生突水危害。

2.3 李官組砂巖裂隙含水層對(duì)礦坑充水的影響

該含水層與礦床之間由二青山組頁巖、黑山官組頁巖隔水層阻隔，對(duì)礦床坑道開采不會(huì)直接產(chǎn)生充水作用。但由于該含水層為礦區(qū)主要含水層、有一定的富水性，含水層可通過F1斷層、F2斷層破碎帶向下滲透，對(duì)礦床充水起到補(bǔ)給作用，為礦坑充水的重要補(bǔ)給來源。

2.4 二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙含水層對(duì)礦坑充水的影響

該含水層富水性微弱，且底部由黑山官組頁巖隔水層的阻隔，對(duì)礦床坑道開采不會(huì)產(chǎn)生直接充水作用。對(duì)礦床開采充水影響不大。

2.5 變質(zhì)巖裂隙含水層對(duì)礦坑充水的影響

礦體產(chǎn)于泰山巖群山草峪組變質(zhì)巖系巖層中，為隱伏礦體，是礦床的直接充水含水層。含水層滲透系數(shù)0.006m/d，為滲透性微弱的裂隙含水層，不會(huì)對(duì)礦床充水產(chǎn)生危害；為防止黑山官組頁巖隔水層被破壞而導(dǎo)致二青山組巖溶裂隙水直接潰入礦房及坑道造成危害，開采時(shí)礦體頂板應(yīng)留一定厚度的防水保安礦柱。

3 礦床開采涌水量預(yù)測(cè)

3.1 “水平狹長(zhǎng)坑道法”涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算

(1)計(jì)算模型確定：礦床采用巷道開采，開采時(shí)形成狹長(zhǎng)的水平坑道，適合采用“水平狹長(zhǎng)坑道法”預(yù)測(cè)各中段坑道涌水量[1，2]。由于坑道近東西向，兩側(cè)無明顯隔水邊界或補(bǔ)給邊界，且礦體底板巖體較完整，隔水性好，因此可視為相對(duì)隔水底板的雙邊進(jìn)水無限邊界承壓水完整井計(jì)算。預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)，坑道的長(zhǎng)度按照礦體長(zhǎng)度取980m，下部取最低控制開采水平-500m標(biāo)高。

(2)計(jì)算公式確定：礦床開采時(shí)，由于坑道疏干排水，地下水由承壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為無壓狀態(tài)，選用“水平狹長(zhǎng)坑道法”穩(wěn)定流承壓轉(zhuǎn)無壓公式：

(3)式中計(jì)算參數(shù)的確定

(4)預(yù)測(cè)結(jié)果：分別對(duì)-300m、-400m、-500m、-600m開采標(biāo)高涌水量預(yù)測(cè)，結(jié)果見表1。

表1 “水平狹長(zhǎng)坑道法”預(yù)測(cè)坑道涌水量

3.2 “大井法”涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算

(1)計(jì)算模型確定：由于礦床周邊無明顯的隔水邊界或補(bǔ)給邊界，且礦體底板巖體較完整，隔水性好。因此，礦床開采時(shí)坑道可視為無限邊界承壓水完整井計(jì)算[3]。

(2)計(jì)算公式確定：礦床開采時(shí)，坑道處于疏干排水狀態(tài)，地下水由承壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為無壓，因此選用“大井法”承壓轉(zhuǎn)無壓公式：

(4)預(yù)測(cè)結(jié)果：-300m、-400m、-500m、-600m開采標(biāo)高礦坑進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)，結(jié)果見表2。

3.3 “水文地質(zhì)比擬法”涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算

(1)公式的確定：目前礦床-200m中段坑道實(shí)際涌水量1040m3/h，坑道長(zhǎng)約300m，結(jié)合實(shí)際開采情況選用地下水呈層流運(yùn)動(dòng)時(shí)的承壓水計(jì)算公式[6]：

Q=r·S· Q1/(r1·S1) Qmax=1.5Q

(3)估算結(jié)果：對(duì)-300m、-400m、-500m、-600m開采標(biāo)高礦坑涌水量預(yù)測(cè)，結(jié)果見表3。

表2 “大井法”預(yù)測(cè)坑道涌水量

表3 “比擬法”預(yù)測(cè)的礦坑涌水量表

3.4 礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

為取得較符合實(shí)際條件的坑道涌水量預(yù)測(cè)值，三種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比見表4。由表可以看出，“大井法”和“水文地質(zhì)比擬法”計(jì)算結(jié)果較為接近，預(yù)測(cè)結(jié)果可作為以后礦床深部設(shè)計(jì)與開采的參考資料。

表4 預(yù)測(cè)礦坑涌水量對(duì)比表

4 結(jié)論與建議

(1)礦體屬于隱伏形式礦體，地表地形有利于自然排水，大氣降水及地表水體不構(gòu)成礦床充水的主要因素，直接充水來源于泰山巖群山草峪組變質(zhì)巖裂隙含水層，礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等型。

(2)采用井下坑道開采方式，F(xiàn)1斷層為區(qū)域上大斷層，破碎帶頂部為會(huì)寶嶺水庫，通過井下調(diào)查，初步判斷有一定的透水性，建議下一步開采時(shí)預(yù)留足夠的防水礦柱并加強(qiáng)對(duì)斷層破碎帶的水文地質(zhì)研究工作。

(3)通過“水平狹長(zhǎng)坑道法”、“大井法”與“水文地質(zhì)比擬法”對(duì)不同標(biāo)高礦坑正常涌水量及最大涌水量預(yù)測(cè)，其中“大井法”與“水文地質(zhì)比擬法”預(yù)測(cè)結(jié)果可作為礦床深部開采提供涌水量資料。