朱昶，郭文龍，馬龍，石鳳鳳，胡霞，宋月梅

(1．山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州 272100；2．中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司，山東 臨沂 276000；3．蒙陰建材七〇一礦，山東 蒙陰 272600)

水文地質(zhì)

山東省蒼山縣小閻莊鐵礦礦區(qū)東部水文地質(zhì)特征研究

朱昶1，郭文龍2，馬龍1，石鳳鳳1，胡霞3，宋月梅1

(1．山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州 272100；2．中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司，山東 臨沂 276000；3．蒙陰建材七〇一礦，山東 蒙陰 272600)

通過(guò)地球物理勘探、水文地質(zhì)調(diào)查、鉆孔和抽水試驗(yàn)，結(jié)合區(qū)域水文、氣象、地質(zhì)和水文地質(zhì)等資料，求得了礦體上部蓋層裂隙巖溶水水文地質(zhì)參數(shù),且對(duì)裂隙巖溶水水量進(jìn)行了計(jì)算；以“大井法”為主對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，基本查明了礦區(qū)東部的水文地質(zhì)特征；闡述自然條件下裂隙巖溶水對(duì)基巖裂隙水的補(bǔ)給微弱；當(dāng)水動(dòng)力條件發(fā)生改變時(shí)，易造成蓋層裂隙巖溶水下滲潰入坑道，對(duì)下部礦體的開(kāi)采將產(chǎn)生較大威脅。

水文地質(zhì)；裂隙巖溶；參數(shù)計(jì)算；涌水量預(yù)測(cè)；水力聯(lián)系；小閻莊鐵礦；山東省蒼山縣

近年來(lái)，部分礦山企業(yè)忽視了礦區(qū)水文地質(zhì)工作，水文地質(zhì)條件未予查清，礦床充水因素、系統(tǒng)沒(méi)有查明，礦山充水不能疏干。如山東省內(nèi)鐵礦礦山萊蕪業(yè)莊鐵礦、濟(jì)南市張馬屯鐵礦等均與裂隙巖溶含水層充水關(guān)系密切，造成礦山開(kāi)采停產(chǎn)治水。該文就蒼山縣小閻莊鐵礦礦區(qū)東部水文地質(zhì)特征研究，為今后鐵礦礦山資源開(kāi)發(fā)利用及鐵礦防治水方案提供參考。

1 礦區(qū)東部水文地質(zhì)概況

小閻莊鐵礦礦區(qū)東部位于山東省蒼山縣魯城鎮(zhèn)，屬蒼嶧鐵礦帶的東延部分。礦區(qū)東部屬丘陵區(qū)，地形南高北低，或西高東低，南部的石城崮最高點(diǎn)標(biāo)高+248.4m，北東部最低點(diǎn)標(biāo)高+68.3m。地勢(shì)由南西向北東傾斜，當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面為會(huì)寶嶺水庫(kù)，侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高+68.0m。礦體位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下。區(qū)內(nèi)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均降水量787.7mm(1991—2011年)，日最大降雨量259.2mm(1970年7月2日)。

1.1地質(zhì)概況

礦區(qū)東部位于華北陸塊(Ⅰ)魯西隆起 (Ⅱ) 魯中隆起區(qū)(Ⅲ)尼山斷隆(Ⅳ)尼山凸起(Ⅴ)與臨沂凸起(Ⅴ)的交會(huì)部位。地層由老至新主要為新太古代泰山巖群山草峪組；新元古代青白口紀(jì)土門(mén)群二青山組和南華紀(jì)土門(mén)群佟家莊組；古生代寒武紀(jì)長(zhǎng)清群李官組、朱砂洞組；新生界第四系[1]。

1.2水文地質(zhì)條件

1.2.1 含(隔)水巖組劃分

(1)第四紀(jì)松散巖類孔隙含水巖組。為洪積、殘坡積堆積物，成分為砂礫石及粘土，厚度0.5～2.0m，分布于山前洼地及溝谷地帶，位于地下水水位之上。

(2)寒武紀(jì)碎屑巖類裂隙含水巖組。寒武紀(jì)李官組石英砂巖，多位于丘陵的頂部，出露地表，大氣降水多沿地表徑流，富水性差，含水微弱。

(3)青白口-震旦紀(jì)碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。①碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組。巖性為粉砂巖和頁(yè)巖夾薄層灰?guī)r，鉆孔單位涌水量11.639～78.259m3/(d·m)，民井單位涌水量最大可達(dá)239.99m3/(d·m)，泉水多沿?cái)鄬訋С噬仙蛳陆等绯龅乇恚髁恳话?.1～1.0L/s，是該區(qū)的主要含水層，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg·Na或HCO3·Cl-Ca·Mg·Na，礦化度小于0.5g /L。②碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組。巖性由灰?guī)r、含海綠石石英砂巖等組成。民井涌水量小于50 m3/d，泉水多沿?cái)鄬訋б绯?，或在陡坎處懸掛呈下降泉，泉流量一般小?.1L/s，隨季節(jié)性變化明顯,屬含水極不均勻的裂隙巖溶含水層。水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg或HCO3·Cl-Ca·Mg·Na型水，礦化度小于0.5g/L。

(4)變質(zhì)巖裂隙含水巖組(隔水層)。巖性為黑云變粒巖，黑云角閃片巖及磁鐵角閃石英巖等，巖石裂隙不甚發(fā)育。水位埋深5.91～15.98m,鉆孔單位涌水量0.897～17.368m3/d·m，滲透系數(shù)0.0067～0.406m/d，水化學(xué)類型為HCO3·SO4·Cl-Ca·Na·Mg型水，礦化度小于0.5g/L。對(duì)上部蓋層裂隙巖溶含水層起到一定相對(duì)阻水作用，視為隔水層[2]。

1.2.2 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

一是大氣降水入滲補(bǔ)給，二是河流滲漏補(bǔ)給。以巖溶裂隙為通道順巖層傾向向北東徑流，東部排泄于會(huì)寶嶺水庫(kù)，北部轉(zhuǎn)南小堡一帶形成泉水排泄于地表。

2 斷裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)蓋層總體為一向東緩傾斜的單斜構(gòu)造，斷裂構(gòu)造按走向可分為NNE向、NE向2組。小閆莊斷層F3：為張扭性，寬度一般3～4m，最大寬度達(dá)10m，走向NEE，傾向NNW，傾角70°。對(duì)斷層破碎帶的淺部、深部進(jìn)行壓水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)[3，4]，試驗(yàn)結(jié)果單位涌水量0.00134～0.00138L/s·m,平均滲透系數(shù)為0.003～0.0058m/d,為微含水或不透水?dāng)鄬印?/p>

F4斷層：為張扭性，走向NE，傾向NW,傾角62°～74°,北部延伸至F3斷層，并與F3斷層相交，據(jù)主井-140m水平巷道揭露F4斷層，寬度 1m，斜坡道揭露破碎帶寬度9.3m。擠壓擦痕明顯，不含水。說(shuō)明F3、F4斷層均為不導(dǎo)水?dāng)鄬樱c地表水體會(huì)寶嶺水庫(kù)無(wú)導(dǎo)通水力聯(lián)系。

東石門(mén)斷層(F5)：為正斷層，在老書(shū)房村南與F18逆斷層相交。電測(cè)剖面顯示斷層屬高阻帶，高密度電測(cè)剖面推測(cè)斷層下盤(pán)為高電阻不透水的擋水墻；通過(guò)S8鉆孔抽水試驗(yàn)，斷層上盤(pán)單位涌水量0.046L/s·m,下盤(pán)單位涌水量0.009L/s·m,證實(shí)為阻水?dāng)鄬印?/p>

太平村斷層(F14)：為張扭性，走向55°，傾向NW，傾角80°，破碎帶寬1.0m,微錯(cuò)動(dòng),泥質(zhì)及鈣質(zhì)膠結(jié)。淺部風(fēng)化層含水微弱，深部不含水并不導(dǎo)水，為阻水?dāng)鄬印?/p>

西石門(mén)斷層(F18)：為逆斷層，向北延伸與F5相交會(huì)，由斷層泥充填,破碎帶寬1m左右,走向35°,傾向NW，傾角70°～75°。斷層兩側(cè)均無(wú)水，對(duì)礦床充水影響較小。

3 巖溶水子系統(tǒng)特征

可溶巖含水巖組是礦區(qū)東部巖溶水系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分(圖1)，裂隙巖溶發(fā)育程度受巖性、水的侵蝕性、循環(huán)條件、自然地理因素、地質(zhì)構(gòu)造等因素綜合影響[5]。F5斷層以西至黑云變粒巖出露帶構(gòu)成了巖溶水系統(tǒng)主要的直接補(bǔ)給區(qū)。S7鉆孔抽水試驗(yàn)時(shí)單位涌水量78m3/d·m，豐水期時(shí)鉆孔、供水井與S7孔同時(shí)涌出地表，最大涌水量338.86m3/d·m(2008年9月4日測(cè)量)。說(shuō)明裂隙巖溶水受季節(jié)性影響較明顯，為潛水狀態(tài)。斷層構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育有較強(qiáng)的控制作用。巖溶發(fā)育深度受構(gòu)造及巖層埋深的控制。巖溶發(fā)育區(qū)主要賦存在二青山組薄層灰?guī)r內(nèi)，其次發(fā)育在頁(yè)巖夾薄層灰?guī)r中，頁(yè)巖與灰?guī)r接觸部位也有溶洞發(fā)育，巖溶發(fā)育標(biāo)高+57.99～-63.26m(圖2)。區(qū)內(nèi)巖溶水水力坡度為3.2×10-3，在匯集區(qū)的強(qiáng)徑流帶。在徑流區(qū)沒(méi)有統(tǒng)一的水動(dòng)力流場(chǎng)分布。水動(dòng)力條件對(duì)碳酸鹽巖巖溶發(fā)育程度起著關(guān)鍵性的作用，地下水徑流愈強(qiáng)烈，地下水的侵蝕性愈強(qiáng)，溶洞愈發(fā)育。促進(jìn)了徑流條件的轉(zhuǎn)化。具體表現(xiàn)為：區(qū)內(nèi)在強(qiáng)徑流帶上的小型斷層構(gòu)造附近巖溶發(fā)育較好，如S3-1，S7鉆孔位于強(qiáng)徑流帶上，兩鉆孔均見(jiàn)到了溶隙、溶孔、溶洞。巖溶發(fā)育較好的地段，地下水的徑流條件好，富水性強(qiáng)[5]，構(gòu)成了具有對(duì)礦床開(kāi)采產(chǎn)生危害的主要充水來(lái)源。

4 裂隙巖溶地下水水量計(jì)算

4.1邊界條件的確定

區(qū)內(nèi)上部蓋層含水層呈帶狀近SN向展布，東西兩側(cè)黑云變粒巖出露地表。蓋層含水層為南部降水補(bǔ)給及石門(mén)河流滲漏補(bǔ)給、北部流出的蒼山斷塊巖溶水系統(tǒng)之小型水文地質(zhì)單元[6]。

圖1 裂隙巖溶水系統(tǒng)水文地質(zhì)剖面圖

圖2 鉆孔溶洞發(fā)育率及發(fā)育深度曲線圖

4.2巖溶裂隙含水層水文地質(zhì)參數(shù)的確定與計(jì)算

為確定巖溶裂隙水水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，采用以穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)選擇具有代表性的地段進(jìn)行了非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)計(jì)算[7,8]。

4.2.1 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

(1)單孔抽水試驗(yàn)時(shí)潛水完整井公式：

(1)

(2)

(2)多孔抽水試驗(yàn)時(shí)潛水完整井公式：

(3)

(4)

式中:K—滲透系數(shù)(m/d)；Q—抽水流水量(m3/d)；R—影響半徑(m)；ri—觀測(cè)孔距離(m)；r0—鉆孔半徑(m)；H—水柱高度(m)；S—水位降深(m)；ti—觀測(cè)孔水位降深(m)。

(3)參數(shù)確定及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 裂隙巖溶含水層水文地質(zhì)參數(shù)確定及計(jì)算結(jié)果

4.2.2 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

水位恢復(fù)法計(jì)算公式：

(5)

經(jīng)計(jì)算:滲透系數(shù)2.503m/d；導(dǎo)壓系數(shù)5.751×103m2/d；導(dǎo)水系數(shù)82.849m2/d；給水度0.00052。

4.3裂隙巖溶水水量均衡計(jì)算

均衡區(qū)劃分邊界: 南部以平山分水嶺為邊界區(qū)，西部以變質(zhì)巖區(qū)丘陵山脈分水嶺為邊界區(qū)，東部以石門(mén)鐵礦至東石門(mén)分水嶺為邊界區(qū)，北部收口處為泉排泄區(qū)。

4.3.1 區(qū)內(nèi)裂隙巖溶水補(bǔ)給量

裂隙巖溶水的補(bǔ)給量計(jì)算建立方程式[9]：

Qb=Qs+QhQs=apF/365

(6)

式中：Qb—裂隙巖溶地下水總補(bǔ)給量(m3/d)；Qs—降水入滲補(bǔ)給量(m3/d)；Qh—河流滲漏補(bǔ)給量(m3/d)；a—大氣降水入滲系數(shù)(無(wú)量綱)，取0.317；P—多年平均降水量(m)；F—計(jì)算區(qū)的降水入滲補(bǔ)給面積(m2)。

計(jì)算裂隙巖溶水總補(bǔ)給量：2965.24(m3/d)。

4.3.2 區(qū)內(nèi)裂隙巖溶水開(kāi)采及排泄量

水均衡區(qū)的排泄消耗量條件，裂隙巖溶水的排泄消耗量計(jì)算建立方程式[9]如下：

QX=QP+QQ+QK+QZ

QP=I·B·M·K

QZ=ZeF/365

(7)

式中：QX—裂隙巖溶地下水總消耗量(m3/d)；QP—下游排泄區(qū)斷面排泄量(m3/d);QQ—泉水溢出排泄量(m3/d)；QK—人工開(kāi)采資源量(m3/d)；QZ—天然蒸發(fā)量(m3/d)；I—水力坡度(10-3)；B—斷面寬度(m)；M—含水層厚度(m)；K—斷面滲透系數(shù)(m/d)；QQ—泉水在均衡區(qū)出口溢出總排泄量(m3/d)；Z—多年平均蒸發(fā)量(m)；e—實(shí)際包氣帶的蒸發(fā)量占地表蒸發(fā)量百分比；F—蒸發(fā)表面積(m2)。

計(jì)算裂隙巖溶水總消耗量為2962.24m3/d。

4.3.3 調(diào)節(jié)儲(chǔ)量Qt

根據(jù)水位變化幅度ΔH=4.29m，求得調(diào)節(jié)儲(chǔ)量為15.762m3/d。裂隙巖溶水系統(tǒng)水量均衡計(jì)算結(jié)果表明：該區(qū)裂隙巖溶水向東側(cè)向徑流排泄量極小，僅3.00 (m3/d)，故忽略不計(jì)。

4.4裂隙巖溶水靜儲(chǔ)存量初步計(jì)算

根據(jù)抽水試驗(yàn)資料，采用靜儲(chǔ)存量公式[9]計(jì)算：

QJ=μFH

(8)

式中：μ-給水系數(shù)；F-灰?guī)r巖溶裂隙含水層在均衡區(qū)內(nèi)分布面積(m2)；H-含水層平均厚度(m)。經(jīng)計(jì)算求得裂隙巖溶水靜儲(chǔ)存量9.04萬(wàn)m3(表2)。

表2 裂隙巖溶水靜儲(chǔ)存量計(jì)算結(jié)果

5 礦床地下水涌水量預(yù)測(cè)

5.1礦床充水因素分析

該礦床賦存于變質(zhì)巖系地層中，為隱伏礦床，礦床充水因素不僅取決于礦體相對(duì)空間上部“地下水庫(kù)”靜儲(chǔ)量多少，還取決于動(dòng)儲(chǔ)量的補(bǔ)給大小[10]。當(dāng)?shù)V床開(kāi)采時(shí)，礦體頂板或F18、F5斷裂構(gòu)造被破壞或采礦放炮震動(dòng)產(chǎn)生裂隙，裂隙巖溶水將會(huì)沿新的裂隙通道大量涌入地下坑道，對(duì)礦床產(chǎn)生充水。

5.2礦床涌水量預(yù)測(cè)

5.2.1 邊界條件的確定

以東部F5概化為直線阻水邊界，南、北、西均按無(wú)限邊界。視為相對(duì)隔水底板的無(wú)限邊界承壓水完整井水文地質(zhì)模型。

5.2.2 計(jì)算公式選擇

礦體為隱伏緩傾斜的不對(duì)稱鞍狀層狀礦體，地下水位埋深15.97m，下部確定最低控制開(kāi)采水平-300m標(biāo)高原則計(jì)算，采用巷道開(kāi)采，采用穩(wěn)定流裘布依公式[11](無(wú)限補(bǔ)給邊界大井法)計(jì)算。

(1)大井計(jì)算公式：

(9)

(10)

式中：Q常—正常涌水量(m3/d)；Q大—豐水期最大涌水量(m3/d)；K—滲透系數(shù)(m/d)；H—水柱高度(m)；H豐—豐水期水柱高度(m)；R0—引用影響半徑(m)；a—計(jì)算距離(m)；r0—大井引用半徑(m)。

(2) 計(jì)算參數(shù)的確定。K(滲透系數(shù))：上段0m標(biāo)高以上的平均值確定；下段即0m標(biāo)高以下(取主副井檢查孔)的平均值確定。H(水柱高度)：根據(jù)副井檢查孔穩(wěn)定水位確定。H豐—豐水期水柱高度。a—采礦邊界至F5隔水邊界距離330m。r0—大井引用半徑，即r0=0.565，a，b分別為橢圓長(zhǎng)短軸。

(3) 預(yù)測(cè)結(jié)果。預(yù)測(cè)坑道各水平涌水量結(jié)果(表3)：依據(jù)礦山企業(yè)所提供的水文地質(zhì)資料,-40m標(biāo)高斜坡道及水平巷道總排水量2272.8m3/d；主井揭露標(biāo)高-219m時(shí)，井底瞬時(shí)最大涌水量及斜坡道的總涌水量1912.8m3/d；巷道排水量與大井法預(yù)測(cè)的結(jié)果相接近,大井法是按照礦床整體揭露后預(yù)測(cè)的,預(yù)測(cè)結(jié)果與當(dāng)巷道全部揭露后實(shí)際排水量相差不大。

表3 大井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果

注：預(yù)測(cè)坑道正常涌水量為導(dǎo)水通道未被破壞、水動(dòng)力條件未發(fā)生改變時(shí)的涌水量。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)礦體屬于隱伏形式，位于侵蝕基準(zhǔn)面以下，采用井下坑道開(kāi)采方式，裂隙巖溶水是構(gòu)成礦床充水的主要因素，建議礦山在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，應(yīng)保留足夠厚度的防水保安礦柱，以防止采礦放炮震動(dòng)產(chǎn)生裂隙，形成新的導(dǎo)水性通道，造成突水和淹井事故的發(fā)生；及時(shí)觀測(cè)水量、水質(zhì)變化，及時(shí)疏排水，做到“早預(yù)測(cè)早預(yù)防”[12]，防止引發(fā)礦區(qū)水文地質(zhì)災(zāi)害事故。

(2)礦體上部蓋層裂隙巖溶水儲(chǔ)量較大，對(duì)下部礦體的開(kāi)采將產(chǎn)生較大威脅，應(yīng)加強(qiáng)礦體與上部裂隙巖溶水的水力聯(lián)系研究。

[1] 山東省國(guó)土資源廳資源儲(chǔ)量處.山東省礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量報(bào)告編制指南[M].濟(jì)南:山東省地圖出版社,2010：274-280．

[2] GB12719—91．礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范[S]．

[3] 薛禹群，朱學(xué)愚．地下水動(dòng)力學(xué)[M]．北京：地質(zhì)出版社，1978．

[4] 地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊(duì)．水文地質(zhì)手冊(cè)[M]．北京：地質(zhì)出版社，1985：375-379．

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[7] 供水水文地質(zhì)手冊(cè)編寫(xiě)組．供水水文地質(zhì)手冊(cè)第二冊(cè)水文地質(zhì)計(jì)算[M]．北京：地質(zhì)出版社，1985．

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[9] 湖北省電力學(xué)校．水文地質(zhì)學(xué)[M]．北京：水利電力出版社，1979：295-312．

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[11] 采礦手冊(cè)編寫(xiě)組．采礦手冊(cè)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1989：40-42．

[12] 謝軍民，姜文娟．棲霞香夼東部石灰?guī)r礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析[J]．山東國(guó)土資源，2012，28(10)：33-37．

StudyonHydrogeologicalCharacteristicsofEasternXiaoyanzhuangIronDepositinCangshanCountyofShandongProvince

ZHU Chang1, GUO Wenlong2, MA Long1, SHI Fengfeng1, HU Xia3, SONG Yuemei1

(1. Lunan Geological Engineering Investigation Institute, Shandong Yanzhou 272100, China; 2. Shandong Steel Group Mining Limited Corporation, Shandong Linyi 276000, China; 3. No.701 Mine of Mengyin Building Materials, Shandong Mengyin 272600, China)

Through geophysical, hydrogeological investigation, drilling and pumping tests, combining with regional hydrological, meteorological, geological and hydrogeological and other information, hydrogeological parameters of fracture-karst water in the upper part of the cover have been obtained, and karst water amount has been calculated as well. By using "big well method", the mine water inflow has been predicated, and basic hydrogeological characteristics of eastern mining area have been identified. It is said that under natural conditions, discharge of fractured karst water to basic rock fissure water is weak; when hydrodynamic conditions changed, fractural karst water could easily lead into the tunnel collapse, and will produce a greater threat to the exploitation of the lower part of the ore body .

Hydrogeology; fractured karst; parameter calculation; water inflow forecasting; hydraulic connection; Xiaoyanzhuang iron deposit; Cangshan county in Shandong Province

P641.4

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2013-04-09；

：2013-04-25；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

朱昶(1981—)，男，山東微山人，工程師，主要從事礦區(qū)水工環(huán)地質(zhì)勘查、評(píng)價(jià)工作；E-mail:zhuchangh@163.com。