李軍，朱昶，張立，何平，徐錦亮，馬騰

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州　272100)

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山東省蘭陵縣王埝溝鐵礦礦床充水因素分析及涌水量預(yù)測(cè)

李軍，朱昶，張立，何平，徐錦亮，馬騰

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州272100)

王埝溝鐵礦為大型沉積變質(zhì)型(鞍山式)低品位鐵礦，礦區(qū)水文地質(zhì)條件中等。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)地表水文地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)編錄、分層抽水試驗(yàn)及井下坑道水文地質(zhì)調(diào)查，查明了礦床的水文地質(zhì)特征及充水來(lái)源；結(jié)合目前礦坑實(shí)際涌水量，采用 “大井法”與“比擬法”對(duì)不同標(biāo)高礦坑正常涌水量和最大涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，為礦床深部的開(kāi)采提供可靠依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上為礦床深部的開(kāi)采提出合理的建議。

充水因素；涌水量預(yù)測(cè)；比擬法；大井法；王埝溝鐵礦；山東蘭陵

引文格式：李軍，朱昶，張立，等.山東省蘭陵縣王埝溝鐵礦礦床充水因素分析及涌水量預(yù)測(cè)[J].山東國(guó)土資源，2015，31(7)：50-54.LI Jun, ZHU Chang, ZHANG Li, HE Ping，etc.Analysis On Deposit Water Filling Factors and Prediction of water inflow in Wangniangou Iron in Lanling County of Shandong Province[J].Shandong Land and Resources,2015，31(7)：50-54.

王埝溝鐵礦床位于山東省蘭陵縣尚巖鎮(zhèn)，屬蒼嶧鐵礦帶的東延部分[1]。2005—2007年山東省魯南地質(zhì)工程勘察院對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了詳查—勘探評(píng)價(jià)，并提交鐵礦石資源量17356.3萬(wàn)t。該礦床建井后于2012年5月正式開(kāi)采，經(jīng)開(kāi)采證實(shí)，礦體產(chǎn)出穩(wěn)定，礦石質(zhì)量較好。根據(jù)勘探資料分析礦體深部未封閉，其深部仍有一定的成礦遠(yuǎn)景，為增加礦山后備資源，2013—2014年該院對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了礦床深部補(bǔ)充勘探工作，共求得鐵礦石資源量20110.1萬(wàn)t，深部新增鐵礦石量2753.8萬(wàn)t。因此，研究該礦區(qū)水文地質(zhì)條件、進(jìn)行礦床充水因素分析及預(yù)測(cè)礦床深部開(kāi)采涌水量，對(duì)于礦床深部的開(kāi)采具有重要意義。

1　礦區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1地形地貌

礦區(qū)位于魯中臺(tái)隆的南部丘陵區(qū)，地形西高東低，最高點(diǎn)標(biāo)高+109.40m，東部最低點(diǎn)標(biāo)高+52.40m。該礦區(qū)南起孫埝溝，北至杜村南部，西臨近白水石牛村，東南至馬套村，面積3.25km2。當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面為標(biāo)高+48.0m。礦床位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下。

1.2氣象水文

區(qū)內(nèi)氣象屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季。多年平均氣溫13.3℃，平均降水量787.7mm(1969—2013年)，年最大降水量1417.3mm(1960年)，最大凍土深度31cm。

該區(qū)地表水不發(fā)育，僅為季節(jié)性溝溪。會(huì)寶嶺水庫(kù)位于礦區(qū)北西側(cè)2km處，為區(qū)外最大的地表水體，防洪水位高程+78.25m，總庫(kù)容2.09億m3。

1.3含水層

根據(jù)詳查—勘探及補(bǔ)充勘探資料，礦區(qū)內(nèi)分為第四紀(jì)孔隙含水巖層、長(zhǎng)清群李官組裂隙含水層、土門(mén)群二青山組巖溶裂隙含水層和山草峪組基巖裂隙含水層(圖1)。

1.3.1第四紀(jì)孔隙含水巖層

主要分布于山前傾斜堆積平原溝溪兩岸，位于礦區(qū)的西部、中部及東部，占整個(gè)礦區(qū)面積的1/2。含水層厚度0～25.38m不等，自西向東逐漸增厚,其成因?yàn)闆_洪積、坡積或殘積物所形成，主要成分為砂質(zhì)粘土，地下水埋藏深度2.67m，且受氣候影響較大，富水較弱。

1.3.2長(zhǎng)清群李官組裂隙含水層

分布在西部、中部及東部一帶，呈近南北向及北東方向展布，巖性主要為石英砂巖。含水層厚47.19～51.05m，巖層傾向E，傾角10°～15°，裂隙較發(fā)育，大部分裸露地表，分布在丘陵高地。該層裂隙滲透性能差，含水較弱，泉涌水量小于0.01L/s，富水較弱。

1.3.3土門(mén)群二青山組巖溶裂隙含水層

該含水巖層為礦區(qū)主要含水巖層，分布在整個(gè)礦區(qū)的中深部，呈近SN向的帶狀展布，含水層厚73.35～136.00m，巖層走向10°～15°，傾向SE，傾角10°～14°，由灰?guī)r含水層與石英砂巖含水層組成。含水層埋深47.66～303.00m，自西向東逐漸變深，鉆孔單位涌水量0.00989～4.47 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.024～0.0553m/d。屬含水不均勻的巖溶裂隙水，富水中等。

1.3.4泰山巖群山草峪組基巖裂隙含水層

該含水巖組位于沉積巖地層之下，巖性為泰山巖群山草峪組黑云變粒巖、黑云角閃片巖及磁鐵角閃石英巖等，地表露頭較少。通過(guò)抽水試驗(yàn)，鉆孔單位涌水量0.0067～0.0102L/(s·m)，滲透系數(shù)0.00020～0.0067m/d。該含水層為裂隙發(fā)育不均勻的微弱含水層。

圖1　水文地質(zhì)特征剖面示意圖

1.4隔水層

根據(jù)詳查—勘探及補(bǔ)充勘探資料，礦區(qū)內(nèi)分為土門(mén)群佟家莊組粉砂巖、二青山組頁(yè)巖相對(duì)隔水層和黑山官組泥巖、頁(yè)巖相對(duì)隔水層。

1.4.1土門(mén)群佟家莊組粉砂巖二青山組頁(yè)巖相對(duì)隔水層

該隔水層由土門(mén)群佟家莊組粉砂巖、二青山組紫色頁(yè)巖組成，分布于全礦區(qū)，含水層平均厚度57.07m，最厚97.20m，自西向東逐漸增厚，西部由于剝蝕嚴(yán)重厚度只有0.64m，位于第四系和李官組砂巖之下，全區(qū)發(fā)育，巖體完整，裂隙不發(fā)育，民井涌水量小于0.01L/s，富水性極微弱，具較好阻水作用。

1.4.2黑山官組泥巖、頁(yè)巖相對(duì)隔水層

該隔水層由黑山官組泥巖、頁(yè)巖及底礫巖組成，位于二青山組石英砂巖之下，不整合于山草峪組黑云變粒巖之上。礦床內(nèi)黑山官組發(fā)育不完全，產(chǎn)出不穩(wěn)定，僅在礦區(qū)東部發(fā)育。含水層厚0.00～2.00m。巖石較為致密，裂隙不發(fā)育，起到一定的隔水作用，為局部發(fā)育的隔水層。

1.5斷層構(gòu)造水文地質(zhì)特征

礦區(qū)內(nèi)及外圍斷裂構(gòu)造較發(fā)育，主要為白水牛石斷層(F1)及其次級(jí)派生構(gòu)造(F2，F(xiàn)3)。

白水牛石斷層(F1)：位于礦區(qū)西590m處，斷裂呈近SN走向，傾向W，傾角60°，為W盤(pán)下降E盤(pán)上升的正斷層。斷層破碎帶在地表出露寬度10～40m，膠結(jié)物成分為泥質(zhì)、硅鎂質(zhì)，膠結(jié)良好，經(jīng)民井試驗(yàn)單位涌水量0.025L/s·m，泉涌水量為0.061L/s，其透水性較弱，為局部隔水的斷層，由于距礦床較遠(yuǎn)，對(duì)礦床無(wú)直接影響。

F2斷層：位于礦區(qū)西部孫埝溝村北側(cè)，走向NE65°～70°，傾向NW，傾角65°。斷層延伸規(guī)模小，延深較淺，斷距小，斷層最大斷深至蓋層的底部，沒(méi)有對(duì)礦體切割影響。對(duì)礦床水文地質(zhì)條件意義不大。

F3斷層：位于礦區(qū)中部王埝溝一帶，走向NE30°～45°，傾向NW，傾角65°，寬2～5m，破碎帶為泥鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，具不透水性，起阻水作用，斷層抽水試驗(yàn)單位涌水量0.000179L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.00039m/d。該斷裂通過(guò)鉆探驗(yàn)證及坑道調(diào)查，斷距小，斷層最大斷深至山草峪組變質(zhì)巖層頂部，尚未對(duì)礦體及圍巖產(chǎn)生切割影響。

2　礦床充水因素分析

該礦床產(chǎn)于泰山巖群山草峪組變質(zhì)巖系巖層中，為隱伏礦體，礦體呈傾斜的層狀，礦體走向NW279°～284°，有南北兩翼礦體組成，呈向型狀，N翼礦體傾向SW，傾角81°～88°，局部直立或倒轉(zhuǎn)；S翼礦體傾向NE，傾角63°～75°，局部較緩。礦體頂部西端埋深34.82m，向E側(cè)傾伏，并隱伏于沉積巖地層之下。

2.1降水對(duì)礦坑充水的影響

大氣降水是該區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源，降水一般集中在每年的7，8，9月份。根據(jù)坑道總涌水量動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料分析與月降雨量對(duì)比分析，涌水量受季節(jié)性影響變化并不明顯(圖2)，由于礦坑被沉積巖地層覆蓋，降水入滲補(bǔ)給較慢，一般大氣降水3～4月后，礦坑涌水量才開(kāi)始有緩緩上升現(xiàn)象。

圖2　降雨量與坑道涌水量動(dòng)態(tài)關(guān)系對(duì)比圖

由于礦區(qū)內(nèi)地形起伏較大，地形坡降大于13×10-3，地表徑流快，不利于大氣降水的入滲，且有土門(mén)群二青山組泥灰?guī)r、頁(yè)巖相對(duì)隔水層的阻隔，大氣降水間接性補(bǔ)給礦坑地下水較慢也較弱，不會(huì)直接對(duì)礦坑產(chǎn)生充水危害。

2.2地表水體對(duì)礦坑充水的影響

會(huì)寶嶺水庫(kù)位于礦區(qū)北西側(cè)2km，為距離礦床最近的水體, 水庫(kù)與礦床之間有一近NNE走向的丘陵山脈，標(biāo)高+88.9～+100.20m，高于水庫(kù)防洪水位標(biāo)高(+78.25m)，由于丘陵的阻隔，水庫(kù)水不會(huì)溢入礦床內(nèi)。

王埝溝村東季節(jié)性沖溝，位于礦區(qū)中部，近南北向蜿蜒橫穿礦體，根據(jù)流量斷面測(cè)量，上游斷面流量0.044m3/s，下游斷面流量0.0197m3/s，測(cè)量堰距640m，滲入量0.0243m3/s，僅可補(bǔ)給淺層含水層地下水，且由于土門(mén)群二青山組泥灰?guī)r、頁(yè)巖相對(duì)隔水層的阻隔，不會(huì)對(duì)礦坑產(chǎn)生充水危害。

2.3土門(mén)群二青山組巖溶裂隙含水層對(duì)礦床的充水影響

土門(mén)群二青山組巖溶裂隙含水層富水中等，與上部礦體呈不整合接觸，其含水層的水易直接潰入采礦坑道，對(duì)坑道產(chǎn)生充水危害。根據(jù)鉆孔揭露礦層均較完整，裂隙發(fā)育較差, 為防止地下水直接潰入坑道造成危害，開(kāi)采時(shí)上部礦體均應(yīng)留一定厚度的防水保安礦柱。F3斷層附近，即位于南北礦帶的第12勘查線附近應(yīng)加大預(yù)留防水保安礦柱的厚度至20m，以防止該含水層的水直接潰入礦坑。

2.4基巖裂隙含水層對(duì)礦床的充水影響

礦床位于山草峪組基巖裂隙含水層中，山草峪組基巖裂隙含水層為直接充水水源。根據(jù)鉆孔水文地質(zhì)編錄、水文地質(zhì)孔抽水試驗(yàn)及井下-430m坑道水文地質(zhì)調(diào)查，該含水層為裂隙發(fā)育不均勻的弱含水層，含水較為微弱，對(duì)礦床危害較小。在礦床東部20線到28線之間，由于該處礦體及圍巖較為破碎，微張性裂隙較發(fā)育，其富水性相對(duì)較強(qiáng)，局部會(huì)形成較強(qiáng)的出水點(diǎn)，因此，在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)礦坑周?chē)M(jìn)行加固處理，對(duì)于大的出水點(diǎn)采取注漿止水等措施，以防危害發(fā)生。

3　礦坑涌水量預(yù)測(cè)

3.1邊界條件的確定

該礦床礦體沿走向呈舒緩波狀展布，圍巖黑云變粒巖，二者均為弱含水的承壓含水層。該次坑道涌水量預(yù)測(cè)范圍為礦床資源儲(chǔ)量估算邊界，由于F1斷層離估算邊界較遠(yuǎn)，不在礦床開(kāi)采影響范圍內(nèi)，不作為阻水邊界處理，而F2、F3斷層雖為阻水?dāng)鄬?，但其垂向延伸較淺，沒(méi)有穿過(guò)礦體及其圍巖。因此，F(xiàn)2，F(xiàn)3斷層不作為阻水邊界處理。

由于礦體及圍巖埋藏較深，裂隙發(fā)育較差，富水性較小，滲透性較弱，礦體均被第四系及蓋層所覆蓋，地下水局部具微承壓性質(zhì)，可視為相對(duì)隔水底板的雙邊進(jìn)水無(wú)限邊界承壓水完整井水文地質(zhì)模型計(jì)算。

3.2坑道涌水量預(yù)測(cè)

目前王埝溝鐵礦正處于開(kāi)采初期，采用地下巷道開(kāi)采，現(xiàn)在已開(kāi)采到-430m水平標(biāo)高。根據(jù)礦坑最新涌水量動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料分析：礦坑最大涌水量407.4m3/h，最小涌水量294.9m3/h，平均涌水量338.32m3/h，礦坑最大涌水量為正常涌水量的1.21倍。

結(jié)合鉆孔抽水試驗(yàn)資料及礦坑實(shí)際涌水量資料對(duì)礦床深部開(kāi)采進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)。以SZK1204孔地面標(biāo)高為基礎(chǔ)，地下水水位埋深9.93m，水位標(biāo)高+79.28m，下部確定最低控制開(kāi)采水平-760m標(biāo)高原則計(jì)算，采用“大井法”和“比擬法”對(duì)開(kāi)采到不同水平標(biāo)高時(shí)礦坑正常涌水量和礦坑最大涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)[2，3]。

3.2.1“大井法”涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算

(1)計(jì)算公式的確定：礦床開(kāi)采時(shí)，地下水由承壓轉(zhuǎn)為無(wú)壓狀態(tài)，選用“大井法”穩(wěn)定流承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓公式予以計(jì)算：

Qmax=1.11Q

(3)預(yù)測(cè)結(jié)果：分別對(duì)-430,-480,-550,-620,-690和-760開(kāi)采標(biāo)高的礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，將上述參數(shù)代入公式，其礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2.1比擬法涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算

(1)公式的確定：選用地下水呈層流運(yùn)動(dòng)時(shí)的承壓水計(jì)算公式:

式中：Q—預(yù)測(cè)坑道正常涌水量(m3/h)；Q1—實(shí)測(cè)坑道正常涌水量(m3/h)；S—預(yù)測(cè)坑道疏干水量時(shí)水位降深(m)；s1—實(shí)測(cè)坑道水位降深(m)；Qmax—預(yù)測(cè)坑道最大涌水量(m3/h)；r1—實(shí)測(cè)坑道引用半徑(m)；r—預(yù)測(cè)坑道引用半徑(m)，令r1=r。

表1　“大井法”預(yù)測(cè)各不同開(kāi)采標(biāo)高坑道涌水量

(2)計(jì)算參數(shù)的確定。Q1—實(shí)測(cè)-430m標(biāo)高坑道正常涌水量為338.32m3/h；s1—實(shí)測(cè)-430m標(biāo)高坑道水位降深為509.28m；S—預(yù)測(cè)坑道疏干水量水位降深根據(jù)預(yù)測(cè)標(biāo)高與各鉆孔平均穩(wěn)定水位高程79.28m計(jì)算；r0—令r1=r。

(3)估算結(jié)果：分別對(duì)-480，-550，-620，-690和-760開(kāi)采標(biāo)高的礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，將上述參數(shù)代入公式,其礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　“比擬法”預(yù)測(cè)不同開(kāi)采標(biāo)高的礦坑涌水量

3.3礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

為取得較為符合實(shí)際條件的坑道涌水量預(yù)測(cè)值，該次礦坑涌水量預(yù)測(cè)采用地下水動(dòng)力學(xué)“大井法”、 “比擬法”計(jì)算公式2種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3　預(yù)測(cè)礦坑涌水量對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)比“大井法”對(duì)-430標(biāo)高礦坑涌水量結(jié)果319.05m3/h與目前-430標(biāo)高坑道實(shí)際涌水量338.32m3/h比較接近，對(duì)深部的預(yù)測(cè)結(jié)果可做為礦床開(kāi)采的參考資料；“比擬法”預(yù)測(cè)結(jié)果與“大井法”預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，也可作為深部礦床開(kāi)采的參考資料。

4　結(jié)論

(1)礦床隱伏于變質(zhì)巖系巖層中，由于礦體處于丘陵區(qū)，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，其直接充水來(lái)源為泰山巖群山草峪組基巖裂隙含水層，經(jīng)過(guò)富水性分析與坑道涌水量預(yù)測(cè)，不會(huì)對(duì)礦床造成較大的危害，水文地質(zhì)邊界簡(jiǎn)單，礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等型。

(2)在坑道施工和開(kāi)采過(guò)程中，為防止土門(mén)群二青山組巖溶裂隙含水層的水直接潰入礦坑，上部礦體均應(yīng)留一定厚度的防水保安礦柱，位于南北礦帶的第12勘查線(F3斷層)附近應(yīng)加大預(yù)留防水保安礦柱的厚度至20m；在礦床東部20線到28線之間，對(duì)礦坑及圍巖破碎段進(jìn)行加固處理，對(duì)于大的出水點(diǎn)應(yīng)及時(shí)采取止水措施，做到“早預(yù)測(cè)早預(yù)防，有疑必探、先探后掘[4，5]”。

[1]安仰生，韓廷寶，劉邦君，等．山東蒼山王埝溝鐵礦床地質(zhì)特征及找礦方法探討[J]．山東國(guó)土資源，2008，24(7-8)：44-47．

[2]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．

[3]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2冊(cè)：水文地質(zhì)計(jì)算)[M]．北京：地質(zhì)出版社，1985．

[4]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．

[5]孫強(qiáng)，賈紀(jì)旺，魏宗紅，等．山東濟(jì)寧何崗煤礦下組煤水文地質(zhì)條件研究[J]．山東國(guó)土資源，2012，28(8)：31-32．

Analysis On Deposit Water Filling Factors and Prediction of water inflow in Wangniangou Iron in Lanling County of Shandong Province

LI Jun, ZHU Chang, ZHANG Li, HE Ping，XU Jinliang，MA Teng

(Lunan Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Yanzhou 272100, China)

Wangniangou iron deposit is a large sedimentary metamorphic type (Anshan type) low grade iron deposit. Hydrogeological conditions in this area belongs to middle type. Through hydrogeology survey, simple hydrological catalog of geological drilling holes, layered pumping test and hydrogeological survey of underground tunnels, hydrogeological characteristics and water filling source have been found out. Combining with actual water inflow of pits，by using "big well method" and "analogy method", normal water inflow and largest water inflow at different elevation have been predicated. It can provide reliable basis for ore exploration in deep part.

Water filling factors；prediction of water inflow；analogy method；big well method；Wangniangou iron deposit；Lanling county of Shandong province

2014-09-02；

2014-10-22；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

李軍(1983—)，男，安徽阜陽(yáng)人，助理工程師，主要從事礦區(qū)水工環(huán)地質(zhì)勘查、地質(zhì)找礦工作；E-mail:lijunjun333@126.com

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