山東省郗山稀土礦礦區西部水文地質條件分析

朱昶，劉懷思，王強，張立，宋帥良，馬騰

(1.山東省魯南地質工程勘察院，山東兗州 272100;2.山東省地質科學實驗研究院，山東濟南 250013)

山東微山湖稀土有限公司郗山稀土礦為生產礦山，礦山西部礦產資源尚未開發利用，由于生產礦山在掘進施工中實際礦坑排水量與原地質報告預測涌水量相差甚大且礦區西部緊臨微山湖，研究礦區西部水文地質條件，對于礦區西部未來的開發利用方案設計具有重要意義①山東省魯南地質工程勘察院，徐迎臣，朱昶，馬騰，等，山東微山湖稀土有限公司郗山稀土礦礦區西部水文地質調查報告，2012 年。。

1 礦區西部水文地質概況

區內屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年平均降水量842.3 mm，日最大降水量148 m，年蒸發量1 622.5 m;微山湖為礦區附近的主要地表水體，湖面面積1 300 km2，流域面積31 700 km2，全湖防洪庫容47.31 億m3，常年湖水水位標高32 m 左右，年變化幅度1 ～2.5 m，歷年最高洪水水位達36.99 m(1935 年9 月)。

礦區西部地處微山湖東岸湖積平原水文地質區的西部邊緣，為地下水排泄區，區內第四系松散巖類巖層分布較廣，厚度一般在0.5 ～3.5 m，濱湖地帶厚4 ～5 m，由東向西逐漸增厚，富水性差。分布在單元內的裂隙水富水性不均，裂隙地下水的補給主要來源于大氣降水和西南、北西河水的滲漏補給，根據原ZK86 多孔抽水試驗，降落漏斗呈NW—SE 向的橢圓形展布(圖1)。

2 含水巖組劃分及地下水賦存特征

根據區內含水介質地層巖性組合特征及地下水賦存條件、富水程度，將含水巖層劃分為:松散巖類孔隙含水巖層、巖漿巖類裂隙含水巖層。

2.1 第四系松散巖類孔隙含水巖層(Ⅰ)

該含水巖組為沖洪積堆積物，發育廣泛，位于北部、東部及河流兩側地帶，成分為砂礫石及鈣質結核砂質粘土組成，厚度不大，厚度一般0.5 ～2.0 m。位于湖濱區第四系厚0.3 ～5.0 m，為湖積黑色淤泥和棕紅色砂質粘土，大部分由于位于地下水位之上，形成透水而不含水的相對隔水層，單位涌水量小于0.1 L/s. m，為弱富水區，地下水類型為HCO3·Cl-Ca 型水，礦化度大于1.0 g/L。

2.2 巖漿巖類裂隙含水巖層

(1)巖漿巖風化裂隙含水巖層弱富水區(Ⅱ1)

該含水巖層主要為花崗閃長巖，均分布于礦床區和礦床的東北部，次為霓輝石英正長巖、黑云斜長角閃巖、閃長玢巖等，裂隙較發育，單位涌水量0.002～0.07 L/s.m，滲透系數0.02 ～0.146 m/d，為弱富水區，水化學類型為HCO3·Cl-Ca 型水，因含水層位于上部風化層中，受鈣質淋濾作用，地下水礦化度略高，礦化度大于1.0 g/L。位于深部水質較好礦化度小于1.0 g/L。

(2)巖漿巖風化裂隙含水巖層中等富水區(Ⅱ2)

該含水巖層分布在區內田樓北部劉傲村一帶，巖性為花崗閃長巖，水位埋深3.00 m，單位涌水量0.1 ～1.0 L/s·m，民井單位涌水量最大可達10.00 m3/d·m，隨季節性變化明顯，屬含水極不均勻的裂隙水。含水層富水性中等，屬富水性不均勻的裂隙水，也是該區的主要含水層。水質類型為HCO3·CI-Ca，礦化度小于1.0 g/L。

圖1 ZK86 孔抽水試驗降落漏斗平面示意圖

3 構造水文地質特征

斷裂構造對地下水有較強的控制作用［1，2］，礦床內共分布有F1，F2，F3，F4，F5，F6 斷層，其中F1，F2 走向NW，傾角75°，F6 走向NE，傾角70° ～80°，均為壓扭性逆斷層，斷裂破碎帶為絹云母、綠泥石化礦物充填，受擠壓彎曲變形并有斜列擦痕，為阻水斷裂;2011 年當坑道揭露F3 斷層時垂向上勾通了淺層地下水，，西部部分村民壓水井干枯無水，F3，F4，F5 均為NW 向張性正斷層，傾向SW，傾角60° ～80°，表現為上盤裂隙發育透水，下盤巖石完整，裂隙不發育無水現象。F6 在坑道揭露時上下盤均無水。根據物探資料在西部F1，F2 斷層兩側為低阻帶，巖石完整，富、導水性較差，為隱伏阻水構造，說明在礦床內分布的逆斷層均為阻水斷層(圖2)，對礦床開采影響較小。

圖2 斷裂構造阻水示意圖

3.1 構造裂隙水子系統

裂隙含水巖組是郗山稀土礦礦區裂隙水系統的主要構成，主要含水層為花崗閃長巖，構成了裂隙水系統的主要的直接的補給區。構造裂隙是地下水的主要儲水空間及傳輸通道，由于其分布不均，含水巖層富水性差異較大。在-40 m 及-100 m 坑道中斷層上盤涌水量792.6 m3/d，受F3 斷裂影響坑道下盤4號、5 號脈坑道則無水。子系統裂隙水均為潛水狀態，水質良好，礦化度小于1.0 g/L，為HCO3·Cl-Ca型水。

3.2 水動力特征

裂隙水系統是以裂隙的溝通、張扭及壓扭為主裂隙構成的地下網絡系統，水流滲流性質，流態以層流為主。地下水水力坡度在匯集區的強徑流帶受坑道排水影響大于5 ×10-3。由于斷層的阻隔、長期坑道排水降落漏斗形成及裂隙發育不均勻性，無統一的區域水位。

4 水文地質試驗

礦區西部SZK12-2 鉆孔進行了分段抽水試驗［3］，分別為+29.91 ～-20 m 標高段、-20 ～-118 m標高段、-118 ～-468 m 標高段(圖3、圖4、圖5)，從3張曲線圖中可以看出，水位降深與涌水量均比較穩定，但涌水量自上而下逐漸增大，單位涌水量也隨之增大。中段抽水試驗經計算滲透系數較大，是由于標高-52 ～-80 m 見有2 處破碎段，裂隙發育，含水性較好，未有與斷裂構造相溝通，主要是先期構造壓扭活動和后期張扭構造活動造成堅硬巖石破碎，而形成裂隙發育破碎帶，為儲水并導水性較好的含水段。

圖3 -20 m 標高段以上抽水試驗段QS—f(t)曲線圖

圖4 -20 ～-118 m 標高段抽水試驗段QS—f(t)曲線圖

5 礦井坑道涌水量預算

5.1 礦床充水因素分析

該礦床產于泰山巖群黑云斜長片麻巖和火成巖系巖層中，大部分埋藏于湖水位標高以下。依據礦床的埋藏條件及構造水文地質條件，礦床充水因素上部主要為風化層中潛水充水，下部為構造裂隙充水，西部溝渠滲漏充水。

5.2 邊界條件的確定

該礦床含水層呈帶狀NW—SE 向展布，圍巖為花崗閃長巖出露，含水層為郗山丘陵降水補給及溝渠滲漏補給，西部雖為微山湖地表水體，但有隱伏F1，F2 斷層阻隔，F3，F4，F5，F6 斷層均被礦床開采坑道所穿過揭露，其他三方向均為無限邊界條件。通過抽水試驗和水位觀測，風化層裂隙水與下部脈狀裂隙水有著直接水力聯系，因此下部并無完整的隔水底板，相對完整段巖石作為隔水層，并且深部含水帶具有微承壓性。

預測礦體及礦體頂底板涌水量，以穩定流抽水試驗進行計算，礦體為半隱伏陡傾斜的脈狀礦體，礦體埋藏延伸較深，賦存于泰山巖群黑云斜長片麻巖和火成巖中，上部第四系較較薄，以SZK12-2 孔地面標高為基礎，地下水水位標高+30.62 m，下部確定開采地段開采水平標高-500 m 原則計算，依照礦體的NW—SE 走向和分布，涌水量預測范圍大致為NW—SE 向展布的不規則多邊形，考慮到F1，F2 斷裂邊界的阻水，采用深部多條巷道開采，經綜合分析，采用穩定流裘布公式(單邊阻水大井法)計算和比擬法計算［4，5］。

(1)大井公式:

式中:Q 為坑道正常涌水量(m3/d);Qmax為坑道最大涌水量(m3/d);K 為滲透系數(m/d);S 為水位降深(m);H 為水柱高度(m);m 為含水層厚度(m);R0為引用影響半徑(m);r 為大井半徑(m)。

(2)比擬公式為

式中:Q 為預測標高坑道正常涌水量(m3/d);Q0為已生產坑道正常涌水量(m3/d);S 為預測標高水位降深(m);S0為已生產坑道標高水位降深(m)。

(3)計算參數的確定

式中:p=46 100(m)為大井計算范圍周邊長;M 為選用SZK12-2 鉆孔揭露的試驗段含水層厚度(m);Q0為依據-160 m 中段坑道涌水量確定;S0為根據SZK12-2 鉆孔穩定水位標高確定為30.62 m。

(4)預測結果評述

通過對坑道的充水因素分析，已查明礦床充水來源，一是大氣降水補給，二是礦體及其頂、底板圍巖裂隙含水層自身充水。由于采用坑道開采方式，因此對各水平坑道涌水量進行預測(表1)。

表1 坑道涌水量預測結果

5.3 礦床開采涌水量分析對比

郗山稀土礦山1971 年始該礦由微山縣建成小型稀土礦山進行開采，因稀土礦尚未進行-160 標高以下深部開采和開拓，只是淺部的-40 m，-100 m，-160 m巷道掘進中;-40 m 與-100 m 坑道正常涌水量792.63 m3/d，最大涌水量1 030 m3/d，最大涌水量是正常涌水量的1.3 倍;在-160 m 坑道中正常涌水量249 m3/d，最大涌水量358 m3/d，最大涌水量是正常涌水量的1.4 倍，與該礦床西部預測涌水量相差不大。由于礦床西部裂隙較發育，含水層厚度大，埋藏深、地下水具有承壓性，水壓力大、巖石滲透性均大于上部風化層，故該次大井法預測涌水量隨深度的增加，略大于已采坑道礦床涌水量。

坑道比擬法預測正常涌水量是在-160 m 標高中段坑道基礎上向下預測的，預算結果與大井法相比偏小，其原因是為現實坑道開采范圍較小，大井法預測范圍大所造成的匯水面積之差，“比擬法”計算采用坑道揭露范圍影響面積6 347 m2，二者差2.3倍，若對盲礦體進行延伸擴大開采時，與大井法預測應相接近。

6 微山湖湖水漁塘與地下水水質分析

根據取樣分析結果:微山湖內水水化學類型為SO4·HCO3-Mg·Na·Ca 型水，pH 值7.5，礦化度0.98 mg/L;漁塘與地下水水化學類型為CI·HCO3-Ca·Mg 型水，pH 值7.5，礦化度0.81 mg/L;湖水中的SO4離子含量高于地下水和漁塘中的SO4離子含量，而地下水和漁塘CI 離子含量高于湖水CI 離子含量，地下水、漁塘與微山湖湖水水質相差較大，Na，Ca，SO，Cl，NO，TDS 離子含量不同表現最為突出(表2)。

表2 水化學分析結果統計

7 結語

地下水污染程度由補給區向排泄區逐漸減弱，微山湖湖水SO4濃度由西向東逐漸變得較低，而深部花崗閃長巖含水層中SO4濃度由東向西逐漸變低。在水巖相互作用的過程中，主要是巖漿巖的溶解過程從外界不斷獲得堿性離子析出所需的CO2，水巖相互作用得以持續進行，花崗閃長巖中地下水礦化度TDS 由東至西得以不斷升高，鈣鎂離子總濃度得以不斷上升趨勢。反之，若微山湖湖水補給礦坑水時，礦坑水污染也重，礦化度應較低，說明地表水體對礦坑充水無補給作用。

［1］ 馮明，吳繼偉，張先，等. 構造地質學［M］. 北京:地質出版社，2007:13-15.

［2］ 謝軍民，姜文娟.棲霞香夼東部石灰巖礦區水文地質條件分析［J］.山東國土資源，2012，28(10):33-37.

［3］ 薛禹群，朱學愚.地下水動力學［M］.北京:地質出版社，1978.

［4］ 采礦手冊編寫組. 采礦手冊［M］. 北京:冶金工業出版社，1989:40-42.

［5］ 供水水文地質手冊編寫組.供水水文地質手冊(第2 冊:水文地質計算)［M］.北京:地質出版社，1985.