某鐵礦水文地質條件及涌水量預測研究

徐 磊， 李 飛

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.蕪湖太平礦業有限公司， 安徽 蕪湖市 238000)

0 前 言

某鐵礦為一水文地質、工程地質極為復雜的大水礦山，復雜多變的水文工程地質條件一直困擾著礦山的生產安全。該鐵礦礦體連續性較差、多夾層、多分枝、地層巖性變化快、圍巖穩定性較差，礦體直接頂板為徐家山組(T2X)大理巖含水層，主要礦體位于當地侵蝕基準面以下，含水層富水性強，補給條件好，水文地質邊界較復雜，礦體底板與閃長巖接觸帶處，破碎帶發育，局部見風化帶，通過鉆孔揭露，含風化帶網狀裂隙水，屬第三型水文地質條件復雜的礦床，自該鐵礦井建到現在為止共發生數次較大的突水事故，其中“925”突水事故瞬時涌水量高達2400 m3/h，在短短的12 h內，使得副井井筒水位與第四系水位基本持平，造成重大淹井事故。

本文著重分析該礦的水位地質條件，查明礦體頂板含水層構造、巖溶裂隙發育分布規律、地下水運動分布規律、水力聯系、富水性等水文地質特征，并綜合以往的勘查報告，預測該礦的礦井涌水量，為該礦選用一個有效、經濟、合理的防治水綜合技術方案奠定堅實的基礎。

1 水文地質條件分析

1.1 區域構造

本區大地構造位置屬揚子準地臺、下揚子臺坳，沿江拱斷褶帶之安慶凹斷褶束，寧蕪斷陷盆地之西南緣。區域構造線方向為北東～北北東向。

區內褶皺構造主要是裕溪口～湯溝鎮(俗稱裕湯)復背斜，軸向自北向南由50°～60°漸變為20°，兩翼地層產狀平緩，傾角20°左右。核部地層為三迭系中統徐家山組，兩翼為三迭系中統黃馬青組及上統范家塘組。復背斜樞扭有起伏，常被北西～近東西向的斷層切割。復背斜兩翼的次一級褶皺發育，自北西至南東依次有大宋巷～周家村背斜、小韋村背斜、中和村向斜、小六房背斜、王家壩向斜、小萬家背斜、唐家跳向斜等。這些次一級的褶皺大都向斜開闊，背斜緊密，呈短軸狀產出。

1.2 礦區及礦床地質條件

1.2.1 地層

礦區地表全為第四系松散沖積物覆蓋，鉆露的地層主要為三迭系中統徐家山、黃馬青組見表1。

1.2.2 構造

表1 某礦區地層

(1) 褶皺。礦區內的褶皺構造主要為一背斜構造，系裕湯復背斜之太平村段。該背斜軸部位于礦區中部賈小莊～代墩一帶，軸向北東50°～60°；核部地層為三迭系中統徐家山組，兩翼為黃馬青組一、二段地層。背斜兩翼地層總體走向北東，分別傾向北西、南東，產狀一般較平緩，傾角約10°～15°。在太平村附近，似表現為迭加于北東向背斜構造上的一個北西向短軸向斜構造。本礦床內的礦體即產于太平村背斜南東翼之巖體凹陷部位。

(2) 斷裂。據目前現場揭露情況和物探推測來看，經過礦區的有F1、F2兩條斷層。同時，從巖石裂隙、角礫巖及熱液脈巖較發育等情況分析，區內在成礦作用前后，均可能在不同應力場作用下，形成各種局部張裂隙、層間破碎帶、小型壓性斷裂等。

此外，在礦床范圍內礦體與圍巖接觸面產狀總體比較平緩，傾角一般為10°～15°，與圍巖地層產狀大體一致，僅局部較陡，如太平村東，傾角可達40°左右。因接觸面具有相對隆起和凹陷，并常有巖枝沿圍巖層理穿插，而使接觸帶復雜化。在太平村的東、西、北三面礦體與圍巖接觸面均相對隆起，從而在太平村的南側形成一個總體向南開口類似于“箕”狀的相對凹陷(巖凹)構造，本礦床內的主要礦體受巖體接觸帶凹陷構造控制明顯。

1.2.3 巖漿巖

礦區內巖漿巖屬前述之鈉質石英閃長巖類。巖漿巖與成礦具有密切的成因聯系，本礦床的所有礦體均產于巖體與圍巖的接觸帶附近，它為成礦提供了一定的物質來源，是主要的成礦母巖。

1.3 水文地質特征

1.3.1 礦床構造裂隙性質

礦床直接頂板和圍巖皆為三疊系中統徐家山組(T2X)巖層，其厚度大，巖溶裂隙發育，連通性好，壓力傳導快，瞬間突破能力強，具有強富水性，同時該含水層接近地表附近的層段巖石風化,節理、裂隙發育，與上覆第四系含水層有一定水力聯系。礦體受構造控制較明顯，礦巖節理裂隙比較豐富，裂隙、破碎帶主要有NE、NW向兩組，以NE向最為發育。礦床底板與閃長巖接觸部位破碎帶發育，局部見風化帶，通過鉆孔揭露，含風化帶網狀裂隙水。

1.3.2 地下水補給排泄條件及其水力聯系

礦區地下水的補給主要來自大氣降水，通過入滲補給至松散巖類的孔隙內，形成孔隙水；孔隙地下水再通過礦體頂板的碳酸鹽巖和碎屑巖中的裂隙和溶蝕裂隙入滲補給，再形成碳酸鹽巖類裂隙溶洞水和基巖裂隙水；補給量多少由裂隙或溶蝕裂隙的發育程度而定，一般徐家山組大理巖由于裂隙較碎屑巖發育，因而獲得的補給量要多。逕流方向總體是由北向南、由西向東；由于地形平坦，枯水期長江最低水位在4 m左右，地下水位埋深一般也在4 m左右，因而地下逕流緩慢，排泄滯緩，地下水動態變化小，除人為開采排泄外，只有蒸發或隱伏排泄。

1.3.3 礦床充水因素

(1) 徐家山組巖層是礦體的直接頂板與圍巖，該組巖層主要為大理巖，巖溶裂隙發育，形成裂隙網絡，含水豐富，是礦床開采的直接充水因素。

(2) 第四系含水層與附近裕溪河、長江有直接水力聯系，如果在采礦過程中溝通該含水層，將使礦井發生毀滅性透水事故，是礦床開采的間接充水因素。

(3) 礦區地質鉆孔封孔質量差，特別是第四系與基巖接觸處封孔質量猶差，所以第四系砂層中孔隙水及大理巖含水層裂隙巖溶承壓水，可通過那些未封好的鉆孔直接灌入巷道。封口不良鉆孔成為礦坑第二個直接充水因素。

(4) 斷裂構造破碎帶構成礦床第二個間接充水因素。根據現場揭露和物探推測，在礦區內有F1、F2兩條大斷層，破碎帶寬度為幾米到幾十米，破碎帶巖性呈松散的角礫狀，并有細小的溶蝕空洞，極有可能貫通徐家山組含水層和黃馬青組隔水層，溝通第四系含水層，具有強烈的導水性。

(5) 在井巷掘進中巷道遇構造破碎帶及構造裂隙密集帶，或在礦體變薄和尖滅地段巷道與含水層較近或直接揭露含水帶突水,特別是掘進過程中觸及到“逕流帶”，更有可能突水并使事故擴大。

(6) 礦體底板與閃長巖接觸帶處，破碎帶發育，局部見風化帶，通過鉆孔揭露，含風化帶網狀裂隙水，成為礦床充水的一個因素。

(7) 礦體開采中，隨開采面積增大，采空區圍巖受地應力、巖石自重、水壓共同作用，發生變形、產生裂隙甚至離層冒頂，使注漿再造的頂板隔水層破壞而造成突水。

1.3.4 礦床地下水分布特點及充水類型

該鐵礦水文地質勘探類型歸納為：以巖溶裂隙含水層充水為主的第三類礦床；按礦體與主要充水含水層的空間關系及充水方式，鐵礦屬徐家山組(T2X)大理巖直接充水礦床；主要礦體位于當地侵蝕基準面以下，主要充水含水層富水性強，補給條件好，水文地質邊界較復雜，屬第三類型水文地質條件復雜的礦床。

2 礦坑涌水量預測

2.1 以往礦井涌水量預測

2.1.1 《詳查報告》中涌水量的預測

《詳查報告》中采用“大井”法計算流入采礦坑道中的地下水流量，為計算方便，建立簡化模型：礦體上覆碎屑巖類和礦體底板侵入巖為相對隔水層，礦床北、西方向為侵入巖體相對隔水邊界，南、東方向為無限供水邊界，即礦床位于正交邊界的南東部位，裂隙巖溶含水巖組地下水具承壓性質，礦坑疏干排水涌水量計算公式選用兩相交直線隔水邊界附近承壓完整井流量方程計算公式，各計算參數取值及計算數結果見表2。

表2 《詳查報告》涌水量計算參數及結果

2.1.2 《補充調查報告》中涌水量的預測

《補充調查報告》的礦坑涌水量預計方法，仍采用解析法中的“大井法”，同時利用坑道水文地質參數預計礦坑涌水量，各計算參數取值及計算數結果見表3。

2.1.3 《調查評價報告》中涌水量的預測

表3 《補充調查報告》礦坑涌水量

《調查評價報告》通過選用理論公式計算法和比擬法進行估算對比，然后再和實際涌水量進行校核，最后推薦較為合理的涌水量。

計算法估算利用紊流及混合流完整井計算公式,計算得-185 m水平坑道總涌水量：Q=18812.0 m3/d；比擬法利用太平鐵礦西側200 m的某同類礦山坑道排水資料，用比擬法進行估算，得到-185 m水平坑道總涌水量：Q=13118 m3/d。

2.2 本次設計礦井涌水量預測值

《詳查報告》中采用“大井”法計算礦坑涌水量，并建立了簡化模型，其計算結果較基建過程中的井下實際涌水量偏高，究其原因，該計算中滲透系數(K)利用本礦床施工的QK1孔和金～龍鐵礦床W2、ZK1669孔抽水試驗滲透系數的平均值，不具有代表性；《補充調查報告》的礦坑涌水量采用解析法中的“大井法”計算，個別水文地質參數選取與實際水文地質條件不符，導致其計算結果偏小，故本次設計中不予采用；《調查評價報告》中利用紊流及混合流完整井計算公式計算礦坑涌水量，其中同樣存在滲透系數取值不準確的問題，W2、ZK1669兩鉆孔的抽水試驗資料，距離礦區200 m以外，僅具有參考價值，不能作為計算依據，另外徐家山組(T2X)大理巖的滲透系數應該修正為1.3～2.17 m/d之間(原為0.13～2.17 m/d)，同時，《調查評價報告》中選取某相鄰鐵礦的巷道涌水量作為比擬計算礦坑涌水量誤差較大，因為，該相鄰鐵礦的巷道涌水量是經過探水注漿之后的涌水量，其計算結果不具有代表性，故本次設計不予以采用。

將《詳查報告》和《調查評價報告》中的滲透系數修正后(K選取加權平均值0.63)，分別計算得到礦坑涌水量：27352.5 m3/h和24186.9 m3/h。兩個計算結果相差不大，按照最不利原則，選取27352.5 m3/h作為礦井涌水量預測值。

3 結論與建議

(1) 該鐵礦屬徐家山組(T2X)大理巖直接充水礦床，主要礦體位于當地侵蝕基準面以下，主要充水含水層富水性強，補給條件好，水文地質邊界較復雜，屬第三類型水文地質條件復雜的礦床。

(2) 大水礦床突水主要與充水水源、水壓、構造、隔水層及采掘活動等因素有關。其中火成巖侵入體與大理巖的接觸帶上、礦巖接觸帶上，節理發育，巖石破碎，甚至是粉末狀態，工程地質條件差，存在較強的導水性和富水性。

(3) 該鐵礦礦床水患多以構造裂隙水為主，尤其是構造裂隙帶處，工程地質條件較差，導水性和富水性都很強。

(4) 斷裂構造破碎帶含導水構造構成礦床第二個間接充水因素。礦區內斷層極有可能貫通徐家山組含水層和黃馬青組隔水層，溝通第四系含水層，具有強烈的導水性，是誘發礦山出現災難性突水事故的根源之一。

(5) 綜合以往報告中關于礦井涌水量的計算，滲透系數修正后(K選取加權平均值0.63)，選取27352.5 m3/h作為礦井涌水量預測值。

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