山東省東平縣大高莊鐵礦礦床充水因素分析及涌水量預測

李軍

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州　272100)

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水文地質

山東省東平縣大高莊鐵礦礦床充水因素分析及涌水量預測

李軍

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州272100)

大高莊鐵礦為中型沉積變質型鐵礦。通過對區內地表水文地質調查、前人工作資料的收集、以及井下坑道水文地質調查，查明了礦床的水文地質特征及充水來源，確定其水文地質邊界條件簡單，水文地質條件屬于中等；結合目前礦坑實際涌水量，采用“狹長水平坑道法”與“比擬法”對不同標高礦坑正常涌水量和最大涌水量進行預測，為礦床的開采提供可靠依據。

充水因素；涌水量預測；狹長水平坑道法；大井法；大高莊鐵礦；東平縣

大高莊鐵礦位于東平縣城南約10km，行政區劃隸屬東平縣彭集鎮管轄，礦區內公路交通較為發達。2013年山東省魯南地質工程勘察院對大高莊鐵礦采礦證內的鐵礦資源儲量進行了估算：保有資源儲量2170.0萬t，平均品位TFe 30.09%，mFe 22.51%，為中型鐵礦床①山東省魯南地質工程勘察院，山東省東平縣大高莊礦區鐵礦資源儲量核實報告報告，2013年11月。。該礦床采礦權人為山東盛鑫礦業有限公司，設計開采標高+48～-620m，一期開采至-400m水平，開采方式為地下開采，生產規模80萬t/a，現在礦山正處于建井階段，其-100m和-160m中段運輸巷已經貫通，大部分穿脈已施工完成。礦床即將開采。因此，研究該礦區水文地質條件，進行礦床充水因素分析，預測礦床深部開采涌水量，礦床的開采具有重要意義。

1　礦區水文地質條件

1.1地形地貌

礦區地貌位于魯中南山地丘陵區之汶泗平原區西部，地貌類型屬山前沖洪積平原區，礦區地形平坦，地面標高45m左右。礦區最低侵蝕基準面為小汶河，最低侵蝕基準面水位標高+38.50m，該礦體位于當地最低侵蝕基準面之下。

1.2氣象水文

該區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，冬季干冷，夏季炎熱，最高氣溫41.2℃(2009年6月25日)，最低氣溫-16.5℃(1981年1月27日)，多年平均氣溫14.0℃，最大凍土深度33cm(1982年12月5日)。

該區屬于淮河流域運河(京杭)水系，主要的河流為大汶河及小汶河。大汶河，流經工作區北部邊緣，全長201km，上游又稱汶河，在大汶口與小汶河匯合，境內大汶河已成為季節性河流。小汶河是大汶河的排泄支流，經汶上向南注入微山湖。

1.3含水層與隔水層特征

根據區域資料的收集及礦區內巖土層巖性、埋藏條件、抽水試驗成果及含水層富水性自上而下劃分為第四系松散巖類孔隙含水層、雜色粘土相對隔水層、上部風化層基巖裂隙弱含水層及基巖裂隙弱含水層[1，2](圖1)。

圖1　水文地質特征剖面示意圖

1.3.1第四系松散巖類孔隙含水層

為礦區內主要淺層含水層，分布穩定，厚度一般在5～25m左右，巖性主要為中細砂和礫石，中細砂層和礫石層之間夾有2～5m厚的粘土層或雜色粘土或亞粘土層。透水性好，富水性強。根據民井簡易抽水試驗，單位涌水量大于0.5L/s·m，滲透系數大于3m/d。大氣降水為主要補給源，其次為河水的側滲補給和農灌回滲補給。地下水徑流循環較快，主要排泄方式為人工開采，其次為地下徑流和蒸發。

1.3.2雜色粘土相對隔水層

礦床范圍內及附近埋藏在20m以下，有10～35m厚的雜色粘土層，雜色粘土含少量鐵質結核和鈣質姜石，粘塑性強，透水性較差，具一定隔水性能。

1.3.3基巖裂隙弱含水層

該含水層賦存于為新太古代泰山巖群。其巖性為細粒斜長角閃巖、黑云角閃片巖、角閃石英片巖、角閃石英磁鐵巖、黑云石英片巖等。根據水文地質鉆孔抽水試驗及坑道水文地質編錄，礦層及礦層頂底板涌水量0.07～0.278L/s，鉆孔單位涌水量0.002～0.013L/s·m，滲透系數0.0011～0.005m/d，該含水層為含水極微弱的承壓含水層，富水性微弱。

1.3.4上部風化層基巖裂隙含水層

該含水層埋藏于第四系松散巖類之下，為新太古代泰山巖群上部。其巖性與基巖裂隙含水層巖性一樣。埋藏深度為50～80m(底板標高-1～-30m)，其厚度不一，一般在10～30m，該層裂隙發育或較發育，富水性不均勻，一般較弱。通過水文地質鉆孔上部風化帶抽水試驗，鉆孔單位涌水量為0.005～0.084L/s·m，滲透系數為0.02～0.101m/d，為富水性不均勻的弱含水層，局部富水性中等，具承壓性。

1.4斷層構造特征

礦區內構造不發育，通過資料收集、地表工作與坑道編錄，在礦區內尚未發現大的斷裂構造。

通過資料收集工作，緊在礦區外圍發現5條斷層，經過推測均為弱導水性斷層或性質不明斷裂。其中F1，F2與F3距離礦區相對較近。F1組斷裂走向NW或NNW，傾向SW，東盤上升向南扭動,西盤下降向北扭動,斷層兩盤均為變質巖系和古近系弱含水層或隔水層,推測為一弱導水斷層；F2組斷裂為張扭性斷層，該斷層寬度數米至數十米，根據抽水試驗結果，證實為一弱透水斷層；F3組斷裂為張性斷裂，分布于礦區南部為汶泗斷裂的一部分，走向近EW向，傾向S或SSW，北盤上升，南盤下降，被F1組斷層錯斷，因兩盤巖性為弱含水層或隔水層，推測為一弱導水斷層。

2　礦床充水因素分析

該礦床產于泰山巖群變質巖系巖層中，由3個礦帶9個礦體組成。礦體多呈層狀、似層狀、透鏡狀，礦體賦存于泰山巖群山草峪組地層中，巖性為磁鐵角閃石英巖。各礦體近平行排列，產狀與圍巖一致。區內礦體總體走向320°，傾向SW，傾角58°～83°；賦存標高0～-540m；埋深48～588m。區內礦帶最長2800m，控制最大斜深630m。礦床平均厚度為6.28m，厚度變化系數86.42%，厚度不穩定。

2.1降水對礦坑充水的影響

大氣降水是該區地下水主要補給來源，降水主要集中在每年的6，7，8，9月份。根據礦坑涌水量動態觀測資料分析與月降雨量對比分析，礦坑涌水量受季節性影響變化并不明顯，大氣降水滯后3個月左右，礦坑涌水量略有上升趨勢。礦區內因下伏雜色粘土相對隔水層，隔水性相對較好，分布面積較大，大氣降水間接性補給礦坑地下水比較慢也比較弱，不會直接對礦坑產生充水危害。

2.2地表水體對礦坑充水的影響

礦區位于汶泗河沖洪積扇強富水地段，地表覆蓋較厚的第四系。礦區內大汶河與小汶河，在礦區境內邊緣流過，僅可補給沖洪積砂礫石孔隙含水層，由于地表第四系覆蓋較厚且有雜色粘土相對隔水層阻隔，不會對礦坑產生充水危害。

2.3上部風化層基巖裂隙弱含水層對礦床的充水影響

該含水層位于基巖裂隙含水層的上部，富水性雖弱，但不均勻，局部中等富水，富水性強于基巖裂隙含水層。它與上部礦體直接接觸，其含水層的水易直接潰入采礦坑道，對坑道產生一定充水危害。為防止該含水層水直接潰入坑道造成危害，開采時上部礦體均應留設足夠的防水保安礦柱。

2.4基巖裂隙含水層對礦床的充水影響

礦床及頂底板均位于新太古代泰山巖群中，基巖裂隙含水層為直接充水水源。根據鉆孔水文地質編錄、水文地質孔抽水試驗及井下坑道水文地質調查，該含水層巖性裂隙一般不發育，局部較為發育，但多處閉合狀態，含水微弱，其充水水量小，對礦床危害較小。

特別指出，在礦床開采過程中，由于該含水層巖性裂隙發育不均勻，局部裂隙發育處，出水量將會較大，對礦坑內大的出水點采取注漿止水等措施，以防危害發生。

3　坑道涌水量預測

3.1邊界條件的確定

該礦床礦體及頂底板圍巖均為基巖裂隙承壓含水層。本次坑道涌水量預測范圍為礦床資源儲量估算邊界，由于F1，F2等斷層離估算邊界較遠，不在礦床開采影響范圍內，不作為阻水邊界處理。由于深部礦體圍巖富水性微弱，計算時將底板作為相對隔水層視為礦坑底部的直線隔水邊界，因此，可視為相對隔水底板的雙邊進水無限邊界承壓水完整井水文地質模型計算[3]。

3.2坑道涌水量預測

目前該礦山井下-100m與-160m坑道已經形成，根據礦坑最新涌水量動態觀測資料及類似礦山實際生產資料分析：本礦床礦坑平均涌水量1919.7m3/d，礦井最大涌水量為正常穩定涌水量的1.4倍。

依照礦體的走向和分布及地下坑道的貫通情況，涌水量預測范圍大致為近EW向展布的長條形，對標高-100m以下至標高-280m各水平標高采用“水平狹長坑道法”和“大井法”進行涌水量預測[4-6]。

3.2.1“水平狹長坑道法”涌水量預測計算

(1)計算公式的確定。礦床開采時，地下水由承壓轉為無壓狀態，選用“水平狹長坑道法”穩定流承壓轉無壓公式予以計算：

Qmax=1.4Q

(2)計算參數的確定。B為開采坑道沿礦體走向開挖的長度，為2840m；K為坑道滲透系數，采用鉆孔礦層及礦層頂底板混合抽水試驗平均值確定，K=0.003m/d；H為各開采標高，根據各鉆孔平均穩定水位高程41.39m計算；S為巷道需疏干，確定S=H；r0為選用礦體平均寬度8.05m的一半，即4.025m。M為各開采標高段的含水層平均厚度(m)。

(3)預測結果：分別對-100m，-160m，-220m，-280m開采標高的礦坑涌水量進行預測，將上述參數代入公式，其礦坑涌水量計算結果見表1。

表1　“水平狹長坑道法”預測各不同開采標高坑道涌水量

3.2.2“大井法”涌水量預測計算

(1)計算公式的確定。礦床開采時，地下水由承壓轉為無壓狀態，選用“大井法”穩定流承壓轉無壓公式予以計算：

Qmax=1.4Q

(2)計算參數的確定。K為坑道滲透系數，采用鉆孔礦層及礦層頂底板混合抽水試驗平均值確定，K=0.003m/d；S為巷道需疏干，各開采標高根據各鉆孔平均穩定水位高程41.39m計算；r0為礦區面積地段開采面積大井半徑，r0=(F/3.14)1/2=722.83m；F為勘探工程控制的礦體分布范圍，F=1.6404×106m2；M為各標高段黑云變粒巖中揭露的含水層平均厚度(m)。

(3)預測結果。分別對-100m，-160m，-220m，-280m開采標高的礦坑涌水量進行預測，將上述參數代入公式，其礦坑涌水量計算結果見表2。

表2　“水平狹長坑道法”預測各不同開采標高坑道涌水量

3.3礦坑涌水量預測結果對比分析

為取得較為符合實際條件的坑道涌水量預測值，現將“水平狹長坑道法”、“大井法”的預測結果與實際用水量對比分析，結果見表3。

表3　預測礦坑涌水量對比

由表3可以看出，狹長水平坑道涌水量計算結果與目前礦井坑道實際排水量相差甚少，預測結果與實際結果比較接近。對不同開采標高的涌水量預測結果可做為礦床開采的參考資料。

4　結論

(1)該礦床產于泰山巖群變質巖中，為隱伏礦體，位于最低侵蝕基準面以下，礦體及圍巖基巖裂隙含水層富水性微弱，滲透性極差，為礦床直接充水含水層；區域上斷裂構造雖發育，但礦床開采影響范圍內斷裂構造不發育，斷裂構造不對該礦床的開采造成較大的影響；大氣降水入滲是礦區內地下水的主要間接補給來源，因松散層底部有粘土層阻隔，大氣降水間接性補給礦坑地下水比較慢也比較弱，不會直接對礦坑產生充水危害。確定本礦床是以裂隙含水層充水為主、水文地質邊界簡單的礦床，礦床水文地質條件復雜程度為中等型。

(2)在坑道施工和開采過程中，為防止上部富水性不均勻的風化層基巖裂隙含水層水直接潰入坑道造成危害，開采時上部礦體應留設足夠的防水保安礦柱；對礦坑及圍巖破碎段進行加固處理，對于大的出水點應及時采取注漿止水措施；做到“早預測早預防，有疑必探、先探后掘”的防治水原則，以防止礦井災害的發生。

[1]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．

[2]GB1271991．礦區水文地質工程地質勘探規范[S]．

[3]薛禹群．地下水動力學原理[M]．北京：地質出版社，1986．

[4]田曉明，展茂征．錫林郭勒盟農乃廟井田充水因素分析及涌水量預測[J]．山東國土資源，2014，30(7)：48-50．

[5]朱昶．山東省蒼山縣土山鐵礦礦床水文地質特征[J]．山東國土資源，2014，30(12)：43-46．

[6]朱昶，許錦亮，劉邦軍．山東省蒼山縣溝西—西官莊鐵礦溝西礦區水文地質特征及涌水量預測[J]．山東國土資源，2014，30(2)：41-45．

Analysis On Water Filling Factors and Water Inflow Predication of Dagaozhuang Iron Deposit in Dongping County of Shandong Province

LI Jun

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

Dagaozhuang iron deposit is a large middle sized sedimentary metamorphic iron deposit. Through hydrogeology survey, reformer information and hydrogeology survey of underground tunnels, hydrogeological characteristics and water filling source of this deposit have been found out. It is showed that its hydrogeological boundary condition is simple and hydrogeological condition is medium type. Combining with actual water inflow， by using the "long and narrow adit method " and " big well method ", normal water inflow and largest water inflow at different elevation have been predicated. It can provide reliable basis for deposit in deep mining.

Water filling factors；predication of water inflow；long and narrow adit method；big well method；Dagaozhuang iron deposit；Dongping county

2015-03-13；

2015-03-29；編輯：曹麗麗

李軍(1983—)，男，安徽阜陽人，工程師，主要從事礦區水工環地質勘查、地質找礦工作；E-mail:lijunjun333@126.com

P618.11

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李軍.山東省東平縣大高莊鐵礦礦床充水因素分析及涌水量預測[J].山東國土資源，2016,32(3)：47-50.LI Jun. Analysis On Water Filling Factors and Water Inflow Predication of Dagaozhuang Iron Deposit in Dongping County of Shandong Province[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(3)：47-50.