山東省平邑縣歸來莊金礦床充水因素分析及水害治理方向

馮超臣

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州 272100)

1 礦山基本概況

1.1 礦山概況

歸來莊金礦位于山東省平邑縣城東南25km處，隸屬于平邑縣地方鎮(zhèn)，為魯西南地區(qū)唯一的特大型金礦床。礦床+130m～-40m標(biāo)高，開采方式為露天開采；-40m～-150m標(biāo)高為地下開采，采用上向水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦工藝。至2011年4月，露天開采工作結(jié)束，正式轉(zhuǎn)入地下開采，目前礦山主要開采①-1號(hào)礦體[注]山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東省平邑縣歸來莊礦區(qū)金礦資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告，2018年。山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東黃金歸來莊礦業(yè)有限公司歸來莊金礦水文地質(zhì)類型分級(jí)報(bào)告，2018年。。

1.2 礦山涌水概況

自礦床開采以來，礦坑共發(fā)生突水56次，突水水源主要為奧陶紀(jì)馬家溝群、三山子組灰?guī)r水、寒武紀(jì)炒米店組灰?guī)r水。突水通道位于奧陶紀(jì)碳酸鹽巖含水地層中，主要集中在F1斷層上下盤，其中最大出水點(diǎn)水量高達(dá)2000m3/h。根據(jù)礦山2017年1月1日至12月31日的排水資料，礦山正常涌水量為98491m3/d，礦坑涌(突)水對(duì)礦山生產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。進(jìn)行礦山充水來源分析，為礦山防治水方案提供依據(jù)，對(duì)保障深部資源安全高效開采具有重要意義[1-3]。

2 礦床水文地質(zhì)條件

2.1 含水巖組特征及富水性分區(qū)

根據(jù)以往勘查階段抽水試驗(yàn)成果及開采階段補(bǔ)充水文地質(zhì)試驗(yàn)成果，把地下水的賦存介質(zhì)劃分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組和巖漿巖裂隙含水巖組(圖1)。第四系松散巖類孔隙含水巖組遠(yuǎn)離礦床，巖漿巖裂隙含水巖組在礦區(qū)內(nèi)分布少且富水性弱，因此礦床充水主要含水巖組為碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。

1—奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(強(qiáng)富水區(qū))；2—寒武系炒米店組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(中等富水區(qū))；3—寒武系饅頭組、張夏組、崮山組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(弱富水區(qū))；4—巖漿巖類裂隙含水巖組(相對(duì)隔水層)；5—第四系松散巖類孔隙含水巖組；6—斷層編號(hào)及產(chǎn)狀；7—采礦權(quán)范圍；8—露天采場范圍；9—金礦體圖1 歸來莊金礦區(qū)水文地質(zhì)簡圖

碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組分布于礦床內(nèi)和研究區(qū)的北部、東部及東南部，總體傾向50°，傾角8°～25°。含水層主要由寒武系和奧陶系的灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r組成。礦山開采前地下水由西南向東北徑流，開采后由四周向礦坑徑流。根據(jù)地下水的賦存介質(zhì)[4,5]和富水性強(qiáng)弱共分為3個(gè)含水亞組。

2.1.1 奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(強(qiáng)富水區(qū))

出露于礦床北東部，上覆于寒武系灰?guī)r之上，巖性為馬家溝群各組地層及長清群三山子組白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖，直接接受大氣降水補(bǔ)給。據(jù)鉆孔和井下開采揭露，礦床附近巖溶發(fā)育，溶洞高一般0.2～1.5m，溶洞多為半充填狀態(tài)。根據(jù)勘探階段抽水試驗(yàn)成果與礦坑突水量資料，單位涌水量3.04L/s·m，滲透系數(shù)0.803～1.466m/d，透水性及富水性強(qiáng)。礦化度小于1.0g/L，為HCO3-Ca·Mg型水。

2.1.2 寒武系炒米店組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(中等富水區(qū))

條帶狀出露于礦床中部，縱向上分布于礦床的中下部。巖溶主要發(fā)育在炒米店組中上部，巖溶裂隙局部發(fā)育，儲(chǔ)水空間以巖溶裂隙為主。局部溶洞發(fā)育溶洞高0.7～2.0m。根據(jù)勘探階段抽水試驗(yàn)成果和礦坑突水資料可知，單位涌水量0.269～0.52L/s·m，滲透系數(shù)0.257～0.836m/d，透水性及富水性中等。礦化度小于1.0g/L，為HCO3-Ca·Mg型水。

2.1.3 寒武系饅頭組、張夏組、崮山組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(弱富水區(qū))

出露于礦床的西南部，縱向上分布于礦床的底，巖溶裂隙發(fā)育差。根據(jù)外圍勘探報(bào)告抽水試驗(yàn)結(jié)果，鉆孔單位涌水量0.00006～0.0063L/s·m，滲透系數(shù)0.0031～0.0147m/d，透水性及富水性微弱，礦化度一般小于1.0g/L，為SO4·HCO3-Ca·Mg型水。

1—奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(強(qiáng)富水區(qū))；2—寒武系炒米店組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(中等富水區(qū))；3—寒武系饅頭組、張夏組、崮山組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(弱富水區(qū))；4—巖漿巖類裂隙含水巖組(相對(duì)隔水層)；5—金礦體；6—斷層及編號(hào)；7—采礦權(quán)范圍；8—地下水位；9—地下水流向圖2 礦區(qū)水文地質(zhì)剖面圖

2.2 構(gòu)造水文地質(zhì)特征

礦床內(nèi)斷層發(fā)育，與礦床充水關(guān)系密切的是F1斷層、F4斷層、F10斷層(圖3、圖4)[6]。

1—導(dǎo)水構(gòu)造破碎帶；2—斷層及編號(hào)；3—金礦體；4—采礦權(quán)范圍；5—勘探線位置及編號(hào)；6—露天采礦位置圖3 控水構(gòu)造平面分布示意圖

1—導(dǎo)水構(gòu)造破碎帶；2—斷層及編號(hào)；3—金礦體圖4 24線控水構(gòu)造地質(zhì)剖面簡圖

F1斷層：位于礦區(qū)中部，地表出露長度2.2km。總體走向85°，傾向S，傾角45°～68°。水平斷距50～180m，垂直斷距85～120m。斷層破碎帶寬0.6～29.3m。該斷層控制了歸來莊金礦體，是歸來莊金礦床的導(dǎo)礦和儲(chǔ)礦構(gòu)造。該斷層破碎帶寬發(fā)生突水點(diǎn)十多處，結(jié)合物探測量成果分析[6]，推斷出F1斷層破碎帶為地下水徑流通道。該通道主要接收F1斷裂上游地區(qū)地下水的徑流補(bǔ)給，然后沿F1斷裂巖溶破碎帶向礦坑徑流。

F4斷層：位于礦區(qū)東北部，規(guī)模較小，走向一般40°～50°，傾向SE或NW，傾角60°～80°，為正斷層。破碎帶寬3～10m。坑下揭露近200m，發(fā)生突水點(diǎn)十多處，位于23線5號(hào)水倉的礦坑最大突水點(diǎn)1500m3/h，就位于F4斷裂帶內(nèi)。根據(jù)動(dòng)態(tài)觀測資料及物探測量成果，推斷F4斷裂為重要的地下水徑流通道。

F10斷層：展布于F1斷層南側(cè)，25線以東，長度約500m，走向290°，傾向SW，傾角65°，為正斷層，垂直斷距約20m。斷層位于F1上盤，二者傾角大致相同。經(jīng)24線ZK62、25線ZK20兩鉆孔驗(yàn)證，在深部與F1基本平行展布，為上盤水的補(bǔ)給通道。F2～F9斷層均為張扭性正斷層，只發(fā)生小的位移，斷層破碎帶規(guī)模小，水文地質(zhì)意義不明顯。

3 礦坑充水因素分析

3.1 主要充水來源分析

3.1.1 大氣降水對(duì)礦坑充水的影響

大氣降水一般集中在每年的6，7，8，9四個(gè)月份。根據(jù)歸來莊金礦區(qū)降水量和礦坑排水量觀測資料分析(圖5)，2014年8月至2015年5月礦坑涌水量與降水量變化趨勢不一致是由于礦坑掘進(jìn)時(shí)礦坑突水點(diǎn)較多，礦坑排水量增加所致；2015年6月以后，礦山掘進(jìn)時(shí)礦坑偶爾可見突水點(diǎn)，礦坑排水與降水量變化趨勢一致，因此大氣降水對(duì)礦坑充水的影響較為顯著。整體來看，礦坑排水隨著季節(jié)性變化，變幅在17000～50000m3/d，相對(duì)較大。

大氣降水對(duì)礦坑充水的影響表現(xiàn)為大氣降水直接降落到露天采坑中；降水入滲到地下含水層中通過地下徑流流向礦坑；大氣降水降落到地表通過地表徑流匯集到浚河，再通過河床底部溶洞、溶蝕裂隙流向礦坑。前者為直接補(bǔ)給，后兩者為間接影響，由于礦山露天采礦開口面積較小，大氣降水對(duì)礦山直接充水影響較小，因此后兩者對(duì)礦山充水影響較大。

3.1.2 地表水的滲漏補(bǔ)給

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育有兩條地表水體，浚河和龐家村河。

(1)浚河的滲漏補(bǔ)給

浚河是區(qū)內(nèi)最大的河流，歷年最大洪峰流量2100m3/s，最枯流量0.017m3/s。自西向東從礦區(qū)北部徑流，與露天采坑最近距離為1.2km。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和地下水連通試驗(yàn)[7]，浚河南岸“龐家莊村東北—小平安村西北段”，奧陶系灰?guī)r出露地表，巖溶較發(fā)育，為地表滲漏水補(bǔ)給徑流區(qū)；該奧陶系灰?guī)r經(jīng)過礦山長時(shí)間礦坑排水，地下水徑流強(qiáng)烈導(dǎo)致溶蝕裂隙中充填物被沖走，使溶蝕裂隙成為河水下滲的良好通道，最終徑流到歸來莊礦床。浚河河床也因浚河水的灌入形成漏斗狀的漩渦現(xiàn)象。經(jīng)過多次對(duì)該段浚河上下游流量觀測與分析，浚河地下漏失量一般在557.4～1516.5m3/h。該浚河常年有水，且滲漏量較大，目前已成為礦坑充水的主要補(bǔ)給來源之一。

(2)龐家村河河水的滲漏補(bǔ)給

龐家村河位于露天坑西側(cè)1.1km處，屬季節(jié)性河流，一般僅在雨季有水，冬春季節(jié)斷流。由于該河為季節(jié)性河流，徑流量較小，且礦床開采后該河流徑流量、變化不大，因此不是礦坑充水的主要滲漏補(bǔ)給來源。

3.1.3 裂隙巖溶水充水

奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶水在礦區(qū)北部、東南部廣泛分布，根據(jù)勘探階段野外研究成果與礦坑突水資料，礦床平均單位涌水量3.04L/s·m。滲透系數(shù)0.803～1.466m/d，富水性強(qiáng)，且透水性良好，為良好的充水來源。

根據(jù)地下水水位觀測資料繪制等水位線圖(圖6)，由等水位線圖可以看出礦坑涌水直接來源于礦區(qū)東北及東南部含水層[8]。這與奧陶系碳酸鹽巖類含水層分布基本吻合。

依據(jù)礦坑總涌水量，扣除大氣降水和地表水補(bǔ)給，巖溶含水層中約有1000～1500m3/h的地下水涌入礦坑，是礦坑涌水的主要來源之一。

1—采礦權(quán)范圍；2—地下水流向；3—地下水等水位線及水位標(biāo)高；4—控制性水點(diǎn)位置及水位標(biāo)高圖6 礦坑排水地下水降落漏斗圖

3.2 地下水的徑流通道分析

3.2.1 巖溶導(dǎo)水通道

可溶巖地層在地下水溶蝕作用下，沿著裂隙面形成各類巖溶結(jié)構(gòu)：溶洞、溶縫、溶槽等蓄水和導(dǎo)水空間，由于巖溶溶蝕作用方式其通常相互連通作用較好，形成地下水的良好通道，在礦坑開采過程中揭露巖溶水系導(dǎo)致涌水，這也是目前歸來莊金礦的常見水害形式。礦床巖溶發(fā)育程度主要受構(gòu)造、巖性、埋藏條件等因素的影響[9-11]。

(1)巖性與巖溶發(fā)育程度的關(guān)系

據(jù)礦區(qū)103個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)，奧陶系東黃山組、三山子組含燧石結(jié)核條帶白云巖巖溶最發(fā)育，白云巖、砂糖狀白云巖巖溶發(fā)育次之，泥質(zhì)灰?guī)r與條帶狀灰?guī)r巖溶發(fā)育較差。

(2)巖溶在垂直與水平方向的發(fā)育

在垂直方向上：0m標(biāo)高以上，由于地表風(fēng)化作用及地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，0～-50m標(biāo)高段巖溶較發(fā)育，-100m標(biāo)高以下巖溶發(fā)育較差。總體上巖溶發(fā)育程度由淺到深逐漸減弱。因此，礦坑在-100m標(biāo)高以上涌水量大，在-100m標(biāo)高以下涌水量較小。

在水平方向上：24線～28線巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，24線以東巖溶發(fā)育稍差，30線以西巖溶不發(fā)育(圖3)；礦體南側(cè)巖溶發(fā)育程度略強(qiáng)于北側(cè)。總體趨勢是礦區(qū)的東部巖溶發(fā)育程度大于西部。

3.2.2 構(gòu)造導(dǎo)水通道

礦區(qū)主要斷層均為張性斷層，在斷層和巖溶的相互作用下，使斷層及附近導(dǎo)水通道的寬度和導(dǎo)水能力大大加強(qiáng)，形成具有一定規(guī)模的寬大導(dǎo)水通道[11-12]。礦區(qū)內(nèi)由于F1，F(xiàn)4，F(xiàn)10近平行斷層交互切割，極大促進(jìn)了次級(jí)斷裂面、裂隙面的巖溶作用，圍繞斷層面、斷層破碎帶和次級(jí)構(gòu)造形成了巖溶—構(gòu)造聯(lián)合導(dǎo)水通道形式，這也成為礦坑涌水大的主要原因[13]。

由于礦體主要賦存于F1破碎帶內(nèi)，目前揭露的F1斷層出水點(diǎn)多，且流量大。下盤有兩處大的出水點(diǎn)，一處位于-35m標(biāo)高東段時(shí)，距斷層面約5m處，流量為1600m3/h；另一處位于斜坡道揭露斷層處，流量為513.8m3/h。F1斷層上盤大的出水點(diǎn)有3個(gè)，一個(gè)位于-26m水平巷道穿過F1斷層處，流量為100.0m3/h；另兩個(gè)位于采坑?xùn)|端南側(cè)F1斷裂的次級(jí)斷層上，流量分別為600.6m3/h和78.8m3/h。

4 礦山水害治理方向

4.1 礦坑水害綜合認(rèn)知

(1)礦坑涌水水源主要為大氣降水、地表水系(浚河水)和碳酸鹽巖裂隙巖溶水。其中碳酸鹽巖裂隙巖溶水對(duì)礦床直接充水，大氣降水和浚河水通過碳酸鹽巖含水巖組的徑流通道間接補(bǔ)給礦坑。因此，礦山水害治理重點(diǎn)為地下碳酸鹽巖含水巖組的徑流通道。

(2)依據(jù)礦井涌水位置分布和巖溶發(fā)育區(qū)域特征，礦坑涌水直接來源為東側(cè)，即碳酸鹽巖含水巖組的巖溶通道主要位于24線以東，尤其是28勘探線以東(圖3)；礦坑導(dǎo)水區(qū)域的控制主要是巖溶通道與斷裂構(gòu)造，其決定了礦坑涌水來源和補(bǔ)給程度。

(3)礦坑導(dǎo)水通道發(fā)育廣度是由巖溶和斷裂構(gòu)造共同控制的。巖溶作用加劇了斷層破碎帶的寬度和導(dǎo)水能力，反過來斷層促進(jìn)了巖溶作用。

4.2 水害治理方向

(1)對(duì)浚河河床漏水點(diǎn)進(jìn)行注漿封堵

選擇枯水期對(duì)浚河進(jìn)行截留，找出浚河床的溶洞、溶蝕裂隙、張性裂隙等漏水點(diǎn)，對(duì)其灌注水泥漿液，充填河床底部裂隙和空洞。待水泥穩(wěn)固后放水檢測其封堵效果，對(duì)其封閉不良的和新發(fā)現(xiàn)的漏水點(diǎn)再次進(jìn)行封堵。

對(duì)浚河河床漏水點(diǎn)進(jìn)行注漿封堵，一方面可直接堵住浚河水對(duì)礦床的充水危害，另一方面可減小地下水的徑流流速，為帷幕注漿截流治水提供可行性條件。

(2)帷幕注漿截流治水

帷幕截流治水技術(shù)是通過在含水層中注漿建造地下阻水墻，人工改造水文地質(zhì)條件，堵截含水層的補(bǔ)給通道，使之易于疏干或疏水降壓，讓含水層的承壓水頭降至安全水頭以下，是防止礦床突水的有效方法之一[14-17]。

根據(jù)以上研究，巖溶發(fā)育、富水性較強(qiáng)的地段為24線以東(圖3)；-100m標(biāo)高以上地段，尤其是F1斷層破碎帶，注漿孔孔深應(yīng)控制住巖溶發(fā)育段。

鉆孔注漿前應(yīng)先采用井中電法確定溶洞的大小形態(tài)，為溶洞(隙)的充填阻水方法的確定提供依據(jù)，并首先對(duì)大溶洞或巖溶發(fā)育孔段進(jìn)行充填阻水，然后灌注水玻璃或水泥漿，注漿后應(yīng)采用壓水試驗(yàn)對(duì)注漿鉆孔的注漿質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)證評(píng)定[18-21]。

帷幕注漿治理后，對(duì)研究區(qū)內(nèi)長觀孔地下水位、浚河徑流量進(jìn)行定期觀測，并結(jié)合礦坑涌水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確定徑流通道的堵截效果[22]。