小王家礦區(qū)水文地質(zhì)特征分析及礦坑涌水量預(yù)測(cè)

翟篤軍

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局322地質(zhì)隊(duì)）

小王家鐵礦位于安徽省蕪湖市無為市湯溝鎮(zhèn)雍南小王家村，是近年來勘查新發(fā)現(xiàn)的小型鐵礦床。本次勘探主要任務(wù)是查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件、含水性巖組特征、隔水層、地下水的補(bǔ)徑排條件以及含水層之間的水力聯(lián)系，預(yù)測(cè)礦坑涌水量。根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)勘查規(guī)范要求，進(jìn)行了穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，求取滲透系數(shù)，掌握礦區(qū)水文地質(zhì)條件，進(jìn)行綜合性水文地質(zhì)的評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦坑涌水量，為轉(zhuǎn)地下開采提供科學(xué)依據(jù)［1-5］。

1 區(qū)域水文地質(zhì)特征

礦區(qū)地處長江沖積平原河流漫灘，區(qū)內(nèi)地形平坦，地勢(shì)由西北向東南緩傾，地面高程為6.2～7.8 m。礦區(qū)所在區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，四季分明，氣候溫和，雨量充沛。區(qū)域河流眾多，塘壩、水庫星羅棋布。過境河流主要有長江，境內(nèi)河流主要有西河、裕溪河。礦區(qū)水塘密布，且氣候條件復(fù)雜，水旱災(zāi)害頻繁，基本上每年都有不同程度的洪澇旱災(zāi)發(fā)生。

小王家礦區(qū)位于裕溪口—龍?zhí)裂亍虏痕住獪珳弦痪€的1 個(gè)復(fù)式背斜，稱裕湯復(fù)背斜［1］，并由其構(gòu)成具有背斜構(gòu)造特征的水文地質(zhì)單元。因該水文地質(zhì)單元地處長江沖平原，亦可稱之為沿江平原水文地質(zhì)單元。礦區(qū)地下水類型以孔隙水、裂隙水2類為主，水力性質(zhì)分別具有孔隙潛水-承壓水、孔隙承壓水和基巖裂隙承壓水特征，該水文地質(zhì)單元的含水層有第四系（Q4al）松散狀態(tài)黏土、砂、砂礫，新近系（N）未固結(jié)成巖的粉砂巖、含黏土砂礫石巖，三疊系徐家山組（T2X）碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖3 層結(jié)構(gòu)，沿江充沛的降水是地下水補(bǔ)給的主要來源。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 含水性巖組特征

（1）強(qiáng)富水的第四系（Q4al）孔隙含水巖組。區(qū)內(nèi)主要為長江第四紀(jì)全新世（Q4al）沉積層廣泛分布，主要巖性為灰黃色亞黏土、灰黑色淤泥質(zhì)黏土、青灰色粉細(xì)砂和亞黏土互層、青灰色砂礫石層，鉆孔揭露厚度5～55 m，鉆孔單位涌水量QCP=0.17～1.95 L/（s·m），滲透系數(shù)KCP=0.67～5.19 m/d，水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg型中性淡水。地下水位標(biāo)高5 m左右。

（2）弱富水性的新近系（N）松散孔隙含水巖組。主要巖性為黏土巖、黏土夾砂礫石、泥砂礫石巖構(gòu)成，未固結(jié)成巖，結(jié)構(gòu)松散。因此富水與透水性明顯弱于上部第四孔隙水。但該層因黏粒成分分布不均，存在富水性和滲透性有較大的差異性。如以往小王家詳查抽水資料顯示，該層單位涌水量q=0.058～0.072 L/（s·m），滲透系數(shù)K=0.031～0.093 m/d，水質(zhì)類型為SO4·HCO3-Ca·Na 型中性微咸水。地下水位標(biāo)高4～6 m。該含水巖組地下水主要接受上部強(qiáng)富水性的第四系孔隙含水巖組的補(bǔ)給，補(bǔ)給源豐富。

（3）中等—較強(qiáng)富水的碳酸巖裂隙巖溶含水巖組。主要由三疊系中統(tǒng)徐家山組（T2x）組成，巖性為灰、深灰、灰白色白云巖，灰質(zhì)白云巖，白云質(zhì)灰?guī)r。含水巖組厚度數(shù)十米至300 余米。該巖組在侵入接觸帶和礦體附近，或在侵入巖脈順層侵入穿插形成局部侵入巖捕虜體等地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的地段，構(gòu)造裂隙和具有良好聯(lián)通性的孔洞（晶洞）較發(fā)育，含水巖組富水性和滲透性中等至較強(qiáng)。大尚家鐵礦床本次勘探抽水試驗(yàn)，鉆孔單位涌水量q=0.024～1.350 L/（s·m），滲透系數(shù)K=0.002 2～0.681 0 m/d，富水性弱—強(qiáng)。但相鄰的施墩鐵礦Q1 孔抽水試驗(yàn)資料［2］顯示，q=0.834～1.25 L/（s·m），滲透系數(shù)K=1.3～2.17 m/d［2］；金龍鐵礦W2 孔抽水試驗(yàn)資料［3］顯示，鉆孔單位涌水量q=1.05 L/（s·m），滲透系數(shù)K=1.54 m/d。綜合考慮雍鎮(zhèn)鐵礦田有關(guān)水文地質(zhì)資料，可以確定三疊系中統(tǒng)徐家山組以碳酸巖為主的含水巖組，是礦床主要的和直接充水的含水巖組，其富水性為中等至較強(qiáng)，非均質(zhì)性明顯。含水巖組地下水位標(biāo)高0.39～5.65 m，水化學(xué)類型為SO4·HCO3—Na·Ca 型或SO4—Ca·Na·Mg型中性微咸水。

（4）弱—中等富水的裂隙巖溶含水巖組。主要由三疊系中統(tǒng)黃馬青組（T2h2）地層組成，巖性為泥巖、角巖化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。含水層呈緩傾斜層狀，厚度18～216 m。巖心呈堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬，完整，多呈柱狀，裂隙不發(fā)育。富水性和滲透性均較弱。據(jù)金龍鐵礦區(qū)W2 抽水試驗(yàn)資料，鉆孔單位涌水量q=0.13～0.20 L/（s·m），滲透系數(shù)K=0.11～0.13 m/d，水質(zhì)為SO4·HCO3—Ca·Na 型。地下水位標(biāo)高4～6 m。

2.2 隔水層

（1）三疊系中統(tǒng)黃馬青（T2h1）組隔水層。主要巖性為鈉長石角巖、角巖化粉砂巖、角礫巖和方解石巖，巖石硬而脆，張裂隙不發(fā)育，厚4～134 m，鉆孔揭露孔內(nèi)很少出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，視為隔水層，分布于礦區(qū)南部，構(gòu)成局部隔水邊界。

（2）石英閃長巖（隔水巖體）。巖性為石英閃長巖，鉆孔揭露巖石完整呈柱狀，裂隙極不發(fā)育，構(gòu)成礦床的隔水底板。該層呈帶狀分布于礦區(qū)的西部，頂部與弱富水性的新近系（N）松散層接觸。據(jù)以往抽水資料，滲透系數(shù)K=0.009 6 m/d，為相對(duì)隔水層巖體。

（3）地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件。沿江充沛的降水是地下水補(bǔ)給的主要來源。第四系孔隙水除接受大氣降水補(bǔ)給外，主要接受長江、運(yùn)漕河地表水體的補(bǔ)給。長江河床深切第四系全新統(tǒng)砂礫石強(qiáng)富水性的含水層，兩者水力聯(lián)系密切，由于砂礫層位于長江河床底部，而長江水位即使是枯水季節(jié)也不會(huì)見底，砂礫層補(bǔ)給源豐富，受長江地表水的補(bǔ)給關(guān)系是永恒。但淺部孔隙含水層在長江水位季節(jié)性變化范圍，則存在季節(jié)性互補(bǔ)關(guān)系。淺部地下水季節(jié)性轉(zhuǎn)變往往比較緩慢，滯后于地表。地下水與地表水位互補(bǔ)關(guān)系隨遠(yuǎn)離江岸逐漸消失。第四系淺層孔隙水除以蒸發(fā)形式排泄外，主要向當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面——長江匯集排泄。

2.3 礦床充水因素分析

小王家鐵礦賦存于鈉質(zhì)石英閃長巖與三疊系中統(tǒng)徐家山組（T2x）［4］接觸帶的巖體凹陷部位。富水性中等至較強(qiáng)的［5］裂隙巖溶含水巖組（徐家山組T2x）是礦床主要充水層，巖溶較發(fā)育，以小型溶孔為主，直接充水并具有典型承壓水特征的一個(gè)含水層。徐家山組（T2x）裂隙含水層構(gòu)成礦體的充水頂板，鈉質(zhì)石英閃長巖構(gòu)成了礦體的隔水底板。徐家山組（T2x）裂隙含水層是礦區(qū)直接充水含水層，在礦坑疏干排水狀態(tài)下，不僅接受側(cè)向補(bǔ)給，還接受上覆新近系與第四系孔隙水的補(bǔ)給。礦區(qū)疏干排水期間，松散層孔隙水主要通過徐家山組（T2x）直接向礦坑充水，為該礦坑直接充水層。

雍鎮(zhèn)鐵礦田各礦床地質(zhì)、水文地質(zhì)編錄資料中，未發(fā)現(xiàn)有明確的含水?dāng)嗔褬?gòu)造。施墩鐵礦坑道開拓過程中迄今也未發(fā)現(xiàn)有此類構(gòu)造存在，大尚家鐵礦本次勘探也未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造。雖然如此，但由于勘探程度有限，已開采的礦床尚處于開采初期階段，因此還不能否定礦區(qū)范圍內(nèi)充水?dāng)嗔哑扑閹Т嬖诘目赡苄浴６秩霂r體接觸帶可以認(rèn)為是有重要意義的含水構(gòu)造帶。侵入接觸帶附近巖石構(gòu)造裂隙較發(fā)育，巖石也較破碎，地下水相對(duì)活躍，是控制和影響礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件的基本因素，也是引發(fā)坑道不穩(wěn)定，發(fā)生變形、破壞以及坑道出現(xiàn)突水的重要因素。此外，因鉆孔封孔質(zhì)量存在問題而使第四系孔隙水通過鉆孔而涌入坑道，造成礦坑突水并可能發(fā)生淹井的這種人為因素引起的礦床充水，也不可忽視。

2.4 含水層之間的水力聯(lián)系

為查明強(qiáng)富水的第四系（Q4al）及新近系（N）松散層孔隙水與下部統(tǒng)徐家山組裂隙巖溶水之間水力聯(lián)系問題，除設(shè)立12個(gè)基巖裂隙水觀測(cè)孔之外，還專設(shè)KZK004、KZK202、觀14（N 層）、觀11（Q 層）孔作為多孔及群孔抽水試驗(yàn)的觀測(cè)孔（圖1）。礦區(qū)各含水層之間的補(bǔ)給關(guān)系：強(qiáng)富水性的第四紀(jì)全新世（Q4al）孔隙含水層（上層）補(bǔ)給→弱富水性的新近系（N）松散層含水巖組（中層）補(bǔ)給→徐家山組（T2x）裂隙巖溶含水巖組（下層）補(bǔ)給→閃長斑巖（底層、隔水層）。如多孔抽水水位下降幅度與出水量呈正比關(guān)系，群孔抽水時(shí)各觀測(cè)孔水位下降幅度是多孔的1～3倍，此異常現(xiàn)象可以說明二者之間水力聯(lián)系較弱。

3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

3.1 預(yù)測(cè)方法及結(jié)果

小王家鐵礦礦體賦存于背斜南東翼石英閃長巖與徐家山組外接觸帶破碎的白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖中，礦體連續(xù)性好，含水巖組富水性和滲透性中等至較強(qiáng)。可以確定三疊系中統(tǒng)徐家山組以碳酸巖為主的含水巖組，是礦床主要的和直接充水的含水巖組，依據(jù)礦床含水層結(jié)構(gòu)及分布特征，主要含水巖組分布范圍延伸至區(qū)外，水文地質(zhì)單元可視為無限邊界，為此，礦坑涌水量采用大井法計(jì)算［4］。對(duì)于潛水完整井，計(jì)算公式為

式中，Q為礦井疏干預(yù)測(cè)涌水量，m3/d；K為礦井疏干含水層滲透系數(shù)，m/d；M為礦坑疏干含水層厚度，m；H為潛水含水層的厚度或承壓含水層初始水位，m；h0為疏干時(shí)的水柱高度，m；R為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m。

滲透系數(shù)K的取值主要依據(jù)抽水試驗(yàn)所得出的實(shí)驗(yàn)值，為0.78 m/d；含水層厚度依據(jù)鉆孔剖面資料，取含水層平均厚度112 m；含水層的初始水位H取3個(gè)不同的工況，即洪水期12.87 m，平水期4.30 m，枯水期2.10 m；礦區(qū)面積概化為圓形，計(jì)算得礦坑涌水量Q=61 345 m3/d。

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性說明

（1）礦坑涌水量將隨著開采深度和開采范圍的增加而增大，上述計(jì)算結(jié)果是預(yù)測(cè)的礦坑最大可能涌水量，也就是礦床開采范圍和開采深度基本達(dá)到最大限度時(shí)的涌水量。

（2）這里預(yù)計(jì)的礦坑涌水量不包括因開采不當(dāng)，斷層帶充水、礦坑頂板破壞而發(fā)生的第四系孔隙水直接潰入坑道中的地下水量，也不包括鉆孔因封孔質(zhì)量存在問題，使第四系地下水通過鉆孔而涌入坑道的水量。

（3）礦區(qū)均存在定水頭、常量補(bǔ)給邊界，采取強(qiáng)行疏干排水，雖能在一定時(shí)間范圍內(nèi)形成局部的疏干空間，但實(shí)際上不太可能出現(xiàn)地下水位被疏干至礦層底板的現(xiàn)象，不存在嚴(yán)格意義上的疏干時(shí)間，礦坑疏干排水是個(gè)長期的過程。

（4）礦區(qū)主要為中等—較強(qiáng)富水的碳酸巖裂隙巖溶含水巖組，礦區(qū)主要含水層巖性為灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，是礦床主要的和直接充水的含水巖組，其富水性為中等至較強(qiáng)，這一特性與涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果相符。

4 結(jié)語

（1）礦床內(nèi)地下水儲(chǔ)存量較豐富，礦體頂板巖性為三疊系中統(tǒng)徐家山組（T2x），其溶洞、溶蝕裂隙局部較發(fā)育，含水層局部連通性透水性較好，是礦區(qū)主要充水層，雖然多數(shù)巖心較完整，但巖石多為半堅(jiān)硬，其強(qiáng)度不高，局部巖體較破碎，在破碎帶、礦巖接觸帶、圍巖接觸帶兩側(cè)、巖體松軟破碎地帶等出現(xiàn)涌水點(diǎn)的頻率較高，極易發(fā)生突發(fā)性涌水、冒頂、片幫事故，礦山開采過程中應(yīng)采取防范措施，可采用先探后采方法掘進(jìn)。

（2）通過抽水試驗(yàn)與涌水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，求得礦區(qū)滲透系數(shù)K=0.78 m/d，計(jì)算涌水量Q=61 345 m3/d，預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定參考性，可為礦山未來開采設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

（3）礦區(qū)存在定水頭、常量補(bǔ)給邊界，采取強(qiáng)行疏干排水，雖能在一定時(shí)間范圍內(nèi)形成局部的疏干空間，但實(shí)際上不太可能出現(xiàn)地下水位被疏干至礦層底板的現(xiàn)象。在生產(chǎn)過程中，若井巷出現(xiàn)突水現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)采取措施堵治水；若是有透水預(yù)兆或其他異常現(xiàn)象，建議立即停工探明原因。建議礦山結(jié)合已有觀測(cè)孔，建立長期地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，進(jìn)一步查明各含水層之間的水力聯(lián)系問題以及地下水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律等。