蒼嶧鐵礦帶蒼山縣溝西-西官莊礦區(qū)溝西礦段(鳳凰山鐵礦)主井井筒檢查孔水文地質(zhì)特征分析

朱昶

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州 272100)

0 引言

為今后鐵礦礦山資源開發(fā)利用及鐵礦防治水方案提供參考，減少礦山施工過程中遇有裂隙巖溶含水層而發(fā)生突水事故，對(duì)施工主井、副井、進(jìn)風(fēng)井、東風(fēng)井和西風(fēng)井井筒檢查孔進(jìn)行了水文地質(zhì)編錄和分層抽水試驗(yàn)[注]①山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司鳳凰山鐵礦主井井筒檢查孔水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，2013年。，以主井井筒檢查孔為例，對(duì)豎井井筒檢查孔進(jìn)行水文地質(zhì)特征分析。

蒼山縣鳳凰山鐵礦隸屬臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，行政區(qū)劃屬山東省蒼山縣尚沿鎮(zhèn)，為隱伏的鞍山式低品位鐵礦，礦床規(guī)模大，礦石質(zhì)量較好。礦區(qū)地層由老到新主要為新太古代泰山巖群山草峪組，新元古代青白口紀(jì)土門群黑山官組、二青山組和震旦紀(jì)土門群佟家莊組，古生代寒武紀(jì)長(zhǎng)清群李官組、朱砂洞組、饅頭組[注]②山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東省蒼山縣溝西-西官莊礦區(qū)溝西礦段鐵礦勘探報(bào)告，2012年。。第四系分布于山前平地及溝谷兩側(cè)。泰山巖群山草峪組是(鞍山式)鐵礦的賦存層位[1]。

對(duì)施工主井、副井、進(jìn)風(fēng)井、東風(fēng)井和西風(fēng)井井筒檢查孔進(jìn)行了水文地質(zhì)編錄和分層抽水試驗(yàn)，以主井井筒檢查孔為例，闡述分析其水文地質(zhì)特征。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

礦區(qū)位于魯中臺(tái)隆的南部丘陵區(qū)，地形西高東低，礦區(qū)西部最高點(diǎn)標(biāo)高+218.10m，東南部最低點(diǎn)標(biāo)高+41.50m。東北及南部為剝蝕沖洪積地形，地勢(shì)較平坦，標(biāo)高+40.70～+88.80m。當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面標(biāo)高+47.50m，該礦床礦體位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下。

1.2 氣象水文

區(qū)內(nèi)氣象屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候，四季分明，多年平均氣溫13.2℃。多年平均降水量787.7mm(1958—2011年)；年平均蒸發(fā)量1385.9mm，最大凍土深度31cm。

礦區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，會(huì)寶嶺水庫(kù)位于礦區(qū)北西約4.5km，為區(qū)外最大的地表水體，防洪水位高程78.25m，總庫(kù)容2.09億m3。

1.3 含(隔)水性

1.3.1 朱砂洞組灰?guī)r含水段

含水段分為上灰?guī)r、余糧村頁(yè)巖、下灰?guī)r，分布于第四系之下、蓋層的上部，裂隙不發(fā)育或較發(fā)育，鉆進(jìn)過程中沖洗液消耗量2376～4752L/h，孔內(nèi)不返水，鉆孔單位涌水量0.185L/s·m，為中等富水潛水含水層[4]。地下水水化學(xué)類型為HCO3-Ca型水，礦化度小于0.52g/L。

1.3.2 石英砂巖含水層

由石英砂巖與泥灰?guī)r組成，裂隙發(fā)育，鉆進(jìn)過程中沖洗液消耗量3960～6336L/h。井檢孔含水層埋深144.55～247.40m，井檢孔單位涌水量0.26L/s·m，為中等富水承壓水含水層[2]。地下水水化學(xué)類型為HCO3-Ca型水，礦化度小于0.51g/L。

1.3.3 石英砂巖、粉砂巖、含海綠石石英砂巖含水段

含水段共分2段，采用混合抽水試驗(yàn)，含水層埋深247.40～523.30m，均為承壓含水層，分布在蓋層的中部及底部,半張性裂隙不發(fā)育,均為閉合裂隙,井檢孔地下水位埋深8.20m，含水層埋深511.45～523.30m，鉆孔單位涌水量0.0047L/s·m，由于含水層補(bǔ)給來(lái)源差，含水極差，為弱富水含水層,水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度小于0.689g/L。

1.3.4 隔水層

埋深525.80～1092.00m，為承壓含水層,巖性為頁(yè)巖、黑云變粒巖、黑云角閃片巖及磁鐵角閃石英巖等，鉆孔單位涌水量0.057～0.175L/s·m，水化學(xué)類型為HCO3-Ca或HCO3·SO4-Ca·Na型水，礦化度1.42～1.96g/L。該含水層巖石裂隙多為閉合型裂隙，含水性微弱，阻隔水性較好。

綜合分析，水文地質(zhì)鉆孔由于巖性變化及裂隙發(fā)育不均一，含水層的水文地質(zhì)條件不同，造成涌水量有所不相同，含水層的補(bǔ)給條件及裂隙發(fā)育不均一是制約水量大小的主要因素。

1.4 斷層構(gòu)造水文地質(zhì)特征

井檢孔附近地層走向近SN，向南東緩傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角一般在10°～12°。根據(jù)物探及地質(zhì)勘探資料：F6斷層位于井檢孔的東部120m，走向NE,傾向NW，傾角49°～80°,為高角度透水正斷層，鉆孔未有揭露；位于井檢孔東F7斷層，距離1160m，斷層走向NE，傾向NW，傾角63°，為一阻水性斷裂，該斷層距井檢孔較遠(yuǎn)，主井施工不會(huì)對(duì)斷層產(chǎn)生影響。

上部蓋層石英砂巖、灰?guī)r、含海綠石石英砂巖裂隙發(fā)育，裂隙頻率一般5～8條/m，下部基巖局部破碎段，是由于區(qū)內(nèi)泰山巖群變質(zhì)地層經(jīng)過強(qiáng)烈的變質(zhì)變形作用形成了一系列復(fù)式倒轉(zhuǎn)似背斜和復(fù)式倒轉(zhuǎn)似向斜，基底發(fā)育褶皺構(gòu)造的擠壓影響所致。

1.5 大氣降水與礦坑充水的影響

大氣降水是該區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源，降水一般集中在每年的7，8，9月份。根據(jù)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料分析，最高水位標(biāo)高47.84m，最低水位標(biāo)高43.15m，礦區(qū)內(nèi)地形起伏較大，地形坡降大于6×10-3，地表徑流快，不利于大氣降水的入滲，因頁(yè)巖泥灰?guī)r裂隙不發(fā)育，隔水性較好，大氣降水間接性補(bǔ)給礦坑地下水比較慢也比較弱，不會(huì)直接對(duì)礦坑產(chǎn)生充水危害。

2 井檢孔涌水量計(jì)算

2.1 水文地質(zhì)試驗(yàn)

抽水試驗(yàn)段共劃分為4段，采用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)[3](圖1—圖4)，從4張曲線圖中可以看出，水位降深與涌水量均比較穩(wěn)定，黑云變粒巖段單位涌水量最小，其他試驗(yàn)段涌水量自上而下逐漸增大，單位涌水量也隨之增大，石英砂巖段抽水試驗(yàn)經(jīng)計(jì)算滲透系數(shù)最大，裂隙發(fā)育，為較好的含水段。

圖1 上部灰?guī)r段抽水試驗(yàn)段QS-f(t)曲線

圖2 石英砂巖段抽水試驗(yàn)段QS-f(t)曲線

圖3 粉砂巖、頁(yè)巖抽水試驗(yàn)段QS-f(t)曲線

圖4 黑云變粒巖段抽水試驗(yàn)段QS-f(t)曲線

2.2 井筒涌水量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

2.2.1 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

井檢孔位于南礦帶的底板黑云變粒巖中。井檢孔抽水試驗(yàn)證明，上部灰?guī)r及石英砂巖含水層水量較大，佟家莊組粉砂巖、二青山組頁(yè)巖、灰?guī)r及含海綠石石英砂巖含水層水文地質(zhì)條件補(bǔ)給差。雖然上

部第四系覆蓋，朱砂洞組灰?guī)r受季節(jié)性影響水位變化較大，采用潛水完整井計(jì)算；李官組石英砂巖承壓水含水層，抽水時(shí)未完全揭露含水層底板，采用承壓非完整井計(jì)算；佟家莊組、二青山組承壓含水層，采用承壓完整井計(jì)算；黑云變粒巖含水段均采用無(wú)限邊界承壓完整井公式計(jì)算[4，5]。

潛水完整井公式：

承壓非完整井公式：

承壓完整井公式：

式中：Q—流量(m3/d)；K—滲透系數(shù)(m/d)；R—影響半徑(m)；r—鉆孔半徑(m)；M—含水層厚度(m)；S—水位降深(m)；H—水柱高度(m)；ξ—阻力系數(shù)。

各含水段的水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 鉆孔抽水試驗(yàn)計(jì)算成果

2.2.2 井筒(荒徑)涌水量預(yù)計(jì)

上部蓋層灰?guī)r選擇直線隔水邊界潛水完整井，石英砂巖采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓直線隔水邊界完整井計(jì)算，中下部粉砂巖、頁(yè)巖及黑云變粒巖影響范圍較小，蓋層選擇無(wú)限邊界承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井公式計(jì)算[4，5]。

隔水邊界潛水完整井：

承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓隔水邊界完整井：

承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓無(wú)限邊界完整井：

最大涌水量：Q大=3Q

式中：Q—井筒預(yù)計(jì)涌水量(m3/d)；Q大—井筒最大涌水量(m3/d)；K—平均滲透系數(shù)(m/d)；R—影響半徑(m)；r—井筒半徑(荒井半徑)(3.50m)；M—含水層厚度(m)；S—靜止水位至含水層底板的降距(m)；H—水柱高度(m)；d—井筒到斷層的距離1160m。主井井筒(荒徑)涌水量預(yù)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 井筒涌水量預(yù)計(jì)結(jié)果

2.3 注漿段的確定

井筒檢查孔產(chǎn)生充水現(xiàn)象且?guī)r石破碎段為:58.65～63.95m，128.95～144.55m，157.95～169.70m，328.90～345.15m。上部灰?guī)r及石英砂巖段，含水層水量較大，在井筒設(shè)計(jì)施工中應(yīng)引起足夠的重視，采取注漿或圍幕護(hù)壁的方法予以解決。

3 結(jié)論

該礦床產(chǎn)于變質(zhì)巖系巖層中，為隱伏礦體，礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬于中等型。建議未來(lái)礦山企業(yè)在坑道設(shè)計(jì)和施工過程中，應(yīng)提前打入探水孔，做到“早預(yù)測(cè)早預(yù)防，有疑必探、先探后掘”的防治水原則[6]。

致謝：山東省魯南地質(zhì)工程勘察院陳占成研究員審閱全文并給予取予悉心指導(dǎo)和幫助。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 謝軍民，姜文娟．棲霞香夼東部石灰?guī)r礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析[J]．山東國(guó)土資源，2012，28(10)：33-37．