召口矿水文地质特征及防治水措施

郭超 牛学忠 张小笛

摘 要：召口矿地下水系统包括奥陶系马家沟组灰岩岩溶裂隙含水岩组、第四系砂砾石孔隙水含水岩组、石炭及二叠系砂页岩裂隙含水岩组、闪长岩裂隙含水岩组；奥陶系马家沟组灰岩岩溶裂隙含水岩组是矿坑充水的主要来源；多年来矿山采用超前疏干排水的方法，保证了生产安全。

关键词：金岭铁矿 召口矿 水文地质特征 奥陶系灰岩 防治水

中图分类号：TD741 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0073-02

大量研究表明，奥陶系灰岩是一个强含水层，是矿山开采中主要的充水水源和矿井突水的巨大隐患[1]。金岭铁矿最早在20世纪70年代提出“两层水”理论，召口矿床根据两层水理论，采用“下层局部疏干法”治理矿坑水并取得了成功。随着近年对厚层灰岩各向异性的研究不断深入，人们认识到奥陶系灰岩岩溶水富水性的差异不仅表现在垂向上，而且也表现在平面上，是一个三维空间赋水不均一的含水层。该文通过对金岭铁矿召口矿区的地下水水文地质特征进行分析，对奥陶系灰岩赋水特征进一步研究，并结合矿井实际，确定相应的探查方法和防治水对策，以期为同类矿山的安全防治水工作提供参考。

1 矿区水文地质概况

金岭铁矿位于淄博市境内，矿部设在张店区中埠镇。召口矿区位于淄博市临淄区凤凰镇西北5 km，是金岭铁矿区已进行开采的十几处矿床之一。该区所处的大地构造位置为华北陆块（I）、鲁西隆起（II）东北部、鲁中隆起区（III）北部、泰山-沂山断隆（IV）、邹平-周村凹陷（V）北缘。区域构造形态为一短轴背斜，核部为金岭闪长岩杂岩体所占据，核部周围为奥陶纪灰岩包围，张店逆断层、湖田向斜、金嶺断层及北高阳断层分布于该区四周，区域水文地质单元属于鲁西北平原松散岩类水文地质区。地下水补给主要依靠大气降水及上游径流补给，地下水排泄条件为人工开采及向下游径流排泄，处于径流排泄区。

1.1 区域含水岩组及特征

矿区主要含水岩组为奥陶系马家沟组灰岩岩溶裂隙含水岩组和第四系砂砾石孔隙水含水岩组，次要含水岩组为石炭、二叠系砂页岩裂隙含水岩组，闪长岩裂隙含水岩组。

1.1.1 奥陶系马家沟组灰岩岩溶裂隙含水岩组

灰岩岩溶裂隙含水岩组是主要含水岩组，厚度30～400 m，水位标高约-240 m。富水特征主要体现在平面上不均一，主径流带在古地形之沟谷和低洼处富水性好。剖面上富水性也不均一，靠近矿体的接触带附近，灰岩底部裂隙及溶孔等被热液矿物充填，富水性差，可分为四个带。

I带为岩溶裂隙充填带：该带在矿床内发育稳定，天然状态下，粘土充填程度较好，不含水，具有一定的隔水能力。该带单位涌水量0.032～6.352 L/s·m，渗透系数0.626～1.562 m/d。

II带为岩溶裂隙带，岩溶裂隙较发育，很少充填，是主要富水段。该带单位涌水量0.505～12.356 L/s·m，渗透系数5.012～32.568 m/d。

III带裂隙带，岩溶发育微弱，裂隙很少发育，是次要富水段。该带单位涌水量0.006～2.356 L/s·m，渗透系数0.212～2.879 m/d。

IV带热液矿物充填带，是矿体直接顶板，此带广泛分布，厚度较大，一般为100m左右，含水微弱，具有一定的隔水性。该带单位涌水量0.002～0.687 L/s·m，渗透系数0.012～1.025 m/d。

矿区南部边界是湖田向斜，其南北两翼灰岩地下水水力联系甚弱，淄博盆地灰岩地下水难以透过向斜轴部补给矿区灰岩地下水，湖田向斜可以作为矿区南部和东南部的阻水屏障。

1.1.2 第四系砂砾石孔隙含水岩组

第四系砂砾石含水岩组为主要含水岩组，厚度5～20 m，水位标高约15 m。该含水岩组透水性好，含水较丰富，渗透系数25～100 m/d，单位涌水量约为12.75 L/s·m。第四系底部一般分布有一层粘土层与下伏基岩接触，是天然的隔水岩组。北金召北矿床局部有第四系砂砾石层与基岩接触，与石灰岩含水岩组有水力联系，但由于近年来矿山注浆堵水治理、矿山疏干排水等，地下水位大幅下降，矿床内大部分地段已干涸，对矿床开采的威胁小。

1.1.3 石炭、二叠系砂页岩裂隙含水岩组

该含水层富水性微弱，对矿床开采威胁小，为次要含水岩组。

1.1.4 闪长岩裂隙含水岩组

在闪长风化裂隙带内透水且含水，但富水性微弱，作为矿体的直接底板为完整的闪长岩，故该含水岩组对矿床开采威胁小。

1.2 矿床水文地质边界条件

矿区南部边界是湖田向斜，其南北两翼灰岩地下水水力联系甚弱，淄博盆地灰岩地下水难以透过向斜轴部补给矿区灰岩地下水，湖田向斜可作为矿区南部和东南部的阻水屏障。

矿区东部边界是金岭断层，尽管断层南段是透水的，但断层破碎带并不富水，矿区灰岩地下水也不会获得断层以东的大量补给，故金岭断层可以作为矿区东部隔水边界，断层对相邻矿床开采不具充水意义。

矿区西部隔水边界是张店断层，矿区北部隔水边界是北高阳断层。

1.3 地下水的补给、径流和排泄条件

区内第四系砂砾石孔隙水的补给来源以大气降水入渗为主，其次是上游地下水的径流补给，农业灌溉、地下径流为其主要排泄途径，地下水总体流向为自东南向西北径流。

区内灰岩岩溶裂隙水补给来源为裸露区大气降水入渗补给和上部第四系砂砾石孔隙水的少量补给，地下径流、人工开采和矿井排水为其主要排泄途径。

2 灰岩各向异性分析及矿坑涌水量预测

2.1 灰岩各向异性分析

通过对近年来矿区施工的各种探放水孔的水文地质观测，总结出矿区灰岩岩溶裂隙含水岩组的富水性和导水性具有以下特点：

（1）富水性在水平方向上具有不均匀性，钻孔单位涌水量一般为0.3～4.0 L/s·m，最大可达64.81 L/s·m。

（2）富水性在垂直方向上表现为上强下弱，如北金召北矿床4-2A号孔灰岩分段抽水试验结果：上部段单位涌水量为10.9 L/s·m，下部段则为0.3 L/s·m，两者相差30余倍。

（3）导水性在水平方向上具有方向性，一般沿灰岩走向的导水性较强，而沿倾向方向导水性较弱。

2.2 矿坑涌水量预测

召口矿区采矿许可证开采标高-100 m至-590 m，北金召矿床开拓至-570 m，北金召北矿床开拓至-430 m，本次对北金召矿床-590 m、北金召北矿床-470 m进行矿坑涌水量预测。

2.2.1 计算方法和公式的选择

目前，北金召矿床开拓至-570 m，北金召北矿床开拓至-430 m，坑道为接力排水，根据以往的水文地质资料，本次根据资料采用比拟法对北金召矿床-570 m矿坑涌水量、北金召北矿床-430 m矿坑涌水量进行预测。计算公式如下：

Q=Q0*（S/S0）1/2

式中：Q为预测中段的矿坑涌水量（m3/d）。

Q0为已知中段的矿坑涌水量。

S为预测中段地下水位降深值（m）。

S0为已知中段地下水位降深值（m）。

2.2.2 预测结果

根据矿山资料，北金召矿床开拓至-570 m矿坑平均涌水量为9904 m3/d，最大涌水量为10828 m3/d。本次预测北金召矿床-590 m矿坑平均涌水量为10200 m3/d，最大涌水量为11151 m3/d。其预测涌水量结果见表1。

根据矿山资料，北金召北矿床开拓至-430 m矿坑平均涌水量为4504 m3/d，最大涌水量为5188 m3/d。本次预测北金召北矿床-470 m矿坑正常涌水量为4955 m3/d，最大涌水量为5188 m3/d。期预测结果见表2。

3 防治水对策

合理的防治水方法必须与矿井的水文地质条件相结合，并综合考虑现有的技术条件等因素。通过对矿井水文地质条件及充水因素的分析，结合实际的生产情况，确定采用预防为主，防治结合的原则进行防治水工作[2]。

3.1 地面防治水措施

地面防治水是预防矿井水灾的第一道防线。要做好地面防治水工作，要掌握地表水的性质、特点及变化规律，其次要掌握本矿区的地形地貌及当地气候条件，要研究确定防治水措施及防排水工程[3]。

矿区地表水系不发育，主要接受大气降水补给。矿山在采用井下机械强制排水的同时，还要做好以下防水措施：（1）防止井口灌水；（2）防止地表渗水；（3）防止地面积水；（4）加强雨季前的防汛工作。

结合召口矿实际，地面防治水主要采取4种措施：（1）加强地面防水工程的检查，在雨季到来之前，对地面防水工程应做全面检查，发现问题及时处理；（2）修建排水渠，排放积水，疏干地表水源；（3）注浆填堵塌陷坑、裂隙等地表透水通道；（4）充填、平整积水洼地。

3.2 地下防治水措施

3.2.1 做好水文地质和观测工作

（1）做好矿井水文地质工作。

在矿井建设和生产过程中，应不断积累和掌握水文地质资料，根据资料不断完善矿山的防治水措施。

（2）做好水文观测工作。

①收集当地气象、降水量等气象水文资料，查明区域地表水体的分布水量和补给排泄条件，查明洪水泛滥的影响程度。

②在矿区内设置水文观测孔，观测各种水源的水压、水位和水量变化规律，查明矿井水的来源以及矿井水和地下水、地表水的补给关系。

③观测矿井涌水量及其季节性变化规律。

3.2.2 井下探水

矿井建设和生产都必须坚持有疑必探、先探后掘的原则。探水时要采取相应的安全措施。

建立突发事故处理应急预案并进行技术演练，提高处理突发事故的总体能力，将重大安全突发事故的危害和影响降低到最低程度。特别是若周边矿山均停止开采，地下水的补给必然大大增加，本矿山的涌水量也必然大幅度增加，必须对上述情况制定周全的应急预案，确保万无一失。

3.2.3 井筒掘进防治水措施

由于本区第四系地层中砂砾石含水层厚度较大，含水丰富，凡是穿过第四系的矿井施工，应打工程孔验证第四系地层厚度及含水情况，采用冻结法施工，第四系地层全程冻结。

3.2.4 地表钻孔处理

由于本区第四系地层中砂砾石含水层厚度较大，含水丰富，地表钻孔往往使第四系孔隙水含水层和奥陶系灰岩裂隙含水层发生水力联系。矿山在钻探施工时，建议加强坑内钻的施工，如需地表施工钻孔时，应采取以下措施。

（1）在钻探施工中，不管涌不涌水均须及时安装止水器封堵。

（2）根据采矿需要，对部分特殊位置地表孔主动揭露处理。

（3）尽可能在较高水平截断地表孔进行处理。

（4）对地表孔涌水坚持“只堵不放”的原则。

4 结论

（1）矿山利用奥陶系灰岩含水层各项异性采用下层局部疏干法对矿坑水进行治理，取得了显著的效果。

（2）目前北金召矿床开拓至-570 m矿坑平均涌水量为9904 m?/d，最大涌水量为10828 m?/d；北金召北矿床开拓至-430 m矿坑平均涌水量为4504 m?/d，最大涌水量为5188 m?/d。

本次预测北金召矿床-590 m矿坑平均涌水量为10200 m?/d，最大涌水量为11151 m?/d；北金召北矿床-470 m矿坑正常涌水量为4955 m?/d，最大涌水量为5188 m?/d。

（3）加强基建和生产期的水文地质工作，对矿区水文地质条件不清地段，必须坚持“超前疏干排水”的原则。

（4）矿山应尽快建立第四系砂砾石孔隙水、奥陶系灰岩岩溶裂隙水的水位、水量、水质等动态监测系统，密切关注地下水及水文地质条件变化情况；同时尽快建立地表岩移监测网，并坚持观测，对资料随时整理，发现异常及时采取应对措施。

（5）矿山应继续加强对矿坑排水的监测，对资料随时整理，发现异常，及时采取应对措施，以防意外事故发生。

（6）矿山在巷道开拓过程中，特别要注意避免遇到探矿钻孔，如遇到鉆孔，及时采取措施治理，避免造成涌水事故。

参考文献

[1] 刘启人.我国岩溶充水矿床的基本水文地质特征及岩溶水的防治与利用[J].中国岩溶，1988（4）：335-339.

[2] 崔海平，孙国栋，冀奉之.金岭铁矿矿山防治水实践[J].山东冶金，2012（6）：5-6

[3] 袁长青.矿井水患的防治[J].煤炭技术，2007（4）：55-57.