山东兰陵土山隐伏铁矿床充水因素及涌水量预测

李 军，宋月梅，陈丽静，王 娜

(山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)，山东 济宁272100)

山东兰陵县土山铁矿床为深隐伏沉积变质岩型(鞍山式)铁矿床，铁矿石资源量2320.2万t，为一中型铁矿床，目前矿山处于开采初期。矿山东侧紧邻兰陵县智造产业园，北距206国道1.5km，南部距岚曹县高速峨山出入口5km，交通便利。矿床距地表水体后大窑水库较近，且断裂构造发育，对矿床充水因素进行分析及涌水量预测十分重要，为矿山深部的开采提供参考资料。

1 矿区水文地质背景

1.1 地形地貌及水文

矿区位于苍峄铁矿带中部低山丘陵区，矿区面积约0.92km2，地形中间高四周低，土山山顶为区内最高点，标高+137.90m，最低点标高(当地最低侵蚀基准面)+61.50m，本矿体位于当地最低侵蚀基准面之下；矿区及附近唯一地表水体为后大窑水库，紧邻矿区东边界，为区域最大地表水体，水库控制流域面积3.03km2，设计水位76.57m，兴利库容88.8万m3，总库容145万m3。

1.2 含(隔)水层特征

1.2.1 含水层特征

(2)南华纪二青山组(Nh1e)灰岩-砂岩岩溶裂隙含水层：分布于矿区大部分地区，西部出露于地表，为矿床主要含水岩层，灰岩、含海绿石石英砂岩等组成，整合于二青山组页岩隔水层之下。主要富水含水岩层厚12.10m～18.80m，埋深50.40m～170.20m，含水层单位涌水量0.0612 L/s·m～0.094L/s·m，富水性较弱；渗透系数0.399m/d～0.55m/d，透水性稍差。

1.2.2 相对隔水层特征

(1)南华纪佟家庄组(Nh2-3t)粉砂岩-二青山组(Nh1e)页岩隔水层：位于矿区中东部，整合于李官组石英砂岩裂隙含水层之下(图1、图2)，由粉砂岩和页岩组成，隔水层较厚，厚40m～100m。自西向东逐渐增厚，是良好的隔水层，尤其是二青山组页岩隔水好。

(2)青白口纪黑山官组(Qbh)页岩隔水层：平行不整合于二青山组含海绿石石英砂岩岩溶裂隙含水层下，厚度1.35m～6.40m。岩石结构致密，裂隙弱发育，为隔水层，隔水效果较好。

图1 矿区水文地质简图

1.3 断层构造水文地质特征

矿区内有6条断层，其中F1断层(白水牛石断层)为区域上较大的断裂，其余5条断裂为F1断裂的次级断裂。

F1(白水牛石断层)：位于矿区东部，呈近南北走向的正断层，倾向西，倾角55°～65°。为矿床的东部自然边界。断层破碎带宽度20m～40m，带内碎裂岩、角砾岩以及糜棱岩较为发育。破碎带顶部为会宝岭水库。破碎带胶结较差、两壁一顶较为潮湿，局部见滴水或渗水现象，尚未见大的出水点。初步判断有一定的导水性，建议下一步开采时预留足够的防水矿柱。

F2断层：位于矿区东部，白水牛石断裂次生构造，产状201°∠80°，破碎带宽0.15m～0.30m，带内角砾泥质胶结，裂隙较发育。两壁一顶较为潮湿，偶见滴水现象。初步判断导水性微弱。

F3断层切割较深，将矿体切割错断成两部分。断层及其两侧破碎带见有滴水或淋水现状，各出水点水量1m3/d～5m3/d，断层具有弱导水性。

F4断层倾向东，倾角82°～85°，断层未切割矿体，水文地质意义不大；F5断层倾向西，倾角85°，断层未切割矿体，水文地质意义不大；F6断层位于矿区西北部，产状328°∠75°，断层规模相对较小，延伸较浅，且离矿床较远，不会影响到矿床开采，水文地质意义不大。

2 矿床充水因素分析

2.1 大气降水及地表水体对矿坑充水的影响

大气降水是本区地下水的主要补给来源，由于地形坡降大于13‰，地表径流快，不利于大气降水的入渗，大气降水间接性补给矿坑地下水比较慢。矿体虽位于侵蚀基准面以下，但地形有利于自然排水，大气降水及地表水体不构成矿床充水的主要因素。

图2 水文地质条件剖面示意图

2.2 导水构造对矿坑充水的影响

矿区有6条断层，其中F4、F5、F6断层未切割矿体且距矿体较远，不会对矿坑充水产生危害。

F1断层为区域上大断层，破碎带顶部为会宝岭水库，通过井下调查，初步判断有一定的透水性，建议下一步开采时预留足够的防水矿柱。

F3断层、F4断层具有微弱透水作用，沟通了变质岩裂隙水和盖层水的水力联系，但根据井下实际调查结果，F3断层、F4断层导水性较弱，一般不会对坑道产生突水危害。

2.3 李官组砂岩裂隙含水层对矿坑充水的影响

该含水层与矿床之间由二青山组页岩、黑山官组页岩隔水层阻隔，对矿床坑道开采不会直接产生充水作用。但由于该含水层为矿区主要含水层、有一定的富水性，含水层可通过F1断层、F2断层破碎带向下渗透，对矿床充水起到补给作用，为矿坑充水的重要补给来源。

2.4 二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙含水层对矿坑充水的影响

该含水层富水性微弱，且底部由黑山官组页岩隔水层的阻隔，对矿床坑道开采不会产生直接充水作用。对矿床开采充水影响不大。

2.5 变质岩裂隙含水层对矿坑充水的影响

矿体产于泰山岩群山草峪组变质岩系岩层中，为隐伏矿体，是矿床的直接充水含水层。含水层渗透系数0.006m/d，为渗透性微弱的裂隙含水层，不会对矿床充水产生危害；为防止黑山官组页岩隔水层被破坏而导致二青山组岩溶裂隙水直接溃入矿房及坑道造成危害，开采时矿体顶板应留一定厚度的防水保安矿柱。

3 矿床开采涌水量预测

3.1 “水平狭长坑道法”涌水量预测计算

(1)计算模型确定：矿床采用巷道开采，开采时形成狭长的水平坑道，适合采用“水平狭长坑道法”预测各中段坑道涌水量[1，2]。由于坑道近东西向，两侧无明显隔水边界或补给边界，且矿体底板岩体较完整，隔水性好，因此可视为相对隔水底板的双边进水无限边界承压水完整井计算。预测计算时，坑道的长度按照矿体长度取980m，下部取最低控制开采水平-500m标高。

(2)计算公式确定：矿床开采时，由于坑道疏干排水，地下水由承压状态转为无压状态，选用“水平狭长坑道法”稳定流承压转无压公式：

(3)式中计算参数的确定

(4)预测结果：分别对-300m、-400m、-500m、-600m开采标高涌水量预测，结果见表1。

表1 “水平狭长坑道法”预测坑道涌水量

3.2 “大井法”涌水量预测计算

(1)计算模型确定：由于矿床周边无明显的隔水边界或补给边界，且矿体底板岩体较完整，隔水性好。因此，矿床开采时坑道可视为无限边界承压水完整井计算[3]。

(2)计算公式确定：矿床开采时，坑道处于疏干排水状态，地下水由承压状态转为无压，因此选用“大井法”承压转无压公式：

(4)预测结果：-300m、-400m、-500m、-600m开采标高矿坑进行涌水量预测，结果见表2。

3.3 “水文地质比拟法”涌水量预测计算

(1)公式的确定：目前矿床-200m中段坑道实际涌水量1040m3/h，坑道长约300m，结合实际开采情况选用地下水呈层流运动时的承压水计算公式[6]：

Q=r·S· Q1/(r1·S1) Qmax=1.5Q

(3)估算结果：对-300m、-400m、-500m、-600m开采标高矿坑涌水量预测，结果见表3。

表2 “大井法”预测坑道涌水量

表3 “比拟法”预测的矿坑涌水量表

3.4 矿坑涌水量预测结果对比分析

为取得较符合实际条件的坑道涌水量预测值，三种方法的预测结果对比见表4。由表可以看出，“大井法”和“水文地质比拟法”计算结果较为接近，预测结果可作为以后矿床深部设计与开采的参考资料。

表4 预测矿坑涌水量对比表

4 结论与建议

(1)矿体属于隐伏形式矿体，地表地形有利于自然排水，大气降水及地表水体不构成矿床充水的主要因素，直接充水来源于泰山岩群山草峪组变质岩裂隙含水层，矿床水文地质条件复杂程度为中等型。

(2)采用井下坑道开采方式，F1断层为区域上大断层，破碎带顶部为会宝岭水库，通过井下调查，初步判断有一定的透水性，建议下一步开采时预留足够的防水矿柱并加强对断层破碎带的水文地质研究工作。

(3)通过“水平狭长坑道法”、“大井法”与“水文地质比拟法”对不同标高矿坑正常涌水量及最大涌水量预测，其中“大井法”与“水文地质比拟法”预测结果可作为矿床深部开采提供涌水量资料。