小王家矿区水文地质特征分析及矿坑涌水量预测

翟笃军

（安徽省地质矿产勘查局322地质队）

小王家铁矿位于安徽省芜湖市无为市汤沟镇雍南小王家村，是近年来勘查新发现的小型铁矿床。本次勘探主要任务是查明矿区水文地质条件、含水性岩组特征、隔水层、地下水的补径排条件以及含水层之间的水力联系，预测矿坑涌水量。根据矿区水文地质勘查规范要求，进行了稳定流抽水试验，求取渗透系数，掌握矿区水文地质条件，进行综合性水文地质的评价，准确预测矿坑涌水量，为转地下开采提供科学依据［1-5］。

1 区域水文地质特征

矿区地处长江冲积平原河流漫滩，区内地形平坦，地势由西北向东南缓倾，地面高程为6.2～7.8 m。矿区所在区域属于亚热带季风性湿润气候，四季分明，气候温和，雨量充沛。区域河流众多，塘坝、水库星罗棋布。过境河流主要有长江，境内河流主要有西河、裕溪河。矿区水塘密布，且气候条件复杂，水旱灾害频繁，基本上每年都有不同程度的洪涝旱灾发生。

小王家矿区位于裕溪口—龙塘沿—下埠圩—汤沟一线的1 个复式背斜，称裕汤复背斜［1］，并由其构成具有背斜构造特征的水文地质单元。因该水文地质单元地处长江冲平原，亦可称之为沿江平原水文地质单元。矿区地下水类型以孔隙水、裂隙水2类为主，水力性质分别具有孔隙潜水-承压水、孔隙承压水和基岩裂隙承压水特征，该水文地质单元的含水层有第四系（Q4al）松散状态黏土、砂、砂砾，新近系（N）未固结成岩的粉砂岩、含黏土砂砾石岩，三叠系徐家山组（T2X）碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩3 层结构，沿江充沛的降水是地下水补给的主要来源。

2 矿区水文地质特征

2.1 含水性岩组特征

（1）强富水的第四系（Q4al）孔隙含水岩组。区内主要为长江第四纪全新世（Q4al）沉积层广泛分布，主要岩性为灰黄色亚黏土、灰黑色淤泥质黏土、青灰色粉细砂和亚黏土互层、青灰色砂砾石层，钻孔揭露厚度5～55 m，钻孔单位涌水量QCP=0.17～1.95 L/（s·m），渗透系数KCP=0.67～5.19 m/d，水质类型为HCO3-Ca·Mg型中性淡水。地下水位标高5 m左右。

（2）弱富水性的新近系（N）松散孔隙含水岩组。主要岩性为黏土岩、黏土夹砂砾石、泥砂砾石岩构成，未固结成岩，结构松散。因此富水与透水性明显弱于上部第四孔隙水。但该层因黏粒成分分布不均，存在富水性和渗透性有较大的差异性。如以往小王家详查抽水资料显示，该层单位涌水量q=0.058～0.072 L/（s·m），渗透系数K=0.031～0.093 m/d，水质类型为SO4·HCO3-Ca·Na 型中性微咸水。地下水位标高4～6 m。该含水岩组地下水主要接受上部强富水性的第四系孔隙含水岩组的补给，补给源丰富。

（3）中等—较强富水的碳酸岩裂隙岩溶含水岩组。主要由三叠系中统徐家山组（T2x）组成，岩性为灰、深灰、灰白色白云岩，灰质白云岩，白云质灰岩。含水岩组厚度数十米至300 余米。该岩组在侵入接触带和矿体附近，或在侵入岩脉顺层侵入穿插形成局部侵入岩捕虏体等地质结构较复杂的地段，构造裂隙和具有良好联通性的孔洞（晶洞）较发育，含水岩组富水性和渗透性中等至较强。大尚家铁矿床本次勘探抽水试验，钻孔单位涌水量q=0.024～1.350 L/（s·m），渗透系数K=0.002 2～0.681 0 m/d，富水性弱—强。但相邻的施墩铁矿Q1 孔抽水试验资料［2］显示，q=0.834～1.25 L/（s·m），渗透系数K=1.3～2.17 m/d［2］；金龙铁矿W2 孔抽水试验资料［3］显示，钻孔单位涌水量q=1.05 L/（s·m），渗透系数K=1.54 m/d。综合考虑雍镇铁矿田有关水文地质资料，可以确定三叠系中统徐家山组以碳酸岩为主的含水岩组，是矿床主要的和直接充水的含水岩组，其富水性为中等至较强，非均质性明显。含水岩组地下水位标高0.39～5.65 m，水化学类型为SO4·HCO3—Na·Ca 型或SO4—Ca·Na·Mg型中性微咸水。

（4）弱—中等富水的裂隙岩溶含水岩组。主要由三叠系中统黄马青组（T2h2）地层组成，岩性为泥岩、角岩化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及粉砂岩。含水层呈缓倾斜层状，厚度18～216 m。岩心呈坚硬或半坚硬，完整，多呈柱状，裂隙不发育。富水性和渗透性均较弱。据金龙铁矿区W2 抽水试验资料，钻孔单位涌水量q=0.13～0.20 L/（s·m），渗透系数K=0.11～0.13 m/d，水质为SO4·HCO3—Ca·Na 型。地下水位标高4～6 m。

2.2 隔水层

（1）三叠系中统黄马青（T2h1）组隔水层。主要岩性为钠长石角岩、角岩化粉砂岩、角砾岩和方解石岩，岩石硬而脆，张裂隙不发育，厚4～134 m，钻孔揭露孔内很少出现漏水现象，视为隔水层，分布于矿区南部，构成局部隔水边界。

（2）石英闪长岩（隔水岩体）。岩性为石英闪长岩，钻孔揭露岩石完整呈柱状，裂隙极不发育，构成矿床的隔水底板。该层呈带状分布于矿区的西部，顶部与弱富水性的新近系（N）松散层接触。据以往抽水资料，渗透系数K=0.009 6 m/d，为相对隔水层岩体。

（3）地下水补给、径流、排泄条件。沿江充沛的降水是地下水补给的主要来源。第四系孔隙水除接受大气降水补给外，主要接受长江、运漕河地表水体的补给。长江河床深切第四系全新统砂砾石强富水性的含水层，两者水力联系密切，由于砂砾层位于长江河床底部，而长江水位即使是枯水季节也不会见底，砂砾层补给源丰富，受长江地表水的补给关系是永恒。但浅部孔隙含水层在长江水位季节性变化范围，则存在季节性互补关系。浅部地下水季节性转变往往比较缓慢，滞后于地表。地下水与地表水位互补关系随远离江岸逐渐消失。第四系浅层孔隙水除以蒸发形式排泄外，主要向当地最低侵蚀基准面——长江汇集排泄。

2.3 矿床充水因素分析

小王家铁矿赋存于钠质石英闪长岩与三叠系中统徐家山组（T2x）［4］接触带的岩体凹陷部位。富水性中等至较强的［5］裂隙岩溶含水岩组（徐家山组T2x）是矿床主要充水层，岩溶较发育，以小型溶孔为主，直接充水并具有典型承压水特征的一个含水层。徐家山组（T2x）裂隙含水层构成矿体的充水顶板，钠质石英闪长岩构成了矿体的隔水底板。徐家山组（T2x）裂隙含水层是矿区直接充水含水层，在矿坑疏干排水状态下，不仅接受侧向补给，还接受上覆新近系与第四系孔隙水的补给。矿区疏干排水期间，松散层孔隙水主要通过徐家山组（T2x）直接向矿坑充水，为该矿坑直接充水层。

雍镇铁矿田各矿床地质、水文地质编录资料中，未发现有明确的含水断裂构造。施墩铁矿坑道开拓过程中迄今也未发现有此类构造存在，大尚家铁矿本次勘探也未发现构造。虽然如此，但由于勘探程度有限，已开采的矿床尚处于开采初期阶段，因此还不能否定矿区范围内充水断裂破碎带存在的可能性。而侵入岩体接触带可以认为是有重要意义的含水构造带。侵入接触带附近岩石构造裂隙较发育，岩石也较破碎，地下水相对活跃，是控制和影响矿床水文地质、工程地质条件的基本因素，也是引发坑道不稳定，发生变形、破坏以及坑道出现突水的重要因素。此外，因钻孔封孔质量存在问题而使第四系孔隙水通过钻孔而涌入坑道，造成矿坑突水并可能发生淹井的这种人为因素引起的矿床充水，也不可忽视。

2.4 含水层之间的水力联系

为查明强富水的第四系（Q4al）及新近系（N）松散层孔隙水与下部统徐家山组裂隙岩溶水之间水力联系问题，除设立12个基岩裂隙水观测孔之外，还专设KZK004、KZK202、观14（N 层）、观11（Q 层）孔作为多孔及群孔抽水试验的观测孔（图1）。矿区各含水层之间的补给关系：强富水性的第四纪全新世（Q4al）孔隙含水层（上层）补给→弱富水性的新近系（N）松散层含水岩组（中层）补给→徐家山组（T2x）裂隙岩溶含水岩组（下层）补给→闪长斑岩（底层、隔水层）。如多孔抽水水位下降幅度与出水量呈正比关系，群孔抽水时各观测孔水位下降幅度是多孔的1～3倍，此异常现象可以说明二者之间水力联系较弱。

3 矿坑涌水量预测

3.1 预测方法及结果

小王家铁矿矿体赋存于背斜南东翼石英闪长岩与徐家山组外接触带破碎的白云质灰岩、灰质白云岩中，矿体连续性好，含水岩组富水性和渗透性中等至较强。可以确定三叠系中统徐家山组以碳酸岩为主的含水岩组，是矿床主要的和直接充水的含水岩组，依据矿床含水层结构及分布特征，主要含水岩组分布范围延伸至区外，水文地质单元可视为无限边界，为此，矿坑涌水量采用大井法计算［4］。对于潜水完整井，计算公式为

式中，Q为矿井疏干预测涌水量，m3/d；K为矿井疏干含水层渗透系数，m/d；M为矿坑疏干含水层厚度，m；H为潜水含水层的厚度或承压含水层初始水位，m；h0为疏干时的水柱高度，m；R为引用影响半径，m；r0为引用半径，m。

渗透系数K的取值主要依据抽水试验所得出的实验值，为0.78 m/d；含水层厚度依据钻孔剖面资料，取含水层平均厚度112 m；含水层的初始水位H取3个不同的工况，即洪水期12.87 m，平水期4.30 m，枯水期2.10 m；矿区面积概化为圆形，计算得矿坑涌水量Q=61 345 m3/d。

3.2 预测结果可靠性说明

（1）矿坑涌水量将随着开采深度和开采范围的增加而增大，上述计算结果是预测的矿坑最大可能涌水量，也就是矿床开采范围和开采深度基本达到最大限度时的涌水量。

（2）这里预计的矿坑涌水量不包括因开采不当，断层带充水、矿坑顶板破坏而发生的第四系孔隙水直接溃入坑道中的地下水量，也不包括钻孔因封孔质量存在问题，使第四系地下水通过钻孔而涌入坑道的水量。

（3）矿区均存在定水头、常量补给边界，采取强行疏干排水，虽能在一定时间范围内形成局部的疏干空间，但实际上不太可能出现地下水位被疏干至矿层底板的现象，不存在严格意义上的疏干时间，矿坑疏干排水是个长期的过程。

（4）矿区主要为中等—较强富水的碳酸岩裂隙岩溶含水岩组，矿区主要含水层岩性为灰质白云岩、白云质灰岩，是矿床主要的和直接充水的含水岩组，其富水性为中等至较强，这一特性与涌水量预测结果相符。

4 结语

（1）矿床内地下水储存量较丰富，矿体顶板岩性为三叠系中统徐家山组（T2x），其溶洞、溶蚀裂隙局部较发育，含水层局部连通性透水性较好，是矿区主要充水层，虽然多数岩心较完整，但岩石多为半坚硬，其强度不高，局部岩体较破碎，在破碎带、矿岩接触带、围岩接触带两侧、岩体松软破碎地带等出现涌水点的频率较高，极易发生突发性涌水、冒顶、片帮事故，矿山开采过程中应采取防范措施，可采用先探后采方法掘进。

（2）通过抽水试验与涌水试验结果对比分析，求得矿区渗透系数K=0.78 m/d，计算涌水量Q=61 345 m3/d，预测结果具有一定参考性，可为矿山未来开采设计提供参考依据。

（3）矿区存在定水头、常量补给边界，采取强行疏干排水，虽能在一定时间范围内形成局部的疏干空间，但实际上不太可能出现地下水位被疏干至矿层底板的现象。在生产过程中，若井巷出现突水现象，应及时采取措施堵治水；若是有透水预兆或其他异常现象，建议立即停工探明原因。建议矿山结合已有观测孔，建立长期地下水位动态监测网，进一步查明各含水层之间的水力联系问题以及地下水位动态变化规律等。