某铁矿水文地质条件及涌水量预测研究

徐 磊， 李 飞

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.芜湖太平矿业有限公司， 安徽 芜湖市 238000)

0 前 言

某铁矿为一水文地质、工程地质极为复杂的大水矿山，复杂多变的水文工程地质条件一直困扰着矿山的生产安全。该铁矿矿体连续性较差、多夹层、多分枝、地层岩性变化快、围岩稳定性较差，矿体直接顶板为徐家山组(T2X)大理岩含水层，主要矿体位于当地侵蚀基准面以下，含水层富水性强，补给条件好，水文地质边界较复杂，矿体底板与闪长岩接触带处，破碎带发育，局部见风化带，通过钻孔揭露，含风化带网状裂隙水，属第三型水文地质条件复杂的矿床，自该铁矿井建到现在为止共发生数次较大的突水事故，其中“925”突水事故瞬时涌水量高达2400 m3/h，在短短的12 h内，使得副井井筒水位与第四系水位基本持平，造成重大淹井事故。

本文着重分析该矿的水位地质条件，查明矿体顶板含水层构造、岩溶裂隙发育分布规律、地下水运动分布规律、水力联系、富水性等水文地质特征，并综合以往的勘查报告，预测该矿的矿井涌水量，为该矿选用一个有效、经济、合理的防治水综合技术方案奠定坚实的基础。

1 水文地质条件分析

1.1 区域构造

本区大地构造位置属扬子准地台、下扬子台坳，沿江拱断褶带之安庆凹断褶束，宁芜断陷盆地之西南缘。区域构造线方向为北东～北北东向。

区内褶皱构造主要是裕溪口～汤沟镇(俗称裕汤)复背斜，轴向自北向南由50°～60°渐变为20°，两翼地层产状平缓，倾角20°左右。核部地层为三迭系中统徐家山组，两翼为三迭系中统黄马青组及上统范家塘组。复背斜枢扭有起伏，常被北西～近东西向的断层切割。复背斜两翼的次一级褶皱发育，自北西至南东依次有大宋巷～周家村背斜、小韦村背斜、中和村向斜、小六房背斜、王家坝向斜、小万家背斜、唐家跳向斜等。这些次一级的褶皱大都向斜开阔，背斜紧密，呈短轴状产出。

1.2 矿区及矿床地质条件

1.2.1 地层

矿区地表全为第四系松散冲积物覆盖，钻露的地层主要为三迭系中统徐家山、黄马青组见表1。

1.2.2 构造

表1 某矿区地层

(1) 褶皱。矿区内的褶皱构造主要为一背斜构造，系裕汤复背斜之太平村段。该背斜轴部位于矿区中部贾小庄～代墩一带，轴向北东50°～60°；核部地层为三迭系中统徐家山组，两翼为黄马青组一、二段地层。背斜两翼地层总体走向北东，分别倾向北西、南东，产状一般较平缓，倾角约10°～15°。在太平村附近，似表现为迭加于北东向背斜构造上的一个北西向短轴向斜构造。本矿床内的矿体即产于太平村背斜南东翼之岩体凹陷部位。

(2) 断裂。据目前现场揭露情况和物探推测来看，经过矿区的有F1、F2两条断层。同时，从岩石裂隙、角砾岩及热液脉岩较发育等情况分析，区内在成矿作用前后，均可能在不同应力场作用下，形成各种局部张裂隙、层间破碎带、小型压性断裂等。

此外，在矿床范围内矿体与围岩接触面产状总体比较平缓，倾角一般为10°～15°，与围岩地层产状大体一致，仅局部较陡，如太平村东，倾角可达40°左右。因接触面具有相对隆起和凹陷，并常有岩枝沿围岩层理穿插，而使接触带复杂化。在太平村的东、西、北三面矿体与围岩接触面均相对隆起，从而在太平村的南侧形成一个总体向南开口类似于“箕”状的相对凹陷(岩凹)构造，本矿床内的主要矿体受岩体接触带凹陷构造控制明显。

1.2.3 岩浆岩

矿区内岩浆岩属前述之钠质石英闪长岩类。岩浆岩与成矿具有密切的成因联系，本矿床的所有矿体均产于岩体与围岩的接触带附近，它为成矿提供了一定的物质来源，是主要的成矿母岩。

1.3 水文地质特征

1.3.1 矿床构造裂隙性质

矿床直接顶板和围岩皆为三叠系中统徐家山组(T2X)岩层，其厚度大，岩溶裂隙发育，连通性好，压力传导快，瞬间突破能力强，具有强富水性，同时该含水层接近地表附近的层段岩石风化,节理、裂隙发育，与上覆第四系含水层有一定水力联系。矿体受构造控制较明显，矿岩节理裂隙比较丰富，裂隙、破碎带主要有NE、NW向两组，以NE向最为发育。矿床底板与闪长岩接触部位破碎带发育，局部见风化带，通过钻孔揭露，含风化带网状裂隙水。

1.3.2 地下水补给排泄条件及其水力联系

矿区地下水的补给主要来自大气降水，通过入渗补给至松散岩类的孔隙内，形成孔隙水；孔隙地下水再通过矿体顶板的碳酸盐岩和碎屑岩中的裂隙和溶蚀裂隙入渗补给，再形成碳酸盐岩类裂隙溶洞水和基岩裂隙水；补给量多少由裂隙或溶蚀裂隙的发育程度而定，一般徐家山组大理岩由于裂隙较碎屑岩发育，因而获得的补给量要多。迳流方向总体是由北向南、由西向东；由于地形平坦，枯水期长江最低水位在4 m左右，地下水位埋深一般也在4 m左右，因而地下迳流缓慢，排泄滞缓，地下水动态变化小，除人为开采排泄外，只有蒸发或隐伏排泄。

1.3.3 矿床充水因素

(1) 徐家山组岩层是矿体的直接顶板与围岩，该组岩层主要为大理岩，岩溶裂隙发育，形成裂隙网络，含水丰富，是矿床开采的直接充水因素。

(2) 第四系含水层与附近裕溪河、长江有直接水力联系，如果在采矿过程中沟通该含水层，将使矿井发生毁灭性透水事故，是矿床开采的间接充水因素。

(3) 矿区地质钻孔封孔质量差，特别是第四系与基岩接触处封孔质量犹差，所以第四系砂层中孔隙水及大理岩含水层裂隙岩溶承压水，可通过那些未封好的钻孔直接灌入巷道。封口不良钻孔成为矿坑第二个直接充水因素。

(4) 断裂构造破碎带构成矿床第二个间接充水因素。根据现场揭露和物探推测，在矿区内有F1、F2两条大断层，破碎带宽度为几米到几十米，破碎带岩性呈松散的角砾状，并有细小的溶蚀空洞，极有可能贯通徐家山组含水层和黄马青组隔水层，沟通第四系含水层，具有强烈的导水性。

(5) 在井巷掘进中巷道遇构造破碎带及构造裂隙密集带，或在矿体变薄和尖灭地段巷道与含水层较近或直接揭露含水带突水,特别是掘进过程中触及到“迳流带”，更有可能突水并使事故扩大。

(6) 矿体底板与闪长岩接触带处，破碎带发育，局部见风化带，通过钻孔揭露，含风化带网状裂隙水，成为矿床充水的一个因素。

(7) 矿体开采中，随开采面积增大，采空区围岩受地应力、岩石自重、水压共同作用，发生变形、产生裂隙甚至离层冒顶，使注浆再造的顶板隔水层破坏而造成突水。

1.3.4 矿床地下水分布特点及充水类型

该铁矿水文地质勘探类型归纳为：以岩溶裂隙含水层充水为主的第三类矿床；按矿体与主要充水含水层的空间关系及充水方式，铁矿属徐家山组(T2X)大理岩直接充水矿床；主要矿体位于当地侵蚀基准面以下，主要充水含水层富水性强，补给条件好，水文地质边界较复杂，属第三类型水文地质条件复杂的矿床。

2 矿坑涌水量预测

2.1 以往矿井涌水量预测

2.1.1 《详查报告》中涌水量的预测

《详查报告》中采用“大井”法计算流入采矿坑道中的地下水流量，为计算方便，建立简化模型：矿体上覆碎屑岩类和矿体底板侵入岩为相对隔水层，矿床北、西方向为侵入岩体相对隔水边界，南、东方向为无限供水边界，即矿床位于正交边界的南东部位，裂隙岩溶含水岩组地下水具承压性质，矿坑疏干排水涌水量计算公式选用两相交直线隔水边界附近承压完整井流量方程计算公式，各计算参数取值及计算数结果见表2。

表2 《详查报告》涌水量计算参数及结果

2.1.2 《补充调查报告》中涌水量的预测

《补充调查报告》的矿坑涌水量预计方法，仍采用解析法中的“大井法”，同时利用坑道水文地质参数预计矿坑涌水量，各计算参数取值及计算数结果见表3。

2.1.3 《调查评价报告》中涌水量的预测

表3 《补充调查报告》矿坑涌水量

《调查评价报告》通过选用理论公式计算法和比拟法进行估算对比，然后再和实际涌水量进行校核，最后推荐较为合理的涌水量。

计算法估算利用紊流及混合流完整井计算公式,计算得-185 m水平坑道总涌水量：Q=18812.0 m3/d；比拟法利用太平铁矿西侧200 m的某同类矿山坑道排水资料，用比拟法进行估算，得到-185 m水平坑道总涌水量：Q=13118 m3/d。

2.2 本次设计矿井涌水量预测值

《详查报告》中采用“大井”法计算矿坑涌水量，并建立了简化模型，其计算结果较基建过程中的井下实际涌水量偏高，究其原因，该计算中渗透系数(K)利用本矿床施工的QK1孔和金～龙铁矿床W2、ZK1669孔抽水试验渗透系数的平均值，不具有代表性；《补充调查报告》的矿坑涌水量采用解析法中的“大井法”计算，个别水文地质参数选取与实际水文地质条件不符，导致其计算结果偏小，故本次设计中不予采用；《调查评价报告》中利用紊流及混合流完整井计算公式计算矿坑涌水量，其中同样存在渗透系数取值不准确的问题，W2、ZK1669两钻孔的抽水试验资料，距离矿区200 m以外，仅具有参考价值，不能作为计算依据，另外徐家山组(T2X)大理岩的渗透系数应该修正为1.3～2.17 m/d之间(原为0.13～2.17 m/d)，同时，《调查评价报告》中选取某相邻铁矿的巷道涌水量作为比拟计算矿坑涌水量误差较大，因为，该相邻铁矿的巷道涌水量是经过探水注浆之后的涌水量，其计算结果不具有代表性，故本次设计不予以采用。

将《详查报告》和《调查评价报告》中的渗透系数修正后(K选取加权平均值0.63)，分别计算得到矿坑涌水量：27352.5 m3/h和24186.9 m3/h。两个计算结果相差不大，按照最不利原则，选取27352.5 m3/h作为矿井涌水量预测值。

3 结论与建议

(1) 该铁矿属徐家山组(T2X)大理岩直接充水矿床，主要矿体位于当地侵蚀基准面以下，主要充水含水层富水性强，补给条件好，水文地质边界较复杂，属第三类型水文地质条件复杂的矿床。

(2) 大水矿床突水主要与充水水源、水压、构造、隔水层及采掘活动等因素有关。其中火成岩侵入体与大理岩的接触带上、矿岩接触带上，节理发育，岩石破碎，甚至是粉末状态，工程地质条件差，存在较强的导水性和富水性。

(3) 该铁矿矿床水患多以构造裂隙水为主，尤其是构造裂隙带处，工程地质条件较差，导水性和富水性都很强。

(4) 断裂构造破碎带含导水构造构成矿床第二个间接充水因素。矿区内断层极有可能贯通徐家山组含水层和黄马青组隔水层，沟通第四系含水层，具有强烈的导水性，是诱发矿山出现灾难性突水事故的根源之一。

(5) 综合以往报告中关于矿井涌水量的计算，渗透系数修正后(K选取加权平均值0.63)，选取27352.5 m3/h作为矿井涌水量预测值。

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