山东省平邑县归来庄金矿床充水因素分析及水害治理方向

冯超臣

(山东省鲁南地质工程勘察院，山东 兖州 272100)

1 矿山基本概况

1.1 矿山概况

归来庄金矿位于山东省平邑县城东南25km处，隶属于平邑县地方镇，为鲁西南地区唯一的特大型金矿床。矿床+130m～-40m标高，开采方式为露天开采；-40m～-150m标高为地下开采，采用上向水平进路胶结充填采矿工艺。至2011年4月，露天开采工作结束，正式转入地下开采，目前矿山主要开采①-1号矿体[注]山东省鲁南地质工程勘察院，山东省平邑县归来庄矿区金矿资源储量核实报告，2018年。山东省鲁南地质工程勘察院，山东黄金归来庄矿业有限公司归来庄金矿水文地质类型分级报告，2018年。。

1.2 矿山涌水概况

自矿床开采以来，矿坑共发生突水56次，突水水源主要为奥陶纪马家沟群、三山子组灰岩水、寒武纪炒米店组灰岩水。突水通道位于奥陶纪碳酸盐岩含水地层中，主要集中在F1断层上下盘，其中最大出水点水量高达2000m3/h。根据矿山2017年1月1日至12月31日的排水资料，矿山正常涌水量为98491m3/d，矿坑涌(突)水对矿山生产安全构成了严重的威胁。进行矿山充水来源分析，为矿山防治水方案提供依据，对保障深部资源安全高效开采具有重要意义[1-3]。

2 矿床水文地质条件

2.1 含水岩组特征及富水性分区

根据以往勘查阶段抽水试验成果及开采阶段补充水文地质试验成果，把地下水的赋存介质划分为第四系松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组和岩浆岩裂隙含水岩组(图1)。第四系松散岩类孔隙含水岩组远离矿床，岩浆岩裂隙含水岩组在矿区内分布少且富水性弱，因此矿床充水主要含水岩组为碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组。

1—奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水亚组(强富水区)；2—寒武系炒米店组碳酸盐岩类裂隙岩溶含水亚组(中等富水区)；3—寒武系馒头组、张夏组、崮山组碳酸盐岩类裂隙岩溶含水亚组(弱富水区)；4—岩浆岩类裂隙含水岩组(相对隔水层)；5—第四系松散岩类孔隙含水岩组；6—断层编号及产状；7—采矿权范围；8—露天采场范围；9—金矿体图1 归来庄金矿区水文地质简图

碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组分布于矿床内和研究区的北部、东部及东南部，总体倾向50°，倾角8°～25°。含水层主要由寒武系和奥陶系的灰岩及白云质灰岩组成。矿山开采前地下水由西南向东北径流，开采后由四周向矿坑径流。根据地下水的赋存介质[4,5]和富水性强弱共分为3个含水亚组。

2.1.1 奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水亚组(强富水区)

出露于矿床北东部，上覆于寒武系灰岩之上，岩性为马家沟群各组地层及长清群三山子组白云质灰岩、灰质白云岩，直接接受大气降水补给。据钻孔和井下开采揭露，矿床附近岩溶发育，溶洞高一般0.2～1.5m，溶洞多为半充填状态。根据勘探阶段抽水试验成果与矿坑突水量资料，单位涌水量3.04L/s·m，渗透系数0.803～1.466m/d，透水性及富水性强。矿化度小于1.0g/L，为HCO3-Ca·Mg型水。

2.1.2 寒武系炒米店组碳酸盐岩类裂隙岩溶含水亚组(中等富水区)

条带状出露于矿床中部，纵向上分布于矿床的中下部。岩溶主要发育在炒米店组中上部，岩溶裂隙局部发育，储水空间以岩溶裂隙为主。局部溶洞发育溶洞高0.7～2.0m。根据勘探阶段抽水试验成果和矿坑突水资料可知，单位涌水量0.269～0.52L/s·m，渗透系数0.257～0.836m/d，透水性及富水性中等。矿化度小于1.0g/L，为HCO3-Ca·Mg型水。

2.1.3 寒武系馒头组、张夏组、崮山组碳酸盐岩类裂隙岩溶含水亚组(弱富水区)

出露于矿床的西南部，纵向上分布于矿床的底，岩溶裂隙发育差。根据外围勘探报告抽水试验结果，钻孔单位涌水量0.00006～0.0063L/s·m，渗透系数0.0031～0.0147m/d，透水性及富水性微弱，矿化度一般小于1.0g/L，为SO4·HCO3-Ca·Mg型水。

1—奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水亚组(强富水区)；2—寒武系炒米店组碳酸盐岩类裂隙岩溶含水亚组(中等富水区)；3—寒武系馒头组、张夏组、崮山组碳酸盐岩类裂隙岩溶含水亚组(弱富水区)；4—岩浆岩类裂隙含水岩组(相对隔水层)；5—金矿体；6—断层及编号；7—采矿权范围；8—地下水位；9—地下水流向图2 矿区水文地质剖面图

2.2 构造水文地质特征

矿床内断层发育，与矿床充水关系密切的是F1断层、F4断层、F10断层(图3、图4)[6]。

1—导水构造破碎带；2—断层及编号；3—金矿体；4—采矿权范围；5—勘探线位置及编号；6—露天采矿位置图3 控水构造平面分布示意图

1—导水构造破碎带；2—断层及编号；3—金矿体图4 24线控水构造地质剖面简图

F1断层：位于矿区中部，地表出露长度2.2km。总体走向85°，倾向S，倾角45°～68°。水平断距50～180m，垂直断距85～120m。断层破碎带宽0.6～29.3m。该断层控制了归来庄金矿体，是归来庄金矿床的导矿和储矿构造。该断层破碎带宽发生突水点十多处，结合物探测量成果分析[6]，推断出F1断层破碎带为地下水径流通道。该通道主要接收F1断裂上游地区地下水的径流补给，然后沿F1断裂岩溶破碎带向矿坑径流。

F4断层：位于矿区东北部，规模较小，走向一般40°～50°，倾向SE或NW，倾角60°～80°，为正断层。破碎带宽3～10m。坑下揭露近200m，发生突水点十多处，位于23线5号水仓的矿坑最大突水点1500m3/h，就位于F4断裂带内。根据动态观测资料及物探测量成果，推断F4断裂为重要的地下水径流通道。

F10断层：展布于F1断层南侧，25线以东，长度约500m，走向290°，倾向SW，倾角65°，为正断层，垂直断距约20m。断层位于F1上盘，二者倾角大致相同。经24线ZK62、25线ZK20两钻孔验证，在深部与F1基本平行展布，为上盘水的补给通道。F2～F9断层均为张扭性正断层，只发生小的位移，断层破碎带规模小，水文地质意义不明显。

3 矿坑充水因素分析

3.1 主要充水来源分析

3.1.1 大气降水对矿坑充水的影响

大气降水一般集中在每年的6，7，8，9四个月份。根据归来庄金矿区降水量和矿坑排水量观测资料分析(图5)，2014年8月至2015年5月矿坑涌水量与降水量变化趋势不一致是由于矿坑掘进时矿坑突水点较多，矿坑排水量增加所致；2015年6月以后，矿山掘进时矿坑偶尔可见突水点，矿坑排水与降水量变化趋势一致，因此大气降水对矿坑充水的影响较为显著。整体来看，矿坑排水随着季节性变化，变幅在17000～50000m3/d，相对较大。

大气降水对矿坑充水的影响表现为大气降水直接降落到露天采坑中；降水入渗到地下含水层中通过地下径流流向矿坑；大气降水降落到地表通过地表径流汇集到浚河，再通过河床底部溶洞、溶蚀裂隙流向矿坑。前者为直接补给，后两者为间接影响，由于矿山露天采矿开口面积较小，大气降水对矿山直接充水影响较小，因此后两者对矿山充水影响较大。

3.1.2 地表水的渗漏补给

矿区内发育有两条地表水体，浚河和庞家村河。

(1)浚河的渗漏补给

浚河是区内最大的河流，历年最大洪峰流量2100m3/s，最枯流量0.017m3/s。自西向东从矿区北部径流，与露天采坑最近距离为1.2km。根据现场调查和地下水连通试验[7]，浚河南岸“庞家庄村东北—小平安村西北段”，奥陶系灰岩出露地表，岩溶较发育，为地表渗漏水补给径流区；该奥陶系灰岩经过矿山长时间矿坑排水，地下水径流强烈导致溶蚀裂隙中充填物被冲走，使溶蚀裂隙成为河水下渗的良好通道，最终径流到归来庄矿床。浚河河床也因浚河水的灌入形成漏斗状的漩涡现象。经过多次对该段浚河上下游流量观测与分析，浚河地下漏失量一般在557.4～1516.5m3/h。该浚河常年有水，且渗漏量较大，目前已成为矿坑充水的主要补给来源之一。

(2)庞家村河河水的渗漏补给

庞家村河位于露天坑西侧1.1km处，属季节性河流，一般仅在雨季有水，冬春季节断流。由于该河为季节性河流，径流量较小，且矿床开采后该河流径流量、变化不大，因此不是矿坑充水的主要渗漏补给来源。

3.1.3 裂隙岩溶水充水

奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶水在矿区北部、东南部广泛分布，根据勘探阶段野外研究成果与矿坑突水资料，矿床平均单位涌水量3.04L/s·m。渗透系数0.803～1.466m/d，富水性强，且透水性良好，为良好的充水来源。

根据地下水水位观测资料绘制等水位线图(图6)，由等水位线图可以看出矿坑涌水直接来源于矿区东北及东南部含水层[8]。这与奥陶系碳酸盐岩类含水层分布基本吻合。

依据矿坑总涌水量，扣除大气降水和地表水补给，岩溶含水层中约有1000～1500m3/h的地下水涌入矿坑，是矿坑涌水的主要来源之一。

1—采矿权范围；2—地下水流向；3—地下水等水位线及水位标高；4—控制性水点位置及水位标高图6 矿坑排水地下水降落漏斗图

3.2 地下水的径流通道分析

3.2.1 岩溶导水通道

可溶岩地层在地下水溶蚀作用下，沿着裂隙面形成各类岩溶结构：溶洞、溶缝、溶槽等蓄水和导水空间，由于岩溶溶蚀作用方式其通常相互连通作用较好，形成地下水的良好通道，在矿坑开采过程中揭露岩溶水系导致涌水，这也是目前归来庄金矿的常见水害形式。矿床岩溶发育程度主要受构造、岩性、埋藏条件等因素的影响[9-11]。

(1)岩性与岩溶发育程度的关系

据矿区103个钻孔统计，奥陶系东黄山组、三山子组含燧石结核条带白云岩岩溶最发育，白云岩、砂糖状白云岩岩溶发育次之，泥质灰岩与条带状灰岩岩溶发育较差。

(2)岩溶在垂直与水平方向的发育

在垂直方向上：0m标高以上，由于地表风化作用及地下水活动强烈，岩溶强烈发育，0～-50m标高段岩溶较发育，-100m标高以下岩溶发育较差。总体上岩溶发育程度由浅到深逐渐减弱。因此，矿坑在-100m标高以上涌水量大，在-100m标高以下涌水量较小。

在水平方向上：24线～28线岩溶发育强烈，24线以东岩溶发育稍差，30线以西岩溶不发育(图3)；矿体南侧岩溶发育程度略强于北侧。总体趋势是矿区的东部岩溶发育程度大于西部。

3.2.2 构造导水通道

矿区主要断层均为张性断层，在断层和岩溶的相互作用下，使断层及附近导水通道的宽度和导水能力大大加强，形成具有一定规模的宽大导水通道[11-12]。矿区内由于F1，F4，F10近平行断层交互切割，极大促进了次级断裂面、裂隙面的岩溶作用，围绕断层面、断层破碎带和次级构造形成了岩溶—构造联合导水通道形式，这也成为矿坑涌水大的主要原因[13]。

由于矿体主要赋存于F1破碎带内，目前揭露的F1断层出水点多，且流量大。下盘有两处大的出水点，一处位于-35m标高东段时，距断层面约5m处，流量为1600m3/h；另一处位于斜坡道揭露断层处，流量为513.8m3/h。F1断层上盘大的出水点有3个，一个位于-26m水平巷道穿过F1断层处，流量为100.0m3/h；另两个位于采坑东端南侧F1断裂的次级断层上，流量分别为600.6m3/h和78.8m3/h。

4 矿山水害治理方向

4.1 矿坑水害综合认知

(1)矿坑涌水水源主要为大气降水、地表水系(浚河水)和碳酸盐岩裂隙岩溶水。其中碳酸盐岩裂隙岩溶水对矿床直接充水，大气降水和浚河水通过碳酸盐岩含水岩组的径流通道间接补给矿坑。因此，矿山水害治理重点为地下碳酸盐岩含水岩组的径流通道。

(2)依据矿井涌水位置分布和岩溶发育区域特征，矿坑涌水直接来源为东侧，即碳酸盐岩含水岩组的岩溶通道主要位于24线以东，尤其是28勘探线以东(图3)；矿坑导水区域的控制主要是岩溶通道与断裂构造，其决定了矿坑涌水来源和补给程度。

(3)矿坑导水通道发育广度是由岩溶和断裂构造共同控制的。岩溶作用加剧了断层破碎带的宽度和导水能力，反过来断层促进了岩溶作用。

4.2 水害治理方向

(1)对浚河河床漏水点进行注浆封堵

选择枯水期对浚河进行截留，找出浚河床的溶洞、溶蚀裂隙、张性裂隙等漏水点，对其灌注水泥浆液，充填河床底部裂隙和空洞。待水泥稳固后放水检测其封堵效果，对其封闭不良的和新发现的漏水点再次进行封堵。

对浚河河床漏水点进行注浆封堵，一方面可直接堵住浚河水对矿床的充水危害，另一方面可减小地下水的径流流速，为帷幕注浆截流治水提供可行性条件。

(2)帷幕注浆截流治水

帷幕截流治水技术是通过在含水层中注浆建造地下阻水墙，人工改造水文地质条件，堵截含水层的补给通道，使之易于疏干或疏水降压，让含水层的承压水头降至安全水头以下，是防止矿床突水的有效方法之一[14-17]。

根据以上研究，岩溶发育、富水性较强的地段为24线以东(图3)；-100m标高以上地段，尤其是F1断层破碎带，注浆孔孔深应控制住岩溶发育段。

钻孔注浆前应先采用井中电法确定溶洞的大小形态，为溶洞(隙)的充填阻水方法的确定提供依据，并首先对大溶洞或岩溶发育孔段进行充填阻水，然后灌注水玻璃或水泥浆，注浆后应采用压水试验对注浆钻孔的注浆质量进行质量验证评定[18-21]。

帷幕注浆治理后，对研究区内长观孔地下水位、浚河径流量进行定期观测，并结合矿坑涌水量进行统计分析，以确定径流通道的堵截效果[22]。