山东汶上东平地区李官集铁矿床水文地质特征及矿坑涌水量预测

韩 刚，魏新力，孙卓恒，江 海，杨冬铭，张东生

(1. 山东正元地质资源勘查有限责任公司，山东 济南 250101； 2. 河南臻德工程检测有限公司，河南 郑州 450000； 3. 山东省地质环境监测总站，山东 济南 250000； 4. 山东正元冶达科技发展有限公司，山东 济南 250000)

1 矿区地质

1.1 地层

山东汶上东平李官集铁矿床为汶上—东平成矿带的重要组成部分，矿区地表均被新生界第四系覆盖，下伏基岩为泰山群山草峪组(Arts)变质岩系。其中，太古界泰山群山草峪组(Arts)为一套中—深变质岩系，岩系主要为黑云变粒岩、黑云片岩、斜长角闪岩、条带状磁铁角闪石英岩和条带状含磁铁角闪石英岩。新生界第四系(Q)在矿区地表覆盖较厚，最厚80 m，最薄为45 m，向北北西方向逐渐变厚，以耕植土、粘土、中粗砂、亚粘土等为主。此外，矿区内风化壳埋深45～103 m，标高在0～-58 m处，厚度18～49 m，表层风化成土状和碎屑状。

1.2 构造

矿区构造以北北西向和北北东向的断裂构造为主，伴生节理构造。其中北北西向构造呈大致平行状分布，断距150～400 m，属于压扭性断裂，倾向南西，倾角约70(°)，其西盘下降，并相对依次向北西扭动，东盘上升，并相对依次向南东扭动。矿区北北东向断层切割北北西向断层，与其成“入”字型构造，是矿区内主要的破矿构造；北北东向断层倾向西，倾角70(°)～80(°)，张扭性质显著，相对富水。

2 矿区水文地质

2.1 水文地质概况

矿区位于汶河冲积平原，地势平坦，北高南低，地面标高约45 m。小汶河经矿区北部及西北部，由东北蜿蜒流向西南，为季节性河流，在雨季或上游放水时有水，其余时节基本干枯，对矿床充水无直接影响。矿区地层由第四系及泰山群变质岩系组成，第四系岩性有粘土、中粗砂、亚粘土、粉土等，厚度约46.13～80 m，其中含水层为砂层，富水性强，为矿区主要含水层；泰山群变质岩系由片岩、角闪岩、石英岩、变粒岩类组成，为一弱含水层。

2.2 含水层特征

矿区地层由第四系及泰山群变质岩系组成，地下水分为第四系松散岩类水和泰山群变质岩系裂隙水。

1)第四系松散岩类水含水层

矿区第四系松散岩类水为微承压水，以冲积形成的中粗砂、粗砂为主，次为细砂、粉砂。埋藏在32 m以上，共分3层，总厚度1～16.80 m。矿区内均有分布，东北部以第1层砂为主，其余地方以第2层砂为主，砂呈层状，分布稳定，第3层砂呈透镜状。含水层富水性受颗粒粗细及砂层厚度的控制，砂层越厚颗粒越粗涌水量越大，反之越小。单位涌水量49.798 m3/h·m，渗透系数80.648 m/d，水位埋深3.09 m，地下水流向大致为东北流向西南，局部因小汶河水的补给，流向有所改变。水质为HCO3-Ca，矿化度小于0.518 g/L，水位变幅2.26～3.08 m。

2)泰山群变质岩系裂隙水含水层

矿区变质岩系均被第四系覆盖，埋深46～79 m，主要有变粒岩、磁铁矿，次为片岩、石英岩，为矿床的直接充水岩层，含裂隙承压水。因变质岩均有细粒物质组成，其富水性与岩性关系不大，而与裂隙的规模、性质、发育程度有密切关系。矿区以线性闭合裂隙为主，裂隙发育在-200 m标高以上，局部深于-200 m标高。钻孔揭露风化壳为上部-7.4～-63.2 m标高为风化壳，厚度45.0～55.8 m，发育着风化裂隙，因岩石强烈风化致使岩石松软泥状、碎屑状、块状，风化裂隙发育，故富水相对较强，单位涌水量0.001 41～0.044 8 m3/h·m，渗透系数0.050 3～0.168 m/d；风化壳以下基岩裂隙仍较发育，因岩石较风化壳相对坚硬，无泥质充填，单位涌水量0.000 465 m3/h·m，渗透系数0.001 73～0.059 4 m/d，小于风化壳。矿区裂隙多属压性的闭合裂隙及剪裂隙，仅在局部构造见角砾岩，或小型岩层错动部位见到张裂隙，钻孔中遇到此裂隙多数漏水，故造成富水性的不均一性或局部的富水。综上所述，矿区裂隙承压水为一弱含水层且富水性不均一，风化壳富水性较弱，其下至-200 m标高相对较强，-200 m标高以下又变弱。

风化壳单位涌水量0.001 41～0.044 8 m3/h·m，渗透系数0.050 3～0.168 m/d。其中，-220 m标高单位涌水量0.000 465 m3/h·m，渗透系数0.001 73～0.059 4 m/d，小于风化壳；-200 m标高以下钻孔1压水试验试段透水率q=7.596 Lu，渗透系数为0.151 m/d；钻孔2压水试验试段透水率q=1.074 Lu，渗透系数0.005 6 m/d；水质浅部为HCO3-Ca·SO4·Cl-Na·Mg水，深部为SO4·HCO3-Ca·Na，矿化度0.518～0.843 g/L，地下水流向大致由北向南流，水位变幅2.68～2.82 m。

2.3 隔水层特征

由第四系粘土、亚粘土、含姜石钙质亚粘土组成，矿床范围内埋藏在31 m以下，厚14.40～50.34 m。风化壳表层岩石风化成土状，充填风化裂隙，也起到隔水效果。此外，变质岩系含水层在-300 m标高以下也起到隔水效果。

2.4 含水层之间的水力联系

第四系松散岩类水与变质岩系裂隙水的水力联系：第四系含水层底部为粘土、亚粘土隔水层，故第四系松散岩类水与泰山群变质岩系裂隙水无水力联系，经过第四系及变质岩风化壳水抽水试验时，分别对第四系及变质岩系含水层观测，证实均无影响。

地表水与第四系水的水力联系：由于第四系隔水层的阻隔，地表水与变质岩系含水层无水力联系。因矿区内各含水层无水力联系，故不会造成补给来源的增加，因此，矿床充水是稳定的。

3 断层含水特征及对矿床充水的意义

北北西向断层倾向SW，东盘上升向南扭动，西盘下降，向北扭动，断层两盘均为泰山群变质岩系和第三系弱含水层或隔水层，推测为一弱导水断层，对矿床充水影响不大。

北北东向断层位于矿区中部，将矿体切割为南北两段，为张性断层，通过含水微弱的泰山群变质岩系，对矿体起破坏作用。北北东向断层宽约50 m，见角砾岩、碎裂岩、碎裂状黑云变粒岩，局部见断层泥，在3#井巷道(标高-320 m)施工中揭露该断层，断层附近有淋雨，断层突水点水压约1.0 MPa，水量约20 m3/h，随后水量逐渐减小，水量基本稳定在15～17 m3/h，因此断层相对富水(见表1)。

表1 -320 m巷道突水流量及水压统计

据矿区详查资料中的抽水试验信息可知：当主孔下降43.95 m，相距200 m断层同侧的观测孔下降3.35 m，尚未稳定，以6 cm/h的幅度继续下降，当主孔停抽后9 h内，观测孔仍在持续下降，证实北北东向断层为一弱透水断层。

4 矿坑涌水量预测

4.1 数学模型

根据矿区地质以及水文地质特征可知：矿区主要为变质岩系裂隙水含水层，岩石的成岩裂隙普遍发育但单个裂隙的规模很小，构造裂隙受区域构造应力场左右而略有表现，据此，可将本区该地下水运动等效为达西线性渗流[1-2]。据此，可将矿区地下水运动近似的概化成三维多孔介质渗流方程，采用下述数据模型公式预测矿坑涌水量。

式(1)中：T为导水系数；K为渗透系数；B为含水层底板标高；S为储水系数；Γ1为第1类补给边界；φ为含水层一类边界水头标高；μ为给水度；W为单位时间单位面积垂向流量，这里主要指巷道排水；H为含水层水头。

4.2 定解条件

1)初始条件。矿区内各点的初始水位值由GMS软件根据勘测孔实测水位及天然地下水流场坡度插值生成，采用的插值方法为地下水计算中常用的Kriging插值方法，调用的模块为2D Scatter。

2)边界条件。模拟以矿区为中心将边界向南北和东西向各延伸3.7，4 km，均作第一类边界条件处理。其中，北部边界水头取30 m，南部边界为28 m。因模型顶部存在较厚的粘土隔水顶板，阻断与上覆第四系含水层水力联系，故模型区域上边界取为零通量边界[2-3]。因矿区底部现有钻孔揭露情况中未见明显隔水底板，据泰山群基岩裂隙发育情况，下边界拟取为-400 m，同样作零通量边界处理。

4.3 矿床疏干讨论

矿床疏干时地下水运动都属于非稳定运动，这是因开采条件不断变化所致。但在一些矿区长期开采过程中，仍有相对的稳定阶段。在不同开采阶段，地下水运动经常在非稳定运动状态与稳定状态间转变[4-5]。矿山基建期，随开拓井巷发展，疏干漏斗不断扩大，以消耗含水层的储存量为主，疏干流场属非稳定流；回采期，井巷轮廓已定，当以消耗补给量为主时，疏干流场符合稳定流；当仍以消耗存储量为主时，矿坑涌水量渐减，疏干流场仍为非稳定流。

4.4 数值模型及参数

本次模型采用GMS软件通过modflow即有限差分方法求解数学模型，将连续的时间和空间划分成一系列的离散网格。对研究区进行空间离散使用的是GMS中的3D Grid模块，3D Grid模块可以自动将研究区含水层系统划分为一个三维的网格系统。模拟区域为一矩形(如图1所示)，矿区近似位于区域的中心，面积约为80 km2，模拟深度为-400 m。上边界标高取区内粘土层的底板标高，该模型平面划分为80 m×100 m的单元格，垂直方向上按地层渗透性差别大致分为3层，在GMS中调用HUF子程序包对其进行处理。

图1 模拟区域边界及地层示意

在对渗透系数的采用上，根据勘察资料中水文孔的抽水试验以及利用的资料成果，结合工程经验，推荐渗透系数K值如表2所示。另外，由于实验条件的限制较难取得同一试验的各向异性渗透系数，而是一个综合渗透系数，故取K=Kxx=Kyy。

表2 模型各层渗透系数取值

4.5 矿区总涌水量预测模拟

在矿区现阶段，井巷轮廓已定，经过较长时间的疏干，流场可近似认为稳定流。根据水流连续原理，开采区的涌水量等于组成采区边界各个单元的流量之和。据表1可知：现-320 m水平巷道内出水点的水压均为1.2 MPa左右，由此可估算出水头值约为-200 m；根据本次选择的数学模型进行稳定流计算，进而获得此时的稳定涌水量以及预测疏干水平标高的稳定涌水量(见表3)。

表3 各疏干水平稳定涌水量

由表3可知：当矿区疏干水平标高为-200 m时，平均稳定涌水量为3 886.5 m3/d；当矿区疏干水平标高为-320 m时，平均稳定涌水量为4 485.3 m3/d。

5 结 论

1)第四系松散岩类水含水层的水质为HCO3-Ca，矿化度小于0.518 g/L；泰山群变质岩系裂隙水含水层的水质浅部为HCO3-Ca·SO4·Cl-Na·Mg水，深部为SO4·HCO3-Ca·Na，矿化度0.518～0.843 g/L。

2)矿区内北北西向断层对矿床的充水影响不大，北北东向断层为一弱含水层，且为破矿构造。

3)经过数学模型计算，矿区疏干水平标高为-200 m时，平均稳定涌水量为3 886.5 m3/d；当矿区疏干水平标高为-320 m时，平均稳定涌水量为4 485.3 m3/d。