山東省郗山稀土礦礦區(qū)西部水文地質(zhì)條件分析

朱昶，劉懷思，王強(qiáng)，張立，宋帥良，馬騰

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東兗州 272100;2.山東省地質(zhì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南 250013)

山東微山湖稀土有限公司郗山稀土礦為生產(chǎn)礦山，礦山西部礦產(chǎn)資源尚未開發(fā)利用，由于生產(chǎn)礦山在掘進(jìn)施工中實(shí)際礦坑排水量與原地質(zhì)報(bào)告預(yù)測涌水量相差甚大且礦區(qū)西部緊臨微山湖，研究礦區(qū)西部水文地質(zhì)條件，對于礦區(qū)西部未來的開發(fā)利用方案設(shè)計(jì)具有重要意義①山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，徐迎臣，朱昶，馬騰，等，山東微山湖稀土有限公司郗山稀土礦礦區(qū)西部水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，2012 年。。

1 礦區(qū)西部水文地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均降水量842.3 mm，日最大降水量148 m，年蒸發(fā)量1 622.5 m;微山湖為礦區(qū)附近的主要地表水體，湖面面積1 300 km2，流域面積31 700 km2，全湖防洪庫容47.31 億m3，常年湖水水位標(biāo)高32 m 左右，年變化幅度1 ～2.5 m，歷年最高洪水水位達(dá)36.99 m(1935 年9 月)。

礦區(qū)西部地處微山湖東岸湖積平原水文地質(zhì)區(qū)的西部邊緣，為地下水排泄區(qū)，區(qū)內(nèi)第四系松散巖類巖層分布較廣，厚度一般在0.5 ～3.5 m，濱湖地帶厚4 ～5 m，由東向西逐漸增厚，富水性差。分布在單元內(nèi)的裂隙水富水性不均，裂隙地下水的補(bǔ)給主要來源于大氣降水和西南、北西河水的滲漏補(bǔ)給，根據(jù)原ZK86 多孔抽水試驗(yàn)，降落漏斗呈NW—SE 向的橢圓形展布(圖1)。

2 含水巖組劃分及地下水賦存特征

根據(jù)區(qū)內(nèi)含水介質(zhì)地層巖性組合特征及地下水賦存條件、富水程度，將含水巖層劃分為:松散巖類孔隙含水巖層、巖漿巖類裂隙含水巖層。

2.1 第四系松散巖類孔隙含水巖層(Ⅰ)

該含水巖組為沖洪積堆積物，發(fā)育廣泛，位于北部、東部及河流兩側(cè)地帶，成分為砂礫石及鈣質(zhì)結(jié)核砂質(zhì)粘土組成，厚度不大，厚度一般0.5 ～2.0 m。位于湖濱區(qū)第四系厚0.3 ～5.0 m，為湖積黑色淤泥和棕紅色砂質(zhì)粘土，大部分由于位于地下水位之上，形成透水而不含水的相對隔水層，單位涌水量小于0.1 L/s. m，為弱富水區(qū)，地下水類型為HCO3·Cl-Ca 型水，礦化度大于1.0 g/L。

2.2 巖漿巖類裂隙含水巖層

(1)巖漿巖風(fēng)化裂隙含水巖層弱富水區(qū)(Ⅱ1)

該含水巖層主要為花崗閃長巖，均分布于礦床區(qū)和礦床的東北部，次為霓輝石英正長巖、黑云斜長角閃巖、閃長玢巖等，裂隙較發(fā)育，單位涌水量0.002～0.07 L/s.m，滲透系數(shù)0.02 ～0.146 m/d，為弱富水區(qū)，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Ca 型水，因含水層位于上部風(fēng)化層中，受鈣質(zhì)淋濾作用，地下水礦化度略高，礦化度大于1.0 g/L。位于深部水質(zhì)較好礦化度小于1.0 g/L。

(2)巖漿巖風(fēng)化裂隙含水巖層中等富水區(qū)(Ⅱ2)

該含水巖層分布在區(qū)內(nèi)田樓北部劉傲村一帶，巖性為花崗閃長巖，水位埋深3.00 m，單位涌水量0.1 ～1.0 L/s·m，民井單位涌水量最大可達(dá)10.00 m3/d·m，隨季節(jié)性變化明顯，屬含水極不均勻的裂隙水。含水層富水性中等，屬富水性不均勻的裂隙水，也是該區(qū)的主要含水層。水質(zhì)類型為HCO3·CI-Ca，礦化度小于1.0 g/L。

圖1 ZK86 孔抽水試驗(yàn)降落漏斗平面示意圖

3 構(gòu)造水文地質(zhì)特征

斷裂構(gòu)造對地下水有較強(qiáng)的控制作用［1，2］，礦床內(nèi)共分布有F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6 斷層，其中F1，F(xiàn)2 走向NW，傾角75°，F(xiàn)6 走向NE，傾角70° ～80°，均為壓扭性逆斷層，斷裂破碎帶為絹云母、綠泥石化礦物充填，受擠壓彎曲變形并有斜列擦痕，為阻水?dāng)嗔?2011 年當(dāng)坑道揭露F3 斷層時(shí)垂向上勾通了淺層地下水，，西部部分村民壓水井干枯無水，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5 均為NW 向張性正斷層，傾向SW，傾角60° ～80°，表現(xiàn)為上盤裂隙發(fā)育透水，下盤巖石完整，裂隙不發(fā)育無水現(xiàn)象。F6 在坑道揭露時(shí)上下盤均無水。根據(jù)物探資料在西部F1，F(xiàn)2 斷層兩側(cè)為低阻帶，巖石完整，富、導(dǎo)水性較差，為隱伏阻水構(gòu)造，說明在礦床內(nèi)分布的逆斷層均為阻水?dāng)鄬?圖2)，對礦床開采影響較小。

圖2 斷裂構(gòu)造阻水示意圖

3.1 構(gòu)造裂隙水子系統(tǒng)

裂隙含水巖組是郗山稀土礦礦區(qū)裂隙水系統(tǒng)的主要構(gòu)成，主要含水層為花崗閃長巖，構(gòu)成了裂隙水系統(tǒng)的主要的直接的補(bǔ)給區(qū)。構(gòu)造裂隙是地下水的主要儲(chǔ)水空間及傳輸通道，由于其分布不均，含水巖層富水性差異較大。在-40 m 及-100 m 坑道中斷層上盤涌水量792.6 m3/d，受F3 斷裂影響坑道下盤4號、5 號脈坑道則無水。子系統(tǒng)裂隙水均為潛水狀態(tài)，水質(zhì)良好，礦化度小于1.0 g/L，為HCO3·Cl-Ca型水。

3.2 水動(dòng)力特征

裂隙水系統(tǒng)是以裂隙的溝通、張扭及壓扭為主裂隙構(gòu)成的地下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，水流滲流性質(zhì)，流態(tài)以層流為主。地下水水力坡度在匯集區(qū)的強(qiáng)徑流帶受坑道排水影響大于5 ×10-3。由于斷層的阻隔、長期坑道排水降落漏斗形成及裂隙發(fā)育不均勻性，無統(tǒng)一的區(qū)域水位。

4 水文地質(zhì)試驗(yàn)

礦區(qū)西部SZK12-2 鉆孔進(jìn)行了分段抽水試驗(yàn)［3］，分別為+29.91 ～-20 m 標(biāo)高段、-20 ～-118 m標(biāo)高段、-118 ～-468 m 標(biāo)高段(圖3、圖4、圖5)，從3張曲線圖中可以看出，水位降深與涌水量均比較穩(wěn)定，但涌水量自上而下逐漸增大，單位涌水量也隨之增大。中段抽水試驗(yàn)經(jīng)計(jì)算滲透系數(shù)較大，是由于標(biāo)高-52 ～-80 m 見有2 處破碎段，裂隙發(fā)育，含水性較好，未有與斷裂構(gòu)造相溝通，主要是先期構(gòu)造壓扭活動(dòng)和后期張扭構(gòu)造活動(dòng)造成堅(jiān)硬巖石破碎，而形成裂隙發(fā)育破碎帶，為儲(chǔ)水并導(dǎo)水性較好的含水段。

圖3 -20 m 標(biāo)高段以上抽水試驗(yàn)段QS—f(t)曲線圖

圖4 -20 ～-118 m 標(biāo)高段抽水試驗(yàn)段QS—f(t)曲線圖

5 礦井坑道涌水量預(yù)算

5.1 礦床充水因素分析

該礦床產(chǎn)于泰山巖群黑云斜長片麻巖和火成巖系巖層中，大部分埋藏于湖水位標(biāo)高以下。依據(jù)礦床的埋藏條件及構(gòu)造水文地質(zhì)條件，礦床充水因素上部主要為風(fēng)化層中潛水充水，下部為構(gòu)造裂隙充水，西部溝渠滲漏充水。

5.2 邊界條件的確定

該礦床含水層呈帶狀NW—SE 向展布，圍巖為花崗閃長巖出露，含水層為郗山丘陵降水補(bǔ)給及溝渠滲漏補(bǔ)給，西部雖為微山湖地表水體，但有隱伏F1，F(xiàn)2 斷層阻隔，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6 斷層均被礦床開采坑道所穿過揭露，其他三方向均為無限邊界條件。通過抽水試驗(yàn)和水位觀測，風(fēng)化層裂隙水與下部脈狀裂隙水有著直接水力聯(lián)系，因此下部并無完整的隔水底板，相對完整段巖石作為隔水層，并且深部含水帶具有微承壓性。

預(yù)測礦體及礦體頂?shù)装逵克浚苑€(wěn)定流抽水試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，礦體為半隱伏陡傾斜的脈狀礦體，礦體埋藏延伸較深，賦存于泰山巖群黑云斜長片麻巖和火成巖中，上部第四系較較薄，以SZK12-2 孔地面標(biāo)高為基礎(chǔ)，地下水水位標(biāo)高+30.62 m，下部確定開采地段開采水平標(biāo)高-500 m 原則計(jì)算，依照礦體的NW—SE 走向和分布，涌水量預(yù)測范圍大致為NW—SE 向展布的不規(guī)則多邊形，考慮到F1，F(xiàn)2 斷裂邊界的阻水，采用深部多條巷道開采，經(jīng)綜合分析，采用穩(wěn)定流裘布公式(單邊阻水大井法)計(jì)算和比擬法計(jì)算［4，5］。

(1)大井公式:

式中:Q 為坑道正常涌水量(m3/d);Qmax為坑道最大涌水量(m3/d);K 為滲透系數(shù)(m/d);S 為水位降深(m);H 為水柱高度(m);m 為含水層厚度(m);R0為引用影響半徑(m);r 為大井半徑(m)。

(2)比擬公式為

式中:Q 為預(yù)測標(biāo)高坑道正常涌水量(m3/d);Q0為已生產(chǎn)坑道正常涌水量(m3/d);S 為預(yù)測標(biāo)高水位降深(m);S0為已生產(chǎn)坑道標(biāo)高水位降深(m)。

(3)計(jì)算參數(shù)的確定

式中:p=46 100(m)為大井計(jì)算范圍周邊長;M 為選用SZK12-2 鉆孔揭露的試驗(yàn)段含水層厚度(m);Q0為依據(jù)-160 m 中段坑道涌水量確定;S0為根據(jù)SZK12-2 鉆孔穩(wěn)定水位標(biāo)高確定為30.62 m。

(4)預(yù)測結(jié)果評述

通過對坑道的充水因素分析，已查明礦床充水來源，一是大氣降水補(bǔ)給，二是礦體及其頂、底板圍巖裂隙含水層自身充水。由于采用坑道開采方式，因此對各水平坑道涌水量進(jìn)行預(yù)測(表1)。

表1 坑道涌水量預(yù)測結(jié)果

5.3 礦床開采涌水量分析對比

郗山稀土礦山1971 年始該礦由微山縣建成小型稀土礦山進(jìn)行開采，因稀土礦尚未進(jìn)行-160 標(biāo)高以下深部開采和開拓，只是淺部的-40 m，-100 m，-160 m巷道掘進(jìn)中;-40 m 與-100 m 坑道正常涌水量792.63 m3/d，最大涌水量1 030 m3/d，最大涌水量是正常涌水量的1.3 倍;在-160 m 坑道中正常涌水量249 m3/d，最大涌水量358 m3/d，最大涌水量是正常涌水量的1.4 倍，與該礦床西部預(yù)測涌水量相差不大。由于礦床西部裂隙較發(fā)育，含水層厚度大，埋藏深、地下水具有承壓性，水壓力大、巖石滲透性均大于上部風(fēng)化層，故該次大井法預(yù)測涌水量隨深度的增加，略大于已采坑道礦床涌水量。

坑道比擬法預(yù)測正常涌水量是在-160 m 標(biāo)高中段坑道基礎(chǔ)上向下預(yù)測的，預(yù)算結(jié)果與大井法相比偏小，其原因是為現(xiàn)實(shí)坑道開采范圍較小，大井法預(yù)測范圍大所造成的匯水面積之差，“比擬法”計(jì)算采用坑道揭露范圍影響面積6 347 m2，二者差2.3倍，若對盲礦體進(jìn)行延伸擴(kuò)大開采時(shí)，與大井法預(yù)測應(yīng)相接近。

6 微山湖湖水漁塘與地下水水質(zhì)分析

根據(jù)取樣分析結(jié)果:微山湖內(nèi)水水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Mg·Na·Ca 型水，pH 值7.5，礦化度0.98 mg/L;漁塘與地下水水化學(xué)類型為CI·HCO3-Ca·Mg 型水，pH 值7.5，礦化度0.81 mg/L;湖水中的SO4離子含量高于地下水和漁塘中的SO4離子含量，而地下水和漁塘CI 離子含量高于湖水CI 離子含量，地下水、漁塘與微山湖湖水水質(zhì)相差較大，Na，Ca，SO，Cl，NO，TDS 離子含量不同表現(xiàn)最為突出(表2)。

表2 水化學(xué)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)語

地下水污染程度由補(bǔ)給區(qū)向排泄區(qū)逐漸減弱，微山湖湖水SO4濃度由西向東逐漸變得較低，而深部花崗閃長巖含水層中SO4濃度由東向西逐漸變低。在水巖相互作用的過程中，主要是巖漿巖的溶解過程從外界不斷獲得堿性離子析出所需的CO2，水巖相互作用得以持續(xù)進(jìn)行，花崗閃長巖中地下水礦化度TDS 由東至西得以不斷升高，鈣鎂離子總濃度得以不斷上升趨勢。反之，若微山湖湖水補(bǔ)給礦坑水時(shí)，礦坑水污染也重，礦化度應(yīng)較低，說明地表水體對礦坑充水無補(bǔ)給作用。

［1］ 馮明，吳繼偉，張先，等. 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)［M］. 北京:地質(zhì)出版社，2007:13-15.

［2］ 謝軍民，姜文娟.棲霞香夼東部石灰?guī)r礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析［J］.山東國土資源，2012，28(10):33-37.

［3］ 薛禹群，朱學(xué)愚.地下水動(dòng)力學(xué)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1978.

［4］ 采礦手冊編寫組. 采礦手冊［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社，1989:40-42.

［5］ 供水水文地質(zhì)手冊編寫組.供水水文地質(zhì)手冊(第2 冊:水文地質(zhì)計(jì)算)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1985.