對(duì)江蘇沛縣新莊鐵礦區(qū)富水性規(guī)律的初步認(rèn)識(shí)

景佳俊， 陶文杰， 管 禎

(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，徐州 221004)

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對(duì)江蘇沛縣新莊鐵礦區(qū)富水性規(guī)律的初步認(rèn)識(shí)

景佳俊， 陶文杰， 管 禎

(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，徐州 221004)

江蘇沛縣新莊鐵礦屬于典型的矽卡巖類接觸交代型鐵礦,礦區(qū)主要富水含水層為奧陶系灰?guī)r。分析了該礦區(qū)地下水補(bǔ)徑排條件、礦區(qū)含水層特征及斷層富水性特征，初步總結(jié)了該礦區(qū)富水性規(guī)律。認(rèn)為礦坑涌水主要受上覆灰?guī)r控制，其次受構(gòu)造斷層控制； 斷層的涌水量受裂隙充填影響變化較大，增加了突水、透水的風(fēng)險(xiǎn)性，將直接威脅礦山的生產(chǎn)安全。總結(jié)該礦區(qū)富水性規(guī)律，可為國內(nèi)相同類型礦山的前期勘查及后期礦床開采提供參考。

新莊鐵礦區(qū)； 奧陶系灰?guī)r； 含水層； 富水帶； 礦坑涌水

0 引言

矽卡巖類接觸交代型鐵礦全鐵含量多大于45%，是我國為數(shù)不多的富礦之一。但矽卡巖類接觸交代型鐵礦多產(chǎn)出于碳酸鹽巖與火成巖接觸帶上，開采難度較大。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，我國對(duì)鐵礦石的需求也日益增加，大埋深、水下難采礦體的開發(fā)利用已被提上日程[1-6]。國家科技部在“復(fù)雜金屬礦產(chǎn)資源采選冶關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備”項(xiàng)目中專門組織了“復(fù)雜富水礦床開采關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與研究”的課題。

江蘇沛縣新莊礦區(qū)發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)80年代煤礦補(bǔ)充勘查期間，2006年在該區(qū)進(jìn)行了礦產(chǎn)普查工作，對(duì)礦體進(jìn)行了初步控制，但未進(jìn)行相關(guān)的抽水實(shí)驗(yàn)。本文針對(duì)該礦區(qū)目前開采及研究情況，通過對(duì)7組抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，初步總結(jié)了該礦區(qū)地下水補(bǔ)徑排條件，礦區(qū)含水性特征及斷層富水性特征，為后期礦床開采提供參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

新莊鐵礦位于江蘇省沛縣，礦區(qū)地處黃河沖積平原中部，地形平緩，總體地勢(shì)為西南高、東北低，地面海拔標(biāo)高為41.0～38.7 m，地面坡降3/10 000。大地構(gòu)造上，礦區(qū)位于華北地臺(tái)魯西臺(tái)背斜與豫淮臺(tái)褶帶的交界部位。與徐州東部地區(qū)相比，太古宇泰山群基底之上沉積的蓋層缺失新元古界—下寒武統(tǒng)底部猴家山組[7]。區(qū)內(nèi)褶皺平緩、斷層發(fā)育。燕山期中酸性巖侵入，分布于凸起與凹陷的過渡部位，并與下奧陶統(tǒng)肖縣組接觸，為矽卡巖類接觸交代型鐵礦[8](圖1)。

圖1 新莊礦區(qū)綜合地質(zhì)圖[8]Fig.1 Comprehensive geological map of Xinzhuang mining area[8]

2 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

礦區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，冬夏長(zhǎng)，春秋短，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。春夏盛行東南風(fēng)，秋冬多東北風(fēng)和西北風(fēng)。8級(jí)及以上大風(fēng)年平均28 d。年平均氣溫 13.9 ℃，月平均氣溫為： 一月份平均氣溫最低(-0.9 ℃)，七月份平均氣溫最高(26.9 ℃)，歷年極端最低氣溫-21.3 ℃，歷年極端最高氣溫40.7 ℃。降水量多集中在7—9月，占全年降水量的60%～70%，年際變化大。年平均降水量792.8 mm，年最大降水量1 290.1 mm，年最少降水量517.2 mm。月最大降水量364.4 mm，日最大降水量85.5 mm。多年平均蒸發(fā)量1 742.7 mm。

礦區(qū)所在水文地質(zhì)單元分上下2部分[9]： 上部第四系松散沉積層由上而下分為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)。第四系在研究區(qū)廣泛分布[10]，厚度為146.73～181.62 m，含水性不均勻； 下部奧陶系肖縣組、馬家溝組、閣莊組富水，不同地層含水性各異。

礦區(qū)北部分布有厚數(shù)百米、導(dǎo)水性、富水性很弱的二疊系含煤砂頁泥巖，石炭系本溪組和太原組以透水性、富水性較差的夾煤層砂頁泥巖為主，奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層沿傾向向北埋藏于2類相對(duì)隔水層之下，且隨埋藏深度逐漸增大，巖溶發(fā)育程度逐漸減弱，透水性、富水性逐漸變差。據(jù)已施工的PW40號(hào)孔(位于礦區(qū)北側(cè)外圍)，對(duì)埋藏于石炭系、二疊系之下、厚648.10 m的奧陶系碳酸鹽巖進(jìn)行抽水試驗(yàn)，降深58.64 m時(shí)，涌水量?jī)H 4.67 m3/d。因此，將礦區(qū)北部近似概化為隔水邊界； 礦區(qū)南部，以閃長(zhǎng)斑巖體為隔水邊界； 礦區(qū)東、西兩側(cè)奧陶系碳酸鹽巖連續(xù)分布，巖溶含水層也是連續(xù)分布的，為無限透水邊界。

3 礦區(qū)地下水補(bǔ)徑排條件

3.1 淺層地下水補(bǔ)徑排條件

礦區(qū)地表分布的亞砂土，松散、無膠結(jié)，厚約10 m，透水性好，有利于大氣降水入滲補(bǔ)給地下水。礦區(qū)淺層地下水坡向與地形坡向一致，西南高，東北低，平均水力坡度僅為1/4 771，徑流條件極差。礦區(qū)淺層地下水水位常年埋深2.43～5.00 m，有利于地面蒸發(fā)，排于大氣中。

3.2 深層地下水補(bǔ)徑排條件

第四系承壓含水層以中粗砂為主，主要接受上部潛水越流補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給，徑流方向受北部沛縣縣城開采地下水影響，徑流方向?yàn)橛赡舷虮保判挂詡?cè)向徑流為主，少量為人工開采。

奧陶系灰?guī)r在該礦區(qū)均被厚100～200 m的第四系覆蓋，主要接受上覆第四系越流補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給。在礦床未開采前，受東部沛城煤礦(礦區(qū)東北800 m最近疏干井)、豐新莊鐵礦(礦區(qū)東1 500 m)開采影響(圖2)，徑流方向?yàn)橛晌飨驏|，排泄方式主要為礦坑排水。以ZK4301為例，2006年抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)水位埋深為12.65 m，2010年抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)水位埋深為19.83 m，在該時(shí)間段沛城煤礦開采-1 200 m，對(duì)奧陶系灰?guī)r水進(jìn)行了降排水。

圖2 奧陶系灰?guī)r水位等值線圖Fig.2 Water level contour map of Ordovician limestone

4 礦區(qū)含水層特征

礦體主要賦存于奧陶系肖縣組灰?guī)r與閃長(zhǎng)斑巖接觸帶中，頂板以下更新統(tǒng)、奧陶系閣莊組—馬家溝組、肖縣組為主要充水水源。區(qū)域上與第四系直接接觸的碳酸鹽巖溶洞發(fā)育，深部(與第四系接觸帶以下30 m)在該區(qū)域未見溶洞發(fā)育，僅見有巖溶裂隙發(fā)育(圖3)。

圖3 43線水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 Hydrogeological profile of exploration line 43

根據(jù)含水介質(zhì)特征及水力性質(zhì)[11]，礦區(qū)自上而下可劃分為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)孔隙潛水中等含水層(Ⅰ1)、中更新統(tǒng)孔隙淺層承壓中等含水層(Ⅰ2)、下更新統(tǒng)孔隙深層承壓弱含水層(Ⅰ3)、奧陶系閣莊組—馬家溝組巖溶承壓強(qiáng)含水層(Ⅰ4)和奧陶系肖縣組巖溶承壓中—強(qiáng)含水層(Ⅰ5)等5個(gè)含水層。

表1 ZK4502水文測(cè)井成果一覽表Tab.1 List of hydrological logging results of hole ZK4502

5 斷層富水性

在礦體分布范圍內(nèi)有F2、F32條斷層，均為正斷層[8]。二者富水性分述如下：

F2斷層靠近礦床部位的傾向主要為NE向，該斷層深部對(duì)礦體影響較大。ZK4502孔抽水試驗(yàn)結(jié)果： 水位埋深18.03 m，水位降深1.63 m，涌水量17.808 L/s，單位涌水量10.929 L/(s·m)，滲透系數(shù)46.179 m/d。礦層底板(閃長(zhǎng)斑巖)，水位埋深20.07 m，水位降深18.27 m，涌水量3.922 L/s，單位涌水量0.215 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.763 m/d。奧陶系肖縣組與ZK3503、ZK4301兩孔肖縣組水量與滲透系數(shù)相比，差異較大，說明F2斷層富水性和導(dǎo)水性均較好，對(duì)礦床充水具有顯著影響。

F3斷層傾向?yàn)镹W，與礦床不直接接觸，遠(yuǎn)離主礦體。ZK4304孔抽水試驗(yàn)結(jié)果： 水位埋深18.61 m，水位降深6.05 m，涌水量15.845 L/s，單位涌水量2.619 L/(s·m)，滲透系數(shù)1.216 m/d。對(duì)比區(qū)域資料，發(fā)現(xiàn)該孔斷層充水無異常變化，說明F3斷層對(duì)礦區(qū)充水無明顯影響。

6 礦區(qū)富水性規(guī)律

根據(jù)相鄰礦區(qū)開采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[8]分析，礦床開采造成了奧陶系灰?guī)r水的疏干，僅涉及第四系底部含水層(Q1)變化，但在本區(qū)域Q1含水層富水性較差，故第四系富水規(guī)律對(duì)礦坑影響不大，不再贅述。

抽水實(shí)驗(yàn)和水位觀測(cè)表明，奧陶系灰?guī)r沒有明顯的隔水層，在抽水實(shí)驗(yàn)開始后抽取上部閣莊組—馬家溝組含水層后，下部肖縣組含水層也有不同程度的下降(表2)。通過不同層位抽水實(shí)驗(yàn)可知，上部灰?guī)r含水層遠(yuǎn)好于下部灰?guī)r含水層?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料編錄顯示，奧陶系灰?guī)r與第四系接觸面均有巖溶發(fā)育，厚8～24 m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料[13]，由于地下水循環(huán)途徑短，一般水平分帶發(fā)育不深，在埋深約150 m內(nèi)最為發(fā)育，200 m以下則驟然減弱。

表2 ZK4301、ZK3503孔抽水試驗(yàn)各孔水位觀測(cè)對(duì)比表Tab.2 Comparison of observed water level between hole ZK4301 and ZK3503 in hole pumping test m

由表2可知,在鉆孔抽水過程中，沿巖層走向鉆孔水位降深明顯高于沿傾向的降深。在ZK4301孔抽水過程中與ZK3503孔相距385 m，其水位降低0.75 m； ZK4301孔抽水過程中與ZK4304孔相距252 m，其水位僅下降0.72 m； 在ZK3503抽水過程中，ZK4301下降0.42 m，ZK4304下降0.37 m，與其相距497 m的ZK4502孔水位亦下降0.4 m。以上說明在抽水試驗(yàn)過程中，巖溶地下水的降深曲線沿走向方向的地下水反應(yīng)較沿傾向方向靈敏，影響半徑相對(duì)更大。

根據(jù)現(xiàn)有抽水實(shí)驗(yàn)(大井法、廊道法)及相鄰礦區(qū)(豐新莊鐵礦)資料，利用比擬法測(cè)算礦坑涌水量為23 936.35～40 095.39 m3/d。通過相鄰礦區(qū)排水資料統(tǒng)計(jì)，礦坑涌水量隨礦床開采逐年增加，說明區(qū)域奧陶系補(bǔ)給源豐富，礦區(qū)若不進(jìn)行止水處理，將增加鐵礦開采難度。

7 結(jié)論及建議

(1) 新莊礦區(qū)主要富水帶為奧陶系灰?guī)r，且各個(gè)含水巖組之間無明顯隔水層，屬多層介質(zhì)統(tǒng)一含水體。

(2) 礦區(qū)內(nèi)斷層均屬于導(dǎo)水富水?dāng)鄬樱业V區(qū)周邊斷層延伸方向均為碳酸鹽巖，造成沿?cái)鄬臃较蛳鄬?duì)富水帶。

(3) 礦區(qū)內(nèi)F2斷層為導(dǎo)水正斷層，礦坑涌水量直接受斷層水補(bǔ)給，對(duì)后期礦床開采影響較大，增加了礦坑涌水的不確定性。礦床開采期間應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，必要時(shí)應(yīng)對(duì)F2斷層補(bǔ)做水文地質(zhì)工作。

(4) 礦區(qū)礦坑涌水量達(dá)20 000 m3/d，屬強(qiáng)富水礦區(qū)，且礦體整體儲(chǔ)量不大，建議礦區(qū)開采前優(yōu)化開采方案，進(jìn)行前期處理以減少地下水對(duì)勘查開采的影響。

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(責(zé)任編輯： 劉永權(quán))

A preliminary understanding of water-rich regularity in Xinzhuang iron mining area, Peixian, Jiangsu Province

JING Jiajun, TAO Wenjie, GUAN Zhen

(NO.5GeologicalParty,JiangsuGeologyandMineralExplorationBureau,Xuzhou221004,China)

Xinzhuang iron mining area is a typical iron ore of metasomatic skarn contact type, and the main aquifer is Ordovician limestone. The conditions of the groundwater recharge runoff and drainage, the characteristics of the aquifer and water rich property of fault were analyzed in the mining area. The laws of water rich property in the mining area were firstly summarized. It is concluded that the ore pit water inflow is mainly controlled by the above limestone and also influenced by the fault structure. Due to the influence of the fracture filling, the water inflow of the fault is greatly varied, which will increase the risk of water invasion and seepage and also threaten the production safety directly. The research above can provide a reference for preliminary exploration of domestic mines of the same type, and provide the basis for the later mine exploration.

Xinzhuang iron mining area; Ordovician limestone; aquifer bed; rich water zone; ore pit water inflow

景佳俊，陶文杰，管禎.對(duì)江蘇沛縣新莊鐵礦區(qū)富水性規(guī)律的初步認(rèn)識(shí)[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2016,3(6): 68-74.

2016-04-08；

2016-05-28。

徐州市匯能金屬礦產(chǎn)有限公司勘查項(xiàng)目“江蘇省沛縣姜梨園—魏老家礦區(qū)新莊礦段鐵礦詳查(編號(hào)： [姜]JXC(2010)03)”資助。

景佳俊(1983—)，男，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)研究。Email: 393599289@qq.com。

P641.4

A

2095-8706(2016)06-0068-07