铁矿水文地质灾害综合治理与地下水资源保护可行性研究

1 1. 绪 论 X 铁矿集团吴庄铁矿 采用 井下 巷 道 方式 开采，由于充水含水层富水性强，导水 断层 发育， 致 使 矿坑存在巨大突水隐患 ， 排水成本成倍增加 ， 矿山开采越来越困难。为了充分开采地下铁矿资源、降低矿山开采成本、保护地下水资源，拟开展矿区 水害的综合治理研究工作。 （ 1）项目名称： X 铁矿集团吴庄铁矿水文地质灾害综合治理 与地下水资源保护可行性研究 （ 2） 研究治理 范围： （ 3）项目类型：技改续作项目 （ 4）起止时间： （ 5）承担单位： （ 6）法定代表人： （ 7）通讯地址： 的任务及工作范围 的任务 本次工作的目的是：进一步查明 吴庄铁矿 矿 区水文地质条件 ， 分析论证矿床充水因素 及矿坑水害治理的可行性 ， 圈定 导水 断层 构造 及地下水 径流带位置， 拟定初步的堵治水方案， 为 矿 区水文地质灾害综合 治理 与 地下水资源保护 提供 科学依据 。 主要任务为： （ 1） 进一步查明矿区水文地质条件及矿床充水含水层中地下水的赋存、补给 及 运移特征； （ 2） 查明矿坑突水来源及其导入通道，分析突水机理、论证矿 2 坑水害治理的可行性； （ 3） 拟定初步的堵治水方案，提出地下水资源 保护措施。 究 工作 区 范围 矿区水害治理可行性 研究 范围 ， 西起 层 ， 东 至 孔西侧 ， 北 以 苏庄 为界， 南至 北 ， 面积 约 质 与 水文地质 工作研究程度 自上世纪五十年代以来，地质、煤炭、冶金、电力等部门为了不同的 工作目的 ， 先后在 该区域 开展过多次 地质、 水文地质及 矿产 地质勘 查 研究 工作 ， 20062008 年我矿又在矿区西部开展了部分导水 断层 的封堵试验工作，为本次可行性研究提供了较为充分的资料依据。以往开展的主要地质工作分 述如下。 质 工作 域地质调查 上世纪 六十年代初 期 ，江苏省地质局区调队和第五地质大队先 后在该区 开展 了 1： 20 万和 1： 5 万 的 区域地质测量工作， 其中江苏省地质局 第五地质大队 在 1978 年提交 了 1： 5 万贾汪幅区域 地质 调查报告。 该报告 对区域地层 、地质 构造及矿产 资源 分布 等方面进行 了较为详细的论述， 成为该 区 早期最为 系统的地质资料 。 产普查与勘探 上世纪七十年代， 江苏省地 质 局第五地质大队 先后在该区开展了吴庄铁矿矿区地质勘探及吴庄铁矿义和庄矿体详查工作， 于 1975 年11 月 和 1978 年 6 月分别 提交 了 江苏省利国吴庄铁矿地质勘探报告和 江苏省利国吴庄铁矿义和庄矿体详查地质报告。 上述报告对矿区 地层岩性及地质 构造 均 进行 了 较 详细 叙述 ，对矿区 水文地质条件 进行了较深入分析， 论 述了矿区含水层裂隙岩溶发育规律、构造含水带 3 的富水性特征以及矿床充水因素和地下水的补给、径流、排泄条件，采用多种方法预测了矿坑的涌水量。 文地质 工作 、矿供水 上世纪 五十年代， 为解决 微山县 韩庄电厂供水 问题 ， 西安电力设计院在该区 进行 了供水 水文地质普查工作， 并在 矿区 西部 施工 了 2 眼水文地质勘探 钻孔 和 6 眼 供水井 ， 建成了电厂供水水源地， 自 水源地开采以来积累了 详细 的 开采量 系列 资料 。 文地质 19791980 年， X 利国铁矿勘探队开展了吴庄矿区副井工程地质水文地质勘察，布置了部分物探工作，施工了 5 个水文地质勘探钻孔，进行了钻孔分层抽水试验及地下水流速、流向的测定 ；查明了副井区段的水文地质条件、预测了井筒浅部、深部含水段的涌水量；提交了 X 利国铁矿吴庄矿区副井工程地质水文地质勘察报告。 19811983 年， 江苏省地质局第二水文地质工程地质大队开展了济徐淮（江苏省域）岩溶水文地质、工程地质调查评价工作，于1983 年 7 月提交了济徐淮（江苏省域）岩溶水文地质、工程地质综合评价报告，该报告对区域水文地质 、工程地质条件进行了较为系统的评价和分析、论述。 此外， 1998 年 10 月，江苏省地矿局、江苏省煤田地质公司、华东有色勘探公司合作编制完成的中国北方岩溶地下水资源及大水矿区岩溶水预测、利用与管理研究（江苏省 X 地区），也对矿区的水文地质条件和岩溶水资源状况进行了较全面的阐述。 但 从以往各项勘查 、 研究工作来看， 区域水文地质工作仅是涉及矿区范围，基本未投入实际性的工作；矿区勘探 则主要查明了矿体的 4 分布状况，水文地质 试验等工作方法 明显不足；导致 矿区水文地质条件、尤其是矿区地下水与区域地下水的水力联系未能详细查明 。所 以本次可行性研究 将 需要 布置部分水文地质工作来 解决 这一 问题 ，以进一步增加治理方案的科学性、合理性， 取得更好的 防治 效果 。 区及企业概况 区地理位置 吴庄铁矿为 X 铁矿集团有限公司的下属企业，位于江苏省 X 市铜山县利国镇境内，矿床采区位于利国镇吴庄村南部，北距山东省微山县韩庄镇 5临微山湖，面积约 矿区西部有京沪铁路和 104 国道通过，东侧有京福高速公路穿越，京杭大运河和韩庄运河分别从矿区南部和北部经过；水陆交通发达、交通条件十分便利。 见图 1 1。 图 1 1 吴庄 矿区 交通位置图 5 区自然条件 吴庄矿区处在微山湖东南部的湖积平原与剥蚀残丘的交接地带，地形开阔、起伏不大；区内除有少量人工开挖的沟渠外，无较大自然河流经过。 矿区工农业较为发达。工业以铁、煤采选、冶炼及水泥建材制品为主，农业以种植小麦、水稻、玉米为主。电力资源丰富，基础条件良好。 业概况 X 铁矿集团有限公司是以原利国铁矿为基础改制成立的国有中型矿山企业，隶属于 X 市国资委。 自 1949 年利国铁矿恢复建设以来至 1998 年停产时，累计生产铁矿石 2000 万 t。 2000 年以后恢复生产 ， 开始开采 利 国 镇北矿区，经过几年的开采，镇北矿区储量已大幅减少，为保持企业持续发展，又开始建设吴庄矿区，作为企业的接续矿区。截至 2008 年底， X 铁矿集团已拥有固定资产原值 元，资产 净值 元，在职职工 2507 人，其中吴庄铁矿职工 800 人。 吴庄铁矿开采方式：采用 井下 巷道开拓、房柱法及全面留矿法采矿、竖井提升矿石。 山生产现状 X 铁矿集团有限公司为采选联合企业，坑内采出矿石运至选矿厂进行分选，设计采选原矿规模为 50 万 t/a，主要开采高炉平炉富矿。 1976 年建设了选矿厂二期工程：细破碎 、磨矿、浮选、磁选、精矿脱水等项目，年处理原矿 t，处理露天采场的贫铁矿石。1998 年因西马坑露天采场出现渗水，不能维持正常生产，采场被迫关闭，选厂也相继停产。 2000 年新建了镇北矿区坑下采场，采矿能力为 30 万 t/a。目前选矿厂矿石主要由镇北矿区供应。 6 随着镇北矿区储量逐渐减少， X 铁矿集团开始建设吴庄矿区，作为镇北矿区的接续矿山，设计原矿开采能力 50 万 t/a，矿石送往现有选矿厂分选；现有选矿厂经过扩产改造后原矿处理能力扩大到 60 万t/a，同时加工处理镇北和吴庄两个矿区的矿石。 2008 年处理镇北矿区 矿石 26 万 t，原生磁铁矿与赤褐菱铁矿比为 9： 1，处理吴庄矿区矿石约 20 万 t；产铁精矿镇北矿区 t（ 5%），吴庄矿区 吨 t（ ；实现销售收入 元，利税 10050 万元。 源技改条件 吴庄铁矿属于接触交代型的中型富铁矿床，矿石产于侵入岩体与围岩接触带及层间破碎带复合构造中，类型为含铜钴硫化矿的铁矿石，在回收铁的同时，还可综合回收铜钴等其它金属。根据江苏省地质局第五地质队 1975 年 11 月提交的江苏省利国吴庄铁矿地质勘探报告， 矿床地质储 量 2 级 t， 平均品位 主要由 、 、 、 号四个矿体组成。矿石开采方式为地下开采，竖井提升。现已完成矿井的基建工作，总投资 元。 目前影响矿区开采的环境因素主要是矿坑突水。由于围岩裂隙岩溶发育，富水性强，并且分布多条导水断层，导致开采过程中巷道内涌水量不断增大，排水成本成倍增加，并随时威胁着井下 设备正常运行和 矿工的生命安全。在进一步查明矿床充水因素及突水来源、导水通道的基础上，制定技术可行、经济合理的综合治理方案，通过帷幕注浆堵截地下水径流，减少向矿坑中的流入，降低排 水成本，保障井下生产安全 。 并 同时解放出部分防水矿柱资源量，提高矿石回采率，使 有限的 铁矿资源得到充分的开发利用。 行性研究依据 7 本次可行性研究的主要依据有： （ 1）江苏省地质局第五地质大队 1975 年 11 月提交的江苏省利国吴庄铁矿地质勘探报告； （ 2）山东省鲁南地质工程勘察院 2006 年 9 月提交的江苏省 （ 3） 山东省鲁南地质工程勘察院 2006 年 9 月提交的江苏省 （ 4） X 铁矿集团有限公司吴庄铁矿井下巷道开采 、排水生产记录等资料。 目实施的必要性 X 铁矿集团吴庄铁矿目前采用井下巷道方式开采，由于矿体围岩裂隙岩溶发育、富水性强，并且分布多条导水性的断层，致使在开采过程中，巷道中地下水涌入量不断增大，并多次出现突水 灾害 。其 中在标高 段主溜井巷道左帮 出现的 突水 点突水 量 780m3/h， 在标高 平东二巷岩溶水顺灰岩层间裂隙突 入 水量 80m3/h， 在标高 号矿体中施工外环水平探水孔时遇到溶洞发生突水，涌水量 200 300 m3/h。 矿坑突水 不但造 成了矿层开采困难、排水成本成倍增加，而 且也存在着巨大的安全隐患 ，大量的地下水白白排入河道，也是一种资源浪费。 开展矿区水文地质灾害综合治理 与 地下水资源保护可行性研究工作，进一步查明矿区断层构造的控水特征及矿床充水来源，制定合理的封堵水方案，通过工程措施减轻或消除安全隐患，对于最大限度地开发利用地下铁矿资源、保障矿区采掘工人的生命安全 、实现 企业 可持续 发展 及有效保护地下水资源，均 具有非常重要的社会、经济、安全、资源及环境效益。 8 2. 矿区地质及水文地质 条件 然地理概况 形地貌特征 吴庄 铁矿 位于 徐淮剥蚀堆积平原 。 地表起伏不大 ， 自郝家庄向北经吴庄村至小楼子村，分布 着 一条不太明显的近南北向垄岗， 地面 标高 38 42m， 构成 该区的 地表分水岭 ； 分水岭以东地表水向尹家河方向汇流，以西向微山湖方向汇流。 矿区 南部 的 大成山一带为低山丘陵区，由数十个山 丘 组成，走向北东 75，绵延 10 余 体标高 50 200m，由寒武 纪 、奥陶 纪地层组成。 候 气候类型 属于 暖 温带 半湿润季风气候，四季分明 ，长年多东南风 。春季气温升高快，蒸发强，常出现春旱；夏季降水集中，多出现暴雨，造成夏涝；秋季天气多晴，雨水偏少；冬季雨水稀少，多西北风。 多年平均降水 量 大年降水量 内降水 量 多集中在 6 8 月份， 其间的 降水量占全年的59%；最大月降水量 大日降水量 多年平均气温 ，历史最高气温 ，最低气温 。年平均风速 3m/s 左右，相对湿度 60%左右 ， 年平均无霜日 200 220d，全年日照时数约 2400 小时，历年土层 最大 冻结深度 年蒸发量 1000右。 文 山湖 微山湖位于矿区西部 ， 相距 里，是 邻近区域 最大的地表水体 。该湖与昭阳湖、独山湖、南阳湖相互连通，合称为南四湖，总流 9 域面积 31700库容约 13 亿 中 微山湖流域面积 9900 容 正 常湖水位 标高 31 33m，最高水位 1957年） 。 目前 微山湖与昭阳湖 之 间修筑了东西 向 大坝 及两座节制闸，湖水位受到 了 人工作用的控制。 微山湖与吴庄 铁 矿之间分布着一条宽度 500 750m 的 条带状奥陶系灰岩 ，一般 隐伏 于 第四系亚粘土和钙质结核亚粘土之下，覆盖层厚度 1 10m；在矿区西部，灰岩则直接延伸至 湖底之下 ，湖水 与岩溶水 之间存在着 一定程度的水力联系。 家河 西起 韩 庄，经矿区东北部 流 至台儿庄入运河， 全长 河床 宽 30m，正常 水位标高 31m 左右 。河床底部 为不透水的二叠系砂页岩 ， 距矿体最近距离 矿 区 地下水无 直接的 水力联系。 此外， 在 吴庄矿 区范围内 ，无大中型自然河流分布，但人工挖掘的灌溉渠道较多，纵横交错 ，尤其是义和庄北侧开挖 的 灌溉渠道， 常年有水，且 底 部 直接与奥陶系 灰 岩接触 ，水体 对矿区地下水具有直接的渗漏补给作用。 域稳定性 特征 震活动概况及其影响 据有关资料统计， X 市 及其周围地区 历史上 发生过有 记录 的 地震54 次，震中 均位 于 周围地区 ； 其中 5 级以上的地震 15 次， 对区内造成不同程度震害的有 4 次 。 4 次较大的地震主要是 ： 462 年 发生在 山东兖州 县 的 5 6 级地震 、 1502 年 10 月 发生在 河南濮城 的 地震 、1668 年 7 月 发生在 山东郯城 的 地震 和 1937 年 8 月 发生在 山东菏泽 的 7 级地震 。 其中 又 以郯城 发生的 地震造成的震害最大，震中烈度 12 度， X 地区为 8 度 。 根据 X 府志记载 ：这次地震造成了 10 “城垣官署民庐倾覆过，远近压死人不可数记 ”的特大灾害 。 菏泽 发生的 7 级 地震亦 造成了 X 旧 房 坍塌 50 60 间，死亡 20 余人。近期（ 19601980 年）发生在 X 的仅有一次，震级 2 3 级 ； 发生在邳县 、新沂市 、 丰县 、 沛县的地震 38 次 ； 其余地 震 多 发生在郯庐 断层 带附近 。 由此可知，邻区的地震波及对吴庄矿区的地壳稳定性存在着一定程度的影响，但该区地震活动较为微弱，属于地壳基本稳定区。 震烈度区划 据 X 市城市抗震防灾规划， X 利国地区地震条件不太复杂，深部构造 相对 简单，地震活动强度和频率 较低，为一 相对稳定 的 块体 ，今后发生中、强地震的可能性不大，地震烈度为 7 度。 区场地稳定性 吴 庄 矿区 地形 较为 平坦， 地面 坡 度 小， 而 在 矿区部分地 段 浅部 灰岩中的裂隙岩溶较为发育， 虽 然大多已 被粘 性 土填充，但 在 矿床开采过程中， 矿坑排水导致 岩溶 地下水 位 降低， 天然水文地质条件 发生 改变，岩溶 、 裂隙中 的 充填物会被潜蚀掏空，产生岩溶塌陷，危 及 建筑物安全 ，因此 地面稳定性一般。 矿区第四系松散层较薄，岩性主要为残坡积和洪坡积成因的亚粘土、钙质结核亚粘土，浅部土层容许承载力较大，地基较稳定。 区地质概况 层 按照 华东地区区域地层表 划分，该区域 地层 属于华北地层区鲁西地层分区 X 至宿县地层小区。 在 矿 区 分布 的地层 主要 有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和第四系 。 各 地层 主要 岩性 见表 21。 表 2 1 矿区 地层简表 11 地 层 时 代 厚 度（ m） 代 号 地层名称 主 要 岩 性 第四系 1 10 Q 亚粘土及钙质结核亚粘土 二 叠 系 上统 250 盒子组 杂色粘土岩、页岩为主，间夹砂页岩 下统 108 西组 页岩 及 砂岩互层 石炭系 上统 175 原组 灰岩，碳质页岩，砂岩互层 中统 20 40 溪组 灰岩， 铁 质页岩及铝土页岩 奥 陶 系 中统 70 97 所组 白云岩及钙质白云岩 200 家沟组 豹皮灰岩及白云质灰岩 下统 70 115 泉组 白云岩夹灰岩、泥质白云岩 360 山组 灰岩或白云岩夹钙质白云岩 7 14 汪组 泥质白云岩、泥质灰岩，钙质白云岩 寒 武 系 上统 170 225 3f 凤 山组 豹皮灰岩、白云岩 60 3c 长山组 薄层灰岩与竹叶状灰岩互层 60 3g 崮 山组 薄层灰岩夹鲕状灰岩 中统 210 3z 张夏组 灰岩 、 鲕状灰岩 矿区地层总体走向近 ，倾向 矿区北部走向由 W 向，倾向 层倾角：矿区南部 40左右，中部较平缓，为 10 20，北部 26左右。 浆岩及围岩蚀变 矿区所见岩浆岩是一套以中性为主，伴有中酸性、酸性偏碱性的岩浆杂岩体，属于燕山期岩浆活动的产物，主要岩性为角闪闪长玢岩、闪长玢岩、石英闪长斑岩及脉岩类。分布位置主要在矿区的东部和北部地区，它们在相似的条件下，表现为多次侵入活动，形成了较完整的同源岩浆演化旋回体系，侵入到奥陶系、石炭系和二叠系三个地层层位当中。从以前资料 分析，这些侵入岩体在奥陶 纪 地层中大致呈东西方向延伸，受 基底断层构造与 断层构造复合部位的控制。 矿区内围岩蚀变较发育，主要产生在矿体下部，蚀变宽度由几 m 12 到十几 m，有的达 20 多 m（ ）；矿体顶板蚀变较弱，几 几十 少超过 1m。由于蚀变作用，岩石多粘性土化、透水性差、强度降低，导致矿体附近的围岩稳固性变差，在高压水头的作用下，易沿接触带发生突水事故。 区地质构造 矿区处于 X 复背斜 构造带东北 部倾伏 端与近 层 控制的郑集 利国煤田两组构造复合部 位。褶皱多表现为开阔的短轴背斜及向斜。区内 断层 构造发育，主要有近 及 般前者早于后者），其次为 和 断层 。这些断层 都具有不同程度的继承性和复活性运动的特点。 奥陶系灰岩和闪长玢岩（ 或 闪长斑岩）的节理 裂隙 最 为 发育，共有两组：一组 走向 90 110，倾向 向南；另一组走向 3455，倾向 向东 ，倾角 70左右， 部分 近于直立。 吴庄矿 区 的褶皱主要 为 利国到吴庄附近 的 短轴背斜， 轴 部由奥陶系组成。北翼主要分布中、上石炭系和二叠系 ；南翼为一对应的小向斜，轴部由中、上石炭系 组成，向斜两翼 均 为奥陶系 ；背斜倾伏 端亦为石炭系 环绕 。该背斜在蔡山、义和庄之间被断层分成东西二部分，其中义和庄 吴庄部分构成吴庄矿区背斜构造的主体。 矿 区 内 断层 主要为近 的 张扭性正断层，使地层形成阶梯状下落，旁侧岩石破碎 ， 小错动发育。如 层 及 、 的 构造 破碎带等，这些 断层 带及构造带 为地下水的 赋存和 运移提供了空间 。 吴庄矿 区 地质构造 及地层 分布 情况 见 图 21。 13 图 2 1 吴庄 矿区地质 简图 区水文地质条件 区地下水类型 及其赋存特征 根据 含水 介质 的岩 性特 征 及 地下水的赋存条件 ， 矿区地下水 可 划分为松散岩类孔隙水，碎屑岩类孔隙裂隙水， 岩浆岩类 裂隙水 和 碳酸盐 岩 类 裂隙 岩溶水 四种主要类型 。现分述如下： 散岩类孔隙水 赋存于 第四系 松散堆积物的孔隙中。 矿区 第四系 分布广泛， 岩性主要由亚粘土 和 钙质结核亚粘土组成，厚度 1 10m， 由于无砂层发育，富水性 弱 ， 水文地质意义不大。 屑岩类孔隙裂隙水 主要赋存于 矿区 北部和东部 区段 的 二叠系 砂岩、砂质页岩的裂隙 14 中。在地表浅部岩石风化裂隙发育，易于接受补给，相对富水； 矿 区北侧的原红卫煤矿，在 深度 55m 的 风化 带 中 采煤时，坑道长 370m，排水量 240m3/d。风化带以下的岩石 相对 完整 、 新鲜 、 致密，裂隙不发育 ，富水性 弱 。 浆岩类 裂隙水 主要分布在利国 镇 东垄子、西垄子、蔡山、义和庄 和 吴庄等 地 段，赋存于 闪长玢岩、闪长斑岩、花岗斑岩及石英闪长斑岩等 岩石的风化与构造裂隙中 。在裸露区 50m 以浅 ， 岩石 风化裂隙 、 构造裂隙 较 发育，易接受大气降水补给，形成裂隙潜水。在矿床范围内， 地下水赋存于矿床下部 及石炭系中 侵入岩体 的 构造裂隙中 ， 赋 水 空间发育差，富水性 弱 ，钻 孔单位涌水量 小于 sm)。 酸盐 岩 类 裂隙 岩溶水 主要赋存于碳酸盐岩类岩石的构造裂隙及溶蚀孔洞中，根据含水介质的岩性特征 、 组合关系 以及地下水赋存环境的差异 又 可以将其大致划分为以下 两 种类型。 （ 1） 碳酸盐岩类 岩溶裂隙水 主要赋存在寒武系石灰岩、白云岩及石炭系灰岩、砂岩 及 页岩互层介质的裂隙之中。分布 区域 主要 在 矿区南部的丘陵区 ， 以及 矿区 的北部、东部地区， 在矿区南部及西南部呈条带状 分布 ，含水岩层宽度在 200 400m 之间。 寒武系岩层分布在南部丘陵地带，并多裸露于地表，浅部裂隙岩溶较为发育，易于接受降水入渗补给 ，富水性相对较好； 但 随着深度增加 ，岩石裂隙岩溶发育程度逐渐变差，富水性减弱 。 据以往勘察资料 ： 张夏组灰岩分布区钻孔单位涌水量一般 在 14L/(sm)左右 ； 崮山、长山和凤山组灰岩、白云岩 分布区 钻孔出水量相对较小，单位涌水量 15 一般 小于 sm)；地下水类型以 a 型或 a 石炭系岩层分布范围 较为广泛，在矿区北、东、南和西南部方向均有分布， 除 局部 地段出露 以外， 大多隐伏于第四系松散岩层之下。受岩性组成及组合关系的影响，岩层裂隙岩溶 发育程度差，富水性弱 ，钻孔单位涌水量一般 小于 sm)。对 区域地下水 的 循环运动 来说，石炭系岩层具有相对隔水作用。 （ 2） 碳酸盐岩类裂隙岩溶水 该类地下水是矿区地下水的最主要类型，含水介质由奥陶系晁所组、马家沟组、大泉 组 、贾汪组灰岩、白云岩及白云质灰岩等岩性组成，分布在矿区的南部、西部及西南部的大部分 区段 ，厚度较大。由于受到褶皱、岩浆岩侵入及多条 断层 构造影响，岩层 裂隙岩溶发育 程度较高 ，并分布有多条 断层 及构造 破碎带，为地下水提供了良好的赋存与运移空间， 在矿区南部和西部形成岩溶水 富集区，含水层富水性中等 强 ， 局部 地段富水 性极强；如：矿区主井处 的 (sm)， 孔单位涌水量 (sm)，风井 处钻孔 单位涌水量 (sm)，矿区东侧的 孔 单位涌水量 (sm)，断层西部东马山一带的电 2、电 4、电 6 等钻 孔 sm)之间。 碳酸盐岩类裂隙岩溶水水质优良，矿化度在 之间，水化学类型以 a 型及 a为主。 溶 水 径流带分布及发育规律 碳酸盐岩类地层岩溶裂隙发育具有显著的不均一性，含水层 中 地下水的 渗流运动主要受裂隙岩 溶发育程度及其连通性的影响，储存在溶蚀孔洞及裂隙中的地下水沿着网络状溶隙运动逐渐往岩溶裂隙发 16 育程度较高的、大的导水通道当中运移， 而 当 其具备 较强 的 输导能力时，便形成地下水 径流带 。一般情况下，碳酸盐岩地区的张性 断层 带及不同类型地层岩性接触处的岩溶发育带往往会形成岩溶水的 富 集区 与 径流通道，起着 运移和 排泄 地下水的作用。 就 吴庄 矿区来说，规模稍大的岩溶 水 径流带主要存在两种类型，即 断层 型和接触型。 分述如下： 层 型岩溶 水 径流带 断层 型岩溶水径流带是岩层受到 断层 构造的影响 而 碎裂、破坏，为地下水的储存和运移提 供了空间环境，在地下水的循环、移动过程中又不断对岩石产生溶蚀作用，岩溶空间不断扩大， 旁侧区域含水层中的地下水不断向此 汇集 ，并 在其 内部流动而 形成 。 矿区 内 规模较大的 断层 型岩溶水径流带主要沿 层 和矿区东 部的 破碎带以及厂区西侧的 破碎带分布。这几条径流带内部裂隙岩溶发育程度 较 高、 地下水 接受补给的条件较好，富水性及导水 能力较 强 ；尤其 层 带延伸距离远、沟通的岩溶含水层范围大，而且 又能 汇集南部丘陵 地 区 的 地下水，对 矿床开采具有 非常大的安全威胁。 触型岩溶 水 径流带 地下水在径 流过程中，遇 到 弱透水层或不透水层 的阻挡，地下水水位抬 升 ， 并 在 可溶性岩层中 富集 和 循环运移， 形成岩溶 水 径流带。本 矿 区分布 有地层 型 和岩体 型 两种 类型的接触型岩溶水径流带 。 （ 1） 地层接触型 在 该类型径流带位于矿区北侧，呈东西向 条带状 展布， 南部碳酸盐岩 层中 的 岩溶水 在 向北流动 过程中 ，在此 处受到煤系地层 阻挡， 使地下水在接触带南侧的碳酸盐岩层中运移并不断对其进行溶蚀而形 17 成导水通道。 （ 2） 岩体接触型 岩体接触型岩溶 水 径流带，是 燕 山期 岩浆 岩侵入奥陶系地层中，导致 南 部 山区岩溶地下水径流至岩体受 到 阻 挡 富集 、 储蓄在岩体前缘的 碳酸盐 岩 层 中 并沿接触带循环运动 而 形成 。 岩溶水在 接触带处 以泉的形式排泄于地表 形成 利国的珍珠泉 ， 但 由于矿坑排水该泉 现已经干枯 。 位于 岩体 接触带的铜山县炼铁厂供水井出水量 2860m3/d， 原利国磨山矿井排水量 达到 m3/d。 说明该径流带 岩溶含水层裂隙岩溶发育 较好，地下水补给来源丰富。 下水 的补给、径流与排泄 条件 下水的补给条件 矿区地下水补给来源主要有两种途径：一是大气降水及农田灌溉水入渗补给，二是南部及西部地区岩溶水的侧向径流补给；其中以大气降水、农田灌溉水的入渗补给占主要地位。 （ 1）大气降水 及农田灌溉水 入渗补给 吴庄矿区灰岩埋藏浅，地表沟谷发育，降水渗入第四系以后 又在重力 作用下继续下渗，进入下伏灰岩裂隙岩溶含水层中 ，据以往勘察成果，矿区大气降水 入渗补给系数约为 每次较大规模的降水过后，地下水 水 位都会出现不同程度的快速回升现象，说明矿区岩溶含水层的开放性较好，接受补给的能力较强。 此外，矿区范围内灌溉渠道纵横交错，水稻种植面积占整个农田面积的 60%以上 ，在集中灌溉期间， 稻田区 的 地下 水位具有明显的回升现象，表明灌溉水回渗对 地下 水补给也具有重要作用。 （ 2）地下水侧向径流补 给 矿区地下水的侧向补给来源主要有南部残丘地带岩溶水的径流 18 和矿区西部马山一带灰岩隐伏区岩溶水的径流。 吴庄矿区南部 残丘地带 灰岩大面积裸露地表， 大气降水可沿地表裂隙岩溶直接入渗进入裂隙岩溶含水层中。然后一部分往西流至铁路附近改为沿北东向 断层 带和岩体与灰岩的接触带流动； 另 一部分 则 顺岩层倾向北流，经过石炭系下面的灰岩裂隙、岩溶发育带向矿区径流，补给矿区地下水。 其中在 吴庄铁矿勘探时，矿床东侧的 钻孔中抽水时，影响半径一直 扩展 至南部由石炭系组成 的 向斜南翼，此处的 观测孔水位下降了 在矿区西部 马山一带，隐伏灰岩裂隙岩溶发育，富水性强 极强，自然条件下矿区地下水 水 位高于该区水位，矿区岩溶水经 过此处向微山湖区排泄；而在矿区持续大量排水的影响下，该区岩溶水 出现了反向流动的现象，从西往东越过 断层 对矿区地下水产生补给。 下水的 径流与排泄 条件 在天然条件下，该区域 地下水由南部丘陵 地 区向北 部径流， 而后转 向 西北 往 微山湖方向排泄， 而 在运移过程中受到 弱透水岩 层和 岩浆岩 的 阻挡， 又 在低洼处或 岩体 接触带以泉的形式 溢出地表 。 自利国铁矿开采 以及韩庄电厂 供水水源地 建成 以来，由于矿坑 疏干 排水和 韩 庄电厂 供水，改变了 该区地下水的天然流场特征 。虽然 目前韩庄电厂供水井均 已停 止开 采，但 由于吴庄铁矿和利国铁矿 矿坑排水 ，地下水流场 仍然 受到严重的干扰影响； 以吴庄矿井为中心的水位降落漏斗， 已经 成为该区岩溶水的汇集 与 排泄场所 ，使南部和西部的地下水均向矿区方向径流，通过矿区疏干排水进行排泄。 另外， 矿区 东部 和北部 地区的 几处 煤矿排水 ，也对本 区地下水的径流与排泄具有一定的影响作用。 19 下水化学特征 矿区 地下水水质良好，无色、无嗅、无味、透明 ，水温 1617 。矿化度 ， 总硬度 382， 水化学类型为a 或 a 。与矿区勘探期间的水质分析成果相比，除总硬度和矿化度两项化学组分的含量略有升高外，其它化学组分 含量基本稳定，多年变化不大 。 20 3. 矿床水文地质条件 水层与隔水层 吴庄 铁矿 矿体主要产于奥陶 系 寨山组大 理 岩 、 结晶灰岩 、 白云质大理岩 、 钙质和泥质白云岩与蚀变的闪长斑岩之间，根据岩 层 的富水性 特征 ， 可 将 其 划分为含水层与隔水层 两种不同类型 。 水层 矿 区 含水层 类型 主要为碳酸盐岩类裂隙、岩溶含 水层 ，组成 岩性为 奥陶系 灰岩、白云岩 及 石炭系 的灰岩。 陶系碳酸盐岩 类 裂隙 岩溶 含 水 层 奥陶系各组段碳酸盐岩岩性虽有不同，但各组之间 并 无 实际意义的 隔水层存在，只是富水性有 些差异 。因此，不再单独分开阐述。 奥陶系含水层岩性主要由深灰色结晶灰岩 、 大理岩 、 灰色厚层状灰岩 、 豹皮状灰岩及白云岩组成，构成矿体的顶板，总厚度 628 米 ；主要分布 在 层以南 ，呈浅隐伏状态，在 层 以北 则埋藏于 石炭系地层 之下，埋藏深度较大。 浅 埋区 灰岩由于长期遭受风化剥蚀，裂隙 岩溶 发育普遍，岩溶水 赋存条件较好 。 埋藏区及隐伏区 深部 的 灰岩， 裂隙 岩溶发育程度主要受构造控制 ，与浅 隐伏 灰岩相比，裂隙岩溶发育程度相对变差，富水性减弱 。 矿区奥陶系灰岩裂隙岩溶发育状况见表 31。 含水层富水性特征：该类含水层的富水性与其岩溶发育强度密切相关，一般是岩溶发育、充填物较少的地段富水性强，反之富水性弱。而在水平和垂直方向上又存在较大差异，并且具有明显的分区分带性。根据灰岩埋藏条件、富水性强弱可将矿区 奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层 划分为以下几个主要的富水区带：浅部裂隙岩溶潜水中强 21 表 3 1 奥陶系灰岩裂隙 岩溶 发育 状况 统计表 含水带，深部完整灰岩 裂隙 承压弱含水带， 层裂隙 岩溶 承压中等含水带，北西向构造 裂隙 岩溶承压中等含水带， 层 裂隙 岩溶承压强 含水带，北东向构造破碎 裂隙 岩 溶 承压 强 含水带 等。分述如下： （ 1） 浅部裂隙 岩溶 潜水中 强 含水带（简称浅部 中强 含水带） 分布 在 吴庄矿床 中部以南区域 ， 呈 面状 展 布，），平均厚度 富水中等到强 ，但 具有明显的 不均 一性 ； 在 风井 以东勘探 时 施工 14 个钻孔，有 12 个钻孔发 现 漏水，钻孔单位涌水量 sm)，渗透系数 d；而风井 以西施工 的 21 个钻孔，仅有 7 个钻孔漏水，钻孔单位涌水量 (sm)，渗透系数 d。 该 含水 （层）带 具有较好的开放性，岩溶水 具有潜水性质 ， 可接 受大气降水 及 农田灌溉 水 的 补给。 （ 2） 深部完整灰岩裂隙承压 弱 含水带（简称深部弱含水带） 分布在浅部含水带以下或埋藏于煤系地层之下 ， 埋 深较大 ， 裂隙岩溶发育 差 ， 岩石完整性较好，富水性弱。 该带埋藏标高 一般 多 在标高 下 ， 厚度 上与浅部含水带 及 石炭系 岩层 相连 ， 下与 岩浆 岩或矿体接触 。据 以往 抽水 试项 含 水 带 目 名 称 控制钻孔（个） 钻孔分带 统计 钻孔遇裂隙溶洞最大高度（ m） 钻孔遇裂隙溶洞最低标高（ m） 钻孔 钻 孔总 数 遇岩溶现象钻孔 遇裂隙溶洞钻孔 总厚度（ m） 遇裂隙溶洞累计高度（ m） 遇裂隙溶洞能见率（ %） 岩溶率（ %） 浅部带 35 35 11 部 带 层带 17 13 5 东向破 碎带 5 5 3 1 断层带 30 24 5 西向构 造带 2 2 1 部完整 灰岩带 93 少数 4 22 验 资料 ，钻孔单位涌水量 (sm)，渗透系数 d。 （ 3） 层裂隙 岩溶 承压中等含水带（简称 等 含水带） 该带西起 ，经 过 主矿体上部在 南与北东向构造破碎带岩溶裂隙含水带相交，向东延伸至 出矿区 。初步推测 断层 带长 5000m 左右，向北倾，倾 角 70，宽度 楔形 在 深部尖灭 于 火成岩和矿体之上，平面投影宽度 105 250m， 埋 深在 以上 ； 钻孔单位涌水量 sm)，d。 地下水 为承压水，水 头 高度 20 80m， 矿化度 ，水温 ， 水化学类型为 a 型 。 该含水带在 苏庄及其南部一带 与矿体直接接触，矿床开采时， 其中的 地下水将 会直接 涌入矿坑中。 （ 4） 北西向构造裂隙 岩溶 承压中等含水带（简称北西向 中等 含水带） 分布于 与 之间，向南东方向延伸，推测长度大于250m，宽度 20 米，倾向北西，倾角 75左右，破碎带 中 方解石脉较为发育，并胶结破碎 的 岩 石 。埋藏标高 部与浅部含水带相通，含水 较 丰富，钻孔单位涌水量 sm)，d， 可 接受浅部含水带潜水补给 ， 地下水动态变化和水化学类型与浅部含水带 基本 一致 ， 与北东向构造破碎带含水带和 层含水带水力联系微弱 ， 如位于 水带的 抽水时，该带内的 、 地下水位均 未 受 到 影响。 （ 5） 层裂隙 岩溶 承压 中 强含水带（简称 强含水带） 位于矿体北侧，走向东西，向北倾斜，产状东陡西缓，东段 80左右，西段 60左右， 带 宽 10 40m，埋藏标高 端 23 控制到 ，西端延 伸 穿过津浦铁路至电 2 孔 。推 测断层 带 长度大于 2500m，平面投影宽度 84 244m。地下水主要赋存在 标高 430m 的奥陶系灰岩破碎带中 ， 前期勘探时在该含水带 中 施工的钻孔有 80%以上 严重漏水 ， 钻孔单位涌水量 sm)，渗透系数 d。 而埋藏在石炭系 下部、 标高 下 的 奥陶系灰岩破碎带富水性 则 大大减弱 ， 如 、 分别在标高 642m 深 度 遇到 层 的 角砾岩，均未 出现 漏水 现象 。地下水在 含水 带内连通 性好 ， 钻孔抽水结 束 后，水位恢复特别快，停抽不到一分钟，就可 恢复 到 原来 的 静止水位。地下 水 矿化度 ，水温17 ， 水化学类型为 a 型。该带 在 西部义和庄一带 与浅部岩溶含水带直接连通，水力联系密切，吴庄 铁 矿排水降落漏斗扩展到西部时， 曾在 义和庄北部灌渠中 见到 水 体 下渗形成 漩 涡 ；矿区 勘探期 间 ， 韩 庄电厂电 2 号 供水 井 抽水时， 相距 1800m 的 矿床内 该含水带与北东向 含水带、 水带、北西向含水带之间 分布 的灰岩 裂隙岩溶发育较差，致使其与其它各带之间的水力联系比较弱。例如：在 该带中 的 抽水，位于北东向 含水带 中 的 水位未 受 到 影响 ； 本带 中 抽水， 层含水带 中的 、 北西向含水带 中 的 水位 也 未受到影响 。 该带地下水位常年比北东向 含水带水位低 2 3m，比 水带 、 北西向含水带地下水位低 12m。在 苏庄东部 该含水带直接切割矿体， 矿床 开采时该带 中 地下水可 以 直接涌 入 坑道，应加以防范。 （ 6） 北东向构造破碎 裂隙 岩溶 中 强含水带（简称北东向 中 强含水带） 位于矿体东 南部 ，倾向西北，倾角 75左右，宽度 9 23m，长 24 800m， 水平投影宽度 藏标高 端在 以北 尖灭 ，向西 可 控制到 。该 构造带内方解石脉 非常发育并胶结角砾状 灰岩 碎块 ，岩溶裂隙发育， 透水性良好， 含水丰富 ， 在该带 施工 的钻孔 80%以上漏水 。钻孔单位涌水量 sm)，渗透系数 d。 口径 孔 抽水时， 对、 、 水位 均 有明显的影响 ， 各孔地下水位分别下降 了 明该带内部地下水的连通性较好。带内 地下水 矿化度 ，水温 ， 水化学类型为 a、 。该含水带位于矿体之上， 局部地段 与矿体接触， 矿床开 采时应注意冒顶突水威胁。 炭系 太原组 碳酸盐岩 夹碎屑岩 类岩溶裂隙 含 水 层 组成岩性主要为 太原组 的 砂 岩、 页岩 和 灰岩 ， 内部 顺层穿插 数层巨厚 的 闪长玢岩 ，顶底板间距 右 ； 其中灰岩是最 主要的含水岩层 ， 在 浅部 20 50m 的风化带，裂隙、岩溶发育相对较好， 富水性 相对 较强， 在 、 、 和 施工过程中均见到发育较普遍的蜂窝状、网格状 溶蚀现象 ，并且几个钻孔全部漏水 。矿区勘探期间 抽水试验时， 奥陶系浅部含水带的 、 水位分别下降了 明本含水层与这两个含水带之 间 存在着较直接的 水力联系。 而埋藏深 度 较大、尤其是位于侵入岩体下部 的灰岩 ，钻孔 岩芯完整，裂隙 岩溶 不发育，施工期间的 59 个钻孔穿过此层时，均未 出现明显的漏水 现象，富水性 比较 弱 。 石炭系 太原组 岩溶裂隙含水层富水规律 ：浅部风化带 富 水性大于深部 岩层的 富水性 ；接受 奥陶系 浅部 含水带补给 的 地 段富水性 较 好，但范围 较为 局限。 总体来看， 该 含水层的富水性 相对 较弱。 25 水层 炭系本溪组 岩性主要为铝土页岩 、铁 质页岩及灰岩，厚度 20 40m，沿短轴背斜南 、北翼和东部倾 伏 端成条带状分布，东端出露宽度 50 90m，南翼 以西宽度 170 230m（包括 部分太原组地层 ），北翼出露宽度 20 80m。灰岩致密块状，岩溶 、 裂隙不发育， 透水性差， 富 水性弱 。据西安电力设计院在北翼大丰煤矿附近 抽水资料， 水位降深 钻孔 单 孔 涌水量 sm)， 属于 相对隔水层。 叠系 地层岩性 由灰黑色 炭 质页岩、灰黄色粗砂岩、砂页岩、杂色砂质页岩组成，厚度 360m，分布在矿 床 北部和东部，与石炭系整合接触。浅部风化带裂隙多被粘土充填，含水甚微 。矿床北部原红 卫 煤 矿于 55m 浅部采煤时 ， 坑道排水量 240m3/d。 深部岩石新鲜坚硬，裂隙不发育， 基本无 水。因此 ，