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 75页

'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：1.1目的任务及工作范围1.1.1目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）4 查明矿坑突水来源及其导入通道，分析突水机理、论证矿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。1.1.2研究工作区范围矿区水害治理可行性研究范围，西起F20断层，东至ZK29号孔西侧，北以苏庄为界，南至ZK39孔北，面积约4.80km2。1.2地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，2006—2008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。1.2.1地质工作1.2.1.1区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。1.2.1.2矿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4 述了矿区含水层裂隙岩溶发育规律、构造含水带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。1.2.2水文地质工作1.2.2.1厂、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。1.2.2.2水文地质1979—1980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》。1981—1983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。1.3矿区及企业概况1.3.1矿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5km，西临微山湖，面积约4.80km²。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4 1.3.2矿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。1.3.3企业概况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8388.7万元，资产净值7342.7万元，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。1.3.4矿山生产现状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36.64万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。4 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14.42万t（TFe≥65%），吴庄矿区11.475万吨t（TFe≥65.59%）；实现销售收入31508.50万元，利税10050万元。1.4资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C1+C2级1524.15万t，平均品位49.56%；主要由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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1.2亿元。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。1.5可行性研究依据4 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X市铁矿集团吴庄铁矿水文地质物探成果总结报告》；（3）山东省鲁南地质工程勘察院2006年9月提交的《江苏省X市铁矿集团吴庄铁矿矿区水文地质调查报告》；（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。1.6项目实施的必要性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-430m中段主溜井巷道左帮出现的突水点突水量780m3/h，在标高-380m水平东二巷岩溶水顺灰岩层间裂隙突入水量80m3/h，在标高-380mⅣ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200～300m3/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。4 2.矿区地质及水文地质条件2.1自然地理概况2.1.1地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km，山体标高50～200m，由寒武纪、奥陶纪地层组成。2.1.2气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869.9mm，最大年降水量1279.0mm，最小年降水量515.2mm；年内降水量多集中在6～8月份，其间的降水量占全年的59%；最大月降水量464.3mm，最大日降水量125.0mm。多年平均气温14.4℃，历史最高气温43.3℃，最低气温-18.9℃。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0.24m。年蒸发量1000mm左右。2.1.3水文2.1.3.1微山湖微山湖位于矿区西部，相距3.3公里，是邻近区域最大的地表水体4 。该湖与昭阳湖、独山湖、南阳湖相互连通，合称为南四湖，总流域面积31700km2，总库容约13亿m3。其中微山湖流域面积9900km2，库容2.5亿m3，正常湖水位标高31～33m，最高水位36.84m（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。2.1.3.2伊家河西起韩庄，经矿区东北部流至台儿庄入运河，全长42.5km，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1.2km，与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。2.1.4区域稳定性特征2.1.4.1地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6.5级地震、1668年7月发生在山东郯城的8.5级地震和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8.5级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4 “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（1960—1980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。2.1.4.2地震烈度区划据《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。2.1.4.3矿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。2.2矿区地质概况2.2.1地层按照《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2—1。表2—1矿区地层简表4 地层时代厚度（m）代号地层名称主要岩性第四系1～10Q亚粘土及钙质结核亚粘土二叠系上统250P2s石盒子组杂色粘土岩、页岩为主，间夹砂页岩下统108P1s山西组页岩及砂岩互层石炭系上统175C3t太原组灰岩，碳质页岩，砂岩互层中统20～40C2b本溪组灰岩，铁质页岩及铝土页岩奥陶系中统70～97O2c晁所组白云岩及钙质白云岩200O2m马家沟组豹皮灰岩及白云质灰岩下统70～115O1d大泉组白云岩夹灰岩、泥质白云岩360O1z寨山组灰岩或白云岩夹钙质白云岩7～14O1j贾汪组泥质白云岩、泥质灰岩，钙质白云岩寒武系上统170～225Є3f凤山组豹皮灰岩、白云岩60Є3c长山组薄层灰岩与竹叶状灰岩互层60Є3g崮山组薄层灰岩夹鲕状灰岩中统210Є3z张夏组灰岩、鲕状灰岩矿区地层总体走向近EW向，倾向NW。在矿区北部走向由NNE向转为NW向，倾向NE。地层倾角：矿区南部40°左右，中部较平缓，为10°～20°，北部26°左右。2.2.2岩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EW向基底断层构造与NE～NNE向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m4 到十几m，有的达20多m（ZK76孔）；矿体顶板蚀变较弱，几cm到几十cm，很少超过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。2.2.3矿区地质构造矿区处于X复背斜NNE～NE向构造带东北部倾伏端与近EW向基底断层控制的郑集—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EW向及NE向两组（一般前者早于后者），其次为NNE向和NW向断层。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NNE或向南；另一组走向345°～5°，倾向SWW或向东，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EW向短轴背斜，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EW向的张扭性正断层，使地层形成阶梯状下落，旁侧岩石破碎，小错动发育。如F1、F2、F3、F5断层及NW向、NE向的构造破碎带等，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2—1。4 图2—1吴庄矿区地质简图2.3矿区水文地质条件2.3.1矿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：2.3.1.1松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。2.3.1.2碎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4 砂岩、砂质页岩的裂隙中。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。2.3.1.3岩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0.04L/(s·m)。2.3.1.4碳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/(s·m)左右；崮山、长山和凤山组灰岩、白云岩分布区4 钻孔出水量相对较小，单位涌水量一般小于0.2L/(s·m)；地下水类型以HCO3—Ca型或HCO3—Ca·Mg型为主。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0.04L/(s·m)。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：矿区主井处的钻孔单位涌水量4.85L/(s·m)，ZK92号孔单位涌水量4.28L/(s·m)，风井处钻孔单位涌水量5.61L/(s·m)，矿区东侧的ZK17号孔单位涌水量16.59L/(s·m)，F20号断层西部东马山一带的电2、电4、电6等钻孔单位涌水量则在25.54—33.70L/(s·m)之间。碳酸盐岩类裂隙岩溶水水质优良，矿化度在0.3—0.5g/L之间，水化学类型以HCO3—Ca型及HCO3—Ca·Mg型为主。2.3.2岩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4 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：2.3.2.1断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F1、F3断层和矿区东部的NE向破碎带以及厂区西侧的NW向破碎带分布。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F1和F3断层带延伸距离远、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。2.3.2.2接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4 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3.18万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。2.3.3地下水的补给、径流与排泄条件2.3.3.1地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0.22。在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4 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ZK17号钻孔中抽水时，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ZK2号观测孔水位下降了1.74m。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F20号断层对矿区地下水产生补给。2.3.3.2地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。4 2.3.4地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16—17℃。矿化度0.5－0.7g/L，总硬度382mg/L，pH值7.8，水化学类型为HCO3—Ca或HCO3—Ca·Mg型。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。4 3.矿床水文地质条件3.1含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。3.1.1含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。3.1.1.1奥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F1断层以南，呈浅隐伏状态，在F1断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3—1。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4 表3—1奥陶系灰岩裂隙岩溶发育状况统计表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3535111711.3027.637.6931.431.61深部带F3断层带17135883.3314.328.78-419.6629.411.62北东向破碎带553380.865.773.34-299.3360.001.51F1断层带302451363.506.311.50-412.3016.670.46北西向构造带22163.701.901.00-446.4750.002.98深部完整灰岩带93少数416169.101.904.300.007含水带，深部完整灰岩裂隙承压弱含水带，F1断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，F3断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，含水层发育深度14.21～78.79m（ZK83孔），平均厚度52.57m，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0.69～2.19L/(s·m)，渗透系数1.29～3.60m/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0.116～2.024L/(s·m)，渗透系数0.28～3.68m/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23.93～748.81m，一般多在标高-20m以下，厚度116.80～570.12m，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4 试验资料，钻孔单位涌水量0.0007～0.064L/(s·m)，渗透系数0.000653～0.143m/d。（3）F1断层裂隙岩溶承压中等含水带（简称F1中等含水带）该带西起ZK120孔，经过主矿体上部在ZK33孔南与北东向构造破碎带岩溶裂隙含水带相交，向东延伸至ZK29孔出矿区。初步推测断层带长5000m左右，向北倾，倾角70°，宽度15.78～31.47m，呈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-400米以上；钻孔单位涌水量0.0318～0.934L/(s·m)，渗透系数0.113～9.76m/d。地下水为承压水，水头高度20～80m，矿化度0.276～0.326g/L，水温16.8～19.8℃，水化学类型为HCO3—Ca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ZK83孔与ZK101孔之间，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4.5～-487m，上部与浅部含水带相通，含水较丰富，钻孔单位涌水量0.807L/(s·m)，渗透系数15.23m/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F1断层含水带水力联系微弱，如位于F1含水带的ZK102孔抽水时，该带内的ZK83孔、ZK101孔地下水位均未受到影响。（5）F3断层裂隙岩溶承压中强含水带（简称F3中强含水带）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-3.50～-500m4 ，东端控制到ZK25孔，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-2.78～-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0.980～2.481L/(s·m)，渗透系数5.55～13.72m/d。而埋藏在石炭系下部、标高-430m以下的奥陶系灰岩破碎带富水性则大大减弱，如ZK74孔、ZK86孔分别在标高-497m和-642m深度遇到F3断层的角砾岩，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0.2～0.3g/L，水温17～22.5℃，水化学类型为HCO3—Ca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ZK103孔水位下降1.03m。该含水带与北东向含水带、F1含水带、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ZK25孔抽水，位于北东向含水带中的ZK33孔水位未受到影响；本带中ZK96孔抽水，F1断层含水带中的ZK102孔、北西向含水带中的ZK83孔水位也未受到影响。该带地下水位常年比北东向含水带水位低2～3m，比F1含水带、北西向含水带地下水位低1～2m。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4 800m，水平投影宽度74.69～111.64m，埋藏标高-21.58～-442.32m，北端在ZK33孔以北尖灭，向西可控制到ZK92孔。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0.388～2.858L/(s·m)，渗透系数0.921～3.670m/d。ZK17大口径孔抽水时，对ZK33孔、ZK9孔、ZK5孔水位均有明显的影响，各孔地下水位分别下降了6.58m、6.35m、6.31m，说明该带内部地下水的连通性较好。带内地下水矿化度0.3g/L，水温17.7～22.8℃，水化学类型为HCO3—Ca或HCO3—Ca、Mg型。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。3.1.1.2石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263.19m左右；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ZK23孔、ZK39孔、ZK42孔和ZK70孔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ZK23孔抽水试验时，奥陶系浅部含水带的ZK102孔、F1断层带的ZK72孔水位分别下降了1.06m和1.24m，说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。4 3.1.2隔水层3.1.2.1石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SK2孔以西宽度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SK2孔抽水资料，水位降深46.04m，钻孔单孔涌水量0.003L/(s·m)，属于相对隔水层。3.1.2.2二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，与矿床区的其它岩溶含水层相比，可视为相对隔水层。3.1.2.3铁矿层产于灰岩与岩浆岩侵入体的接触带，埋藏标高-264～-520m，最大厚度86.70m，矿芯完整，致密坚硬，节理裂隙不发育，据钻孔抽水试验资料，单位涌水量0.00649L/(s·m)，渗透系数0.00715m/d，富水性极差。地下水矿化度0.3g/L，水温22℃，水化学类型为HCO3—Ca·Mg型。属于隔水层。3.1.2.4岩浆岩岩性主要为闪长斑岩、闪长玢岩、花岗斑岩，矿区范围内多埋藏在奥陶系灰岩之下，或穿插于石炭系地层中。位于矿体之下的侵入岩体大而厚，分布面积可达3km2，矿区勘探时有近100多个钻4 孔揭露该层，但无一孔穿透。侵入奥陶系分布区的岩体，岩石完整致密，富水性极差，钻孔单孔涌水量0.0064L/(s·m)，渗透系数0.0715m/d；侵入石炭系中的闪长玢岩，钻孔单位涌水量0.0398L/(s·m)，渗透系数0.0536m/d；矿层下部的花岗斑岩钻孔单位涌水量0.000901L/(s·m)，渗透系数0.00154m/d。因此矿区的岩浆岩侵入体透水、富水性极差，为良好的隔水层3.1.2.5第四系在矿区广泛分布，主要为亚粘土，含有钙质结核，厚度1～10m；覆盖于其它时代较老的地层之上，具有一定透水性，但无含水层发育。3.2矿床充水因素分析吴庄铁矿矿体位于当地侵蚀基准面以下，围岩裂隙岩溶发育，富水性强，属于岩溶充水型矿床。矿床开采时易导致岩溶水直接或间接涌入坑道中，产生突水事故。石炭系太原组含水岩层，浅部灰岩分布地带含水比较丰富，但其面积局限，厚度不大，其余均含水微弱；奥陶系深部灰岩含水带富水性也较为微弱；可将二者视为相对隔水层。因此，矿床充水水源主要来自浅部含水带、F1、F3含水带及北东向、北西向含水带中。3.2.1浅部含水带裂隙岩溶潜水矿床开采时，由于矿坑疏干排水影响，导致在矿区周围形成区域性的地下水水位降落漏斗，浅部含水带中的地下水则通过水力联系较密切的F1、F3断层带及其它含水带间接流入矿坑。而浅部含水带与矿区南部和西部的灰岩分布区相连，补给条件好，富水性和渗透性较强，随矿坑排水量的不断增大和降落漏斗的扩展，其中的地下水会源源不断地通过多个含水带导入矿坑中，疏干会非常困难。4 3.2.2断层与构造破碎含水带裂隙岩溶承压水F3含水带：东西向展布于矿床北侧，由东向西一直延伸至义和庄北面与浅部含水带沟通，再向西穿过津浦铁路延伸至韩庄电厂供水水源地，而其在矿床中部地段又多处切割矿体。因此，矿床在开采过程中揭露该含水带时岩溶水将会直接涌入坑道中。F1含水带：东西向经过矿体顶部，由东向西一直延伸至义和庄西部。该含水带为成矿前形成的断层带，裂隙岩溶发育程度较其它含水带稍差一些。但相对来说，西部地段透水性、富水性较差；东段裂隙岩溶发育较好，并与矿床东部的北东向构造破碎带连通，水力联系较密切，透水性、富水性较好。此外，该含水带在部分地段还与浅部含水带沟通。所以在经过矿体且与矿体接触的地段含水带中岩溶水可直接进入矿体中。北东向含水带：分布在矿体东侧，北东向延展，北部与F1含水带相交，往南在ZK92孔处拐向西南，与浅部含水带连通。该含水带在ZK67孔—ZK84孔一线与矿体接触，在ZK9孔与ZK77孔一带处于矿体顶部，最小垂距52m。矿床开采时如果将其揭露或产生冒顶，岩溶水亦可直接涌入矿坑中。北西向含水带：分布在矿体西南侧，呈北西向延伸，与F1含水带水力联系不密切；但与浅部含水带沟通，补给条件良好。在ZK82孔、ZK83孔附近距主矿体仅39m。曾导致2006年6月3日在标高-430m中段主溜井巷道发生左帮突水事故。综上所述，发育在奥陶系灰岩中的浅部含水带和几条断层、构造破碎含水带将是矿床充水的主要含水层，其中断层与构造破碎含水带又起着连通外围含水层与输导地下水的作用，对矿坑涌（突）水量大小有着直接的影响。4 4.矿区水害形成机理及治理可行性分析4.1矿坑排水现状及排水量4.1.1矿坑排水现状矿坑排水目前分为-480m和-430m两级。-480m巷道中的水利用两种型号水泵外排：一种水泵型号为10sh-6a、扬程54m、出水量为468m3/h，功率110kw的电机四台，经Ф377mm管道排至-430m的水仓；另一种水泵型号为d46-50×12，扬程600m，出水量46m3/h，使用功率132kw电机一台，经Ф377mm管道直接排至地面。-430m水仓中的水使用型号d450-60×9、扬程540m、出水量450m3/h的水泵，功率1050kw的电机六台，经两条Ф377mm的管道排至地面。矿坑总排水能力为46+450×6=2746m3/h。矿坑平均排水量：2006年为1485m3/h，2007年为1130m3/h，由于2006年12月到2008年6月份期间，在矿区西部施工了部分注浆钻孔对F3等断层进行了封堵，2008年的矿坑排水量减少为867m3/h。目前由于矿区新增加了-300m的开采工作面，又导致涌入矿坑中的地下水量增多，排水量增加为1310m3/h。2006—2008年期间，矿坑最大排水量为1780m3/h（2006年6月份）。4.1.2矿坑排水量与降水量的关系由于矿区充水含水层的开放性较好，并且地下水以大气降水为主要补给来源，因此矿坑排水量大小随着季节或不同时期降水量的不同而变化，降水量大的季节或时段，含水层中的地下水位高、静水压力大，进入矿坑中的地下水量也就多，相应需要排出来的水量也就大，反之则小。另外，由于地下水在含水层中的运动速度比较缓慢，一般情况下，矿坑排水量最大的月份会比最大降水量出现的月份滞后4 1—2个月的时间。见图4—1。图4—1矿坑排水量与大气降水量关系对比柱状图4.2矿区水害形成机理4.2.1矿坑突水概况吴庄铁矿自建井开采以来，坑道中出现过大量突水点，但水量较大的突水点主要有三处。分述如下：第一处突水点：出现在奥陶系灰岩与蚀变花岗闪长斑岩的接触带。2006年6月3日在标高-430m的中段主溜井巷道左帮突水，并往前进方向喷水；开始时出水量约2m3/h，随着坑道继续向南掘进，水量不断增加。从该突水点向东到北西向含水带距离约42m，而北西向含水带在标高-453m处发育有溶洞，随着时间的延长，在高压水头的作用下，蚀变花岗闪长斑岩逐渐被冲刷、潜蚀淘空出了一条突水通道，突水量达到780m3/h，而且涌水时还携带出了大量的肉红色花岗斑岩砂粒及棕红色岩溶裂隙充填物。经过水位观测，该突水点与南西方向相距1100m的ZK39孔水力联系密切。在井下对突水点实施封堵关闭后，经过22hZK39孔中的地下水水位就由埋深98m上升至埋深10m，累计上升了88m。但其间4 的导水通道至今一直未能查清。第二处突水点：位于奥陶系灰岩中，在标高-380m的水平东二巷。巷道北侧6m处即为F3断层含水带，此含水带在标高-370m至-375m段发育有一处直径5m的溶洞，岩溶水从溶洞顺灰岩层间裂隙涌入巷道，突水量80m3/h。发生突水后涌出的水量一直比较稳定，岩溶水从矿体上方不断流出。经过水位观测，出水点与西部相距620m的ZK29孔水位联系密切，该孔在标高-207.00m至-208.20m处见有1.2m的溶洞。后来推测突水点地下水可能来自西部的F5断层带。除此之外，在标高-380m的Ⅳ号矿体中，施工外环水平探水孔时，进尺30m处也遇到溶洞发生突水，开始时涌水量200～300m3/h，在强大的高压水头作用下，钻具从孔内冲出20多m远，并造成伤人事故，但在突水2h后出水量逐渐减小，最后断流。第三处突水点：发生于奥陶系灰岩中，在标高-330m的中段西大巷。该点南侧距F1断层含水带15～20m，北侧距F3断层含水带40多m。在巷道东侧打天井时揭露，开始出水量100m3/h，2天后出水量增至180m3/h。经勘查突水水源来自于西侧的F3断层含水带，该带内部岩石破碎、溶蚀裂隙、溶洞均较发育，富水性强；由于矿坑长期排水，断层带中的充填物、松软胶结物和碎石岩块，在地下水的冲刷、潜蚀下不断流失，加之施工机械的震动，岩溶裂隙逐渐被冲开，使其中的地下水流入矿井巷道中，造成突水。4.2.2矿坑突水类型及其预测吴庄铁矿矿坑突水预计主要存在钻孔突水、裂隙溶洞突水、断层与构造破碎带突水、接触带突水四种类型，在局部地段亦可能存在复合类型。现将未来开采可能造成矿坑突水的情况初步进行预测，以便今后采矿时加以防范。4 4.2.2.1钻孔突水矿区勘探期间对封孔质量没有进行严格检查，在用水泵将水泥浆压入孔内过程中，部分或全部水泥可能在灰岩裂隙溶洞中流失掉，有的封孔前孔壁洗井不干净，这些都将影响封孔质量。除此之外，对没有见矿的钻孔及保留的水位长期观测孔均未进行封孔。主矿体范围内的长期观测孔有：ZK9孔、ZK32孔、ZK31孔、ZK33孔、ZK11孔、ZK72孔、ZK23孔、ZK83孔、ZK101孔，共计9个孔。尤其是用粘土和报废岩心封堵的部分见矿钻孔隔水效果就更差。见表4—1。因此，在上述情况下封堵的钻孔及未封的钻孔，均存在引发突水的可能性，应加以防范或提前进行处理。表4—1以往部分钻孔封孔质量表孔号矿埋深（m）坐标封孔情况起至ZK11394.48401.69x=3826605.91y=50534237.16废岩心封孔ZK13436.48436.81x=3826425.17y=50534252.17未封孔ZK58289.60294.99x=3826605.46y=50534692.72160m以下未封孔ZK16525.85526.32x=3826685.65y=50534002.41粘土封孔ZK117544.23544.56x=3827012.49y=50533799.25粘土封孔4.2.2.2裂隙溶洞突水吴庄矿床奥陶系灰岩裂隙岩溶较发育，尤其是在构造带中更为发育，一般发育标高在-100m至-500m之间。这些裂隙溶洞均位于地下水面以下，储水量大，连通性好。如F3断层含水带中的电2孔抽水时，刚一开始，相距1800m的ZK31孔（位于矿床内）水位就开始下降，呈现出管道式的压力传递方式；又如位于F1断层含水带中的ZK112孔施工时，由于送入大量的循环水，而影响到相距150m的ZK72孔水位上升0.14m。4 裂隙溶洞充水突发时间短、来势猛、突水量大，对矿床开采安全具有巨大威胁。相邻的利国矿区峒山四坑-90m中段，在Ⅱ号矿体中施工运输巷道时，由于放炮震动产生的裂隙连通了导水断层，断层又连接一个充满几百立方米地下水的大溶洞，造成瞬间大量突水，突水量达3362.55m3/h，是矿床正常开采出水流量的5倍。吴庄矿区F3断层含水带中的溶洞发育比较多，而充填物少或无，大多为空腹溶洞，且规模较大。据以往钻孔资料统计，ZK122孔中的溶洞高度10.58m，ZK126孔中的多处溶洞累计高度大于137m；在其它地段也有多处直径大于1m的溶洞发育。这些溶洞大多与断层含水带相互连通，含水量丰富，对矿床开采存在着很大的安全隐患，需要引起足够重视，并采取相应措施加以防范。现将吴庄矿区已探明的各含水带中比较大的溶洞列于表4—2中。表4—2勘探钻孔见溶洞统计表含水带勘探线号孔号见溶洞孔深（m）充填情况起至高度总高度F30ZK25400.49401.340.851.29无充填403.0040.3.640.641ZK33298.25299.331.081.08棕红色粘土6ZK86417.66418.661.001.35棕红色粘土419.31419.660.3512ZK122420.11428.898.7810.58充填差475.93477.731.8016ZK126221.00221.900.90>137.44无充填282.98419.52>136.54F12ZK35345.55346.060.514.04棕黄色粘土346.90347.901.00373.15374.181.03410.80412.301.503ZK57325.80326.720.920.92无充填北东1ZK77297.13298.281.151.35无充填298.58298.780.20北西4ZK101422.00423.001.001.90无充填431.60432.300.70446.27446.470.20ZK60440.19445.90>5.71估计>400两次处理事故掉钻杆800多m4 4.2.2.3断层与构造破碎带突水吴庄矿区奥陶系灰岩裂隙岩溶集中发育深度在14.21～78.79m之间，平均厚度52.57m；超过此深度，灰岩裂隙岩溶发育及富水性则主要受构造控制。在规模较大的断层带与构造破碎带，灰岩裂隙岩溶的发育深度可达到500m以下，并且富水性强，连通性好；而在构造影响带以外，深部灰岩裂隙岩溶的发育程度极差，且富水性也很弱。因此，矿床开采时，一旦揭露主要断层带或者构造破碎带，地下水就会在巨大水头压力的作用下大量涌入矿坑中，产生突水事故。根据吴庄矿区断层与构造带的分布状况，可能造成矿坑突水的主要有F3、F1断层及北东向、北西向构造破碎带。F3断层带在吴庄—苏庄一带及义和庄东部切割矿体。其在矿床区的分布位置：ZK74孔处标高-490～-512m，ZK44孔北侧标高-500m，ZK39孔处标高-378m，ZK96孔处标高-300m；该断层带经过矿床区或切割矿体的长度较大，距矿体最近处仅27m，并与浅部奥灰含水带沟通，对矿床开采的威胁较大，尤其是在切割矿体的地段以及ZK96孔附近应是矿床开采过程中需要重点防范的突水位置。F1断层带在ZK72孔—ZK45孔一线从矿体上部经过，部分地段下部接触矿体。该断层带与浅部奥灰含水带沟通，并在东部与北东向构造破碎带相连，富水性较强。在与矿体接触的地段地下水可直接涌入矿体中去，是需要重点防范的突水部位。北东向构造破碎带在ZK84孔处接触矿体，北西向构造破碎带在ZK83孔处距离矿体仅39m，并且与均浅部奥灰含水带沟通，富水性较强，均具有较大的突水威胁，与矿体接触段以及与矿体距离比较近的地段突水危险性较大，是加强突水防范的重点区段。4 4.2.2.4接触带突水本矿床接触带突水主要指围岩蚀变带中富存的地下水涌入矿坑中。吴庄铁矿属于接触交代型矿床，矿体周围的碳酸盐岩裂隙岩溶发育，富水性较强。根据以往勘探资料，矿体下部的围岩裂隙岩溶发育相对较好，厚度几十cm至几m，局部甚至达20m；顶板围岩裂隙岩溶发育相对较弱，厚度一般不超过1m。由于其与矿体直接接触，在开采过程中被揭露或通过裂隙连通时，极易产生突水事故，应在开采时留设防水矿柱加以防范。4.2.3矿坑突水机理分析4.2.3.1突水水源吴庄矿区分布着较大面积的奥陶系灰岩，由于其裂隙岩溶发育具有显著的不均一性特征，因此其中地下水的储存也存在着明显的差异。据前述，矿区岩溶地下水主要储存于奥陶系灰岩浅部含水带、F1、F3断层含水带及北东向、北西向构造破碎含水带中。灰岩浅部含水带埋藏较浅，开放性好，可直接接受降水与地表水体的渗入补给；断层带和构造带岩石破碎、胶结疏松，在地下水的长期循环运移过程中，不断被溶蚀、侵蚀，形成了许多大小不等的溶洞、溶隙，为地下水提供了良好的储存空间；这些含水带裂隙岩溶发育，富水性中等或强，储存有丰富的地下水，为矿床开采过程中矿坑突水提供了大量水源。4.2.3.2突水途径吴庄矿区矿坑突水途径主要为接触或切割矿体的几条富含地下水的断层与构造带。它们虽生成时间不同，有成矿前后之别，但均具有不同程度的继承性和复活性特点，并使地层形成阶梯状下降，构造带拓宽，旁侧岩石破碎严重，小错动发育。其内部不但4 储存有丰富的地下水，而且多数相互连通，其中大部分还直接与矿体接触，为地下水流入矿坑提供了导水通道。在矿床开采过程中，巷道若临近或穿过这些断层或构造含水带时，就有可能会发生突水事故。4.2.3.3突水影响因素矿坑突水的影响因素主要有三个方面：一是充水含水层中的水量大小，二是突水通道导水能力及其与外部含水层的水力联系，三是地下水的压力水头。矿坑最为主要的充水含水层为矿区分布的几条含水带，前已述及它们均含水丰富、接受补给的能力较强，单靠排水的方式将突入矿坑中的水体疏干十分困难。矿区分布的几条含水带有的与矿体直接接触，有的则在部分地段相互连通；尤其是F1、F3断层及北东、北西向构造带，长期以来一直是矿区地下水汇集、储存的主要场所及循环运移的主要通道，具有较强的导水性能；特别是F1与F3断层又在矿区西部与规模较大的区域性张性断层F20连通，使矿区南部、西部的地下水可以间接地进入矿坑，增大矿坑突水量。含水层、带中地下水的压力水头高度也是触发矿坑突水的重要因素。吴庄矿床开采深度在-300m—-480m之间，而正常情况下的地下水水位标高在30—40m之间，从矿床开采层位到地下水面之间存在着330—520m水位差。而矿体附近的围岩受岩浆侵入作用的影响，产生蚀变而且裂隙发育，强度大为降低；当开采巷道或撑子面靠近渗透性、富水性好的含水层、带时，采空区坑道壁、尤其是蚀变严重及裂隙发育密度大的软弱部位，则会在巨大水压的作用下产生破裂，导致含水层、带中的地下水涌入巷道，发生突水事故。4 4.3矿区水害治理可行性分析4.3.1岩溶水疏降可行性评价采用我国类似矿区矿坑疏水系数的经验公式进行评价。计算公式为：S0=（4—1）式中：S0——矿坑疏水系数；S——计算水位降深值（m）；Q——矿坑疏干排水量（m³/d）。矿区疏降可行性的判别标准如下：S0>10补给较弱，易疏干；3