江西乌石山矿区水文地质特征及矿坑充水因素分析.pdf

2023年6 月第43卷第2 期四川地质学报Vol.43No.2Jun.,2023江西乌石山矿区水文地质特征及矿坑充水因素分析胡军（新余钢铁集团有限公司乌石山矿，江西吉安343411）摘要：本文在大量收集和总结前人研究成果、资料和经验基础上，采用矿区井上井下综合水文地质调查与相关勘察工程手段相结合的手段、方法，利用公司现有技术装备和专业技术力量，以及第三方研究机构的合作，加强了对矿区含水层类型划分、地下水运动规律、涌水量预测与充水因素的综合研究。基本查明了地下含水层的分布规律和赋存状态，以及矿山井下开采活动与含水层水力联系、水体运动关系、相互影响关系，并为矿山安全生产提供科学依据和参考。关键词：水文地质；含水层类型；运动规律；涌水量；充水因素；安全生产中图分类号：P641.4DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.02.014江西乌石山铁矿区位于永新县文竹镇、高溪乡，高溪河从南向北流经矿区。矿区岩溶较发育，生产区有分布。井下开采破坏直接顶板或断层带，采空区与间接顶板含水岩层接触，矿井与地下水联系；矿坑涌水量大，溶洞水流失，地面塌陷事故发生。本文旨在总结经验规律，为矿山水防治和安全生产提供参考。1矿区地质概况调查区跨湘赣永新、莲花两县，面积2 2 3km。南部为狭窄石市盆地，北部为东西向延伸开阔禾水盆地。地理坐标：东经11357 3511358 59，北纬2 6 52 10 2 6 58 19。乌石山矿区位于两盆地衔接部位；盆地由石炭-二叠系及白垩系碳酸盐、碎屑岩组成剥蚀一堆积岗埠地形，海拔150 200m；盆周由泥盆系及奥陶系碎屑岩组成侵蚀-构造中低山地形，海拔50 0 8 0 0 m，切割较强烈。乌石山铁矿区处于华南褶皱系、赣西南坳陷、井冈山-陈山隆断束中部，北邻萍乡-广丰深大断裂，南为武功山-永新复向斜。高溪河最大流量2 3.2 7 m/s，最高水位标高147.8 0 3m，最小流量0.0 7 m/s，最低水位标高147.0 9 3m，一般流量0.6 2.7 m/s。琴水河从莲花县流入，流量比高溪河大。降雨为地下水主要补给来源。岩溶发育可分两期：第一期前白垩纪；第二期第三纪-现代。第一期岩溶发育强度大，确定矿区岩溶发育基本轮廓（汤雪平，2 0 18)。2矿床地质特征2.1矿层顶、底板特征矿区上、下矿层标志明显，矿石特征和层间距见表1。文献标识码：A矿层直接顶板为绿泥石砂岩，局部递变为粉砂岩，一般厚0.4m，间接顶板为灰黑色细粉砂岩夹泥岩及条带上矿状细砂岩，含赤铁菱铁质结核或透层镜体，产大量腕足类化石。底板（即上、下矿层夹层）为绿泥石砂岩夹薄层粉砂岩及砂岩，局部全为绿泥石砂岩。顶板同上述（即上、下矿夹层）。直接底板为绿泥石砂岩，局部含铁下矿质或铁质团块。层间接底板为浅灰色细粒石英砂岩夹1层深灰色含白云母粗粉砂岩。文章编号：10 0 6-0 9 9 5（2 0 2 3）0 2-0 2 7 9-0 5表1矿层特征对比表对比依据顶底板特征矿石特征赭红色，含绿泥石状赤铁矿，赤铁矿8 5%9 5%，硬绿泥石1%5%，石英碎屑微量，节理发育，性脆易碎。当矿石递变为粉砂质状赤铁矿时，赤铁矿以胶结物出现较多，石英碎屑变大，绿泥石增多，矿石较松散。暗红色，绿泥石状赤铁矿，赤铁矿7 0%8 0%，硬绿泥石10%15%，石英碎屑少量，节理不发育，较致密坚硬。当矿石递变为粉砂质状赤铁矿时，赤铁矿呈条带状或团块状出现，石英碎屑细小，绿泥石少见，矿石致密坚硬。层间距上、下矿层间距0.14 9.71m,平均2.7 7 m,一般为2.5m收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 9作者简介：胡军（19 8 9 一），男，江西武宁人，工程师，从事地质调查与技术管理工作279江西乌石山矿区水文地质特征及矿坑充水因素分析2.2矿层褶皱形态特征（1）褶皱同斜。各背、向斜的轴向近东西，以2 535角由东向西倾伏，轴面倾向南，一般倾角6 5左右。（2）两翼倾角悬殊。向斜北翼平缓，局部有波状起伏，倾角2 5 35；南翼倒转，倒转角6 57 5，扭带南、牛马山向斜陡立。（3)褶皱较紧密到紧密，常伴有2 3个次级紧密褶皱。3矿床开采方案立面采用从上至下开采顺序，中段上采用从远矿体一端向另一端后退式回采或由矿体两端到中央的后退式回采。相邻矿体先采上层，再采下层。采用浅孔房柱法开采，局部急倾斜矿体采用留矿法；对采场采取锚喷支护，对采空区进行充填。4矿区水文地质条件4.1矿区分布九个含水层(Wi-9)乌石山铁矿区水文地质平面图如图1。冲积、洪冲积、坡洪积及残坡积划分为第一、二含水层：（1）第一含水层（Wi）：冲积及洪冲积（Q-Q）含水层；高溪河I、I 级阶地及河漫滩组成，流量0.0 5 0.1L/s，埋深0.8 8 2.31m，水质HCO3-S04-Ca-Mg型淡水，pH=7.4，平时补给河流，洪水期河流反补。（2）第二含水层（W）：坡洪积、残坡积（Ql-Q）含水层；山间洼谷及冲沟内棕黄色及灰褐色碎石亚粘土、亚粘土碎石-砾石层厚2 2 4m。弱孔隙潜水，流量0.0 30.0 5L/s，动态不稳定，接受基岩裂隙水补给。（3）第三含水层石炭系大节湖组含水层（W，），按岩溶发育程度将大节湖组含水层分为两部分：零星出露于雷公冲、煤炭冲及乌石村向斜6 9 线一带，10 线以西隐伏于白垩系下，钻孔控制最大深度339 m（WCK 40 2）。大节湖组上部及底部泥质较高，上部及底部层位岩溶发育极微弱。沿F6、F30、龙山背斜轴、F21构成了四条溶洞发育带。规模最大F6到F30间（7 线至10 线），面积0.14km，揭露大节湖组33个钻孔总厚17 17.54m，9 个见溶洞累计高55.7 1m，溶洞直线率3.2 44%，构成岩溶强发育带。麻石岭背斜以南2.0 km，钻孔12 0 个揭露厚14153.6 m，15个见溶洞累计高47.8 1m，溶洞直线率0.338%。溶洞发育深度在地表下50 6 0 m。充填-半充填型，充填绛紫、灰黑及棕黄色淤泥夹白云岩碎块，部280乌石山矿区铁矿矿区水文地质平面图比例尺1：40 0 0图例图1乌石山铁矿区水文地质平面图2023年6 月第43卷第2 期分见灰华。白垩系覆盖下+10 0 m或+130 m标高以下古风化壳部分，为含微弱-较强溶洞溶孔-裂隙水。分布在雷公冲、煤炭冲向斜西部倾伏端（6 12 线），乌石山背斜以南(7 11线)、F21断层以北1314线狭长条带。南部边缘F6断层北侧附近，透水性好，q=1.741.82L/sm,K=13.6025.07m/d。水质HCO3-Ca-Mg及SO4-HCO3-Ca-Mg型，矿化度0.2 0.7 g/L。水位变化（图2）。（4第四含水层风化壳含水层（W4）：矿区西部石市向斜盆地11线以西,大节湖组、梓门桥-测水段及中上石炭系壶天群古剥蚀面形成古风化壳。为微弱的岩溶-裂隙承压含水层。水质SO4-Ca-Mg-Na及SO4-Na-Ca-Mg 型,矿化度2 4.4g/L。隐伏于底板下大节湖组中厚3.0 8 6 6.8 3m硬石膏层。（5）第五含水层荒唐一翻下段（Ws）：构成矿层直接顶板粗细粉砂岩、细砂岩夹泥岩，厚7 114m，一般40 m，向西方向厚度变薄。泉水多为风化带裂隙潜水下降泉，流量0.0 30.3L/s，不稳定。风化带以下含微弱裂隙承压水，CK51抽水：q=0.00604L/sm，K=0.0 0 433m/d。水质属SO4-HCO3-K+Na-Ca型或SO4-Ca-Mg 型。（6）第六含水层井冲段（W。）：出露矿区斜核部及两翼，构成铁矿层直接底板。浅灰、灰白色中厚层状石英砂岩厚10 6 0 m。属微弱裂隙承压含水层。水质属HCO3-Ca-Mg型。其下为强冲段（D3x）隔水层：出露于13线以东麻石岭背斜、乌石山背斜核部。灰、浅灰色薄层状泥质灰岩夹薄层灰岩、白云质灰岩，浅灰色中-薄层状钙质细砂岩夹灰色薄层状钙质粉砂岩。厚18 7 2 m。（7）第七含水层余田桥组（W）：出露于麻石岭背斜核部，组成矿区东面中山。岩性为石英砂岩夹粉砂岩，厚15 0 m。属微弱裂隙承压水含水层。水质属HCO3-SO4-K+Na-Mg型。（8）第八含水层棋子桥组（W：）：出露于矿区东部卸坪-高溪一带，南部边逆掩在大节湖组及上泥盆系锡矿山组及余田桥组上（F6断层）。中厚层状泥质白云岩、硅质白云岩夹砂岩粉砂岩厚2 6 0 m左右。岩溶发育微弱，为微弱岩溶-裂隙承压含水层。水质属SO4-HCO3-Ca-Mg型，矿化度M=0.78g/L。（9）第九含水层中泥盆系跳马涧组（W。）：出露于矿区西北端及南东端高溪村东侧，粉砂岩、砂砾岩厚2 0 0 m，为裂隙含水层，泉水流量0.2 0.5 L/s。4.2构造带水文地质特征矿区较大断层有F6、F30、F2 1、F111等，沟通矿层与顶板第三含水层，对矿坑充水具有意义。（1）F6 逆断层：断层带宽度2.5 0 2 0.0 0 m，钻孔揭露断层带，水位及冲洗液消耗量均无异常反映，个别水9、ZK916具漏水现象。在紧靠断层水7 孔抽（浅层大节湖组）水，对断层带及棋子桥组无影响，F6构成矿区南缘的隔水边界。（2）F30 逆断层：断层带宽0.15 5.42 m，q=0.0 0 0 2 7 8 L/s m，K=0.0 0 32 2 3m/d。水位降低44.9 2 m。距主孔45 mZK914水位未受影响。（3）F2 1正断层：断层带宽1.2 8.0 0 m，成断层带岩芯破碎，裂隙发育、简易水文一般无反映。（4）F111正断层：CK90钻孔见4.0 9 m断层带灰白色砂岩角砾。综上所述，断层富水性和导水性微弱。4.3含水层的水力联系（1）第一含水层-冲积层（Wi）与第三含水层-大节湖组（W3）矿区南部乌石村向斜、蒜田屋单翼及北部郭岭村14线附近，第四系冲积层覆盖大节湖组，以大节湖组溶洞口发生水力联系。水7 孔第三含水层抽水，南西方向8 0 m处第一含水层观测孔（水7 孔）无影响，281四川地质学报高溪河ZK9090.94Kznn一1高水位线一2 低水位线Vol.43No.2 Jun.,2023ZK807ZK9063.761.57QalWW3Gy+d图2 浅部大节湖组（W）地下水位变化幅度示意图W22+160+140江西乌石山矿区水文地质特征及矿坑充水因素分析北西方向145 m农田里产生一个直径4m塌陷坑。ZK906第三含水层抽水也有以上现象。第三含水层枯期补给第一含水层，洪期反补给。（2）第三含水层-浅部大节湖组（W，）与第四含水层-古风化壳含水层（W4)两者衔接部位属渐变关系，地下水循环、含水性具明显差异（见图3）。地下水动态曲线分析，第三含水层与气候关系甚为密切，第四含水层滞后3 4个月(WCK131)。W C K 0 11（第四含水层）抽水，水位降低436.9 m，距主孔18 7 m的ZK1011（第三含水层）观测孔水位降低0.0 2 m，降落漏斗水力坡度达2 3%；两者间水力联系微弱。（3）第一含水层（Wi）-高溪河水降雨时河水位上涨补给两岸第一含水层（W.），雨季后河水位下降，冲积层水补给河流。5矿坑充水因素分析乌石山铁矿自19 9 5 年建成投产，未发生矿坑涌水，透水事故。据矿坑排水资料，排水量最大月分于每年47 月，占全年5 5.35%，表明地下水与地表水联系密切。（1）地表水。地表水在雨季河溪水位高，河溪水补给潜水，枯季潜水渗出补给地表水。（2）露采矿坑水。浅部露采矿体分布在+18 0 m标高以上，矿坑雨季可形成大量积水下渗，是浅部坑道重要充水因素。（3）基岩裂隙水中泥盆系棋子桥组含水层，出露在矿区南部低洼处，有利于降水向下渗透，是矿坑水的主要补给来源。上泥盆系锡矿山组井冲段，构成铁矿层直接底板，属微弱裂隙承压含水层，为矿井开拓坑道揭穿对象，是坑道充水直接来源之一。上泥盆锡矿山组荒塘-翻下段，翻下段为赋矿层位，铁矿层直接顶板，为生产采矿坑揭穿对象，是矿坑充水直接来源。（4）断层水。F6、F30、F2 1、F111沟通矿层与其顶板、上泥盆荒塘-翻下段及下石炭大节湖组地层，断层带单位涌水量0.0 0 0 2 0 6 0.0 0 0 2 7 8 L/sm，渗透系数0.0 0 2 1 0.0 0 32 2 3m/d，断层水富水性微弱，不致构成对矿坑充水重大威胁。（5）岩溶水。矿区矿层间接顶板大节湖组-第三含水层下部是形成岩溶地层，为矿坑充水主要来源。白云岩、白云质灰岩等表面见溶蚀蜂窝状溶孔，溶槽，充填或半充填状态，充填，生产坑道没发现涌水或漏水现象，未形成喀斯特含水带（陈荔荔等，2 0 17）。南部边缘F6断层北侧7 10 线间，面积0.14km，岩溶发育，含水性较强，通过第四系冲积层接接受高溪河河水补给，采矿顶板塌陷导致该层地下水或河水涌向矿坑，对矿床开采造成威胁。（6）地下水对矿坑补给、泾流、排泄。矿区位于侵蚀基准面以上，可自然排水；侵蚀基准面下矿层间接顶板大节湖组含水性较弱，矿区南部边缘含水性较强，顶板间接充水，水文地质条件为中等类型。6矿坑涌水量由于乌石山铁矿开采时间较长，在+12 0 m标高涌水量雨季时平均涌水量为12 5 7.5 m/d，平时涌水量282HCO-Ca-MgZK901SO,-HCO-Ca-MgCiy+dlWHCO87MO.7MO.24Ca61Mg37注：1、钻孔涂黑段为抽水取水样段2、M为矿化度单位克/升图3浅部大节湖组（W，）与古风化壳（W4）分布及水质关系示意图SOa-Ca-Mg-NaM=0.2-0.7SOA-Na-Ca-MgZK水7WCK水0 3S091M2.19Ca49Mg30Na19SO*51HCO47WCa68Mg26Giy+dlM=2-44K2nS094M4.36N62Ca23Mg15WCK306W4.+10002023年6 月第43卷第2 期平均约为6 7 6.13m/d；雨季时最大涌水量为16 5 0 m/d，平时涌水量最大8 47 m/d。使用比拟法（杜敏铭等，2 0 0 9）计算矿坑涌水量结果见表1、表2。Q计算（雨季）水平mld0m1257.5计算Q（雨季)Q。(平时)水平mld0m14307结论（1）矿区水文地质条件比较简单，蒜田屋单翼7 10 线间较复杂，岩溶发育，含水性较强，距高溪河较近，开采顶板塌陷可能沟通大节湖组灰岩岩溶-裂隙水、第四系孔隙水及高溪河河水涌向矿坑。（2）矿层间接顶板大节湖组灰岩为微弱岩溶-裂隙承压含水层;矿区南部边缘F6断层北侧浅层大节湖组含水层（W）富水性较强，水7 孔抽水降深5.7 8 m，Q=f(s)为抛物线型，最大推断降深12 m，涌水量达15 0 0 m/d，长期抽排地下水会引起附近农田塌陷。（3）经9 层钻孔抽水试验，对大节湖组含水层（包括古风化壳含水层）岩性、埋藏条件、岩溶发育程度及变化规律，按浅部、深部、构造带附近、岩溶发育地段、岩溶不发育地段做出评价，查明其与棋子桥组、壶天群、第四系冲积层及高溪河的水力联系。（4）查明矿层顶底板荒唐-翻下段、井冲段的碎屑岩层、棋子桥组、F6断层及第四系冲积层的含水性。参考文献：汤雪平2 0 18.湖南省衡南县谭子山矿区探山岭矿段水文地质特征及矿床充水因素分析 J世界有色金属，（2 2：2 9 1-2 9 2.陈荔荔，朱建刚，薛涛，刘明明2 0 17 凤阳山矿区水文地质特征及充水因素分析 J世界有色金属，（0 2)：2 2 1+2 2 3.杜敏铭，邓英尔，许模。2 0 0 9.矿井涌水量预测方法综述 J四川地质学报，2 9（0 1）：7 0-7 3.四川地质学报表1矿坑涌水量（平均值）计算结果表Q0Fo（平时）md676.13192000表2 矿坑涌水量（最大值）计算结果表F。Somldmm847192000Vol.43No.2 Jun.,2023SoF=T(R+Ro)2mm52307327.88F=T(R+Ro)2m52307327.88Ro=VE元m302.85ERo=V元m302.85Sm172Sm172雨季涌水量Qmld3659.22雨季涌水量Qmld4162.93平时涌水量Qmld1967.48平时涌水量Qmld2465.73Hydrogeological Characteristics and Water-filling Factor Analysisof Wusishan Mining Area in Jiangxi ProvinceHU Jun(Wushan Mine of Xinyu Iron&Steel Group Co.LTD.,Ji an,Jiangxi 343411)Abstract:Based on a large amount of collection and summary of previous research results,data andexperience,this paper adopts the means and methods of combining the comprehensive hydrogeological surveyon the mine shaft and the relevant prospecting engineering means,and utilizes the companys existingtechnology and equipment and professional skill,as well as the cooperation of third-party research institutions.The comprehensive research of aquifer type division,groundwater movement rule,water inflow prediction andwater filling factors in mining area is strengthened.The distribution law and occurrence state of undergroundaquifers,as well as the hydraulic relation,water movement relation and mutual influence relation betweenunderground mining activities and aquifers,are basically identified,and provide scientific basis and referencefor mine safety production.Key words:hydrogeology;aquifer type;motion law;water inflow;water filling factor;safe production283