马鞭山铁矿水文地质特征及防治水对策

高 超，郭波波

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；2.铜陵化学工业集团新桥矿业有限公司，安徽铜陵市 244000)

马鞭山铁矿水文地质特征及防治水对策

高 超1，郭波波2

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；2.铜陵化学工业集团新桥矿业有限公司，安徽铜陵市 244000)

马鞭山铁矿位于断裂构造发育的庐枞火山岩盆地，由于对水文地质研究不足，在井建过程中发生数次淹井。利用地面物探和淹井后抽水观测等资料，进行了水文地质特征研究。研究表明，该矿床为复杂的构造裂隙充水矿床，富水性受构造控制，沿构造发育，具有强烈的方向性和空间分布不均匀性特点。矿坑排水系统形成后西部、东部之地下水将通过导水构造(破碎带)向采场(巷道)汇集，矿区构造破碎带为主要充水通道，并且水压高，在地下水静储量未疏排前，最易引发突水淹井事故。因此，提出了以疏为主，疏堵结合的防治水总体方案。

水文地质特征；构造破碎带；充水通道；防治水；马鞍山铁矿

0 前 言

马鞭山铁矿位于安徽省庐江县龙桥镇，西与龙桥铁矿毗邻，东北邻近黄屯硫铁矿。地处江淮丘陵南部，海拔一般为＋20～＋60 m。最高峰为西南角的小头山，海拔＋116.7 m，相对高度差为10～30 m。矿区地势具有中、北部偏低，其余三面偏高之特点。南部与低山丘陵连接，西与龙桥铁矿毗邻，东、南部为岗地，北部与冲积平原连接，矿区地势高低不平，呈波状起伏，最低处临近阶地标高为＋9.0 m，为矿区侵蚀基准面。

矿床位于中生代庐枞火山岩盆地的东北部边缘，矿体赋存于盖层火山岩系与基底沉积地层接合部位的基底地层中，埋深450～828.56 m，属层控沉积～热液叠加改造型矿床即矽卡岩型矿床。主铁矿体赋存于中侏罗统罗岭组上段第三层上部碳酸盐岩向铁、钙质泥质粉砂岩过渡的相变带中，纹层状泥质粉砂岩是其底板标志。矿体形态简单，呈层状、似层状，产状平缓，微向北倾，层位明显，规模中型。

由于对水文地质研究不足，在建井过程中主井、副井被淹，停工待治理，措施井、风井基本开拓工程属初期，尚未进行到采准阶段就陆续发生淹井事故。前期资料初步定为矿床水文条件中等偏复杂。因此，为推进矿山安全建设，避免生产设计和施工的盲目性，根据矿山设计、建设及实际需要，展开了全面深入的水文地质特征研究。

1 矿区水文地质特征

1.1 矿区及周边主要大型地表水体

矿区范围内无大的地表水体。但矿区外围周边地表水系发育，东临朱冲沟、黄屯河水系(最近处距矿体约325 m)，其中黄屯河河床海拔标高＋6～＋10 m，宽10～30 m，流量随季节性变化大，河水流向东北注入西河、裕溪河进长江，水量丰富；南近矾山河(最近处距矿体约600 m，自西向东流入黄屯河)，水量较丰富；矿区西北侧的龙桥铁矿尾矿库，水量亦较丰富；北有姚岗河流入距矿区稍远的马山河等。

1.2 矿区主要含(隔)水层特征

1.2.1 主要含水层

(1)松散岩类孔隙含水岩组。由第四系全新统坡残积、洪积成因的粘土、粘性土组成，普遍夹有碎石。分布于矿床的北部平坦地带和山间谷地，含孔隙潜水，水量微弱，泉流量0.014 L/s。分布于黄屯、矾山、马山河两侧及山间谷地的覆盖层，具二元结构，上部粘性土含水性较差，下部砂性土，含孔隙潜水，泉流量0.125～0.815 L/s，水量丰富。

(2)火山碎屑岩、熔岩类孔洞-裂隙含水岩组。主要由粗安岩、凝灰岩、凝灰质粉砂岩组成，厚度大、分布广，呈北西-南东向展布，为矿床直接顶板。该岩组岩心破碎，孔洞、裂隙发育，厚60～200 m，洞径0.2～0.5 cm。钻孔普遍漏水。钻孔单位涌水量

0.15～2.04 L/s·m，渗透系数0.23～1.3 m/d，为矿区内主要富水岩层。

(3)碎屑岩、碳酸盐岩类岩溶-裂隙含水岩组。主要由泥质粉砂岩、灰岩、磁铁矿体等组成，厚度1.25～118.00 m，地表出露于矿区北西角。该层是本矿床的含矿层位，岩心断续破碎，呈块状、碎块状及粉砂状。孔洞断续分布，一般呈串珠状；洞径在0.2～0.5 cm之间，局部呈蜂窝状，洞径达2.0 cm以上。单位涌水量为0.031～1.49 L/s.m；渗透系数为0.07～0.42 m/d。为矿区内相对富水岩层。

以上各含水层组之间没有明显的隔水层、段。

1.2.2 矿区相对隔水层

岩浆岩类裂隙含水岩组。由正长岩和石英正长岩组成，埋藏深度465.26～802.59 m，该层渗透性很弱，水量贫乏，构成本矿床矿体底板之下的相对隔水层位。

1.3 矿区主要断裂构造、富水性及对采矿的影响

矿区内断裂构造发育，密集分布、纵横交错，已发现的矿区内主要断裂构造特征如下。

1.3.1 北西向断层

包括走向 315°～330°的断层，矿区内有 F8、F13、F20、F21、F22、F23、F24、F25、F26、F27等10条断层。

F8断层：走向315°～330°，倾向北东，倾角75°～85°，本区延伸长度1160 m，JZK3孔在孔深204.3～227.86 m，揭露到该断裂带，裂隙发育，岩心破碎，断续发育有空洞和裂隙，冲洗液漏失明显。富水不均，上部因龙桥矿采矿生产排水所致并不含水，下部富水程度弱～中等。

F13断层：走向 315°～330°，倾向东南，倾角75°～85°，长度大于800 m，宽约40 m，物探具明显的低阻正交点异常，推测为富水断层。

F20断层：区内的重点构造之一，长度大于1460 m。宽约40 m，走向290°～300°，倾向北，倾角77°～83°，物探斜向低阻条带状异常，倾向延伸大约300 m，富水，可能插入矿体，沟通F18、裂隙带2＃、3＃、4＃、F15、F19、F12等构造和裂隙。风井突水及风井抽水期间，其附近观测孔水位变化幅度很大。

F21断层：长度大于700 m，宽约20 m。走向305°～315°，倾向北，倾角71°～76°，斜向延伸大约300 m，富水，可能沟通F15、F19、F12。

F22断层：长度大于985 m。宽约40 m。走向295°～305°，倾角47°～60°，倾向北东。富水，可能插入矿体，沟通裂隙带3＃、F15、F19、F12。

F23断层：长度大于500 m。宽约20 m。走向295°～305°，倾角60°～70°，倾向西南，富水。

F24断层：长度大于610 m，走向270°～275°，倾角62°～66°，倾向北，富水。

F25断层：长度大于415 m，走向285°～295°，倾向北，倾角66°～71°，富水。

F26断层：长度大于565 m。走向305°～315°，倾向北东，倾角77°～82°，富水。

F27断层：西北端为F15，长度大于945 m。走向295°～305°，倾向北东，倾角77°～82°，富水。

上述10条断层，除F8外，是将黄屯河水及F12断层水导入矿坑的主要通道，对采矿有较大的影响。

1.3.2 北东向断层

包括走向355°～20°的断层，断层沿走向摆动较大，据主井、副井、风井井筒施工揭露，该组断层为矿区主要导水和富水断层，主要有F12、F14、F15、F17、F18、F19等6条。

F12断层：位于矿区东侧外围黄屯硫铁矿床范围内，隐伏于黄屯河之下，在黄屯河河床内局部出露，为区域富水断层，断层破碎带延伸长，宽度大，构造角砾岩发育，裂隙密集相互交切，岩石破碎呈棱角状，垂直断距大于30 m，断裂带岩石强烈硅化、碳酸盐岩脉充填胶结，空洞发育，洞径1～20 cm不等，单位涌水量(q)为 4.881 L/s.m，渗透系数(K)为10.91 m/d，富水性强。F12断层的走向是从南到北：南北转为北东走向，走向长大于1500 m。倾向北东，倾角75°～80°。尽管该断层倾向北东背离矿区，但由于其与F15之间存在大量的北西向沟通断层，为区外重点补给源。

F14断层：断层走向355°～10°～30°，倾向东南，局部扭曲，倾角80°～85°，长度大于750 m，宽约40 m，具明显低阻正交点异常，推测为富水断层。

F15断层：已被主、副井的掘进验证，长度大于1550 m。宽约30 m，走向35°～50°～15°，倾向东南，倾角60°～80°。该断层与F12之间存在大量的北西向沟通断层，对矿区有重大影响，其影响程度决定于北西向断层的导水性。主、副井淹井时，位于该断层附近的G2孔水位下降近10 m，说明该断层导水性很好。

F17断层：长度大于500 m。宽约40 m，走向25°～30°，倾向西北，倾角较陡，倾角72°～78°，中等富水。

F18断层：长度大于1600 m。宽约60 m。走向25°～30°，倾向东南，倾角65°～75°，富水。

F19断层：长度大于1200 m。宽约40 m。走向12°～17°，倾向西，倾角78°～83°，富水。

上述6条北东向断层，除F17外，为矿区主要导水和富水断层，是将北部、东北部地下水导入矿坑的主要通道，对矿床开采有很大影响，应重点防范。

1.3.3 东西向断层

F16断层：位于矿区的南部，长度大于1000 m。宽约40 m。走向85°～95°，倾向南，倾角72°～78°，具明显的垂向低阻条带状异常，为富水断层。其南侧供水井水量可观，而北侧之GC1观测孔未见该构造。F15和F16未见相交连通迹象，该断层对采矿无重大影响。

1.3.4 北东向裂隙密集带

2＃裂隙密集带：走向20°～40°～15°，长度大于1350 m，宽约50 m，物探具明显低阻异常，为富水裂隙带，位于该裂隙带上的GC9孔垂向裂隙、溶蚀、溶孔发育。

3＃裂隙密集带：走向350°～5°～15°，长度大于1100 m，宽度约20 m，物探具明显低阻异常，推测富水。

4＃裂隙密集带：走向355°～5°～30°，长度大于1100 m，宽约30 m，局部明显低阻异常，局部低阻不明显，推测富水。

5＃裂隙密集带：局部与F15重合，走向358°～5°～30°，长度大于670 m，宽约20 m，推测富水。

上述4条裂隙密集带，可将北部地下水导入矿坑，对矿床开采有影响。

1.3.5 北西向裂隙密集带

1＃裂隙密集带：走向355°～5°，长度大于350 m，宽约20 m，因受龙桥矿的排水影响，对矿床开采影响不大。

1.4 含水岩组间的水力联系

1.4.1 基岩裂隙含水岩组之间的水力联系

地下水主要为基岩裂隙承压水，水位标高3.38～12.99 m；矿床主要含水层火山碎屑岩、熔岩类孔洞-裂隙含水岩组与碳酸盐岩类岩溶-裂隙含水岩组直接接触，矿床及以上顶板基岩无明显隔水层，水力联系密切。

ZK122孔抽水时，相距205 m的ZK81孔自流孔2 h后流量逐渐变小，7 h后断流。

主井、副井2009年7月3日～7月5日抽水时，相距480 m的水源井7月4日～7月5日水位降低1.2 m，相距950 m的G2孔7月3日～7月5日水位降低0.97 m；主副井同时排水，主井水位下降196.3 m时，G2孔下降近10 m。2009年5月1日副井在深度340 m突水淹井时，相距950 m的G2孔5月2日下降1.34 m，表明水力联系较密切。

2012年4月8日到4月26日措施井抽水时，观测孔水位降深与观测孔距措施井的距离不存在正比关系。降深最大的是相距524 m的GC1孔，下降1.63 m。变化最小的是相距998 m的GC5孔，水位上升了0.14 m，而相距最远1260 m的ZK75下降1.42 m，相距最近的GC9水位降深0.78 m。

2012年7月31日至8月3日风井抽水时，观测孔水位降深与观测孔距风井的距离也不存在正比关系，降深最大的是相距219 m的GC10孔，下降8.2 m。相距最近的GC7孔下降7.95 m，降深最小的是相距约740 m的GC9孔，仅下降0.05 m，而相距最远的ZK75(1634 m)和GC2孔(1601 m)分别下降了4.38 m和4.62 m，相距811 m的GC1孔下降6.22 m。

基岩裂隙水水量不大，具有明显的不均匀性和方向性，构造导致含水层与断层、裂隙之间水力联系密切，使之连通性好，当构造导通地表大水体时，矿坑涌水量会激增。

1.4.2 覆盖层之间的水力联系

区内地表覆盖层主要由粘土、粘性土夹碎石及沙砾组成，属相对隔水层。但临近矿体东北角、黄屯河流域河床以及矾山河流域河床等部位外围存在砂、砂卵石等强透水地层，是构成地表水垂直下渗的主要连通通道。

1.4.3 矿区第四系孔隙水与基岩地下水的水力联系

第四系民井水位明显高于基岩水位。风井抽水期间，民井水位变化很小，而基岩水位变化较大，说明矿区内第四系覆盖层与下伏基岩之间水力联系不密切。

2 矿床充水因素分析

2.1 矿床充水的主要形式

天然状态下，区域地下水流场为自南向北-北东迳流。深部基岩水水位高于浅部基岩水，基岩地下水位又一般高于风化层、松散层潜水水位，矿区内基岩面上的覆盖层为相对隔水顶板，当钻孔揭穿隔水顶板后，钻孔内地下水向地表溢流，动态观测表

明，随着自然排泄，压力水头渐趋下降，流量逐渐衰减，以静储量消耗为主，但在未来矿山疏干排水条件下，由于补、排关系的变化，近区大气降水、地表水以及东北部、东部构造、西部深部都会成为新的补给源，会导致补给量增加。

虽然基岩地下水同覆盖层潜水间局部有相对隔水层存在，但由于F18、裂隙带2＃、3＃、4＃、F15、F19、F12与交汇的F20、F21、F22、F23、F24、F25、F26、F27等构造裂隙通过黄屯河、矾山河流域砂或砂卵石强透水层底板导通黄屯河、矾山河之地表水体，可使采场与地表水体有直接的水力联系。

从风井抽水的等水位线图(图1)可以看出，GC6等值线向外有突出，表明附近的F18断层两端呈现补给通道的迹象，F18是一条规模较大的张扭性构造，其主要充水水源是姚岗河，根据GC6的地质资料，F18的铅直视厚度为45.61 m，其上下盘还发育有次一级的构造破碎带，在风井抽水前，GC6的静止水位标高是5.46 m，风井抽水结束时(8月3日8∶30)，其水位标高下降至-1.83 m，风井抽水结束后继续下降至-2.06 m(8月3日17∶30)，而北面缺口河的水位是5～9 m，如果F18延伸到缺口河，有可能将北部缺口河水导进矿区。

图1 风井抽水的等水位线图

2.2 矿床富水特征、表现

矿床赋存于火山岩系与基底沉积地层接合部位的基底地层中，矿体埋藏于地下500～600 m，具有相对隔水的砂岩底板，属构造裂隙充水矿床。如无大的导水构造，一般富水性较弱，富水性受构造控制，沿构造发育，具有强烈的方向性和空间分布不均匀性特点。在建设、生产过程应高度重视。其表现如下：

(1)未遇到大的构造或与大构造沟通的裂隙时，富水性弱，一般表现为淋水、滴水或小股渗漏水，且渗漏量随时间而呈减少趋势，在采矿生产中很少构成水害威胁，但井建过程中因排水能力所限或排水设备故障，有时会造成淹井事故，例如本矿井建过程中的措施井等；

(2)当遇到与大构造沟通的小裂隙时，因临空面水压5 MPa以上，表现为小裂隙出大水，主副井掘进过程中，埋深380 m上部的多次突水淹井事故大多属于此种情况，揭露了F15的次级裂隙，裂隙并不宽大，但水压很高，将钻机冲顶几十米高，当揭露含水构造、裂隙时，先出水一般，出水口在高压水洗通、洗大后，水量会逐渐加大，当静储量排干后会逐步降低、稳定，如本次风井淹井；

(3)当遇大型导水构造，且构造有外部强水源补给时，矿井涌水量将很大，甚至构成水害，例如本矿的主、副井址选在F15与多条裂隙带的交汇处，由于F15等通过F20、F21、F22等与黄屯河床区域地

表大水体沟通，故井建过程中，在副井埋深381 m、主井560 m左右揭露了大型构造F15，导致主、副井淹井，水量很大，总量超过400 m3/h的水泵连续抽排近40 h，东北部观测孔G2水位下降不大。

3 矿区防治水对策

矿山应尽快完善矿区整体防治水研究、治理工作，对矿区防治水工作进行系统的设计和部署，以减少或防止矿山水害的发生。

该矿的防治水工作方案与措施建议如下：

(1)本矿防治水的总体方案应以疏为主，疏堵结合，必要时可控制疏干以降低成本，可提前对矿体疏干排水，抽排静储量，以降低建设生产期间的风险；

(2)目前矿山的永久排水系统未形成，在巷道开拓过程中，排水能力有限，为避免淹井，应探水前进，探水宜首先进行井下超前物探，再钻探验证兼长探，再短探方式，对遇到的超过排水能力的大水点，必要时进行局部封堵并实施有效控制疏放，适时采用遇水凝结巨膨胀材料及特殊注浆工艺；

(3)进一步研究、分析验证东北面、东面、西南的地质、水文地质特点；

(4)进一步获得目前开拓期所取得的地质、水文基础资料，并综合分析；

(5)根据本矿构造发育，纵横交错相互沟通，细小网状裂隙特别发育，只要细小裂隙与大构造沟通，都会因水压高而出现大出水。防治水施工时应研制、配备高压、防喷、止退等安全装置；

(6)进一步建立地面、井下重点部位水点的跟踪监测，加强地表、地下坑道及地面观测孔的水位观测及管理工作，密切关注矿区及周边地下水的动态变化，建立地下水自动监测报警系统，并制定相应的处置预案，确保生产安全；

(7)在注浆堵水过程中，遇到的出水裂隙细但水量大、注浆压力高但吸浆量小、浆液在高压下凝结快等普通注浆工艺效果差的难题，宜适时开展适合本矿的新型注浆工艺和注浆材料的研究。

4 结 论

(1)马鞍山铁矿床属构造裂隙充水矿床，无大的导水构造，一般富水性较弱。富水性受构造控制，沿构造发育，具有强烈的方向性和空间分布不均匀性特点。

(2)矿区导水构造发育，纵横交错、且连通性很好，矿床地下水水压大，在地下水静储量未疏排前，因水压高最易引发突水淹井事故；矿区及附近构造破碎带发育，且大多为导水富水断层，重点富水断层为F18、F15、F19、F20、F22、F12等以及与其沟通的其他导水构造。

(3)矿区南部和北部(初步)为隔水边界，矿区西部和东部目前为矿区主要进水通道。

(4)矿区第四系水与地下水水力联系不密切，但东部黄屯河流域与地下水水力联系有较密切迹象。

(5)风井和措施井抽水试验期间均未出现地面沉降变形等现象，但由于抽水时间相对较短，生产期长期大量抽排地下水引起的地面变形情况有待于进一步观测。

(6)天然状态下，矿区地下水从南流向北，随着矿山开拓、开采深度增加，矿坑排水系统的形成，将改变天然地下水迳流排泄条件，形成地下水向采场(巷道)汇集的降落漏斗。西部、东部之地下水将通过导水构造(破碎带)向矿区补给。

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2016-05-29)

高 超(1987-)男，山东滕州人，助理工程师，地下水科学与工程专业，主要从事矿山水害防治与探测工作，Email：gaochaosd＠163.com。