对江苏沛县新庄铁矿区富水性规律的初步认识

景佳俊， 陶文杰， 管 祯

(江苏省地质矿产局第五地质大队，徐州 221004)



对江苏沛县新庄铁矿区富水性规律的初步认识

景佳俊， 陶文杰， 管 祯

(江苏省地质矿产局第五地质大队，徐州 221004)

江苏沛县新庄铁矿属于典型的矽卡岩类接触交代型铁矿,矿区主要富水含水层为奥陶系灰岩。分析了该矿区地下水补径排条件、矿区含水层特征及断层富水性特征，初步总结了该矿区富水性规律。认为矿坑涌水主要受上覆灰岩控制，其次受构造断层控制； 断层的涌水量受裂隙充填影响变化较大，增加了突水、透水的风险性，将直接威胁矿山的生产安全。总结该矿区富水性规律，可为国内相同类型矿山的前期勘查及后期矿床开采提供参考。

新庄铁矿区； 奥陶系灰岩； 含水层； 富水带； 矿坑涌水

0 引言

矽卡岩类接触交代型铁矿全铁含量多大于45%，是我国为数不多的富矿之一。但矽卡岩类接触交代型铁矿多产出于碳酸盐岩与火成岩接触带上，开采难度较大。随着国民经济的发展和工业需求的增加，我国对铁矿石的需求也日益增加，大埋深、水下难采矿体的开发利用已被提上日程[1-6]。国家科技部在“复杂金属矿产资源采选冶关键技术设备”项目中专门组织了“复杂富水矿床开采关键技术开发与研究”的课题。

江苏沛县新庄矿区发现于20世纪80年代煤矿补充勘查期间，2006年在该区进行了矿产普查工作，对矿体进行了初步控制，但未进行相关的抽水实验。本文针对该矿区目前开采及研究情况，通过对7组抽水实验结果进行分析，初步总结了该矿区地下水补径排条件，矿区含水性特征及断层富水性特征，为后期矿床开采提供参考。

1 矿区地质概况

新庄铁矿位于江苏省沛县，矿区地处黄河冲积平原中部，地形平缓，总体地势为西南高、东北低，地面海拔标高为41.0～38.7 m，地面坡降3/10 000。大地构造上，矿区位于华北地台鲁西台背斜与豫淮台褶带的交界部位。与徐州东部地区相比，太古宇泰山群基底之上沉积的盖层缺失新元古界—下寒武统底部猴家山组[7]。区内褶皱平缓、断层发育。燕山期中酸性岩侵入，分布于凸起与凹陷的过渡部位，并与下奥陶统肖县组接触，为矽卡岩类接触交代型铁矿[8](图1)。

图1 新庄矿区综合地质图[8]Fig.1 Comprehensive geological map of Xinzhuang mining area[8]

2 矿区水文地质概况

矿区属暖温带半湿润季风气候，四季分明，冬夏长，春秋短，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨。春夏盛行东南风，秋冬多东北风和西北风。8级及以上大风年平均28 d。年平均气温 13.9 ℃，月平均气温为： 一月份平均气温最低(-0.9 ℃)，七月份平均气温最高(26.9 ℃)，历年极端最低气温-21.3 ℃，历年极端最高气温40.7 ℃。降水量多集中在7—9月，占全年降水量的60%～70%，年际变化大。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。多年平均蒸发量1 742.7 mm。

矿区所在水文地质单元分上下2部分[9]： 上部第四系松散沉积层由上而下分为全新统、上更新统、中更新统、下更新统。第四系在研究区广泛分布[10]，厚度为146.73～181.62 m，含水性不均匀； 下部奥陶系肖县组、马家沟组、阁庄组富水，不同地层含水性各异。

矿区北部分布有厚数百米、导水性、富水性很弱的二叠系含煤砂页泥岩，石炭系本溪组和太原组以透水性、富水性较差的夹煤层砂页泥岩为主，奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层沿倾向向北埋藏于2类相对隔水层之下，且随埋藏深度逐渐增大，岩溶发育程度逐渐减弱，透水性、富水性逐渐变差。据已施工的PW40号孔(位于矿区北侧外围)，对埋藏于石炭系、二叠系之下、厚648.10 m的奥陶系碳酸盐岩进行抽水试验，降深58.64 m时，涌水量仅 4.67 m3/d。因此，将矿区北部近似概化为隔水边界； 矿区南部，以闪长斑岩体为隔水边界； 矿区东、西两侧奥陶系碳酸盐岩连续分布，岩溶含水层也是连续分布的，为无限透水边界。

3 矿区地下水补径排条件

3.1 浅层地下水补径排条件

矿区地表分布的亚砂土，松散、无胶结，厚约10 m，透水性好，有利于大气降水入渗补给地下水。矿区浅层地下水坡向与地形坡向一致，西南高，东北低，平均水力坡度仅为1/4 771，径流条件极差。矿区浅层地下水水位常年埋深2.43～5.00 m，有利于地面蒸发，排于大气中。

3.2 深层地下水补径排条件

第四系承压含水层以中粗砂为主，主要接受上部潜水越流补给和侧向径流补给，径流方向受北部沛县县城开采地下水影响，径流方向为由南向北，排泄以侧向径流为主，少量为人工开采。

奥陶系灰岩在该矿区均被厚100～200 m的第四系覆盖，主要接受上覆第四系越流补给和侧向径流补给。在矿床未开采前，受东部沛城煤矿(矿区东北800 m最近疏干井)、丰新庄铁矿(矿区东1 500 m)开采影响(图2)，径流方向为由西向东，排泄方式主要为矿坑排水。以ZK4301为例，2006年抽水实验时水位埋深为12.65 m，2010年抽水实验时水位埋深为19.83 m，在该时间段沛城煤矿开采-1 200 m，对奥陶系灰岩水进行了降排水。

图2 奥陶系灰岩水位等值线图Fig.2 Water level contour map of Ordovician limestone

4 矿区含水层特征

矿体主要赋存于奥陶系肖县组灰岩与闪长斑岩接触带中，顶板以下更新统、奥陶系阁庄组—马家沟组、肖县组为主要充水水源。区域上与第四系直接接触的碳酸盐岩溶洞发育，深部(与第四系接触带以下30 m)在该区域未见溶洞发育，仅见有岩溶裂隙发育(图3)。

图3 43线水文地质剖面图Fig.3 Hydrogeological profile of exploration line 43

根据含水介质特征及水力性质[11]，矿区自上而下可划分为第四系全新统、上更新统孔隙潜水中等含水层(Ⅰ1)、中更新统孔隙浅层承压中等含水层(Ⅰ2)、下更新统孔隙深层承压弱含水层(Ⅰ3)、奥陶系阁庄组—马家沟组岩溶承压强含水层(Ⅰ4)和奥陶系肖县组岩溶承压中—强含水层(Ⅰ5)等5个含水层。

表1 ZK4502水文测井成果一览表Tab.1 List of hydrological logging results of hole ZK4502

5 断层富水性

在矿体分布范围内有F2、F32条断层，均为正断层[8]。二者富水性分述如下：

F2断层靠近矿床部位的倾向主要为NE向，该断层深部对矿体影响较大。ZK4502孔抽水试验结果： 水位埋深18.03 m，水位降深1.63 m，涌水量17.808 L/s，单位涌水量10.929 L/(s·m)，渗透系数46.179 m/d。矿层底板(闪长斑岩)，水位埋深20.07 m，水位降深18.27 m，涌水量3.922 L/s，单位涌水量0.215 L/(s·m)，渗透系数0.763 m/d。奥陶系肖县组与ZK3503、ZK4301两孔肖县组水量与渗透系数相比，差异较大，说明F2断层富水性和导水性均较好，对矿床充水具有显著影响。

F3断层倾向为NW，与矿床不直接接触，远离主矿体。ZK4304孔抽水试验结果： 水位埋深18.61 m，水位降深6.05 m，涌水量15.845 L/s，单位涌水量2.619 L/(s·m)，渗透系数1.216 m/d。对比区域资料，发现该孔断层充水无异常变化，说明F3断层对矿区充水无明显影响。

6 矿区富水性规律

根据相邻矿区开采监测数据[8]分析，矿床开采造成了奥陶系灰岩水的疏干，仅涉及第四系底部含水层(Q1)变化，但在本区域Q1含水层富水性较差，故第四系富水规律对矿坑影响不大，不再赘述。

抽水实验和水位观测表明，奥陶系灰岩没有明显的隔水层，在抽水实验开始后抽取上部阁庄组—马家沟组含水层后，下部肖县组含水层也有不同程度的下降(表2)。通过不同层位抽水实验可知，上部灰岩含水层远好于下部灰岩含水层。现场钻孔资料编录显示，奥陶系灰岩与第四系接触面均有岩溶发育，厚8～24 m。根据区域地质资料[13]，由于地下水循环途径短，一般水平分带发育不深，在埋深约150 m内最为发育，200 m以下则骤然减弱。

表2 ZK4301、ZK3503孔抽水试验各孔水位观测对比表Tab.2 Comparison of observed water level between hole ZK4301 and ZK3503 in hole pumping test m

由表2可知,在钻孔抽水过程中，沿岩层走向钻孔水位降深明显高于沿倾向的降深。在ZK4301孔抽水过程中与ZK3503孔相距385 m，其水位降低0.75 m； ZK4301孔抽水过程中与ZK4304孔相距252 m，其水位仅下降0.72 m； 在ZK3503抽水过程中，ZK4301下降0.42 m，ZK4304下降0.37 m，与其相距497 m的ZK4502孔水位亦下降0.4 m。以上说明在抽水试验过程中，岩溶地下水的降深曲线沿走向方向的地下水反应较沿倾向方向灵敏，影响半径相对更大。

根据现有抽水实验(大井法、廊道法)及相邻矿区(丰新庄铁矿)资料，利用比拟法测算矿坑涌水量为23 936.35～40 095.39 m3/d。通过相邻矿区排水资料统计，矿坑涌水量随矿床开采逐年增加，说明区域奥陶系补给源丰富，矿区若不进行止水处理，将增加铁矿开采难度。

7 结论及建议

(1) 新庄矿区主要富水带为奥陶系灰岩，且各个含水岩组之间无明显隔水层，属多层介质统一含水体。

(2) 矿区内断层均属于导水富水断层，且矿区周边断层延伸方向均为碳酸盐岩，造成沿断层方向相对富水带。

(3) 矿区内F2断层为导水正断层，矿坑涌水量直接受断层水补给，对后期矿床开采影响较大，增加了矿坑涌水的不确定性。矿床开采期间应加强观测，必要时应对F2断层补做水文地质工作。

(4) 矿区矿坑涌水量达20 000 m3/d，属强富水矿区，且矿体整体储量不大，建议矿区开采前优化开采方案，进行前期处理以减少地下水对勘查开采的影响。

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(责任编辑： 刘永权)

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，管祯.对江苏沛县新庄铁矿区富水性规律的初步认识[J].中国地质调查,2016,3(6): 68-74.

2016-04-08；

2016-05-28。

徐州市汇能金属矿产有限公司勘查项目“江苏省沛县姜梨园—魏老家矿区新庄矿段铁矿详查(编号： [姜]JXC(2010)03)”资助。

景佳俊(1983—)，男，工程师，主要从事水文地质、工程地质研究。Email: 393599289@qq.com。

P641.4

A

2095-8706(2016)06-0068-07