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报告 - 图文

1. 绪 论

***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：***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：吴庄铁矿4.80km2的矿区范围。 （3）项目类型：技改续作项目

（4）起止时间：2009年8月 至2010年12月

（5）承担单位：***铁矿集团有限公司（国有股份制企业） （6）法定代表人：

（7）通讯地址：江苏省铜山县利国镇 邮政编码：221138

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臵，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

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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，论述了矿区含水层裂隙岩溶发育规律、构造含水带

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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，***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，布臵了部分物探工作，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《***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***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

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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臵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 矿区地理位臵

吴庄铁矿为***铁矿集团有限公司的下属企业，位于江苏省***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 吴庄矿区交通位臵图

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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

***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***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，***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

***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

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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

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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

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

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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。

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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。

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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

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