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, 2, 3, 4, 5, 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。

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

Fig.1

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

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。

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

Fig.3

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	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(Ⅰ ₁)、中更新统孔隙浅层承压中等含水层(Ⅰ ₂)、下更新统孔隙深层承压弱含水层(Ⅰ ₃)、奥陶系阁庄组— 马家沟组岩溶承压强含水层(Ⅰ ₄)和奥陶系肖县组岩溶承压中— 强含水层(Ⅰ ₅)等5个含水层。

(1) 第四系全新统、上更新统孔隙潜水中等含水层(Ⅰ ₁)。上部为亚砂土, 夹淤泥质亚黏土薄层或透镜体; 下部为亚砂土、粉细砂、亚黏土、钙质结核亚黏土互层。该层广布全区, 出露地表, 厚度40.96~49.54 m。含孔隙潜水, 水量较丰富, 直接受大气降水入渗和农灌水回渗补给。水位动态受气象条件影响明显, 雨季水位上升, 旱季水位下降。地下水运动以垂向水交替为主, 蒸发、当地村庄的人畜用水及短期少量的农灌取水是主要排泄途径。ZK4301-4孔抽水结果: 水位埋深3.84 m, 水位降深11.68 m, 涌水量12.200 L/s, 单位涌水量1.045 (L/s· m), 渗透系数3.267 m/d, 水温16 ℃。水质简分析18项, 按GB/T 14848《地下水质量标准》划分, 其中达 Ⅰ 类标准的有14项。超标的有4项, 分别为: 溶解性总固体1 134.73 mg/L, 总硬度406 mg/L, Cl^-65.2 mg/L, S O42-61.1 mg/L, 属于HCO₃-Na+K型。

(2) 中更新统孔隙浅层承压中等含水层(Ⅰ ₂)。该层处于上、下2个黏性土隔水层之间, 上部和下部岩性均为中细砂、亚砂土、钙质结核亚黏土, 中部厚度不稳定, 夹厚9.53~19.14 m的亚黏土。该层分布广泛, 顶板埋深49.54~70.38 m, 底板埋深102.66~106.04 m, 平均厚20.40 m。含水层分布不稳定, 上部厚8.67~23.05 m, 下部厚1.50~6.32 m, 但连续性较好, 呈层状分布, 含孔隙浅层承压水。ZK4301-3孔抽水结果: 水位埋深15.33 m, 水位降深11.65 m, 涌水量10.267 L/s, 单位涌水量0.881 L/(s· m), 渗透系数3.509 m/d, 水温18.2 ℃。水质简分析18项, 按GB/T14848《地下水质量标准》划分, 其中达 Ⅰ 类标准的有14项。超标项目分别为: 溶解性总固体825.12 mg/L, 总硬度218 mg/L, Cl^-126 mg/L, S O42-178 mg/L, 属于HCO₃· Cl-Na+K型。

(3) 下更新统孔隙深层承压弱含水层(Ⅰ ₃)。该层岩性为中粗砂层、钙质结核层, 且黏粒含量较高。该层分布广泛, 直接覆盖于基岩之上, 中粗砂层作为主要含水层, 连续性较差, 底部为钙质结核亚黏土(虽局部呈钙质结核层, 但均为采取率过低所致, 故未评述)。顶板埋深112.64~130.15 m, 底板埋深130.55~137.15 m, 平均厚约6.29 m, 含孔隙承压水, 富水性差。ZK4301-2孔抽水试验结果: 水位埋深21.28 m, 水位降深35.47 m, 涌水量0.260 L/s, 单位涌水量0.007 L/(s· m), 渗透系数0.014 m/d, 水温20.8 ℃。水质简分析18项, 按GB/T 14848《地下水质量标准》划分, 其中达 Ⅰ 类标准的14项。超标项目分别为: pH值为8.76, 溶解性总固体331.75 mg/L, Cl^-97.5 mg/L, S O42-84.1 mg/L, 属于Cl-(Na+K)· Ca型。

(4) 奥陶系阁庄— 马家沟组岩溶承压强含水层(Ⅰ ₅)。该层岩性阁庄组以白云岩为主, 马家沟组以灰岩夹白云岩为主。溶蚀发育程度随深度增加而逐渐减弱, 下部主要以溶孔及方解石晶洞为主。钻探过程中该层发生漏水, 富水性不均。综合水文测井与编录资料分析, 含水层呈层状分布(表1, 图3): 第一层位于阁庄组与马家沟组上段接触带一线, 厚28~36 m; 第二层位于马家沟组上段中、下部至马家沟组下段上部一线, 厚29~43 m; 第三层位于马家沟组下段底部, 厚3~16 m, 富水性相对较弱。该层与阁庄组混抽的ZK4301孔抽水试验结果^[12]: 水位埋深19.83 m, 水位降深10.11 m, 涌水量52.862 L/s, 单位涌水量5.229 L/(s· m), 渗透系数10.766 m/d。水质全分析33项, 按GB/T 14848《地下水质量标准》划分, 达Ⅰ 类标准的29项, 超标项目: 溶解性总固体1 595 mg/L, 总硬度506 mg/L, Cl^-343 mg/L, S O42-393 mg/L, 属于Cl· SO₄-Na+K· Ca型。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 ZK4502水文测井成果一览表 Tab.1 List of hydrological logging results of hole ZK4502 序号 层底深度/m 地层年代 层厚/m 岩性 井液平均电阻率/(Ω · m) 解释结论 第1次 第2次 第3次 1 207.10 O2g 28.15 白云岩 72.00 46.65 71.00 含水层 2 263.20 O1m 9.90 灰岩 72.05 57.50 62.00 含水层 3 289.70 O1m 14.05 灰岩 72.04 59.05 66.21 含水层 4 389.95 O1m 16.05 大理岩 72.01 71.01 66.05 含水层 5 445.15 O1x 24.75 灰岩 71.03 70.46 71.05 含咸水层

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

(5) 奥陶系肖县组岩溶承压中等-强含水层(Ⅰ ₆)。该层岩性以白云岩、灰岩为主。岩心溶孔发育普遍, 因未与第四系直接接触, 该层未见溶洞发育, 但矿层上覆顶板均见有溶孔发育, 直径一般< 2 cm, 部分连通。该层富水性不均, 综合水文测井与编录资料分析, 含水层大体呈2层条带状分布: 第一层位于马家沟组下段与肖县组上段接触带一线, 厚3~16 m; 第二层分布于肖县组上段中间位置, 厚12.70~24.75 m。矿体直接顶板附近因裂隙较发育, 局部富水, 但富水性不均, 如ZK3701孔于顶板附近见有张裂隙发育, 富水性好。ZK3503抽水试验结果: 水位埋深19.36 m, 水位降深16.56 m, 涌水量22.746 L/s, 单位涌水量1.374 L/(s· m), 渗透系数1.123 m/d。ZK3503孔水质简分析18项, 按GB/T 14848《地下水质量标准》划分, 其中达Ⅰ 类标准的14项。超标项目: 总硬度639 mg/L, 溶解性总固体1 706.5 mg/L, Cl^-389 mg/L, S O42-371 mg/L, 属于Cl· HCO₃-Na+K型。

在矿体分布范围内有F₂、F₃ 2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。

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

Tab.2

表2(Tab.2)

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 对比项 主井 观测孔 主井 观测孔 4301 O2g、O1m 4301-2 Q1 3503 O1x 4304 O2g— O1x 4502 O1x 3503 O1x 4301 O2g、O1m 4304 O2g— O1x 4502 O1x 静水位 19.35 19.15 19.40 19.20 19.50 19.52 20.49 20.63 20.72 抽水后水位 29.46 21.38 20.15 19.92 20.70 36.08 20.91 21.00 21.12 降深值 10.11 2.23 0.75 0.72 1.20 16.56 0.42 0.37 0.40 注: ZK4301-2孔距ZK4301孔15 m。

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。

(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。