馮超臣

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州 272100)

1 礦山基本概況

1.1 礦山概況

歸來莊金礦位于山東省平邑縣城東南25km處，隸屬于平邑縣地方鎮(zhèn)，為魯西南地區(qū)唯一的特大型金礦床。礦床+130m～-40m標高，開采方式為露天開采；-40m～-150m標高為地下開采，采用上向水平進路膠結充填采礦工藝。至2011年4月，露天開采工作結束，正式轉入地下開采，目前礦山主要開采①-1號礦體[注]山東省魯南地質工程勘察院，山東省平邑縣歸來莊礦區(qū)金礦資源儲量核實報告，2018年。山東省魯南地質工程勘察院，山東黃金歸來莊礦業(yè)有限公司歸來莊金礦水文地質類型分級報告，2018年。。

1.2 礦山涌水概況

自礦床開采以來，礦坑共發(fā)生突水56次，突水水源主要為奧陶紀馬家溝群、三山子組灰?guī)r水、寒武紀炒米店組灰?guī)r水。突水通道位于奧陶紀碳酸鹽巖含水地層中，主要集中在F1斷層上下盤，其中最大出水點水量高達2000m3/h。根據(jù)礦山2017年1月1日至12月31日的排水資料，礦山正常涌水量為98491m3/d，礦坑涌(突)水對礦山生產(chǎn)安全構成了嚴重的威脅。進行礦山充水來源分析，為礦山防治水方案提供依據(jù)，對保障深部資源安全高效開采具有重要意義[1-3]。

2 礦床水文地質條件

2.1 含水巖組特征及富水性分區(qū)

根據(jù)以往勘查階段抽水試驗成果及開采階段補充水文地質試驗成果，把地下水的賦存介質劃分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組和巖漿巖裂隙含水巖組(圖1)。第四系松散巖類孔隙含水巖組遠離礦床，巖漿巖裂隙含水巖組在礦區(qū)內分布少且富水性弱，因此礦床充水主要含水巖組為碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。

1—奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(強富水區(qū))；2—寒武系炒米店組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(中等富水區(qū))；3—寒武系饅頭組、張夏組、崮山組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(弱富水區(qū))；4—巖漿巖類裂隙含水巖組(相對隔水層)；5—第四系松散巖類孔隙含水巖組；6—斷層編號及產(chǎn)狀；7—采礦權范圍；8—露天采場范圍；9—金礦體圖1 歸來莊金礦區(qū)水文地質簡圖

碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組分布于礦床內和研究區(qū)的北部、東部及東南部，總體傾向50°，傾角8°～25°。含水層主要由寒武系和奧陶系的灰?guī)r及白云質灰?guī)r組成。礦山開采前地下水由西南向東北徑流，開采后由四周向礦坑徑流。根據(jù)地下水的賦存介質[4,5]和富水性強弱共分為3個含水亞組。

2.1.1 奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(強富水區(qū))

出露于礦床北東部，上覆于寒武系灰?guī)r之上，巖性為馬家溝群各組地層及長清群三山子組白云質灰?guī)r、灰質白云巖，直接接受大氣降水補給。據(jù)鉆孔和井下開采揭露，礦床附近巖溶發(fā)育，溶洞高一般0.2～1.5m，溶洞多為半充填狀態(tài)。根據(jù)勘探階段抽水試驗成果與礦坑突水量資料，單位涌水量3.04L/s·m，滲透系數(shù)0.803～1.466m/d，透水性及富水性強。礦化度小于1.0g/L，為HCO3-Ca·Mg型水。

2.1.2 寒武系炒米店組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(中等富水區(qū))

條帶狀出露于礦床中部，縱向上分布于礦床的中下部。巖溶主要發(fā)育在炒米店組中上部，巖溶裂隙局部發(fā)育，儲水空間以巖溶裂隙為主。局部溶洞發(fā)育溶洞高0.7～2.0m。根據(jù)勘探階段抽水試驗成果和礦坑突水資料可知，單位涌水量0.269～0.52L/s·m，滲透系數(shù)0.257～0.836m/d，透水性及富水性中等。礦化度小于1.0g/L，為HCO3-Ca·Mg型水。

2.1.3 寒武系饅頭組、張夏組、崮山組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(弱富水區(qū))

出露于礦床的西南部，縱向上分布于礦床的底，巖溶裂隙發(fā)育差。根據(jù)外圍勘探報告抽水試驗結果，鉆孔單位涌水量0.00006～0.0063L/s·m，滲透系數(shù)0.0031～0.0147m/d，透水性及富水性微弱，礦化度一般小于1.0g/L，為SO4·HCO3-Ca·Mg型水。

1—奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(強富水區(qū))；2—寒武系炒米店組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(中等富水區(qū))；3—寒武系饅頭組、張夏組、崮山組碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組(弱富水區(qū))；4—巖漿巖類裂隙含水巖組(相對隔水層)；5—金礦體；6—斷層及編號；7—采礦權范圍；8—地下水位；9—地下水流向圖2 礦區(qū)水文地質剖面圖

2.2 構造水文地質特征

礦床內斷層發(fā)育，與礦床充水關系密切的是F1斷層、F4斷層、F10斷層(圖3、圖4)[6]。

1—導水構造破碎帶；2—斷層及編號；3—金礦體；4—采礦權范圍；5—勘探線位置及編號；6—露天采礦位置圖3 控水構造平面分布示意圖

1—導水構造破碎帶；2—斷層及編號；3—金礦體圖4 24線控水構造地質剖面簡圖

F1斷層：位于礦區(qū)中部，地表出露長度2.2km?？傮w走向85°，傾向S，傾角45°～68°。水平斷距50～180m，垂直斷距85～120m。斷層破碎帶寬0.6～29.3m。該斷層控制了歸來莊金礦體，是歸來莊金礦床的導礦和儲礦構造。該斷層破碎帶寬發(fā)生突水點十多處，結合物探測量成果分析[6]，推斷出F1斷層破碎帶為地下水徑流通道。該通道主要接收F1斷裂上游地區(qū)地下水的徑流補給，然后沿F1斷裂巖溶破碎帶向礦坑徑流。

F4斷層：位于礦區(qū)東北部，規(guī)模較小，走向一般40°～50°，傾向SE或NW，傾角60°～80°，為正斷層。破碎帶寬3～10m。坑下揭露近200m，發(fā)生突水點十多處，位于23線5號水倉的礦坑最大突水點1500m3/h，就位于F4斷裂帶內。根據(jù)動態(tài)觀測資料及物探測量成果，推斷F4斷裂為重要的地下水徑流通道。

F10斷層：展布于F1斷層南側，25線以東，長度約500m，走向290°，傾向SW，傾角65°，為正斷層，垂直斷距約20m。斷層位于F1上盤，二者傾角大致相同。經(jīng)24線ZK62、25線ZK20兩鉆孔驗證，在深部與F1基本平行展布，為上盤水的補給通道。F2～F9斷層均為張扭性正斷層，只發(fā)生小的位移，斷層破碎帶規(guī)模小，水文地質意義不明顯。

3 礦坑充水因素分析

3.1 主要充水來源分析

3.1.1 大氣降水對礦坑充水的影響

大氣降水一般集中在每年的6，7，8，9四個月份。根據(jù)歸來莊金礦區(qū)降水量和礦坑排水量觀測資料分析(圖5)，2014年8月至2015年5月礦坑涌水量與降水量變化趨勢不一致是由于礦坑掘進時礦坑突水點較多，礦坑排水量增加所致；2015年6月以后，礦山掘進時礦坑偶爾可見突水點，礦坑排水與降水量變化趨勢一致，因此大氣降水對礦坑充水的影響較為顯著。整體來看，礦坑排水隨著季節(jié)性變化，變幅在17000～50000m3/d，相對較大。

大氣降水對礦坑充水的影響表現(xiàn)為大氣降水直接降落到露天采坑中；降水入滲到地下含水層中通過地下徑流流向礦坑；大氣降水降落到地表通過地表徑流匯集到浚河，再通過河床底部溶洞、溶蝕裂隙流向礦坑。前者為直接補給，后兩者為間接影響，由于礦山露天采礦開口面積較小，大氣降水對礦山直接充水影響較小，因此后兩者對礦山充水影響較大。

3.1.2 地表水的滲漏補給

礦區(qū)內發(fā)育有兩條地表水體，浚河和龐家村河。

(1)浚河的滲漏補給

浚河是區(qū)內最大的河流，歷年最大洪峰流量2100m3/s，最枯流量0.017m3/s。自西向東從礦區(qū)北部徑流，與露天采坑最近距離為1.2km。根據(jù)現(xiàn)場調查和地下水連通試驗[7]，浚河南岸“龐家莊村東北—小平安村西北段”，奧陶系灰?guī)r出露地表，巖溶較發(fā)育，為地表滲漏水補給徑流區(qū)；該奧陶系灰?guī)r經(jīng)過礦山長時間礦坑排水，地下水徑流強烈導致溶蝕裂隙中充填物被沖走，使溶蝕裂隙成為河水下滲的良好通道，最終徑流到歸來莊礦床?？：雍哟惨惨蚩：铀墓嗳胄纬陕┒窢畹匿鰷u現(xiàn)象。經(jīng)過多次對該段浚河上下游流量觀測與分析，浚河地下漏失量一般在557.4～1516.5m3/h。該浚河常年有水，且滲漏量較大，目前已成為礦坑充水的主要補給來源之一。

(2)龐家村河河水的滲漏補給

龐家村河位于露天坑西側1.1km處，屬季節(jié)性河流，一般僅在雨季有水，冬春季節(jié)斷流。由于該河為季節(jié)性河流，徑流量較小，且礦床開采后該河流徑流量、變化不大，因此不是礦坑充水的主要滲漏補給來源。

3.1.3 裂隙巖溶水充水

奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶水在礦區(qū)北部、東南部廣泛分布，根據(jù)勘探階段野外研究成果與礦坑突水資料，礦床平均單位涌水量3.04L/s·m。滲透系數(shù)0.803～1.466m/d，富水性強，且透水性良好，為良好的充水來源。

根據(jù)地下水水位觀測資料繪制等水位線圖(圖6)，由等水位線圖可以看出礦坑涌水直接來源于礦區(qū)東北及東南部含水層[8]。這與奧陶系碳酸鹽巖類含水層分布基本吻合。

依據(jù)礦坑總涌水量，扣除大氣降水和地表水補給，巖溶含水層中約有1000～1500m3/h的地下水涌入礦坑，是礦坑涌水的主要來源之一。

1—采礦權范圍；2—地下水流向；3—地下水等水位線及水位標高；4—控制性水點位置及水位標高圖6 礦坑排水地下水降落漏斗圖

3.2 地下水的徑流通道分析

3.2.1 巖溶導水通道

可溶巖地層在地下水溶蝕作用下，沿著裂隙面形成各類巖溶結構：溶洞、溶縫、溶槽等蓄水和導水空間，由于巖溶溶蝕作用方式其通常相互連通作用較好，形成地下水的良好通道，在礦坑開采過程中揭露巖溶水系導致涌水，這也是目前歸來莊金礦的常見水害形式。礦床巖溶發(fā)育程度主要受構造、巖性、埋藏條件等因素的影響[9-11]。

(1)巖性與巖溶發(fā)育程度的關系

據(jù)礦區(qū)103個鉆孔統(tǒng)計，奧陶系東黃山組、三山子組含燧石結核條帶白云巖巖溶最發(fā)育，白云巖、砂糖狀白云巖巖溶發(fā)育次之，泥質灰?guī)r與條帶狀灰?guī)r巖溶發(fā)育較差。

(2)巖溶在垂直與水平方向的發(fā)育

在垂直方向上：0m標高以上，由于地表風化作用及地下水活動強烈，巖溶強烈發(fā)育，0～-50m標高段巖溶較發(fā)育，-100m標高以下巖溶發(fā)育較差?？傮w上巖溶發(fā)育程度由淺到深逐漸減弱。因此，礦坑在-100m標高以上涌水量大，在-100m標高以下涌水量較小。

在水平方向上：24線～28線巖溶發(fā)育強烈，24線以東巖溶發(fā)育稍差，30線以西巖溶不發(fā)育(圖3)；礦體南側巖溶發(fā)育程度略強于北側?？傮w趨勢是礦區(qū)的東部巖溶發(fā)育程度大于西部。

3.2.2 構造導水通道

礦區(qū)主要斷層均為張性斷層，在斷層和巖溶的相互作用下，使斷層及附近導水通道的寬度和導水能力大大加強，形成具有一定規(guī)模的寬大導水通道[11-12]。礦區(qū)內由于F1，F(xiàn)4，F(xiàn)10近平行斷層交互切割，極大促進了次級斷裂面、裂隙面的巖溶作用，圍繞斷層面、斷層破碎帶和次級構造形成了巖溶—構造聯(lián)合導水通道形式，這也成為礦坑涌水大的主要原因[13]。

由于礦體主要賦存于F1破碎帶內，目前揭露的F1斷層出水點多，且流量大。下盤有兩處大的出水點，一處位于-35m標高東段時，距斷層面約5m處，流量為1600m3/h；另一處位于斜坡道揭露斷層處，流量為513.8m3/h。F1斷層上盤大的出水點有3個，一個位于-26m水平巷道穿過F1斷層處，流量為100.0m3/h；另兩個位于采坑東端南側F1斷裂的次級斷層上，流量分別為600.6m3/h和78.8m3/h。

4 礦山水害治理方向

4.1 礦坑水害綜合認知

(1)礦坑涌水水源主要為大氣降水、地表水系(浚河水)和碳酸鹽巖裂隙巖溶水。其中碳酸鹽巖裂隙巖溶水對礦床直接充水，大氣降水和浚河水通過碳酸鹽巖含水巖組的徑流通道間接補給礦坑。因此，礦山水害治理重點為地下碳酸鹽巖含水巖組的徑流通道。

(2)依據(jù)礦井涌水位置分布和巖溶發(fā)育區(qū)域特征，礦坑涌水直接來源為東側，即碳酸鹽巖含水巖組的巖溶通道主要位于24線以東，尤其是28勘探線以東(圖3)；礦坑導水區(qū)域的控制主要是巖溶通道與斷裂構造，其決定了礦坑涌水來源和補給程度。

(3)礦坑導水通道發(fā)育廣度是由巖溶和斷裂構造共同控制的。巖溶作用加劇了斷層破碎帶的寬度和導水能力，反過來斷層促進了巖溶作用。

4.2 水害治理方向

(1)對浚河河床漏水點進行注漿封堵

選擇枯水期對浚河進行截留，找出浚河床的溶洞、溶蝕裂隙、張性裂隙等漏水點，對其灌注水泥漿液，充填河床底部裂隙和空洞。待水泥穩(wěn)固后放水檢測其封堵效果，對其封閉不良的和新發(fā)現(xiàn)的漏水點再次進行封堵。

對浚河河床漏水點進行注漿封堵，一方面可直接堵住浚河水對礦床的充水危害，另一方面可減小地下水的徑流流速，為帷幕注漿截流治水提供可行性條件。

(2)帷幕注漿截流治水

帷幕截流治水技術是通過在含水層中注漿建造地下阻水墻，人工改造水文地質條件，堵截含水層的補給通道，使之易于疏干或疏水降壓，讓含水層的承壓水頭降至安全水頭以下，是防止礦床突水的有效方法之一[14-17]。

根據(jù)以上研究，巖溶發(fā)育、富水性較強的地段為24線以東(圖3)；-100m標高以上地段，尤其是F1斷層破碎帶，注漿孔孔深應控制住巖溶發(fā)育段。

鉆孔注漿前應先采用井中電法確定溶洞的大小形態(tài)，為溶洞(隙)的充填阻水方法的確定提供依據(jù)，并首先對大溶洞或巖溶發(fā)育孔段進行充填阻水，然后灌注水玻璃或水泥漿，注漿后應采用壓水試驗對注漿鉆孔的注漿質量進行質量驗證評定[18-21]。

帷幕注漿治理后，對研究區(qū)內長觀孔地下水位、浚河徑流量進行定期觀測，并結合礦坑涌水量進行統(tǒng)計分析，以確定徑流通道的堵截效果[22]。