1、11. 绪 论徐州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：徐州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 4.80km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：徐州铁矿集团有限公司（国有股份制企业）（6）法定代表人：孟宪华（7）通讯地址：江苏省铜山县利国镇 邮政编
2、码：2211381.1 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置，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（2）查明矿坑突水来源及其导入通道，分析突水机理、论证矿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
3、，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，20062008 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
4、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3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
5、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19791980 年，徐州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，布置了部分物探工作，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；提交了徐州利国铁矿吴庄矿区副井工程地质水文地质
6、勘察报告 。19811983 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（江苏省徐州地区） ，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。4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
7、工作；矿区勘探则主要查明了矿体的分布状况，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置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 矿区地理位置吴庄铁矿为徐州铁矿集团有限公司的下属企业，位于江苏省徐州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 4.80km。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
8、通发达、交通条件十分便利。见图 11。5图 11 吴庄矿区交通位置图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 企业概况徐州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，隶属于徐州市国资委。 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
9、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6企业的接续矿区。截至 2008 年底，徐州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 矿山生产现状徐州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
10、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，采矿能力为 30 万 t/a。目前选矿厂矿石主要由镇北矿区供应。随着镇北矿区储量逐渐减少，徐州铁矿集团开始建设吴庄矿区，作为镇北矿区的接续矿山，设计原矿开采能力 50 万 t/a，矿石送往现有选矿厂分选；现有选矿厂经过扩产改造后原矿处理能力扩大到60 万 t/a，同时加工处理镇北和吴庄两个矿区的矿石。2008 年处理镇北矿区矿石 26 万 t，原生磁铁矿与赤褐菱铁矿比为 9：1，处理吴庄矿区矿石约 20 万 t；产铁精矿镇北矿区 14.42 万 t（TFe65%）
11、，吴庄矿区 11.475 万吨 t（TFe65.59%）；实现销售收入 31508.50 万元，利税 10050 万元。1.4 资源技改条件吴庄铁矿属于接触交代型的中型富铁矿床，矿石产于侵入岩体与围岩接触带及层间破碎带复合构造中，类型为含铜钴硫化矿的铁7矿石，在回收铁的同时，还可综合回收铜钴等其它金属。根据江苏省地质局第五地质队 1975 年 11 月提交的江苏省利国吴庄铁矿地质勘探报告 ，矿床地质储量 C1+C2 级 1524.15 万 t，平均品位 49.56%；主要由、号四个矿体组成。矿石开采方式为地下开采，竖井提升。现已完成矿井的基建工作，总投资 1.2 亿元。目前影响矿区开采的环境因
12、素主要是矿坑突水。由于围岩裂隙岩溶发育，富水性强，并且分布多条导水断层，导致开采过程中巷道内涌水量不断增大，排水成本成倍增加，并随时威胁着井下设备正常运行和矿工的生命安全。在进一步查明矿床充水因素及突水来源、导水通道的基础上，制定技术可行、经济合理的综合治理方案，通过帷幕注浆堵截地下水径流，减少向矿坑中的流入，降低排水成本，保障井下生产安全。并同时解放出部分防水矿柱资源量，提高矿石回采率，使有限的铁矿资源得到充分的开发利用。1.5 可行性研究依据本次可行性研究的主要依据有：（1）江苏省地质局第五地质大队 1975 年 11 月提交的江苏省利国吴庄铁矿地质勘探报告 ；（2）山东省鲁南地质工程勘察
13、院 2006 年 9 月提交的江苏省徐州市铁矿集团吴庄铁矿水文地质物探成果总结报告；（3）山东省鲁南地质工程勘察院 2006 年 9 月提交的江苏省徐州市铁矿集团吴庄铁矿矿区水文地质调查报告；（4）徐州铁矿集团有限公司吴庄铁矿井下巷道开采、排水生产记录等资料。1.6 项目实施的必要性8徐州铁矿集团吴庄铁矿目前采用井下巷道方式开采，由于矿体围岩裂隙岩溶发育、富水性强，并且分布多条导水性的断层，致使在开采过程中，巷道中地下水涌入量不断增大，并多次出现突水灾害。其中在标高-430m 中段主溜井巷道左帮出现的突水点突水量780m3/h，在标高-380m 水平东二巷岩溶水顺灰岩层间裂隙突入水量80m3/
14、h，在标高-380m号矿体中施工外环水平探水孔时遇到溶洞发生突水，涌水量 200300 m3/h。 矿坑突水不但造成了矿层开采困难、排水成本成倍增加，而且也存在着巨大的安全隐患，大量的地下水白白排入河道，也是一种资源浪费。开展矿区水文地质灾害综合治理与地下水资源保护可行性研究工作，进一步查明矿区断层构造的控水特征及矿床充水来源，制定合理的封堵水方案，通过工程措施减轻或消除安全隐患，对于最大限度地开发利用地下铁矿资源、保障矿区采掘工人的生命安全、实现企业可持续发展及有效保护地下水资源，均具有非常重要的社会、经济、安全、资源及环境效益。2. 矿区地质及水文地质条件2.1 自然地理概况2.1.1 地
15、形地貌特征吴庄铁矿位于徐淮剥蚀堆积平原。地表起伏不大，自郝家庄向北经吴庄村至小楼子村，分布着一条不太明显的近南北向垄岗，地面标高 3842m，构成该区的地表分水岭；分水岭以东地表水向尹家河方向汇流，以西向微山湖方向汇流。矿区南部的大成山一带为低山丘陵区，由数十个山丘组成，走向北东 75，绵延 10 余 km，山体标高 50 200m，由寒武纪、奥陶9纪地层组成。2.1.2 气候气候类型属于暖温带半湿润季风气候，四季分明，长年多东南风。春季气温升高快，蒸发强，常出现春旱；夏季降水集中，多出现暴雨，造成夏涝；秋季天气多晴，雨水偏少；冬季雨水稀少，多西北风。多年平均降水量 869.9mm，最大年降水
16、量 1279.0mm，最小年降水量 515.2mm；年内降水量多集中在 68 月份，其间的降水量占全年的 59%；最大月降水量 464.3mm，最大日降水量 125.0mm。多年平均气温 14.4，历史最高气温 43.3，最低气温-18.9。年平均风速 3m/s 左右，相对湿度 60%左右，年平均无霜日200220d，全年日照时数约 2400 小时，历年土层最大冻结深度0.24m。年蒸发量 1000mm 左右。2.1.3 水文2.1.3.1 微山湖微山湖位于矿区西部，相距 3.3 公里，是邻近区域最大的地表水体。该湖与昭阳湖、独山湖、南阳湖相互连通，合称为南四湖，总流域面积 31700km2，
17、总库容约 13 亿 m3。其中微山湖流域面积9900 km2，库容 2.5 亿 m3，正常湖水位标高 3133m ，最高水位36.84m（1957 年） 。目前微山湖与昭阳湖之间修筑了东西向大坝及两座节制闸，湖水位受到了人工作用的控制。微山湖与吴庄铁矿之间分布着一条宽度 500750m 的条带状奥陶系灰岩，一般隐伏于第四系亚粘土和钙质结核亚粘土之下，覆盖层厚度 110m；在矿区西部，灰岩则直接延伸至湖底之下，湖水与岩溶水之间存在着一定程度的水力联系。2.1.3.2 伊家河西起韩庄，经矿区东北部流至台儿庄入运河，全长 42.5km，河10床宽 30m，正常水位标高 31m 左右。河床底部为不透水
18、的二叠系砂页岩，距矿体最近距离 1.2km，与矿区地下水无直接的水力联系。此外，在吴庄矿区范围内，无大中型自然河流分布，但人工挖掘的灌溉渠道较多，纵横交错，尤其是义和庄北侧开挖的灌溉渠道，常年有水，且底部直接与奥陶系灰岩接触，水体对矿区地下水具有直接的渗漏补给作用。2.1.4 区域稳定性特征2.1.4.1 地震活动概况及其影响据有关资料统计，徐州市及其周围地区历史上发生过有记录的地震 54 次，震中均位于周围地区；其中 5 级以上的地震 15 次，对区内造成不同程度震害的有 4 次。4 次较大的地震主要是：462 年发生在山东兖州县的 56 级地震、1502 年 10 月发生在河南濮城的6.5
19、 级地震、1668 年 7 月发生在山东郯城的 8.5 级地震和 1937 年 8月发生在山东菏泽的 7 级地震。其中又以郯城发生的 8.5 级地震造成的震害最大，震中烈度 12 度，徐州地区为 8 度。根据徐州府志记载：这次地震造成了“ 城垣官署民庐倾覆过，远近压死人不可数记”的特大灾害。菏泽发生的 7 级地震亦造成了徐州旧房坍塌 5060 间，死亡 20 余人。近期（19601980 年）发生在徐州的仅有一次，震级 23 级；发生在邳县、新沂市、丰县、沛县的地震 38 次；其余地震多发生在郯庐断层带附近。由此可知，邻区的地震波及对吴庄矿区的地壳稳定性存在着一定程度的影响，但该区地震活动较为
20、微弱，属于地壳基本稳定区。2.1.4.2 地震烈度区划据徐州市城市抗震防灾规划 ，徐州利国地区地震条件不太复杂，深部构造相对简单，地震活动强度和频率较低，为一相对稳定11的块体，今后发生中、强地震的可能性不大，地震烈度为 7 度。2.1.4.3 矿区场地稳定性吴庄矿区地形较为平坦，地面坡度小，而在矿区部分地段浅部灰岩中的裂隙岩溶较为发育，虽然大多已被粘性土填充，但在矿床开采过程中，矿坑排水导致岩溶地下水位降低，天然水文地质条件发生改变，岩溶、裂隙中的充填物会被潜蚀掏空，产生岩溶塌陷，危及建筑物安全，因此地面稳定性一般。矿区第四系松散层较薄，岩性主要为残坡积和洪坡积成因的亚粘土、钙质结核亚粘土，
21、浅部土层容许承载力较大，地基较稳定。2.2 矿区地质概况2.2.1 地层按照华东地区区域地层表划分，该区域地层属于华北地层区鲁西地层分区徐州至宿县地层小区。在矿区分布的地层主要有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和第四系。各地层主要岩性见表 21。表 21 矿区地层简表地 层 时 代 厚 度（m） 代 号 地层名称 主 要 岩 性第四系 110 Q 亚粘土及钙质结核亚粘土上统 250 P2s 石盒子组 杂色粘土岩、页岩为主，间夹砂页岩二叠系 下统 108 P1s 山西组 页岩及砂岩互层上统 175 C3t 太原组 灰岩，碳质页岩，砂岩互层石炭系中统 2040 C2b 本溪组 灰岩，铁质页岩及铝土页
22、岩7097 O2c 晁所组 白云岩及钙质白云岩中统200 O2m 马家沟组 豹皮灰岩及白云质灰岩70115 O1d 大泉组 白云岩夹灰岩、泥质白云岩360 O1z 寨山组 灰岩或白云岩夹钙质白云岩奥陶系 下统714 O1j 贾汪组 泥质白云岩、泥质灰岩，钙质白12云岩170225 3f 凤山组 豹皮灰岩、白云岩60 3c 长山组 薄层灰岩与竹叶状灰岩互层上统60 3g 崮山组 薄层灰岩夹鲕状灰岩寒武系中统 210 3z 张夏组 灰岩、鲕状灰岩矿区地层总体走向近 EW 向，倾向 NW。在矿区北部走向由NNE 向转为 NW 向，倾向 NE。地层倾角：矿区南部 40左右，中部较平缓，为 1020，北
23、部 26左右。2.2.2 岩浆岩及围岩蚀变矿区所见岩浆岩是一套以中性为主，伴有中酸性、酸性偏碱性的岩浆杂岩体，属于燕山期岩浆活动的产物，主要岩性为角闪闪长玢岩、闪长玢岩、石英闪长斑岩及脉岩类。分布位置主要在矿区的东部和北部地区，它们在相似的条件下，表现为多次侵入活动，形成了较完整的同源岩浆演化旋回体系，侵入到奥陶系、石炭系和二叠系三个地层层位当中。从以前资料分析，这些侵入岩体在奥陶纪地层中大致呈东西方向延伸，受 EW 向基底断层构造与 NENNE向断层构造复合部位的控制。矿区内围岩蚀变较发育，主要产生在矿体下部，蚀变宽度由几m 到十几 m，有的达 20 多 m（ZK 76 孔） ；矿体顶板蚀变
24、较弱，几cm 到几十 cm，很少超过 1m。由于蚀变作用，岩石多粘性土化、透水性差、强度降低，导致矿体附近的围岩稳固性变差，在高压水头的作用下，易沿接触带发生突水事故。2.2.3 矿区地质构造矿区处于徐州复背斜 NNENE 向构造带东北部倾伏端与近EW 向基底断层控制的郑集利国煤田两组构造复合部位。褶皱多表现为开阔的短轴背斜及向斜。区内断层构造发育，主要有近 EW13向及 NE 向两组（一般前者早于后者） ，其次为 NNE 向和 NW 向断层。这些断层都具有不同程度的继承性和复活性运动的特点。奥陶系灰岩和闪长玢岩（或闪长斑岩）的节理裂隙最为发育，共有两组：一组走向 90110，倾向 NNE 或
25、向南；另一组走向345 5，倾向 SWW 或向东，倾角 70左右，部分近于直立。吴庄矿区的褶皱主要为利国到吴庄附近的 EW 向短轴背斜，轴部由奥陶系组成。北翼主要分布中、上石炭系和二叠系；南翼为一对应的小向斜，轴部由中、上石炭系组成，向斜两翼均为奥陶系；背斜倾伏端亦为石炭系环绕。该背斜在蔡山、义和庄之间被断层分成东西二部分，其中义和庄吴庄部分构成吴庄矿区背斜构造的主体。矿区内断层主要为近 EW 向的张扭性正断层，使地层形成阶梯状下落，旁侧岩石破碎，小错动发育。如 F1、F 2、F 3、F 5 断层及NW 向、 NE 向的构造破碎带等，这些断层带及构造带为地下水的赋存和运移提供了空间。吴庄矿区地
26、质构造及地层分布情况见图 21。14图 21 吴庄矿区地质简图2.3 矿区水文地质条件2.3.1 矿区地下水类型及其赋存特征根据含水介质的岩性特征及地下水的赋存条件，矿区地下水可划分为松散岩类孔隙水，碎屑岩类孔隙裂隙水，岩浆岩类裂隙水和碳酸盐岩类裂隙岩溶水四种主要类型。现分述如下：2.3.1.1 松散岩类孔隙水赋存于第四系松散堆积物的孔隙中。矿区第四系分布广泛，岩性主要由亚粘土和钙质结核亚粘土组成，厚度 110m，由于无砂层发育，富水性弱，水文地质意义不大。2.3.1.2 碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于矿区北部和东部区段的二叠系砂岩、砂质页岩的裂15隙中。在地表浅部岩石风化裂隙发育，易于接受补给
27、，相对富水；矿区北侧的原红卫煤矿，在深度 55m 的风化带中采煤时，坑道长370m，排水量 240m3/d。风化带以下的岩石相对完整、新鲜、致密，裂隙不发育，富水性弱。2.3.1.3 岩浆岩类裂隙水主要分布在利国镇东垄子、西垄子、蔡山、义和庄和吴庄等地段，赋存于闪长玢岩、闪长斑岩、花岗斑岩及石英闪长斑岩等岩石的风化与构造裂隙中。在裸露区 50m 以浅，岩石风化裂隙、构造裂隙较发育，易接受大气降水补给，形成裂隙潜水。在矿床范围内，地下水赋存于矿床下部及石炭系中侵入岩体的构造裂隙中，赋水空间发育差，富水性弱，钻孔单位涌水量小于 0.04L/(sm)。2.3.1.4 碳酸盐岩类裂隙岩溶水主要赋存于碳
28、酸盐岩类岩石的构造裂隙及溶蚀孔洞中，根据含水介质的岩性特征、组合关系以及地下水赋存环境的差异又可以将其大致划分为以下两种类型。（1）碳酸盐岩类岩溶裂隙水主要赋存在寒武系石灰岩、白云岩及石炭系灰岩、砂岩及页岩互层介质的裂隙之中。分布区域主要在矿区南部的丘陵区，以及矿区的北部、东部地区，在矿区南部及西南部呈条带状分布，含水岩层宽度在 200400m 之间。寒武系岩层分布在南部丘陵地带，并多裸露于地表，浅部裂隙岩溶较为发育，易于接受降水入渗补给，富水性相对较好；但随着深度增加，岩石裂隙岩溶发育程度逐渐变差，富水性减弱。据以往勘察资料：张夏组灰岩分布区钻孔单位涌水量一般在 14L/(sm)左右；崮山、
29、长山和凤山组灰岩、白云岩分布区钻孔出水量相对较小，单16位涌水量一般小于 0.2L/(sm)；地下水类型以 HCO3Ca 型或HCO3CaMg 型为主。石炭系岩层分布范围较为广泛，在矿区北、东、南和西南部方向均有分布，除局部地段出露以外，大多隐伏于第四系松散岩层之下。受岩性组成及组合关系的影响，岩层裂隙岩溶发育程度差，富水性弱，钻孔单位涌水量一般小于 0.04L/(sm)。对区域地下水的循环运动来说，石炭系岩层具有相对隔水作用。（2）碳酸盐岩类裂隙岩溶水该类地下水是矿区地下水的最主要类型，含水介质由奥陶系晁所组、马家沟组、大泉组、贾汪组灰岩、白云岩及白云质灰岩等岩性组成，分布在矿区的南部、西部
30、及西南部的大部分区段，厚度较大。由于受到褶皱、岩浆岩侵入及多条断层构造影响，岩层裂隙岩溶发育程度较高，并分布有多条断层及构造破碎带，为地下水提供了良好的赋存与运移空间，在矿区南部和西部形成岩溶水富集区，含水层富水性中等强，局部地段富水性极强；如：矿区主井处的钻孔单位涌水量 4.85 L/(sm)，ZK 92 号孔单位涌水量 4.28 L/(sm)，风井处钻孔单位涌水量 5.61 L/(sm)，矿区东侧的 ZK17 号孔单位涌水量 16.59 L/(sm)，F 20 号断层西部东马山一带的电 2、电 4、电 6 等钻孔单位涌水量则在 25.5433.70L/(sm)之间。碳酸盐岩类裂隙岩溶水水质
31、优良，矿化度在 0.30.5g/L 之间，水化学类型以 HCO3Ca 型及 HCO3CaMg 型为主。2.3.2 岩溶水径流带分布及发育规律碳酸盐岩类地层岩溶裂隙发育具有显著的不均一性，含水层中地下水的渗流运动主要受裂隙岩溶发育程度及其连通性的影响，储存在溶蚀孔洞及裂隙中的地下水沿着网络状溶隙运动逐渐往岩溶裂17隙发育程度较高的、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
32、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、F 3 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
33、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，18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
34、。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
35、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19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
36、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
37、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。20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。2.3.4 地下水化
38、学特征矿区地下水水质良好，无色、无嗅、无味、透明，水温 1617。矿化度 0.50.7g/L ，总硬度 382mg/L，pH 值 7.8，水化学类型为 HCO3Ca 或 HCO3CaMg 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。213. 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
39、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
40、奥陶系灰岩裂隙岩溶发育状况见表 31。22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表 31 奥陶系灰岩裂隙岩溶发育状况统计表含水带，深部完整灰岩裂隙承压弱含水带，F 1 断层裂隙岩溶承压中等含水带，北西向构造裂隙岩溶承压中等含水带，F 3 断层裂隙岩溶承压强含水带，北东向构造破碎裂隙岩溶承压强含水带等。分述如下：（1）浅部裂隙岩溶潜水中强含水
41、带（简称浅部中强含水带）分布在吴庄矿床中部以南区域，呈面状展布，含水层发育深度14.2178.79m（ZK 83 孔） ，平均厚度 52.57m，富水中等到强，但具有明显的不均一性；在风井以东勘探时施工 14 个钻孔，有 12 个钻孔发现漏水，钻孔单位涌水量 0.692.19L/(sm)，渗透系数1.293.60m/d；而风井以西施工的 21 个钻孔，仅有 7 个钻孔漏水，钻孔单位涌水量 0.1162.024 L/(sm)，渗透系数 0.283.68m/d。该控制钻孔（个） 钻孔分带统计 钻孔项含水带 目名 称钻 孔总 数遇岩溶现象钻孔遇裂隙溶洞钻孔总厚度（m）遇裂隙溶洞累计高度（m）钻孔遇裂
42、隙溶洞最大高度（m）钻孔遇裂隙溶洞最低标高（m）遇裂隙溶洞能见率（%）岩溶率（%）浅部带 35 35 11 1711.30 27.63 7.69 31.43 1.61F3 断层带 17 13 5 883.33 14.32 8.78 -419.66 29.41 1.62北东向破碎带 5 5 3 380.86 5.77 3.34 -299.33 60.00 1.51F1 断层带 30 24 5 1363.50 6.31 1.50 -412.30 16.67 0.46北西向构造带 2 2 1 63.70 1.90 1.00 -446.47 50.00 2.98深部带深部完整灰岩带 93 少数 4 1
43、6169.10 1.90 4.30 0.00723含水（层）带具有较好的开放性，岩溶水具有潜水性质，可接受大气降水及农田灌溉水的补给。（2）深部完整灰岩裂隙承压弱含水带（简称深部弱含水带）分布在浅部含水带以下或埋藏于煤系地层之下，埋深较大，裂隙岩溶发育差，岩石完整性较好，富水性弱。该带埋藏标高23.93748.81m，一般多在标高-20m 以下，厚度 116.80570.12m ，上与浅部含水带及石炭系岩层相连，下与岩浆岩或矿体接触。据以往抽水试验资料，钻孔单位涌水量 0.00070.064 L/(sm)，渗透系数0.0006530.143m/d。（3）F 1 断层裂隙岩溶承压中等含水带（简称
44、 F1 中等含水带）该带西起 ZK120 孔，经过主矿体上部在 ZK33 孔南与北东向构造破碎带岩溶裂隙含水带相交，向东延伸至 ZK29 孔出矿区。初步推测断层带长 5000m 左右，向北倾，倾角 70，宽度 15.7831.47m ，呈楔形在深部尖灭于火成岩和矿体之上，平面投影宽度 105250m，埋深在-400 米以上；钻孔单位涌水量 0.03180.934L/(sm) ，渗透系数 0.1139.76m/d。地下水为承压水，水头高度 2080m，矿化度0.2760.326g/L，水温 16.819.8，水化学类型为 HCO3Ca 型。该含水带在苏庄及其南部一带与矿体直接接触，矿床开采时，其
45、中的地下水将会直接涌入矿坑中。（4）北西向构造裂隙岩溶承压中等含水带（简称北西向中等含水带）分布于 ZK83 孔与 ZK101 孔之间，向南东方向延伸，推测长度大于 250m，宽度 20 米，倾向北西，倾角 75左右，破碎带中方解石脉较为发育，并胶结破碎的岩石。埋藏标高 4.5-487m，上部与浅部含水带相通，含水较丰富，钻孔单位涌水量 0.807L/(sm)，渗透系数2415.23m/d，可接受浅部含水带潜水补给，地下水动态变化和水化学类型与浅部含水带基本一致，与北东向构造破碎带含水带和 F1 断层含水带水力联系微弱，如位于 F1 含水带的 ZK102 孔抽水时，该带内的 ZK83 孔、ZK
46、 101 孔地下水位均未受到影响。（5）F 3 断层裂隙岩溶承压中强含水带（简称 F3 中强含水带）位于矿体北侧，走向东西，向北倾斜，产状东陡西缓，东段 80左右，西段 60左右，带宽 1040m，埋藏标高-3.50-500m，东端控制到 ZK25 孔，西端延伸穿过津浦铁路至电 2 孔。推测断层带长度大于 2500m，平面投影宽度 84244m。地下水主要赋存在标高-2.78-430m 的奥陶系灰岩破碎带中，前期勘探时在该含水带中施工的钻孔有 80%以上严重漏水，钻孔单位涌水量 0.9802.481L/(sm) ，渗透系数 5.5513.72m/d 。而埋藏在石炭系下部、标高-430m 以下的
47、奥陶系灰岩破碎带富水性则大大减弱，如 ZK74 孔、ZK 86 孔分别在标高-497m 和 -642m 深度遇到 F3 断层的角砾岩，均未出现漏水现象。地下水在含水带内连通性好，钻孔抽水结束后，水位恢复特别快，停抽不到一分钟，就可恢复到原来的静止水位。地下水矿化度0.20.3g/L，水温 17 22.5，水化学类型为 HCO3Ca 型。该带在西部义和庄一带与浅部岩溶含水带直接连通，水力联系密切，吴庄铁矿排水降落漏斗扩展到西部时，曾在义和庄北部灌渠中见到水体下渗形成漩涡；矿区勘探期间，韩庄电厂电 2 号供水井抽水时，相距 1800m 的矿床内 ZK103 孔水位下降 1.03m。该含水带与北东向
48、含水带、F 1 含水带、北西向含水带之间分布的灰岩裂隙岩溶发育较差，致使其与其它各带之间的水力联系比较弱。例如：在该带中的 ZK25 孔抽水，位于北东向含水带中的 ZK33孔水位未受到影响；本带中 ZK96 孔抽水， F1 断层含水带中的 ZK10225孔、北西向含水带中的 ZK83 孔水位也未受到影响。该带地下水位常年比北东向含水带水位低 23m，比 F1 含水带、北西向含水带地下水位低 12m。在苏庄东部该含水带直接切割矿体，矿床开采时该带中地下水可以直接涌入坑道，应加以防范。（6）北东向构造破碎裂隙岩溶中强含水带（简称北东向中强含水带）位于矿体东南部，倾向西北，倾角 75左右，宽度 92
49、3m，长800m，水平投影宽度 74.69111.64m，埋藏标高-21.58-442.32m，北端在 ZK33 孔以北尖灭，向西可控制到 ZK92 孔。该构造带内方解石脉非常发育并胶结角砾状灰岩碎块，岩溶裂隙发育，透水性良好，含水丰富，在该带施工的钻孔 80%以上漏水。钻孔单位涌水量 0.3882.858L/(sm) ，渗透系数 0.9213.670m/d 。ZK 17 大口径孔抽水时，对 ZK33 孔、ZK 9 孔、ZK 5 孔水位均有明显的影响，各孔地下水位分别下降了 6.58m、6.35m、6.31m ，说明该带内部地下水的连通性较好。带内地下水矿化度 0.3g/L，水温 17.722.8，水化学类型为 HCO3Ca 或 HCO3Ca、Mg 型。该含水带位于矿体之上，局部地段与矿体接触，矿床开采时应注意冒顶突水威胁。3.1.1.2 石炭系太原组碳酸盐岩夹碎屑岩类岩溶裂隙含水层组成岩性主要为太原组的砂岩、页岩和灰岩，内部顺层穿插数层巨厚的
