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摘要 ：研究矿山水文地质条件对指导矿山开采具有 重要意义。结合矿区内水文地质条件，进行了矿床充水因 素分析，并采用水文地质比拟法计算矿坑涌水量。首先， 对矿山水文地质条件进行了分析，主要是含(隔) 水层、 构造、“天窗”、边界条件、岩溶发育及地下水补径排条件; 其次，对矿床充水因素进行了分析，发现奥陶系马家沟群 灰岩裂隙岩溶水为矿床开采的主要充水水源， 与外围奥陶 系石灰岩岩溶裂隙含水层连为一体，补给充沛 ;最后，根 据目前 -150m 水平开采情况，采用水文地质比拟法计算矿 坑涌水量。研究结果表明此矿山为水文地质条件复杂的岩 溶裂隙直接充水矿床。
关键词 ：大水矿山,水文地质,矿山水害,涌水量预测
1 概况
此矿山位于鲁中隆起的凹陷部分，所处大地构造位置 属华北板块(Ⅰ) 鲁西隆起区(Ⅱ) 鲁中隆起(Ⅲ) 新甫山 - 莱芜断隆(Ⅳ) 泰莱凹陷(Ⅴ) 中部。
矿区属温带大陆性季风气候，历年平均降雨量 760.90mm。矿区范围内存在 2 条河流，水流方向由北向 南。区内第四系沙砾石层孔隙含水层富水性强 ;中奥陶系 灰岩含水层为矿体直接顶板，岩溶发育程度高，储水导水 能力强 ;而第三系红砂岩层厚度较大，为相对隔水层，切 断了第四系、中奥陶系灰岩之间的水力联系，但少数区域 存在“天窗”构造，使得局部地段第四系、中奥陶系灰岩 之间存在水力联系 ;矿体直接底板是闪长岩， 在成矿热液 作用下形成了较厚的内蚀变带，即矽卡岩层，在构造裂隙 切割作用下破坏了闪长岩的整体性， 使其富含裂隙水。
综上所述，本矿具有动储量、静储量大的特点，为水 文地质条件复杂的矽卡岩型大水矿山。
2 矿山水文地质分析
2.1 含、隔水层
矿 区 地 形 平 坦， 自 然 坡 度 小， 地 形 标 高 170.83m ～ 184.36m， 矿区内地表水系发育， 汶河从矿区南 侧流经，为主干河流，最大洪峰流量达2920m3/s，嘶马河 位于矿区中部， 方下河位于西部， 均由北向南流入汶河。
第四系覆盖矿区全部区域，下伏含、隔水层自上而下 依次为第四系冲(洪)积砂砾石孔隙含水层、古近系黏土质砂岩(粉)砂岩隔水层、奥陶系马家沟群灰岩裂隙岩溶 承压含水层、燕山期闪长岩相对隔水层。各含、隔水层的 水文特征参数。
(1)第四系冲(洪)积砂砾石孔隙含水层富水性强， 厚 度 10m ～ 15m， 渗透系数(K)为 50m/d ～ 300m/d， 钻孔 单位涌水量(q)为4l/s ·m ～ 25l/s ·m。
(2)古近系黏土质砂岩(粉)砂岩隔水层富水性弱，厚度 1×10-4m～300m，渗透系数(K)为2.5×10-4m/d～3.2×10-4m/d， 钻孔单位涌水量(q)为 1.7×10-4l/s·m ～ 3.8×10-4l/s·m。
(3)奥陶系马家沟群灰岩裂隙岩溶承压含水层富水性 中等～强，为矿床直接顶板，厚度200m ～ 300m，渗透系 数(K)为 0.0446m/d ～ 25.91m/d， 钻孔单位涌水量(q)为 1l/s ·m ～ 2l/s ·m。
(4)燕山期闪长岩相对隔水层富水性弱，为矿床直接 底板，渗透系数(K)为 0.05m/d ～ 0.1m/d， 钻孔单位涌水 量(q)为 0.1l/s·m ～ 0.8l/s ·m。
2.2 矿区构造
本矿床位于矿山弧形背斜西南倾末端之北西翼，矿区 内构造较简单，多是单斜构造。本矿断裂构造发育，走向 以北东方向为主，通过矿山多次勘探及多年建设，发现矿 山 -3线～ 19线之间存在 6 条大型断裂构造，分别为F1 断 层、F11 线断层、F23 线断层、F25 线断层、F28A 线断层和 F34 线断层。依据断层性质分类，F1 是压扭性断层，F11 线、F23 线和、F25 线、F28A 线断层和 F34 断层均为张性 断层。此外，上述部分断层附近次生构造呈羽状、树枝状 发育，与主要断裂构造一起成为矿区地下水运动、贮存的 良好通道，预计通过上述构造时井下将揭露较大涌水。因 此，构造断裂带是本矿的主要突水通道。
2.3 “天窗”构造
矿区范围存在四个“天窗”。各“天窗”特点简述如下。
(1)赵庄“天窗”。位于耿公清村东侧至嘶马河河床之 间，赵庄断层北部，张公清断层东部，与谷家台铁矿相距 1.2km，两断层交汇形成中奥陶系灰岩断块凸起。第四系 水位较灰岩水位高 3m ～ 8m，能够补给灰岩水，最大渗漏 量为 15000m3/d。
(2)主孔“天窗”。位于矿体正上方，“天窗”区域第四 系为双层结构，厚度仅 7m ～ 10m，由上至下分别为 ：轻 亚黏土、亚砂土类粉细砂层、砂砾石层。受大气降水及地表水补给的第四系砂砾石层，水量丰富，透水性强，水位 埋深 1m ～ 3m。通过计算， 其最大渗漏量为 11300m3/d。
(3)牛王泉“天窗”。位于牛王泉村东侧。第四系厚 度约 10 m，上部砂质黏土层厚度 4m ～ 6m，下部砂层为 4m ～ 5m，第三系缺失，致使第四系与灰岩直接接触。由 于 1973 年矿山抽水试验期间，灰岩地下水位已低于第四 系底板，牛王泉泉水干涸，转化为垂直补给源，但地面未 见塌陷， 因此预测其渗漏量不大。
(4)杜官庄“天窗”。位于杜官庄北、矿区西南 2.5km 以外的汶河中。灰岩在河床中出露，部分埋于砂层之下。 1973 年抽水试验时，“天窗”的灰岩水位已脱离河床第四 系底板，达到最大渗漏条件，两岸灰岩水位差 2.22m，但 未见塌陷。经预测，其渗漏量为 0.37 万m3/d。但是， 杜官 庄“天窗”位于汶河河床下，灰岩与第四系直接接触，具 备渗漏条件， 因此是矿床充水的潜在威胁。
2.4 含水层的边界条件
矿区四周受构造条件限制而形成一似封闭形边界。矿区 东南部为矿山弧形背斜核部闪长岩体构成的隔水边界 ;矿区 北部、西北部、西南部均存在压扭性断层， 构成弱透水边界。
矿区四周虽为上述弱透水边界和隔水边界所包围，但 西南边界外侧灰岩岩溶裂隙较发育， 且与南部外围出露灰 岩形成的山体存在联系，大气降雨能够直接补给，地下水 补给来源充沛，而边界两侧通过过水通道连通，因而成为 矿区地下水的主要补给边界。矿区的北边界虽有一定阻水 作用，但边界外侧灰岩与西南部补给区灰岩相连为一整 体，水源充沛，并可通过该弱透水边界形成一定补给，成 为矿区地下水的次要补给边界。
2.5 岩溶发育
矿区岩溶裂隙主要发育于马家沟群灰岩含水层中，富 水性强。通过水对灰岩的侵蚀、溶蚀作用， 形成了各种各样 的岩溶形态 ;由于受到地质构造、岩性差异等因素的影响， 岩溶发育本身也有着自身的特征。垂直方向上，岩溶发育 程度存在随深度增大而变弱的趋势，根据该项特点在深度 上将岩溶发育划分为富水性强段、中等富水段、弱富水段。
(1)富水性强段。存在于 -150m 以上区域，裂隙率为 2% ～ 5%， 岩溶裂隙较发育。
(2) 中等富水段。存在于 -150m ～ -300m 区域， 该区 段岩溶裂隙发育强度相对减弱，岩溶裂隙率为 1% ～ 3%， 钻孔单位涌水量(q)约为 1l/s ·m ～ 2l/s ·m。
(3)弱富水段。-300m 标高以下区域，该区段岩溶裂 隙明显变弱，钻孔单位涌水量(q)小于 1l/s·m，岩溶裂 隙发育的最大深度可达 -600m标高左右。
2.6 补、径、排条件
(1)补给。矿区范围内岩溶裂隙水补给源可依据来水方向可分为侧向补给、垂向补给。其中， 西南部边界来水为 侧向补给，影响范围较大。另外，抽水试验过程中发现，矿 山疏干排水造成西北边界外侧水位高于矿区内水位，使得 外界地下水补给矿区内部。矿区内“天窗”构造垂向补给矿 体围岩，连通下覆灰岩与第四系之间的水力联系。实践发 现，天然条件及抽水疏干时，“天窗”内灰岩水位高度均低 于第四系水位高度， 且第四系孔隙水为灰岩的长期补给源。
(2)径流、排泄。天然条件下，矿区内西南、东北方向 的灰岩地下水均朝牛王泉方向汇流排出。抽水试验结果表 明，矿坑排水超过 4000m3/d 时，地下水流向发生逆转，变 为自西南、东北向矿坑汇流补给。因此矿山水文地质条件 具有静储量大、动储量补给来源丰富、地下水迳流条件好 的特征，然而岩溶裂隙存在不均一性，其发育极不均匀， 促使灰岩储水、导水能力不均。
3 矿床开采的主要水害分析
矿井突水来势凶猛，具有突发性、瞬时水量大、破坏 性大的特点，因此井下坑道会在短时间内被突水淹没，给 矿山带来财产损失及人员伤亡。为防范类似突水事故发 生，应对矿山突水机理进行深入分析，以便指导矿山防治 水工程的设计与实施。
3.1 充水水源
矿区内充水水源有地表水、第四系冲(洪)积砂砾石 孔隙含水层、奥陶系马家沟群灰岩裂隙岩溶水、燕山期闪 长岩风化裂隙水， 各充水水源特征如下。
(1)地表水。矿区内地表河流发育，矿区中部有嘶马 河，西部有方下河， 两河均自北向南穿矿区流入汶河。
第四系 ：松散冲(洪)积物，棕黄色，厚度7m ～ 12m， 最厚达26m。在方下河与嘶马河之间，上部为0.5m ～ 8.0m厚 的灰褐色腐植土及棕黄色亚砂土、亚黏土， 为良好的隔水层。
古近系 ：厚20m ～ 40m， 主要为紫红色黏土质粉砂岩， 含水性微弱， 具有良好的隔水性能， 能够阻挡水的渗漏。
矿坑顶部存在以上两个隔水岩层，使得地表水与地下 水沟通不畅，因此地表水无法直接威胁矿体开采，属于矿 山开采的次要充水因素。
(2)第四系孔隙水。第四系孔隙水补给来源充沛，自 身富水性较强，由于孔隙率较高其透水性较好。由于古近 系红色砂岩具有良好的隔水性能，一般情况下，第四系孔 隙水不与下覆灰岩水产生直接的水力联系 ;但在局部“天 窗”构造区域或地下水过量开采形成的塌陷区情形下，两 含水层直接连通。因此天然条件下，第四系孔隙水不对矿 坑充水形成直接威胁，但在“天窗”、超采条件下可转变为 次要充水因素。
(3)奥陶系马家沟群灰岩裂隙岩溶水。是矿床开采的主要充水因素，为矿体直接顶板，厚度较大，岩溶裂隙十分发 育，而且区域内外奥陶系灰岩水力联系密切， 致使矿区内灰 岩水补给来源充沛， 有利提升地下水的储水、导水性能。
(4)燕山期闪长岩风化裂隙水。该岩层一般岩体坚硬 致密，富水性微弱，为良好隔水层。但是，其在成矿热液 作用下形成了较厚的内蚀变带，即矽卡岩层，又在构造裂 隙切割作用下使岩体整体性变差， 表层风化带中含有少量 裂隙水，且因断层及其次生构造发育程度不同，导水性呈 各向异性， 非为矿床开采的主要充水因素。
3.2 充水水压
水头压力是矿坑突水后地下水的动力源，突水的水 压是决定矿坑突水强度的主要因素之一。突水的水压为 矿区的静止地下水位与矿坑突水点标高之间的高差。根 据矿区地表水文观测孔记录的静止水位标，深部开拓的 主要 中段 -150m、-200m、-250m、-300m、-350m 等将面 临 2.3MPa ～ 4.3MPa 的高压水威胁。
3.3 充水通道
突水通道通常指突水水源与矿坑之间天然存在或人 为因素产生的导水通道。主要的充水通道有风化裂隙、构 造断裂带、矿脉是较宽的断裂带、竖井、井下巷道，此外， 也不能忽视隐伏构造和封堵不良的钻孔、井筒对矿井充水 的影响。
(1)封堵不良的钻孔。矿山建矿前后进行了多次地质 勘探、水文地质探勘工作， 累计施工地面勘察孔200 余个。 通过核查资料， 所有钻孔全部用黄泥球和水泥砂浆进行了 封孔，且根据工程揭露的情况看，钻孔封孔质量较好，为 了确保井下工程揭露钻孔时的安全性， 开采过程中提前分 析勘探孔位置， 全部进行井下钻孔预注浆封堵。
由于矿区原本施工的钻孔均进行了封堵、且封堵质量 合格， 因此不存在未封地质钻孔形成突水通道的可能性。
(2)构造断裂带。矿区内断裂构造发育，以北东方向 为主，在矿床范围内，已探明或揭露的大的断裂构造有 6 条。且断层附近次生构造呈羽状、树枝状发育，与主要断 裂构造一起成为矿区地下水运动、贮存的良好通道，预计 通过上述构造时井下将揭露较大涌水。因此，构造断裂带 是谷家台铁矿的主要突水通道。
(3)“天窗”构造。矿区内外的奥陶系石灰岩裂隙岩溶含 水层连为一体，存在强烈的水力联系，因第三系部分缺失， 部分区段灰岩与第四系直接接触形成“天窗”，第四系砂砾 石孔隙含水层及地表水能够直接补给下覆灰岩含水层。
矿区内共有四个“天窗”。其中，赵庄“天窗”距离谷 家台矿床 1.2km，预测最大渗漏量为 1.5 万m3/d ;主孔“天 窗”位于矿体之上，预测最大渗漏量为 1.13 万m3/d ;牛王 泉“天窗”、杜官庄“天窗”预测渗漏量不大。因此，“天窗”也是谷家台铁矿的突水通道，赵庄“天窗”、主孔“天窗” 危害较大。
(4)老窿水。矿山始建于 1970 年 5 月，最初设计采矿 方法以崩落法为主， 在后续的开采过程中已将前序采用去 进行充填治理。而后改用充填法开采，因此不存在井下采 空区形成突水通道的可能性。
综上所述，奥陶系石灰岩裂隙岩溶含水层为矿体直接 充水含水层，岩溶裂隙较发育，富水性强，可通过断层构 造或接触带构造补给矿坑。此外，矿区内外部奥陶系石灰 岩岩溶裂隙含水层连为一体，水力联系密切，又在矿区周 边出露地表或河床内形成“天窗”，第四系砂砾石孔隙含 水层、地表水通过此构造补给下覆灰岩。
4 涌水量预测
对已生产矿山的延深，在水文地质条件变化不大时， 可直接根据矿山已开拓巷道及排水量资料， 预测下一开采 水平的涌水量是比较合理和有可比拟性的。因此采用水 文地质比拟法预测未来开采水平的矿坑涌水量， 最大涌水 量按正常涌水量的 1.5 倍计算。计算过程中，以 -150m 水 平现状为已知量，矿坑平均排水量为 14844m3/d， 通过水 文观测孔记录至 -150m 水平水位降深206m ;预测 -200m、 - 350m 水平时，地下水水位降深分别为256m、406m。因此， 预测 -200m 水平坑道正常涌水量 14844m3/d， 最大涌水量 24820m3/d ;预测 -350m 水平坑道正常涌水量20839m3/d， 最大涌水量 32107m3/d。
综上所述，“水文比拟法”以生产矿井涌水量变化规 律为依据，综合考虑了生产矿井规模、充水条件、储水构 造与本矿的相似程度等， 符合该矿山的实际情况。
5 结论
据《矿区水文地质工程地质勘探规范(GB/T 12719- 2021)》中有关规定， 该矿山水文地质类型属以岩溶裂隙直 接充水为主的水文地质复杂的矿床。
(1)矿体位于当地侵蚀基准面以下，奥陶系石灰岩裂 隙岩溶含水层为矿体直接充水含水层，岩溶裂隙较发育， 富水性强， 矿区内外围奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层连为 一体，水力联系密切，在矿区周边出露地表或河床内形成 “天窗”，与第四系砂砾石孔隙含水层及地表水发生水力联 系， 为矿床开采的主要充水因素。
(2)采用水文地质比拟法预测 -350m 水平坑道正常涌 水量20839m3/d，最大涌水量 32107m3/d。
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