山東某鐵礦礦床充水因素分析及礦坑涌水量預(yù)測

王 亮,辛小毛,曾先貴

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

山東某鐵礦礦床充水因素分析及礦坑涌水量預(yù)測

王 亮,辛小毛,曾先貴

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

山東萊新鐵礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜,根據(jù)地質(zhì)資料和近幾年礦坑水文資料,對礦床充水因素進行了詳細分析研究,并在此基礎(chǔ)上采用Q-P曲線外推法和解析法重新進行了涌水量預(yù)測,經(jīng)對比分析,預(yù)測結(jié)果基本符合實際,為該鐵礦安全生產(chǎn)提供了指導(dǎo)性意見。

鐵礦;充水因素;礦坑涌水量

山東萊新鐵礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜,礦坑涌水量大。水文地質(zhì)勘察報告預(yù)測西礦區(qū)-305水平以上礦坑最大涌水量為 50000t/d,但由于其預(yù)測的假設(shè)條件和前提條件都與現(xiàn)實不符,其預(yù)測結(jié)果偏小,特別是該地區(qū)強降暴雨期間,現(xiàn)實的正常涌水量就已達到近 50000t/d,給礦山的安全開采帶來隱患。為了確保礦山的安全高效開采,礦床充水因素分析及礦坑涌水量預(yù)測顯得尤為重要。

1 礦區(qū)主要地層及構(gòu)造

1.1 地層

研究區(qū)內(nèi)分布影響礦床充水因素的地層主要有第四系、第三系、奧陶系及巖漿巖侵入巖體。因巖性、分布位置、埋藏條件及其含水性和透水性等不同特征,它們對礦床充水所起的作用和影響的程度差異性很大。

(1)第四系(Q):屬于沖積層、沖洪積層,巖性主要為砂質(zhì)粘土、砂、礫石,因此是一個強含水層和透水層,平均厚度為 13.47m。第四系的水位埋深 1～4m,滲透系數(shù)為 50～300m/d,單位涌水量 q=1～12L/s.m。水質(zhì)類型為型,礦化度為 0.2g/L。

(2)第三系:在區(qū)域上第三系紅砂巖自塔子～石門官莊斷裂以北開始出現(xiàn),向北逐漸加厚,礦床地段厚度為 150～250m,其沉積厚度及分布嚴格受古地形及地質(zhì)構(gòu)造控制。礦區(qū)內(nèi)第三系為管莊組地層,巖性主要為紅色粘土巖、粘土質(zhì)砂巖、粘土質(zhì)砂礫巖,底部為礫巖和礫石,第三系滲透系數(shù)為0.00032m/d,單位涌水量 q=0.000173L/s.m,含水性弱,可視為良好的隔水巖層。

(3)奧陶系:在礦區(qū)內(nèi)所見灰?guī)r、大理巖為中奧陶統(tǒng)馬家溝組第四、第五、第六段,由于古地形的控制作用,由南至北,灰?guī)r、大理巖深度逐步增大,而其厚度則逐漸變薄。奧陶系灰?guī)r,大理裂隙發(fā)育,含水豐富,為區(qū)內(nèi)主要含水巖層。

(4)礦體由杜官莊以東傾伏于中奧陶系灰?guī)r之下,但因古剝蝕作用,以及侵入過程中的起伏變化,因而于西尚莊與紀(jì)家莊以北,巖體伏于第三系紅砂巖之下,巖體在礦床地段呈鋸齒狀或舌狀侵入,礦區(qū)有兩層 10～30m的閃長玢巖脈順層侵入,構(gòu)成了礦體較為穩(wěn)定的底板。巖體僅在風(fēng)化殼或局部構(gòu)造裂隙中含有微弱裂隙水,單位涌水量為 0.1～0.8 L/s.m,滲透系數(shù) 0.05～0.1m/d,水質(zhì)為型,礦化度 1g/L以上,為礦區(qū)灰?guī)r、大理巖含水層中的良好隔水巖體。

1.2 構(gòu)造斷裂及其控水性

礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂、褶皺十分發(fā)育,主要有東西向構(gòu)造帶、北北東向斷裂 F2、F3、F4和 F1及新東西向斷裂 F5等,其地下水的運動大都受構(gòu)造斷裂的控制。

(1)F4(牛泉-茂盛堂)斷裂:構(gòu)造形跡在茂盛堂村南出露,村北被第四系、第三系覆蓋,推斷該斷裂向北延伸至牛泉村南,ZK37孔于孔深 228.8～239.87m見有構(gòu)造角礫巖,為該斷裂面延伸的依據(jù)。斷裂走向近南北,展布傾向東,斷裂兩側(cè)地層不一,顯示斷裂東側(cè)地層相對向北推移,西側(cè)向南移動之特點。該斷層在南部不具阻水性,這已為礦區(qū)大口徑抽水所證實,但往北則漸顯阻水性,已被 N3和N5孔之間的水頭和水溫所證實。

(2)F2、F3(候家溝東)斷裂帶:F2斷裂大都被第三系及第四系覆蓋,僅在局部地段出露,構(gòu)造形跡清楚,壓扭性特征明顯。其走向為 N200～300E,傾向在南段為北西,北段為南東,傾角 74°～80°,推斷斷距 80m左右。位于 F2斷裂以東,有一條或幾條與 F2大致平行、性質(zhì)相同的斷裂如 F3。該組斷裂具隔水性質(zhì),是阻擋南部灰?guī)r地下水側(cè)向進入礦區(qū)的東部屏障,但在斷裂的西南、東北兩端的滅尖處,分別與 F1斷層、F5斷層相交形成兩個缺口,其中東北端的缺口是外圍地下水進入礦區(qū)的重要逕流通道,而西南端的缺口由于 F1斷層相對隔水性質(zhì),其進入礦區(qū)的水量有限。

(3)F1斷裂:斷裂位于礦區(qū)的正負線之間,斷層走向 N14°W、傾向南西,推斷斷距 80m左右。其表現(xiàn)是:由于斷層的作用,F1斷裂東盤奧陶系中統(tǒng)馬家溝組第四段灰?guī)r與西盤第五段灰?guī)r沿走向接觸;沿斷裂走向古剝蝕作用較強,第三系沉積厚度較斷裂兩側(cè)有明顯的增厚,灰?guī)r相對變薄,從而造成了斷裂兩側(cè)水文地質(zhì)條件有明顯差異的兩個塊段,即礦區(qū)的東西兩塊段。根據(jù)礦區(qū)抽水試驗的觀測孔數(shù)據(jù)分析,F1斷層具相對隔水的性質(zhì)。但在斷層的南側(cè)深部,也見其導(dǎo)水性,由于深部巖溶發(fā)育程度較低,其導(dǎo)水性能也較差,也是礦區(qū)東西兩礦區(qū)地下水聯(lián)系的逕流通道。

(4)F5(牛王泉～杜官莊)斷裂:斷裂位于礦區(qū)北部,西由牛王泉,東至杜官莊。斷裂的東段地面略有顯示,向西隱伏于第三系、第四系之下。該斷裂活動較為強烈,切割了第三系、奧陶系及燕山期閃長巖體。斷裂走向近東西,傾向南,斷裂東段斷距約 200 m,向西斷距變小,為 100m左右。F5斷層具有導(dǎo)水及阻水的兩重性,但在斷層的東西兩端有兩個缺口,是礦區(qū)地下水與外圍地下水聯(lián)系的通道。

2 礦床充水因素分析

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)勘探報告和現(xiàn)有的巷道鉆孔資料分析,礦床頂?shù)装宕罄韼r含水層巖溶裂隙發(fā)育,含水豐富,是直接威脅礦床安全開采的充水巖層,其巖溶裂隙發(fā)育分布規(guī)律為:垂直方向在-200m和-300m二個水平較其它水平更發(fā)育,主要由于在-200m水平附近,大理巖水平厚度突然變薄,被閃長巖和礦體侵入,而在-300m水平,礦體突然變薄,被大理巖和閃長巖侵入,都是構(gòu)造多級活動導(dǎo)致該接觸帶巖石破碎、裂隙發(fā)育,形成一條富水性強、導(dǎo)水性好的地下水主逕流通道;在水平方向上,在礦體下盤礦巖接觸帶、礦床西南和西側(cè),以及礦體上盤礦巖接觸帶,巖溶裂隙十分發(fā)育,富水性強,導(dǎo)水性好,礦坑絕大部分的涌水點都分布于此,是礦區(qū)地下水進入礦坑的主要逕流通道,也是礦床防治水的重點地帶。特別是在-200m和-300m水平左右,是礦體的頂、底板。其頂、底板大理巖通常有閃長玢巖、矽卡巖等穿插,巖脈附近的大理巖較破碎,巖脈本身具有松軟、易風(fēng)化、穩(wěn)固性差的工程地質(zhì)特征,易發(fā)生冒頂塌方,并伴隨泥石流和突水的危險。

礦巖上下盤接觸帶是大理巖含水層中的地下水進入礦床的主要逕流通道,礦巖上、下盤接觸帶的走向大致是近北北東向或近東西向。從巷道揭露和探水鉆孔取芯的情況分析,礦體頂板大理巖含水層構(gòu)造裂隙的走向大致為北東 30°左右,傾角為 70°左右,傾向西北。在-255m水平至-205m水平下盤運輸巷的西南端掌子面探水鉆孔注漿施工的情況表明,北東方向的巖溶構(gòu)造裂隙發(fā)育,含水十分豐富,水力聯(lián)系好。并且,從歷年的礦坑排水量與地表水位觀測孔動態(tài)關(guān)系可知,在西部礦體形成了長軸方向為北東南西、短軸方向為北西南東的疏干降落漏斗,也進一步說明了礦區(qū)外圍地下水進入礦床的主要逕流方向是北東南西向,其構(gòu)造巖溶裂隙的走向也應(yīng)是以北東南西向為主。

3 礦坑涌水量預(yù)測

根據(jù)水文地質(zhì)報告和這幾年防治水的水文資料,對西礦區(qū)的礦床涌水量的預(yù)測采用以下 2種方法:一是利用西礦區(qū)西部礦體的現(xiàn)有水文資料(特別是 2009年強降雨過程中的資料),采用 Q-P曲線外推礦坑涌水量;二是采用解析法進行計算預(yù)測。

3.1 Q-P曲線外推礦坑涌水量預(yù)測

根據(jù)井下各個水平分段的探水鉆孔(特別是-205m水平 17-1鉆孔)水壓與相對應(yīng)的礦坑涌水量的變化來擬合外推預(yù)測礦井涌水量。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為:2009年 5月 29日(0.2MPa,620 m3/h),8月 9日(0.6MPa,822m3/h),8月 20日(1 MPa,933m3/h),8月 24日(1.5MPa,1195m3/h),8月 30日(2.5MPa,1598m3/h),9月 6日最大值(2.7MPa,1720m3/h)。

依據(jù)實際礦坑涌水量和水壓繪出 Q-P外推曲線預(yù)測礦坑涌水量,首先要看基礎(chǔ)數(shù)據(jù)符合哪種曲線并且要保證所選曲線符合實際。根據(jù)曲度法對曲度 n值進行鑒別:

式中,Q與 P分別為同次礦坑涌水量和水位降深。

當(dāng) n=1時,為直線;1＜n＜2時,為冪函數(shù);n=2時,為拋物線;n＞2時,為對數(shù)曲線。如果 n＜1,則基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有誤。據(jù)驗算 n值得出,曲線開始時符合對數(shù)曲線,從第 3個數(shù)據(jù)后符合冪曲線。

擬合函數(shù)為:Q=a×exp(-exp(b-cx)),將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)帶入,擬合結(jié)果為:a=3388.5734;b=0.58862691;c=0.35679749,外推曲線見圖1。圖中y=a×exp(-exp(b-cx))函數(shù)曲線在 x∈(0,1)符合對數(shù)曲線(即前面 3個實驗數(shù)據(jù)),在 x∈(1,α)(其中α＞1)范圍內(nèi)符合冪曲線(第 3個實驗數(shù)據(jù)后)。

預(yù)測結(jié)果 n值鑒別:用預(yù)測兩點(3.7,2100)和(4.7,2450)鑒別,這段也是符合冪曲線的。

根據(jù)擬合的曲線可知:在-305m水平,相應(yīng)水頭為 3.7MPa,礦坑最大涌水量約為 2100m3/h(50400m3/d);在-505m水平,由于大理巖底板埋深為-388m左右,按-400m考慮,相應(yīng)水頭為4.65MPa,礦坑最大涌水量約為 2450m3/h(58800 m3/d)。

圖1 Q-P外推曲線

圖1 是根據(jù)-205m水平 17-1鉆孔水壓與礦井涌水量相應(yīng)變化的數(shù)據(jù)而擬合的,反映了礦山受強降雨影響導(dǎo)致礦坑涌水量激增的過程。因此,擬合預(yù)測結(jié)果基本上可代表礦床各個水平分段的礦坑最大涌水量。同時考慮到-205m水平 17-1鉆孔處在西部礦體的東南端,跟上盤頂板的涌水鉆孔的水力聯(lián)系不太密切,而且也不是處在外圍地下水進入礦坑的主逕流帶上,它的水頭比主逕流帶的涌水鉆孔高,則擬合的礦坑涌水量相對更小,因此,礦坑實際最大涌水量比擬合的最大涌水量更大,根據(jù)礦山二年多的實際涌水情況,對擬合預(yù)測的最大涌水量應(yīng)取 1.3～1.5的系數(shù),才比較符合實際。因此,西礦區(qū)礦坑最大涌水量預(yù)測為:在-305m水平,礦坑最大涌水量約為 65520～75600m3/d;在-505m水平,礦坑最大涌水量約為 76440～88200m3/d。

因此,通過 Q-P曲線外推預(yù)測礦坑涌水量,西礦區(qū)在-305m水平豐水期礦坑最大涌水量約為70000m3/d,在-505m水平豐水期礦坑最大涌水量約為 82000m3/d。

3.2 解析法預(yù)測涌水量

解析法預(yù)測礦坑涌水量時,以井流理論和用等效原則構(gòu)造的“大井”為主,后者指將各種形態(tài)的井巷與坑道系統(tǒng),以具有等效性的“大井”表示。根據(jù)該礦區(qū)水文地質(zhì)條件,采用承壓-無壓井流公式:

根據(jù)水文資料計算得滲透系數(shù) K=0.343m/d。

(1)在-305水平,假設(shè)疏干到-200m,hW=200m;含水層平均厚度為:M=230m;原始水頭 H0=172+400=572m,影響半徑根據(jù)西部礦體降落漏斗確定 R=1600m,大井引用半徑 rw=80m,計算得:Q=60002.3m3/d。

(2)在-505水平,假設(shè)疏干到-320m,hW=80m,原始水頭 H0=572m,影響半徑根據(jù)西部礦體降落漏斗確定 R=1600m,大井引用半徑 rw=80m,計算得:Q=71846.2m3/d。

通過以上 2種方法比較,推薦第一種方法 Q-S(P)曲線外推預(yù)測的西礦區(qū)礦坑水涌水量結(jié)果,即在-305m水平豐水期礦坑最大涌水量約為 70000 m3/d,在-505m水平豐水期礦坑最大涌水量約為82000m3/d。另外,礦區(qū)在近幾年生產(chǎn)排水過程中,在-305m水平礦坑正常涌水量為 18000～22000 m3/d,預(yù)測在-505m水平礦坑正常涌水量約為28000～31000m3/d。

4 結(jié)論和建議

(1)該鐵礦礦坑涌水量預(yù)測,是利用該鐵礦以前和現(xiàn)在的水文資料,采用 Q-P曲線外推法和解析法計算。經(jīng)對比,Q-P曲線外推法預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確。本次對礦坑涌水量預(yù)測從選用的水文數(shù)據(jù)、參數(shù)和計算過程來說是基本合理和可取的,其結(jié)果應(yīng)是基本符合實際和相對安全的。

(2)計算預(yù)測萊新礦西礦區(qū)在-305m水平礦坑正常涌水量約為 2.2萬m3/d左右,豐水期的礦坑最大涌水量約為 7萬 m3/d左右;在-505m水平礦坑正常涌水量約為 2.9萬m3/d左右,豐水期的礦坑最大涌水量約為 8.2萬 m3/d左右。

(3)該鐵礦是萊蕪盆地水文單元的一部分,并不是一個獨立的水文地質(zhì)單元,由于萊蕪盆地水文地質(zhì)單元面積大,匯水面積廣,含水層分布范圍廣,厚度大,從理論上分析,地下水的水量是趨向無限大的,但井下的排水設(shè)防能力是不可能無限大的,因此,井下的排水設(shè)防能力只能是一個相對安全概念,最為重要的是要配合其它的防治水措施才能保證礦山的安全生產(chǎn)。

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2010-05-04)

王 亮(1986-),男,山東煙臺人,助理工程師,主要從事礦山水文地質(zhì)及礦山注漿防水帷幕等研究工作,Email:civilwall@sina.com。