對北洺河鐵礦水文地質(zhì)條件的再認(rèn)識

王建國

(華北有色工程勘察院有限公司,河北石家莊 050021)

0 引言

北洺河鐵礦是“九五”期間國家批準(zhǔn)建設(shè)的唯一一座大型地下黑色冶金礦山。礦床產(chǎn)于燕山期閃長巖與奧陶系石灰?guī)r接觸帶,為接觸交代型磁鐵礦床。季節(jié)性河流北洺河從礦床上部穿過。礦床屬于覆蓋型以溶隙水為主、頂?shù)装逯苯舆M水、靠近地表水體、水文地質(zhì)條件較復(fù)雜的巖溶裂隙充水礦床[1]。2000年投產(chǎn)至今,礦山已安全運行近 10年,礦山 -110m以上礦體已基本采完,目前礦山擬采深部 -110～-230m中段礦體。隨著區(qū)域地下水位的大幅下降及礦山疏干排水,北洺河鐵礦水文地質(zhì)條件較開采前期已經(jīng)發(fā)生了較大的變化。采掘深部礦體仍然頂著 100～200m的水頭,疏干降水仍未降至理想標(biāo)高,安全生產(chǎn)問題仍然困擾著礦山的發(fā)展,礦山水文地質(zhì)亟待進一步研究。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 前期勘探認(rèn)識

北洺河鐵礦從發(fā)現(xiàn)至今,曾進行了 3次專門水文地質(zhì)勘探和多次研究工作,勘探程度及研究程度都較高,基本查明了區(qū)域和礦區(qū)水文地質(zhì)條件,對礦山的水文地質(zhì)條件取得了比較深入的認(rèn)識。具體表現(xiàn)如下：

(1)確定了礦山地質(zhì)體的空間結(jié)構(gòu)：奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r為礦床主要含水層,其上覆有第四系砂卵石層、粘土礫石及粘土層,下為燕山期火成巖托底,火成巖似層狀侵入到奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r地層中,垂向上將灰?guī)r分為多層。

(2)劃分了礦山富水性分布特征：以 2號地質(zhì)勘探線為界,將奧陶系灰?guī)r水平上分為西部弱區(qū)和東部強區(qū);受粘性土充填影響,奧陶系灰?guī)r垂向上具有上強下弱特征——+170m以上為粘性土充填帶,+170m～-50 m也有粘土充填現(xiàn)象,但較上部透水性強,-50 m以下,巖性主要 O2-2花

2斑灰?guī)r和 O22-3純灰?guī)r,裂隙巖溶較上部稍發(fā)育,溶隙被粘性土充填較少,其富水性相對均勻些。

(3)查明了礦床地下水的補給、徑流及排泄：礦床灰?guī)r除接受區(qū)域地下水的側(cè)向補給外,主要接受降雨、北洺河滲漏及第四系垂向補給。天然情況下,礦床地帶地下水由西至東,由南而北徑流,在邢臺百泉一帶排泄;開采狀態(tài)下,疏干排水為礦床地帶地下水的主要排泄方式之一。

(4)總結(jié)了疏干放水條件下地下水流場特征：北洺河鐵礦灰?guī)r含水層透水性弱,排水系統(tǒng)置于深部,降水疏干后,地下水流場是典型的空間流場。

介于上述認(rèn)識的基礎(chǔ),勘探成果中也提出了諸如北洺河河流改道、挖溝排(截)洪流、井下“有疑必探、先探后掘”等防治水措施,并建議礦床地下水宜采用開拓、采礦與排水并行疏干的方法。礦方接受建議,現(xiàn)已取得了明顯的防治水效果,礦山建設(shè)經(jīng)濟效益顯著。

1.2 水文地質(zhì)條件現(xiàn)狀評述

從上世紀(jì) 80年代至 2010年 7月,受降水和人工開采的影響,百泉泉域補給區(qū)及徑流區(qū)地下水位整體下降了近200m,北洺河鐵礦礦床中心奧陶系灰?guī)r地下水位在 -30 m左右,礦床地下水位一方面受控于區(qū)域地下水位的變化,一方面受礦山排水影響。

目前,礦山主要開采 2號勘探線以西礦體,設(shè)有 -50 m、-110m、-170m、-230 m四個開采中段,其中 -110m以上礦體基本采完并形成空區(qū),采掘工程向深部延伸。礦山采用坑下放水孔疏干方式,投產(chǎn)至今礦坑涌水量一直較穩(wěn)定,平均排水量約 20 000m3/d左右。礦山開采積累了大量的水文地質(zhì)資料,同時對礦山的水文地質(zhì)條件也有了進一步的認(rèn)識,體現(xiàn)如下：

(1)河流滲漏減少：北洺河鐵礦上部季節(jié)性河流近 10年來滲漏較之上個世紀(jì)減少很大,其原因一是區(qū)內(nèi)降雨量稀少,1999年至 2009年區(qū)內(nèi)年均降水量僅為 514.2 mm,使得北洺河河床很少形成表流;二是北洺河河道的人工改造,使得洪水期河床滲漏面積大幅度減少,盡管如此,由于北洺河河床第四系含水層廣泛分布于河床礦體之上,豐水年洪水以第四系潛流形式再次滲漏補給礦床仍是目前礦床充水面臨的主要問題之一。

(2)地面大面積塌陷：由于礦山采取崩落法采礦,在礦床上部北洺河河床已形成大小約 21個近圓形塌陷坑。此外,在塌陷區(qū)內(nèi)也分布有數(shù)十條寬度不一的沉降縫。塌陷坑最大直徑約 75m,最小在 10m左右,坑深最大達(dá) 30m左右,塌陷坑總面積約 0.02 km2。今后,隨著深部開采崩落,在特洪年份和隨后塌陷規(guī)模不斷擴大,頂板破壞將加劇,降雨、地表徑流經(jīng)塌陷區(qū)滲入(灌入)礦床,將是礦坑突水及泥石流形成的主要危險因素。

(3)老窿揭露的增多：北洺河鐵礦 3～11勘探線范圍內(nèi)分布 6個民采礦井,開采深度底板標(biāo)高為 +1.61 m。在此范圍內(nèi)民采巷道密集分布、上下交錯重疊、各巷道相連。隨著礦山開采面積和深度的增加,開采過程中若遇到導(dǎo)水?dāng)嗔鸦蝽敯灞缆渌莶俺渌狭?將會導(dǎo)致老窿水短時間內(nèi)潰入礦井,造成突水,其危害程度將極為嚴(yán)重。

(4)含水層垂向分帶不明顯：礦床西部斷裂構(gòu)造不發(fā)育,巖溶裂隙發(fā)育在 -50 m水平以上與其以下深部水平差異不明顯,而且根據(jù)目前巷道揭露深部 -230m中段與 -245m中段巖溶裂隙同樣存在粘性土充填現(xiàn)象,充填程度較之淺部變化不大。特別是深部巷道揭露各涌水點初期涌水量較大且水壓比較高,經(jīng)過短時間的排泄,涌水量明顯變小甚至無水,水壓也大幅降低,而且低水平巷道涌水點出水,上水平相應(yīng)位置涌水點水量減少或不再涌水?？梢?西區(qū)奧陶系灰?guī)r具有富水性整體上較差,垂向分帶不明顯而且透水性極不均一的特點,這與前期勘探研究差異較大。

(5)涌水量變化不大：礦山前期勘探曾采用不同的方法對礦坑涌水量進行了預(yù)測,最近(2002年)采用三維流數(shù)值模型對礦坑涌水量進行了預(yù)測,預(yù)測 -230 m中段礦坑涌水量最大為 4 1219.38m3/d,最小涌水量為 30 956.90m3/d。但是,在礦山已近施工完-245m中段放水巷道,各涌水點出水的情況下,2000年至今礦山排水量一直維持在 16 000～20 000 m3/d,與原預(yù)測結(jié)果有較大差異。

2 深部疏干排水評述

2.1 涌水點出水特征

礦坑揭露各涌水點(或放水孔)出水一般在幾 ～十幾m3/h,少部分單點涌水量 30～50m3/h,其變化有如下特點：

(1)涌水量大部分小或很小,初期涌水量大部分為幾m3/h～二十幾 m3/h,經(jīng)過一段泄水或放水,絕大部涌水點(放水孔)涌水量明顯減少或無水。其原因是：灰?guī)r含水層透水性弱,在垂向上地下水頭壓力損失大,于是泄水點附近水頭壓力低,造成泄水點涌水量驟減。

(2)大的涌水點主要分布于構(gòu)造斷裂發(fā)育地段,但往往因補給水源不足和放水孔附近壓力降低,其涌水量也隨泄水時間延長,涌水量也隨之明顯減少,如 -50m水平,有 3個放水孔,初期水量 80～100m3/h,經(jīng)過三個多月泄水,這三個放水孔水量大幅減少,分別減少至 0m3/h、1.5m3/h、30 m3/h;-230 m水平水源地,有二個孔水量分別為 106 m3/h和160m3/h,后期二個孔總水量只有 46m3/h。

2.2 礦坑排水量變化特征

礦坑涌水量是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)之一,關(guān)系到礦山的生產(chǎn)條件與成本,對礦床的經(jīng)濟技術(shù)評價有很大影響,并且也是礦山制定防治水與疏干措施的主要依據(jù)[2]。

通常來說,在一定邊界條件下,礦坑涌水量隨著開采深度的增加而增加。而北洺河鐵礦經(jīng)過近 10年的基建和生產(chǎn),礦坑涌水量隨開采深度的增大變化并不明顯,2008～2009年期間,最大開采深度 -245m水平,此期間礦坑年總涌水量 22 293m3/d和 18 769m3/d,而 2001年、2002年期間主要開采深度 -122 m水平以上的礦坑總涌水量為18 045 m3/d和 19 160m3/d,二者相近。

2.3 地下水流場特征

2.3.1 礦床及其周邊地下水平面流場分布特征

上世紀(jì) 70年代初,區(qū)域未大量開發(fā)巖溶地下水,北洺河鐵礦西區(qū)地下水位標(biāo)高 +220m左右,東區(qū) 198m左右(1971年 11月),西區(qū)水位高于東區(qū) 21 m,地下水自西向東徑流。幾十年來,區(qū)域灰?guī)r地下水大量開采,尤其是北洺河鐵礦坑下疏干排水以來,北洺河鐵礦區(qū)及其周邊地下水位大幅度降低,其地下水流場發(fā)生了很大變化[3]。

較之上世紀(jì) 70年代礦床地段下降 250～260 m;礦區(qū)西、南、北下降 200m左右,這些地段地下水位已降至主要含水層灰?guī)r底板附近或以下,即奧陶系中統(tǒng)峰峰組、上馬家溝組灰?guī)r地下水接近疏干狀態(tài)。這些地段只分布閃長巖底板(-200m)以下的下馬家溝組O221灰?guī)r弱含水層;礦床東部下降 170～180m,其地下水位仍位于上馬家溝組含水層內(nèi),而上部峰峰組灰?guī)r含水層已被部分疏干,含水層地下水與區(qū)域灰?guī)r地下水有著較密切水力聯(lián)系。

在礦山疏干排水條件下,礦床地段灰?guī)r地下水位低于礦區(qū)西北部灰?guī)r地下水 123.61m,低于礦區(qū)西南部灰?guī)r地下水137.61m,低于礦區(qū)南部灰?guī)r地下水 63.93m,低于礦床東部灰?guī)r地下水 59.11 m。礦床北部(西區(qū))灰?guī)r含水層底板標(biāo)高 100m,該段灰?guī)r地下水位毋庸置疑降至含水層底板以下。這樣,礦山長期疏干排水,形成了一個礦床地段為中心的深且陡的地下水降落漏斗,也就是說礦區(qū)周邊(除礦床東部外)的主要含水層已得到疏干。

至于礦床與礦床東部地下水之間的水力聯(lián)系問題,從目前看可視為是弱的,其理由：一是礦床 2線附近分布厚大閃長巖,被閃長巖分隔的灰?guī)r蝕變作用強烈,儼如一堵透水性很弱的墻,減弱了它們之間的聯(lián)系;二是水力坡度陡。這樣,礦床地下水僅接受區(qū)域地下水很有限的補給。

2.3.2 礦床地段灰?guī)r地下水垂向流場分布特征

2000年排水系統(tǒng)設(shè)置于 -122 m水平,當(dāng)時自由水面(潛水面)在 70～80m左右,-50 m水平放水孔口水頭壓力為 0.23～0.28 MPa(2000年 6月觀測),即該處水柱高度為23～28m,其水位標(biāo)高為 -23～-27m,垂向上水頭壓力差達(dá) 103～107 m;-122m水平北疏干巷放水孔孔口水頭壓力為 0.15～0.39 MPa(2000年 6月),即該處水柱高度為15～37m,其相應(yīng)水位標(biāo)高為-107～-85m,垂向上水頭壓力差達(dá) 165～187 m。2007年 6月以后,排水系統(tǒng)設(shè)置-122m水平和 -245m水平,期間自由水面在 -50m標(biāo)高以上,-245 m水平放水孔孔口壓力為 0.2 MPa(2010年 6月),即該處水柱高度為 20m,其相應(yīng)水位標(biāo)高為 -225 m,垂向上水頭壓力差大于 175m。

由上可見,排水疏干條件下,礦床地段疏水工程控制范圍,地下水運動的流線呈空間輻射狀向排水點匯流特征,流線斜率大小與距排水點遠(yuǎn)近有關(guān),靠近排水點流線斜率大;遠(yuǎn)離排水點流線斜率小直至近于水平。地下水等勢面呈曲面,其曲率大小與含水層透水性強弱和距排水點遠(yuǎn)近有關(guān),含水層透水性越弱、越靠近排水點,等勢線曲率越小;反之,等勢線曲率越大直至垂直[4]。之所以會產(chǎn)生這樣的空間流場分布特征,一是由于存在很大的垂向水頭壓力差,二是放水后一段時間,涌水點(放水孔)附近的水頭壓力低,而導(dǎo)致涌水點(放水孔)涌水量大幅減少。

3 礦山防治水研究

3.1 采礦與礦山排水并行疏干

目前,礦山西區(qū)礦床上部仍有 200多米高的水頭,礦山采用地下疏干方式以及坑道叢狀疏干孔與裸巷截水疏干相結(jié)合的疏干方法[5]。由上分析可知,北洺河鐵礦礦床上覆厚大奧陶系灰?guī)r含水層透水性弱,坑下正常排水條件下,將形成很大的垂向梯度的空間流場,涌水點(放水孔)附近水頭壓力較低,涌水點(放水孔)涌水量一般不大,即便初期水量較大,隨后因壓力繼續(xù)降低,涌水量漸趨減少。因此,很難將地下水位降至設(shè)計的開采深度。

未來礦山在掘進和開采過程中,遇到較大的涌水段時,在其下一中段相應(yīng)范圍或同一中段大涌水點附近地段施工一些放水鉆孔進行放水減壓,為施工、采礦作業(yè)創(chuàng)造條件,而無需專門設(shè)計施工為預(yù)先疏干的巷道、硐室和大量放水鉆孔。當(dāng)前采用的疏干方式是可行的,也是比較經(jīng)濟合理的。

3.2 采用帷幕注漿防止第四系潛流滲入礦床

盡管礦床上部北洺河已經(jīng)改道,洪水期河水不能漫過礦體上部河床,對礦床充水的影響變小,但是由于第四系含水層的存在,降水下滲補給第四系含水層,同樣可以間接地造成礦床充水。因此,在礦山生產(chǎn)建設(shè)中應(yīng)在防洪墻內(nèi)外增設(shè)第四系潛流觀測孔,密切關(guān)注豐水季節(jié)防洪墻內(nèi)外地下水位的變化,必要的情況,可通過帷幕注漿的方式截堵第四系潛流。

3.3 治理塌陷,探放老窿地下水

上文已述及因礦山采取崩落法采礦,在地表河床中形成大面積的塌坑及眾多沉降縫。雖然灰?guī)r含水層透水性弱,塌落界線及陷落體內(nèi)僅奧陶系巖溶裂隙水對礦坑充水的影響很小,但是塌坑及地表沉降縫可大量匯集降水或地表水,使得礦床或淺部老窿充水,造成礦坑突水或突泥。因此,必須加大對塌陷區(qū)的監(jiān)測,防止一切水源通過塌陷區(qū)灌入巷道。對礦床地段因采掘引起的地面沉降、開裂及塌陷等處進行填堵,封堵降水和地表水進入礦床的通道[6]。此外,進一步在井下探放老窿地下水,尤其是對尚未查清存在老窿的地段和已放水的老窿,通過鉆探和物探等手段、超前探水查明老窿的位置、形態(tài)及充水情況等。

3.4 完善礦區(qū)地下水動態(tài)觀測網(wǎng)

礦區(qū)地下水的動態(tài)觀測,在礦山防治水中極為重要。由于北洺河鐵礦在生產(chǎn)基建過程中,部分基巖觀測孔已經(jīng)破壞,或位于塌陷區(qū)內(nèi)不便于觀測,使得礦山很難準(zhǔn)確把握礦區(qū)地下水流場的動態(tài)特征。因此,有必要在原有動態(tài)觀測網(wǎng)的基礎(chǔ)上,在礦山東區(qū)及西區(qū)分別增加適當(dāng)?shù)幕鶐r動態(tài)觀測孔,以進一步完善礦區(qū)地下水觀測網(wǎng)。另外,對井下不同中段主要大的涌水點進行長期觀測,主要是研究地下水水溫、水量及水質(zhì)的變化情況,以更好地了解礦床地下水的來龍去脈,對礦床突水進行預(yù)防和治理。

4 結(jié)語

北洺河鐵礦經(jīng)過近 10年的開采,礦區(qū)水文地質(zhì)條件較之以前已發(fā)生很大的變化,尤其是以往勘探取得的認(rèn)識,已得到了初步的驗證,或因巷道、采場揭露發(fā)生了較大的差異。礦山生產(chǎn)建設(shè)須以以往研究為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)狀條件下的水文地質(zhì)條件,進行礦山的防治水,一是預(yù)防即在現(xiàn)有水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,完善地下水動態(tài)觀測網(wǎng),加大對河流潛流滲漏及塌陷區(qū)的監(jiān)測,探放老窿地下水;二是治理即治理礦區(qū)塌陷、對河流潛流滲漏進行帷幕截堵。同時,通過分析也證明像北洺河鐵礦這種礦床上覆厚大弱含水層,疏干降水至理想狀態(tài)是很難的,甚至是不可行的;礦山采掘與疏干降水并行是經(jīng)濟合理,也是切實可行的一種方案。

[1]張永交,林木金,李維才等.河北省武安市北洺河鐵礦水文地質(zhì)勘探總結(jié)報告[R].石家莊：華北有色地質(zhì)勘查局 517大隊,1990.5.

[2]蘭俊康,郭純青。水文地質(zhì)勘察[M].北京.中國水利水電出版社 .2008.11：264.

[3]王建國.邯邢地區(qū)大水鐵礦田開采對地下水環(huán)境的影響及防治[J].水資源保護 2009(5)：98.

[4]王大純,張人權(quán),史毅虹等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京.地質(zhì)出版社.1990.6,34-35.

[5]南晉武,郝美鈞.北洺河鐵礦前期疏干放水狀況[J].金屬礦山2002(5)：25-26.

[6]葉和良,郝美鈞,張永交等.河北省武安市北洺河鐵礦坑道降水疏干試驗總結(jié)報告[R].石家莊：華北有色地質(zhì)勘查局 517大隊 ,2002.7：62-64