北洺河鐵礦防治水實踐及其研究

黃天瑞

（五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦，河北 武安 056300）

北洺河鐵礦防治水實踐及其研究

黃天瑞

（五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦，河北 武安 056300）

北洺河鐵礦屬于典型的巖溶充水及含泥砂充填、閃長巖反復穿插形成的復雜條件下的大水礦床。自上世紀六十年代以來，該礦前后歷經數次水文地質勘探及研究工作，取得了較為豐富的基礎資料。筆者在總結歷次勘探資料的基礎上，認真分析了礦區(qū)放水試驗及防治水工作取得的最新成果，并結合礦區(qū)開采現狀，對該礦的水文地質特征及防治水技術有了清晰的認識，為下一階段礦區(qū)的安全開采提供依據。

北洺河鐵礦；水文地質；防治水；放水試驗

北洺河鐵礦屬于典型的巖溶充水及含泥砂充填、閃長巖反復穿插形成的復雜條件下的大水礦床。以溶隙水為主、頂底板直接進水、且靠近地表水體；尤其礦區(qū)東部2線以東位于百泉泉域上游，屬于強徑流帶，隨著礦山逐步向下開采，與區(qū)域水位有著260m的水頭壓力，存在著一定的安全隱患，為確保安全生產開采，結合礦區(qū)開采現狀，針對不同區(qū)域的水文地質特征，制訂了相應的、有效的防范措施。

1 地質概況

北洺河鐵礦位于河北省武安市上團城村北東約1km處的北洺河河床上。礦體賦存于奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r與燕山期閃長巖接觸帶，屬接觸交代型鐵礦床。礦體頂面賦存標高＋142～－403m，大部分處在地下水位以下。礦床頂板及其圍巖為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r，厚度較大。以溶隙水為主、頂底板直接進水、靠近地表水體，屬于水文地質條件較復雜的巖溶裂隙充水礦床。

礦山于1997年4月8日恢復基建，2002年4月8日投產。地下開采，無底柱分段崩落法采礦。目前已開拓至－230m水平，主要采礦部位在－110～－155m水平。

北洺河鐵礦地下水屬于邢臺百泉泉域巖溶水系統(tǒng)。礦區(qū)處在北洺河－郭二莊－王窯－中關－邢臺巖溶水強徑流帶上游，屬于近補給區(qū)的徑流區(qū)段［1］（圖1）。

區(qū)內巖溶地下水動態(tài)受降水量及人為開采量所控制，地下水動態(tài)特征為降水－開采型，表現為“集中補給、常年消耗”，地下水位呈階梯狀逐年下降的總特征。

礦區(qū)地下水表現為自西向東、由南往北徑流運動，礦區(qū)地下水位呈現周期性變化，地下水位的回升主要受降雨控制，降雨量大且集中則引起地下水位迅速回升；降雨量小且分散，則地下水位升幅小，甚至不上升，年回升幅度相差懸殊。

圖1 百泉巖溶水系統(tǒng)略圖

礦區(qū)由于巖性差異，構造發(fā)育不平衡，以及含水層厚度、賦存狀態(tài)、充填程度變化和火成巖蝕變作用，造成石灰?guī)r含水層富水性不均一。

疏干條件下，由于持續(xù)排水，礦區(qū)水文地質條件發(fā)生了非常顯著的變化，礦床已形成較深降落漏斗，巖溶水基本從承壓狀態(tài)轉為無壓狀態(tài)。

2 西部巷道降水疏干實踐研究

2.1 降水疏干工程系統(tǒng)及試驗前礦坑排水情況

1）排水系統(tǒng)。西風井－122m中段設置井下排水系統(tǒng)，包括水泵房、變電、水倉、沉淀池等工程，水泵房安裝10臺D450A60×8型水泵，排水能力為108000m3/d，－50m和－110m為礦坑水通過泄水井、聯絡斜井流入－122m中段南北疏干巷道匯流于－122m水倉，經泵由西風井排出地表，再通過輸水管道排到主、副井附近和聯合泵站的蓄水池。

2）疏干系統(tǒng)。－122m中段為專門疏干巷道，將西風井、主井、副井、東風井和－50m中段、－110m中段上下盤運輸巷道、聯絡巷道、斜巷連接起來，形成與采礦系統(tǒng)不相干擾的一套完整的疏干放水—輸水—排水系統(tǒng)。

－50m中段結合采準工程布設7個疏干酮室并利用3個進路巷道布置，共施工放水孔26個，總進尺2386.67m。孔深一般100m左右，要求穿過灰?guī)r段長度50～80m。

－122m中段，布設8個銅室，共施工放水孔18個，總進尺1722.50m，孔深80～100m，穿過灰?guī)r段長度40～80m。

上述放水孔峻工后，在孔口安裝壓力表，并予關閉，待放水試驗時啟用。

3）降水疏干試驗前礦坑排水情況和地下水流場分布?？酉滤梅繌?999年12月有排水資料開始截止放水試驗前（2000年6月22日），礦床地段礦坑總排水量15000m3/d左右。

礦床地段5個觀測孔水位從2000年3月中旬開始觀測，礦區(qū)周圍觀測孔水位從同年5月開始觀測，將礦坑排水前與礦坑排水后，（放水試驗前）觀測資料對比，礦坑排水前，即在天然條件下，礦床地段地下水位高于2＃線以東強帶水位20多米，高于上區(qū)域一帶2～3m，高于南面團城鐵礦一帶9～10m；而在礦坑排水后，地下水位則低于2＃以東強帶10多米，低于上團城一帶60～70m，低于南面團城鐵礦一帶30～40m?？梢?，礦坑排水后在礦坑排水量15000m3/d條件下，即形成一個降深較大，控制范圍較廣的疏干降落漏斗。

2.2 降水疏干放水試驗

放水試驗是礦坑長期排水的繼續(xù)，即是在坑下長期排水并已形成一定規(guī)模的地下水疏干的情況下，將專門施工的放水孔全部打開放水，按試驗要求選取幾個時段進行放水試驗。本試驗結束后，放水孔繼續(xù)進行引水疏干。

放水試驗從2000年6月22月10：00開始，直至8月下旬，跨越枯水期和洪水期，進行坑下流量（包括放水孔、涌水占流量）、地下水位和坑下水壓力觀測。

1）水期放水試驗。－50m中段26個放水孔，6月28日前打開23個孔，16個孔無水，只有一個孔單孔出水量30m3/h左右。6月28日后又增加了幾個孔，放水量增加到53m3/h左右。整個過程放水量變化不大。－122m中段18個孔放水，打開后4個孔無水，其余14個孔單孔出水量幾立方米/小時至十幾立方米/小時，合計放水量70m3/h左右，水量隨時間延續(xù)略有減少。放水前后，西風井排水量約在10000m3/d左右，中段放水孔水量為2952m3/d，放水后涌水點涌水量明顯減少。

放水后，僅GX3觀測孔水位降低8.53m外，基余觀測孔地下水位都沒有多大變化。放水試驗后及延續(xù)一段時間壓力值變化不大，－50m中段壓力值為0.23～0.28MPa，－122m中段北疏干巷道壓力值為0.15～0.37MPa，南疏干巷道壓力值1.60MPa。

2）洪水期放水試驗。2000年7月3日晚開始降雨，直到7月6日降雨量達280.3mm，7月4日北洛河河床出現表流，當晚河床出現近幾年最大洪流（洪流量達900m3/s），7月4日開始洪水期放水試驗。

－50m 中 段 水 量 從 1254.89m3/d，增 加 到5706.72m3/d，為枯水期放水量的4.5倍，當河床表流斷流后，部分放水量明顯減少，到8月下旬減少到3077.04m3/d，但仍為枯水期的2.5倍。洪水期放水孔水量變化特征：一是原來不出水的孔變成有水，二是原來水量小的變成較大，當降雨和河床出現表流后，放水孔的水量明顯增大，從1254.89m3/d增加到5691.36m3/d，且放水孔涌水攜帶泥沙量明顯增多，水質極度渾濁。

－122m 中段水量從1575.19m3/d增加到2201.81m3/d，為枯水期放水量的1.4倍，當河床表流斷流后，水量漸趨減少，到8月下旬，減為1940.88m3/d，比枯水期放水量增加23%，即使降雨和河床出現表流，該中段放水量也增加不多。且涌水攜帶的泥砂量略有增加，個別放水孔水質渾濁。

－110m中段多涌水點涌水量略有增加，西風井排水量從10000m3/d增加到15000m3/d。

2000年7月3日晚至6日連續(xù)3天降雨，到7月10日礦體地段及其周圍觀測孔水位變化不大，水位升幅1.5m左右。

3）降水疏干?？?、洪水期放水試驗告一段落后，根據放水試驗研究成果分析，提出巷道掘進與排水并行的疏干方案，為了研究－50m、－110m、－122m中段與主井、東風井的聯絡巷道直接揭露灰?guī)r段含水性及隨著坑下開拓面積擴大砂坑涌水和地下水流場的變化狀況，繼續(xù)進行排水量和地下水位觀測，并對礦山疏干相關問題進行驗證和研究。

從2000年9月至2001年11月，礦坑排水量逐漸增大，西風井最大排水量17500m3/d。當主井、副井、東風井等處水量匯入后，再加上民采礦排水量，其礦坑總涌水量為24200m3/d。地下水位，從2000年7月4至2000年12月，由于本年降雨量大，地下水位逐漸上升，礦床地段鉆孔水位上升到16.58～24.09m，此后，地下水位日趨下降，2001年雨量小，河床未出現表流，汛期地下水位無回升，至2001年11月，GXl孔水位下降12.038m。

綜合這期間礦坑疏干排水資料認為，由于灰?guī)r含水層滲透性弱，深部因放水壓力大，形成了很大的垂向梯度，2000年洪水期盡管地下水位有較大上升，同時也相應加大了其滲透路徑，造成深部壓力仍然很大，使得深部的疏干工程的出水量不因淺部自由水面升降而形成較大變化，如2000年7月10～12日，西風井排水量都穩(wěn)定在15000m3/d左右。礦坑疏干排水隨著放水時間延續(xù)，放水點附近的水頭壓力也在逐漸降低，深部放水工程的放水量也隨之減少，在枯水期新形成的降落漏斗隨著降水疏干時間的延續(xù)而逐漸下移、擴大，勢必接受更大范圍的垂向、側向水量補給，使地下水位下降速度又漸趨變緩，直至次年洪水期來臨，接受降雨河水入滲補給，地下水位上升，造成枯、洪水期地下水位升降周期性變化，盡管坑下施工及灰?guī)r含水層的不斷揭露，但地下水位的自由面仍在很高的位置，說明弱含水層礦床，開采前采用通常的深部降水疏干方法很難將地下水位降至設計開采深度。

2.3 降水疏干試驗結果分析

1）地下水位形成較陡的地下水疏干降落漏斗。

2）空間上形成很陡梯度的地下水空間流場。從放水試驗的出水量觀測分析，一是灰?guī)r含水層的涌水量小，二是含水段受構造控制明顯，富水性極不均一，進一步證實灰?guī)r含水層富水性弱且極不均一的特點［2］。

3）礦坑排水的水源主要來自第四系垂向入滲補給。礦坑長期排水，形成一個較深的疏干降落漏斗，大大改變了地下水天然遷流條件。降落漏斗內的地下水主要是接受第四系地下水及河水垂向補給。同時，降落漏斗周邊還接受區(qū)域灰?guī)r地下水側向補給，這側向補給水量當中的相當部分，也是區(qū)域第四系地下水垂向滲入補給灰?guī)r地下水后水平運動以側向形式進行補給。

2.4 西部礦坑水的防治

1）河流改道、挖溝截洪。北洺河縱貫礦床上部自西向東流過，系季節(jié)性河流，洪峰流量大。天然條件下，河水、第四系潛流是灰?guī)r地下水主要的補給水源，礦床北部還有相當量的地表匯水。開采條件下，尤其是開采崩落地表后，形成大量的人工裂隙和洼陷地形，非常有利于河水入滲或直接灌入井下。這樣，一方面增加井下排水量；另一方面汛期瞬時滲入或灌入的水量過大甚至超過井下排水能力時，將會對井下生產和人身安全產生致命威脅。因此，需要將河流向南改道，沿礦床北岸布置攔洪溝，攔截河水及洪水，并將其引出區(qū)外。

2）探放水及疏干降壓。根據礦床灰?guī)r含水層富水性弱，疏干降壓宜采用巷道采掘與排水并行的疏干方案。但在局部地段，如規(guī)模較大的斷裂帶、構造破碎帶及巷道掌子面接近灰?guī)r局部富水地帶，需用超前鉆孔查明周圍水體、含水構造等的具體位置、產狀和水量，預先將水放出來，以減小水頭壓力。

3 東部強徑流帶特征及防治技術

3.1 東部強徑流帶特征

礦區(qū)東部2線以東位于百泉泉域上游，屬于強徑流帶。由于巖性分布的差異及構造發(fā)育的不同，從而表現出不同的特征。

該區(qū)奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r質純、性脆，巖溶化強，接近東側區(qū)域性大斷裂帶巖溶極為發(fā)育，平行于斷裂帶的巖溶、裂隙更為發(fā)育；火成巖基底向下傾斜，含水層厚度也較大。此外，該區(qū)上覆煤系地層，灰?guī)r的裂隙巖溶充填較少，故該區(qū)透水性、富水性較強。

北洺河礦床地段2線以東鉆孔單位涌水量一般大于1L/s·m，平均滲透系數2.67m/d（據CKA39多孔抽水試驗）。礦床東面外圍石灰?guī)r含水層透水性、富水性更強。它與北面玉石洼礦床13線以東至郭家?guī)X一帶強區(qū)和南面崇義東、團城鐵礦東南等地段強區(qū)有著密切水力聯系，地下水動態(tài)幾乎同步變化，同屬于北洺河－郭二莊－中關－百泉強徑流帶的GX6和云觀8在2009年11月25日～2010年7月9日分別下降了18.12m及16.93m，降幅接近。經過長期以來的排水，形成了較深的地下水降落漏斗（圖2）。

圖2 北洺河鐵礦礦床奧陶系灰?guī)r地下水流場示意圖

礦床與2線以東地下水之間聯系程度弱。天然條件下2線附近以西地下水位高于其以東水位20m左右；礦床地段地下水降落漏斗形成后，2線以西地下水位低于以東60m左右，水力坡度達300‰。東區(qū)處于區(qū)域地下水強徑流帶，地下水水位主要受區(qū)域地下水流場控制。礦床東區(qū)GX6觀測孔水位高于北部云駕嶺觀8孔水位1～2m，在礦坑排水前后沒有變化，可見礦坑排水對東區(qū)地下水影響不大。

2線附近石灰?guī)r被閃長巖頻繁穿插（圖3），儼如一堵透水性很弱的墻，阻滯東區(qū)強徑流帶區(qū)域地下水對礦床地下水的補給作用。整體上分為上下兩層，透水性上弱下強。天然水力坡度大，CK12～CKA38水力坡度40‰～70‰，CK49～CK32水力坡度為29‰～39‰。上層灰?guī)r（－50m以上），巖溶裂隙不發(fā)育，單位涌（耗）水量為0.1～1L/s·m。下層灰?guī)r特別是進入O2－22地層，巖溶裂隙較上層發(fā)育，鉆孔單位涌水量大于1L/s·m，為礦床地段最強含水段。

圖3 北洺河鐵礦地質體垂向分布示意圖

3.2 強徑流帶防治水技術

3.2.1 增加水文觀測點，完善觀測系統(tǒng)，實施動態(tài)觀測

由于東部水文地質條件的復雜性及重要性。針對區(qū)域特點設計增加各水平涌水點（放水孔）及地表觀測孔，根據水頭壓力值及水位來判斷相應地段灰?guī)r含水層透水性強弱，為確定是否實施放水降壓措施提供依據。

3.2.2 井下強含水段放水降壓

－230m、－245m水平的開拓系統(tǒng)、采準工程系統(tǒng)和排水系統(tǒng)已基本形成并進行長期疏干排水，礦床東區(qū)地下水潛水面標高仍然在－30～－50m。－245m水平巷道還頂著200多米水頭壓力?？紤]高水頭壓力對深部開采存在著安全隱患，為了消除或減少高水頭壓力對礦坑的安全隱患，通過－170m、－245m疏干水平巷道施工42個放水鉆孔，再借助分層采準工程施工放水孔，形成垂向上多層、平面上多點分散的放水疏干系統(tǒng)。

由于本礦區(qū)閃長巖的穿插，含水層透水性、富水性極不均一，采掘或探水過程中遇到涌水的地段（如－110m，12＃采場灰?guī)r富水性較強地段），集中施工一些放水孔進行放水降壓。通過原有疏干工程和施工在強含水段的放水降壓孔，將采掘水平強含水段的地下水釋放排走，為采掘創(chuàng)造良好的作業(yè)條件。

3.2.3 局部放水試驗研究

礦坑疏干排水時對2線以東地區(qū)地下水未受明顯影響。但東區(qū)畢竟是地下水強徑流帶，－110m、－230m、－245m中段巷道接近東區(qū)，它頂著近260m的水頭壓力，仍存在著安全隱患。當－170m和－230m巷道接近東區(qū)強區(qū)時施工放水鉆孔。

待放水孔施工完成后，可進行局部放水試驗，進一步查明礦區(qū)東部水文地質條件及灰?guī)r含水層透水性、富水性分布規(guī)律，以及F1斷層的富水性特征，為礦坑涌水量預測確定更加合理的有關水文地質參數。

4 結論

1）北洺河鐵礦屬于典型的巖溶充水及含泥砂充填、閃長巖反復穿插形成的復雜條件下的大水礦床，東部富水性、透水性較強，但均一性較差，西部富水性、透水性較弱且不均一。

2）北洺河鐵礦床地下水疏干宜采用開拓、采礦與排水并行疏干方法，即是直接利用坑下開拓、采準工程進行裸巷（直接揭露石灰?guī)r含水層）、排水疏干，同時，在局部地段和新采掘區(qū)，如遇斷裂帶、構造破碎帶地段及掌子面接近灰?guī)r局部富水地段，需要超前鉆孔探水，預先將水放出來，降低水壓，保障安全生產。

3）東部防治水需要強化觀測，采掘或探水過程中遇到涌水的地段及針對強含水層要加大探放水力度，及時進行放水試驗，進一步探明礦區(qū)東部水文地質條件及灰?guī)r含水層透水性、富水性分布規(guī)律。

北洺河鐵長期以來進行了大量地質勘探和水文地質工作，歷次水文地質勘探積蓄和研究，建立的水文地質模型符合客觀實際，長期疏干排水積累了大量的排水量和地下水位觀測資料，揭露了石灰?guī)r含水層及其含水特點，真實地反映了疏干排水條件下的地下水流場分布特點，礦坑涌水量的預測數據可靠，為礦山防水治水提供了可靠依據。

［1］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報告［R］.石家莊：華北有色地質勘查局517大隊，2002.

［2］南晉武，郝美鈞.北洺河鐵礦床前期疏干放水狀況［J］.金屬礦山，2002（5）：25－29.

Prevention of water practice and research in minmetals Hanxing mining Beiminghe iron mine

HUANG Tian－rui
（Beiminghe Iron Mine，Minmetals Hanxing Mining CO.，Ltd.，Wu’an 056300，China）

Beiminghe Iron mine is a typical karst water－filled and contains sediment filling，diorite interspersed repetitive flood deposits in under complicated conditions formed.Since the 1960s，before the mine after several hydro－geological exploration and research work，made more rich biography.The author summarizes the previous exploration data，based on a careful analysis of the experimental and control of mine drainage water has made the latest results，combined with the current situation of mining，hydrogeological characteristics of the mine and the prevention of water technologies have a clear understanding，for the next mine safety mining stage to provide a basis.

Beiminghe iron；hydrogeology；prevention of water；drain test

黃天瑞（1963－），男，本平，1984年畢業(yè)于廣西桂林冶金地質學院礦產普查與勘探專業(yè)，高級工程師，主要從事礦山地質工作。E－mail：1298315618＠qq.com。

TD12

A

1004－4051（2014）S2－0106－04

2014－07－15

地質找礦