河北某鐵礦礦床水文地質(zhì)條件分析及礦坑涌水量預(yù)測

劉大金，靳 寶

(1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021;2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000)

馬城鐵礦位于河北省灤南縣馬城鎮(zhèn)，鐵礦總資源量10.48億 t，是我國目前發(fā)現(xiàn)最大鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床之一，礦體賦存于太古界變質(zhì)巖中，賦存標(biāo)高－47～－1 404m。礦床上覆厚大第四系強(qiáng)含水體，屬大水礦山，一直未能開采，成為大水呆滯礦。隨著國內(nèi)對鐵礦石需求量的加大以及國際鐵礦石價(jià)格的不斷上漲，為突破資源瓶頸，解放水中呆滯鐵礦，減少國內(nèi)鋼鐵工業(yè)對國際礦石的過度依賴，如何采取可行的采礦方法釋放其巨大資源潛力迫在眉睫。本文系統(tǒng)地、辨證地分析礦區(qū)地下含水系統(tǒng)、流動(dòng)系統(tǒng)特征，依據(jù)礦床水文地質(zhì)條件預(yù)測了礦坑涌水量，提出了礦山防治水議。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 礦區(qū)概況

礦區(qū)位于地處灤河沖洪積扇一級階地上部，區(qū)內(nèi)地形開闊平坦。氣候類型屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量659.5 mm(灤縣氣象站 1954－2010年)，降水量年際、年內(nèi)分布不均，降水集中在7—9月份。區(qū)內(nèi)主要河流有灤河，灤河自北向南流經(jīng)礦區(qū)東側(cè)，多年平均徑流量46.54億m3/a(灤縣水文站1929－1979年)。

礦床被第四系松散層覆蓋，第四系以砂礫卵石、細(xì)砂為主。第四系下部為太古界單塔子群白廟子組變質(zhì)巖類，礦體賦存其中。礦區(qū)位于山海關(guān)隆起的次一級司馬長復(fù)式向斜構(gòu)造帶中，斷裂發(fā)育，主要發(fā)育有 F1、F2、F3斷層。F1、F3處于3－24線間，其產(chǎn)狀如圖1所示，兩斷層對礦體有破壞作用，斷層及斷層影響帶構(gòu)造裂隙發(fā)育，透水性、富水性較好，為基巖裂隙水良好的賦存場所和運(yùn)移通道。F2斷層位于礦床西側(cè)，走向近南北，傾向東，傾角65°～79°，為區(qū)內(nèi)老斷層，因其被輝綠巖脈侵入充填，除3－24線間受后期斷層F1、F3錯(cuò)斷影響，輝綠巖局部破碎外，其余地段輝綠巖完整，透水性弱、富水性較差。

礦山擬采用上向分層充填法進(jìn)行開采，巷道(采場)系統(tǒng)置于基巖深部，從－900m標(biāo)高每120m一個(gè)開采水平向上開采，最高開采標(biāo)高至－240m，礦坑與第四系間留有厚度60～80m的基巖預(yù)留頂板不開采，目的是減少第四系水對井下開采的影響。

圖1 礦區(qū)基巖水文地質(zhì)略圖

1.2 地下含水系統(tǒng)特征

本區(qū)含水層分為3個(gè)含水層，垂向上強(qiáng)弱相間:

第四系松散巖孔隙水含水層(組)廣泛分布于地表，厚度50～180m，北薄南厚，顆粒上粗下細(xì)，透水性上強(qiáng)下弱的特征，上部以砂礫卵石為主，厚度50～60m，滲透系數(shù)300～500m/d，最大1 000m/d，透水性、富水性極強(qiáng)，且與灤河水力聯(lián)系密切;下部由細(xì)砂和各類砂土組成，厚度20～30m，滲透系數(shù)35～50m/d，透水性、富水性中等;中部分布一層連續(xù)性較好的粉土、粘性土，厚度5～8m，為極弱透水層，使得第四系上部含水層與下部含水層間水力聯(lián)系減弱，但第四系含水層(組)仍構(gòu)成統(tǒng)一含水體——“地下水庫”。

基巖風(fēng)化裂隙含水層位于第四系底部，厚度穩(wěn)定，連續(xù)性較好，平均厚度57.49m。該含水層透水性富水性空間分布不均一，具體表現(xiàn)為3線以南和24線以北受構(gòu)造作用小，強(qiáng)風(fēng)化帶呈土狀、碎屑狀，透水性極弱，單位涌水量0.002～0.005 L/s·m，可視為弱透水層;弱風(fēng)化帶單位涌水量0.01～0.03 L/s·m，滲透系數(shù) 0.02 ～0.09m/d，為弱透水層。3－24線因發(fā)育有多條斷層，在風(fēng)化與構(gòu)造共同作用下，風(fēng)化帶結(jié)構(gòu)不同程度遭到破壞，厚度增大，透水性、富水性增強(qiáng)，弱風(fēng)化帶單位涌水量 0.03～0.126 L/s·m，滲透系數(shù) 0.03～0.22m/d，弱風(fēng)化帶是風(fēng)化裂隙水的主要賦存部位。

基巖構(gòu)造裂隙含水層主要賦存于斷層及其影響帶內(nèi)，平面上分布于3－24線間，由F1、F2、F3斷層相互作用形成的復(fù)合影響帶構(gòu)成，破碎帶厚度從幾米到幾百米不等，因F1、F2、F3斷層在垂向上有合攏的趨勢，多條斷層組成的復(fù)合影響帶在基巖深部寬度變窄，構(gòu)造裂隙水含水層在垂向上體現(xiàn)為上寬下窄的似“花朵”形狀(見圖2)，單位涌水量0.1～0.3 L/s·m，滲透系數(shù) 0.099 ～1.87m/d，屬中等富水性含水層。

圖2 馬成鐵礦A－A'基巖水文地質(zhì)剖面略圖

遠(yuǎn)離3－24線間風(fēng)化帶以下礦體及圍巖巖體完整，裂隙不發(fā)育，透水性極弱，可視為相對隔水層。

上述各含水層之間存在一定的水力聯(lián)系，組合成統(tǒng)一的地下含水系統(tǒng)。3－24線因受多條斷層影響，礦體及圍巖部位形成一個(gè)深度大、北東向狹長的構(gòu)造裂隙儲水廊道，礦山開采條件下該儲水廊道成為礦坑地下水運(yùn)移和匯聚基巖裂隙水的通道，為礦坑水的儲存與運(yùn)移通道。礦體上覆風(fēng)化帶分布面積大，連續(xù)性好，透水性弱，很大程度減弱了第四系水與礦床之間的水力聯(lián)系，風(fēng)化帶成為控制第四系水進(jìn)入礦床的關(guān)鍵層位，風(fēng)化帶之上的第四系含水層分布范圍大，厚度大在，透水性、富水性強(qiáng)，且與灤河水力聯(lián)系密切，為礦坑水的最終來源。

1.3 地下水流動(dòng)系統(tǒng)特征

天然條件下，第四系地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降雨、灤河滲漏補(bǔ)給以及側(cè)向徑流補(bǔ)給，總徑流方向受地形控制由北向南運(yùn)動(dòng)，主要排泄途徑為人工排泄和地下水側(cè)向徑流排泄。基巖地下水在接受北部山區(qū)區(qū)域地下水側(cè)向補(bǔ)給后，自北向南徑流，由于本區(qū)屬變質(zhì)巖地區(qū)，基巖滲透性整體較差，地下水側(cè)向徑流受阻，徑流緩慢，基巖裂隙水位略高于第四系水位，垂向上通過風(fēng)化帶托頂越流補(bǔ)給第四系含水層，側(cè)向上緩慢徑流排泄于區(qū)外。

礦山開采條件下，地下水運(yùn)動(dòng)必然發(fā)生改變，形成新的地下水疏干流場。巷道排水系統(tǒng)位于基巖深部，巷道排水使深部基巖構(gòu)造裂隙水壓力突然釋放，上部基巖風(fēng)化裂隙水地下水以空間滲流形式向排水點(diǎn)匯聚，形成了一定范圍的地下水壓力釋放空間場，第四系水以越流形式垂向補(bǔ)給基巖裂隙水，地下水以垂向運(yùn)動(dòng)為主。礦區(qū)大口徑鉆孔抽水資料佐證了以上分析，大口徑鉆孔DCK02位于F1、F2、F3斷層的復(fù)合部位，抽水層位為基巖構(gòu)造裂隙水含水層，抽水量3 508.80m3/d，抽水時(shí)間22 d21h，降落漏斗中心基巖水位降深值13.60m，第四系下部中等含水層水位降深值1.9m，第四系淺部含水層水位未變，在垂向上，水頭梯度已基本形成，不同層位的水頭壓力不同，形成了一定范圍的地下水疏干流場。在水平上基巖地下水降落漏斗沿3－24線北東方向擴(kuò)展遠(yuǎn)(見圖1)，而其余地段擴(kuò)展范圍小，在3－24線間礦體及圍巖部位形成一個(gè)深度大、北東向狹長的構(gòu)造裂隙儲水廊道。

2 礦坑涌水量預(yù)測

2.1 水文地概念模型

礦區(qū)地下含水系統(tǒng)形狀似“蘑菇狀”。第四系含水體似“蘑菇頭”，為礦床主要充水水源，3－24線之間斷層及其影響帶形似“蘑菇徑”，為礦床充水通道，基巖強(qiáng)風(fēng)化帶為“蘑菇頭”與“蘑菇徑”之間的閥門(見圖3)，控制著第四系水進(jìn)入礦床的關(guān)健層位。由于F1、F2、F3所組成的斷層網(wǎng)絡(luò)分布范圍較大，發(fā)育深度大，開采條件下，構(gòu)造裂隙含水帶地下水頭釋放后，必將影響更大范圍的基巖風(fēng)化裂隙含水層地下水頭釋放，從而導(dǎo)致大面積第四系水通過基巖強(qiáng)風(fēng)化帶垂向越流補(bǔ)給，強(qiáng)風(fēng)化帶的空間分布、厚度及其透水性直接決定了第四系水進(jìn)入斷層破碎帶的水量大小，因此，強(qiáng)風(fēng)化帶、斷層破碎帶是影響礦床充水關(guān)鍵因素，前者充當(dāng)“閥門”，后者辦演“輸水管道”。第四系含水層富水性極強(qiáng)，是天然巨大的“地下水庫”，為定水頭補(bǔ)給邊界及一類邊界。基巖風(fēng)化帶為無限補(bǔ)給邊界。構(gòu)造裂隙含水(層)帶的兩翼基巖裂隙不發(fā)育，透水性弱，為隔水邊界(見圖3)。據(jù)勘探資料顯示，900m深度基巖裂隙不發(fā)育，巖體完整，本次計(jì)算模型底邊界選取900m深度，底邊界為隔水邊界。

圖3 開采條件下水文地質(zhì)概念模型

2.2 水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型及其求解

根據(jù)前述研究區(qū)的邊界條件，含水介質(zhì)特征以及地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，可以將研究區(qū)的水文地質(zhì)模型概化為三維非穩(wěn)定流，其數(shù)學(xué)模型為:

式中:x為東西方向;y為南北方向，z為垂直方向;K為含水層的滲透系數(shù)(m/d)，認(rèn)為含水介質(zhì)為各向同性介質(zhì)，即各方向滲透系數(shù)相等;H為任意空間點(diǎn)(x，y，z)的水頭隨時(shí)間t函數(shù)(m);H0為任意空間點(diǎn)(x，y，z)的初始水頭函數(shù)(m);W為源匯項(xiàng)，本模型中即為礦坑涌水量(m3/d);μe為彈性給水度;B為礦區(qū)四周無限邊界;Ω為模擬范圍。

滲流區(qū)剖面采用有限差分法對物理模型進(jìn)行矩形剖分，對地層分界線、抽水孔、觀測孔附近進(jìn)行加密處理，共剖349 440個(gè)單元格。采用三維有限差分方法求解，計(jì)算軟件采用地下水模擬通用軟件“Visual Modflow 4.2”三維滲流模擬系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。模型的識別利用DCK01、DCK02群孔抽水試驗(yàn)資料進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證的。對礦區(qū)基巖觀測孔在群孔抽水試驗(yàn)期間的實(shí)測水位與計(jì)算水位進(jìn)行了擬合，地下水動(dòng)態(tài)擬合曲線基本吻合(見圖4)，說明建立的水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型基本合理、符合客觀實(shí)際，可以用來預(yù)測礦坑涌水量。

圖4 計(jì)算水位與實(shí)測水位擬合圖

利用識別后的數(shù)值模型，對礦區(qū)開采階段礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測計(jì)算。依據(jù)礦山開采設(shè)計(jì)方案，－900m和－540m兩個(gè)標(biāo)高同時(shí)向上開采，每120m一個(gè)水平，即－900m與－540m聯(lián)合開采、－780m與－420m聯(lián)合開采、－660m與－300m聯(lián)合開采，－570m與－240m聯(lián)合開采，－240m標(biāo)高以上礦體及圍巖留設(shè)礦坑安全頂板，不予開采。結(jié)合開采設(shè)計(jì)方案，本次預(yù)測工作對各聯(lián)合開采水平進(jìn)行礦坑涌水量預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表1。

2.3 礦坑涌水量預(yù)測

表1 礦坑涌水量計(jì)算 萬m3/d

通過礦坑涌水量預(yù)測，可取得如下幾點(diǎn)認(rèn)識:

(1)隨著開采水平逐漸加深，礦坑涌水量逐漸減小，反應(yīng)了礦坑涌水量主要來源是上覆第四系水的垂向越流。原因是F1、F2、F3斷層在深部有合攏之趨勢，基巖淺部破碎程度大于深部，礦坑涌水時(shí)流場影響范圍淺部大于深部，淺部接觸第四系水垂向補(bǔ)給范圍大，越往深部第四系越流補(bǔ)給量到達(dá)礦坑的瓶頸越小。因此，礦坑涌水量隨開采深度的加大變小的。

(2)本次礦坑涌水量預(yù)測，是基于每個(gè)開采水平皆是揭穿構(gòu)造破碎帶時(shí)的涌水量，如礦坑不揭露構(gòu)造破碎帶，如礦區(qū)3線以南區(qū)域，－240m高程礦坑涌水量為956m3/d，是該水平遭遇構(gòu)造破碎帶后涌水量的1/62。

(3)數(shù)值法預(yù)測礦坑涌水量是建立在礦山上向分層充填開采法的基礎(chǔ)上，即不得破壞礦床上覆第四系、風(fēng)化帶介質(zhì)場結(jié)構(gòu)。如采礦活動(dòng)造成礦床上覆頂板坍塌，第四水將大量涌入礦坑，后果不堪設(shè)想。

3 礦山防治水建議

礦區(qū)構(gòu)造破碎帶是聯(lián)系第四系水和礦坑之間的主要導(dǎo)水通道。風(fēng)化帶、構(gòu)造破碎帶及基巖的透水性均小于第四系含水層，礦坑開采過程中不可能將礦體上部含水層疏干，僅有局部透水性較強(qiáng)的地段由于礦坑排水成為無壓區(qū)。因此，礦山只能帶壓開采，因水壓大，生產(chǎn)過程中必須疏水降壓。特別是礦區(qū)3－24線斷層及破碎帶是第四系水進(jìn)入礦坑的主要地段，該地段礦坑頂板巖石破碎，自穩(wěn)能力差，礦坑排水將進(jìn)一步加據(jù)圍巖的失穩(wěn)，極易發(fā)生坍塌而導(dǎo)致大量第四系水涌入礦坑，后果不勘設(shè)想。因此，在開采3－24線間礦體前應(yīng)先進(jìn)行治水。

根據(jù)礦床水文地質(zhì)條件，建議在3－24線進(jìn)行地面預(yù)注漿，注漿段選在第四系底板至－240m標(biāo)高基巖(礦坑預(yù)留頂板位置)，在加固礦坑頂板的同時(shí)，從垂向上最大程度截?cái)嗟谒南邓M(jìn)入礦坑的通道。3線以南和24線以北礦坑涌水量較小，但必須強(qiáng)調(diào)，采礦接近基巖風(fēng)化帶時(shí)，務(wù)必加強(qiáng)礦坑頂板的監(jiān)測與保護(hù)，防止頂板變形過大或坍塌，產(chǎn)生大量新生裂隙將第四系水與礦坑導(dǎo)通，建議在生產(chǎn)過程中投入專門的巖體力學(xué)研究，分析地下硐室圍巖應(yīng)力應(yīng)變過程，計(jì)算科學(xué)合理的礦坑預(yù)留頂板。

4 結(jié)語

本文在分析馬城鐵礦地下含水系統(tǒng)特征、流動(dòng)系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上，分析了影響礦床井下安全開采的主要因素是3－24線間斷層及構(gòu)造破碎帶，該地段不但是第四系水進(jìn)入礦床的主要地段，同時(shí)是大跨度采場圍巖易失穩(wěn)坍塌的主要位置，不管是從礦坑涌水角度，還是從地下硐室圍巖穩(wěn)定性角度，均要求對該地段基巖進(jìn)行預(yù)加固處理，最大程度減小第四系水對礦床開采的影響，從而達(dá)到安全開采的目的。

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［2］劉大金，等.河北省灤南縣馬城鐵礦水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探報(bào)告［R］.華北有色工程勘察院有限公司.2012:80－104.

［3］折書群，等.灤河沖洪積扇地下水資源可持續(xù)利用研究［J］.西部探礦工程.2006，04:136 －137.

［4］胥燕輝，等.馬城鐵礦地質(zhì)特征及成因探討［J］.礦床地質(zhì).2010，29:115 －116.

［5］馮創(chuàng)業(yè)，等.基于礦區(qū)水文地質(zhì)模型及試驗(yàn)參基礎(chǔ)上的坎上鐵礦礦坑涌水量預(yù)測［J］.工程勘察.2010，01:771－778.