青海某鐵礦水文地質(zhì)條件分析與涌水量預(yù)測

王士東，趙振，陳惠娟，趙東陽，秦光雄

(青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧810007)

礦井涌(突)水是一個復(fù)雜的地質(zhì)問題，嚴重影響國家的財產(chǎn)和礦工的生命安全，同時，礦井涌水量是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度重要指標之一［1］。該礦區(qū)地處祁漫塔格山東端的尕林格北坡帶，地勢總體南高北低，西高東低。海拔4 400～5 040 m，相對高差大于500 m，屬構(gòu)造侵蝕中高山地貌。地層巖性主要為下元古界片巖、片麻巖夾大理巖及華力西期花崗閃長巖等［2］。在水文條件上，該區(qū)水文條件受氣象、地質(zhì)、地形地貌等因素的影響，發(fā)育有幾條大小規(guī)模相近的季節(jié)性山間溝谷，均發(fā)源于祁漫塔格山北麓，匯水面積120 km2左右，溝谷內(nèi)由于水量較小，在出山口時已大量滲失轉(zhuǎn)化為地下水。地表凍土草沼，凍土疙瘩地貌發(fā)育，正是由于礦區(qū)多年凍土的存在，使得其水文地質(zhì)、環(huán)境工程地質(zhì)條件復(fù)雜，這種復(fù)雜也影響了礦區(qū)水文地質(zhì)特征。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 地下水類型及富水性

礦區(qū)特殊的自然環(huán)境條件，僅存在多年凍土區(qū)地下水。按含水層巖性，結(jié)構(gòu)、水力特征劃分為:松散巖類凍結(jié)層地下水、基巖凍結(jié)層地下水。

1.1.1 松散巖類凍結(jié)層地下水

由于礦區(qū)第四紀堆積物厚度小于20 m，而凍結(jié)厚度多介于50～100 m。所以松散巖類凍結(jié)層地下水只有凍結(jié)層上水，并主要分布于相對低洼溝谷地帶。含水層由沖洪積砂礫碎石層構(gòu)成。含水層厚度受季節(jié)變化融化層的制約，每年11月至翌年5月含水層完全凍結(jié)，并與多年凍土層構(gòu)成統(tǒng)一體。該段時間的松散巖類凍結(jié)層上水失去意義。每年6到10月地表解凍，凍土層中的冰逐漸融化，含水層便在季節(jié)性活動層中形成。據(jù)現(xiàn)場探槽及鉆孔資料顯示:礦區(qū)松散巖類凍結(jié)層上水含水層厚度小于2 m，水位埋深0～1.0 m，盛夏時在溝谷岸坡帶成片狀流出并成為濕地，單泉流量小于1.0 L/s。由于含水層薄，出露位置高，該類型地下水只能得到大氣降水及冰雪融水補給，富水性差，無供水意義。由于礦區(qū)第四紀堆積物厚度小于20 m，故不存在松散巖類凍結(jié)層下水。

1.1.2 基巖凍結(jié)層地下水

根據(jù)勘探資料顯示:地表以下0～3 m為全風化碎石層，含冰量19.8% ～38.8%，多呈小冰脈或透鏡體狀。3～25 m為強風化巖，巖體結(jié)構(gòu)較完整，線裂隙率10～27條/m。裂面有鈣膜，裂面為泥鈣質(zhì)充填，寬度1～3 mm間，有冰脈充填，巖芯多呈10～20 cm的短柱狀。25～150 m為中等風化～微風化狀態(tài)，裂隙率1～5條/m，其中90 m以上裂隙多呈閉合狀態(tài)，裂隙中含冰脈，厚度一般小于1 mm，含冰脈，未見冰層。以下未見冰脈，干燥狀態(tài)。150 m以下為新鮮基巖，巖芯長度大于1.5 m，裂隙不發(fā)育，無冰脈和地下水。探井中地面以下10～90 m間溫度低寒、氣溫在-10℃以下。未見滴水現(xiàn)象，僅局部掛有冰溜面。因此，礦區(qū)基巖凍結(jié)層地下水僅見有凍結(jié)層上水。其含水層由下元古界片巖、片麻巖夾大理巖及花崗閃長巖組成。由于礦區(qū)海拔高于4 400 m，寒凍風化作用強烈，風化裂隙發(fā)育，巖石破碎，常形成流石坡，有利于大氣降水的滲入補給，經(jīng)過短時間、短長度的徑流，在低洼的新月溝～扇子溝溝腦及谷坡兩側(cè)以下降泉的形式排泄于溝谷中，與松散巖類凍結(jié)層上水一起成為測區(qū)夏季地表水。其單泉流量介于0.1～1.8 L/S間，水量受氣溫影響，季節(jié)性變化大，水質(zhì)好，礦化度小于 0.5 g/L。多為 HCO3-Ca或HCO3

-Ca·Mg型水。

1.2 地下水補給、徑流、排泄條件

礦區(qū)屬于柴達木盆地水系，地表水自南向北流出礦區(qū)約2.1 km出山口后即滲失殆盡轉(zhuǎn)化為地下水，成為野馬泉灘地地下水補給源區(qū)。礦區(qū)最高海拔5 040 m，零星分布有現(xiàn)代冰川。最低侵蝕基準面標高4 400 m，高差640余m。降水與地勢高差關(guān)系推測，礦區(qū)年降水量界于100～150 mm之間，降水為地下水的補給提供了良好的條件［3］。但礦區(qū)為冰緣凍土地貌區(qū)，山頂尖棱，相對高差大，巖屑坡，石海等冰緣地貌發(fā)育，有利于大氣降水和冰雪融水的入滲補給，但這僅限于凍結(jié)層上水。凍結(jié)層上水接受大氣降水補給后，循環(huán)于季節(jié)性活動層中，并嚴格受季節(jié)性氣候變化的制約。冬季含水層全部凍結(jié)，與下部凍土層構(gòu)成一體，構(gòu)成礦區(qū)統(tǒng)一的凍結(jié)隔水層。因而，凍結(jié)層上水失去意義。四月份隨氣溫的升高，季節(jié)性活動層開始融化同時接受補給，并進行短暫的循環(huán)，在溝谷的源頭或山坡較陡的地貌突變部位以泉的形式排泄于溝谷中?；鶐r凍結(jié)層上水也有在山體的坡腳帶直接以潛流的形式直接補給松散巖類凍結(jié)層上水。由于礦區(qū)存在較厚的凍結(jié)隔水層，且礦區(qū)及其周邊一定范圍內(nèi)無河湖融區(qū)或構(gòu)成活動融區(qū)，無凍結(jié)層下水補給通道。因此，降水、冰雪融水以及凍結(jié)層上水對凍結(jié)層下水無補給意義，這也是礦區(qū)凍結(jié)層下水埋深大于504 m的原因之一。排泄方式有三種:通過沼澤垂直蒸發(fā)排泄、以泉水的形式排泄于礦區(qū)溝谷、以潛流的形式補給野馬泉灘地地下水。但由于礦區(qū)第四系松散巖類厚度小于20 m，無松散巖類凍結(jié)層下水。而基巖凍結(jié)層下水埋深大于504.0 m，因而深部凍結(jié)層下水應(yīng)以潛流形式遠距離排泄于野外灘地帶。

1.3 地下水動態(tài)特征

凍結(jié)層上水接受大氣降水和冰雪融水的入滲補給，由于其含水層厚度及補給、排泄條件嚴格受氣候季節(jié)變化而變化。因此其動態(tài)隨季節(jié)的變化而變化。礦區(qū)未揭露凍結(jié)層下水，這是由于90 m以下基巖裂隙不發(fā)育，同時由于礦區(qū)切割深度達640 m，且受到永久凍結(jié)層的影響，凍結(jié)層下水因地形切割及補給原因，504 m深度范圍內(nèi)即海拔4 118 m以上未揭露。

1.4 地下水水化學(xué)特征

地下水的水化學(xué)特征嚴格受補給、徑流、排泄條件的控制。而礦區(qū)地處祁漫塔格山腹地，地勢高，屬地下水的補給源區(qū)，年降水量可達100～150 mm間，夏季凍結(jié)層上水入滲補給條件好，徑流距離短，水循環(huán)交替作用強烈，水質(zhì)良好，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度小于 0.5 g/L。而凍結(jié)層下ZK1304鉆孔504 m深度范圍內(nèi)即海拔4 118 m以上未揭露，因此，地下水埋深大于504 m。

2 礦床充水因素分析

礦區(qū)含礦地層為下元古界片巖、片麻巖夾大理石巖。礦體埋深150～400 m，埋藏在海拔標高4 200～4 450 m之間。海拔4 118以上未揭露凍結(jié)層下水。而礦區(qū)海拔4 350 m以上段多處于永久性凍結(jié)區(qū)(季節(jié)性凍融區(qū)厚度小于3 m，故忽略不計)。因此，礦體多位于凍結(jié)層內(nèi)或部分位于基巖凍結(jié)層下不含水層內(nèi)。

2.1 凍結(jié)層上水段充水因素分析

凍結(jié)層以上段采礦過程中將遇到松散巖或基巖凍結(jié)層上水和凍結(jié)層的影響。凍結(jié)層上水由于含水層厚度小于3.0 m，受地形及氣候條件的影響，動態(tài)變化大。但由于其分布于地表淺部，采礦過程中易于排導(dǎo)疏干。因此，其對礦床充水基本無影響。而凍結(jié)層內(nèi)采礦時，因凍結(jié)層為隔水層位，鉆孔揭露巖層中含冰量小于38.8%，未見層狀、塊體狀冰層，采礦過程中會因人類工程活動熱效應(yīng)的影響，在一定范圍內(nèi)有引發(fā)礦坑滴水現(xiàn)象，不會引發(fā)較大的涌水事件。

2.2 凍結(jié)層下水段充水因素分析

該礦區(qū)礦體走向北西西，礦體傾向北東，傾角30°～50°，礦體與區(qū)域構(gòu)造線一致。影響礦區(qū)開采的構(gòu)造為群力復(fù)式褶皺新月溝～五號梁向斜，向斜帶內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大模范斷裂構(gòu)造破碎帶，而且礦區(qū)自地表以下發(fā)育有34.3～93.5 m的凍結(jié)層，為隔水層。因此，地表水及融區(qū)水直接引發(fā)礦床充水的可能性小，危險性小。

3 礦坑涌水量預(yù)測

3.1 礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件

礦區(qū)受群力復(fù)式褶皺新月溝～五號梁向斜兩翼地層構(gòu)制，其軸部為下元古界深灰色二云母片巖構(gòu)成，兩翼為絹云母片巖構(gòu)成，并構(gòu)成兩翼相對隔水層。南部巖層傾向北西、北東，傾角20°～50°，北部巖層傾向南東和南西，傾角5°～30°。因此，礦區(qū)為一北西西向展布的寬約為1 000 m的長條狀獨立的水文地質(zhì)單元，屬凍結(jié)層含水系統(tǒng)。

3.2 礦坑涌水量預(yù)測

在自然狀態(tài)下，礦體一般深埋于地下，礦體及其圍巖中經(jīng)常充滿一定量的地下水，這種現(xiàn)象稱為礦床充水。當人們開采礦產(chǎn)品時，這些水則不斷流入采礦坑道，即礦坑涌水。由于礦區(qū)為一北西西向展布的寬約為1 000 m的長條狀獨立的水文地質(zhì)單元，屬凍結(jié)層含水系統(tǒng)。由于其凍結(jié)環(huán)境條件的影響，凍結(jié)層上水分布厚度小于3 m，且受季節(jié)變化的影響，因此淺部礦坑涌水可不予考慮。埋深34.3～93.5 m段為凍結(jié)區(qū)，含少許冰脈為隔水層位，僅會在礦業(yè)活動中因人為熱效應(yīng)引發(fā)礦坑滲水，滴水，不會引發(fā)大面積礦坑涌水。而凍結(jié)層以下至海拔4 118 m段未見地下水，其最低開采境界標高4 200 m以上至凍結(jié)區(qū)段未揭露地下水。因此，不會引發(fā)礦坑涌水問題。但不能忽視局部斷裂破碎帶引發(fā)熱融滲水。

4 結(jié)語

(1)礦區(qū)屬于多年凍結(jié)區(qū)水文地質(zhì)單元環(huán)境，僅存在多年凍結(jié)區(qū)地下水，可分為松散巖類凍結(jié)層上水，基巖凍結(jié)層上水和基巖凍結(jié)層下水;

(2)多年凍結(jié)層上水每年11月至翌年5月含水層完全凍結(jié)，松散巖類凍結(jié)層上水地表解凍后含水層厚度小于2 m，單泉流量小于1.0 L/s;基巖凍結(jié)層上水單泉流量0.1～1.8 L/s，水質(zhì)好，礦化度小于 0.5 g/L，屬 HCO3-Ca或HCO3

-Ca·Mg型水;

(3)基巖凍結(jié)層下水埋深于504 m以下，以ZK1304孔口標高為計算點，其水位埋深于海拔4 118 m以下，最低開采境界面4 200 m以上段未見地下水，其隔水頂板為基巖凍結(jié)層。凍結(jié)層厚度:海拔4 350～4 500 m段小于50 m，海拔4 500～4 750 m段界于50～100 m間。海拔4 750 m以上段凍結(jié)層厚大于100 m;

(4)礦區(qū)最低侵蝕基準面標高3 900 m，鉆孔及豎井在海拔4 118 m以上段未發(fā)現(xiàn)凍結(jié)層下水;開采最低境界標高4 200 m以上段礦坑涌水可能性小，但不能忽視因采礦熱效應(yīng)引發(fā)礦坑滴、滲水現(xiàn)象。

［1］曹興旺，王恒，楊明明.廣西某鉛鋅礦水文地質(zhì)條件分析與涌水量預(yù)測［J］.地下水.2012，34(4).

［2］青海省柴達木綜合地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，蔡進福，梁楊明，馬偉等.青海省格爾木市某鐵礦普查報告［R］.2010(內(nèi)部出版).

［3］青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，王永貴，李文鵬，李建等.柴達木盆地地下水資源及其環(huán)境問題調(diào)查評價報告［R］.2007(內(nèi)部出版).