昌邑東辛莊鐵礦礦坑涌水量預測*

盛根來，徐旻天，劉 莉，邢立亭,4（. 山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 5004；. 濟南大學 資源與環(huán)境學院，山東 濟南 500；. 山東省物化探勘查院，山東 濟南 500；4. 山東省地下水資源與環(huán)境工程研究中心，山東 濟南 500）

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昌邑東辛莊鐵礦礦坑涌水量預測*

盛根來1，徐旻天2，劉 莉3，邢立亭2,4
（1. 山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014；2. 濟南大學 資源與環(huán)境學院，山東 濟南 250022；3. 山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013；4. 山東省地下水資源與環(huán)境工程研究中心，山東 濟南 250022）

摘 要：隨著鐵礦石的開采，礦坑涌水量一直是困擾礦山安全的棘手問題。以昌邑東辛莊鐵礦區(qū)為例，分析地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和地下水的補給徑流排泄特征，運用大井法對東辛莊鐵礦礦坑進行涌水量預測，為后續(xù)礦山露采轉(zhuǎn)地下開采提供依據(jù)。預測結(jié)果為：第四系孔隙含水層豎井預測正常涌水量2148.76m3/d，預測最大涌水量2578.51m3/d；基巖風化裂隙含水層豎井預測正常涌水量458.97m3/d，預測最大涌水量550.76m3/d；基巖構(gòu)造裂隙含水層-270m中段預測正常涌水量5098.65m3/d，預測最大涌水量6118.38m3/d。兩鐵礦之間的-270m運輸大巷預測正常涌水量1092.51m3/d，預測最大涌水量1311.01m3/d。

關鍵詞：昌邑；鐵礦礦坑；水文地質(zhì)條件；大井法；礦坑涌水量預測

1 引言

鐵礦石是一種重要的資源，是工業(yè)發(fā)展不可或缺的基礎。礦石成因復雜多變，預測礦坑涌水量既可防治礦坑突水、淹水等礦山惡性事故，又是確定礦山疏干設計、生產(chǎn)能力的主要指標，是礦產(chǎn)資源評價與開發(fā)利用工作的前提，也是礦山資源研究的核心內(nèi)容［1-2］。分析研究鐵礦區(qū)的水文地質(zhì)條件和地下水流動特征［3］，預測礦坑涌水量，能夠減少礦區(qū)事故的發(fā)生。國內(nèi)對外礦床水文地質(zhì)條件及充水機制研究一直比較重視［4］，礦井涌水量較大，要求計算的精度較高，需要在詳細的水文地質(zhì)勘查研究的基礎上對礦坑涌水量進行合理計算，能夠為礦產(chǎn)安全開采提供基礎［5］。目前用于礦坑涌水量預測的方法有涌水量曲線方程法、水文地質(zhì)比擬法［6］、數(shù)值法、解析法和系統(tǒng)均衡法，Q-S曲線方程避開了各種水文地質(zhì)參數(shù)，計算簡單，可用于水文地質(zhì)條件復雜，難以建立解析公式的礦區(qū)［7］；水文地質(zhì)比擬法要求新建礦井與老礦井的水文地質(zhì)條件相似，這種情況較為少見，由于開采條件的差異，只能作為一種近似的計算方法；數(shù)值法是隨電子計算機的出現(xiàn)而發(fā)展起來的，可以解決復雜條件下的疏干流場計算［8］；水均衡法利用均衡原理研究均衡期內(nèi)礦區(qū)地下水各收支項目之間的關系，建立均衡方程來計算涌水量。解析法中的大井法是極為常用的一種方法。

2 礦區(qū)自然地理概況

礦區(qū)屬北溫帶大陸季風氣候區(qū)，年降水量在500mm左右，昌邑市最大年降水量892mm（1990年），最小年降水量425.5mm（2000年），多集中在7～9月，占年降水總量的60%～70%。區(qū)內(nèi)地形平坦，地勢南高北低，微向北傾，坡度在2‰～3‰左右。地面標高約為5～6m，最高點10.8m，地貌類型為河流沖洪積堆積地貌，區(qū)內(nèi)沖溝不發(fā)育。濰河和膠萊河自南向北注入萊州灣，其中濰河原屬常年性河流，年平均徑流量為9380萬m3/a，最大流量為425m3/s，后經(jīng)上游蓄水及多年干旱，近年來處于斷流狀態(tài)，膠萊河年平均徑流量為6812萬m3/a，最大流量為232m3/s。

圖1　研究區(qū)位置圖

3 礦區(qū)地質(zhì)概況

3.1地層

區(qū)內(nèi)主要發(fā)育古遠古代和新生代地層。古元古代地層以膠萊河為界，以西為粉子山群，以東發(fā)育荊山群。荊山群分布在礦區(qū)東南部，粉子山群多被第四系覆蓋，僅在東南部零星出露，區(qū)內(nèi)僅發(fā)育小宋組和張格莊組，小宋組（Pt1fX）是重要的含鐵層位，張格莊組（Pt1fg）在東辛莊鐵礦東部零星露頭。

新生代地層主要為大面積分布的第四系。第四系形成于全新世，成因種類繁多。河流沖積相的臨沂組（Qh1）在區(qū)內(nèi)廣泛分布；現(xiàn)代河流沖積的沂河組（Qhy），分布于濰河的河床、膠萊河和河漫灘地帶。

3.2巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿巖不太發(fā)育，主要為鉆探揭示的新元古代玲瓏超單元云山單元；鉆孔中還見有少量中生代燕山期脈狀侵入體；火山巖主要為北部第四系覆蓋的青山群。

3.3構(gòu)造

區(qū)內(nèi)基底總體構(gòu)造線北東30°左右，地質(zhì)構(gòu)造為褶皺和斷裂。

（1）褶皺構(gòu)造。

礦區(qū)內(nèi)的褶皺構(gòu)造主要為一背斜構(gòu)造，核部為小宋組含鐵巖系。背斜軸向北東30°左右，軸面傾向北西，傾角75°，南東翼為張格莊組厚層大理巖，傾向南東；北西翼被第四系覆蓋，由小宋組含鐵巖系構(gòu)成，傾向北西。該褶皺構(gòu)造控制了東辛莊鐵礦床的分布。

（2）斷裂構(gòu)造。

F1斷層是區(qū)內(nèi)最大的斷裂帶，位于蓮花山鐵礦13～16線之間，總體走向10～50°，呈弧狀，傾向北西，傾角70°左右，該逆斷層斷距在150m左右，兩盤均為小宋組含鐵巖性。

4 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)呈東北南西向長條狀，東辛莊與旁邊的蓮花山鐵礦位于同一水文地質(zhì)單元，水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件變化不大，礦體被第四系孔隙含水層覆蓋，礦床含水層為裂隙含水層。其中東辛莊鐵礦主井除負擔本礦礦石提升外，還要負擔蓮花山鐵礦礦石的提升。東辛莊鐵礦、蓮花山鐵礦所采礦石均通過-270m運輸大巷，運至主井礦倉，然后提升至地表。

4.1含水層特征

礦區(qū)含水層以第四系孔隙含水層為主，部分有基巖風化裂隙含水層、基巖構(gòu)造裂隙含水層、F1構(gòu)造破碎含水帶。

（1）第四系孔隙含水層。

該含水層厚度12.10～17.72m，主要巖性上部為3.2～5.42m的亞粘土；中下部為13.15～19.50m的中細砂、中粗砂、粗砂，底部有星散狀分布的粘土，粘土厚度一般小于10m。水量豐富，滲透性能強，連通性好，補給源充沛，平均滲透系數(shù)15.22m/d，鉆孔單位涌水量1.269～5.404 L/s·m，為強富水至極強富水含水層。

（2）基巖風化裂隙含水層。

該含水層富水性不強，連通性較差，滲透系數(shù)0.1120～0.681m/d，單位涌水量0.0124～0.140 L/s·m，為弱富水——中等富水的含水層。

（3）基巖構(gòu)造裂隙含水層。

該含水層含水微弱，連通性差，補給源不足，平均裂隙率13.7條/m。根據(jù)鉆孔抽水試驗，單位涌水量0.0033～0.0132 L/s·m，為弱富水含水層。

（4）F1構(gòu)造破碎含水帶。

在蓮花山鐵礦西北部發(fā)育F1斷層，呈波狀延伸，長度約1km，北東走向，傾向NW，傾角70～80°，為逆斷層。

4.2地下水的補徑排特征及水力聯(lián)系

礦區(qū)地下水的補給主要來自大氣降水和上游徑流補給，通過入滲補給至松散巖類的孔隙內(nèi)，形成孔隙水，孔隙水再通過礦體頂板的碳酸鹽巖和碎屑巖中的裂隙和溶蝕裂隙入滲補給，再形成碳酸鹽巖類裂隙溶洞水和基巖裂隙水，補給量多少由裂隙或溶蝕裂隙的發(fā)育程度而定。不同含水層除接受來自上覆含水層的補給之外，還有上游徑流補給，排泄方式為人工開采及向下游排泄。

地下水的靜止水位一般南高北低，地下水流向為由南向北。蓮花山鐵礦的坑道掘進已使其地下水流向發(fā)生改變，由四周向礦坑匯集。

第四系孔隙含水層地下水在其運動過程中，由潛水（東辛莊鐵礦）過渡為承壓水（蓮花山鐵礦）。

三個含水層之間沒有連續(xù)的隔水層，第四系底部粘土不能形成連續(xù)、穩(wěn)定的隔水層。致使第四系孔隙含水層地下水與下伏的基巖風化裂隙含水層地下水發(fā)生密切水力聯(lián)系。礦區(qū)內(nèi)古遠古代粉子山群小宋組含鐵變質(zhì)巖系之下分布新元古代玲瓏超單元云山單元花崗巖，總體上講，巖體完整，裂隙不發(fā)育，可視為隔水層。

4.3礦床充水因素

礦體賦存于第四系之下的沉積變質(zhì)巖中，呈層狀分布，以單斜及局部背斜形態(tài)產(chǎn)出?；鶐r風化裂隙含水層和基巖構(gòu)造裂隙含水層作為礦體的直接頂板，是礦床充水的直接因素。第四系孔隙含水層厚度較大，含水豐富，在開采過程中，會通過礦層頂板滲透到坑道中，是礦床充水的間接因素。含水層間水力聯(lián)系密切，未來礦坑充水主要來自上覆第四系地下水的垂直補給。

第四系孔隙含水層補給條件好，基巖風化裂隙含水層及基巖構(gòu)造裂隙含水層透水性相對均勻且受上覆第四系含水層補給，礦區(qū)周邊無隔水或供水邊界，因此，本次預測三個含水層都視為無限供水邊界含水層。

5 礦坑涌水量預測

根據(jù)昌邑市東辛莊—蓮花山礦區(qū)水文地質(zhì)條件和礦山地下坑道開采初步設計方案（采礦范圍-70～-270m），開采順序自下而上，東辛莊鐵礦首采地段為-270m中段，蓮花山鐵礦首采地段雖為-190m，礦石均要通過-270m運輸大巷，運往主井礦倉。因此預測目標是-270m標高礦坑涌水量，以及東辛莊鐵礦與蓮花山鐵礦之間的-270m標高運輸大巷。

5.1“大井”法

“大井法”在預測礦井涌水量方面具有簡單方便的特點，適用于各種類型井巷和坑道系統(tǒng)，以及專門性疏干裝置的涌水量計算，還可以為疏干設計提供各項重要指標，如疏干時間、范圍及其水位等。東辛莊鐵礦礦體呈不規(guī)則多邊形，長寬比均小于10∶1，適合用“大井”法［9-10］預測礦坑涌水量。

5.2參數(shù)的確定

（1）滲透系數(shù)K，見表1。

表1　東辛莊礦段含水層滲透系數(shù)計算結(jié)果表

（2）水頭高度H。

各個含水層之間水力聯(lián)系密切，靜止水位標高接近，采用統(tǒng)一水位：東辛莊鐵礦水位標高0.28m，蓮花山鐵礦水位標高-1.31m，水頭高度分別用靜止水位至第四系底板、基巖風化裂隙含水層底板、-270m巷道底板距離。兩鐵礦各含水層的水頭高度分別為：H東Q=15.15m、H東風=47.74m、H東基=270.28m；H蓮Q=21.44m、H蓮風=63.25m、H蓮基=268.69m；H大巷=268.69m。

（3）水位降深S。

假定水位降至坑道底板之上0.20m處，兩鐵礦各含水層的水位降深分別為：S東Q=14.95m、S東風=47.54m、S東基=270.08m；。S蓮Q=21.24m、S蓮風=63.05m、S蓮基=268.49m；S大巷=268.49m。

（4）引用“大井”半徑。

東辛莊鐵礦設計采礦范圍為長條形，寬（420m）長（3078m）比為0.14，采用礦坑平面圖形長條形公式r0=0.25a（a為坑道長度），求得r0東=769.50m

蓮花山鐵礦設計采礦范圍長（1220m）寬（1000m）比為1.22，采用公式（2）［11］計算，求得r0=421.28m。F為礦坑面積。東辛莊鐵礦設計豎井半徑2.75m。

（5）影響半徑R。

采用公式（3）［12］計算，影響半徑分別為：R東Q=454.03m、R東風=368.12m、R東基=1323.14m；R蓮Q=865.47m、R蓮風=634.43m、R蓮基=528.12m；R大巷=528.12m。

（6）坑道長度。

坑道采用-270m運輸大巷長度B=2220m。蓮花山鐵礦未來坑道長度采用東北至西南開采距離B=1220m?，F(xiàn)有坑道長度采用蓮花山鐵礦東西兩區(qū)間坑道長度B0=1000m。

（7）實測坑道涌水量。

坑道水文地質(zhì)調(diào)查實測涌水量Q0＝500m3/d。

5.3礦坑涌水量預測結(jié)果

依據(jù)公式（1）、（3）計算，可得東辛莊—蓮花山礦區(qū)-270m中段預測正?？傆克繛?098.65+1006.08+1092.51=7198.24（m3/d），預測最大涌水量為8637.69m3/d。

（1）東辛莊鐵礦涌水量預測結(jié)果。

第四系孔隙含水層豎井預測正常涌水量2148.76m3/d；預測最大涌水量2578.51m3/d。

基巖風化裂隙含水層豎井預測正常涌水量458.97m3/d；預測最大涌水量550.76m3/d。

基巖構(gòu)造裂隙含水層-270m中段預測正常涌水量5098.65m3/d。預測最大涌水量6118.38m3/d。

（2）運輸大巷涌水量預測結(jié)果。

兩鐵礦之間的-270m運輸大巷預測正常涌水量1092.51m3/d。預測最大涌水量1311.01m3/d。

結(jié)合詳查工作及抽水試驗資料，選擇公式較為合理，參數(shù)選擇基本正確，預測礦坑涌水量與周邊礦山實際排水情況接近，故本次預測礦坑涌水量符合實際。

6 結(jié)論

辛莊鐵礦涌水量預測結(jié)果，第四系孔隙含水層豎井預測正常涌水量2148.76m3/d；預測最大涌水量2578.51m3/d。基巖風化裂隙含水層豎井預測正常涌水量458.97m3/d；預測最大

涌水量550.76m3/d?；鶐r構(gòu)造裂隙含水層-270m中段預測正常涌水量5098.65m3/d。預測最大涌水量6118.38m3/d。兩鐵礦之間的-270m運輸大巷預測正常涌水量1092.51m3/d。預測最大涌水量1311.01m3/d。

由于第四系孔隙含水層含水豐富，補給源充沛，其下有分布較廣泛的風化基巖，穩(wěn)定性差，如果采礦活動破壞風化基巖，勢必引起第四系孔隙含水層地下水大量涌入礦坑而危及礦山安全。因此，建議礦山采用科學合理的采礦方法，以確保礦體頂板的穩(wěn)固。

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Yield Water Prediction of Dongxin Iron Mine in Changyi

SHENG Gen-lai1，XU Min-tian2，LIU Li3，XING Li-ting2,4
（1.Shandong Geological Engineering Investigation Institute, Jinan 250014, Shandong, China; 2.School of Resources and Environment, University of Jinan, Jinan 250022, Shandong, China; 3.Shandong Institute of Geophysical＆Geochemical Exploration, Jinan 250013, Shandong, China; 4.Research Center of Groundwater Resources and Environment Engineering, Jinan 250022, Shandong , China）

Abstract:With iron ore mining operation, yield water of mine has always been a thorny issue that has plagued mines safety. Based on Dongxin iron mine in Changyi as an example, analysis the conditions of geological, hydrogeological conditions and recharge of groundwater runoff drainage conditions, using large water forecasting method for iron ore mines. Forecast results are that the shaft of porous aquifer in quaternary normal water inflow is 2148.76m3/d and the largest water inflow is 2578.51m3/d. The shafts of fissure water aquifer in weathered bedrock normal water inflow is 458.97m3/d and the largest water inflow is 550.76m3/d. The shafts of fissure water aquifer in the middle of-270m tectonic bedrock normal water inflow is 5098.65m3/d and the largest water inflow is 6118.38m3/d.

Keywords:Changyi；iron ore mines；hydrogeological condition；large water forecasting method；mine water inrush forecasting

作者簡介：盛根來（1962-），男，江蘇漣水人，研究員，從事巖土工程及地下水勘察技術工作。E-mail: sky405686@163.com

*基金項目：山東省地下水資源與環(huán)境工程研究中心開放基金項目；濟南市科技計劃項目（201303082）

收稿日期：2015-09-07

中圖分類號：TD742

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3842（2016）01-0011-04