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    遼寧省北票市臺(tái)吉營子礦區(qū)金礦水文地質(zhì)條件及礦坑涌水量預(yù)測(cè)

    2016-11-14 06:23:32亓協(xié)全李爽董
    化工礦產(chǎn)地質(zhì) 2016年1期
    關(guān)鍵詞:礦坑斜井涌水量

    亓協(xié)全李 爽董 妍

    1.中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院,山東濟(jì)南,250013

    2.中化地質(zhì)礦山總局化工地質(zhì)調(diào)查總院,北京,100013

    遼寧省北票市臺(tái)吉營子礦區(qū)金礦水文地質(zhì)條件及礦坑涌水量預(yù)測(cè)

    亓協(xié)全1*李 爽2董 妍1

    1.中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院,山東濟(jì)南,250013

    2.中化地質(zhì)礦山總局化工地質(zhì)調(diào)查總院,北京,100013

    提 要 通過對(duì)北票市臺(tái)吉營子礦區(qū)含水層、斷裂構(gòu)造帶特征及地下水補(bǔ)、徑、排條件、水文地質(zhì)參數(shù)及礦坑充水因素的分析,認(rèn)為研究區(qū)水文地質(zhì)條件為中等。確定了水文地質(zhì)單元邊界條件模型,采用水平集水建筑物涌水量計(jì)算公式、管井涌水量公式、比擬法計(jì)算公式和大井法計(jì)算公式等方法對(duì)斜井、豎井和深、淺開拓水平涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè),并根據(jù)礦山實(shí)際情況提出了礦坑防治水措施,為礦山的下一步建設(shè)和開采提供了技術(shù)資料。

    水文地質(zhì)條件 涌水量預(yù)測(cè) 金礦 臺(tái)吉營子 北票市

    遼寧省北票市臺(tái)吉營子金礦位于凌源-北票成礦帶的北東端,屬構(gòu)造蝕變巖型金礦床,礦床達(dá)到中型規(guī)模,這是近年來遼寧西部地區(qū)不多見的金礦找礦勘查成果【1】。礦區(qū)位于朝陽市北西80km處,行政區(qū)劃隸屬于遼寧省北票市臺(tái)吉營子鄉(xiāng)管轄。

    1 區(qū)域水文地質(zhì)

    1.1地形地貌

    區(qū)域位于努魯爾虎山脈北端,屬中等切割的低山丘陵區(qū),溝谷發(fā)肓,總體地勢(shì)西北高,東南低,海拔一般在300~400m左右,坡度一般在10~20°,局部坡度可達(dá)35°以上。

    1.2氣象、水文

    該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 四季分明,光照充足,晝夜溫差大,年平均氣溫8.7℃,最高氣溫39.6℃(2007-06-22),最低氣溫-21.6℃(2008-01-15),最大凍土深度一般在1.5m左右。雨季集中在6、7、8三個(gè)月,占全年降水量的70%,年降水量為298.50~582.70mm,多年平均降水量為474.7mm。

    區(qū)域內(nèi)較大的河流主要為牤牛河、黑城子河。牤牛河發(fā)源于內(nèi)蒙古奈曼旗黃音他拉,流長(zhǎng)為71km,流域面積1936.7km2,最大流量1690.9m3/s,年徑流量16 413萬m3。黑城子河發(fā)源于北塔子鄉(xiāng)東方紅至東勝一帶,流長(zhǎng)約30km,流域面積650 km2左右,該河在黑城子鎮(zhèn)東代溝村匯入牤牛河。2013年9月9日對(duì)該河流測(cè)量,流量4.5 L/s。

    1.3區(qū)域含(隔)水層劃分及特征

    區(qū)域含水層主要為第四系松散巖類孔隙含水層、碎屑巖類孔隙裂隙含水層和基巖裂隙含水層(見圖1)。

    (1)第四系松散巖類孔隙含水層:主要分布在河流階地及河漫灘地帶,富水性強(qiáng),向兩側(cè)延伸富水性逐漸變?nèi)?,在山溝、季?jié)性沖溝處則轉(zhuǎn)變?yōu)橥杆缓畬游?。含水層巖性主要為中粗砂、卵礫石,厚度一般1~5m,局部5~10,水位埋深0.5~5m。單位涌水量一般1.61~4.89 L/s·m,局部最大可達(dá)9.93 L/s,強(qiáng)富水性,滲透系數(shù)62.48m/d。礦化度小于500mg/L。

    (2)碎屑巖類孔隙裂隙含水層:含水巖性為白堊系九佛堂組砂巖、砂礫巖、膠結(jié)礫巖、砂質(zhì)頁巖等,泉流量小于1.0 L/s,富水性弱。

    (3)基巖裂隙含水層:含水巖性為火成巖類及變質(zhì)巖類,淺部風(fēng)化裂隙發(fā)育,多被方解石脈(膜)、石英脈充填,富水性弱,泉流量一般小于1.0 L/s。礦化度小于500mg/L。

    (4)泥頁巖類隔水層:白堊紀(jì)九佛堂組中部的黑色紙片狀頁巖夾油頁巖、泥巖和凝灰質(zhì)頁巖對(duì)含水層起到一定的阻水作用,為區(qū)域內(nèi)的相對(duì)隔水層【2】。

    圖1 區(qū)域水文地質(zhì)略圖Fig.1 Regional hydrogeology scheme

    1.4區(qū)域地下水補(bǔ)、徑、排特征

    大氣降水為區(qū)域地下水主要補(bǔ)給來源;地下水徑流方向明顯,總體由北西向南東徑流,局部受地形、巖性、構(gòu)造影響徑流方向有所改變;排泄方式主要為地下徑流、下降泉、礦坑排水及民井抽水。

    2 礦區(qū)水文地質(zhì)

    2.1礦區(qū)含水層及特征

    根據(jù)地層巖性、地下水賦存、運(yùn)移特征及埋藏條件,礦區(qū)含水層可劃分為第四系松散巖類孔隙含水層和基巖裂隙含水層。

    2.1.1第四系松散巖類孔隙含水層 區(qū)內(nèi)第四系主要沿沖溝及山坡坡角分布,由于礦區(qū)所處位置相對(duì)較高,區(qū)內(nèi)第四系松散巖類基本處于透水而不含水狀態(tài),屬于透水而不含水層位。

    2.1.2基巖裂隙含水層 基巖裂隙含水層又可分為火成巖類裂隙含水層和變質(zhì)巖類裂隙含水層。

    (1)火成巖類裂隙含水層:含水巖性為白堊系下統(tǒng)義縣組凝灰?guī)r、安山巖、火山角礫巖等,壓性結(jié)構(gòu)面發(fā)育,裂隙閉合,充水條件差,主要為風(fēng)化裂隙潛水,含水層厚度受風(fēng)化層深度控制,厚度一般小于40m,泉流量一般小于1.0 L/s,為弱富水含水層。水化學(xué)類型多為HCO3·SO2—Ca或HCO3·SO2—Ca·Mg型。

    (2)變質(zhì)巖類裂隙含水層:含水巖性主要為小塔子溝組片麻巖類,風(fēng)化裂隙發(fā)育,民井水位埋深一般3.5~6.0m,鉆孔及豎井水位埋深一般5~23m。淺部主要為風(fēng)化裂隙潛水,深部主要為構(gòu)造裂隙微承壓水,淺部含水層厚度受風(fēng)化層深度控制,厚度一般小于40m,泉流量一般小于1.0 L/s,通過兩個(gè)孔的分層抽水試驗(yàn),該含水層滲透系數(shù)均小于0.01m/d,單位涌水量均小于0.1 L/s·m,為弱富水含水層。水化學(xué)類型多為HCO3·SO2—Ca或HCO3·SO2—Ca·Mg型。

    2.2基巖相對(duì)隔水層

    區(qū)內(nèi)巖石相對(duì)完整的片麻巖類,對(duì)含水層起到一定的阻水作用,為礦區(qū)內(nèi)的相對(duì)隔水層。隔水層的分布主要受巖石的完整性、構(gòu)造和裂隙充填情況控制,與含水層間沒有明顯的劃定界線。

    2.3礦區(qū)地下水的補(bǔ)、徑、排特征

    區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄,主要受到地層巖性、地形、構(gòu)造及氣象等因素的影響。

    (1)第四系松散巖類孔隙水的補(bǔ)、徑、排特征:礦區(qū)內(nèi)第四系松散巖類屬透水而不含水層位,該層接受大氣降水后下滲間接補(bǔ)給基巖裂隙水,以蒸發(fā)和下滲補(bǔ)給基巖裂隙水為主要排泄方式。

    (2)基巖裂隙水的補(bǔ)、徑、排特征:該類裂隙水主要接受大氣降水的補(bǔ)給,接受補(bǔ)給后,沿層面或裂隙向深部及下游徑流,在溝谷或人工切坡地段以下降泉的形式排泄于地表,轉(zhuǎn)化為地表水;地表水順著溝谷由高處向低處徑流,在徑流過程中又會(huì)沿巖石裂隙或破碎帶下滲補(bǔ)給地下水。地下水、地表水在整個(gè)徑流過程中存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。泉水、民井抽水和礦坑排水為其主要的排泄方式。

    由圖2基巖裂隙水動(dòng)態(tài)變化曲線圖可知,該類水動(dòng)態(tài)變化受季節(jié)影響明顯,雨季受降水補(bǔ)給水位上升,并略有滯后現(xiàn)象,最高水位一般出現(xiàn)在7~10月,雨季過后水位逐步回落,最低水位一般出現(xiàn)在2~6月,年變幅較小,一般介于1.0~2.0m之間。

    圖2 基巖裂隙水動(dòng)態(tài)變化曲線圖Fig.2 Dynamic diversification Graph of Bedrock fissured water

    3 斷裂構(gòu)造帶水文地質(zhì)特征

    區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,主要發(fā)育有兩組:北東向斷裂和北西向斷裂,為礦床主要的容礦構(gòu)造。

    3.1北東向斷裂

    為壓扭性斷裂,走向北東30~60o,傾向北西300~330o,傾角47~80o,斷裂帶一般寬0.3~1m,局部最寬達(dá)5m,走向延伸70~800m,具明顯的擠壓破碎片理化特征,擠壓面呈舒緩波狀。根據(jù)鉆孔和巷道揭露,該組斷裂富水性、導(dǎo)水性及透水性均較弱,對(duì)礦床充水影響較小。

    3.2北西向斷裂

    為張扭性斷裂,走向北西335o,傾向南西225o,傾角約60~65o,斷裂帶一般寬0.5~1m,局部最寬達(dá)3m,走向延伸30~280m。鉆探施工揭穿F3、F4、F6、F7斷裂均未見漏水(漿)現(xiàn)象。另外,根據(jù)對(duì)6號(hào)礦體PD1平硐水文地質(zhì)編錄資料,平硐內(nèi)硐頂和硐壁局部見滲水或滴水現(xiàn)象,滴水頻率平均8~10min一滴,硐內(nèi)滲水量較小,該礦體的沿脈平硐也是僅局部見滴水現(xiàn)象,滴水量0.09L/s~0.135L/s,水量較小。以上資料說明該組斷裂富水性、導(dǎo)水性及透水性均較弱,對(duì)礦床充水影響較小。

    4 礦坑充水因素分析

    對(duì)礦坑可能產(chǎn)生充水的水源主要為變質(zhì)巖類裂隙水、斷裂(蝕變)破碎帶水及探礦巷道積水。以上因素對(duì)礦坑直接充水的通道主要為導(dǎo)水裂隙及采礦工程等。

    (1)變質(zhì)巖類裂隙水:該裂隙水含水層與礦體直接接觸,是對(duì)礦體直接充水的含水層,礦體開采時(shí)會(huì)對(duì)礦坑直接產(chǎn)生充水。但是該含水層淺部巖石裂隙多被泥質(zhì)充填,中深部巖石裂隙多被方解石脈、石英細(xì)脈或綠泥石充填,井、孔單位涌水量一般<0.1 L/s·m,泉流量一般<1 L/s,屬弱富水含水層,對(duì)礦體開采影響較小。

    (2)斷裂(蝕變)破碎帶水:區(qū)內(nèi)斷裂多為壓扭性或張扭性斷裂,根據(jù)鉆孔揭露和平硐編錄資料,斷裂破碎帶的富水性弱,對(duì)礦體開采影響較小。

    (3)探礦巷道積水:由于區(qū)內(nèi)礦體歷史上存在探礦現(xiàn)象,遺留多個(gè)探礦豎井、斜井,尤其是Ⅰ號(hào)礦體存在5個(gè)中段的探礦巷道【3】,見表1,探礦巷道位于地下水位以下,2中段水狀態(tài)。若采礦揭露到探礦巷道或采礦行為溝通探礦巷道時(shí)積水將會(huì)對(duì)礦坑瞬時(shí)充水,對(duì)采礦安全造成極大威脅。

    表1?、裉?hào)礦體探礦巷道面積統(tǒng)計(jì)表Table 1 Acreage Statistics of Prospecting laneway of No.1 orebody

    5 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

    5.1水文地質(zhì)邊界條件

    由于Ⅰ號(hào)礦體、Ⅹ號(hào)礦體為該礦區(qū)規(guī)模較大的礦體,未來礦山采用坑道方式開采,對(duì)礦坑涌水的含水層為基巖裂隙含水層。因此,僅估算基巖裂隙含水層對(duì)Ⅰ號(hào)、Ⅹ號(hào)礦體斜井、豎井和開拓水平產(chǎn)生的涌水量。開拓水平的涌水量估算分別在礦體淺部和深部各選擇一個(gè)開拓水平進(jìn)行涌水量估算。

    勘查控制的Ⅰ號(hào)礦體深部標(biāo)高在-100m左右(埋深450m左右),因此Ⅰ號(hào)礦體開拓水平的涌水量預(yù)測(cè)選擇在+200m水平和-100m水平進(jìn)行??辈榭刂频蘑?hào)礦體深部標(biāo)高在+150m左右(埋深230m左右),因此Ⅹ號(hào)礦體開拓水平的涌水量預(yù)測(cè)選擇在+300m水平和+150m水平進(jìn)行。

    礦井遠(yuǎn)離補(bǔ)給邊界及隔水邊界,可視為無限含水層,采用水平集水建筑物、管井、大井和比擬等方法進(jìn)行礦坑涌水量估算【4~6】。比擬法采用與礦區(qū)地質(zhì)條件一致、礦床類型一致,且距離礦區(qū)較近(礦區(qū)西側(cè)3km)的陳家梁村西金礦排水資料,陳家靚村西金礦礦坑疏干面積約20 000m2。

    5.2礦坑涌水量計(jì)算

    (1)計(jì)算公式

    式中:

    Q:涌水量(m3/d);

    Q1:陳家梁村西金礦實(shí)際涌水量(m3/d);

    B:斜井水平投影長(zhǎng)度(m);

    K:滲透系數(shù)(m/d);

    H:含水層厚度(m);

    S: 疏干降深(m);

    S1:陳家梁村西金礦疏干降深(m);

    R:影響半徑(m);

    Rc:井遠(yuǎn)離地表水體與隔水邊界的水流阻力值;

    rw:豎井半徑(m);

    r0:引用大井半徑(m);

    F:開拓水平礦體水平投影面積(m2);

    (2)斜井涌水量估算 斜井涌水量估算,以Ⅰ號(hào)礦體原有的XJ4斜井為預(yù)測(cè)對(duì)象進(jìn)行,斜井底標(biāo)高+298m,斜井坡度為36°;Ⅹ號(hào)礦體斜井參照XJ4斜井進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)斜井標(biāo)高+300m,坡度36°;由于坡度與鉛垂線夾角大于45°斜井按水平集水建筑物涌水量計(jì)算公式①和比擬預(yù)測(cè)法計(jì)算公式②估算。 估算參數(shù)取值參數(shù)見表2。

    表2 斜井涌水量估算參數(shù)取值一覽表Table 2 Estimate parameter schedule of inclined shaft water yield

    (3)豎井涌水量估算 Ⅰ號(hào)礦體豎井涌水量以礦區(qū)內(nèi)保留完好的SJ8(深180m)為例進(jìn)行估算,Ⅹ號(hào)礦體豎井涌水量以礦區(qū)內(nèi)保留完好的SJ14(深67m)為例進(jìn)行估算,采用管井涌水量公式③和比擬預(yù)測(cè)法公式②進(jìn)行估算。估算參數(shù)取值見表3。

    (4)開拓水平的涌水量估算 開拓水平涌水量預(yù)測(cè),采用大井法⑤和比擬預(yù)測(cè)法②兩種方法進(jìn)行。估算參數(shù)取值見表4。

    表3 豎井涌水量估算參數(shù)取值一覽表Table 3 Estimate parameter schedule of shaft water yield

    表4 開拓水平涌水量預(yù)測(cè)參數(shù)取值一覽表Table 4 Prediction parameter schedule of level water yield

    5.3參數(shù)選擇

    (1)滲透系數(shù)(K) 估算正常涌水量時(shí),含水層滲透系數(shù)采用抽水試驗(yàn)平均值;估算最大涌水量時(shí),含水層滲透系數(shù)采用抽水試驗(yàn)最大值。

    (2)含水層厚度(H) 預(yù)測(cè)斜井涌水量時(shí),Ⅰ號(hào)礦體采用XJ4斜井揭露的含水層厚度;Ⅹ號(hào)礦體按設(shè)計(jì)斜井深度(+300m)內(nèi)揭露的含水層厚度;

    預(yù)測(cè)豎井涌水量時(shí),Ⅰ號(hào)礦體豎井含水層厚度采用SJ8豎井揭露的含水層厚度;Ⅹ號(hào)礦體豎井含水層厚度采用SJ14豎井揭露的含水層厚度;

    Ⅰ號(hào)礦體+200m水平含水層厚度采用SK1孔+200m范圍內(nèi)揭露含水層的厚度;-100m水平含水層厚度采用SK1孔-100m范圍內(nèi)揭露含水層的厚度;

    Ⅹ號(hào)礦體+300m水平含水層厚度采用SK2孔+300m范圍內(nèi)揭露含水層厚度;+150m水平含水層厚度采用SK2孔+150m范圍內(nèi)揭露含水層厚度。

    (4)斜井水平投影長(zhǎng)度(B) 根據(jù)斜井坡度、井底標(biāo)高利用三角函數(shù)計(jì)算得出。

    (5)豎井半徑(rw) Ⅰ號(hào)礦體豎井半徑引用SJ8豎井的半徑;Ⅹ號(hào)礦體豎井半徑引用SJ14豎井的半徑。

    (6)礦體水平投影面積(F) 在礦區(qū)水文地質(zhì)圖上圈出Ⅰ號(hào)礦體+200m、-100m和Ⅹ號(hào)礦體+300m、+150m水平礦體水平投影范圍,用MAPGIS軟件在圖上直接量取面積。

    (7)比擬法用的涌水量Q1采用礦區(qū)西側(cè)3km陳家梁村西金礦實(shí)際涌水量資料,正常涌水量120 m3/d,最大涌水量200m3/d。

    (8)比擬用的疏干降深S1采用陳家梁村西金礦疏干降深值42.45m。

    5.4礦坑涌水量估算結(jié)果

    礦坑涌水量估算是在對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,概化了水文地質(zhì)模型與數(shù)學(xué)模型,計(jì)算參數(shù)依據(jù)實(shí)際資料而確定,并與水文地質(zhì)條件進(jìn)行最佳擬合。估算結(jié)果見表5。

    表5 礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果表Table 5 Water yield Prediction Table of pit mining water yield

    5.5礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)述

    根據(jù)早期勘查時(shí)排水資料可知【3】: XJ3斜井(井底標(biāo)高+319m)排水量為10m3/d,XJ4斜井(井底標(biāo)高+298m)排水量15m3/d;在礦區(qū)西南直距22km的迷力營子金礦與本區(qū)水文地質(zhì)條件基本相似,其礦坑排水資料為:YDⅡ平巷總排水量9.13m3/d;XJ3斜井排水量為18.15 m3/d,豐水期最大排水量為53 m3/d。

    估算結(jié)果(見表5)與已有排水資料及周邊礦坑排水資料對(duì)比可知,在+150m~+200m標(biāo)高利用大井法和比擬法估算的礦坑涌水量結(jié)果基本一致,估算結(jié)果比較可靠;+200m以上(斜井、豎井)用地下集水建筑物公式和管井涌水量公式估算的結(jié)果比較可靠,用比擬法估算的涌水量結(jié)果偏大,原因由降深小引起;+150m以下利用比擬法估算的結(jié)果比較可靠,利用大井法估算的涌水量結(jié)果偏大,原因是由計(jì)算利用的含水層厚度大引起的,隨著深度的增加裂隙發(fā)育程度逐漸變?nèi)?,富水性也變?nèi)?,含水層厚度未變。因此利用大井法預(yù)測(cè)的礦坑涌水量結(jié)果偏大。

    斜井、豎井和開拓水平的涌水量預(yù)測(cè)是在不溝通巷道積水的情況下預(yù)測(cè)的,礦山建設(shè)或開采溝通探礦巷道積水時(shí),其礦坑涌水量將會(huì)急劇增大,對(duì)礦井形成極大威脅,應(yīng)引起重視。

    6 礦坑防治水措施

    為了采礦安全,降低成本,對(duì)威脅采礦的各充水水源礦山一般采取疏排、控制或隔離等工程措施【6】。由于該探礦巷道處于積水狀態(tài),若采礦揭露到探礦巷道或采礦行為溝通探礦巷道時(shí)積水將會(huì)對(duì)礦坑瞬時(shí)充水,對(duì)采礦安全造成極大威脅,應(yīng)提前做好巷道積水的抽、排水工作,并做到“早預(yù)測(cè)早預(yù)防,有疑必探、先探后掘”的防治水原則,防止發(fā)生礦井突水災(zāi)害【7】。

    7 結(jié)論

    該礦床是以裂隙含水層充水為主的礦床,礦坑充水水源主要為變質(zhì)巖類裂隙水、斷裂(蝕變)破碎帶水及探礦巷道積水,礦床主要充水含水層和構(gòu)造破碎帶富水性弱,地下水補(bǔ)給條件差,第四系覆蓋面積小,第四系松散巖類含水層富水性弱,水文地質(zhì)邊界簡(jiǎn)單,但礦山存在探礦巷道積水突水的不確定因素,應(yīng)予以重視。

    1 袁建國,遼寧省北票市臺(tái)吉營子礦探獲了一處中型金礦[N]中煤地質(zhì)報(bào). 2014,68(01)

    2 GB12719-91.礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范[S]1991.

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    Some analysis on the features of water bearing stratum and faulted structure belt as well as the groundwater recharge, runoff and discharge conditons and hydrogeology parameter and pit filling factors shows that, the area has secondary hydrogeological condition. They predict the inclined shaft, shaft and deep, shallow level water yield with the method of level catchment building water yield formula, tube well yield formula, comparison formula and Diameter Well. Some prevention and cure measures were also been put forward for further construction and mining.

    HYDROGEOLOGICAL CONDITION AND PIT WATER YIELD PREDICTION OF TAIJIYINGZI GOLD MINE, BEIPIAO CITY,LIAONING PROVINCE

    Qi Xiequan Li Shuang Dong Yan
    1.Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau ,Jinan, Shandong, 271000
    2.General Institute of Chemical Geology Survey of China Chemical Geology and Mine Bureau,Beijing, 100013

    hydrogeological condition;Pit Water Yield Prediction;Gold mine;Taijiyingzi;Beipiao city

    P641

    A

    1006-5296(2016)01-0053-07

    亓協(xié)全(1981~),男,研究方向:水工環(huán)地質(zhì)勘查、評(píng)價(jià),工程師

    2015-10-15;改回日期:2015-11-18

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