中黃頁鐵礦水文地質(zhì)特征及涌水量預(yù)測研究

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(1.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所/河南省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)調(diào)查院/河南省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450000)

1 礦區(qū)概況

中黃頁鐵礦礦區(qū)位于盧氏縣潘河鄉(xiāng)黃葉村。地處豫西山地，區(qū)內(nèi)山川總體呈北東向展布，礦區(qū)地貌屬侵蝕構(gòu)造中山，地面標(biāo)高870～1 033 m，山勢高峻，因下切作用強(qiáng)烈，溝谷呈“V”型，谷底狹窄，坡度15°～20°，相對高差80～120 m。本區(qū)屬大陸性半干旱氣候，具有氣候干燥、降水較少且集中、蒸發(fā)作用強(qiáng)烈、溫差較大等特點(diǎn)。礦區(qū)位于華北陸塊南緣，受燕山期陸內(nèi)造山作用影響，總體上表現(xiàn)為自北向南的大規(guī)模逆沖推覆，形成了一系列不同規(guī)模、不同樣式及不同形態(tài)的構(gòu)造形跡，褶皺、斷裂極為發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為中元古界官道口群和震旦系，為一套淺變質(zhì)巖系，由于后期斷裂影響，各組之間呈塊斷式產(chǎn)出。官道口群地層為龍家園組(Pt2l)和巡檢司組(Pt2xj)，震旦系地層為東坡組(Zd)及第四系沖洪積層(Qhal+pl)。

2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)位于黃河水系洛河上游，區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育，主要有崔家溝，屬季節(jié)性河流。總體走向呈北西向，流向南東；平時(shí)溝內(nèi)基本無水，雨季水流湍急，流量可達(dá)0.5 m3/s，匯水面積約1.74 km2。崔家溝經(jīng)匯流后沿東南向流向洛河。

2.1 礦區(qū)含水層與隔水層

根據(jù)礦區(qū)含水介質(zhì)巖性、儲水空間類型及水力性質(zhì)，可劃分為三個(gè)含水層組，分別為碎屑巖類孔隙裂隙含水層組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層組、基巖裂隙含水層組。

碎屑巖類孔隙裂隙含水層組主要分布于礦區(qū)以北，含水層組為上、下第三系紅色碎屑巖，巖性主要為泥質(zhì)膠結(jié)的砂礫巖、礫巖及粉砂巖，成巖作用及膠結(jié)程度差，構(gòu)造裂隙不發(fā)育，近地表發(fā)育有風(fēng)化裂隙帶，弱含孔隙裂隙水，泉流量一般小于0.1 L/s。水質(zhì)為HCO3-Ca型水，礦化度小于0.3 g/L。

碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層組分布于礦區(qū)北部，含水層組巖性主要為官道口群巡檢司組硅質(zhì)條帶細(xì)晶白云石大理巖、絹云母化白云石大理巖夾薄層鈣質(zhì)板巖等，鉆孔揭露厚度326 m，傾向北北東，傾角53°～78°。據(jù)鄰近相似地段水井抽水試驗(yàn)資料：降深20.33～23.51 m，單井出水量91.57～154 m3/d，含水層滲透系數(shù)0.004～0.007 8 m/d，統(tǒng)計(jì)巖溶發(fā)育率0.95%。該含水層組為礦床充水主要含水層組，與礦層直接接觸。

基巖風(fēng)化裂隙含水層組分布于礦區(qū)南部，含水層巖性主要為震旦系東坡組絹云千枚巖、粉砂質(zhì)板巖和微晶白云巖，淺表風(fēng)化裂隙含水，風(fēng)化帶厚度一般小于30 m，富水性弱，對礦床充水意義不大。風(fēng)化帶以下，巖層富水性與透水性極差，屬相對隔水層。

2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

降水入滲是本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源，天然條件下主要以泉形式排泄，現(xiàn)狀條件下，井開采、礦坑排水成為地下水的主要排泄方式。地下水徑流受地形地貌和構(gòu)造的控制，碳酸鹽巖裸露區(qū)接受降水入滲補(bǔ)給后，沿裂隙、溶洞向盧氏盆地徑流排泄。

2.3 礦區(qū)構(gòu)造特征

礦區(qū)位于華北陸塊南緣盧氏—欒川褶斷帶的中西部，區(qū)內(nèi)地層和斷裂發(fā)育，主要構(gòu)造線方向?yàn)楸蔽魑飨?，次為近東西向和北西向，偶見北東東向，局部亦見有與斷層伴生的不對稱的斜歪褶皺出現(xiàn)。

3 充水因素分析

3.1 礦床充水水源分析

大氣降水：該礦床為地下開采,大氣降水可補(bǔ)給地表水和地下水,作為礦床的間接水源。

地下水：因鐵礦體富集巖層為官道口群巡檢司組硅質(zhì)條帶細(xì)晶白云石大理巖巖溶裂隙水含水層，是礦床的直接充水層。

老窿水：礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)有民采平硐或采坑9個(gè)，開采深度15～150 m，充水量極小，礦區(qū)發(fā)現(xiàn)老窿水。

3.2 礦床充水通道分析

巖石天然節(jié)理裂隙：由于該礦床大部分賦存于含水層當(dāng)中，與含水層直接接觸，部分礦體與相對隔水層接觸。因此，其頂板巖層的節(jié)理裂隙以及溶隙將成為深入性充水通道，形成面狀性涌水，滲入性通道涌水量較小。

人為因素：未來的采礦活動，會產(chǎn)生大量的采礦冒落裂隙，這些裂隙也會溝通含水層與礦體之間的水力聯(lián)系，成為地下水活動的良好通道。

3.3 礦床頂?shù)装鍥_水條件分析

礦層頂板充水水源主要來自于官道口群巡檢司組硅質(zhì)條帶細(xì)晶白云石大理巖巖溶裂隙水，該含水層組較厚，礦層頂板大部分均位于該層巖組當(dāng)中，直接與礦層接觸。

表1 勘探孔水文地質(zhì)特征一覽表

4 礦坑涌水量預(yù)測

4.1 礦坑充水含水層及邊界特征

礦區(qū)內(nèi)第四系沖洪積含水層不發(fā)育，基巖風(fēng)化帶裂隙含水層由于受隔水層(Zd千枚巖)阻隔，不會對礦床開采造成威脅。礦區(qū)內(nèi)分布的碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層組是礦床開采的主要充水含水層組，該含水層組相對于礦床分布屬無限擴(kuò)展。

根據(jù)碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的埋藏條件和水動力性質(zhì)，礦區(qū)裂隙巖溶地下水屬潛水。

礦區(qū)南部分布震旦系東坡組絹云千枚巖、粉砂質(zhì)板巖、微晶白云巖，以淺表風(fēng)化裂隙儲水為主，富水性弱，所以，南部、西部以地表分水嶺作為地下分水嶺；北部分布官道口群巡檢司組，巖性以白云石大理巖為主，儲存裂隙巖溶水，根據(jù)鉆孔水位資料，巖溶水位埋深大于400 m水位以上屬透水層，雨季接受降水入滲補(bǔ)給后豎直向下滲透為主，因而北部邊界仍以地表分水嶺為界。上述邊界圈定的礦區(qū)水文地質(zhì)單元面積1.50 km2。

4.2 礦坑涌水量預(yù)測

4.2.1 補(bǔ)給量法預(yù)測礦坑涌水量

該方法可預(yù)測整個(gè)礦區(qū)的涌水量，根據(jù)礦區(qū)的水文地質(zhì)條件，礦坑涌水量由降水入滲量和疏干儲存量組成。

(1)疏干儲存量(Q疏)

疏干儲存量按下式計(jì)算

Q疏=Hμ(F1+0.33PR)/t

式中：H為疏干含水層的平均厚度，取巖溶水位標(biāo)高與儲量計(jì)算底界標(biāo)高的差值，為540 m；μ為給水度，取統(tǒng)計(jì)的巖溶發(fā)育率，為0.009 5；F1為礦坑系統(tǒng)面積，為8 000 m2；P為礦坑系統(tǒng)邊界周長，為1 800 m；R為降落漏水半徑，從礦坑邊界外圍算起，取1 000 m；t為疏干時(shí)間，按20 a，計(jì)7 300 d；

計(jì)算結(jié)果：Q疏=423 m3/d。

(2)降水入滲補(bǔ)給量(Q降)。

降水入滲補(bǔ)給量按下式計(jì)算。

Q降=PFα/365

式中：P為降水量，取多年平均降水量，P=0.62 m；F為入滲補(bǔ)給區(qū)面積，取疏干影響范圍內(nèi)，碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層裸露區(qū)面積為9×105m2；α為降水入滲系數(shù)，α=0.2。

計(jì)算結(jié)果：Q降=306 m3/d。

綜上所述，Q降+Q疏=423+306=729(m3/d)

即補(bǔ)給量計(jì)算礦坑涌水量為729 m3/d。

4.2.2 大井法預(yù)測礦坑涌水量

采用潛水涌水量公式：

式中：Q為礦坑系統(tǒng)涌水量(m3/d)；K為含水層組滲透系數(shù)，K=0.004 5 m/d；H為由儲量計(jì)算底界算起的水頭高度，H=540 m；r0為引用半徑；r0=η

其中a、b分別為概化為矩形礦坑的長、寬，η值取1.08, r0=243 m；

R為降落漏水半徑，從礦坑邊界外圍算起，取1 000 m；R0為引用影響半徑，R0=R+r0

計(jì)算結(jié)果：Q=2 508 m3/d

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高900 m左右，礦坑水自然排泄面標(biāo)高820～880 m，儲量計(jì)算底界標(biāo)高500～550 m。補(bǔ)給量法計(jì)算的礦坑涌水量729 m3/d，為在開采期間礦坑的平均涌水量；大井法計(jì)算的礦坑涌水量2 508 m3/d，為礦床開采到儲量計(jì)算底界時(shí)的涌水量，即礦坑最大涌水量。

5 結(jié)語

中黃頁鐵礦含水層為官道口群巡檢司組硅質(zhì)條帶細(xì)晶白云石大理巖巖溶裂隙水含水層,充水含水層富水性較差,滲透性較弱。礦床主要充水含水層為官道口群巡檢司組硅質(zhì)條帶細(xì)晶白云石大理巖巖溶裂隙水含水層。礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，多充填，富水性較弱。根據(jù)補(bǔ)給量法預(yù)測礦坑平均涌水量為729 m3/d，大井法預(yù)測礦坑最大涌水量為2 508 m3/d。