安徽當(dāng)涂楊莊鐵礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測(cè)

許 斌

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局324地質(zhì)隊(duì)，安徽 池州 247100)

0 引言

在水文條件復(fù)雜的礦山，礦坑涌水是礦山開采所面臨的重要安全問題，同時(shí)也是礦井排水、礦山給排水合理設(shè)計(jì)依據(jù)[1-2]。安徽當(dāng)涂楊莊鐵礦區(qū)位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，主要充水含水層屬于以裂隙為主的裂隙-巖溶含水巖組，富水性中—強(qiáng)，但礦床東、西、北面均為隔水邊界，補(bǔ)給條件差，礦床圍巖存在突水事故威脅，頂部分布有厚層砂礫石層，但與礦體之間隔有厚層隔水層，水力聯(lián)系微弱。文章通過解析法預(yù)計(jì)礦坑涌水量[3]，判斷礦區(qū)水文地質(zhì)條件，為礦山建設(shè)提供有力支撐。

1 礦床類型及簡(jiǎn)要地質(zhì)特征

楊莊鐵礦礦床屬典型的玢巖型氣化-熱液交代為主的充填-接觸交代型鐵礦床。區(qū)域大地構(gòu)造單元位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)、下?lián)P子臺(tái)坳、沿江拱斷褶帶、安慶凹斷褶束，寧蕪中生代陸相火山巖盆地南段鐘姑山礦田內(nèi)。礦區(qū)地層簡(jiǎn)單，淺表均為第四系地層覆蓋。礦區(qū)內(nèi)隱伏的前第四系地層主要為三疊系中統(tǒng)徐家山組(T2x)、黃馬青組(T2h)及侏羅系中下統(tǒng)象山群(J1-2xn)。構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，礦床位于鐘姑山復(fù)背斜之次級(jí)褶皺——向陽向斜的北轉(zhuǎn)折端，斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育，未見明顯的斷裂構(gòu)造，但層間裂隙較發(fā)育。巖漿巖主要為燕山期閃長(玢)巖、輝石閃長(玢)巖。出現(xiàn)的巖脈主要為輝綠玢巖巖脈、閃長玢巖巖脈。礦化以磁鐵礦化為主，其次赤鐵礦化、少量黃鐵礦化、黃銅礦化。圍巖蝕變強(qiáng)烈。常見蝕變?yōu)樘妓猁}化、矽卡巖化、鈉長石化等等。

2 水文地質(zhì)

楊莊鐵礦區(qū)位于青弋江、水陽江河谷平原之河漫灘偏東北，西南距蕪湖市殘丘一階地區(qū)約12 km，東北距音山—和睦山丘陵一階地區(qū)約3 km，處在著名的鐘姑鐵礦田南面，東距姑山鐵礦2 km，東北距白象山鐵礦4 km，北距鐘九鐵礦2.5 km，西北距和睦山鐵礦3 km。礦區(qū)所在之河漫灘地帶，地形平坦，區(qū)內(nèi)溝渠縱橫、池塘密布。礦區(qū)東面距青山河3 km，最低侵蝕基準(zhǔn)面為+5.0 m(按青山河平均水位高程+4.72 m計(jì))。

2.1 含水巖組

礦區(qū)含水巖組主要為第四系孔隙含水巖組(Ⅰ)、白堊系廣德組火山巖裂隙含水巖組(Ⅱ1)、侏羅系象山群砂巖裂隙含水巖組(Ⅱ0)、三疊系黃馬青組砂泥巖裂隙含水巖組(Ⅱ)、三疊系徐家山組砂泥巖、碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組(Ⅲ)和燕山晚期閃長巖裂隙含水巖組(Ⅳ)。

(1)第四系孔隙含水巖組，富水性中—強(qiáng)(Ⅰ)。

本組復(fù)蓋全礦區(qū)，埋藏深度0～50 m，最深75.5 m。地層產(chǎn)狀平緩且穩(wěn)定，與鄰近礦區(qū)及區(qū)域具有很高對(duì)比性，自上而下：

全新統(tǒng)蕪湖組(Q4w)厚19～25 m，底板標(biāo)高-12～-20 m，富水性中等。上部為粉質(zhì)黏土，中部為薄層砂質(zhì)黏土與黏質(zhì)砂土、粉砂互層，鉆孔單位涌水量q=0.02 L/(s·m)，滲透系數(shù)k=0.05～0.07 m/d；下部為粉細(xì)砂局部夾粉土，q=0.26～0.83 L/(s·m)，k=1.82～2.01 m/d。水化學(xué)類型屬HCO3—Ca·Mg型，礦化度0.8 g/L。地下水位埋深0.5～2.0 m，水力性質(zhì)為潛水。

上更新統(tǒng)大橋鎮(zhèn)組(Q3d)厚25～45.5 m，底板標(biāo)高-43～-68 m，富水性強(qiáng)。上部為粉土質(zhì)砂質(zhì)黏土，厚10.25～12.7 m，k=0.04 m/d；下部為砂礫卵石層，頂部有時(shí)見薄層中細(xì)砂層，結(jié)構(gòu)松散，厚10.25～20.5 m，為強(qiáng)透水的含水層，q=0.98～5.91 L/(s·m)，平均2.09 L/(s·m)，k=2.91～37.56 m/d。水化學(xué)類型屬HCO3·SO4—Ca·Mg型，礦化度1.05 g/L，水位埋琛1～3 m，水力性質(zhì)為承壓水。

(2)白堊系廣德組火山巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅱ1)。

該組分布于礦區(qū)北部外側(cè)鐘九鐵礦區(qū)及東部外側(cè)姑山鐵礦區(qū)，呈層狀覆蓋在閃長巖體之上，對(duì)本礦坑充水無影響，屬次要含水層。巖性為火山巖及火山碎屑巖，最大厚度400 m。裂隙不發(fā)育，巖石較疏松，易軟化，q=0.0502 L/(s·m)，k=0.0727 m/d 。

(3)侏羅系象山群砂巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅱ0)。

該層僅分布于礦區(qū)東側(cè)的狹長地帶，覆蓋在黃馬青組之上，對(duì)礦坑充水無影響，屬次要含水巖組。巖性為層狀石英砂巖，q=0.02～0.1 L/(s·m)，k=0.02～0.8 m/d，富水性弱，水化學(xué)類型HCO3·SO4—Ca·Mg型。

(4)三疊系黃馬青組砂泥巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅱ)。

分布于全礦區(qū)，大部分埋伏于(Ⅰ)含水巖組之大橋鎮(zhèn)組砂礫卵石層之下，局部位于(Ⅱ0)含水巖組之下。巖性為粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，層狀(中厚層狀為主夾薄層狀)構(gòu)造，層面結(jié)構(gòu)緊密。裂隙發(fā)育段分布于風(fēng)化帶、層間破碎帶以及接觸帶。巖石多屬軟巖，泥化較重，巖芯破碎，多組閉合和充填裂隙發(fā)育(泥質(zhì)、碳酸鈣質(zhì)或鐵質(zhì)充填)，偶見開口裂隙。經(jīng)在ZKW1和ZKW3進(jìn)行穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，ZKW1結(jié)果：q=0.017 L/(s·m)，k=4.7×10-3m/d；ZKW3結(jié)果：q=0.04 L/(s·m)，k=4.9×10-3m/d。水化學(xué)類型屬SO4—Ca·Na·Mg型，礦化度M=1.34 g/L。水力性質(zhì)為承壓水。

(5)三疊系徐家山組砂泥巖、碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組，富水性中—強(qiáng)(Ⅲ)。

本組分布全礦區(qū)，上覆(Ⅱ)含水巖組。巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖互層，夾白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，是主要成礦層。巖溶較發(fā)育，溶孔和晶洞直徑一般1～2 cm，溶洞直徑一般約1～2 m，溶蝕裂隙見于多組裂隙發(fā)育段，裂隙間距<5 cm?？蓪⒈竞畮r組的富水性分區(qū)如下：

Ⅲ-3區(qū)：采用抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，q=2.72～3.41 L/(s·m)，k=1.3～5.10 m/d，富水性強(qiáng)；

Ⅲ-2區(qū)：采用抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，q=0.26～0.35 L/(s·m)，k=1.06～1.14 m/d，富水性中等；

Ⅲ-1區(qū)：采用鐘九礦區(qū)抽水資料，q=0.149 L/(s·m)，k=0.17 m/d，富水性中等偏弱。

本含水巖組水化學(xué)類型屬SO4—Ca·Mg型水，礦化度M=2.7～2.85 g/L，偏硅酸50～55 mg/L，水力性質(zhì)屬承壓水。

(6)燕山晚期閃長巖裂隙含水巖組，富水性弱(Ⅳ)。

本組分布全礦區(qū)，在礦區(qū)內(nèi)均深埋于含水巖組(Ⅲ)之下。巖性為閃長巖。巖石強(qiáng)度軟至半堅(jiān)硬。富水性弱至極弱，q=0.001～0.04 L/(s·m)，k=0.07～0.08 m/d。水化學(xué)類型屬HCO3·Cl—Na·Ca型，礦化度M=0.225 g/L，水力性質(zhì)屬承壓水。

2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件及水力聯(lián)系

(1)補(bǔ)給：礦區(qū)地下水靠大氣降水補(bǔ)給。

(2)徑流。

地下徑流流向：礦區(qū)北、西外側(cè)的地下水總流向仍和地形起伏一致，由北北東的和睦山—前鐘山丘陵地流向南南西的河谷平原。但至礦區(qū)因受姑山鐵礦排水影響，致使地下徑流改變流向，由西北流向東南或自西向東注入姑山礦坑，礦區(qū)年地下徑流(包括第四系水和基巖水)流向是穩(wěn)定的。

地下徑流狀態(tài)：降水入滲形成淺部和深部徑流，前者主要滲流在第四系孔隙含水巖組中，流程短、流動(dòng)暢快，水循環(huán)周期短，水質(zhì)屬重碳酸類型，礦化度較低(M<1 g/L)；后者滲流在各類基巖裂隙或裂隙-巖溶含水巖組中，流程長、流動(dòng)緩慢，水質(zhì)屬硫酸類型，礦化度偏高(M>1 g/L)，水循環(huán)周期長，礦區(qū)深部存在半封存的古地下水。

微動(dòng)態(tài)：礦區(qū)地下逕流也受固體潮影響呈現(xiàn)日微動(dòng)態(tài)特征。

(3)排泄。

楊莊鐵礦區(qū)地下水排泄形式，除部分由地下逕流排出礦區(qū)外，大部分由姑山鐵礦以排水形式排出地表。

(4)水力聯(lián)系。

從淺部至深部分述如下：

第四系孔隙含水巖組上部Q4w與下部Q3d之間有一層厚約10～12 m分布較穩(wěn)定的黏性土層，平均滲透系數(shù)kCP=0.04 m/d(姑山礦第四系邊坡帷幕止水工程采用值)，屬相對(duì)隔水層，在天然狀態(tài)下兩者水力聯(lián)系不密切，上部水位埋深淺，常與地表水(稻田水)持平，而下部水位埋深則與基巖水位埋深基本一致。礦區(qū)長觀孔第四系水位是上、下部混合水位，因受上部淺水位制約，比基巖水位高1～2 m。在排水情況下基本上無水力聯(lián)系。

第四系孔隙含水巖組下部Q3d砂礫卵石層與下伏基巖裂隙含水巖組T2h、J1-2xn、δ等分別相接觸，兩者之間不存在隔水層，在天然狀態(tài)下水力聯(lián)系程度較弱。

象山群裂隙含水巖組(Ⅱ0)、黃馬青組裂隙含水巖組(Ⅱ)與徐家山組裂隙-巖溶含水巖組(Ⅲ)之間不存在絕對(duì)隔水層，具有統(tǒng)一的地下水位，兩者存在水力聯(lián)系，但聯(lián)系程度較差。

2.3 坑道充水因素分析

(1)地質(zhì)因素：徐家山組裂隙-巖溶含水巖組中的地下水從含水層的破碎帶、節(jié)理密集帶經(jīng)由坑道頂?shù)装寤蛘谱用嬷苯佑咳肟拥溃瑢僬Ｇ闆r下的涌水量；含水?dāng)鄬訋}狀承壓水突入坑道，很可能形成突水事故；遇含水溶洞引起坑道突水[4]。

(2)人為因素：遇到未封的或沒有封好的鉆孔引起突水。

3 解析法預(yù)計(jì)礦坑涌水量

3.1 水文地質(zhì)條件概化

綜上所述，本礦區(qū)主要充水含水巖組為三疊系中統(tǒng)徐家山組裂隙-巖溶含水巖組，富水性中—強(qiáng)。其東、西、北三面為燕山期閃長巖包圍，富水性弱—極弱，視為相對(duì)隔水層。

垂向上，礦區(qū)含水巖組為四層結(jié)構(gòu)，分別為：Ⅰ——第四系孔隙含水巖組，富水性中—強(qiáng)；Ⅱ——三疊系黃馬青組裂隙含水巖組，富水性弱，視為相對(duì)隔水巖組；Ⅲ——三疊系徐家山組裂隙-巖溶含水巖組,富水性中—強(qiáng)；Ⅳ——燕山晚期閃長巖裂隙含水巖組，富水性弱，視為相對(duì)隔水巖組。

據(jù)此，用于礦坑涌水量預(yù)計(jì)的礦區(qū)水文地質(zhì)條件概化模型：平面上為東、西、北三面直線隔水邊界，南面供水邊界(圖1)；剖面上為四層結(jié)構(gòu)的水平含(隔)水層且底板及東、西兩壁或北壁為隔水邊界(圖2)。

圖1 礦坑涌水量預(yù)測(cè)平面概化圖

圖2 礦坑涌水量預(yù)測(cè)剖面概化圖

3.2 公式選擇

選用三面直線隔水邊界箱形映射的非穩(wěn)定流承壓轉(zhuǎn)無壓公式：

(1)

式中：Q為礦坑涌水量， m3/d；k為滲透系數(shù)，m/d；H為承壓水頭高度，m；m為承壓含水層厚度，m；h0為大井中水位高度，m；a為導(dǎo)壓系數(shù)，m2·d-1；t為時(shí)間，d；b為平行隔水邊界的距離，m；b0、b1、b2為大井匯點(diǎn)距隔水邊界的距離，m；r0為大井半徑，m。

經(jīng)映射，得數(shù)學(xué)原點(diǎn)(匯點(diǎn))坐標(biāo)為:

X=3 481 652.858，Y=41 233.447。

3.3 參數(shù)選擇

①承壓含水層厚度(m)：根據(jù)水文地質(zhì)剖面線上各孔間面積加權(quán)平均求得m=269 m。

②滲透系數(shù)(k)：根據(jù)鉆孔非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果及分區(qū)面積加權(quán)求得k=2.12 m/d(表1)。

表1 礦區(qū)滲透系數(shù)分區(qū)計(jì)算表

③彈性釋水系數(shù)(μ*)：根據(jù)ZKW1、ZKW2、ZKW3非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果求得平均值μ*=0.0004。

④設(shè)計(jì)開采面積F：計(jì)算得礦體水平投影面積為F=1.59×106m2。

⑤有效裂隙率μ：根據(jù)各勘探線可見線巖溶率求得全礦區(qū)平均巖溶率μ=0.0103。

⑥大井半徑(r0)：根據(jù)礦體投影面積形狀，選擇r0=L/(2π)，計(jì)算得礦體水平投影多邊形周長L=6 191 m，r0=L/(2π)=986 m。

⑦承壓水頭高度H：取ZKW8基巖年平均水位值計(jì)算(平均水位標(biāo)高為+3.86 m)；計(jì)算礦坑最大涌水量時(shí)，取ZKW8基巖水位最大者計(jì)算，為+4.25 m。

⑧時(shí)間t：與年水位平均值對(duì)應(yīng)，取365 d；計(jì)算礦坑最大涌水量時(shí)，取豐水期時(shí)間153 d(5—9月)。

⑨大井中水位高度h0：按等于0計(jì)算。

⑩大井距隔水邊界的距離b0，b1，b2：在1∶10000基巖水文地質(zhì)圖上量得。

3.4 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果

預(yù)測(cè)中采用的參數(shù)均為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，解析法所選擇的理論公式，合乎礦區(qū)水文地質(zhì)條件，但結(jié)果略偏大，即礦坑正常涌水量為16 900～26 000 m3/d，礦坑最大涌水量為40 900 m3/d(表2)。

表2 解析法預(yù)測(cè)礦坑正常和最大涌水量結(jié)果表

4 結(jié)論

(1)解析法預(yù)測(cè)的涌水量為進(jìn)入巷道的正常的涌水量，不包括各種因素(斷層破碎帶、溶洞、未封鉆孔等)引起的突水水量及靜儲(chǔ)量。

(2)預(yù)測(cè)中采用的參數(shù)均為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。解析法所選擇的理論公式，合乎礦區(qū)水文地質(zhì)條件，但結(jié)果略偏大，即礦坑正常涌水量為16 900～26 000 m3/d，礦坑最大涌水量為40 900 m3/d。