中關(guān)鐵礦礦區(qū)地下水動(dòng)態(tài)特征分析

龐旭靜,胡雪峰,楊智淇

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063200;2.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,河北 秦皇島 066000;3.山西省地勘局213地質(zhì)隊(duì)有限公司,山西 臨汾 041000)

0 引言

我國礦產(chǎn)資源開發(fā)利用歷史久遠(yuǎn),是世界上最早開發(fā)利用礦產(chǎn)資源的國家之一,但礦井水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜,開采時(shí)深受礦井水害的威脅。中關(guān)鐵礦屬于我國最為發(fā)育的矽卡巖型鐵礦床之一,是隱伏式接觸交代型礦床,礦體賦存在侵入巖與中奧陶統(tǒng)灰?guī)r的接觸帶內(nèi)及其附近的灰?guī)r中,發(fā)育在百泉巖溶水系統(tǒng)北洺河到泉群泄水區(qū)的強(qiáng)徑流帶上,屬于大水礦山。奧陶系灰?guī)r地下水徑流總體上受區(qū)域地下水徑流控制,礦床的各含水層之間存在著一定的水力聯(lián)系[1]。2010年實(shí)施全封閉帷幕注漿工程后,注漿帷幕在礦山施工過程中起到了一定的阻水作用,但帷幕內(nèi)依然面臨出水量大的問題。因此,需對比分析帷幕注漿后奧陶系灰?guī)r含水層的各個(gè)觀測孔地下水動(dòng)態(tài)變化,為合理制定防治水措施、保障礦山安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 中關(guān)鐵礦帷幕注漿概況

礦區(qū)位于邢臺-百泉強(qiáng)徑流帶上,地下水問題嚴(yán)重影響礦山開采,為減少礦井的涌水量,華北有色工程勘察院在2004年實(shí)施水文地質(zhì)勘探后經(jīng)過分析研究提出了帷幕注漿礦坑涌水防治方法。在經(jīng)過多次帷幕注漿試驗(yàn)后實(shí)施帷幕注漿工程,帷幕注漿工程于2008年5月中旬開始施工,于2010年11月底完成,共施工鉆孔325個(gè),其中注漿孔253個(gè),檢查孔34個(gè),加密孔20個(gè),觀測孔18個(gè)。在礦區(qū)帷幕線兩側(cè)和其內(nèi)部共布有23個(gè)觀測孔,分別為帷幕線兩側(cè)的9組18個(gè)觀測孔和帷幕內(nèi)的G1～G5五個(gè)觀測孔,觀測孔位置如圖1所示。完成鉆探進(jìn)尺184 108.2 m,注漿段長度合計(jì)137 365.5 m。但于2013年10月,在豎井施工過程中,在-260 m水平中央變電所發(fā)生了突水量達(dá)250 m3/h突水事故,礦山涌水仍然制約著工程施工的正常運(yùn)行。發(fā)生突水事故之后,經(jīng)過后期排水形成了具有較大水位降深和一定空間分布、相對穩(wěn)定的地下水空間流場[1,5]。

圖1 帷幕與觀測孔位置

帷幕體的形成,改變了地下水在礦區(qū)及礦區(qū)周圍原有的徑流途徑,起到了一定的阻水作用[6]。帷幕注漿改變了中關(guān)鐵礦原有的水文地質(zhì)條件,使地下水大致流向從西北和西南部流入礦區(qū),繞過帷幕體向北及向東方向徑流。礦區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給量和排水量差異巨大,地下水動(dòng)態(tài)呈負(fù)均衡,地下水靜儲量持續(xù)消耗,地下水流場形成降落漏斗。隨著人工排泄持續(xù)進(jìn)行,東南部水位變化不明顯,礦區(qū)內(nèi)地下水水位總體呈南高北低,可能是由于東南段觀測孔與帷幕內(nèi)含水層以及構(gòu)造裂隙存在水力聯(lián)系,總體來說,礦區(qū)內(nèi)地下水水位與區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)和人工排泄存在一定水力聯(lián)系[2-4]。

2 礦區(qū)觀測孔地下水動(dòng)態(tài)特征分析

奧陶系灰?guī)r層是礦區(qū)分布最為廣泛、厚度最大的含水層,為礦體的直接頂板或底板,具有厚度大,透水性強(qiáng),分布范圍廣,與區(qū)域地下水系統(tǒng)連通性好的特征。礦區(qū)地下水位發(fā)生下降時(shí),區(qū)域地下水可直接對礦區(qū)地下水進(jìn)行補(bǔ)給[7]。

礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層地下水的補(bǔ)給來源主要是區(qū)域地下水的橫向補(bǔ)給和大氣降水、地表河流的入滲補(bǔ)給等。大氣降水可通過裸露基巖風(fēng)化裂隙含水層入滲補(bǔ)給基巖水并通過構(gòu)造裂隙帶補(bǔ)給奧陶系灰?guī)r含水層;裸露的閃長巖體上部風(fēng)化裂隙含水層可直接接受大氣降水補(bǔ)給,補(bǔ)給水沿與灰?guī)r接觸帶補(bǔ)給奧陶系灰?guī)r含水層;河流的垂直滲流補(bǔ)給也是礦區(qū)灰?guī)r含水層主要補(bǔ)給途徑[1,8]。

根據(jù)百泉泉域內(nèi)近10 a的地下水水位動(dòng)態(tài)圖(圖2)分析得出[10],中關(guān)鐵礦CG02觀測孔孔水位動(dòng)態(tài)趨勢與區(qū)域總體水位動(dòng)態(tài)趨勢具有高度一致性,說明礦區(qū)地下水水位主要受區(qū)域地下水水位動(dòng)態(tài)的影響。區(qū)域地下水位在2010-2020年期間,大體上可分為五個(gè)階段:2010年1月-2011年7月總體呈下降趨勢;2011年7月-2013年10月總體呈上升趨勢;2013年10月-2016年7月總體呈下降趨勢,且相對降幅較大;由于2016年強(qiáng)降雨的影響,2016年7月-2016年12月地下水位急劇上升;2017年1月-2020年4月,區(qū)域地下水位總體趨勢較為平穩(wěn)。在單個(gè)自然年內(nèi),7月至11月由于雨季的來臨,降水量較大,地下水位呈上升趨勢,11月-次年3月,水位動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定,略微有小波動(dòng)或小幅下降,3-7月,水位呈下降趨勢。

圖2 百泉泉域內(nèi)近10 a的地下水水位動(dòng)態(tài)圖

2010年7月-2015年11月,帷幕內(nèi)外的9組觀測孔和帷幕內(nèi)G1～G5五個(gè)觀測孔的水位動(dòng)態(tài)(時(shí)間-水位曲線)如圖3所示[9]。自2010年帷幕建成之后,位于帷幕線內(nèi)外的9組觀測孔的水位動(dòng)態(tài)變化基本一致,由此可以證明帷幕線內(nèi)外的水力聯(lián)系較為密切。根據(jù)圖分析可知,盡管2012年9月-2013年10月部分水位數(shù)據(jù)有所缺失,但在每年的7月份-11月份受降水影響,水位有小幅度的上升趨勢,其余時(shí)間段呈相對下降趨勢。2013年10月-2015年12月整體呈下降趨勢,且下降速度幅度快,與區(qū)域地下水水位動(dòng)態(tài)趨勢大致相符,說明帷幕內(nèi)地下水位一方面受區(qū)域地下水位的影響,另一方面推測與帷幕內(nèi)人工排水有關(guān)。

圖3 2010年7月-2015年11月各觀測孔水位動(dòng)態(tài)曲線圖

2013年9月27日,由于受礦山主井-260m變電所施工至閃長巖構(gòu)造裂隙F1斷層附近時(shí)突水事故影響,觀測孔水位集體出現(xiàn)下降,突水量達(dá)到250 m3/h。10月4日,礦山開始對突水點(diǎn)進(jìn)行封堵,與此同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)排水,10月4日-11月8日期間,抽水總量達(dá)11 520 m3/d(包含各施工豎井正常排水5 992 m3/d),排水后期10月11日-11月2日(11月6日,突水點(diǎn)完全封堵),礦床范圍內(nèi)地下水位接近于穩(wěn)定狀態(tài),平均排水量350 m3/h。停止抽排地下水后,礦床范圍內(nèi)觀測孔水位迅速上升[1]。

對帷幕內(nèi)G1～G5五個(gè)觀測孔進(jìn)行水位動(dòng)態(tài)檢測(如圖4),礦山強(qiáng)排水和突水點(diǎn)未封堵期間,帷幕內(nèi)的五個(gè)觀測孔響應(yīng)最為迅速,G1、G3和G4三個(gè)觀測孔水位降幅最大,分別是19.57 m、19.93 m、16.40 m,G2、G5觀測孔水位降幅稍小,分別是11.42 m、14.77 m,G2和G5雖比G1、G3和G4三個(gè)孔降幅稍小,但明顯大于分布于帷幕內(nèi)外兩側(cè)的9組觀測孔,完全封堵出水點(diǎn)停止強(qiáng)排水后,五個(gè)觀測孔的水位迅速回升。說明帷幕內(nèi)灰?guī)r含水層與閃長巖構(gòu)造裂隙含水層之間有很好的水力聯(lián)系,由于閃長巖裂隙發(fā)育深度較深,同時(shí)依據(jù)勘探線剖面資料,閃長巖體上部有很厚的閃長巖蝕變帶,而帷幕注漿深度只達(dá)到閃長巖內(nèi)部10 m,閃長巖裂隙和閃長巖蝕變帶很有可能是連接帷幕內(nèi)外地下水的通道,采用水化學(xué)的方法對此推斷進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖4 G1-G5觀測孔地下水水位動(dòng)態(tài)曲線圖

依據(jù)帷幕內(nèi)外各觀測孔水位的高低[6],可對帷幕內(nèi)外的地下水流向進(jìn)行分析(如圖5和圖6)。

圖5 帷幕線外9個(gè)觀測孔地下水水位動(dòng)態(tài)圖

圖6 帷幕線內(nèi)9個(gè)觀測孔地下水水位動(dòng)態(tài)圖

圖5為帷幕外側(cè)9個(gè)觀測孔地下水水位動(dòng)態(tài)圖,在帷幕建成之后,2013年8月至2015年12月外側(cè)觀測孔水位由高到低依次為c52-cg32-cg22-cg02-cg92-cg62-cg72-cg82。帷幕線西邊,水流方向由北向南流;帷幕線東邊,水流方向由南向北流;帷幕線北邊,水流方向由西北向東流。地下水整體流向依然為西南向西北方向流,在帷幕附近受阻水帷幕影響區(qū)域,地下水從帷幕南側(cè)、西側(cè)流向礦區(qū)后,大致自南向北從帷幕體四周繞過帷幕體向北及東北方向徑流。

圖6為帷幕內(nèi)側(cè)9個(gè)觀測孔地下水水位動(dòng)態(tài)圖,在帷幕建成之后,2013年8月-2015年12月內(nèi)側(cè)觀測孔水位由高到低依次為cg01-cg91-cg11-cg51-cg71-cg81-cg61-cg21-cg31。結(jié)合帷幕線外水位觀測孔的情況發(fā)現(xiàn),隨著抽排水的進(jìn)行,帷幕內(nèi)地下水總體呈現(xiàn)南高北低,帷幕內(nèi)地下水為從四周向疏放水中心匯聚的狀態(tài),水位由高到低。當(dāng)區(qū)域水位下降時(shí),帷幕內(nèi)小部分水可從東北部和西南部位置流出。

自2010年帷幕建成之后,對礦區(qū)內(nèi)各個(gè)觀測孔的水位進(jìn)行水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測,繪制水位動(dòng)態(tài)曲線圖,通過分析發(fā)現(xiàn)中關(guān)鐵礦礦區(qū)內(nèi)地下水位動(dòng)態(tài)線與礦區(qū)外奧陶系灰?guī)r含水層水位動(dòng)態(tài)線走勢基本一致,說明礦區(qū)內(nèi)存在連接帷幕體內(nèi)外的地下水通道,很有可能是閃長巖裂隙和閃長巖蝕變帶。

3 地下水流場分析

圖7為帷幕內(nèi)2010-2019年間有特征變化的幾年地下水位等勢線圖,是用Surfer軟件所繪制得到的地下水位等勢線圖[3,7]。由于帷幕是在2010年11月底建成的,故選擇2010年12月底以及2011年11月中旬的水位數(shù)據(jù)繪制等勢線圖如圖7(a)和圖7(b)。據(jù)圖分析可知,在帷幕建成后,對這兩年數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)帷幕內(nèi)地下水位明顯下降,地下水向東偏北方向匯集,地下水總體呈自西向東、自南向北的徑流。2011-2013年礦山排水量小且較為穩(wěn)定。2013年11月中旬的水位數(shù)據(jù)繪制等勢線圖如圖7(c),因?yàn)樵?013年10月于-260 m水平中央變電所發(fā)生了突水事故,進(jìn)行人工強(qiáng)排水作業(yè)后,中關(guān)鐵礦帷幕內(nèi)就形成了具

(a)2010年12月底帷幕內(nèi)地下水位等勢線圖 (b)2011年11月中旬帷幕內(nèi)地下水位等勢線圖 (c)2013年11月中旬帷幕內(nèi)地下水位等勢線圖 (d)2016年11月中旬帷幕內(nèi)地下水位等勢線圖 (e)2019年11月中旬帷幕內(nèi)地下水位等勢線圖

有較大水位降深和一定空間分布且相對穩(wěn)定的地下水空間流場,在南邊出現(xiàn)較為明顯的降落漏斗。2016年11月中旬的水位數(shù)據(jù)繪制等勢線圖如圖7(d),從2016年開始,降落漏斗則從帷幕區(qū)南部逐漸向近帷幕區(qū)中部移動(dòng)。2019年11月中旬地下水位等勢線圖如圖7(e),地下水位雖有所下降,但帷幕漏斗形態(tài)變化較小,基本保持著以近帷幕中部為中心的降落漏斗。

通過以上分析發(fā)現(xiàn),帷幕建成后帷幕外圍地下水流向基本無大變化,仍大致自西南向東、自南向北繞過帷幕體向北及向東徑流,帷幕內(nèi)地下水位總體呈東南高、西北低。在帷幕范圍內(nèi),由帷幕外邊界至帷幕中心水位逐漸下降,地下水流向呈從四周向疏放水中心匯聚的狀態(tài),形成了一個(gè)降落漏斗形態(tài)。

4 結(jié)語

通過對帷幕注漿后各觀測孔的水位動(dòng)態(tài)特征以及地下水位流場時(shí)空變化特征進(jìn)行研究分析,結(jié)果表明,在帷幕形成后,地下水大致從西北和西南部流入礦區(qū),在流經(jīng)帷幕體附近到帷幕體時(shí),受帷幕體阻攔繞過帷幕體向北及東方向徑流,帷幕內(nèi)地下水從四周向疏放水中心匯聚。經(jīng)對水位監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),帷幕內(nèi)地下水與帷幕外區(qū)域地下水具有密切的水力聯(lián)系,而且帷幕內(nèi)地下水位主要是受礦區(qū)周圍奧陶系灰?guī)r含水層水位變化和礦山抽排水量的影響。

通過對帷幕內(nèi)地下水流場的分析,充分明確了中關(guān)鐵礦帷幕注漿后,隨著礦山疏排水的進(jìn)行帷幕內(nèi)地下水流場的變化情況,對帷幕內(nèi)地下水流場的時(shí)空變化情況進(jìn)行。對研究中關(guān)鐵礦地下水的賦存和運(yùn)移規(guī)律,以及后續(xù)采樣分析工作的進(jìn)行提供了依據(jù)。