中關(guān)鐵礦地下水化學(xué)組分演變特征分析

龐旭靜 楊智淇 王俊鵬

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063200)

我國(guó)是世界上最早開發(fā)利用礦產(chǎn)資源的國(guó)家之一,礦產(chǎn)資源開發(fā)利用歷史久遠(yuǎn),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。為減少突水、涌水事故發(fā)生的概率,對(duì)區(qū)域地下水水化學(xué)組分演變特征進(jìn)行分析,有助于判斷礦井涌水水源。中關(guān)鐵礦為隱伏式接觸交代型礦床,屬于我國(guó)常見(jiàn)的矽卡巖型礦床。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,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。隨著對(duì)礦體采掘進(jìn)度的不斷增加,地下水水化學(xué)類型發(fā)生了變化[1]。通過(guò)對(duì)中關(guān)鐵礦地下水水化學(xué)類型進(jìn)行聚類分析,根據(jù)常規(guī)離子的時(shí)間變化情況分析水化學(xué)演變特征,綜合評(píng)價(jià)鐵礦區(qū)地下水的補(bǔ)給條件,為礦山安全高效開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

中關(guān)鐵礦位于河北省沙河市中關(guān)村與上關(guān)村之間,主要發(fā)育有F1、F2和F3三條斷層,F1縱貫礦床西部,F2和F3大部分發(fā)育在帷幕圈內(nèi)部,見(jiàn)圖1。通過(guò)對(duì)中關(guān)鐵礦地層分布和矽卡巖礦床成礦過(guò)程的分析,按從上到基巖底部劃分為15層:Ⅰ—第四系,Ⅱ—石炭-二疊系,Ⅲ—灰?guī)r層1,Ⅳ—上層破碎帶,Ⅴ—灰?guī)r層2,Ⅵ—下層破碎帶,Ⅶ—灰?guī)r層3,Ⅷ—礦體Ⅰ-1上,Ⅸ—灰?guī)r層4,Ⅹ—礦體Ⅰ-1下,Ⅺ—灰?guī)r層5,Ⅻ—礦體Ⅰ-2,—矽卡巖帶,—蝕變閃長(zhǎng)巖,ⅩⅤ—未蝕變閃長(zhǎng)巖體,見(jiàn)圖2。石炭-二疊系地層和奧陶系灰?guī)r層中部的上、下兩層破碎帶透水性較差,為相對(duì)隔水層;奧陶系灰?guī)r與第四系地層直接接觸,破碎帶分布在奧陶系灰?guī)r中部和上部,兩層分別發(fā)育在和與交界處,具有一定的阻水性;礦體主要位于奧陶系灰?guī)r下部,主要發(fā)育在中,底部的閃長(zhǎng)巖基底基本不導(dǎo)水,為相對(duì)隔水層,其表層的閃長(zhǎng)巖蝕變帶,具有一定的導(dǎo)水性[2-3]。根據(jù)巖性、成礦過(guò)程分析,劃分出上奧灰、下奧灰、巖體頂部裂隙三個(gè)含水組,破碎帶、礦體、矽卡巖為弱透水層的含水系統(tǒng)。奧灰?guī)r含水層作為礦區(qū)重要的含水層,在整個(gè)礦區(qū)范圍內(nèi)均有分布,具有厚度大、分布廣、導(dǎo)水性好的特點(diǎn),礦區(qū)奧陶系灰?guī)r含水層的產(chǎn)狀總體趨勢(shì)為走向NNE或NE,傾向SE,傾角為10°～20°。

圖1 中關(guān)鐵礦礦區(qū)基巖地質(zhì)圖

圖2 4～5號(hào)勘探線水文地質(zhì)剖面圖

2 采樣與測(cè)試

2020年10月,在該鐵礦的-170m工作面采水樣14個(gè),-230m工作面采水樣14個(gè),-245m工作面采水樣11個(gè),總計(jì)39個(gè);2021年7月,在該鐵礦的-170m工作面采水樣15個(gè),-230m工作面采水樣15個(gè),-245m工作面采水樣9個(gè),總計(jì)39個(gè)。用500mL聚乙烯塑料瓶裝水樣,進(jìn)行密封以方便帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行常規(guī)離子檢測(cè)。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 水樣聚類分析

SPSS中的聚類分析法是劃分樣品不同類別的方法,依據(jù)水質(zhì)數(shù)據(jù)指標(biāo)的相似性來(lái)對(duì)所采集樣品進(jìn)行分類。聚類是將數(shù)據(jù)按照一定的準(zhǔn)則劃分為若干類別或簇,使得類別之間的差異性隨著一個(gè)類別內(nèi)的相似性越大而越大[3-4]。

圖3 2020年的37個(gè)水樣個(gè)案聚類分析結(jié)果

圖4 2021年的30個(gè)水樣個(gè)案聚類分析結(jié)果

3.2 水化學(xué)類型分析

圖5 聚類分析分為三類出水點(diǎn)的Piper三線圖

3.3 常規(guī)離子濃度時(shí)間變化

圖6 2020—2021年三類水陽(yáng)離子濃度對(duì)比

圖7 2020—2021年三類水陰離子濃度對(duì)比

3.4 離子濃度與TDS之間的關(guān)系

圖8 2020—2021年主要離子濃度與TDS關(guān)系

礦區(qū)奧灰水、混水與巖體水溶解性總固體(TDS)與主要陽(yáng)離子的濃度關(guān)系圖由圖8(a)和圖8(c)分析得出[10-11],Na+、K+、Ca2+和Mg2+離子濃度與TDS呈正相關(guān)。隨著TDS數(shù)值的增加,Ca2+和Mg2+離子濃度迅速增加,其增加速度比Na+和K+的快。Ca2+離子濃度越高,TDS的值越大[12]。說(shuō)明各種巖性含水層中水-巖相互作用過(guò)程主要是Ca2+和Mg2+離子的礦物溶解。

可以初步認(rèn)為,礦區(qū)奧灰水、混水與巖體水的水-巖相互作用過(guò)程從以碳酸鹽巖溶解為主轉(zhuǎn)為以硫酸鹽巖溶解為主。

4 結(jié) 語(yǔ)

鐵礦在開采時(shí)易受礦井水害的威脅,因此要注意控制和調(diào)整鐵礦的開采程度,合理制 定防治水措施,減少突水、涌水事故發(fā)生的概率,加強(qiáng)安全教育,保障礦山安全生產(chǎn),充分發(fā)揮地表水與地下水的相互補(bǔ)給作用,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善地下水資源管理制度以及礦山安全生產(chǎn)管理制度,嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行鐵礦區(qū)開采。