燕青鐵礦礦坑涌水量預(yù)測

楊春發(fā)　王亞軍

(1.福建東辰綜合勘察院,福建福州　350005;2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,湖北武漢　430074)

燕青鐵礦礦坑涌水量預(yù)測

楊春發(fā)1王亞軍2

(1.福建東辰綜合勘察院,福建福州350005;2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,湖北武漢430074)

介紹了燕青鐵礦的基本情況和礦床水文地質(zhì)條件,并分析了礦區(qū)含水層情況及礦床充水條件。在此基礎(chǔ)上,針對礦區(qū)不同含水層分別采用地下水動力學(xué)法和水文地質(zhì)比擬法進(jìn)行了礦坑涌水量預(yù)測,為礦山開采設(shè)計提供依據(jù)和參考。

礦坑涌水量水文地質(zhì)條件燕青鐵礦

礦坑涌水量是礦山開采設(shè)計部門制定疏干措施和確定排水設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，礦坑涌水量的預(yù)測直接影響礦山生產(chǎn)安全。目前，計算和分析礦坑涌水量的方法眾多，主要有比擬法、大井法、水均衡法、涌水量曲線方程法、數(shù)值模擬法、電網(wǎng)模擬法等[1，2]。在實際預(yù)測礦坑涌水量時，需要依據(jù)具體的礦山地質(zhì)環(huán)境條件來選擇適合的預(yù)測方法。本文針對河北省武安市下水頭燕青鐵礦的不同含水層分別采用不同的預(yù)測方法進(jìn)行預(yù)測，為該新建礦山防治水方案提供依據(jù)和參考。

1　礦山概況

武安市下水頭燕青鐵礦位于河北省武安市礦山鎮(zhèn)下水頭村南偏東400m，處于邯邢礦山管理局馬甲腦鐵礦南偏東1km左右，礦區(qū)面積0.105km2。礦區(qū)位于太行山南段低山丘陵區(qū)，總體地勢西高東低，地面標(biāo)高450m～300m，相對高差100多米，礦床附近地段地形南高北低。

該鐵礦利用前人施工三個地質(zhì)孔圈定一個隱伏礦體(圖1)，礦體走向北西西，其長度約175m，傾向西南，寬約55m。鐵礦體賦存于奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r與燕山期閃長巖接觸帶中，為接觸交代矽卡巖型鐵礦床，礦體賦存最低標(biāo)高-50m。探明經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)儲量(122b)2.8×105t，礦山設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)礦石3.5×104t，屬于小型礦山。

2　礦床水文地質(zhì)條件

2.1礦床地質(zhì)

根據(jù)礦床地段鉆孔揭露(圖2)，礦區(qū)分布地層依次為第四系上更新統(tǒng)(Q3)，巖性為黃土狀粉質(zhì)粘土;奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r(O2)，主要為上馬家溝組第二段灰?guī)r，巖性為大埋巖、結(jié)晶灰?guī)r;閃長巖(δ)，中生代燕山期中淺相巖漿巖。巖性為閃長巖、閃長玢巖、蝕變閃長巖。

圖1　下水頭燕青鐵礦平面圖

表1　系數(shù)η值參考表

奧陶系灰?guī)r產(chǎn)狀，走向北東，傾向南東，火成巖體主要沿順層侵入灰?guī)r。剖面上呈多層狀或分叉狀分布(圖2)，平面上看似捕擄體或殘留體形式分布，實際上它們之間有這樣或那樣的聯(lián)系。總體上，礦床地段灰?guī)r埋藏深度自西向東逐漸增大，燕青鐵礦床分布于閃長巖體中部。礦體賦存于奧陶系中統(tǒng)與閃長巖接觸帶，主要礦體分布標(biāo)高為-4m～-41m，礦體底板為閃長巖，頂板為灰?guī)r。

2.2礦區(qū)含水層

礦區(qū)含水層分為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層和閃長巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙含水帶。

2.2.1奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層

根據(jù)距礦床北300m的下水頭村供水井資料，該井水位埋深230m(停泵幾天觀測水位)，水位標(biāo)高70m。依此作為礦床地段灰?guī)r地下水位計算，礦床地段上段灰?guī)r不含水，下段灰?guī)r含水層底板標(biāo)高55m，其厚度70m左右。

2.2.2閃長巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙含水帶

在深部閃長巖體一般不含水，受構(gòu)造作用形成構(gòu)造裂隙含水，但含水不均一。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦床附近的幾個礦山鑿進(jìn)火成巖的坑道、豎井遇到裂隙呈小股水流涌出或滴狀涌水。礦床附近閃長巖水位標(biāo)高200.72m，高于灰?guī)r地下水位100多米。

3　礦床充水條件分析

3.1礦床開采條件

礦體為隱伏礦體，主要賦存于下層灰?guī)r與閃長巖接觸帶中，為接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床。礦體分為上下兩段，上段礦體埋深255. 4m～258.00m，分布標(biāo)高89.6m～87.0m，礦層厚度2.6m，頂板為閃長巖，底板為灰?guī)r;下段礦體埋深341.0m～378.0m，分布標(biāo)高-4m～-41.00m，礦層厚度37.0m，為主要開采礦層。

開拓系統(tǒng)由主井、風(fēng)井和巷道等組成。主井由地表掘至-50m標(biāo)高，主井兼做進(jìn)風(fēng)井。風(fēng)井由地表掘至0m標(biāo)高。礦山在0m、-50m水平設(shè)生產(chǎn)運輸巷道，該巷道與主井連通。在0m、-50m水平設(shè)回風(fēng)巷與風(fēng)井相連通，形成完整的運輸、通風(fēng)系統(tǒng)。

落礦方式為淺孔鑿巖崩礦，出礦方式為人工裝礦、人力車出礦?；夭身樞驗橄炔缮现卸?，后采下中段，其中下中段留3m～4m厚頂柱，以便隔離上部采空區(qū)，礦房中自上而下回采，采場放礦分為兩步驟，即局部放礦和大量放礦。

3.2礦床充水條件分析

下段礦層為開采主要礦體，其賦存標(biāo)高-4m～-41m。該礦體頂板為灰?guī)r，底板為閃長巖?；?guī)r巖溶裂隙地下水位標(biāo)高為70m左右，閃長巖構(gòu)造裂隙地下水位標(biāo)高為200m左右。

圖2　燕青鐵礦床1線水文地質(zhì)剖面圖

礦床地段，灰?guī)r受閃長巖多層侵入變質(zhì)作用，多變質(zhì)為大理巖、結(jié)晶灰?guī)r，近礦體段大理巖化、矽卡巖化，其透水性有一定程度減弱?；?guī)r地下水是將來礦床主要的充水含水層。

閃長巖裂隙地下水，一般情況下不含水或少量含水，但在構(gòu)造發(fā)育地段含構(gòu)造裂隙水，據(jù)調(diào)查，礦床地段原下水頭村豎井排水量20～30m3/h，礦床西200m原下水頭村礦坑，揭露淺部閃長巖，來自閃長巖地下水水量20～30m3/h。閃長巖構(gòu)造裂隙水對礦坑充水也有一定的水量。

3.3水文地質(zhì)條件概化

礦區(qū)奧陶系灰?guī)r為主要含水層，地下水位標(biāo)高70m。調(diào)查認(rèn)為，礦床地段灰?guī)r地下水與北部300m～600m的下水頭村供水井、馬甲腦礦供水井、棉機(jī)廠供水井的灰?guī)r地下水有較密切的水力聯(lián)系，它們接受西部區(qū)域灰?guī)r地下水補給。礦床地段灰?guī)r含水層向東、向南厚度變薄、埋藏增大，其透水性弱。礦床灰?guī)r地下水主要接受西部區(qū)域地下水補給。此外，礦坑還有少量的閃長巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙地下水補給。

4　礦坑涌水量預(yù)測

礦坑涌水量包括灰?guī)r地下水補給量和閃長巖構(gòu)造裂隙地下水補給量?；?guī)r地下水補給量計算采用地下水動力學(xué)法;閃長巖構(gòu)造裂隙地下水補給量采用比擬法進(jìn)行估算[3，4]。

4.1計算相關(guān)參數(shù)

4.1.1滲透系數(shù)的計算

利用距礦床北側(cè)300m的下水頭村供水井抽水資料進(jìn)行灰?guī)r含水層滲透系數(shù)計算。該供水井深400m，揭露灰?guī)r厚度360m，地下水埋深230m，含水層厚度130m。抽水試驗:水位降深10m，抽水量720m3/d。選用潛水完整井公式計算滲透系數(shù)[5]。

式中: k—滲透系數(shù)，m/d;

Q—鉆孔出水量，m3/d;

H—含水層厚度，m;

S—水位降低值，m;

r—井口半徑，m;

R—影響半徑，m。

代入數(shù)值經(jīng)計算:滲透系數(shù)為0.66m/d。

4.1.2礦坑引用半徑(0r)

礦坑引用半徑按下式計算[6]。

式中:0r—礦坑引用半徑，m;

η—系數(shù)，按表1取值;

a、 b—礦坑長度、寬度，m。

礦體走向北西西，其長度175m，傾向西南，寬約55m，1.13η=。代入數(shù)值計算得:0r65m=。

4.2-50m中段礦坑涌水量預(yù)測

4.2.1灰?guī)r地下水涌水量

本區(qū)地下水位埋藏深，選用地下水動力學(xué)大井法進(jìn)行礦坑涌水量計算，計算公式如下:

式中: k—含水層滲透系數(shù)，m/d;

H—含水層厚度，m;

S—坑道疏干排水水位降低值，m;

R—礦坑疏干排水的影響半徑，m;

r0—礦坑引用半徑，m。

灰?guī)r含水層厚度70m，礦坑水位降至含水層厚度一半時，礦坑涌水量最大。代入相關(guān)參數(shù)計算得:

4.2.2礦坑閃長巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙水涌水量

對于-50m中段礦坑閃長巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙含水層涌水量的計算，采用水文地質(zhì)比擬法估算，計算公式如下[7]:

式中: Q—-50m中段礦坑閃長巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙含水層涌水量，m3/d;

Q0—類比礦坑涌水量，m3/d;

F—礦山礦坑系統(tǒng)面積，m2;

F0—類比礦山礦坑系統(tǒng)面積，m2;

S—預(yù)測礦區(qū)水位降深，m;

S0—類比礦坑疏干水位降深，m。

據(jù)調(diào)查，距離礦區(qū)北西側(cè)約1km的馬甲腦鐵礦地質(zhì)環(huán)境條件類似，開采標(biāo)高120m～130m，礦體系統(tǒng)面積300m×100m，其礦坑排水量1200m3/d左右，其涌水量主要來自于閃長巖風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙水。

代入相關(guān)數(shù)值進(jìn)行計算，燕青鐵礦-50m中段的閃長巖構(gòu)造裂隙水涌水量將有720m3/d左右。

4.2.3礦坑涌水量

礦體開采標(biāo)高-50m中段的礦坑總涌水量為兩含水層涌水量之和，即4033m3/d。

5　礦坑涌水量預(yù)測評價

燕青鐵礦開采標(biāo)高-50m中段礦坑涌水量預(yù)測為4033m3/d，其中主要灰?guī)r地下水涌水量3313m3/d，閃長巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙水涌水量720m3/d。預(yù)測水量可靠程度從以下二個實際抽(排)水資料予以論證。

(1)礦床北部300m～600m的供水井資料:距礦床北300m的下水頭村供水井，抽水量720m3/d，地下水位降低10m左右;距600m的棉機(jī)廠供水井，抽水量1380m3/d，地下水位降低9.29m。據(jù)二個供水井抽水資料，若將其換算成引用半徑(0r)為65m的礦坑，同時地下水位降低與燕青鐵礦灰?guī)r地下水降深值一樣，計算結(jié)果與上述計算灰?guī)r來水的礦坑涌水量較接近。

(2)根據(jù)該礦區(qū)附近的同類同標(biāo)高的石板坡鐵礦礦坑排水量資料。石板坡鐵礦開采標(biāo)高-50m，礦坑排水量3000m3/d(包括閃長巖水量)，雨季礦坑排水量達(dá)4000m3/d左右。但該礦山坑道揭露的地層，灰?guī)r多呈捕擄體分布，其灰?guī)r透水性較燕青鐵礦灰?guī)r含水層稍弱。

據(jù)上述資料，燕青鐵礦-50m中段預(yù)測礦坑涌水量基本可靠。

6　結(jié)論與建議

(1)燕青鐵礦體主要賦存于下層灰?guī)r底板與閃長巖接觸帶，礦體分布標(biāo)高-4m～-41m，其直接頂板為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，底板為閃長巖。礦床充水巖層有二個，一是灰?guī)r巖溶裂隙地下水，二是閃長巖風(fēng)化、構(gòu)造裂隙地下水。-50m中段礦坑涌水量4033m3/d，其中灰?guī)r地下水量3313m3/d，閃長巖風(fēng)化、構(gòu)造裂隙水量720m3/d。根據(jù)周圍同類礦山排水量進(jìn)行分析論證，其結(jié)果基本可靠，可作為礦山開采設(shè)計依據(jù)。

(2)礦山基建及開采生產(chǎn)過程中，應(yīng)隨時關(guān)注灰?guī)r含水條件的變化，不斷地積累水文地質(zhì)資料，對水文地質(zhì)條件進(jìn)行再認(rèn)識后，對礦坑涌水量進(jìn)行修正。礦山開采坑下必須具備與礦坑涌水量相應(yīng)的排水能力。同時基建和生產(chǎn)過程中應(yīng)進(jìn)行探水掘進(jìn)和開采。

[1]陳酩知,劉樹才,楊國勇.礦井涌水量預(yù)測方法的發(fā)展[J].工程地球物理學(xué)報,2009,6(1):68-72.

[2]劉相利,趙旭林.某錫礦水文地質(zhì)特征分析與涌水量預(yù)測[J].有色金屬(礦山部分),2012,64(4):34-36.

[3]蔣利輝,郭訓(xùn)武.專門水文地質(zhì)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版,2009.

[4]地質(zhì)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊.水文地質(zhì)手冊[M].北京:地質(zhì)出版社,1978.

[5]李俊亭.地下水動力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1987.

[6]李才華,滕偉福,高超,等.某礦井水文地質(zhì)特征分析及涌水量預(yù)測[J].安全與環(huán)境工程,2009,16(6):100-104.

[7]祝小輝.用比擬法與穩(wěn)定流“大井”法計算預(yù)測鐵嶂礦區(qū)白云巖礦礦坑涌水量[J].礦產(chǎn)勘查,2012,3(4):570-574.

楊春發(fā)(1976—),男,江西瑞金人,工程師,主要從事工程地質(zhì)水文地質(zhì)方面工作。