基于地下水動態監測的司家營鐵礦南區防治水措施

左文喆，王斌海，程紫華，陳永理

(1.華北理工大學，河北 唐山 063009；2.河北省地礦局第五地質大隊，河北 唐山 063004)

基于地下水動態監測的司家營鐵礦南區防治水措施

左文喆1，王斌海1，程紫華1，陳永理2

(1.華北理工大學，河北 唐山 063009；2.河北省地礦局第五地質大隊，河北 唐山 063004)

摘要：司家營鐵礦南區屬國內少見的大水礦床，了解南區水文地質條件是確定安全采掘方案和防水治水的關鍵，本文利用地下水動態監測結合勘探資料的方法來分析礦區的水文地質條件，通過分析第四系和基巖含水層水位動態特征，分析了第四系下部隔水層隔水能力、地下水徑流、通道、含水層補給關系和邊界條件，提出第四系下部“天窗”和新河斷裂是礦坑導水的重要通道，并針對大賈莊礦段開采提出防治建議。此外，此種分析方法對一些未進行過水文地質試驗的礦區更具針對性。

關鍵詞：司家營南區；水文地質條件；地下水動態監測；防水治水

司家營鐵礦南區，礦保有鐵礦石資源儲量145639.65萬t，平均品位TFe30.83%，為我國少有的特大型鐵礦床[1-4]，且屬國內少見的大水礦床，為了更全面了解礦區的水文地質條件[5-7]，在水文地質勘探完成之后，開展了地下水動態監測，通過分析第四系和基巖含水層水位動態特征，認為礦坑充水來源主要來源于第四系下部，且四系下部“天窗”和新河斷裂是礦坑導水的重要通道。

1礦區及含水層概況

司家營南區水文地質勘探完成之后，用勘探的水文孔開展了研究區的地下水動態監測，共設監測孔63個，見圖1。水位監測頻率每月一次，測量儀器采用BXS-200水位計，監測精度為毫米。根據礦體規模、產狀不同，以NK25、NK09 、NK10、NK11一線為界，北為田興鐵礦，南為大賈莊鐵礦。田興礦處NK21、NK22、NK24、NK25監測孔界定范圍內；田興礦以南，NK22、NK23、NK25、NK26界定范圍為大賈莊礦。

南區礦體賦存于太古界灤縣群司家營組變質巖中，均被厚層的第四系灤河沖洪積物覆蓋，太古界司家營組地層在不同期次的構造應力和風化作用下，產生一系列淺部—深部裂隙和破碎帶，構成了南區基巖裂隙帶。基巖裂隙帶按成因可劃分為風化裂隙帶和構造裂隙帶，風化裂隙帶分布全區，厚度較穩定，連續性較好。其中全分化裂隙帶多呈砂土狀、土狀、高嶺土嚴重，大部分已呈現黏土性質，在裂隙帶中是最具隔水意義的。監測孔CK02周圍發育的F9～F13疊加斷層與NK24-NK12之間的新河斷裂，是構造裂隙發育的主要地帶。

根據勘探結果，自上而下，將研究區含水層分為三個含水層：第四系松散巖孔隙水含水層，基巖風化裂隙水含水層、基巖構造裂隙水含水層，見圖2。

圖2　礦區地層分布

第四系含水層由北向南逐漸變厚，以中部穩定黏土為主隔水層，分為上下兩個含水層。上部含水層設有監測孔13個；下部含水層設有監測孔12個，主要監測第四系深層水和基巖裂隙水之間的水力聯系；基巖裂隙含水層包括風化裂隙和構造裂隙含水層共設監測孔38個，主要監測開采條件下基巖裂隙水流場特征及漏斗擴展情況。

地下水長期動態觀測孔63個，平面上控制面積96km2，垂向上控制第四系淺層水頭、第四系底部水頭、基巖裂隙水頭，構成比較完善的三維空間觀測系統，全面控制了礦區排水影響范圍內不同深度不同層位地下水動態變化。在礦區范圍內的補給、徑流和排泄區均有代表性監測井，從北向南，均勻布設長觀孔，能夠控制整個礦區的地下水流場特征。從監測情況來看，所有監測孔的布置基本上控制了司家營田興和大賈莊鐵礦地下開采形成的基巖地下水位降落漏斗。為進一步分析各含水層間的水力聯系和充水通道，不同含水層位均布設有監測孔，見表1。NK14、NK08、NK13等監測孔均為導水斷裂處的監測孔。總之，在水文地質條件復雜的司家營南區，地下水動態監測孔的布置考慮了地質條件平面和空間特征，在導水斷裂和通道處，監測孔也有相應的加密處理，布置情況較合理，為精析南區的水文地質條件和防治水建議的提出提供了良好的基礎。

2地下水動態變化

2.1第四系上部水位動態監測特征

司家營鐵礦南區處于灤河沖洪積一級階地中上部，區內第四系淺層水年內波動幅度不大，且在6～9月份之間出現水位高峰，10月份以后開始回落，靠近灤河和新灤河第四系上部水位監測孔相對比其他監測孔水位波動更小，總體上，第四系淺層水位北高南低。

第四系淺層水總體徑流方向由北向南，主要受降雨、灤河、農業灌溉等多方面因素控制，其中以降雨影響為主，年內水位變化步調與降雨量保持一致，每年6～9月份水位漲至最高點，10月至次年3月水位大幅回落。地下水動態變化主要表現為徑流-入滲-開采型，除此外，在河流兩岸附近，第四系淺層地下水與灤河、新灤河地表水聯系密切，互為補給，地下水位動態變化與灤河、新灤河水位漲幅步調一致，主要表現為河流滲漏-開采型。

2.2第四系下部水位動態監測特征

第四系下部監測孔其主要目的在于監測礦山開采排水過程中，基巖裂隙水和第四系深層水之間的補給關系和第四系深層水流場、含水層特征。監測數據顯示，第四系下部含水層具有明顯的分區特性，圖3為第四系下部監測孔水文動態，根據動態特征，總共分為三個區域，以下敘述分別以I區、II區、III區代替。

I區以4月份形成的大降深為典型特征，以QCK03、QCK04、QCK09、QCK10、QCK11為代表孔位，區域上分布于大孟莊一帶，見圖4。4月份大賈莊2#副井發生過突水事故，涌水量可達1400m3/h，2#副井降深456.1m，周圍基巖孔CK04、GK04降深33.58m，形成了以2#副井為中心，NNE為主方向的壓力釋放場，同時，基巖含水層與第四系含水層在垂向上形成很大的梯度差，第四系下部孔水位滯后于基巖孔對巖裂隙水進行補給，表現為水頭的突然下降，4月15日在大賈莊2#副井涌水工作面進行了高壓灌漿[8]封堵工作，第四系下部監測孔表現為，水頭的突然上升，第四系下部水位突然下降、突然上升的特性說明，I區第四系深層水與基巖裂隙水存在直接的水力聯系，表現為基巖裂隙水和第四系深層水之間補給和頂托的關系，另一方面也反映出了I區第四系下部黏土層缺失。除此外8月份大賈莊2#副井周圍基巖監測孔出現又一次小規模突水事故，平均降深3～4m，同樣I區第四系下部監測孔也表現出突然上升、下降的特征。根據4月份和7月份I區垂向觀測組(表1)動態監測數據統計，又將I區分為三個亞區，分別以I-1、I-2、I-3表示。

表1　動態監測垂向觀測組

I-1以QCK09、QCK11、NK22、NK12為代表孔位，典型特征為第四系深層水與基巖裂隙水降深比值為1：1～2，以下用β表示。

I-2以QCK04、CK04、GK04、CGK04為代表孔位，β為1：3～4。

I-3以QCK03、CK03、GK03、NK19為代表孔位，β為1:6～7。

其分母越小第四系下部補給越充沛，區域上第四系下部含水層垂向上水力聯系越通暢。水力聯系從強到弱依次為I-1、I-2、I-3。

II區以7月份出現低水位為典型特征，QCK01、QCK02、QCK06、QCK07為代表孔位，區域上分布于田興鐵礦，見圖5。7月份田興南回風井突水時，II區孔的水位響應強烈，周圍基巖孔平均降深8～11m，第四系下部孔降深如表2，II區和I區類似，也表現出水位的突然下降和突然上升，6月份開始回落，7月份出現水位低點，8月份水位開始恢復，以上基本特征也反映出II區第四系深層水與基巖裂隙水存在直接的水力聯系，β約為1∶10，水力聯系要弱于I區，即大賈莊鐵礦。

表2　第四系下部孔降深

圖3　第四系下部監測動態

圖4　I區第四系下部動態

III區以水位呈線性下降為典型特征，QCK08為代表孔位，區域上分布于小閻營—姜莊一帶，見圖6。第四系深層水的水位變化主要受生活用水和礦山排水影響，但要保證III區水位呈線性下降，影響因素必須是穩定的而且盡量是單因素，由此分析，III區應具備以下基本特征：區域上幾乎沒有任何補給來源，側向上與周圍第四系下部含水層聯系很小；礦山開采對此區除越流外無任何影響；穩定越流條件下，只消耗此區的靜儲量，也就是說III區只存在穩定的越流，垂向、側向上存在穩定的隔水黏土層。監測數據顯示，預計20年左右III區水位可以降到下部隔水層底板。

圖5　II區第四系下部動態

圖6　III區第四系下部動態

以上這種分區性差異是由垂向上第四系下部含水層和黏土隔水層相互迭置、犬牙交錯造成的，局部形成形似桶狀的獨立含水層儲水系統。

第四系主隔水層之下為第四系深層水，降雨對其影響較小，主要受生活用水和礦山排水影響。地下水動態變化主要表現為側向徑流—開采型，礦坑排水對其影響大，礦坑長期排水引起第四系下部水位普遍下降了3～5m，水位仍保持下降趨勢；勘探資料表明，第四系下部隔水層[9]連續性較差，局部缺失形成“天窗”，區內主要分布4個較大的“天窗”，見圖1。監測結果顯示，I區、II區第四系深層水與基巖含水層間存在直接的水力聯系，在開采條件，第四系水對基巖水的補給能力強，這與天窗的分布區域是一致的。

2.3基巖裂隙水動態監測特征

2013年12月開展動態監測以來，隨著礦山掘進深度、速度的加大，司家營南區共形成3個基巖裂隙水漏斗，分別為田興漏斗、新河斷裂漏斗、大賈莊漏斗。監測結果顯示，田興漏斗以F9～F13五條斷層帶為漏斗中心，基巖孔NK13埋深達115m，漏斗形態近似“橢圓形”，長軸呈南北向展布，漏斗區水力梯度為3.2%～11.8%，礦坑長期排水使此區水位進一步下降，漏斗范圍逐漸擴展，4月份，除SE向向新河斷裂擴展外，漏斗的形態基本固定，西至外圍孔NK21新立莊一帶；南至NK11-NK17姜莊一帶；西至NK01-NK07上伍旗一帶；深部開采使漏斗區垂向上的水力梯度進一步加大，垂向水力梯度為7.9%～12.5%，田興漏斗區基巖裂隙水動態見圖7。3月中旬大賈莊2#副井突水，形成以CK04為中心，長軸呈北東-南西向展布的大賈莊漏斗，漏斗呈“橢圓形”，漏斗影響范圍，北至NK11-NK17，姜莊一帶；南至外圍孔NK23，殷莊一帶；西至外圍孔NK22，小賈莊一帶；東至外圍孔NK26，薛各營一帶。大賈莊漏斗區監測孔動態見圖8。

圖7　田興漏斗區動態

圖8　大賈莊漏斗區動態

圖8中監測孔CGK03、NK12、NK17水位明顯比其它孔水位低，此處既受田興礦采掘影響又受大賈莊采掘影響，分析認為，該區域應為聯系田興漏斗和大賈莊漏斗的側向通道，圖9中圈中所示。5月份動態監測數據顯示，大賈莊漏斗可通過新河斷裂帶影響田興礦和馬城，影響區域和新河斷裂方向一致，主要集中在新河斷裂的周圍監測孔包括馬城監測孔SK11、SK12、SK13、SK14。

從監測開始，新河斷裂漏斗就已具雛形，1～6月監測數據顯示，新河斷裂漏斗一直很穩定，但在1～6月份田興礦深部疏干，使此區具備了新河斷裂漏斗發育的條件，表現為NK01～NK07(上伍旗-小劉莊一帶)垂向水力梯度逐漸變大，最大可達17%。7～10月份形成了新河斷裂漏斗，漏斗內包括監測孔NK01、NK02、NK04、NK05、CK01，漏斗狹長，長軸呈南北向展布。新河斷裂漏斗如圖9所示。

基巖動態監測中，監測孔NK06、NK07、NK09、NK10、NK24、CK01、CGK01水位動態變化曲線一致性好，均在4月份形成折點，在7月形成水位陡降，這些孔均位于新河斷裂周圍，應屬新河斷裂影響區，監測數據表明新河斷裂影響區滲透性強，水力連通好，是強導水帶，大賈莊礦及田興礦的采掘均影響其水位動態。圖10為新河斷裂影響區基巖孔地下水位變化曲線。

圖9　9月份南區基巖裂隙水水位標高三維示意圖

圖10　新河斷裂影響區水位動態

對于某一含水系統邊界而言，既可作為劃分含水系統的依據又可作為預測礦坑涌水量的定解條件[4]。以上動態分析過程中已經指出兩條漏斗邊界，其一為NK11-NK17，田興漏斗的南邊界和大賈莊漏斗的北邊界；其二為NK01-NK02-NK04-NK06-NK07，田興漏斗的東邊界和新河斷裂漏斗的西邊界。這兩條邊界上的監測孔水位數據都表現為高水位，此處可作為漏斗邊界。除此外還有由司家營南區外圍孔NK21-NK26構成的邊界，監測動態見圖11。明顯可以看出除NK24、NK25孔外，曲線波動都較平穩，其中NK23孔波動幅度最小，平均1～2m，其它孔位波動幅度均在5～7m，也就是說受興、大賈莊采掘影響形成的降落漏斗已經影響到外圍孔，但相對其它基巖孔而言，波動幅度很小，可作為司家營南區漏斗邊界。NK24、NK25處新河斷裂影響帶，水位變化同時受田興和大賈莊采掘影響，水位降深18～19m，根據疊加原理，隨著掘進進度的增加，此處的降深會一直增加，并且會表現出兩種含水系統的特征，分別為田興、大賈莊含水系統，因此此處不宜作為漏斗邊界。

圖11　外圍孔水位動態

礦坑長期排水致使礦區一帶基巖裂隙水水位整體下降和深部基巖構造裂隙水壓力突然釋放，上部風化裂隙水以空間滲流形式向排水點匯聚，形成了一定范圍的地下水壓力釋放空間場，隨即發展成為基巖裂隙水降落漏斗，降落漏斗形態受優勢斷裂控制，其中田興漏斗受F9～F13疊加斷層控制，新河斷裂漏斗和大賈莊漏斗受新河斷裂控制，動態監測數據表明，側向上新河斷裂是聯系三漏斗的通道；垂向上“天窗”是聯系第四系水和基巖風化裂隙水的通道，構造裂隙帶是聯系基巖風化帶與施工工作面的充水通道[10-12]。基巖地下水主要受礦坑排水影響表現為側向徑流-開采型，其動態變化與礦坑排水量密切相關。

綜上所述，第四系上部含水層處主隔水層之上，第四系淺層水對深層水補給微弱，其動態變化主要受降雨影響；第四系下部含水層越流現象和基巖裂隙水頂托作用普遍存在，水力聯系較為密切，尤其是“天窗”區，其動態變化多數受控于基巖裂隙水壓力，與礦坑涌水量大小相關性很大；基巖裂隙含水層動態受導水通道分布的影響，“構造型”導水通道控制多數基巖孔動態，“天窗型”導水通道控制基巖裂隙水動態的同時，滯后控制I區、II區的地下水動態。

3動態特征的防治水措施

司家營鐵礦南區，在帶壓開采條件下，水文地質條件日趨復雜，采掘環境愈采愈惡化，高水壓和高地應力的地質環境逐漸顯現，各豎井和巷道突水頻率逐漸增加，并且多表現為頂板突水。突水控制因素多，突水機理和類型復雜多變造成防治水措施方案效果不可靠。筆者通過了南區多孔多數據的量化分析，根據其動態特征，大致將南區劃分出4個具典型突水特征的區域，分別為田興、大賈莊、新河斷裂影響區和NK10-CK03樞紐區，并針對不同的特點提出防治水措施。

田興礦動態特征(圖7)反映，F9～F13復合斷裂及影響帶導水作用并不突出，而主要發揮斷裂的貯水作用，側向及垂向補給強度不足，各孔動態特征主要表現為下降，含水層間水壓傳遞不明顯。

田興礦漏斗水位已經降到隔水層底板以下，并與北區地下礦及露天礦開采形成的漏斗融合形成一復合漏斗，由原來的承壓轉化為無壓，后期的田興礦坑涌水量以第四系下部越流為主，大規模突水事故的可能性減小，但后期隨著基巖裂隙水的疏干，水頭差逐漸增大，頂托作用削弱，地面沉降和塌陷的危險性增大。另外，北區的開采采用無底柱分段崩落法，這種開采方法形成了第四系補給基巖裂隙水的通道，無形中成為了田興礦的側向補給來源，后期這種補給作用也會漸漸突出，因此建議在北區的地下及露天開采應增大地下水的疏干排水能力，為田興礦巷道的開拓提供更好的開采條件。

大賈莊礦動態特征(圖8)反映，基巖裂隙水與第四系下部含水層間水壓力傳遞明顯，含水層間水力聯系較強，中心區裂隙發育不均勻，側向補給不足，但垂向上第四系深層水通過“天窗(I區)”補給較強，大賈莊第四系下部和基巖含水層動態一致(圖4、圖8)，表現出基巖水頂托和第四系含水層補給的特征，監測表明，第四系深層水成為大賈莊礦的主要涌水來源，因此大賈莊礦的安全生產關鍵在“天窗”區如何防治，盡量防止第四系深層水出現較大的地下水漏斗，但“天窗”區面積較大，地表帷幕對深層水進行截流和降低深層水水頭壓力均存在較大的施工及經濟挑戰；另外增加礦坑頂板的預留厚度和加固破碎帶的礦坑頂板雖然能降低第四系深層水的強補給，但這樣大大降低了產能。因此，對于大賈莊礦防治水的方案有待進一步探討。

新河斷裂影響區動態特征(圖10)反映，新河斷裂帶裂隙發育均勻，連通性好，含水層富水性強，側向補給好，具有良好的貯水作用。大賈莊2#副井突水，更反映出新河斷裂在司家營南區具有重要的導水作用，垂向上是是聯系基巖風化裂隙和基巖構造裂隙水含水層的重要通道；側向上是聯系田興和大賈莊礦的通道，這種作用反映在大賈莊礦突水，水位變化波及全區上，在監測過程中，大賈莊2#副井和田興新河斷裂影響帶兩個區域的基巖孔水位出現較大降幅的頻率較高，均在3～4次，反映豎井掘進過程中，涌水量突增的頻率較高。大賈莊2#副井、田興2#副井的突水量大小受控于新河斷裂，突水頻率與豎井的掘進進度可能呈正相關，因此，新河斷裂影響帶和大賈莊中心區是易發生突水事故的危險區域。所以此區避免盲目施工，重要工程應盡量避開新河斷裂帶，側向上盡量防止三個礦區的基巖裂隙水通過新河斷裂形成連通。

NK10-CK03樞紐區動態特征(圖8)反映，田興礦與大賈莊礦中心區的水力聯系樞紐在NK10和CK03孔間，因此，在防治水工作中，重點應在NK10和CK03孔間帷幕注漿，形成連續的防滲墻，阻斷新河斷裂帶與南部富水帶間的水力聯系，防止重大透水事故的發生。

動態監測表明，第四系水成為礦坑的主要涌水來源，增加了防治水難度，南區的開采一定要堅持超前探水，先治后采，防治結合的原則。

4結論

1)第四系上部整體流向由南向北，南區上部含水層水位幾乎不受開采影響，水位變化步調與降雨量保持一致。第四系深層水與基巖裂隙水存在緊密的水力聯系，尤其在“天窗”區域，為淺部截流的重點區域。

2)南區共分為三個基巖裂隙水漏斗，兩個水文地質單元，受疏干影響，田興大賈莊漏斗水位已經降到隔水層底板以下，由原來的承壓轉化為無壓，后期的田興礦坑涌水量以第四系下部越流為主。

3)新河斷裂為聯系三個基巖裂隙水漏斗的通道，全區基巖孔水位動態受控于新河斷裂，大賈莊鐵礦一旦開采，在深部形成透水事故，水位變化可波及全區，因此以后的監測重點應往新河斷裂影響帶和大賈莊一帶靠攏，要保證大賈莊礦段順利開采，要盡量防止以上三個地下水漏斗形成連通，大孟莊一帶為重點防治區域。

4)依據動態特征提出4點相關防治水建議：第一，第四系深層水成為礦坑的最終涌水來源，盡量防止形成較大的地下水漏斗；第二，淺層水以截流為主，基巖水以疏干排水為主；第三，“天窗”區防治難度較大，防治方案需要更一步優化；第四，重要的巷道工程要避開新河斷裂；NK10-CK03孔間為田興礦與大賈莊礦水力聯系的樞紐區，防治水中要阻斷新河斷裂帶與南部富水帶間的水力聯系。

5)地下水動態監測在宏觀上反映了礦區的水文地質條件，并且一定程度上比水位地質試驗反映出的現象和問題更能說明所調查礦區水文地質概況，但這種優勢受監測網密度的約束。

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Water control measures based on groundwater dynamic monitoringin the southern area of Sijiaying iron mine

ZUOWen-zhe1，WANGBin-hai1，CHENGZi-hua1，CHENYong-li2

(1.NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tiangshan063009，China；2.The5thTeamofHebeiGeologyandMineralBureau，Tiangshan063004，China)

Abstract:The southern area of Sijiaying Iron mine belongs to the domestic rare watery deposit.To understand the hydrographical geological condition of the Southern area is the key to determine the safe mining project and water control.The article use the method of combining groundwater dynamic monitoring with exploration data to analyze the hydrological geological conditions in mining area，through the analysis of dynamic characteristics of water level of quaternary and the bedrock aquifer，analyzing Separating Water ability of lower quaternary aquifuge，the groundwater runoff， channel，aquifer recharge relationship and boundary conditions.then，puting forward that the lower quaternary “skylight” and Xin River fracture is an important channel of mine water conduction.And in the light of Dajiazhuang mining，putting forward some control suggestions.In addition，the analysis methods is more targeted to some mine that is not conducted hydrogeological test.

Key words：the southern area of sijiaying；hydrographical geological condition；groundwater dynamic monitoring；water control

收稿日期：2015-06-15

基金項目：河北省自然科學基金項目資助(編號：D2011209071；E2013209328)；唐山市科技計劃項目資助(編號：14130245B)

作者簡介：左文喆(1969- )，女，河北昌黎人，博士，副教授，主要從事水文地質及環境地質工作。E-mail：zuowenzhej@sina.com。 通訊作者：王斌海(1991-)，男，山西呂梁人，碩士，主要從事地下水資源管理及利用。E-mail:wangbinhaishx@sina.com。

中圖分類號：TD824.6

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)04-0091-07