北祁連西段白尖鐵礦床水文地質特征及礦坑涌水量預測*

董萬平 孫繼省 冉德甫

(1.甘肅省有色地質調查院；2.甘肅省有色金屬地質勘查局)

礦區水文地質資料是對礦床資源量進行技術經濟評價、礦區總體建設規劃和礦區開采設計的重要依據，尤其對于新建礦山而言更是重要的基礎地質資料[1-4]。礦坑涌水量不僅是對礦山進行經濟技術評價的重要指標，也是開采工藝設計、井下疏干措施制定、水倉及排水系統設計的主要依據[5-7]。因此，在對礦區進行詳細的水文地質調查的基礎上，全面評價礦區水文地質特征，并對礦坑涌水量進行準確預測，對于有效防治礦區水文地質災害，確保礦區安全生產具有重要意義。

白尖鐵礦床位于鏡鐵山鐵礦床外圍，是北祁連西段鐵多金屬成礦帶內重要的沉積變質型鐵礦床之一[8-13]，是一座未開采的礦山。礦床大地構造位置位于華北板塊之華北古陸西南緣北祁連加里東褶皺帶西段，區域性構造線呈NW—SE向展布。區內構造樣式復雜，各個構造單元由于遭受其他構造體系的干擾和后期構造作用的改造形成了復雜的構造疊加、復合、改造格局，留下了豐富的變質、構造變形以及成礦作用等方面的地質記錄。礦區出露的巖性主要為長城系朱龍關群樺樹溝組含鐵淺變質巖，礦床類型為淺海相沉積變質型菱鐵礦鐵礦床[14-16]。近年來，甘肅省有色地質調查院依托甘肅省地質勘查基金項目對該礦床進行了詳細的水文地質評價，取得了一些列成果。本研究通過闡述白尖鐵礦床區域及礦區水文地質特征，探討區內水文地質條件變化規律，并對礦區礦坑涌水量進行預測，為該礦床及區域內同類型礦床的開發利用提供參考。

1 水文地質特征

1.1 區域水文地質特征

白尖鐵礦位于北祁連山西段，地處甘肅省肅南裕固族自治縣境內。礦區地形總體趨勢為北部高，南部低，中部形成山梁、山脊；地形極為陡峭，常伴有懸崖峭壁，河谷海拔一般小于3 000 m，山體海拔一般大于4 000 m，山體坡角平均為30°～37°，相對高差一般為500～1 000 m。區內植被不發育，巖體多呈裸露狀態，以剝蝕中高山—高山、山丘地貌為主。

區內氣候為大陸性高寒半干旱氣候，多風少雨，冬季寒冷。礦區年平均降水量258 mm，蒸發量2 371.5 mm；平均氣溫-2.1 ℃，最高氣溫20.2 ℃，最低氣溫-29.9 ℃。每年7—8月為雨季，10月中下旬至翌年4月上旬為冰凍期，最大凍土深度達1.6 m。5—6月為冰雪消融期，由于礦區海拔較高，每年9月初便有結冰現象出現，礦區內白尖溝地表水及坑道地下水動態觀測的最佳時間為每年7—8月。

1.2 礦區水文地質特征

1.2.1 地表水特征及地表水與地下水的水力聯系

白尖鐵礦礦區主要河流有北大河、白尖溝地表水、西柳溝地表水。北大河距礦區東部約10 km，多年平均流量為12.83 m3/s，最大洪水流量為13.5 m3/s，平水期一般為10.26～12.50 m3/s。白尖溝地表水在礦區中部自北西向南東向流過，一般常年有水，旱季局部以潛流的形式向下游排泄，西柳溝地表水在礦區最北側自西向東流過。白尖溝和西柳溝的平均流量分別為128.91，278.97 L/s。白尖溝及西柳溝兩側溝系呈樹枝狀分布，均為“V”字型溝，且多為季節性水流，地形有利于地表水流瀉[17]。礦區地表水動態變化受季節控制，雨季降水后，地下水位上升，開始出現較大的地表水流，旱季地表水流量減小，局部以潛流的形式向下游排泄，地表出現斷流現象。

礦床地表水流量與大氣降水、雪融水直接相關，大氣降水和雪融水直接補給地表水。地表水的特征取決于大氣降水形式、融雪速度、地形坡度、植被以及第四系堆積物類型。強度不大的降水和融雪速度較慢的雪融水大部分可以滲入第四系覆蓋層，一部分轉入地下基巖含水層，其余沿第四系含水層的孔隙逕流，以人工開挖及地下水流補給河水的形式排泄。而遇到較大的降水或雨季長期降水、融雪速度較快的雪融水后，大部分以地表逕流的形式排泄，僅有極少部分通過第四系覆蓋層補給地下水[17]。

第四系沖洪積孔隙潛水除了接受大氣降水補給外，地表水體側向滲入也為補給源之一。豐水期地表水補給第四系孔隙潛水，枯水期隨著地表水流量減少，在其上游局部地段，第四系孔隙潛水又補給地表水，說明地表水與第四系孔隙潛水之間有一定的水力聯系。

地下水由大氣降水及雪融水部分滲入第四系覆蓋層中沿風化裂隙、基巖裂隙補給，水位隨著降水及雪融水的大小而變化，其余在第四系堆積物中徑流，在溝谷底部或地形有利處排泄。局部在含水巖石裸露地段可直接接受大氣降水和雪融水補給，在風化裂隙發育、地勢低凹地段，由于逕流距離短，地下水受大氣降水影響快，動態水位變化幅度較大(如ZK3鉆孔0.5～2.2 m深度)[17]。而其他情況下的含水巖段，地下水需滯后10 d左右方可上升至高水位，水位動態變化不大(如ZK2鉆孔0.5 m深度以淺)。第四系沖積層的孔隙潛水主要由地表水、大氣降水及雪融水補給，受氣候及季節的影響大，逕流距離較短，水位變幅較大。

基巖裂隙含水巖組中的裂隙潛水在其上游白尖溝地段局部也接受第四系孔隙潛水的少量滲入補給。地表水與第四系孔隙潛水之間有一定的水力聯系，間接補給下覆基巖裂隙潛水，也為礦床充水的一個因素。

1.2.2 含水巖組、隔水巖組及構造破碎帶含水特征

1.2.2.1 含水巖組及隔水巖組含水特征

根據礦區出露的地層特征、巖石的含水性及埋藏條件、裂隙發育程度及其連通情況、不同巖石建造類型等，可將礦區劃分為第四系沖洪積、殘坡積松散巖類孔隙潛水含水巖組以及變質巖、沉積巖基巖裂隙潛水含水巖組。

第四系沖洪積、殘坡積松散巖類孔隙潛水含水巖組按其成因及富水性可進一步劃分為：

(1)第四系殘坡積孔隙弱含水層。該含水層主要分布于西柳溝、白尖溝及其兩側坡麓，由變質巖碎塊、碎屑、石英顆粒等組成，分選性差，磨圓度不佳，孔隙度一般為15%～25%，透水性一般，在溝谷底部局部地段含上層滯水，以泉或潛流的形式排泄，其泉點的流量為0.039～2.50 L/s。

(2)第四系沖洪積孔隙潛水含水層。該含水層主要分布于西柳溝河、白尖溝河、北大河河漫灘及兩岸階地，骨架顆粒由變質巖、火成巖塊(漂石)、卵石、粗—細砂等組成，充填物為黏土礦物，少量為鈣質、鐵質，具有明顯的沉積韻律，分選性較差，磨圓度中等—一般，結構松散，孔隙度一般為25%～30%。該含水層透水性良好，富含孔隙潛水，根據礦區當地生產用水井資料，其含水層厚約150 m，單井涌水量為1 987.20 m3/d，單位涌水量為2.54 L/(m·s)，滲透系數為5.45 m/d，水位埋深為84.19 m。該含水層中的地下水為礦床開采時的生產及生活用水水源之一。

礦區變質巖、沉積巖基巖裂隙潛水含水巖組出露的變質巖巖性為石英巖、鈣質千枚巖、絹云綠泥千枚巖、碳質千枚巖及硅化大理巖等，沉積巖巖性為紅色底礫巖及含礫砂巖等，該類巖組構成了含水層的基底骨架。按富水性、分布特征、裂隙發育程度，該巖組可進一步劃分為：

(1)千枚巖類含水層。該類巖石在礦區分布較廣，尤其在礦區中部分布最為集中，其導水性較差，含水甚微，但由于千枚巖受到一些小斷裂、次一級構造的影響，加之石英脈較發育，裂隙內充填的膠結物以鈣泥質為主，膠結程度中等，故弱含裂隙潛水，其含水層厚度約100 m。該類巖石風化裂隙較發育，其風化裂隙最深處距地表263.1 m(ZK3鉆孔)，呈網脈狀，有石英細脈充填其中，屬中等風化，微含風化裂隙潛水，在地下水位以上為弱透水巖層，地下水位以下為弱含水層，該含水層為礦床開采的直接充水水源之一，但不會對礦床開采造成較大威脅[18]。坑道KD2中段揭露該層時，在石英脈發育地段可見密集的細線股狀出水現象(圖1)，裂隙面、片理面均可見鐵染、鈣膜，局部可見溶孔、溶隙，通過聚集法測定出的局部出水地段的流量為0.122 L/s。地下水通過裂隙面運動至該層，在裂隙帶連通性良好的地段相對富水，通過鉆孔靜止水位測定，地下水的水位埋深為23.41～78.43 m。該層巖石在鉆孔鉆進過程中均未有涌水現象出現，但有部分鉆孔都不同程度的產生了漏水現象，沖洗液消耗量最小為25.5 L/min(ZK2鉆孔)，最大為88 L/min(ZK3、ZK7鉆孔)，動水位變幅也較大，裂隙發育(圖2)，具有明顯的地下水活動痕跡。

圖1 KD2坑道巖石中沿裂隙面的出水現象

圖2 ZK3鉆孔巖芯發育的裂隙

(2)石英巖、硅化大理巖、紅色礫巖含水層。該類巖石在近地表發育有網脈狀裂隙，石英細脈充填其中，鉆孔揭露厚度為10～60 m，偶見寬約1 mm的溶蝕裂隙，弱含裂隙潛水。礦區內一些小的侵入巖脈體的巖石較堅硬，裂隙不發育，面裂隙率僅約1.80%，可視為礦床的相對隔水層。

1.2.2.2 斷裂構造破碎帶含水特征

礦區斷裂構造不發育，在礦區2個坑道施工揭露的一些小的層間破碎帶的碎裂面內可見大量泥質物和少量石英、原巖碎塊和角礫，角礫呈次棱角、次圓狀，為泥質膠結，遇水泥化，無地下水活動痕跡，屬于既不含水又不導水的層間斷裂破碎帶，在與其接觸的原巖上大都有滴滲水現象出現。

1.2.3 坑道水文地質特征

本研究在礦床范圍內施工了探礦坑道KD1、KD2，KD1坑道中段與KD2坑道中段高差約100 m。坑道不同中段的巖石含水性(表1)分析表明，坑道內干燥區和潮濕區所占比例為51.72%～93.60%，而滴、滲(出)水區所占比例為6.40%～48.28%，由此可見巖石含水具有不均一性。坑道裂隙點調查表明，潮濕區及滴、滲(出)水區的面裂隙率為1.98%～5.27%，平均為4.56%，干燥區的面裂隙率一般為1.12%～3.15%，平均為2.09%。

表1 坑道巖石含水性面積

KD1坑道由于所處部位海拔較高，大部分屬于干燥區，少部分為潮濕區。KD2坑道由于所處部位海拔較低，在掘進過程中都不同程度地出現了滴滲水現象，有弱滴水區、強滴水區，并有細線股狀的涌水現象發生，也有不透水區。隨著坑道掘進長度不斷加大，坑道內潮濕區、強滴水區、弱滴水區的涌水現象也隨之增多，由此也可見巖石含水性具有不均一的特性。涌水部位的出水量隨著時間的延長，也隨之變小并逐漸趨于穩定。KD1坑道在掘進過程中的滴、滲(出)水現象僅持續了1周左右便消失，而KD2坑道的滴、滲(出)水現象則一直持續著，主要原因是KD1坑道所處位置海拔較KD2坑道高出近100 m，即深部基巖的含水性優于淺部基巖。

2 礦區水文地質評價

根據對礦區水文地質特征的分析，可知礦床充水因素主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，地下水通過風化裂隙、原巖裂隙等導水通道進入巷道，形成礦坑涌水[19]。地表水主要是從礦床中部自北西至東南流過，最終匯入北大河的白尖溝河，但由于溝谷底部巖石風化裂隙不發育，僅在上游局部有風化裂隙段從側向以滲流的形式補給地下水。礦床侵蝕基準面標高為2 911 m，礦床內埋藏最低的礦體標高為3 100 m，位于侵蝕基準面以上，礦床內無溝通地表水到礦床內的導水構造，白尖溝等地表水對礦床充水的影響不大。此外，基巖裂隙水與第四系沖洪積孔隙潛水之間也有一些間接的水力聯系。礦床范圍內的千枚巖類、硅化灰巖及硅化大理巖、紅色底礫巖、含礫砂巖等為礦床內的不均勻基巖裂隙潛水含水巖組。礦區內一些小的侵入巖脈屬于相對隔水層，該類侵入巖脈對礦床充水無影響。隨著開采深度加大，頂板部分壓性裂隙轉化為張性裂隙，上部基巖風化裂隙水、構造裂隙水以及第四系孔隙潛水可通過裂隙下滲至礦坑，增加涌水量。深部礦體內所含的地下水主要為構造裂隙潛水，水量取決于裂隙發育及均勻程度。由于成礦過程中構造活動較復雜，使得礦體及近礦圍巖裂隙發育甚于圍巖，礦體及附近圍巖的富水性也甚于圍巖。

3 礦區供水水源評價

4 礦坑涌水量預測

礦區現有1個試采坑道(編號為YM1)，開采的礦體編號為Ⅱ#、Ⅲ#、Ⅳ#。其中，Ⅱ#、Ⅲ#礦體的最低開采標高為3 150 m，Ⅳ#礦體的最低開采標高為3 100 m，Ⅰ#、Ⅴ#主要礦體埋藏標高均在3 250 m以上。因此，本研究選擇分布于0#～11#線的Ⅱ#、Ⅲ#礦體和0#～15#線的Ⅳ#礦體3 150 m中段的YM1坑道進行涌水量預測。

本研究對YM1坑道的涌水量進行了長期動態觀測(圖3)，根據礦區地下水特征，并根據長期動態觀測資料對該中段的礦坑涌水量進行了預測。根據觀測期降雨量變化對探礦坑道的月平均、月最大、月最小流量進行了分析，正常流量采用雨季坑道平均流量，最大流量采用坑道觀測的最大流量值。

表2 白尖鐵礦床水質分析結果

水質類型含量/(mg/L)亞硝酸鹽游離CO2MnCoNiCuZnAsSe西柳溝與北大河交匯處地表水0.0100<0.005<0.005<0.005<0.01<0.01<0.005<0.002白尖溝上游地表水<0.00200.015<0.005<0.005<0.01<0.01<0.005<0.002KD2坑道地下水<0.00800.524<0.005<0.005<0.01<0.01<0.005<0.002水質類型含量/(mg/L)CdPbHgIBrAlpH值氣味濁度色度西柳溝與北大河交匯處地表水<0.001<0.005<0.00005<0.01<0.010.0568.44無<1<5白尖溝上游地表水<0.001<0.005<0.00005<0.01<0.010.0208.46無<1<5KD2坑道地下水<0.001<0.005<0.00005<0.01<0.010.0208.38無<1<5

注：數據由甘肅省中心實驗室測定。

表3 白尖鐵礦床水質細菌分析結果

注：數據由白銀市疾控中心測定，大腸菌群未檢出。

圖3 白尖礦區YM1坑道涌水量動態觀測結果

水文地質比擬法礦坑涌水量預測公式可表示為

Q=Q0/L0·L，

式中，Q為預測礦坑涌水量，m3/d；Q0為現狀開采涌水量，m3/d；L0為YM1坑道掘進長度，m；L為礦體開采長度，m。

Q0的正常值采用YM1坑道長期觀測的平均流量值，Q0的最大值采用YM1坑道長期觀測的最大流量值。礦區礦坑涌水量計算結果見表4。

表4 白尖礦區礦坑涌水量預測結果

礦區內白尖溝地表水及坑道地下水的動態觀測最佳時間為每年7—8月，本研究坑道涌水量預測的所有參考數據均來源于該時間段的觀測數據，因此預測結果具有較強的代表性，可作為礦山排水設計的依據。由于Ⅰ#、Ⅳ#、Ⅵ#礦體埋藏較淺，在礦區開采時只要做好坑道自然排水工作即可保障礦山安全生產。

5 結 語

詳細分析了白尖鐵礦礦區水文地質特征，并采用水文地質比擬法預測了礦坑涌水量。研究表明：白尖鐵礦床是以裂隙潛水含水層為主，頂、底板直接充水的礦床，水文地質條件簡單，礦床控制儲量標高在當地最低侵蝕基準面以上，地形有利于自然排水，礦床主要充水含水層及構造破碎帶含水層富水性弱，礦床充水方式為頂、底板直接充水，充水量小，補給邊界遠離首采地段的坑道系統，礦區地表水可用作礦區生產建設用水，水質符合飲用水標準，礦坑涌水量較小(小于1 000 m3/d)。

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