西里北鐵礦水文地質條件分析及防治措施

閆朝波

（五礦礦業（安徽）工程設計有限公司，安徽 合肥 230604）

西里北鐵礦系產于燕山期閃長玢巖與奧陶系中統灰巖接觸帶上的中型隱伏接觸交代型磁鐵礦床，礦體分層明顯，總體呈似層狀產出，空間上表現為波狀起伏。礦坑涌水量預測是礦區水文地質調查工作的主要任務之一，也是制定安全開采方案的主要依據之一[1]，預測礦井涌水量，可以為礦山設計及后續防治水工作提供依據。

1 礦區水文地質特征

礦體賦存于奧陶系灰巖與閃長巖接觸帶，礦體埋深在861.014m～1032.63m區間內，位于當地最低侵蝕基準面之下，礦區附近無大的地表水體。奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層是礦床直接頂板，是礦區主要充水含水層，富水性、透水性中等。

1.1 礦區內含水層特征

根據礦區主要地層的容水空間特征，將礦區劃分為三個含水層。

1.1.1 第四系松散巖類孔隙含水層

第四系松散巖類孔隙含水層在礦區內廣泛分布，巖性主要為黃色亞粘土，含少量鈣質結核及碎塊，底部為碎石混土，地層厚度80.06m～205m，受礦區內東西走向的壓性正斷層F1影響其南側厚度大于北側，水位埋深76.47m，單位涌水量為0.07L/s.m，滲透系數為0.295 m/d，單井出水量428.16m3/d，透水性富水性較弱，地下水為潛水。

1.1.2 二疊-石炭系碎屑巖類裂隙、孔隙含水層

二疊-石炭系碎屑巖類裂隙、孔隙含水層多下伏于第四系之下，巖性主要為砂巖、泥巖、頁巖及灰巖，受構造作用影響局部地段地層較破碎，巖芯多呈塊狀、碎塊狀，地層厚度564.60m～642.31m，水位埋深37.82m～148.58m，單位涌水量0.231L/s.m，滲透系數為0.364 m/d，單井出水量為858.96m3/d，富水性中等，地下水為承壓水。

1.1.3 奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層

奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙水分上下兩層，上部為峰峰組，巖性主要由泥灰巖、泥質灰巖、白云質灰巖等組成，節理裂隙發育，局部地段受構造影響巖芯較破碎，地層厚度83.57m～126.71m，下部為馬家溝組，巖性主要為厚層灰巖，局部夾泥灰巖，局部穿插閃長巖及礦體，地層厚度165.54m～313.30m，單位涌水量0.108L/s.m，滲透系數為0.037m/d，單井出水量為639.12m3/d。富水性中等，地下水為承壓水。

1.2 含水層之間水力聯系

第四系松散巖類孔隙水含水層在礦區內透水性富水性較差，水量較少。

斷層上部灰巖地下水與區域灰巖地下水聯系不大，下部灰巖地下水與區域地下水聯系密切，礦區處于泉域邊界一帶補給區，奧陶系灰巖透水性較弱，徑流條件較差，地下水下部水質較差。

天然狀態下二疊-石炭系碎屑巖類裂隙孔隙含水層與灰巖上部含水層雖存在一定的水力聯系，但由于二疊-石炭系地層巖性以弱透水的泥巖、砂巖為主，兩個含水層之間的水力聯系是一個緩慢而微弱的過程。

受構造作用影響，奧陶系灰巖含水層分布不均一，局部地段形成上層孤立水體，如受F1斷層影響，上盤奧陶系灰巖水位埋深較小，與區域灰巖地下水聯系微弱；下部灰巖地下水與區域地下水聯系密切。

綜上所述，第四系松散巖類孔隙水含水層、二疊-石炭系碎屑巖類裂隙孔隙含水層、奧陶系含水層之間存在水力聯系，但由于受地層巖性、地質構造影響，上部含水體與整個古堆泉域巖溶地下水系統聯系微弱，下部灰巖與整個古堆泉域巖溶地下水系統聯系較強。

1.3 地下水補涇排條件

第四系孔隙水接受大氣降水補給后，依地勢自東向西徑流，至臨汾盆地，排泄補給臨汾地表水。

礦區灰巖處于古堆泉域補給區，地下水的主要補給方式為大氣降水補給。礦區東部基巖出露，表層風化嚴重，多呈塊狀及碎塊狀，有利于降水入滲，礦區范圍內第四系厚度相對較薄，尤其是靠近東部基巖山區附近第四系覆蓋層松散堆積，垂向節理發育，也有利于降水入滲補給下部含水層。

地下水接受大氣降水后逐步補給下部含水層，然后，自東北向西南徑流，受地層巖性、地質構造影響，地下水徑流不暢，呈承壓狀態。

礦區范圍內地下水除向下游徑流排泄外，人工開采也是地下水排泄的一個主要途徑，在每年的春灌、秋灌期間基本會進行連續一至兩個月不間斷的抽水，也使地下水位出現不同程度的下降。

2 礦床充水因素分析與涌水量預測

2.1 礦床充水因素分析

奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層是礦床直接頂板，上覆厚大的二疊-石炭系碎屑巖類裂隙孔隙含水層及第四系松散巖類孔隙水含水層。奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層是礦區主要含水層，礦區處于古堆泉域補給區，透水性、富水性中等，受F1斷層影響，斷層上下盤灰巖地下水聯系程度較差，地下水頭相差很大。斷層上盤灰巖地下水與區域灰巖地下水水力聯系較差，斷層下盤灰巖地下水與區域灰巖地下水水力聯系密切，在天然狀態下，灰巖地下水接受大氣降水補給后，自東北向西南徑流，最終于古堆泉群集中排泄。

在開采條件下，巷道排水使深部的奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層地下水壓力突然釋放，并向四周擴展，上部的奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層及二疊-石炭系碎屑巖類裂隙孔隙含水層地下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，下部奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層為礦床充水通道，上部奧陶系灰巖及二疊-石炭系碎屑巖類裂隙孔隙含水層為礦床充水水源，地下水流場呈現三維空間流場，垂向上存在水頭梯度，表現為垂向上深部壓力降低大，淺部壓力降低小。

2.2 礦井涌水量預測

西里北鐵礦礦體分布比較集中、邊界條件和含水層結構復雜，采用比擬法預測礦坑涌水量可回避各種水文地質參數求參過程中的失真。抽水試驗孔布置在礦床的分布地段，與未來疏干條件一致，因此，利用Q-S曲線方程外推未來疏干水位降深的涌水量。

考慮到西里北鐵礦礦體埋藏較大，地下水頭較高，礦山疏干排水情況下地下水降深較大，一般認為，當水位降低到含水層厚度一半時涌水量最大，若超過這一限度，則會有顯著的水躍值現象產生，從而使其預測涌水量偏大很多，為考慮水躍值現象對礦坑涌水量預測的影響，此次涌水量的預測地下水位降至灰巖含水層厚度一半，即標高-280m。

礦坑涌水量計算：

此次礦坑涌水量的預測以ZK71鉆孔抽水試驗資料為基礎，利用鉆孔涌水量與降深的關系逐步換算成疏干狀態下的水位降深與涌水量，計算公式如下：

式中：

Q：礦坑涌水量（m3/d）；

QMAX：鉆孔在預測降深下的涌水量（m3/d）；

Q1：鉆孔抽水試驗抽水量，取值639.12m3/d；

SMAX：鉆孔預測降深（m），根據各個鉆孔揭露奧陶系灰巖頂底板地層標高情況，取其平均值進行計算，水位標高為442.732m，水位降至含水層厚度一半時，預測鉆孔最大降深為723.617m；

RMAX：抽水鉆孔最大降深影響半徑（m），抽水鉆孔水頭降至含水層厚度一半時，；

R：礦坑排水影響半徑，R=R0+r0，r0為礦坑引用半徑（m）；P為礦體多邊形周長。；r0=p/2π=2692.714/2＊3.14=428.78m；R=R0+r0=8712.49m；

rw：抽水鉆孔半徑0.076m；

S1：鉆孔抽水試驗降深68.42m；

經計算，礦區地下水水頭降至含水層厚度一半時，即標高-280m時，礦坑涌水量為8005.26m3/d。

3 礦井防治水對策

3.1 礦山未來生產中存在的主要問題

礦體埋藏深度大，奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層是礦床直接頂板，上覆厚大的二疊-石炭系碎屑巖類裂隙孔隙含水層及第四系松散巖類孔隙水含水層。各含水層透水性較差，礦體上覆厚大弱含水層，深部疏干排水時，地下水疏干流場必然呈現三維空間流場，垂向上存在水頭梯度，表現為深部壓力降低大，淺部壓力降低小，礦坑水不可能預先完全疏干，礦山生產只能在低壓條件下，帶壓作業。

礦體賦存于奧陶系灰巖中，埋藏較深，水頭壓力較大，由于奧陶系含水層厚度較大，透水性富水性中等，尚有很大的地下水靜儲量，因此，掘進中不可避免的出現突水事件。

奧陶系灰巖為礦區的主要含水層，其水頭壓力較大，由于奧陶系灰巖透水性富水性的不均一性，局部地段可能會存在水頭壓力較大的情況，因此掘進中遇到較大的層間破碎帶以及巖溶發育地段，在高水頭的作用下，可能會出現瞬間突水事件。

礦區完成地質工作質量評述中未介紹鉆孔封孔質量，未來可能存在封孔不良鉆孔，構成導水天窗。

3.2 防治水對策

礦區特有的水文地質條件決定了礦山治水以疏為主、低壓作業、邊疏干邊采礦的總體原則，從技術、經濟角度考慮，在礦山基建階段為了坑道掘進盡快的展開，可適當堵水，但在礦山開采階段不宜堵水。

為防止突水危害，當掘進工作面接近被淹井巷、溶洞、含水斷層、含水層或有其它透水象征時，必須堅持“有疑必探”、“先探后掘”的原則，即用鉆機超前探明水情，并采取放水疏干措施后再掘進。

開采礦石前，各豎井、巷道增加排水設施，增強設防能力，以利安全開礦。

應針對礦區施工過的地質鉆孔做好封孔工作。

建立地下水監測系統，對地下水的水位和水量進行實時監測，指導礦山的防治水工作[2]。