南芬露天鐵礦水文地質(zhì)特點(diǎn)及滲流研究

李蘭彬 高毓山

（本溪鋼鐵（集團(tuán)）礦業(yè)有限責(zé)任公司南芬露天鐵礦）

南芬露天鐵礦開采歷史悠久，是亞洲最大的露天礦之一。多年來，南芬露天鐵礦的排水為自然排水，沒有對(duì)生產(chǎn)帶來影響。但是現(xiàn)在已經(jīng)由山坡露天開采轉(zhuǎn)為凹陷開采，露天礦的水已影響到生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行，特別是開溝，由于此水平水量大，穿鑿后炮孔出現(xiàn)坍塌、達(dá)不到設(shè)計(jì)深度等問題，給爆破帶來不小的麻煩，造成開溝進(jìn)度慢、穿區(qū)規(guī)模小，底板水平不平整給后續(xù)生產(chǎn)也帶來很大困難。所以，研究露天礦的水文地質(zhì)已成為當(dāng)前的緊迫任務(wù)，對(duì)露天礦的水文地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，利用現(xiàn)有的炮孔內(nèi)水文數(shù)據(jù)，確定目前掏溝穿區(qū)的單寬流量和滲流浸潤線，為排水提供相關(guān)數(shù)據(jù)，確定排水方案。

1 水文地質(zhì)與工程地質(zhì)概況

1.1 水文概況

南芬露天鐵礦東面境界外有1條細(xì)河，北面有1條小溪，都不能對(duì)采場進(jìn)行補(bǔ)給。南芬礦的地下水為基巖裂隙水，常年接受大氣降水的補(bǔ)給。南芬礦匯水面積為2 880 000 m2，年平均降水量為1 086.3 mm，年補(bǔ)給量為3.1×106m3，水面蒸發(fā)量為658 mm［1］。由于近幾年不能進(jìn)行自然排水，其最低臺(tái)階水平的基巖含水量已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)。

1.2 工程地質(zhì)概況

南芬露天鐵礦礦床類型為鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，礦帶為太古界鞍山群地層。礦體由底盤向頂盤分為3層：第一層鐵（Fe1）和第二層鐵（Fe2）均較薄；目前開采的主要是第三層鐵（Fe3）。礦體走向接近南北，可采長度為3 000 m，傾向向西38°～50°。礦體底盤為綠泥片巖（Am1）、綠泥角閃巖（Am2）和底盤角閃巖（Aml）等；礦體頂盤為綠泥片巖和混合巖（Mg）等。在礦層中或礦層間有綠泥角閃巖和綠簾角閃巖夾層。另外，還有火成巖（花崗巖、輝巖等）的侵入體［1］。

在鐵礦層中有2組X型節(jié)理裂隙，1組為北東20°，另1組為北西20°，第2組較第1組更為發(fā)育。下盤礦巖中的層、節(jié)理、裂隙在三維方向都較發(fā)育，和礦體同一走向上弱面的傾角為35°～50°，弱面厚度為20～70 cm，平均厚度為45 cm；縱向上弱面（沿臺(tái)階走向）間距平均為33～42 cm，最大為60～130 cm；坡向（沿臺(tái)階傾向）間距平均為33～40 cm，最大為50～120 cm。

2 水文地質(zhì)特點(diǎn)

南芬露天礦巖石較堅(jiān)硬，順坡向節(jié)理、片理發(fā)育，局部有軟弱夾層。巖石裂隙發(fā)育的地方透水性強(qiáng)，含水也多；裂隙不發(fā)育的地方透水性弱，含水也少。不同地帶、不同鉆孔中出水量相差懸殊，甚至有幾十倍至上百倍的差別。這種不均勻性就是基巖地下水與松散孔隙的最主要區(qū)別。所以，南芬礦的地下水為基巖地下水，有以下特點(diǎn)。

（1）巖石中各種大大小小的裂隙或孔洞互相切割、交叉，構(gòu)成疏密不同的裂隙網(wǎng)脈或孔洞孔隙帶。這些充水的裂隙或孔洞就像人體的血管一樣相互溝通，大的孔洞和張開裂隙有如“大動(dòng)脈”，其中地下水豐富且流動(dòng)快；而細(xì)微的小裂隙甚至劈理就像“微血管”，水量小，流動(dòng)也慢。因此，不能簡單籠統(tǒng)地把某一地層當(dāng)作均勻的含水介質(zhì)來看待。

（2）基巖裂隙含水層是不規(guī)則的，沒有比較固定的模式。基巖裂隙水的含水（帶）完全受各種裂隙發(fā)育產(chǎn)狀的控制［2］。除風(fēng)化裂隙水一般屬層狀外構(gòu)造裂隙水和接觸帶裂隙水的產(chǎn)狀是極其不規(guī)則的，露天礦的綠泥片巖、綠泥角閃巖穿插在其他巖層中，為含水層；其他巖種為隔水層。這些含水層（帶）的空間介質(zhì)是均勻的。基巖裂隙的大小、形狀是受地質(zhì)構(gòu)造條件和地貌條件的控制。基巖含水層的形態(tài)是多種多樣的，與松散沉積物含水層相比，它并不完全受地層層位的控制。除了與地層層位一致的層狀或似層狀含水層之外，還有完全不受層位限制的呈帶狀或脈狀的含水帶。這些帶狀的和脈狀的含水介質(zhì)（或空間）的復(fù)雜形態(tài)，顯然是無法用通常的“含水層”概念來確切形容的。這也說明基巖地下水的埋藏和分布情況遠(yuǎn)比松散巖層孔隙水復(fù)雜得多。

（3）基巖裂隙帶脈狀含水層埋深大，但地下水的儲(chǔ)量不大。基巖裂隙水的動(dòng)力性質(zhì)不同于第四系均質(zhì)孔隙水，有它的特殊性一般埋藏在同一地層中的地下水不一定都具有統(tǒng)一的地下水位有時(shí)呈無壓和承壓交替出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜有層流也有紊流。這些都是由巖石裂隙和孔洞的特殊形態(tài)和分布特點(diǎn)決定的。在采場內(nèi)出現(xiàn)規(guī)模較大的2條斷層附近的炮孔中水孔比例較高，但也有干孔，證明了這一結(jié)論。

3 基巖裂隙水滲流計(jì)算

基巖裂隙水在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)稱為滲流，露天礦的地下水的滲流常常是自由表面的無壓流，其水面高程沿流向變化。

基巖由顆粒或碎塊固體材料組成，其內(nèi)部包含著許多互相連通的孔隙或裂隙的物質(zhì)，稱為孔隙介質(zhì)［3］

3.1 緩變滲流的基本微分方程

緩變滲流的基本關(guān)系是杜皮幼公式：

式中，h為滲水水深，m；z0為鉛直距離，m；k為滲流系數(shù)，m/s；H為滲流水深h與不透水層面至基準(zhǔn)面之間的鉛直距離z0之和，即H=h+z0，m。

為了研究浸潤線，需要對(duì)其形式稍加變化。圖1所示為一緩變滲流，I-I線表示透水土層與不透水層的分界面，其坡度為i。取基準(zhǔn)面O-O及任意2個(gè)相距為ds的過水?dāng)嗝?及2。可得出：

底坡計(jì)算公式為

故

代入達(dá)西定律得

式中，v為 滲流速度，m/s；ω為斷面面積，m2；Q為滲流量,m3；其他參數(shù)意義同上。

這是緩變滲流的基本微分方程，以分析緩變滲流浸潤線。

3.2 浸潤線形狀分析及浸潤線方程

分析浸潤線形狀時(shí)，滲流流速水頭可以忽略不計(jì)［4］，因而滲流的斷面單位能量E i在數(shù)值上就等于滲流水深h。E i隨h呈線性變化，不存在極小值，自然也就沒有臨界水深，從而也就無臨界底坡。就不透水層坡度而言，在滲流中僅有正坡、平坡和負(fù)坡3種［5］。就正坡來說，可發(fā)生均勻滲流，既存在一個(gè)均勻滲流水深h0，但沒有臨界水深h k，所以水深h的變化范圍僅有2種，即h>h0及h

在平坡上沒有正常水深線，或者可以說h0→∞，所以只有一個(gè)b區(qū)，對(duì)于平坡，式（6）可寫為

分離變量得

從斷面1到斷面2，上式積分得

這就是i=0時(shí)的浸潤線方程，它表明浸潤線是一條二次拋物線。當(dāng)已知l,k,h1,h2時(shí)，就可以求得單寬流量q。

4 集水量計(jì)算

在露天礦現(xiàn)場，在14 m深的炮孔中實(shí)測的水文資料見表1。表1中數(shù)據(jù)與圖1中浸潤線形狀在理論上相吻合。

?

開溝爆區(qū)的孔網(wǎng)參數(shù)為7 m×7 m，所以l=42 m，稍有裂隙的巖石滲流系數(shù)k=5×10-4m/s，h1=7.8 m，h2=5.7 m。將以上數(shù)據(jù)帶入式（10）得q=40.6 m3/d。

一般開溝穿區(qū)的寬度為40 m，則在此處設(shè)立集水坑排水泵站，其每天的單側(cè)集水量Q=qw=1 624 m3/d，總集水流量2Q=3 248 m3/d。那么根據(jù)全年總補(bǔ)給量、蒸發(fā)量和每天集水量，就可以計(jì)算出理論上每年需要排水的天數(shù)T=380 d。所以，在露天礦設(shè)立至少2個(gè)泵站，每個(gè)泵站的要求為每天的總排水量不低于3 284 m3，每個(gè)泵站的直達(dá)工作日為190 d。在設(shè)立2臺(tái)水泵的情況下，每臺(tái)每天工作12 h，則需要泵的排水能力不低于274 m3/h。所以，泵站排水只要在豐水期加大排水力度，枯水期適量排水，就可以解決目前的困難。因此，此數(shù)據(jù)為露天礦合理設(shè)立泵站提供了理論依據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

目前，每年6—9月，在露天礦設(shè)立6個(gè)大泵站和2個(gè)小泵站，大泵型號(hào)為YQ900-240，每小時(shí)排水900 m3；小泵型號(hào)為YQ200-240，每小時(shí)排水200 m3。在其他時(shí)間，只設(shè)立2臺(tái)YQ200-240型小水泵，已經(jīng)能夠滿足露天礦排水需要，保證了每年開溝的順利進(jìn)行。