柞水縣大西溝鐵礦露天采場涌水量預(yù)測探討

張航泊，范軍峰，石 衛(wèi)

(陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710016)

柞水縣大西溝鐵礦露天采場涌水量預(yù)測探討

張航泊，范軍峰，石 衛(wèi)

(陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710016)

礦山開采過程中勢必會影響礦區(qū)及周邊地下水水位、水資源量，從礦區(qū)所處的水文地質(zhì)環(huán)境背景著手，通過分別采用大井法和降水入滲系數(shù)法，對擬建露天采場涌水量進(jìn)行預(yù)測分析，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

鐵礦;大井法;涌水量;預(yù)測

柞水縣大西溝鐵礦是全國特大型菱鐵礦床之一，擁有鐵礦石儲量3.02億 t，占陜西省鐵礦石總儲量的 47.6%，位于柞水縣城以東的小嶺鎮(zhèn)境內(nèi)，陜西龍鋼集團(tuán)欲對其開發(fā)利用。礦山采取露天開采方式，采口上口尺寸(長×寬)1 840 m×1 100 m，下口尺寸(長 ×寬)330 m×260 m，垂直開采深度達(dá)492 m，服務(wù)年限31 a。礦山開采后將形成一個上大下小、底部向北東方向傾斜的不規(guī)則大坑，體積約1.6億 m3。礦山的開采，勢必會造成周邊地下水位的下降，排出的廢水對下游地下水和地表水造成一定的污染，其污染程度取決于礦坑污水水質(zhì)和涌水量的大小，因此對礦坑內(nèi)涌水量的預(yù)測顯得尤為重要。本文即從礦山的水文地質(zhì)環(huán)境背景著手，對礦山開采期涌水量進(jìn)行預(yù)測分析。

1 水文地質(zhì)條件背景

1.1 地形地貌

大西溝鐵礦位于秦嶺南麓中部，屬中低山區(qū)，地形復(fù)雜，下切作用強烈，地勢陡峭，溝谷發(fā)育，屬構(gòu)造侵蝕地貌。一般高程介于1 000～1 600 m之間，最高點1 857.5 m，位于礦區(qū)西北部，最低點位于大西溝出口與車篷溝交匯位置，高程1 000 m左右，地形總體呈現(xiàn)為西高東低(圖1)。

1.2 氣象水文

礦區(qū)地處暖溫帶間涼亞熱帶南北過渡氣候區(qū)，具有季風(fēng)性氣候特點，四季分明，因地形閉塞和局地環(huán)境影響，多年平均降水量在750 mm左右，主要集中在7－9月。礦區(qū)河流均屬長江流域漢江水系的支流金錢河上游，北部為大西溝，東部為車篷溝，均為常年性河流，其中大西溝在礦區(qū)北東部流入車篷溝河，多年日平均徑流量為436.5 m3/d。

1.3 地層和地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上位于秦嶺造山帶北部，華南板塊被動大陸北緣，劉嶺前陸盆地與鳳縣 －鎮(zhèn)安陸緣斜坡帶之間，褶皺和斷裂不太發(fā)育，地層出露單一，主要為泥盆系中統(tǒng)青石埡組(D2Q)，傾向北東、傾角20°～45°的單斜巖層，巖性為淺灰色中－薄層粉砂巖、含鈣粉砂巖夾粉砂質(zhì)板巖、灰?guī)r和灰 －深灰色絹云母板巖與粉砂質(zhì)板巖，菱鐵砂礦及多金屬礦即賦存于絹云母與粉砂質(zhì)板巖(D2Q l)之中。

圖1 礦區(qū)地形地貌及礦體剖面簡圖

1.4 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地層出露單一，巖性主要為淺變質(zhì)的絹云母板巖與粉砂質(zhì)板巖，依含水層介質(zhì)及賦存條件，礦區(qū)地下水類型屬變質(zhì)巖類基巖裂隙含水巖組。據(jù)礦區(qū)勘探資料，總體上巖層富水性微弱，垂向上富水性差異亦較大。地下水主要賦存于上部強風(fēng)化帶裂隙和局部的構(gòu)造破裂帶內(nèi)，礦體以下富水性極弱，局部地段具有弱承壓性。單井涌水量 24.54 ～51.24 m3/d，水位降深 11.51 ～11.80 m，滲 透 系 數(shù) 介 于 0.000 47 ～ 0.144 6 m/d，平 均 為0.012 08 m/d，單位涌水量 0.168 ～20.045 m3/d·m，給水度為 0.001 9，地下徑流模數(shù)為 151.03 m3/d·km2，屬弱富水區(qū)。地下水主要接受大氣降水補給，多以侵蝕下降泉的形式出露，不同地層出露區(qū)流量有差別，一般是礦區(qū)南部為 0.01 ～0.2 L/S，中部為 0.1 ～0.2 L/S，最大1.0 L/S，北部為 0.039 ～0.794 L/S。

2 礦坑涌水量預(yù)測

2.1 大井法

隨著礦山開采的不同程度，礦體開挖及礦坑排水所引起的地下水漏失，會形成不規(guī)則的敞口漏斗，造成坑周含水巖組地下水位的下降，進(jìn)而影響到原有的地下水均衡。開采期間不同時段礦坑內(nèi)地下水涌水量可選用大井法進(jìn)行預(yù)測。其計算采用裘布依公式:

式中:Q為礦坑涌水量(m3/d);K為含水層滲透系數(shù)(m/d);H為礦坑含水層厚度(m);S為礦坑涌水水位降深(m);R為礦坑涌水影響半徑(m);r0為礦坑引用半徑(m)。

經(jīng)計算，不同開采年份不同深度下礦坑涌水量見下表1。

表1 大井法礦坑涌水量計算表

2.2 降水入滲系數(shù)法

礦區(qū)西部及西南部分位于分水嶺，主體位于大西溝流域內(nèi)。流域內(nèi)降水一部分蒸發(fā)或為植被截留，一部分形成地表徑流，其余部分經(jīng)地表入滲補給地下水。

結(jié)合水均衡原理，在收集流域內(nèi)多年降水資料的基礎(chǔ)上，本文同時采用降水入滲系數(shù)法對礦坑涌水量進(jìn)行對比分析計算，見公式(2)。

式中:Q為礦區(qū)某一范圍內(nèi)降水滲入補給量(m3/d);α為大氣降水入滲系數(shù);W為礦區(qū)年降水量(mm);Ai為開采影響范圍內(nèi)匯水面積(km2)。

經(jīng)計算，不同年份不同開采深度下礦坑涌水量見表2。

表2 降水入滲系數(shù)法礦坑涌水量預(yù)測表

3 礦坑涌水量分析

從兩種方法預(yù)測結(jié)果來看，大西溝鐵礦露天采場運行期隨著礦坑深度的增加，礦坑涌水量亦呈上升趨勢，但大井法預(yù)測涌水量隨深度增加較大，而降水入滲系數(shù)法預(yù)測涌水量隨深度增加很小，主要歸結(jié)于隨著礦坑深度的增加，含水層滲透系數(shù)一般呈遞減趨勢，地下水流場已不符合裘布依穩(wěn)定流基本條件。從資料來看，秦嶺山區(qū)地表基巖風(fēng)化比較強烈，主要分布于地表下50～70 m以淺范圍內(nèi)，屬強風(fēng)化帶，裂隙發(fā)育，有利于地下水的賦存和徑流，屬地下水強循環(huán)帶，空間上相對富水性好;而地表下50～70 m以深，巖體完整性好，不易風(fēng)化，節(jié)理裂隙不發(fā)育，不利于地下水的賦存和徑流，屬地下水弱循環(huán)帶，相對富水性差。即礦坑涌水量主要來自于地表強風(fēng)化帶之內(nèi)，深部涌水量極少，應(yīng)用大井法預(yù)測深部涌水量誤差較大。另外從大西溝多年長觀資料來看，地表水枯水季節(jié)多年日平均徑流僅為436.5 m3/d，大西溝鐵礦的開采，地表上造成分水嶺向外部位移，集水面積增大，另一方面礦坑深度增大，涌水影響半徑亦增大，地面下造成地下水分水嶺向外圍擴展，產(chǎn)生地下水襲奪現(xiàn)象，礦坑涌水量增大。但隨著開采深度的進(jìn)一步加深，深部地下水主要來源于構(gòu)造裂隙或?qū)娱g裂隙，涌水量極為有限，礦坑涌水量將會基本上趨于一穩(wěn)定值，影響范圍也將處于一定的范圍內(nèi)，不會隨礦坑的加深進(jìn)一步擴大。

4 結(jié)語

1)礦坑涌水量計算是礦床水文地質(zhì)勘查中一項重要而復(fù)雜的工作，計算方法有多種。本實例中，采用大井法和降水入滲系數(shù)法分別對不同開采時段礦坑內(nèi)地下水涌水量進(jìn)行了預(yù)測。從預(yù)測結(jié)果來看基于裘布依穩(wěn)定流的大井法在礦坑深度較淺時涌水量計算效果較好，隨著礦坑深度的增加，水文地質(zhì)條件已不符合裘布依理論計算的條件，涌水量計算誤差較大;而降水入滲系數(shù)法相對較能真實的反映淺部礦坑涌水量大小，而對礦坑深部地下水涌水量預(yù)測計算誤差相對較大。

2)由于礦床水文地質(zhì)的復(fù)雜性，對礦坑涌水量預(yù)測，應(yīng)結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)特征，從地下水均衡的角度綜合考慮，正確分析和概化水文地質(zhì)條件，最終的涌水預(yù)測結(jié)果應(yīng)符合客觀實際。

［1］陜西省冶金勘探公司714隊.陜西省柞水縣大西溝鐵礦床地質(zhì)勘探總結(jié)報告書［R］.1974.12.

［2］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境(HJ610－2011).

［3］陳明佑，等.礦坑涌水量計算方法研究［M］.武漢:武漢地質(zhì)學(xué)院出版社.1985.

［4］陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局.區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告(石嘴子幅－I－49－87－A、鳳凰咀幅 －I－49－87－B)［R］.1990.

S275.9

A

1004－1184(2012)05－0042－02

2012－06－14

張航泊(1983－)男，陜西乾縣人，碩士研究生，主要從事環(huán)境地質(zhì)工作。