西里北鐵礦水文地質(zhì)條件分析及防治措施

閆朝波

（五礦礦業(yè)（安徽）工程設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230604）

西里北鐵礦系產(chǎn)于燕山期閃長(zhǎng)玢巖與奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r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(chǎn)出，空間上表現(xiàn)為波狀起伏。礦坑涌水量預(yù)測(cè)是礦區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查工作的主要任務(wù)之一，也是制定安全開(kāi)采方案的主要依據(jù)之一[1]，預(yù)測(cè)礦井涌水量，可以為礦山設(shè)計(jì)及后續(xù)防治水工作提供依據(jù)。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

礦體賦存于奧陶系灰?guī)r與閃長(zhǎng)巖接觸帶，礦體埋深在861.014m～1032.63m區(qū)間內(nèi)，位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下，礦區(qū)附近無(wú)大的地表水體。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層是礦床直接頂板，是礦區(qū)主要充水含水層，富水性、透水性中等。

1.1 礦區(qū)內(nèi)含水層特征

根據(jù)礦區(qū)主要地層的容水空間特征，將礦區(qū)劃分為三個(gè)含水層。

1.1.1 第四系松散巖類(lèi)孔隙含水層

第四系松散巖類(lèi)孔隙含水層在礦區(qū)內(nèi)廣泛分布，巖性主要為黃色亞粘土，含少量鈣質(zhì)結(jié)核及碎塊，底部為碎石混土，地層厚度80.06m～205m，受礦區(qū)內(nèi)東西走向的壓性正斷層F1影響其南側(cè)厚度大于北側(cè)，水位埋深76.47m，單位涌水量為0.07L/s.m，滲透系數(shù)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(lèi)裂隙、孔隙含水層

二疊-石炭系碎屑巖類(lèi)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(yè)巖及灰?guī)r，受構(gòu)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(shù)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?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等組成，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部地段受構(gòu)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?guī)r，局部夾泥灰?guī)r，局部穿插閃長(zhǎng)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(shù)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(lián)系

第四系松散巖類(lèi)孔隙水含水層在礦區(qū)內(nèi)透水性富水性較差，水量較少。

斷層上部灰?guī)r地下水與區(qū)域灰?guī)r地下水聯(lián)系不大，下部灰?guī)r地下水與區(qū)域地下水聯(lián)系密切，礦區(qū)處于泉域邊界一帶補(bǔ)給區(qū)，奧陶系灰?guī)r透水性較弱，徑流條件較差，地下水下部水質(zhì)較差。

天然狀態(tài)下二疊-石炭系碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙含水層與灰?guī)r上部含水層雖存在一定的水力聯(lián)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(gè)含水層之間的水力聯(lián)系是一個(gè)緩慢而微弱的過(guò)程。

受構(gòu)造作用影響，奧陶系灰?guī)r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(pán)奧陶系灰?guī)r水位埋深較小，與區(qū)域灰?guī)r地下水聯(lián)系微弱；下部灰?guī)r地下水與區(qū)域地下水聯(lián)系密切。

綜上所述，第四系松散巖類(lèi)孔隙水含水層、二疊-石炭系碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙含水層、奧陶系含水層之間存在水力聯(lián)系，但由于受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造影響，上部含水體與整個(gè)古堆泉域巖溶地下水系統(tǒng)聯(lián)系微弱，下部灰?guī)r與整個(gè)古堆泉域巖溶地下水系統(tǒng)聯(lián)系較強(qiáng)。

1.3 地下水補(bǔ)涇排條件

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

礦區(qū)灰?guī)r處于古堆泉域補(bǔ)給區(qū)，地下水的主要補(bǔ)給方式為大氣降水補(bǔ)給。礦區(qū)東部基巖出露，表層風(fēng)化嚴(yán)重，多呈塊狀及碎塊狀，有利于降水入滲，礦區(qū)范圍內(nèi)第四系厚度相對(duì)較薄，尤其是靠近東部基巖山區(qū)附近第四系覆蓋層松散堆積，垂向節(jié)理發(fā)育，也有利于降水入滲補(bǔ)給下部含水層。

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

礦區(qū)范圍內(nèi)地下水除向下游徑流排泄外，人工開(kāi)采也是地下水排泄的一個(gè)主要途徑，在每年的春灌、秋灌期間基本會(huì)進(jìn)行連續(xù)一至兩個(gè)月不間斷的抽水，也使地下水位出現(xiàn)不同程度的下降。

2 礦床充水因素分析與涌水量預(yù)測(cè)

2.1 礦床充水因素分析

奧陶系灰?guī)r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(lèi)裂隙孔隙含水層及第四系松散巖類(lèi)孔隙水含水層。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層是礦區(qū)主要含水層，礦區(qū)處于古堆泉域補(bǔ)給區(qū)，透水性、富水性中等，受F1斷層影響，斷層上下盤(pán)灰?guī)r地下水聯(lián)系程度較差，地下水頭相差很大。斷層上盤(pán)灰?guī)r地下水與區(qū)域灰?guī)r地下水水力聯(lián)系較差，斷層下盤(pán)灰?guī)r地下水與區(qū)域灰?guī)r地下水水力聯(lián)系密切，在天然狀態(tài)下，灰?guī)r地下水接受大氣降水補(bǔ)給后，自東北向西南徑流，最終于古堆泉群集中排泄。

在開(kāi)采條件下，巷道排水使深部的奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層地下水壓力突然釋放，并向四周擴(kuò)展，上部的奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層及二疊-石炭系碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙含水層地下水以空間滲流形式向排水點(diǎn)匯聚，形成了一定范圍的地下水壓力釋放空間場(chǎng)，下部奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層為礦床充水通道，上部奧陶系灰?guī)r及二疊-石炭系碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙含水層為礦床充水水源，地下水流場(chǎng)呈現(xiàn)三維空間流場(chǎng)，垂向上存在水頭梯度，表現(xiàn)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(yù)測(cè)

西里北鐵礦礦體分布比較集中、邊界條件和含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用比擬法預(yù)測(cè)礦坑涌水量可回避各種水文地質(zhì)參數(shù)求參過(guò)程中的失真。抽水試驗(yàn)孔布置在礦床的分布地段，與未來(lái)疏干條件一致，因此，利用Q-S曲線(xiàn)方程外推未來(lái)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(rèn)為，當(dāng)水位降低到含水層厚度一半時(shí)涌水量最大，若超過(guò)這一限度，則會(huì)有顯著的水躍值現(xiàn)象產(chǎn)生，從而使其預(yù)測(cè)涌水量偏大很多，為考慮水躍值現(xiàn)象對(duì)礦坑涌水量預(yù)測(cè)的影響，此次涌水量的預(yù)測(cè)地下水位降至灰?guī)r含水層厚度一半，即標(biāo)高-280m。

礦坑涌水量計(jì)算：

此次礦坑涌水量的預(yù)測(cè)以ZK71鉆孔抽水試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，利用鉆孔涌水量與降深的關(guān)系逐步換算成疏干狀態(tài)下的水位降深與涌水量，計(jì)算公式如下：

式中：

Q：礦坑涌水量（m3/d）；

QMAX：鉆孔在預(yù)測(cè)降深下的涌水量（m3/d）；

Q1：鉆孔抽水試驗(yàn)抽水量，取值639.12m3/d；

SMAX：鉆孔預(yù)測(cè)降深（m），根據(jù)各個(gè)鉆孔揭露奧陶系灰?guī)r頂?shù)装宓貙訕?biāo)高情況，取其平均值進(jìn)行計(jì)算，水位標(biāo)高為442.732m，水位降至含水層厚度一半時(shí)，預(yù)測(cè)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(shí)，；

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(zhǎng)。；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(yàn)降深68.42m；

經(jīng)計(jì)算，礦區(qū)地下水水頭降至含水層厚度一半時(shí)，即標(biāo)高-280m時(shí)，礦坑涌水量為8005.26m3/d。

3 礦井防治水對(duì)策

3.1 礦山未來(lái)生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題

礦體埋藏深度大，奧陶系灰?guī)r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(lèi)裂隙孔隙含水層及第四系松散巖類(lèi)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(shí)，地下水疏干流場(chǎng)必然呈現(xiàn)三維空間流場(chǎng)，垂向上存在水頭梯度，表現(xiàn)為深部壓力降低大，淺部壓力降低小，礦坑水不可能預(yù)先完全疏干，礦山生產(chǎn)只能在低壓條件下，帶壓作業(yè)。

礦體賦存于奧陶系灰?guī)r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(chǔ)量，因此，掘進(jìn)中不可避免的出現(xiàn)突水事件。

奧陶系灰?guī)r為礦區(qū)的主要含水層，其水頭壓力較大，由于奧陶系灰?guī)r透水性富水性的不均一性，局部地段可能會(huì)存在水頭壓力較大的情況，因此掘進(jìn)中遇到較大的層間破碎帶以及巖溶發(fā)育地段，在高水頭的作用下，可能會(huì)出現(xiàn)瞬間突水事件。

礦區(qū)完成地質(zhì)工作質(zhì)量評(píng)述中未介紹鉆孔封孔質(zhì)量，未來(lái)可能存在封孔不良鉆孔，構(gòu)成導(dǎo)水天窗。

3.2 防治水對(duì)策

礦區(qū)特有的水文地質(zhì)條件決定了礦山治水以疏為主、低壓作業(yè)、邊疏干邊采礦的總體原則，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度考慮，在礦山基建階段為了坑道掘進(jìn)盡快的展開(kāi)，可適當(dāng)堵水，但在礦山開(kāi)采階段不宜堵水。

為防止突水危害，當(dāng)掘進(jìn)工作面接近被淹井巷、溶洞、含水?dāng)鄬印⒑畬踊蛴衅渌杆笳鲿r(shí)，必須堅(jiān)持“有疑必探”、“先探后掘”的原則，即用鉆機(jī)超前探明水情，并采取放水疏干措施后再掘進(jìn)。

開(kāi)采礦石前，各豎井、巷道增加排水設(shè)施，增強(qiáng)設(shè)防能力，以利安全開(kāi)礦。

應(yīng)針對(duì)礦區(qū)施工過(guò)的地質(zhì)鉆孔做好封孔工作。

建立地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地下水的水位和水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)礦山的防治水工作[2]。