遼寧省大孤山鐵礦水文地質(zhì)條件分析及涌水量預測

孟琛琛 藍海洋

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查研究院有限責任公司，遼寧 鞍山 114038)

0 引言

大孤山鐵礦位于鞍山市東南12 km的千山腳下，占地面積10.6 km2，礦山開采歷史悠久，如今已服役一百余年的，為國家提供優(yōu)質(zhì)的鐵礦資源。隨著礦山開采加深，未來將轉(zhuǎn)為井下開采，其水文地質(zhì)條件已發(fā)生較大變化。通過對礦山水文地質(zhì)條件綜合分析及涌水量預測，可為礦山未來開采排水與開采設計提供一定科學依據(jù)。

1 礦區(qū)自然地理概況

礦區(qū)屬千山山脈西北邊緣地帶，其地貌為低山丘陵區(qū)，總地勢東南高西北低，東南部為山地，西北部為低丘和大面積山間平原。區(qū)內(nèi)最高山峰位于東南部，標高為378.0 m，當?shù)厍治g基準面標高54.2 m，比高約90～300 m不等。山坡角10°～30°，局部地段大于30°，植被較為發(fā)育。

區(qū)內(nèi)地表水體發(fā)育一般，礦區(qū)西部主要發(fā)育有大孤山小河，流向由南至北，河床寬3～20 m，水深0.1～0.6 m，豐水期實測流量約為2.13 m3/s，補給源主要為大氣降水，明顯呈季節(jié)性變化。

該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明。多年平均氣溫8.8 ℃，最高氣溫36.9 ℃，最低氣溫-30.4 ℃；多年平均降水量720.6 mm，年最大降水量994.5 mm(1975年)，月最大降水量416.7 mm(1985年7月)，日最大降水量236.8 mm(1975年9月1日)，降水多集中在7、8、9三個月；多年平均蒸發(fā)量1 058.5 mm；平均凍土深度91 mm。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)

2.1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況[1]

2.1.1 巖石的賦水特征

1—全新統(tǒng)沖洪積孔隙含水巖組；2—更新統(tǒng)殘坡積孔隙含水巖組；3—層狀巖類基巖裂隙含水巖組；4—塊狀巖類基巖裂隙含水巖組；5—鐵礦體；6—構(gòu)造體；7—礦區(qū)范圍；8—地質(zhì)界線

1)第四系松散巖類孔隙含水巖組

主要包括全新統(tǒng)沖洪積孔隙含水巖組和更新統(tǒng)殘坡積孔隙含水巖組。其中全新統(tǒng)沖洪積孔隙含水巖組分布于礦區(qū)西部、西北部大孤山小河兩岸地帶，巖性為亞粘土、亞砂土、砂及砂礫卵石。地下水位埋深2.3～5.2 m，單位涌水量為1.145～3.082 L/s·m，滲透系數(shù)12.33～23.28 m/d，強富水性，地下水化學類型多為硫酸重碳酸鈣鎂或鈣類型，pH值6.65～7.04，礦化度0.547～0.711g/L；更新統(tǒng)殘坡積孔隙含水巖組分布于溝谷及山麓邊緣地帶,巖性主要為粘性土，下部含少量砂、碎石。厚度1～10 m不等，地下水位埋深2.18～9.81 m，單位涌水量為0.002 8～0.051 7 L/s·m，滲透系數(shù)0.005 24～0.060 7 m/d，為弱富水性。地下水化學類型為硫酸重碳酸鈣鎂或鈣類型，pH值6.71～7.59，礦化度0.38～1.03 g/L。

2)層狀巖類基巖裂隙含水巖組

該類含水巖組巖性為鞍山群櫻桃園巖組綠泥石英片巖及磁鐵石英巖、石英巖等，含風化裂隙水和構(gòu)造裂隙水，鉆孔單位涌水量為0.000 16～0.004 54 L/s·m，滲透系數(shù)為0.000 2～0.01 m/d，屬弱富水性，富水性不均一，地下水類型主要為重碳酸硫酸鈣鈉或鈉型，pH值7.66～8.42，礦化度0.35～0.52 g/L。

3)塊狀巖類基巖裂隙含水巖組

主要分布于礦區(qū)南側(cè)，巖性為太古代花崗巖，含弱的風化裂隙水和弱的構(gòu)造裂隙水，總體屬弱富水性。

2.1.2 地下水的補、徑、排條件及各含水層之間的水力聯(lián)系

區(qū)內(nèi)地下水的補給來源主要為大氣降水，并在一定程度上對基巖風化裂隙水補給，而基巖裂隙水除接受上覆第四系水補給外，同時接受區(qū)域基巖地下水徑流補給，徑流條件較差，露天開采后，隨著不斷抽排地下水，以采坑底部為中心形成半徑近2 km的降落漏斗，未來轉(zhuǎn)為井下開采后，區(qū)內(nèi)地下水位將進一步降低，主要以人工開采形式排泄，總的來看，第四系松散巖類孔隙水徑流條件相對較好，層狀及塊狀基巖裂隙水徑流條件較差，自然排泄條件不佳，以人工開采和地下徑流形式排泄。

2.2 礦床水文地質(zhì)

2.2.1 概述

大孤山礦區(qū)開采歷史久遠，人類工程活動強烈，地面破壞變形較大，歷經(jīng)六十多年的開采，從原來260 m標高的孤山頂變成目前最低標高約為-340 m露天采坑，采場封閉圈78 m，最高標高128 m，已形成東西長1 700 m，南北寬1 520 m，垂直深達400 m橢圓形露天坑，面積2.03 km2。

2.2.2 巖層的富水性

礦床第四系地層幾乎剝離殆盡，針對鐵礦體而言，其直接頂、底板巖性多為綠泥石英片巖，均屬于層狀裂隙含水巖組，主要包括風化裂隙水與構(gòu)造裂隙水。

風化裂隙水主要分布在采坑周邊第四系下部及廣大基巖裸露地區(qū)淺部，發(fā)育深度10～90 m，據(jù)鉆孔揭露風化裂隙抽水試驗結(jié)果，鉆孔單位涌水量0.000 61～0.001 L/s·m，滲透系數(shù)0.001 26～0.001 72 m/d，富水性弱，透水性差。

礦床范圍內(nèi)構(gòu)造主要有走向斷層、斜交斷層和橫斷層三組斷層，其中走向斷層位于礦體下盤，走向延長1 100 m以上，走向315°，傾向北東，傾角70～75°，基本與礦體產(chǎn)狀一致，平均單位涌水量0.000 54 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 3 m/d，屬弱富水性，礦化度為215.44 mg/L，pH值為8.33，水化學類型為重碳酸鈉型；斜交斷層位于礦床西北端礦段上盤，走向延長500 m以上。斷層走向285～305°，傾向南西，傾角40～60°，深部斷層走向轉(zhuǎn)為近東西向，為逆斷層，鉆孔單位涌水量0.001 78～0.004 54 L/s·m，滲透系數(shù)0.002 1～0.012 8 m/d，屬弱富水性，礦化度為542.59～735.32 mg/L，pH值為7.66～8.02，水化學類型以硫酸鈣鎂型為主。橫斷層主要分布于礦床中部和東部，斷層帶寬5～30 m，除有斷層角礫巖外，并有花崗斑巖脈充填。斷層走向40～70°，傾向南東，傾角15～50°，采坑揭露位置地下水不斷滲出，涌水量約0.6 L/s,富水性及透水性相對較好。

太古代花崗巖、燕山期花崗巖及花崗斑巖、閃長玢巖等侵入巖裂隙水均屬于塊狀基巖裂隙含水巖組，含弱的風化裂隙水和弱的構(gòu)造裂隙水，鉆孔單位涌水量為0.000 16～0.063 6 L/s·m，滲透系數(shù)為0.000 2～0.060 66 m/d，富水性弱，透水性差，地下水化學類型多為硫酸鈣鎂或鈣鎂鈉型，pH值7.81～7.84，礦化度較高達1 g/L。

2.2.3 地下水動態(tài)及補徑排條件

經(jīng)過多年開采，礦床范圍內(nèi)最低地下水位已下降至-340 m標高左右，形成垂直深達400 m，直徑約1 500 m的降落漏斗，目前礦坑排水量日平均排水量約為6 200 m3/d，呈較明顯的季節(jié)性變化。礦床地下水的補給來源主要為大氣降水，深部地下水通過區(qū)域基巖地下水徑流進行補給。徑流條件一般，地下水排泄則以人工開采排泄為主。

根據(jù)礦床所處地形地貌、地表水體發(fā)育情況和巖體富水性、透水性以及地下水補徑排條件等，綜合考慮認為，該礦床水文地質(zhì)條件中等。

2.3 礦坑涌水量預測

2.3.1 概述

目前礦山開采方式為露天開采，最低標高約為-340 m，設計未來-438 m水平標高轉(zhuǎn)井下開采，因此根據(jù)礦山不同開采方式對礦坑涌水量分別進行預測，露天開采預測至-438 m水平標高，井下開采預測水平為-678 m水平中段涌水量。

2.3.2 露天開采礦坑涌水量計算

1)充水因素分析

對于露天開采，其主要充水因素為大氣降水直接降落在露天采場上開口面積內(nèi)的水量、采坑外圍降水入滲量及各含水層中賦存的基巖裂隙水。

2)計算方法及公式的選擇

對于露天開采，開采下一個水平時，采坑的地表境界面積和坑底境界面積會發(fā)生變化，計算露天開采至-438 m水平標高的礦坑涌水量公式[2]：

(1)

式中：Q—預測-438 m水平采坑地下水涌水量，單位為立方米每天(m3/d)；Q0—目前開采水平采坑地下水涌水量，單位為立方米每天(m3/d)；F—預測-438 m水平采坑坑底境界面積，單位為平方米(m2)；F0—目前開采水平采坑坑底境界面積，單位為平方米(m2)；s—預測-438 m水平采坑地下水水位降深，單位為米(m)；s0—目前開采水平采坑地下水位降深，單位為米(m)。

3)計算參數(shù)的確定

根據(jù)相關(guān)資料成果，目前開采水平采坑地下水平均涌水量6 200 m3/d，圈定采坑坑底境界面積為55 000 m2,地下水位由原來的72.36 m標高下降至目前的-340 m水平標高，降深為412.36 m；預測-438 m水平采坑坑底境界面積為19 800 m2,預測水位降深至-438 m水平標高，降深為510.36 m。

4)計算結(jié)果

將計算參數(shù)分別帶入(1)式，求得露天開采-438 m水平礦坑正常涌水量Q=4 138.5 m3/d。

2.3.3 井下開采礦坑涌水量計算

1)充水因素分析

未來井巷開采的充水因素是基巖本身的裂隙水，主要賦存于構(gòu)造裂隙中,大氣降水通過第四系及基巖裂隙下滲間接補給，最終轉(zhuǎn)化為基巖裂隙水，水量較少。因此，未來井巷開采在做好露天采坑防滲的前提下的主要的直接充水因素應是基巖本身的裂隙水。

2)計算方法及公式的選擇

根據(jù)礦床水文地質(zhì)條件及井巷開采方式，未來礦山井巷開采選擇地下水動力學法中的“大井法”作為礦坑涌水量計算方法，承壓轉(zhuǎn)無壓完整井裘布依公式[2]：

(2)

式中：Q—計算井下開采礦坑涌水量(m3/d)；K—基巖裂隙水滲透系數(shù)(m/d)；M—含水層厚度(m)；s—水位降深(m)；r0—引用半徑(m)；R0—礦坑引用影響半徑(m)

3)計算參數(shù)的確定

(1)滲透系數(shù)K：對礦床內(nèi)施工鉆孔抽水試驗工作所獲得的滲透系數(shù)進行統(tǒng)計，取滲透系數(shù)平均值為0.015 m/d。

(2)含水層厚度M：據(jù)礦床水文地質(zhì)剖面揭露各含水層性質(zhì)并結(jié)合水文物探測井成果劃定的含水層厚度，綜合確定-678 m水平標高，含水層厚度為240 m。

(3)水位降深s：考慮到未來轉(zhuǎn)井下開采，預測-678 m水平標高，地下水水位由現(xiàn)狀-340 m水平標高降至-678 m水平標高，水位降深為338 m。

(4)礦坑的引用半徑r0

(3)

式中：P—坑底周長。

井下開采-678 m水平標高坑底周長為2 350 m，代入公式(3)，其引用半徑為374 m。

(5) 礦坑的引用影響半徑R0

4)計算結(jié)果

將計算參數(shù)代入公式(2)，求得井下開采-678 m水平礦坑涌水量Q=6 624.6 m3/d。

2.3.4 礦坑涌水量預測結(jié)果評價

計算露天開采至-438 m標高水平礦坑正常涌水量為4 138.5 m3/d，對于露天開采其主要補給源為大氣降水，豐水期其涌水量將大于預測正常涌水量；計算未來井下開采正常涌水量為Q=6 624.6 m3/d，值得說明的是本次計算參數(shù)主要收集利用以往礦山勘查報告成果資料，可為礦山未來開采排水與開采設計提供一定依據(jù)，未來礦山開采過程中，應對實際涌水量進行監(jiān)測，尤其降雨期間加強監(jiān)測頻率，依據(jù)同一礦山的實測涌水量數(shù)據(jù)，采用比擬法預測不同開采水平的涌水量更為合理。

2.4 礦區(qū)水資源綜合利用評價

為合理保護利用水資源，礦山生產(chǎn)用水可首先考慮礦坑排水，同時可利用礦山西側(cè)約1.0 km左右的大孤山小河，常年流水，豐水期大氣降水后一段時間內(nèi)水量增加明顯，但均不能作為生活飲用水資源，礦山生活飲用水已有自來水供應，礦山水資源大規(guī)模利用前應對區(qū)內(nèi)的地下水與地表水資源量與水質(zhì)經(jīng)過科學論證以滿足用水需求。

3 結(jié)語

通過對大孤山鐵礦床水文地質(zhì)條件進行分析，確定該礦床為以裂隙含水層充水為主的礦床，水文地質(zhì)條件屬中等類型,并對礦山不同開采方式下進行了涌水量預測，對礦山未來開采排水與開采設計提供一定依據(jù)。礦山未來開采過程中應嚴格遵循相關(guān)規(guī)范及設計，同時加強水文地質(zhì)觀測或監(jiān)測工作，不斷積累有關(guān)資料，為科學、合理、安全開發(fā)鐵礦資源提供依據(jù)。