南芬露天鐵礦水文地質特點及滲流研究

李蘭彬 高毓山

（本溪鋼鐵（集團）礦業有限責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，沒有對生產帶來影響。但是現在已經由山坡露天開采轉為凹陷開采，露天礦的水已影響到生產計劃的執行，特別是開溝，由于此水平水量大，穿鑿后炮孔出現坍塌、達不到設計深度等問題，給爆破帶來不小的麻煩，造成開溝進度慢、穿區規模小，底板水平不平整給后續生產也帶來很大困難。所以，研究露天礦的水文地質已成為當前的緊迫任務，對露天礦的水文地質特點進行總結，利用現有的炮孔內水文數據，確定目前掏溝穿區的單寬流量和滲流浸潤線，為排水提供相關數據，確定排水方案。

1 水文地質與工程地質概況

1.1 水文概況

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

1.2 工程地質概況

南芬露天鐵礦礦床類型為鞍山式沉積變質鐵礦床，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組更為發育。下盤礦巖中的層、節理、裂隙在三維方向都較發育，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（沿臺階走向）間距平均為33～42 cm，最大為60～130 cm；坡向（沿臺階傾向）間距平均為33～40 cm，最大為50～120 cm。

2 水文地質特點

南芬露天礦巖石較堅硬，順坡向節理、片理發育，局部有軟弱夾層。巖石裂隙發育的地方透水性強，含水也多；裂隙不發育的地方透水性弱，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別。所以，南芬礦的地下水為基巖地下水，有以下特點。

（1）巖石中各種大大小小的裂隙或孔洞互相切割、交叉，構成疏密不同的裂隙網脈或孔洞孔隙帶。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“大動脈”，其中地下水豐富且流動快；而細微的小裂隙甚至劈理就像“微血管”，水量小，流動也慢。因此，不能簡單籠統地把某一地層當作均勻的含水介質來看待。

（2）基巖裂隙含水層是不規則的，沒有比較固定的模式。基巖裂隙水的含水（帶）完全受各種裂隙發育產狀的控制［2］。除風化裂隙水一般屬層狀外構造裂隙水和接觸帶裂隙水的產狀是極其不規則的，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）的空間介質是均勻的。基巖裂隙的大小、形狀是受地質構造條件和地貌條件的控制。基巖含水層的形態是多種多樣的，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（或空間）的復雜形態，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比松散巖層孔隙水復雜得多。

（3）基巖裂隙帶脈狀含水層埋深大，但地下水的儲量不大。基巖裂隙水的動力性質不同于第四系均質孔隙水，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一的地下水位有時呈無壓和承壓交替出現運動狀態比較復雜有層流也有紊流。這些都是由巖石裂隙和孔洞的特殊形態和分布特點決定的。在采場內出現規模較大的2條斷層附近的炮孔中水孔比例較高，但也有干孔，證明了這一結論。

3 基巖裂隙水滲流計算

基巖裂隙水在孔隙介質中的流動稱為滲流，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，其內部包含著許多互相連通的孔隙或裂隙的物質，稱為孔隙介質［3］

3.1 緩變滲流的基本微分方程

緩變滲流的基本關系是杜皮幼公式：

式中，h為滲水水深，m；z0為鉛直距離，m；k為滲流系數，m/s；H為滲流水深h與不透水層面至基準面之間的鉛直距離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。取基準面O-O及任意2個相距為ds的過水斷面1及2。可得出：

底坡計算公式為

故

代入達西定律得

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，滲流流速水頭可以忽略不計［4］，因而滲流的斷面單位能量E i在數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、平坡和負坡3種［5］。就正坡來說，可發生均勻滲流，既存在一個均勻滲流水深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b區，對于平坡，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時的浸潤線方程，它表明浸潤線是一條二次拋物線。當已知l,k,h1,h2時，就可以求得單寬流量q。

4 集水量計算

在露天礦現場，在14 m深的炮孔中實測的水文資料見表1。表1中數據與圖1中浸潤線形狀在理論上相吻合。

?

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

一般開溝穿區的寬度為40 m，則在此處設立集水坑排水泵站，其每天的單側集水量Q=qw=1 624 m3/d，總集水流量2Q=3 248 m3/d。那么根據全年總補給量、蒸發量和每天集水量，就可以計算出理論上每年需要排水的天數T=380 d。所以，在露天礦設立至少2個泵站，每個泵站的要求為每天的總排水量不低于3 284 m3，每個泵站的直達工作日為190 d。在設立2臺水泵的情況下，每臺每天工作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，此數據為露天礦合理設立泵站提供了理論依據和實際數據。

5 結 語

目前，每年6—9月，在露天礦設立6個大泵站和2個小泵站，大泵型號為YQ900-240，每小時排水900 m3；小泵型號為YQ200-240，每小時排水200 m3。在其他時間，只設立2臺YQ200-240型小水泵，已經能夠滿足露天礦排水需要，保證了每年開溝的順利進行。