肅南縣上白土灣子鐵礦水文地質(zhì)特征分析

摘要：上白土灣子鐵礦位于肅南裕固族自治縣（簡稱肅南縣），地處祁連山中西部，屬溫帶大陸性氣候區(qū)。礦床主要充水來源為頂、底板基巖裂隙水及構(gòu)造破碎帶裂隙水，水量貧乏，水文地質(zhì)條件和水文地質(zhì)勘探類型均屬簡單型。本文結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件，預(yù)測礦坑涌水量，然后提出礦坑涌水防治建議，以期為礦區(qū)生產(chǎn)提供基礎(chǔ)保障。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)；礦坑涌水量；防治；上白土灣子鐵礦；肅南縣

中圖分類號：P641.463 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.015

Abstract： The Shangbaituwanzi Iron Mine is located in Sunan Yugu Autonomous county （referred to as Sunan county）， in the central and western part of the Qilian Mountains， and belongs to the temperate continental climate zone. The main sources of water filling in the ore deposit are the fissure water in the top and bottom bedrock， as well as the fissure water in the structural fracture zone， and the water volume is poor， and the hydrogeological conditions and exploration types belong to the simple type. Based on the hydrogeological conditions of the mining area， this paper predicts the water inflow of the mine pit， and then proposes suggestions for the prevention and control of water inflow in the mine pit， in order to provide a basic guarantee for the production of the mining area.

Keywords： hydrogeology; water inflow of mine pit; prevention and control; Shangbaituwanzi Iron Mine; Sunan county

上白土灣子鐵礦位于祁連山中西部，地處肅南裕固族自治縣（簡稱肅南縣）祁豐藏族自治鄉(xiāng)。地形地貌為構(gòu)造剝蝕中高山，屬高山區(qū)，山勢巍峨，海拔在3 000～4 300 m，高差在800～1 000 m，地形陡峻，切割較深。礦區(qū)周邊海拔4 500 m以上為現(xiàn)代冰川發(fā)育區(qū)，現(xiàn)代冰川和古冰川的寒冬風(fēng)化及強(qiáng)烈剝蝕導(dǎo)致地貌多樣[1]。礦區(qū)屬溫帶大陸性氣候區(qū)，干旱、多風(fēng)且少雨。冬季寒冷，冰凍期為9月至次年4月，年降雨量為205.3 mm，一般集中在6—8月，年蒸發(fā)量為2 371.5 mm。礦區(qū)主徑流為北大河，發(fā)源于托菜南山，上游主要支流為朱龍關(guān)河和柳溝泉河，以冰溶水和山泉河水為主，自南向北由礦區(qū)東側(cè)流過，最大流量為19.557 m3/s，最小流量為2.89 m3/s，平均流量為12.83 m3/s，向北流入酒泉盆地。北大河集水面積為4 502 km2，地表徑流量為3.42億m3，冰川面積為108.4 km2，徑流模數(shù)為57.7，冰溶水量為0.53億m3，冰溶水補(bǔ)給比例為15.6%，水量和水質(zhì)完全滿足礦山生產(chǎn)和生活用水要求。礦區(qū)大部分地段基巖裸露，少部分地段被土體覆蓋。土壤類型以棕鈣土為主。礦區(qū)總體地勢南高北低，地勢較為陡峭，最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高為2 775 m，礦體均分布于最低侵蝕基準(zhǔn)面以上，地形地貌有利于地下水的自然排泄。礦區(qū)地形較陡，平均坡角約為48°，6—7月降雨量相對較多，礦區(qū)周邊多見泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

礦區(qū)大地構(gòu)造處于中祁連褶皺帶[2]，屬柳溝峽-九個青羊元古宙、加里東期Cu、Fe、Au、Pb、Zn、W、Mo（Cr）成礦帶。除零星第四系外，出露地層均為長城系樺樹溝組。區(qū)內(nèi)侵入巖不發(fā)育，僅見石英脈。礦區(qū)構(gòu)造以斷裂與褶皺為主，具有明顯的斷夾塊。區(qū)內(nèi)巖石整體破碎，產(chǎn)狀變化較大，變形程度具南強(qiáng)北弱特征。礦區(qū)內(nèi)長城系樺樹溝組對礦體起控制作用[3]，長城系樺樹溝組是由一套低綠片巖相千枚巖構(gòu)成的復(fù)式向斜構(gòu)造，走向為145°～325°，自東南向西北傾伏，傾伏角為15°～30°。礦區(qū)共圈定3個礦體，分別為FeⅠ、FeⅡ、FeⅢ，鐵礦層賦存于長城系樺樹溝組灰綠色千枚巖與黑灰色千枚巖之間，礦層與圍巖總體的走向為325°，礦體南北斷續(xù)出露850 m左右，呈層狀、似層狀，礦體平均厚度為2.15～13.56 m，斜深為50～294 m，總鐵（TFe）平均品位在30.41%～43.99%。礦石自然類型為碧玉鏡鐵礦和碧玉菱鐵鏡鐵礦，各類型礦石相互漸變，無明顯的界線，以碧玉菱鐵鏡鐵礦為主。礦石工業(yè)類型為弱磁性鐵礦石。礦石金屬礦物主要為鏡（赤）鐵礦，占90%以上，其次有少量菱鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦和黃鐵礦等，脈石礦物以石英、重晶石和鐵白云石為主，其次有斜長石、方解石、絹云母和綠泥石，副礦物有白鈦石、電氣石和鋯石等。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水埋藏條件和水力性質(zhì)，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)特征，確定礦區(qū)地下水為基巖裂隙水。含水層巖性主要為長城系樺樹溝組灰綠色千枚巖、灰黑色千枚巖、千枚巖型赤鐵礦，其裂隙水含水極為不均，裂隙發(fā)育程度一般隨深度增加而逐漸減弱，裂隙多呈閉合狀，被碳酸鹽及泥質(zhì)等充填。根據(jù)已施工的鉆孔和巷道水文地質(zhì)觀測，區(qū)內(nèi)靜止水位標(biāo)高為2 986.53～3 001.52 m，最大水位降深為45.82 m，單井最大涌水量為4.25 m3/d，滲透系數(shù)為0.005 6 m/d，單位涌水量為0.001 L/（s·m）。水質(zhì)較差，礦化度為1.10 g/L，水化學(xué)類型為SO4-Ca·Mg型，屬微咸水。

1.1 礦區(qū)地下水補(bǔ)徑排條件

大氣降水與地下徑流是礦區(qū)地下水的主要來源[4]，降水形成后排入礦區(qū)沖溝內(nèi)。沖溝內(nèi)坡降較大，降水快速排入北側(cè)沖溝內(nèi)，地下水總體流向為自東向西，部分地段在礦區(qū)北側(cè)沖溝進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，沿裂隙、溶隙及構(gòu)造破碎帶緩慢徑流。礦區(qū)地下水排泄方式主要有泉、地下徑流及蒸發(fā)[5-6]。

1.2 礦區(qū)地下水動態(tài)特征

礦區(qū)地勢陡傾，淺層地下水接受大氣降水、冰雪融水等滲入補(bǔ)給。淺層地下水動態(tài)特征主要隨季節(jié)變化，一般來說，4—7月地下水位處于上升階段，8月以后，地下水位逐漸下降，10月中旬以后隨地表河流結(jié)凍，至翌年5月解凍。

1.3 礦區(qū)地下水的化學(xué)性質(zhì)及水質(zhì)評價

礦區(qū)地下水為基巖裂隙水，水化學(xué)類型為SO4-Ca·Na型，總含鹽量為1.1 g/L，pH為8.46，其地下水質(zhì)量為Ⅴ類，水質(zhì)較差，屬弱堿性水與微咸水。

1.4 礦區(qū)水文地質(zhì)勘查類型

勘查區(qū)礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，礦區(qū)內(nèi)無地表水體。礦床主要充水含水層的補(bǔ)給條件差，很少或無第四系覆蓋，水文地質(zhì)邊界條件簡單，屬少水或無水礦床，因此確定勘查區(qū)水文地質(zhì)條件簡單。

2 礦坑涌水量預(yù)測

2.1 礦床充水因素分析

礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高為2 775 m，位于討賴河河谷，礦區(qū)礦體高程一般為3 022～3 579 m，礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，與附近地表水體、第四系松散層孔隙潛水的水力聯(lián)系不密切，不構(gòu)成礦床的主要充水因素。礦床主要充水來源為頂、底板基巖裂隙水及構(gòu)造破碎帶裂隙水，通過裂隙及構(gòu)造破碎帶導(dǎo)水，水量較貧乏，單井涌水量一般小于10 m3/d。根據(jù)礦床主要含水層充水特征，礦床充水方式為直接充水，它屬裂隙充水礦床[3]。

礦區(qū)地下水對礦床開采的影響取決于圍巖透水性及礦體富水性，礦體圍巖主要為千枚巖，裂隙發(fā)育一般隨深度減弱，溶隙多被泥質(zhì)及碳酸鹽等充填。礦體圍巖滲透性差，補(bǔ)給條件相對較差，水量貧乏，以容積儲存量為主。礦體堅硬，裂隙發(fā)育程度較差，以微裂隙為主，缺乏足夠的儲水空間，富水性較差。結(jié)合相鄰礦區(qū)資料，分析認(rèn)為，基巖裂隙水對礦床開采的影響不大，但受勘查程度的影響，不排除礦區(qū)局部富水的可能性。

2.2 礦坑涌水量預(yù)測

礦區(qū)內(nèi)靜止水位標(biāo)高為2 986.53～3 001.52 m，大部分礦體位于地下水標(biāo)高之上，采用大井法進(jìn)行礦坑涌水量計算。

2.2.1 水文地質(zhì)參數(shù)計算

為近似求得礦體含水裂隙的滲透系數(shù)，將礦區(qū)地下水模型概化。簡單來說，含水層為等厚均質(zhì)各向同性無限延伸，視抽水試驗井為完整井，流向試驗井的地下水流視作平面流，地下水類型為潛水。建立裘布依穩(wěn)定潛水井流模型，采用迭代法，利用式（1）和式（2）求潛水完整井滲透系數(shù)。根據(jù)鉆孔提水試驗資料，經(jīng)計算，滲透系數(shù)為0.005 6 m/d。

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；Q為出水量，m3/d；H為潛水含水層底板以上水頭高度，m；Sw為試驗水位降深，m；R為疏干含水層時的影響半徑，m；r為試驗鉆孔半徑，m。

2.2.2 大井法預(yù)測礦坑地下水涌水量

為便于計算礦坑涌水量，仍將礦區(qū)地下水模型概化。簡單來說，含水層為等厚均質(zhì)各向同性無限延伸，視開拓井巷為完整井，流向井巷的地下水流視作平面流，地下水類型為潛水。以疏干含水層為最大水位降深，采用大井法，按照式（3）對礦坑地下水涌水量進(jìn)行預(yù)測。其中，含水層厚度為鉆孔靜止水位標(biāo)高與礦體最低開采標(biāo)高之差；預(yù)測水位最大降深采用疏干水位；引用影響半徑采用式（4）計算；大井引用半徑采用式（5）計算；基坑長度取礦體開采長度；疏干含水層時的影響半徑采用式（2）計算，為64.15 m。開采礦體在地面的垂直投影近似為長條形。開采礦體長為486 m，寬為16 m，礦體呈層狀。水位降至含水層底板，經(jīng)計算，礦坑地下水最大涌水量為134.67 m3/d。

式中：Qt為預(yù)測礦坑地下水涌水量，m3/d；H0為含水層厚度，取56.85 m；Smax為預(yù)測水位最大降深，取56.85 m；R0為引用影響半徑，取185.65 m；r0為大井引用半徑，取121.50 m；S為基坑長度，取486 m。

3 結(jié)論

上白土灣子鐵礦要因地制宜，結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件，做好礦坑涌水防治。一是落實開采排水。根據(jù)礦坑涌水預(yù)測，地下水埋藏深，其靜止水位標(biāo)高為2 986.53～3 001.52 m，開采至2 940～3 000 m的標(biāo)高時，礦坑最大涌水量為134.67 m3/d，排水量按15 m3/h設(shè)計，為保證安全，按1用1備設(shè)置排水設(shè)施。二是建立雨季預(yù)警機(jī)制。勘查區(qū)內(nèi)無地表水體，僅在雨季有短暫地表徑流。開采方式為露天開采，勘查區(qū)降水量較小，但降雨集中，露天采坑一旦形成積水且不能及時排出，有可能威脅采礦生產(chǎn)安全。為了防止雨季露天采坑發(fā)生事故，要及時掌握暴雨與洪水預(yù)警信息，暴雨預(yù)警信息發(fā)布后，應(yīng)立即組織撤出人員及設(shè)備。雨季來臨前，對露天采坑排水設(shè)備進(jìn)行檢修，保證雨季排水工作正常。三是尋找地表水作為礦山工業(yè)、生活用水水源。礦區(qū)地處祁連山中高山區(qū)，礦區(qū)基巖裂隙水水量有限，其硫酸鹽及溶解性總固體嚴(yán)重超標(biāo)，水質(zhì)極差，不能直接作為飲用水，距礦區(qū)西1.7～2.5 km的討賴河常年有水，礦化度為0.376 g/L，水質(zhì)良好，屬淡水，可作為生活用水、生產(chǎn)用水。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-01-16

作者簡介：苗琳（1981—），女，甘肅白銀人，碩士，工程師。研究方向：水工環(huán)地質(zhì)。