中關鐵礦地下水化學組分演變特征分析

龐旭靜 楊智淇 王俊鵬

(華北理工大學礦業工程學院,河北 唐山 063200)

我國是世界上最早開發利用礦產資源的國家之一,礦產資源開發利用歷史久遠,但礦井水文地質條件極為復雜,開采時深受礦井水害的威脅。為減少突水、涌水事故發生的概率,對區域地下水水化學組分演變特征進行分析,有助于判斷礦井涌水水源。中關鐵礦為隱伏式接觸交代型礦床,屬于我國常見的矽卡巖型礦床。礦體賦存在侵入巖與中奧陶統灰巖的接觸帶內及其附近的灰巖中。發育在百泉巖溶水系統北洺河到泉群泄水區的強徑流帶上,奧陶系灰巖地下水徑流總體上受區域地下水徑流控制,礦床的各含水層之間存在著一定的水力聯系。隨著對礦體采掘進度的不斷增加,地下水水化學類型發生了變化[1]。通過對中關鐵礦地下水水化學類型進行聚類分析,根據常規離子的時間變化情況分析水化學演變特征,綜合評價鐵礦區地下水的補給條件,為礦山安全高效開采提供科學依據。

1 研究區概況

中關鐵礦位于河北省沙河市中關村與上關村之間,主要發育有F1、F2和F3三條斷層,F1縱貫礦床西部,F2和F3大部分發育在帷幕圈內部,見圖1。通過對中關鐵礦地層分布和矽卡巖礦床成礦過程的分析,按從上到基巖底部劃分為15層:Ⅰ—第四系,Ⅱ—石炭-二疊系,Ⅲ—灰巖層1,Ⅳ—上層破碎帶,Ⅴ—灰巖層2,Ⅵ—下層破碎帶,Ⅶ—灰巖層3,Ⅷ—礦體Ⅰ-1上,Ⅸ—灰巖層4,Ⅹ—礦體Ⅰ-1下,Ⅺ—灰巖層5,Ⅻ—礦體Ⅰ-2,—矽卡巖帶,—蝕變閃長巖,ⅩⅤ—未蝕變閃長巖體,見圖2。石炭-二疊系地層和奧陶系灰巖層中部的上、下兩層破碎帶透水性較差,為相對隔水層;奧陶系灰巖與第四系地層直接接觸,破碎帶分布在奧陶系灰巖中部和上部,兩層分別發育在和與交界處,具有一定的阻水性;礦體主要位于奧陶系灰巖下部,主要發育在中,底部的閃長巖基底基本不導水,為相對隔水層,其表層的閃長巖蝕變帶,具有一定的導水性[2-3]。根據巖性、成礦過程分析,劃分出上奧灰、下奧灰、巖體頂部裂隙三個含水組,破碎帶、礦體、矽卡巖為弱透水層的含水系統。奧灰巖含水層作為礦區重要的含水層,在整個礦區范圍內均有分布,具有厚度大、分布廣、導水性好的特點,礦區奧陶系灰巖含水層的產狀總體趨勢為走向NNE或NE,傾向SE,傾角為10°～20°。

圖1 中關鐵礦礦區基巖地質圖

圖2 4～5號勘探線水文地質剖面圖

2 采樣與測試

2020年10月,在該鐵礦的-170m工作面采水樣14個,-230m工作面采水樣14個,-245m工作面采水樣11個,總計39個;2021年7月,在該鐵礦的-170m工作面采水樣15個,-230m工作面采水樣15個,-245m工作面采水樣9個,總計39個。用500mL聚乙烯塑料瓶裝水樣,進行密封以方便帶回實驗室進行常規離子檢測。

3 測試結果與分析

3.1 水樣聚類分析

SPSS中的聚類分析法是劃分樣品不同類別的方法,依據水質數據指標的相似性來對所采集樣品進行分類。聚類是將數據按照一定的準則劃分為若干類別或簇,使得類別之間的差異性隨著一個類別內的相似性越大而越大[3-4]。

圖3 2020年的37個水樣個案聚類分析結果

圖4 2021年的30個水樣個案聚類分析結果

3.2 水化學類型分析

圖5 聚類分析分為三類出水點的Piper三線圖

3.3 常規離子濃度時間變化

圖6 2020—2021年三類水陽離子濃度對比

圖7 2020—2021年三類水陰離子濃度對比

3.4 離子濃度與TDS之間的關系

圖8 2020—2021年主要離子濃度與TDS關系

礦區奧灰水、混水與巖體水溶解性總固體(TDS)與主要陽離子的濃度關系圖由圖8(a)和圖8(c)分析得出[10-11],Na+、K+、Ca2+和Mg2+離子濃度與TDS呈正相關。隨著TDS數值的增加,Ca2+和Mg2+離子濃度迅速增加,其增加速度比Na+和K+的快。Ca2+離子濃度越高,TDS的值越大[12]。說明各種巖性含水層中水-巖相互作用過程主要是Ca2+和Mg2+離子的礦物溶解。

可以初步認為,礦區奧灰水、混水與巖體水的水-巖相互作用過程從以碳酸鹽巖溶解為主轉為以硫酸鹽巖溶解為主。

4 結 語

鐵礦在開采時易受礦井水害的威脅,因此要注意控制和調整鐵礦的開采程度,合理制 定防治水措施,減少突水、涌水事故發生的概率,加強安全教育,保障礦山安全生產,充分發揮地表水與地下水的相互補給作用,并在此基礎上進一步完善地下水資源管理制度以及礦山安全生產管理制度,嚴格按照相關規定進行鐵礦區開采。