張航泊,范軍峰,石 衛(wèi)
(陜西省地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710016)
柞水縣大西溝鐵礦露天采場(chǎng)涌水量預(yù)測(cè)探討
張航泊,范軍峰,石 衛(wèi)
(陜西省地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710016)
礦山開采過程中勢(shì)必會(huì)影響礦區(qū)及周邊地下水水位、水資源量,從礦區(qū)所處的水文地質(zhì)環(huán)境背景著手,通過分別采用大井法和降水入滲系數(shù)法,對(duì)擬建露天采場(chǎng)涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
鐵礦;大井法;涌水量;預(yù)測(cè)
柞水縣大西溝鐵礦是全國(guó)特大型菱鐵礦床之一,擁有鐵礦石儲(chǔ)量3.02億 t,占陜西省鐵礦石總儲(chǔ)量的 47.6%,位于柞水縣城以東的小嶺鎮(zhèn)境內(nèi),陜西龍鋼集團(tuán)欲對(duì)其開發(fā)利用。礦山采取露天開采方式,采口上口尺寸(長(zhǎng)×寬)1 840 m×1 100 m,下口尺寸(長(zhǎng) ×寬)330 m×260 m,垂直開采深度達(dá)492 m,服務(wù)年限31 a。礦山開采后將形成一個(gè)上大下小、底部向北東方向傾斜的不規(guī)則大坑,體積約1.6億 m3。礦山的開采,勢(shì)必會(huì)造成周邊地下水位的下降,排出的廢水對(duì)下游地下水和地表水造成一定的污染,其污染程度取決于礦坑污水水質(zhì)和涌水量的大小,因此對(duì)礦坑內(nèi)涌水量的預(yù)測(cè)顯得尤為重要。本文即從礦山的水文地質(zhì)環(huán)境背景著手,對(duì)礦山開采期涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。
大西溝鐵礦位于秦嶺南麓中部,屬中低山區(qū),地形復(fù)雜,下切作用強(qiáng)烈,地勢(shì)陡峭,溝谷發(fā)育,屬構(gòu)造侵蝕地貌。一般高程介于1 000~1 600 m之間,最高點(diǎn)1 857.5 m,位于礦區(qū)西北部,最低點(diǎn)位于大西溝出口與車篷溝交匯位置,高程1 000 m左右,地形總體呈現(xiàn)為西高東低(圖1)。
礦區(qū)地處暖溫帶間涼亞熱帶南北過渡氣候區(qū),具有季風(fēng)性氣候特點(diǎn),四季分明,因地形閉塞和局地環(huán)境影響,多年平均降水量在750 mm左右,主要集中在7-9月。礦區(qū)河流均屬長(zhǎng)江流域漢江水系的支流金錢河上游,北部為大西溝,東部為車篷溝,均為常年性河流,其中大西溝在礦區(qū)北東部流入車篷溝河,多年日平均徑流量為436.5 m3/d。
礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上位于秦嶺造山帶北部,華南板塊被動(dòng)大陸北緣,劉嶺前陸盆地與鳳縣 -鎮(zhèn)安陸緣斜坡帶之間,褶皺和斷裂不太發(fā)育,地層出露單一,主要為泥盆系中統(tǒng)青石埡組(D2Q),傾向北東、傾角20°~45°的單斜巖層,巖性為淺灰色中-薄層粉砂巖、含鈣粉砂巖夾粉砂質(zhì)板巖、灰?guī)r和灰 -深灰色絹云母板巖與粉砂質(zhì)板巖,菱鐵砂礦及多金屬礦即賦存于絹云母與粉砂質(zhì)板巖(D2Q l)之中。
圖1 礦區(qū)地形地貌及礦體剖面簡(jiǎn)圖
礦區(qū)地層出露單一,巖性主要為淺變質(zhì)的絹云母板巖與粉砂質(zhì)板巖,依含水層介質(zhì)及賦存條件,礦區(qū)地下水類型屬變質(zhì)巖類基巖裂隙含水巖組。據(jù)礦區(qū)勘探資料,總體上巖層富水性微弱,垂向上富水性差異亦較大。地下水主要賦存于上部強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙和局部的構(gòu)造破裂帶內(nèi),礦體以下富水性極弱,局部地段具有弱承壓性。單井涌水量 24.54 ~51.24 m3/d,水位降深 11.51 ~11.80 m,滲 透 系 數(shù) 介 于 0.000 47 ~ 0.144 6 m/d,平 均 為0.012 08 m/d,單位涌水量 0.168 ~20.045 m3/d·m,給水度為 0.001 9,地下徑流模數(shù)為 151.03 m3/d·km2,屬弱富水區(qū)。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給,多以侵蝕下降泉的形式出露,不同地層出露區(qū)流量有差別,一般是礦區(qū)南部為 0.01 ~0.2 L/S,中部為 0.1 ~0.2 L/S,最大1.0 L/S,北部為 0.039 ~0.794 L/S。
隨著礦山開采的不同程度,礦體開挖及礦坑排水所引起的地下水漏失,會(huì)形成不規(guī)則的敞口漏斗,造成坑周含水巖組地下水位的下降,進(jìn)而影響到原有的地下水均衡。開采期間不同時(shí)段礦坑內(nèi)地下水涌水量可選用大井法進(jìn)行預(yù)測(cè)。其計(jì)算采用裘布依公式:
式中:Q為礦坑涌水量(m3/d);K為含水層滲透系數(shù)(m/d);H為礦坑含水層厚度(m);S為礦坑涌水水位降深(m);R為礦坑涌水影響半徑(m);r0為礦坑引用半徑(m)。
經(jīng)計(jì)算,不同開采年份不同深度下礦坑涌水量見下表1。
表1 大井法礦坑涌水量計(jì)算表
礦區(qū)西部及西南部分位于分水嶺,主體位于大西溝流域內(nèi)。流域內(nèi)降水一部分蒸發(fā)或?yàn)橹脖唤亓?,一部分形成地表徑流,其余部分?jīng)地表入滲補(bǔ)給地下水。
結(jié)合水均衡原理,在收集流域內(nèi)多年降水資料的基礎(chǔ)上,本文同時(shí)采用降水入滲系數(shù)法對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算,見公式(2)。
式中:Q為礦區(qū)某一范圍內(nèi)降水滲入補(bǔ)給量(m3/d);α為大氣降水入滲系數(shù);W為礦區(qū)年降水量(mm);Ai為開采影響范圍內(nèi)匯水面積(km2)。
經(jīng)計(jì)算,不同年份不同開采深度下礦坑涌水量見表2。
表2 降水入滲系數(shù)法礦坑涌水量預(yù)測(cè)表
從兩種方法預(yù)測(cè)結(jié)果來看,大西溝鐵礦露天采場(chǎng)運(yùn)行期隨著礦坑深度的增加,礦坑涌水量亦呈上升趨勢(shì),但大井法預(yù)測(cè)涌水量隨深度增加較大,而降水入滲系數(shù)法預(yù)測(cè)涌水量隨深度增加很小,主要?dú)w結(jié)于隨著礦坑深度的增加,含水層滲透系數(shù)一般呈遞減趨勢(shì),地下水流場(chǎng)已不符合裘布依穩(wěn)定流基本條件。從資料來看,秦嶺山區(qū)地表基巖風(fēng)化比較強(qiáng)烈,主要分布于地表下50~70 m以淺范圍內(nèi),屬?gòu)?qiáng)風(fēng)化帶,裂隙發(fā)育,有利于地下水的賦存和徑流,屬地下水強(qiáng)循環(huán)帶,空間上相對(duì)富水性好;而地表下50~70 m以深,巖體完整性好,不易風(fēng)化,節(jié)理裂隙不發(fā)育,不利于地下水的賦存和徑流,屬地下水弱循環(huán)帶,相對(duì)富水性差。即礦坑涌水量主要來自于地表強(qiáng)風(fēng)化帶之內(nèi),深部涌水量極少,應(yīng)用大井法預(yù)測(cè)深部涌水量誤差較大。另外從大西溝多年長(zhǎng)觀資料來看,地表水枯水季節(jié)多年日平均徑流僅為436.5 m3/d,大西溝鐵礦的開采,地表上造成分水嶺向外部位移,集水面積增大,另一方面礦坑深度增大,涌水影響半徑亦增大,地面下造成地下水分水嶺向外圍擴(kuò)展,產(chǎn)生地下水襲奪現(xiàn)象,礦坑涌水量增大。但隨著開采深度的進(jìn)一步加深,深部地下水主要來源于構(gòu)造裂隙或?qū)娱g裂隙,涌水量極為有限,礦坑涌水量將會(huì)基本上趨于一穩(wěn)定值,影響范圍也將處于一定的范圍內(nèi),不會(huì)隨礦坑的加深進(jìn)一步擴(kuò)大。
1)礦坑涌水量計(jì)算是礦床水文地質(zhì)勘查中一項(xiàng)重要而復(fù)雜的工作,計(jì)算方法有多種。本實(shí)例中,采用大井法和降水入滲系數(shù)法分別對(duì)不同開采時(shí)段礦坑內(nèi)地下水涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。從預(yù)測(cè)結(jié)果來看基于裘布依穩(wěn)定流的大井法在礦坑深度較淺時(shí)涌水量計(jì)算效果較好,隨著礦坑深度的增加,水文地質(zhì)條件已不符合裘布依理論計(jì)算的條件,涌水量計(jì)算誤差較大;而降水入滲系數(shù)法相對(duì)較能真實(shí)的反映淺部礦坑涌水量大小,而對(duì)礦坑深部地下水涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算誤差相對(duì)較大。
2)由于礦床水文地質(zhì)的復(fù)雜性,對(duì)礦坑涌水量預(yù)測(cè),應(yīng)結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)特征,從地下水均衡的角度綜合考慮,正確分析和概化水文地質(zhì)條件,最終的涌水預(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)符合客觀實(shí)際。
[1]陜西省冶金勘探公司714隊(duì).陜西省柞水縣大西溝鐵礦床地質(zhì)勘探總結(jié)報(bào)告書[R].1974.12.
[2]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境(HJ610-2011).
[3]陳明佑,等.礦坑涌水量計(jì)算方法研究[M].武漢:武漢地質(zhì)學(xué)院出版社.1985.
[4]陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局.區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告(石嘴子幅-I-49-87-A、鳳凰咀幅 -I-49-87-B)[R].1990.
S275.9
A
1004-1184(2012)05-0042-02
2012-06-14
張航泊(1983-)男,陜西乾縣人,碩士研究生,主要從事環(huán)境地質(zhì)工作。