楊春發(fā)　王亞軍

(1.福建東辰綜合勘察院,福建福州　350005;2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,湖北武漢　430074)

燕青鐵礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)

楊春發(fā)1王亞軍2

(1.福建東辰綜合勘察院,福建福州350005;2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,湖北武漢430074)

介紹了燕青鐵礦的基本情況和礦床水文地質(zhì)條件,并分析了礦區(qū)含水層情況及礦床充水條件。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)礦區(qū)不同含水層分別采用地下水動(dòng)力學(xué)法和水文地質(zhì)比擬法進(jìn)行了礦坑涌水量預(yù)測(cè),為礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

礦坑涌水量水文地質(zhì)條件燕青鐵礦

礦坑涌水量是礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)部門(mén)制定疏干措施和確定排水設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，礦坑涌水量的預(yù)測(cè)直接影響礦山生產(chǎn)安全。目前，計(jì)算和分析礦坑涌水量的方法眾多，主要有比擬法、大井法、水均衡法、涌水量曲線方程法、數(shù)值模擬法、電網(wǎng)模擬法等[1，2]。在實(shí)際預(yù)測(cè)礦坑涌水量時(shí)，需要依據(jù)具體的礦山地質(zhì)環(huán)境條件來(lái)選擇適合的預(yù)測(cè)方法。本文針對(duì)河北省武安市下水頭燕青鐵礦的不同含水層分別采用不同的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，為該新建礦山防治水方案提供依據(jù)和參考。

1　礦山概況

武安市下水頭燕青鐵礦位于河北省武安市礦山鎮(zhèn)下水頭村南偏東400m，處于邯邢礦山管理局馬甲腦鐵礦南偏東1km左右，礦區(qū)面積0.105km2。礦區(qū)位于太行山南段低山丘陵區(qū)，總體地勢(shì)西高東低，地面標(biāo)高450m～300m，相對(duì)高差100多米，礦床附近地段地形南高北低。

該鐵礦利用前人施工三個(gè)地質(zhì)孔圈定一個(gè)隱伏礦體(圖1)，礦體走向北西西，其長(zhǎng)度約175m，傾向西南，寬約55m。鐵礦體賦存于奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r與燕山期閃長(zhǎng)巖接觸帶中，為接觸交代矽卡巖型鐵礦床，礦體賦存最低標(biāo)高-50m。探明經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)儲(chǔ)量(122b)2.8×105t，礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)礦石3.5×104t，屬于小型礦山。

2　礦床水文地質(zhì)條件

2.1礦床地質(zhì)

根據(jù)礦床地段鉆孔揭露(圖2)，礦區(qū)分布地層依次為第四系上更新統(tǒng)(Q3)，巖性為黃土狀粉質(zhì)粘土;奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r(O2)，主要為上馬家溝組第二段灰?guī)r，巖性為大埋巖、結(jié)晶灰?guī)r;閃長(zhǎng)巖(δ)，中生代燕山期中淺相巖漿巖。巖性為閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)玢巖、蝕變閃長(zhǎng)巖。

圖1　下水頭燕青鐵礦平面圖

表1　系數(shù)η值參考表

奧陶系灰?guī)r產(chǎn)狀，走向北東，傾向南東，火成巖體主要沿順層侵入灰?guī)r。剖面上呈多層狀或分叉狀分布(圖2)，平面上看似捕擄體或殘留體形式分布，實(shí)際上它們之間有這樣或那樣的聯(lián)系?？傮w上，礦床地段灰?guī)r埋藏深度自西向東逐漸增大，燕青鐵礦床分布于閃長(zhǎng)巖體中部。礦體賦存于奧陶系中統(tǒng)與閃長(zhǎng)巖接觸帶，主要礦體分布標(biāo)高為-4m～-41m，礦體底板為閃長(zhǎng)巖，頂板為灰?guī)r。

2.2礦區(qū)含水層

礦區(qū)含水層分為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層和閃長(zhǎng)巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙含水帶。

2.2.1奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層

根據(jù)距礦床北300m的下水頭村供水井資料，該井水位埋深230m(停泵幾天觀測(cè)水位)，水位標(biāo)高70m。依此作為礦床地段灰?guī)r地下水位計(jì)算，礦床地段上段灰?guī)r不含水，下段灰?guī)r含水層底板標(biāo)高55m，其厚度70m左右。

2.2.2閃長(zhǎng)巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙含水帶

在深部閃長(zhǎng)巖體一般不含水，受構(gòu)造作用形成構(gòu)造裂隙含水，但含水不均一。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦床附近的幾個(gè)礦山鑿進(jìn)火成巖的坑道、豎井遇到裂隙呈小股水流涌出或滴狀涌水。礦床附近閃長(zhǎng)巖水位標(biāo)高200.72m，高于灰?guī)r地下水位100多米。

3　礦床充水條件分析

3.1礦床開(kāi)采條件

礦體為隱伏礦體，主要賦存于下層灰?guī)r與閃長(zhǎng)巖接觸帶中，為接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床。礦體分為上下兩段，上段礦體埋深255. 4m～258.00m，分布標(biāo)高89.6m～87.0m，礦層厚度2.6m，頂板為閃長(zhǎng)巖，底板為灰?guī)r;下段礦體埋深341.0m～378.0m，分布標(biāo)高-4m～-41.00m，礦層厚度37.0m，為主要開(kāi)采礦層。

開(kāi)拓系統(tǒng)由主井、風(fēng)井和巷道等組成。主井由地表掘至-50m標(biāo)高，主井兼做進(jìn)風(fēng)井。風(fēng)井由地表掘至0m標(biāo)高。礦山在0m、-50m水平設(shè)生產(chǎn)運(yùn)輸巷道，該巷道與主井連通。在0m、-50m水平設(shè)回風(fēng)巷與風(fēng)井相連通，形成完整的運(yùn)輸、通風(fēng)系統(tǒng)。

落礦方式為淺孔鑿巖崩礦，出礦方式為人工裝礦、人力車(chē)出礦?；夭身樞?yàn)橄炔缮现卸?，后采下中段，其中下中段?m～4m厚頂柱，以便隔離上部采空區(qū)，礦房中自上而下回采，采場(chǎng)放礦分為兩步驟，即局部放礦和大量放礦。

3.2礦床充水條件分析

下段礦層為開(kāi)采主要礦體，其賦存標(biāo)高-4m～-41m。該礦體頂板為灰?guī)r，底板為閃長(zhǎng)巖。灰?guī)r巖溶裂隙地下水位標(biāo)高為70m左右，閃長(zhǎng)巖構(gòu)造裂隙地下水位標(biāo)高為200m左右。

圖2　燕青鐵礦床1線水文地質(zhì)剖面圖

礦床地段，灰?guī)r受閃長(zhǎng)巖多層侵入變質(zhì)作用，多變質(zhì)為大理巖、結(jié)晶灰?guī)r，近礦體段大理巖化、矽卡巖化，其透水性有一定程度減弱。灰?guī)r地下水是將來(lái)礦床主要的充水含水層。

閃長(zhǎng)巖裂隙地下水，一般情況下不含水或少量含水，但在構(gòu)造發(fā)育地段含構(gòu)造裂隙水，據(jù)調(diào)查，礦床地段原下水頭村豎井排水量20～30m3/h，礦床西200m原下水頭村礦坑，揭露淺部閃長(zhǎng)巖，來(lái)自閃長(zhǎng)巖地下水水量20～30m3/h。閃長(zhǎng)巖構(gòu)造裂隙水對(duì)礦坑充水也有一定的水量。

3.3水文地質(zhì)條件概化

礦區(qū)奧陶系灰?guī)r為主要含水層，地下水位標(biāo)高70m。調(diào)查認(rèn)為，礦床地段灰?guī)r地下水與北部300m～600m的下水頭村供水井、馬甲腦礦供水井、棉機(jī)廠供水井的灰?guī)r地下水有較密切的水力聯(lián)系，它們接受西部區(qū)域灰?guī)r地下水補(bǔ)給。礦床地段灰?guī)r含水層向東、向南厚度變薄、埋藏增大，其透水性弱。礦床灰?guī)r地下水主要接受西部區(qū)域地下水補(bǔ)給。此外，礦坑還有少量的閃長(zhǎng)巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙地下水補(bǔ)給。

4　礦坑涌水量預(yù)測(cè)

礦坑涌水量包括灰?guī)r地下水補(bǔ)給量和閃長(zhǎng)巖構(gòu)造裂隙地下水補(bǔ)給量。灰?guī)r地下水補(bǔ)給量計(jì)算采用地下水動(dòng)力學(xué)法;閃長(zhǎng)巖構(gòu)造裂隙地下水補(bǔ)給量采用比擬法進(jìn)行估算[3，4]。

4.1計(jì)算相關(guān)參數(shù)

4.1.1滲透系數(shù)的計(jì)算

利用距礦床北側(cè)300m的下水頭村供水井抽水資料進(jìn)行灰?guī)r含水層滲透系數(shù)計(jì)算。該供水井深400m，揭露灰?guī)r厚度360m，地下水埋深230m，含水層厚度130m。抽水試驗(yàn):水位降深10m，抽水量720m3/d。選用潛水完整井公式計(jì)算滲透系數(shù)[5]。

式中: k—滲透系數(shù)，m/d;

Q—鉆孔出水量，m3/d;

H—含水層厚度，m;

S—水位降低值，m;

r—井口半徑，m;

R—影響半徑，m。

代入數(shù)值經(jīng)計(jì)算:滲透系數(shù)為0.66m/d。

4.1.2礦坑引用半徑(0r)

礦坑引用半徑按下式計(jì)算[6]。

式中:0r—礦坑引用半徑，m;

η—系數(shù)，按表1取值;

a、 b—礦坑長(zhǎng)度、寬度，m。

礦體走向北西西，其長(zhǎng)度175m，傾向西南，寬約55m，1.13η=。代入數(shù)值計(jì)算得:0r65m=。

4.2-50m中段礦坑涌水量預(yù)測(cè)

4.2.1灰?guī)r地下水涌水量

本區(qū)地下水位埋藏深，選用地下水動(dòng)力學(xué)大井法進(jìn)行礦坑涌水量計(jì)算，計(jì)算公式如下:

式中: k—含水層滲透系數(shù)，m/d;

H—含水層厚度，m;

S—坑道疏干排水水位降低值，m;

R—礦坑疏干排水的影響半徑，m;

r0—礦坑引用半徑，m。

灰?guī)r含水層厚度70m，礦坑水位降至含水層厚度一半時(shí)，礦坑涌水量最大。代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得:

4.2.2礦坑閃長(zhǎng)巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙水涌水量

對(duì)于-50m中段礦坑閃長(zhǎng)巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙含水層涌水量的計(jì)算，采用水文地質(zhì)比擬法估算，計(jì)算公式如下[7]:

式中: Q—-50m中段礦坑閃長(zhǎng)巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙含水層涌水量，m3/d;

Q0—類比礦坑涌水量，m3/d;

F—礦山礦坑系統(tǒng)面積，m2;

F0—類比礦山礦坑系統(tǒng)面積，m2;

S—預(yù)測(cè)礦區(qū)水位降深，m;

S0—類比礦坑疏干水位降深，m。

據(jù)調(diào)查，距離礦區(qū)北西側(cè)約1km的馬甲腦鐵礦地質(zhì)環(huán)境條件類似，開(kāi)采標(biāo)高120m～130m，礦體系統(tǒng)面積300m×100m，其礦坑排水量1200m3/d左右，其涌水量主要來(lái)自于閃長(zhǎng)巖風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙水。

代入相關(guān)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，燕青鐵礦-50m中段的閃長(zhǎng)巖構(gòu)造裂隙水涌水量將有720m3/d左右。

4.2.3礦坑涌水量

礦體開(kāi)采標(biāo)高-50m中段的礦坑總涌水量為兩含水層涌水量之和，即4033m3/d。

5　礦坑涌水量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

燕青鐵礦開(kāi)采標(biāo)高-50m中段礦坑涌水量預(yù)測(cè)為4033m3/d，其中主要灰?guī)r地下水涌水量3313m3/d，閃長(zhǎng)巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙水涌水量720m3/d。預(yù)測(cè)水量可靠程度從以下二個(gè)實(shí)際抽(排)水資料予以論證。

(1)礦床北部300m～600m的供水井資料:距礦床北300m的下水頭村供水井，抽水量720m3/d，地下水位降低10m左右;距600m的棉機(jī)廠供水井，抽水量1380m3/d，地下水位降低9.29m。據(jù)二個(gè)供水井抽水資料，若將其換算成引用半徑(0r)為65m的礦坑，同時(shí)地下水位降低與燕青鐵礦灰?guī)r地下水降深值一樣，計(jì)算結(jié)果與上述計(jì)算灰?guī)r來(lái)水的礦坑涌水量較接近。

(2)根據(jù)該礦區(qū)附近的同類同標(biāo)高的石板坡鐵礦礦坑排水量資料。石板坡鐵礦開(kāi)采標(biāo)高-50m，礦坑排水量3000m3/d(包括閃長(zhǎng)巖水量)，雨季礦坑排水量達(dá)4000m3/d左右。但該礦山坑道揭露的地層，灰?guī)r多呈捕擄體分布，其灰?guī)r透水性較燕青鐵礦灰?guī)r含水層稍弱。

據(jù)上述資料，燕青鐵礦-50m中段預(yù)測(cè)礦坑涌水量基本可靠。

6　結(jié)論與建議

(1)燕青鐵礦體主要賦存于下層灰?guī)r底板與閃長(zhǎng)巖接觸帶，礦體分布標(biāo)高-4m～-41m，其直接頂板為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，底板為閃長(zhǎng)巖。礦床充水巖層有二個(gè)，一是灰?guī)r巖溶裂隙地下水，二是閃長(zhǎng)巖風(fēng)化、構(gòu)造裂隙地下水。-50m中段礦坑涌水量4033m3/d，其中灰?guī)r地下水量3313m3/d，閃長(zhǎng)巖風(fēng)化、構(gòu)造裂隙水量720m3/d。根據(jù)周?chē)惖V山排水量進(jìn)行分析論證，其結(jié)果基本可靠，可作為礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)依據(jù)。

(2)礦山基建及開(kāi)采生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)關(guān)注灰?guī)r含水條件的變化，不斷地積累水文地質(zhì)資料，對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行再認(rèn)識(shí)后，對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行修正。礦山開(kāi)采坑下必須具備與礦坑涌水量相應(yīng)的排水能力。同時(shí)基建和生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行探水掘進(jìn)和開(kāi)采。

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楊春發(fā)(1976—),男,江西瑞金人,工程師,主要從事工程地質(zhì)水文地質(zhì)方面工作。