宋明謙 張 偉

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

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石人溝鐵礦-300 m中段地下涌水量預(yù)測

宋明謙 張 偉

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

通過收集整理石人溝鐵礦以往水文地質(zhì)資料及礦山生產(chǎn)過程中的排水資料，采用比擬法對該礦-300 m中段地下涌水量進(jìn)行了預(yù)測。為了驗(yàn)證預(yù)測方法的可靠性，采用同種方法預(yù)測了-180 m中段地下涌水量，并與實(shí)測值進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，預(yù)測值與實(shí)測值較為接近，說明比擬法及其計(jì)算的合理性，可以用于該礦-300 m中段地下涌水量預(yù)測，供相鄰及類似礦山預(yù)測地下涌水量時(shí)參考。

礦坑 比擬法 涌水量預(yù)測

正確預(yù)測礦坑地下水涌水量是礦區(qū)水文地質(zhì)工作的核心之一，是礦山設(shè)計(jì)部門制定疏干排水措施的主要依據(jù)。目前，國內(nèi)常用的礦坑地下水涌水量預(yù)測方法主要有解析法、比擬法、水均衡法和數(shù)值模擬法[1-3]。每種預(yù)測方法都有其適用條件和應(yīng)用范圍，若選擇不合適，影響預(yù)測結(jié)果的可靠性[4]。

石人溝鐵礦三期工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)原礦區(qū)地質(zhì)勘查報(bào)告提供的水文地質(zhì)參數(shù)，采用大井法預(yù)測-180 m 中段地下水涌水量正常為24 204 m3/d[5]，而目前實(shí)測-180 m中段地下水涌水量僅為3 000 m3/d左右，二者相差8倍，說明大井法預(yù)測的假設(shè)與前提條件都與現(xiàn)實(shí)不符。通過研究石人溝礦區(qū)水文地質(zhì)條件，結(jié)合近幾年礦山生產(chǎn)積累的排水資料及工程揭露涌水情況，建立了適合該礦山地下水涌水量預(yù)測的比擬法公式，并對-300 m中段地下水涌水量進(jìn)行了預(yù)測，為礦山防排水設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 礦區(qū)自然地理概況

礦區(qū)所處位置為區(qū)域水文地質(zhì)單元分水嶺南側(cè)，地形北西高、東南低，“U”型溝谷較發(fā)育，地形較陡，坡角20°～60°，海拔標(biāo)高70.8～216.5 m，相對高差145.7 m。礦區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高66.8 m。

本區(qū)屬半干旱大陸性氣候區(qū)，年氣溫變化較大，降雨多集中在7、8、9三個(gè)月內(nèi)，其中8月份降雨量最多，歷年降雨量700～1 000 mm。

礦區(qū)東、西兩則各發(fā)育一條季節(jié)性河流，自北向南注入盆地。河流量季節(jié)性變化很大，雨季有水、旱季干枯。其補(bǔ)給來源為大氣降水，僅在雨后河水暴漲時(shí)出現(xiàn)地表水補(bǔ)充兩岸基巖裂隙水的現(xiàn)象，但歷時(shí)很短。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 含水巖組

礦區(qū)含水層主要有第四系沖洪積孔隙潛水含水層、第四系坡洪積孔隙潛水含水層、基巖風(fēng)化裂隙含水層、基巖構(gòu)造裂隙含水層。

第四系沖洪積孔隙潛水含水層分布在河床兩側(cè)及Ⅰ級階地內(nèi)，標(biāo)高66.8～101.8 m，巖性由砂礫石組成，分選性差、磨圓度中等、孔隙度大、透水性良好。水位埋深一般4 m，年變幅3～5 m，地下水位隨季節(jié)變化明顯，涌水量約3.83 L/s。

第四系坡洪積孔隙潛水含水層分布于山前溝谷之中，標(biāo)高66.8～120.0 m，巖性由含礫砂質(zhì)黏土及黃土狀砂質(zhì)黏土組成，透水性較差，含水量較小。水位埋深一般6.0 m，地下水類型為孔隙潛水。地下水位年變幅4～8 m，隨季節(jié)變化明顯。

基巖風(fēng)化裂隙含水層分布在基巖裂隙發(fā)育的風(fēng)化帶內(nèi)，裂隙在水平方向上密集、均勻，在垂直方向上隨深度的增加而減少、閉合。裂隙潛水主要為大氣降水補(bǔ)給，其補(bǔ)給范圍和分布范圍一致。一般循環(huán)深度50～80 m，含水量隨深度增加而減少。天然靜儲量不大，涌水量一般0.04 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.042～0.069 m/d。

基巖構(gòu)造裂隙水分布在斷層破碎帶及裂隙中，成為地下水運(yùn)動的細(xì)小通路和富集空間，在構(gòu)造變化處即為地下水富集地段，反之則不發(fā)育。據(jù)-60 m 水平坑道調(diào)查，構(gòu)造裂隙脈狀水天然靜儲量不大，富水性差，隨時(shí)間的推移，涌水量減少或消失。

2.2 構(gòu)造破碎帶含水特征

通過坑道調(diào)查，區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂較發(fā)育，構(gòu)造破碎帶含水特征如下：

(1)F5斷層。走向北東，傾向北西，傾角75°，破碎帶寬10～20 m，為以平推為主的充水正斷層，破碎帶內(nèi)見突水點(diǎn)，流量1.5～2.5 L/s，該破碎帶構(gòu)成了地下水涌入礦坑的通道，對礦坑充水有一定影響。

(2)F10斷層。走向80°，傾向170°，傾角60°，破碎帶寬10～25 m，巖石受擠壓破碎，片理化作用發(fā)育，破碎帶含水微弱，巖石潮濕。

(3)F15斷層。走向290°，傾向200°，傾角70°，破碎帶寬15 m，為一充水?dāng)鄬樱凰c(diǎn)流量0.3～0.5 L/s。

(4)F18斷層。走向300°，傾向30°，傾角35°～75°，破碎帶寬10～15 m，由于巖石受擠壓，形成片巖帶，沿裂隙滴水。

(5)F19斷層。傾向330°，傾角60°，寬30余m，為逆斷層。在坑道開拓初期破碎帶兩側(cè)見突水點(diǎn)，現(xiàn)只沿裂隙滴水。

2.3 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄

礦區(qū)西北部環(huán)山、向南開闊，大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來源。徑流區(qū)很短，接近于補(bǔ)給區(qū)。由于礦山開采，礦坑排水成為地下水主要排泄方式。

3 礦山開采及地下水涌水現(xiàn)狀

石人溝鐵礦于1975年7月建成投產(chǎn)，先后采用露天和地下兩種方式開采。露天開采已于2005年閉坑，地表形成南北長2.8 km，東西寬230 m的露天采坑，坑底標(biāo)高0～25 m。目前，露天采場南區(qū)已進(jìn)行內(nèi)排土，排土場高達(dá)120 m。

該礦露天開采結(jié)束后轉(zhuǎn)入地下開采，地下開采分三期工程進(jìn)行建設(shè)。一、二期工程開采早已結(jié)束，開采范圍為露天坑底以下至-60 m的礦體，總規(guī)模為130萬t/a，均采用空場法開采，采空區(qū)在三期工程開始前已進(jìn)行了充填處理。目前，三期工程開采正在進(jìn)行，開采-60～-180 m中段，規(guī)模200萬t/a，采用充填法開采。

通過分析整理礦山以往生產(chǎn)排水資料，一、二期工程開采過程中，-60 m中段實(shí)測地下水涌水量正常為2 240 m3/d，最大為9 360 m3/d。目前，三期工程-180 m中段開采接近尾聲，地下水涌水量基本穩(wěn)定在3 000 m3/d左右。

4 礦坑地下水充水分析

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件及以往開采揭露情況，礦坑地下水主要來源于構(gòu)造涌水、風(fēng)化裂隙水及裂隙脈狀水，多以出水點(diǎn)形式進(jìn)入坑道，是礦坑長期直接充水因素。

5 地下水涌水量預(yù)測

5.1 預(yù)測方法選擇

比擬法是根據(jù)已知水文地質(zhì)參數(shù)的礦井涌水量，通過比擬關(guān)系，近似地推算出相似水文地質(zhì)參數(shù)礦井的涌水量，特別適用于老礦區(qū)用上一水平的涌水量推求下一水平的涌水量，無需考慮礦區(qū)邊界條件，大大簡化了礦井涌水計(jì)算的工作量。

石人溝鐵礦礦床水文地質(zhì)條件相對簡單，地下涌水主要來源于構(gòu)造涌水、風(fēng)化裂隙水及裂隙脈狀水，屬于不連續(xù)分布的弱含水層。另外，礦山經(jīng)過多年的開采，有較為詳細(xì)的排水資料。

基于以上兩點(diǎn)，石人溝鐵礦三期工程地下水涌水量預(yù)測適合采用比擬法。

5.2 計(jì)算公式

由于石人溝鐵礦礦體在走向和傾向上比較穩(wěn)定，上下兩層開采面積相近，故開采面積可以忽略不計(jì)，由此確定的比擬法計(jì)算公式為

(1)

式中,Q為設(shè)計(jì)新礦坑涌水量，m3/d；S為設(shè)計(jì)新礦坑的水位降深，m；Q1為生產(chǎn)礦坑涌水量，m3/d；S1為生產(chǎn)礦坑水位降深，m。

5.3 預(yù)測方法可靠性驗(yàn)證

根據(jù)一、二期工程排水資料，-60 m中段以上開采時(shí)地下水正常涌水量為2 240 m3/d，以此作為生產(chǎn)礦坑涌水量。

礦山初始開拓的靜止水位標(biāo)高為104 m，-180 m 中段水位降深為284 m，-60 m中段水位降深為164 m。

將以上參數(shù)代入式(1)，得到-180 m中段地下水涌水量預(yù)測結(jié)果，見表1。

表1 -180 m中段地下水涌水量預(yù)測結(jié)果

由表1可知，-180 m中段的地下水正常涌水量預(yù)測值為2 948 m3/d，與實(shí)測值3 000 m3/d相差不大，說明預(yù)測結(jié)果可靠，選用的公式合理，可以用作礦山地下水涌水量預(yù)測。

5.4 地下水涌水量預(yù)測結(jié)果

采用式(1)對-300 m中段地下水涌水量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測參數(shù)及結(jié)果見表2。

表2 -300 m中段地下水涌水量預(yù)測結(jié)果

注：S1、Q1為一、二期開采時(shí)-60 m中段實(shí)測地下水涌水資料。

6 結(jié) 論

(1)石人溝鐵礦是多年生產(chǎn)礦山，有較為詳細(xì)的礦坑排水資料，適合采用比擬法，根據(jù)上一水平開采地下水涌水量預(yù)測下一水平開采的地下水涌水水量。

(2)經(jīng)驗(yàn)證，選用的比擬法計(jì)算-180 m中段地下水涌水量預(yù)測值與礦山開采地下水涌水量實(shí)測值較為接近，可以用于石人溝鐵礦-300 m中段地下水涌水量預(yù)測。

(3)經(jīng)預(yù)測，-300 m中段地下水正常涌水量為3 516 m3/d，最大涌水量為14 690 m3/d，可作為礦山防排水設(shè)計(jì)的依據(jù)。

(4)石人溝鐵礦地下水來源于構(gòu)造涌水、風(fēng)化裂隙水及裂隙脈狀水，特別是構(gòu)造涌水是深部礦體開采地下水的主要來源。

(5)經(jīng)多年開采實(shí)踐證明，礦區(qū)自南向北巖性逐漸穩(wěn)定，礦坑出水點(diǎn)主要集中在南區(qū)破碎帶附近，且以靜儲量為主，開拓初期水量較大，靜儲量疏干穩(wěn)定后水量不大，因此深部開拓初期要注意防范構(gòu)造突水。

[1] 劉喜信，荊龍華．礦坑涌水量的計(jì)算方法[J]．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，15(2)：147-150．

[2] 趙海清，李向國，李學(xué)勤．礦坑涌水量分析[J]．西部探礦工程，2006，18(1)：89-90．

[3] 黃卓廣，黃鐘煥，黃梅新．比擬法在礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測應(yīng)用實(shí)例[J]．西部探礦工程，2006，119(3)：93-94．

[4] 《采礦設(shè)計(jì)手冊》編寫組．采礦設(shè)計(jì)手冊[M]．北京：中國建筑出版社，1987．

[5] 中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司．河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦三期采礦工程補(bǔ)充設(shè)計(jì)[R]．秦皇島：中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司，2012．

2016-09-23)

宋明謙(1985—)，男，工程師，066004 河北省秦皇島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)龍海道71號。