(新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009)

和靜縣諾爾湖鐵礦水文地質(zhì)特征分析及涌水量預(yù)測(cè)

王斌

(新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009)

諾爾湖鐵礦主要分為西、中、東三個(gè)礦段，依次呈NW-SE向分布，鐵礦體規(guī)模和資源量以東礦段為主，中礦段次之，西礦段最差。本文以新疆和靜縣諾爾湖鐵礦地下水系統(tǒng)為對(duì)象，在基本查明礦區(qū)地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析其地下水的類(lèi)型、含水層特征以及補(bǔ)徑排條件，并對(duì)礦區(qū)東礦段的涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示：未來(lái)礦坑涌水量不大，但不排除構(gòu)造破碎帶或基巖裂隙發(fā)育帶的突水現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)該礦區(qū)水文地質(zhì)特征和礦坑涌水量的預(yù)測(cè)，可以為后續(xù)的礦山開(kāi)采技術(shù)條件提供必要的理論依據(jù)。

水文地質(zhì)特征；礦坑涌水量；諾爾湖鐵礦；和靜縣

諾爾湖鐵礦區(qū)隸屬新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣管轄。該鐵礦主要分為西、中、東三個(gè)礦段，依次呈NW-SE向分布，鐵礦體規(guī)模和資源量以東礦段為主，中礦段次之，西礦段最差。由于主要礦體集中在東礦段東部，沿走向東西長(zhǎng)約1 200 m，儲(chǔ)量超3億 t，品位較高，是礦區(qū)勘探的重點(diǎn)，也是礦區(qū)水文地質(zhì)工作的主要對(duì)象。因此，本文在野外實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)研究成果[1-5]，對(duì)礦區(qū)內(nèi)地下水的類(lèi)型、含水層特征以及補(bǔ)徑排條件進(jìn)行了分析，并對(duì)礦區(qū)東礦段的礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，進(jìn)而為該礦區(qū)的安全開(kāi)采提供了理論基礎(chǔ)，從而可以為后續(xù)礦山開(kāi)采技術(shù)條件提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件分析

1.1 自然地理概況

諾爾湖鐵礦區(qū)屬中高山區(qū)，位于諾爾湖中部，總體北高南低，海拔3 699～4 370 m，最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高為3 580 m，屬高山深切地貌。區(qū)內(nèi)屬高寒地帶，氣候寒冷，變化無(wú)常。礦區(qū)主要以降雪降雨天氣為主，降水豐沛是本區(qū)氣候的特點(diǎn)。本區(qū)年降水量1 059.5 mm，日平均降水量為2.9 mm，最大降水量為146 mm，蒸發(fā)量452 mm左右。礦區(qū)年最高溫度在16℃，較高溫度的天氣主要出現(xiàn)在7～8月份。最低氣溫在～30℃左右，每年12月至次年1月的氣溫最低，也經(jīng)常出現(xiàn)極端天氣。溝谷兩側(cè)山嶺附近冰雪，夏季可有部分融化，可形成季節(jié)性洪水，不易通行。

1.2 地層巖性

諾爾湖鐵礦礦區(qū)出露地層為下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三亞組地層，其余為大面積的殘坡積物。

1.2.1 下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第三亞組

為礦區(qū)主要地層，在礦區(qū)中部及南部大面積出露，主要巖性為灰褐色、灰綠色的玄武巖、玄武質(zhì)凝灰?guī)r、玄武粗面安山巖、粗面安山巖、安山巖和粗面巖。地層產(chǎn)狀北傾，走向北西東南方向。

1.2.2 第四系

礦區(qū)第四系覆蓋范圍較大，高大山體的山前地帶及沖溝上游主要坡積礫石。工區(qū)中部高山前形成殘坡積，沖溝內(nèi)為沖洪積。其中第四系坡積物分布于礦區(qū)中部高山北部陰坡處；第四系冰川分布于礦區(qū)中部高山北部陰坡處，主要為冰層，其內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)少量礫石；第四系冰磧物分布于礦區(qū)中部第四系冰川下部，小面積出露，以冰積礫石為主；第四系沖積物主要分布于敦德艾肯及阿爾宰來(lái)庫(kù)乃溝兩測(cè)，出露寬30～60 m，呈近南北向貫穿工區(qū)。

1.2.3 侵入巖

礦區(qū)內(nèi)主要有兩種巖體，一種為淺肉紅色的花崗閃長(zhǎng)巖，主要分布在礦區(qū)西南部，呈北西東南向條帶狀侵入；另一種為灰白色、灰褐色的石英閃長(zhǎng)巖，主要分布在礦區(qū)北部，它與中部的火山巖地層之間為侵入接觸關(guān)系，它對(duì)中部的鐵礦床起破壞作用。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，主要為一單斜構(gòu)造，局部地段可見(jiàn)小的向斜、背斜構(gòu)造嵌入其中。礦區(qū)出露的地層為大哈拉軍山組的一套玄武質(zhì)安山巖，總體走向NW300～330°左右，傾角中等50°～75°，而受向斜構(gòu)造的影響，局部地段的傾角平緩，在10°～30°。受火山機(jī)構(gòu)的制約，因而各種構(gòu)造形跡較為復(fù)雜。礦區(qū)位于NW向區(qū)域性大斷裂南側(cè)，巖層的劈理、節(jié)理較發(fā)育。層內(nèi)韌性變形復(fù)雜，發(fā)育有膝狀褶皺。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征分析

2.1 地下水類(lèi)型

2.1.1 現(xiàn)代洪積砂礫層中的孔隙潛水

由卵碎石、礫石組成，砂及少量粘性土充填，因接近水系源頭，厚度一般不大，只有幾米，多為冰磧層淺部再搬運(yùn)而成。分布在溝谷底部，最寬處200 m，流向阿爾宰來(lái)庫(kù)乃溝之前變窄，在400 m長(zhǎng)的范圍內(nèi)，只有10～20 m寬。向北折向該溝，此層驟然變寬，可達(dá)300～350 m，厚度相對(duì)變厚。礫石成分以安山巖、花崗閃長(zhǎng)巖為主，顆粒排列雜亂，多呈棱角狀、次棱角狀，少量為半圓狀，礫徑10～30 cm居多。單泉流量一般為0.4～1.5 L/s，最大可達(dá)3.7 L/s，地層富水性較好。水溫0.5℃～3.0℃(7月)，屬極冷水。礦化度98～456 mg/L，為重碳酸鹽·硫酸鹽-鈣·鈉型水。淺部地下水隨季節(jié)變化而凍融，深部為常年凍土。此層厚度2～10 m，實(shí)際上是對(duì)冰磧礫石的再搬運(yùn)。

2.1.2 坡積碎石層中的孔隙潛水

分布在溝谷兩側(cè)山坡坡腳，連續(xù)出現(xiàn)組成坡積裙，地面坡度12°～18°。礫石分選性極差，呈棱角-次棱角狀，粒徑1～40 cm，淺部有泥砂充填，局部覆有植被，透水性強(qiáng)。泉較多，出露在扇緣地帶，可見(jiàn)到泉群。單泉流量多為0.5～3.0 L/s，地層富水性較好。水溫0.5℃～2.0℃，屬極冷水。礦化度102～198 mg/L，屬硫酸鹽·重碳酸鹽-鈣·鈉型水(或鈣·鎂型水)。同樣表層隨季節(jié)凍融，深部?jī)鐾两K年不化甚至有純冰層存在，此層厚度1～15 m。

2.1.3 冰磧礫石層中的孔隙潛水

在本區(qū)冰磧層與現(xiàn)代洪積層呈上疊關(guān)系，谷底一帶后者覆于前者之上，而洪積兩側(cè)，冰磧物又可裸布于較高的位置。冰磧層以終磧?yōu)橹?，?cè)磧次之，是氣候變暖冰川退縮所致。冰磧堆積以大小不均、雜亂無(wú)序、無(wú)分選為其特征，多為與附近山體母巖成分相同的角礫塊石構(gòu)成，甚至可以見(jiàn)到上百立方的巨型塊石堆積在河谷之中。

此層空隙較大，成為高山帶夏季融冰化雪的良好徑流通道，局部地段可以形成暗流。與上述兩個(gè)含水層一樣，所充潛水冬季冰凍，夏暖季節(jié)近地表一帶季節(jié)性融化，但不能全部融化，深部仍然處在常年凍土帶中。泉水流量1～12 L/s，屬中等-強(qiáng)富水地層。礦化度<1 g/L，屬重碳酸鹽-鈣型水，水溫0.5℃～2℃，此層厚度10～65 m。

2.1.4 基巖風(fēng)化帶裂隙網(wǎng)狀水

礦區(qū)地表大面積出露巖石主要為淺灰綠色、淺褐紅色安山巖，屬下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組，主要侵入巖為淺灰、灰黑色石英閃長(zhǎng)巖。由于晝夜溫差和季節(jié)溫差大，物理風(fēng)化作用尤其是霜劈作用強(qiáng)烈，淺部基巖風(fēng)化裂隙比較發(fā)育，雨水及融雪滲入形成風(fēng)化帶裂隙網(wǎng)狀水。風(fēng)化帶深度10～50 m。貫通分水嶺南北的交通隧道總長(zhǎng)2 254.3 m，在西硐口0～40 m和東硐口0～50 m，基巖裂隙存在滴水、洞壁潮濕現(xiàn)象。氣溫低時(shí)滴水上凍形成冰掛，但未見(jiàn)明顯的涌水現(xiàn)象。本層地下水明顯受地形和氣溫控制，順風(fēng)化裂隙向下運(yùn)移，多補(bǔ)給到坡積層潛水中。泉水流量大多<1 L/s，屬弱富水層，個(gè)別泉水豐水期可達(dá)到1.5 L/s。水溫0.5℃～2.0℃(7月份)，為極冷水。礦化度216 mg/L，屬硫酸鹽·重碳酸鹽-鈣型水。以上描述只對(duì)近地表部位，季節(jié)性融凍深度不超過(guò)1 m，以下仍處于常年冰凍狀態(tài)，作為風(fēng)化帶裂隙水，其厚度與風(fēng)化帶深度一致，只有40～50 m。

2.1.5 基巖裂隙脈狀水

在通過(guò)對(duì)研究區(qū)10個(gè)鉆孔的反復(fù)觀(guān)測(cè)和深入研究，可以看出：(1)基巖深部存在地下水(非固態(tài))；(2)地下水水位高低與地形基本一致。詳查范圍內(nèi)，溝谷上游水位高，下游水位低，在溝谷橫斷面上，谷坡處水位高，谷底處水位低。沿谷縱向600 m距離水位差33 m，水力坡度1:18，橫向水力坡度就更大了，顯然深部基巖裂隙水與當(dāng)?shù)卮髿饨邓腿诒┯兄置芮械穆?lián)系。

2.2 地下水補(bǔ)徑排特征

本區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水和冰雪融水。降雨和融冰化雪只發(fā)生在5～10月份的五、六個(gè)月“暖季”中。這些水體一部分以季節(jié)性溪流的方式直接排向北部的阿爾宰來(lái)庫(kù)乃溝，另一部分滲入基巖風(fēng)化裂隙中，成為風(fēng)化帶裂隙網(wǎng)狀水。當(dāng)遇到向深部導(dǎo)水的構(gòu)造裂隙帶時(shí)，則沿結(jié)構(gòu)面向下滲入，成為深部的基巖裂隙脈狀水，對(duì)礦區(qū)的安全開(kāi)采造成一定威脅。

第四系孔隙水(洪積、坡積、冰磧)只是季節(jié)性存在于凍土的融化帶中，河、溪等季節(jié)性地表水的滲入也是形成孔隙水的重要原因。但半年以上處于斷流和冰凍狀態(tài)，其下凍土終年不化，起著“隔水層”作用，割斷了地表水、孔隙潛水與基巖之間的聯(lián)系。

由此可見(jiàn)礦區(qū)位于天山主嶺附近，匯水范圍很小，補(bǔ)、徑、排條件比較簡(jiǎn)單。研究區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流和排泄關(guān)系如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排關(guān)系圖

3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

諾爾湖鐵礦一共分為西、中、東三個(gè)礦段，本文重要以東礦段位研究對(duì)象，對(duì)其涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 預(yù)測(cè)方法

東礦段屬弱富水礦床，匯水范圍小，補(bǔ)給邊界簡(jiǎn)單而清楚。礦體深埋，根據(jù)礦體形態(tài)，未來(lái)拓采巷道系統(tǒng)大致呈東西長(zhǎng)南北窄的矩形。因此未來(lái)礦坑涌水量計(jì)算采用“大井法”，并計(jì)算全域補(bǔ)給量進(jìn)行對(duì)照。

3.2 計(jì)算參數(shù)確定

利用鉆孔抽水試驗(yàn)成果對(duì)滲透系數(shù)、未來(lái)礦坑排水最大降深、含水層厚度、“大井”引用半徑、“大井”引用影響半徑進(jìn)行了確定。因此，在對(duì)研究區(qū)東礦段的涌水量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，分別采用滲透系數(shù)k=0.096 m/d，未來(lái)礦坑排水最大降深Sw=420 m，含水層厚度H=420 m，“大井”引用半徑r0=380 m，“大井”引用影響半徑R0=1 681 m。

3.3 未來(lái)礦坑涌水量計(jì)算

本文主要采用潛水公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如公式1所示。

(1)

將3.2小節(jié)中的滲透系數(shù)k=0.096 m/d，未來(lái)礦坑排水最大降深Sw=420 m，含水層厚度H=420 m，“大井”引用半徑r0=380 m，“大井”引用影響半徑R0=1 681 m帶入公式1中計(jì)算可得研究區(qū)東礦段礦坑涌水量Q=1 483 m3/h。

由于本區(qū)屬于弱富水礦床，雖然預(yù)測(cè)的未來(lái)礦坑涌水量不大，但不排除構(gòu)造破碎帶或基巖裂隙發(fā)育帶的突水現(xiàn)象。因此，在掘進(jìn)中應(yīng)先打超前鉆孔(坑道鉆)“探路”，發(fā)現(xiàn)突水及時(shí)采取措施。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)諾爾湖鐵礦地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查，詳細(xì)論述了諾爾湖鐵礦礦床的水文地質(zhì)特征，并研究區(qū)東礦段的礦坑涌水量進(jìn)行了計(jì)算。

(1)研究區(qū)地下水類(lèi)型主要包括現(xiàn)代洪積砂礫層中的孔隙潛水、坡積碎石層中的孔隙潛水、冰磧礫石層中的孔隙潛水、基巖風(fēng)化帶裂隙網(wǎng)狀水以及基巖裂隙脈狀水等五種類(lèi)型。

(2)由于礦區(qū)位于天山主嶺附近，匯水范圍很小，補(bǔ)給、徑流、排泄條件比較簡(jiǎn)單。區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水和冰雪融水，這些水體一部分以季節(jié)性溪流的方式直接排向北部的阿爾宰來(lái)庫(kù)乃溝，另一部分滲入基巖風(fēng)化裂隙中，成為風(fēng)化帶裂隙網(wǎng)狀水。

(3)通過(guò)計(jì)算可得研究區(qū)東礦段礦坑涌水量Q=1 483 m3/h。雖然預(yù)測(cè)的未來(lái)礦坑涌水量不大，但不排除構(gòu)造破碎帶或基巖裂隙發(fā)育帶的突水現(xiàn)象。因此，在掘進(jìn)中應(yīng)先打超前鉆孔(坑道鉆)“探路”，發(fā)現(xiàn)突水及時(shí)采取措施。

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1004-1184(2017)06-0044-02

2017-04-10

王斌(1985-)，男，陜西渭南人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方面工作。