馬林霄 陳德穩(wěn) 李慶哲 詹勇 譚康雨

摘 要：SOKOYA鐵礦屬未采礦山，主要含水層為第四系殘坡積含水層和基巖風(fēng)化裂隙。本文通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)主要含水層的綜合研究分析，探討地下水補(bǔ)給、徑流和排泄條件，并通過(guò)抽水試驗(yàn)得到的水文地質(zhì)參數(shù)，初步預(yù)測(cè)礦坑涌水量，為礦坑水疏排工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SOKOYA鐵礦；露天開(kāi)采；涌水量預(yù)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：P618.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）17-0077-03

Analysis on Hydrogeological Geological Condition and Prediction of

Inflow of SOKOYA Iron Deposit，Sierra Leone

MA Linxiao1 CHEN Dewen1 LI Qingzhe2 ZHAN Yong1 TAN Kangyu1

Abstract： SOKOYA iron deposit is a non mining mine，and its aquifer are qhesl of quaternary and weathering crack of bedrock. Through the comprehensive study and analysis of the main aquifers in the area， the conditions of groundwater recharge， runoff and discharge were discussed， and the hydrogeological parameters obtained by pumping test were used to preliminarily predict the water inflow of the pit， which provided the basis for the design of the mine water drainage project.

Keywords： SOKOYA iron deposit； open-pit mining；prediction of water inflow

SOKOYA鐵礦地處蘇拉山-坎格瑞山綠巖帶中部，該綠巖帶成礦條件優(yōu)越，是塞拉利昂鐵礦、金礦的重要成礦區(qū)帶[1，2]。前人對(duì)該綠巖帶內(nèi)主要鐵礦床的地質(zhì)特征及成因已開(kāi)展了詳細(xì)的研究和探討，但涉及水文地質(zhì)條件等方面的研究成果均未公開(kāi)發(fā)表。

筆者通過(guò)SOKOYA鐵礦的野外第一手資料，結(jié)合前人的研究成果，對(duì)該礦床的水文地質(zhì)條件進(jìn)行初步探討，為該區(qū)域水文地質(zhì)研究工作提供依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

SOKOYA鐵礦大地構(gòu)造位置隸屬西非克拉通東南緣，整體坐落在蘇拉山綠巖帶西南部，其北側(cè)緊鄰全球規(guī)模最大的赤鐵礦和磁鐵礦之一的唐克里里鐵礦[3]。蘇拉山-坎格瑞山綠巖帶是塞拉利昂特大型、大型鐵礦聚集區(qū)[4]，成礦條件優(yōu)越。

礦區(qū)共圈定出10條礦體，主要賦存在磁鐵云母石英片巖（鐵英巖、石英磁鐵巖）內(nèi)，產(chǎn)狀與圍巖基本一致，呈層狀、似層狀或透鏡狀產(chǎn)出，傾向北西，傾角大于45°。其中，主礦體長(zhǎng)2 000m，厚4.09～194.12m，傾向北西，傾角55°～87°，偶見(jiàn)分支復(fù)合、膨脹收縮現(xiàn)象，在走向和傾向上連續(xù)性較好，單礦體規(guī)模達(dá)到大型，礦體賦存標(biāo)高為-620～594m。

礦石的自然類(lèi)型按礦石主要鐵礦物成分可分為磁鐵礦石和赤褐鐵礦石，其中磁鐵礦石為原生礦石，赤褐鐵礦石主要分布在地表，多為次生氧化堆積成因；按礦石主要脈石成分，均為石英型鐵礦石；按礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造，可分為條紋-條帶狀鐵礦石、浸染狀鐵礦石和塊狀鐵礦石。根據(jù)物相分析結(jié)果可知，礦石的工業(yè)類(lèi)型可分為需選弱磁性鐵礦石和煉鐵用鐵礦石，其中需選弱磁性鐵礦石主要為原生礦石，煉鐵用鐵礦石主要為赤褐鐵礦石。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

SOKOYA鐵礦區(qū)位于西非塞拉利昂共和國(guó)中東部蘇拉山區(qū)，在平原和高原過(guò)渡帶上。區(qū)內(nèi)地形起伏較大，多座山峰突兀，最高峰海拔624.40m，最大相對(duì)高差407.90m。

礦區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候，高溫多雨，分旱雨兩季，5—10月為雨季，11月—次年4月為旱季。全年平均氣溫約26.5℃，2—5月氣溫最高，室外最高溫度可達(dá)40℃以上；8—9月氣候最為涼爽，最低溫度可達(dá)15℃左右。年平均降水量為2 000～5 000mm。

區(qū)內(nèi)雨季降雨豐富，河流發(fā)育，塞拉利昂主要河流Rokel的支流Tonkolili河由礦區(qū)西側(cè)穿過(guò)，流向大致與礦體平行（見(jiàn)圖1），距離約1.2km。礦區(qū)東側(cè)溝谷為Sundamanboni河（溪），在Sundamanboni與Barfeni交匯后一處作為流量長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)站，2013年10月6日觀(guān)測(cè)流量11.4m3/s，2014年4月13日觀(guān)測(cè)流量為0.17m3/s，水質(zhì)較為渾濁，河流受降水影響十分明顯。

NZK600-2觀(guān)測(cè)時(shí)間從2013年6月1日至2014年5月11日，觀(guān)測(cè)結(jié)果顯示，5—12月地下水位具有上升的趨勢(shì)，12月—次年4月地下水位具有下降的趨勢(shì)，說(shuō)明地下水位對(duì)大氣降水的響應(yīng)存在一定的滯后。

注：Lsm為云母石英片巖，Lsh為長(zhǎng)石石英巖，Lph為角閃巖、斜長(zhǎng)角閃巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖；1.巖層界線(xiàn)；2.“鐵帽”范圍；3.鐵礦體范圍；4.地表水及流向；5.推測(cè)斷層及編號(hào)；6.河（溪）流量及觀(guān)測(cè)時(shí)間；7.長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)孔。

2.1 礦區(qū)含水層

區(qū)內(nèi)主要含水層為第四系殘坡積孔隙水含水層、鐵質(zhì)角礫巖（鐵帽）孔隙水含水層和基巖風(fēng)化裂隙含水層。

2.1.1 第四系松散巖類(lèi)孔隙含水層。殘坡積層主要分布在山坡坡麓及平緩的山坡等處，巖性為條帶狀磁鐵石英片巖和云母石英片巖等風(fēng)化殘坡積物，為含粉粒、黏粒碎石土，厚0～45.75m（鉆孔NZK608-0最厚為45.75m），平均厚8.57m，在該層下部賦存有地下水。該層水主要接受大氣降水補(bǔ)給，在介質(zhì)孔隙中由水勢(shì)梯度高處向低處徑流，入滲基巖風(fēng)化裂隙含水層或以下降泉形式排泄，泉流量為0.002～0.78L/s，該層富水性弱[5]，地下水位受季節(jié)影響明顯。

“鐵帽”在礦區(qū)分布十分廣泛，主要分布在礦區(qū)北部、東北部、南西部和南東部等區(qū)域，以北部山頂區(qū)域最為厚大，最大超過(guò)40m，平均厚度為31.33m。鐵帽呈紅褐色，似斑狀結(jié)構(gòu)，角礫狀構(gòu)造。角礫為條帶狀磁鐵石英片巖碎塊，最大粒徑5～10cm。鐵帽氧化淋濾程度較高，致使礦石孔隙發(fā)育，這也為地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移提供了空間。該層地下水主要受大氣降水以及地勢(shì)高處的徑流補(bǔ)給，在低洼處完成排泄。該層富水性較弱，地下水位受季節(jié)影響明顯。

2.1.2 基巖風(fēng)化裂隙含水巖組。主要由風(fēng)化-半風(fēng)化的混合花崗巖、云母石英片巖、條帶狀磁鐵石英片巖和斜長(zhǎng)角閃片巖等組成，分布于礦區(qū)中部山地。風(fēng)化帶厚0～56.80m，平均厚度為27.96m。淺部風(fēng)化裂隙極發(fā)育，裂隙面強(qiáng)-中等褐鐵礦化。該層地下水主要接受大氣降水和殘坡積層入滲補(bǔ)給，在地勢(shì)突變處以泉的形式排泄，流量為0.218 2～1.234 5L/s，富水性弱-中等。

2.2 礦區(qū)隔水層

通過(guò)鉆孔巖芯可以看出，在風(fēng)化帶以下，礦體上下盤(pán)巖芯都較為完整，結(jié)構(gòu)致密，裂隙基本不發(fā)育或微弱發(fā)育，在鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中孔內(nèi)未發(fā)現(xiàn)涌、漏水或坍塌掉塊等現(xiàn)象，含（透）水性較差，可視為隔水層。

2.3 礦區(qū)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄關(guān)系

區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏較大，多山峰突兀，地形坡度較陡，有利于地表水徑流。在雨季，大氣降水大部分沿坡面徑流流入河谷，再由河流排泄至下游，只有少部分蒸發(fā)或補(bǔ)給地下水。

松散巖類(lèi)孔隙水主要接受大氣降水的滲入補(bǔ)給。松散巖類(lèi)滲透性較強(qiáng)，易接受降水的入滲補(bǔ)給，但儲(chǔ)水能力較差，往往在吸收降水補(bǔ)給后，一部分在就近溝谷或低洼地帶以泉的形式排泄；一部分補(bǔ)給下伏基巖風(fēng)化裂隙水。

基巖風(fēng)化裂隙水主要接受大氣降水和松散巖類(lèi)孔隙水補(bǔ)給，在水力梯度作用下由地勢(shì)高處向地勢(shì)低處徑流，在溝谷、低洼處以泉的形式排泄于地表。地下水流向與地形坡向、巖層傾向基本一致[4]。

總之，在礦區(qū)范圍內(nèi)，第四系松散巖類(lèi)孔隙含水層和基巖風(fēng)化裂隙含水巖組之間有著密切的水力聯(lián)系，兩者能相互貫通、相互轉(zhuǎn)換，共同影響著礦坑沖水條件。

3 礦坑充水因素分析

礦坑涌（突）水是一個(gè)比較復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題，嚴(yán)重影響企業(yè)財(cái)產(chǎn)和礦工生命安全，礦坑涌水量是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)之一[6]。

礦區(qū)初期采用露天開(kāi)采方式進(jìn)行開(kāi)采，以境界底部標(biāo)高為0m，分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件可能成為礦坑充水因素包括：坑口范圍內(nèi)大氣降水、地下水和地表水。

通過(guò)分析收集到的2004、2008年和2009年當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，年降水量高達(dá)2 000～5 000mm，降水主要集中在5—10月，其中7—9月雨量最大，最大日降水量可達(dá)152.4mm（2008年8月23日）。可通過(guò)式（1）計(jì)算在采場(chǎng)及其影響范圍的大氣降水的匯集量：

[Q降水=L·B·X/1 000] （1）

式中：[Q降水]表示采坑匯水量（m3/d）；[L]表示采場(chǎng)頂部長(zhǎng)（m），5 600m；[B]表示采場(chǎng)頂部寬（m），350m；[X]表示日降水量（mm），在收集的氣象資料中，2004、2008、2009年的部分氣象資料中日最大降水量為152.4mm（2008年8月23日）。將數(shù)據(jù)帶入式（1）可得出[Q降水]為298 704m3/d。

礦區(qū)主要含水層為第四系松散巖類(lèi)孔隙水、基巖裂隙水。在開(kāi)采之初，開(kāi)采基準(zhǔn)面以上地下水充水礦坑的露天開(kāi)采至侵蝕基準(zhǔn)面（145m）后地下水疏干至坑底的地下水涌水量采用潛水穩(wěn)定流“大井法”計(jì)算，計(jì)算公式為：

[Q1=1.366K2H-SSlnR0/r0] （2）

[R0=R+r0] （3）

式（2）和式（3）中，[Q1]表示地下水疏干至坑底的地下水涌水量（m3/d）；K表示滲透系數(shù)，K=0.001 45m/d；H表示抽水前含水層厚度（m），采用礦體南端NZK631-1水位標(biāo)高-0m標(biāo)高=236.36m-0m=236.36m[5]；S表示水位降深（m），為236.36m；R表示影響半徑（m），[R=2×S×KH=276.741 9m]；[r0]表示引用半徑（m），礦坑近似矩形，采用[r0=ηa+b/4]，礦坑長(zhǎng)[a]采用主礦體長(zhǎng)2 000m，寬[b]采用礦體最大厚度194m，[η]取1.08[6]，得出[r0]=592.38m；[R0]表示引用影響半徑（m），取869.121 9m。將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入式（2）可得出[Q1]為664.666 5m3/d。

開(kāi)采初期侵蝕基準(zhǔn)面（145m）以上部分可以通過(guò)有利地形進(jìn)行自然排水，礦坑充水來(lái)源主要為大氣降水；礦體東側(cè)溝谷內(nèi)地表水體基本與礦體平行，施工鉆孔中未風(fēng)化云母石英片巖、長(zhǎng)石石英巖裂隙雖較發(fā)育，但多為閉合裂隙，含（透）水性差，且未發(fā)現(xiàn)明顯構(gòu)造破碎帶，通過(guò)修建工程可保證其不會(huì)成為礦坑直接充水水源。因此，在開(kāi)采中后期礦坑主要充水來(lái)源則包括地下水疏干至坑底（0m標(biāo)高）的地下水、坑口范圍大氣降水。

4 結(jié)語(yǔ)

礦區(qū)地下水含水層類(lèi)型主要為第四系殘坡積孔隙水含水層、鐵質(zhì)角礫巖（鐵帽）孔隙水含水層和基巖風(fēng)化裂隙含水層。礦坑正常涌水量，礦坑最大涌水量，由于深部巖石新鮮，裂隙發(fā)育較少，且多為巖石片理，為閉合裂隙，含水性極弱，礦坑充水水源主要為大氣降水。

此外，由于礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造研究程度較淺，第四系覆蓋層厚，植被茂密，僅以遙感資料、鉆孔巖心推斷附近斷層，對(duì)礦坑充水可能產(chǎn)生影響的為推測(cè)斷層F5，其恰被河（溪）水不斷侵蝕形成一條深溝，旱季仍未干涸，2013年3月14日測(cè)得流量0.27m3/s，在調(diào)查過(guò)程中觀(guān)測(cè)到其自上游至下游水量不斷變大。由此推測(cè)，該斷層導(dǎo)水性質(zhì)較弱，但隨著礦山的開(kāi)采，應(yīng)注意該斷層導(dǎo)水性質(zhì)的變化，注意其對(duì)礦坑涌水的影響。

由于該地區(qū)雨季日降水量大，露天礦坑直接暴露面積大，大量降水可直接降入或匯入礦坑內(nèi)淹沒(méi)礦坑，影響爆破、礦巖裝運(yùn)效率和露天邊坡的穩(wěn)定性，必須建立完善的防排水系統(tǒng)。

礦山開(kāi)采是驗(yàn)證礦區(qū)水文地質(zhì)條件的最好手段，應(yīng)充分利用礦山開(kāi)采所暴露的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行分析，不斷提高和完善對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)[7-9]。

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