鐵礦水文地質條件分析及涌水量探究
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摘要:簡述了遼寧省大孤山鐵礦水文地質概況，詳細敘述礦床各含巖層的富水性及地下水補徑排條件，采用不同方法分別對露天和井下開采進行了礦坑涌水量預測，并提出了礦區水資源綜合利用評價。
關鍵詞:大孤山鐵礦;水文地質;富水性;涌水量預測
0引言
大孤山鐵礦位于鞍山市東南12km的千山腳下，占地面積10.6km2，礦山開采歷史悠久，如今已服役一百余年的，為國家提供優質的鐵礦資源。隨著礦山開采加深，未來將轉為井下開采，其水文地質條件已發生較大變化。通過對礦山水文地質條件綜合分析及涌水量預測，可為礦山未來開采排水與開采設計提供一定科學依據。
1礦區自然地理概況
礦區屬千山山脈西北邊緣地帶，其地貌為低山丘陵區，總地勢東南高西北低，東南部為山地，西北部為低丘和大面積山間平原。區內最高山峰位于東南部，標高為378.0m，當地侵蝕基準面標高54.2m，比高約90～300m不等。山坡角10°～30°，局部地段大于30°，植被較為發育。區內地表水體發育一般，礦區西部主要發育有大孤山小河，流向由南至北，河床寬3～20m，水深0.1～0.6m，豐水期實測流量約為2.13m3/s，補給源主要為大氣降水，明顯呈季節性變化。該區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，四季分明。多年平均氣溫8.8℃，最高氣溫36.9℃，最低氣溫－30.4℃;多年平均降水量720.6mm，年最大降水量994.5mm(1975年)，月最大降水量416.7mm(1985年7月)，日最大降水量236.8mm(1975年9月1日)，降水多集中在7、8、9三個月;多年平均蒸發量1058.5mm;平均凍土深度91mm。
2礦區水文地質
2.1礦區水文地質概況
［1］2.1.1巖石的賦水特征。區內廣泛分布太古代花崗巖(γ11)和鞍山群櫻桃園巖組(Arany)綠泥石英片巖及磁鐵石英巖等，上覆第四系為坡洪積及沖洪積松散堆積物。依巖性和地下水賦存條件，可劃分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、層狀巖類基巖裂隙含水巖組及塊狀巖類基巖裂隙含水巖組，見圖1。1)第四系松散巖類孔隙含水巖組主要包括全新統沖洪積孔隙含水巖組和更新統殘坡積孔隙含水巖組。其中全新統沖洪積孔隙含水巖組分布于礦區西部、西北部大孤山小河兩岸地帶，巖性為亞粘土、亞砂土、砂及砂礫卵石。地下水位埋深2.3～5.2m，單位涌水量為1.145～3.082L/s·m，滲透系數12.33～23.28m/d，強富水性，地下水化學類型多為硫酸重碳酸鈣鎂或鈣類型，pH值6.65～7.04，礦化度0.547～0.711g/L;更新統殘坡積孔隙含水巖組分布于溝谷及山麓邊緣地帶，巖性主要為粘性土，下部含少量砂、碎石。厚度1～10m不等，地下水位埋深2.18～9.81m，單位涌水量為0.0028～0.0517L/s·m，滲透系數0.00524～0.0607m/d，為弱富水性。地下水化學類型為硫酸重碳酸鈣鎂或鈣類型，pH值6.71～7.59，礦化度0.38～1.03g/L。2)層狀巖類基巖裂隙含水巖組該類含水巖組巖性為鞍山群櫻桃園巖組綠泥石英片巖及磁鐵石英巖、石英巖等，含風化裂隙水和構造裂隙水，鉆孔單位涌水量為0.00016～0.00454L/s·m，滲透系數為0.0002～0.01m/d，屬弱富水性，富水性不均一，地下水類型主要為重碳酸硫酸鈣鈉或鈉型，pH值7.66～8.42，礦化度0.35～0.52g/L。3)塊狀巖類基巖裂隙含水巖組主要分布于礦區南側，巖性為太古代花崗巖，含弱的風化裂隙水和弱的構造裂隙水，總體屬弱富水性。2.1.2地下水的補、徑、排條件及各含水層之間的水力聯系。區內地下水的補給來源主要為大氣降水，并在一定程度上對基巖風化裂隙水補給，而基巖裂隙水除接受上覆第四系水補給外，同時接受區域基巖地下水徑流補給，徑流條件較差，露天開采后，隨著不斷抽排地下水，以采坑底部為中心形成半徑近2km的降落漏斗，未來轉為井下開采后，區內地下水位將進一步降低，主要以人工開采形式排泄，總的來看，第四系松散巖類孔隙水徑流條件相對較好，層狀及塊狀基巖裂隙水徑流條件較差，自然排泄條件不佳，以人工開采和地下徑流形式排泄。2.2礦床水文地質2.2.1概述大孤山礦區開采歷史久遠，人類工程活動強烈，地面破壞變形較大，歷經六十多年的開采，從原來260m標高的孤山頂變成目前最低標高約為－340m露天采坑，采場封閉圈78m，最高標高128m，已形成東西長1700m，南北寬1520m，垂直深達400m橢圓形露天坑，面積2.03km2。2.2.2巖層的富水性。礦床第四系地層幾乎剝離殆盡，針對鐵礦體而言，其直接頂、底板巖性多為綠泥石英片巖，均屬于層狀裂隙含水巖組，主要包括風化裂隙水與構造裂隙水。風化裂隙水主要分布在采坑周邊第四系下部及廣大基巖裸露地區淺部，發育深度10～90m，據鉆孔揭露風化裂隙抽水試驗結果，鉆孔單位涌水量0.00061～0.001L/s·m，滲透系數0.00126～0.00172m/d，富水性弱，透水性差。礦床范圍內構造主要有走向斷層、斜交斷層和橫斷層三組斷層，其中走向斷層位于礦體下盤，走向延長1100m以上，走向315°，傾向北東，傾角70～75°，基本與礦體產狀一致，平均單位涌水量0.00054L/s·m，滲透系數0.0003m/d，屬弱富水性，礦化度為215.44mg/L，pH值為8.33，水化學類型為重碳酸鈉型;斜交斷層位于礦床西北端礦段上盤，走向延長500m以上。斷層走向285～305°，傾向南西，傾角40～60°，深部斷層走向轉為近東西向，為逆斷層，鉆孔單位涌水量0.00178～0.00454L/s·m，滲透系數0.0021～0.0128m/d，屬弱富水性，礦化度為542.59～735.32mg/L，pH值為7.66～8.02，水化學類型以硫酸鈣鎂型為主。橫斷層主要分布于礦床中部和東部，斷層帶寬5～30m，除有斷層角礫巖外，并有花崗斑巖脈充填。斷層走向40～70°，傾向南東，傾角15～50°，采坑揭露位置地下水不斷滲出，涌水量約0.6L/s，富水性及透水性相對較好。太古代花崗巖、燕山期花崗巖及花崗斑巖、閃長玢巖等侵入巖裂隙水均屬于塊狀基巖裂隙含水巖組，含弱的風化裂隙水和弱的構造裂隙水，鉆孔單位涌水量為0.00016～0.0636L/s·m，滲透系數為0.0002～0.06066m/d，富水性弱，透水性差，地下水化學類型多為硫酸鈣鎂或鈣鎂鈉型，pH值7.81～7.84，礦化度較高達1g/L。2.2.3地下水動態及補徑排條件。經過多年開采，礦床范圍內最低地下水位已下降至－340m標高左右，形成垂直深達400m，直徑約1500m的降落漏斗，目前礦坑排水量日平均排水量約為6200m3/d，呈較明顯的季節性變化。礦床地下水的補給來源主要為大氣降水，深部地下水通過區域基巖地下水徑流進行補給。徑流條件一般，地下水排泄則以人工開采排泄為主。根據礦床所處地形地貌、地表水體發育情況和巖體富水性、透水性以及地下水補徑排條件等，綜合考慮認為，該礦床水文地質條件中等。
2.3礦坑涌水量預測
2.3.1概述。目前礦山開采方式為露天開采，最低標高約為－340m，設計未來－438m水平標高轉井下開采，因此根據礦山不同開采方式對礦坑涌水量分別進行預測，露天開采預測至－438m水平標高，井下開采預測水平為－678m水平中段涌水量。2.3.2露天開采礦坑涌水量計算。1)充水因素分析對于露天開采，其主要充水因素為大氣降水直接降落在露天采場上開口面積內的水量、采坑外圍降水入滲量及各含水層中賦存的基巖裂隙水。2)計算方法及公式的選擇對于露天開采，開采下一個水平時，采坑的地表境界面積和坑底境界面積會發生變化，計算露天開采至－438m水平標高的礦坑涌水量公式［2］:Q=Q0·FsF0s槡0(1)式中:Q—預測－438m水平采坑地下水涌水量，單位為立方米每天(m3/d);Q0—目前開采水平采坑地下水涌水量，單位為立方米每天(m3/d);F—預測－438m水平采坑坑底境界面積，單位為平方米(m2);F0—目前開采水平采坑坑底境界面積，單位為平方米(m2);s—預測－438m水平采坑地下水水位降深，單位為米(m);s0—目前開采水平采坑地下水位降深，單位為米(m)。3)計算參數的確定根據相關資料成果，目前開采水平采坑地下水平均涌水量6200m3/d，圈定采坑坑底境界面積為55000m2，地下水位由原來的72.36m標高下降至目前的－340m水平標高，降深為412.36m;預測－438m水平采坑坑底境界面積為19800m2，預測水位降深至－438m水平標高，降深為510.36m。4)計算結果將計算參數分別帶入(1)式，求得露天開采－438m水平礦坑正常涌水量Q=4138.5m3/d。2.3.3井下開采礦坑涌水量計算。1)充水因素分析未來井巷開采的充水因素是基巖本身的裂隙水，主要賦存于構造裂隙中，大氣降水通過第四系及基巖裂隙下滲間接補給，最終轉化為基巖裂隙水，水量較少。因此，未來井巷開采在做好露天采坑防滲的前提下的主要的直接充水因素應是基巖本身的裂隙水。2)計算方法及公式的選擇根據礦床水文地質條件及井巷開采方式，未來礦山井巷開采選擇地下水動力學法中的“大井法”作為礦坑涌水量計算方法，承壓轉無壓完整井裘布依公式［2］:Q=1.366K(2s－M)MlgR0－lgr0(2)式中:Q—計算井下開采礦坑涌水量(m3/d);K—基巖裂隙水滲透系數(m/d);M—含水層厚度(m);s—水位降深(m);r0—引用半徑(m);R0—礦坑引用影響半徑(m)3)計算參數的確定(1)滲透系數K:對礦床內施工鉆孔抽水試驗工作所獲得的滲透系數進行統計，取滲透系數平均值為0.015m/d。(2)含水層厚度M:據礦床水文地質剖面揭露各含水層性質并結合水文物探測井成果劃定的含水層厚度，綜合確定－678m水平標高，含水層厚度為240m。(3)水位降深s:考慮到未來轉井下開采，預測－678m水平標高，地下水水位由現狀－340m水平標高降至－678m水平標高，水位降深為338m。(4)礦坑的引用半徑r0根據礦體在－678m標高賦存形態圈定，其礦體賦存平面不規則的多邊形，且ab＞2－3時:r0=P2π(3)式中:P—坑底周長。井下開采－678m水平標高坑底周長為2350m，代入公式(3)，其引用半徑為374m。(5)礦坑的引用影響半徑R0按吉哈爾經驗公式大井影響半徑R=10槡sK，礦坑的引用影響半徑R0=R+r0=788m。4)計算結果將計算參數代入公式(2)，求得井下開采－678m水平礦坑涌水量Q=6624.6m3/d。2.3.4礦坑涌水量預測結果評價。計算露天開采至－438m標高水平礦坑正常涌水量為4138.5m3/d，對于露天開采其主要補給源為大氣降水，豐水期其涌水量將大于預測正常涌水量;計算未來井下開采正常涌水量為Q=6624.6m3/d，值得說明的是本次計算參數主要收集利用以往礦山勘查報告成果資料，可為礦山未來開采排水與開采設計提供一定依據，未來礦山開采過程中，應對實際涌水量進行監測，尤其降雨期間加強監測頻率，依據同一礦山的實測涌水量數據，采用比擬法預測不同開采水平的涌水量更為合理。
2.4礦區水資源綜合利用評價
為合理保護利用水資源，礦山生產用水可首先考慮礦坑排水，同時可利用礦山西側約1.0km左右的大孤山小河，常年流水，豐水期大氣降水后一段時間內水量增加明顯，但均不能作為生活飲用水資源，礦山生活飲用水已有自來水供應，礦山水資源大規模利用前應對區內的地下水與地表水資源量與水質經過科學論證以滿足用水需求。
3結語
通過對大孤山鐵礦床水文地質條件進行分析，確定該礦床為以裂隙含水層充水為主的礦床，水文地質條件屬中等類型，并對礦山不同開采方式下進行了涌水量預測，對礦山未來開采排水與開采設計提供一定依據。礦山未來開采過程中應嚴格遵循相關規范及設計，同時加強水文地質觀測或監測工作，不斷積累有關資料，為科學、合理、安全開發鐵礦資源提供依據。
參考文獻:
［1］吳強，李鵬博，劉明，等．遼寧省鞍山市大孤山鐵礦床資源儲量核實報告［R］．鞍山:遼寧省冶金地質勘查研究院有限責任公司，2019．
［2］DZ/T0342－2020．礦坑涌水量預測計算規程［S］．北京:中國地質出版社，2020．
作者:孟琛琛 藍海洋 單位:遼寧省冶金地質勘查研究院有限責任公司
