刍论矿床水文地质学研究的基本问题——兼谈霍邱铁矿开展水文地质研究的必要性

谭绿贵,张广胜,汪万芬,李光耀,徐 辉

（皖西学院资源环境与旅游管理学院,安徽六安 237012）

刍论矿床水文地质学研究的基本问题
——兼谈霍邱铁矿开展水文地质研究的必要性

谭绿贵,张广胜,汪万芬,李光耀,徐 辉

（皖西学院资源环境与旅游管理学院,安徽六安 237012）

矿床水文地质学是水文地质学的一个分支学科,是一门涉及水文地质、工程地质、环境地质、矿床学、采矿学等多门学科内容的综合性和实用性的边缘地质学科。矿床水文地质研究的主要目的就是查明矿床水文地质条件,预测矿坑涌水量;其次是科学判别矿床地下水水源,为矿床开采提供科学依据。霍邱铁矿是华东地区第一大铁矿床,它包括大型矿床9处,累计储量近20亿吨,也是我省重要的铁矿资源产地。霍邱铁矿为一个沉积变质型的特大型矿床,由于矿体埋藏深度大、水文地质条件复杂、水量较大,开采难度较大。开展霍邱铁矿床水文地质研究,不仅可以丰富沉积变质型铁矿床地下水地球化学理论,同时可以为铁矿矿井防治水实践提供技术支持,对于铁矿井下开采的疏干工程和矿山安全生产具有重要参考价值。

矿床水文地质学;地下水;矿坑涌水量;水源判别方法;霍邱铁矿

1 矿床水文地质学是一门综合性和实用性的边缘地质学科

“水文地质学”这一术语最早于19世纪初由欧洲学者正式提出,但真正成为地质科学中一门比较完整、系统的跨学科的综合性边缘学科,是在20世纪中叶。我国水文地质学科也创立于上世纪50年代,随着社会经济发展和科技进步,特别是许多新理论、新技术的输入,我国传统水文地质学逐渐演化,进入到现代水文地质学的新时期[1-5]。

我国是一个水资源短缺的国家,水资源时空分布不均,水质状况不容乐观。随着天然水质不良、地下水污染、海水与咸水入侵等水质问题的凸现,以及对水化学信息重要性的认识日益加深,科学界尤其关注地下水的研究,已经从以往的地下水水量研究为主,转向水量与水质研究并重。与此同时,从地球化学角度出发的地下水水-岩相互作用研究、水源判别方法研究以及地球化学模拟,成为新的研究热点[1][2][4-7]。

矿床水文地质学是水文地质学的一个分支学科,其主要任务是研究确定矿床的水文地质条件,预测矿坑涌水量以及由于开采可能引起的地下水动态变化,为矿床的顺利开采提供有关的水文地质资料[3,5]。现代矿床水文地质学的研究内容和研究方法,都是由多种门类地质学科（水文地质学、工程地质学、环境地质学、矿床学、采矿学）交叉构成的,因而,矿床水文地质学是一门综合性和实用性的边缘地质学科。

2 矿床水文地质研究的两个主要方面

2.1 预测矿坑涌水量是矿床水文地质研究的主要内容

矿床水文地质研究的主要目的就是查明矿床水文地质条件,预测矿坑涌水量。早期矿坑涌水量预测多借助单孔渗流理论,如水文地质比拟法、矿井含水系数法和大井法预测矿井涌水量。由于勘探程度低、条件复杂而理论方法简单,上述预测方法存在较大偏差。在矿山开采阶段,用矿井实际排水资料作统计回归分析,建立回采面和巷道的回归方程,或用影响因素之间的相关关系做相关分析,预测矿井涌水量[8]。

尽管理论方法取得了较大进展,但矿井突水（涌水）量预测的准确性仍然不尽如人意。裂隙的组合、交叉、交切形式的多样性和复杂性,导致水在裂隙网络中的渗流不仅具有非均质各向异性、不连续性等特征,而且在裂隙交叉点上还存在偏流、偏向效应[9,10]。裂隙水的研究起步于上世纪60年代中期[11],Sow n D.T.等[12]用渗透张量方法建立了各向异性裂隙介质的渗流模型,成为该研究领域的先驱。20世纪70年代以后研究进展迅速,裂隙网络模型不断改进。具有代表性的几种模型为等效不连续介质渗流模型、等效连续介质渗流模型、广义双重介质渗流模型和广义双重介质渗流场与应力场藕合模型。

以上几种裂隙介质渗流模型从不同侧面概化和表现了裂隙岩石渗透空间结构特征和水流运动特征,都有各自特定的适用范围和应用条件。比较而言,广义双重介质渗流理论实用性强,广义双重介质渗流场与应力场藕合模型描述了在应力场作用下矿井水的运动特征、渗流场变化引起的围岩应力场变化规律,不仅适合用于解决实际复杂条件下裂隙水渗流模拟问题,而且为矿井地下水水量模拟与预测,更为矿井突水系统应力应变本构方程的建立奠定了理论基础。目前广义双重介质渗流场与应力场藕合模型是裂隙水研究的热点之一。

2.2 地下水水源判别研究是矿床水文地质研究的重要方面

目前,国内外研究成果大都集中在矿床水文地球化学基础研究或环境水文地质研究方面[13-16]。而对矿井突水（或涌水）这一类矿山开采难题,由于受水文地质条件、构造、开采活动等诸多因素的影响而略显杂乱。矿井突水（或涌水）多是从水质情况出发,进行常规水化学组分、微量元素、同位素等的测定分析,从而对涌（突）水水源加以判别。近年来对矿床地下水水源判别方法的研究,主要从以下几个研究方面取得了明显的进展:

一是在依据水文地质条件判别研究方面。矿床水文地质条件研究是矿床开发的前提和基础。如李百贵结合矿床水文地质条件,通过水力连通试验判断工作面水源的研究工作,取得了比较满意的效果[17];袁文华、桂和荣等对任楼煤矿的地温特征进行分析,建立地温方程,计算突水含水层水温,从而判别突水水源,具有指示作用[18]。

二是在水化学“标型组分”判别研究方面。利用地下水化学方法判别矿井涌水水源的依据是不同含水层的水具有不同的水化学成分,这些能用以区分不同含水层地下水特征的组分称为“标型组分”。目前应用较多的标型组分元素是“七大离子”、溶解氧、硝酸根离子等。在分析研究矿区常规水化学特征的基础上,引入灰关联评价、神经网络、数学统计、模糊评判、聚类分析等评价方法进行突水水源判别。如吕纯,钱家忠（2009）[19]分别利用 Elman网络与BP网络,针对淮南谢一煤矿地下水化学特征分别建立突水判别模型,实例结果表明,神经网络模型判别效果高于传统模型,为矿井水害防治提供了一种辅助决策手段。

三是在稳定同位素或放射性同位素判别研究方面。目前在同位素技术运用方面运用最多的、最成熟的是18O、D、T,18O、D是稳定同位素,具有示踪作用,借以查明区域地下水的“来龙去脉”,查清地下水的成因和补、径、排关系。T是放射性同位素,具有定年作用,借助它可以测定出地下水的年龄,以反映区域水循环的强弱。地下水中稳定同位素所反映的是大气降水进入地下之前在各组分大气中分馏的情况,而在进入地下水后,其含量不会随时间而变化,借此可以推断地下水的起源、各种水体的混合作用及强度。因此,许多学者应用环境同位素判别矿井突水水源,并取得不少研究成果。如国内学者桂和荣、陈陆望等[20-22]以环境同位素试验资料为论据,探讨了皖北矿区地下水的起源、补给、径流和排泄关系,以及含水层之间的水力联系,并建立了同位素水源判别模型,为水源判别提供了新的手段和依据。

四是基于GIS的矿床水源判别研究方面。在水文地质领域,GIS已经得到了广泛应用,其中矿井涌（突）水方面,也有多名学者应用 GIS来解决矿井涌（突）水预测和矿井水源判别问题。孙亚军[23]等利用GIS可视化技术将模糊综合判别结果直观地显示出来,系统不但实现了突水水源的点查询,还实现了突水空间分区,实际应用效果良好。崔喜、杨梅[24,25]建立了基于Access以及GIS软件淮南孔集等老矿区水化学信息数据库系统,并利用 GIS的空间判别分析功能建立了矿井主要含水层的突水水源 GIS判别模型,可以较好地对孔集矿井各主要含水层进行识别。

五是在运用模糊数学和运筹学方法判别研究方面。由于地质科学中的许多概念、判断、语言都具有模糊性,因而模糊数学在地质科学研究领域也同样得到了广泛应用。当各含水层的水化学特征不明显,同时存在多个突水水源时,很难据单因素进行准确无误的判别。采用模糊综合评判方法就能够达到水源判别的目的。余克林[26]根据矿井含水层的水化学分析资料和矿井涌水量资料,采用分级模糊综合评判来判定矿井涌水量的主要水源。卫文学等[27]根据已知水源、出水点典型化学离子组分含量等数据,采用运筹学方法,建立矿井出水点多水源判别数学模型,并利用简约梯度法对模型进行求解,随后运用该模型和算法对白庄煤矿的生产实际数据进行了验证,效果比较理想。

六是在多元统计分析方法判别研究方面。矿井水源判别的多元统计方法常见有聚类分析和判别分析两种。聚类分析方法是对样本进行数学分类,定量地确定样本之间的亲密程度,然后按亲疏差异程度归入不同的分类群体之中。判别分析是判别样品所属类型的一种统计方法,判别分析方法有逐步判别、序贯判别、距离判别、贝叶斯判别等等。高艳秋[28]在探讨四个突水含水层水文地球化学特征差异及原因的基础上,运用了逐步判别分析等方法建立了突水含水层判别模式,得到四个突水含水层线性判别函数,通过显著性检验和回判检验,效果显著。

由于开采矿山地下水影响因素和矿井水化学特征因素异常复杂,判别矿井地下水水源是一件十分艰巨的工程。对于同一个开采矿山来说,不是所有的方法都能适合用来判别地下水水源。这需要结合矿井的水文地质条件和有关资料的丰富程度,选择合适的方法来快速有效和准确地判别地下水来源。为了准确地判断矿井突水的来源,常需要采用两种及以上的方法来对比研究,以免对水源进行了误判。在实际工作中,需结合矿井水文地质实际条件,利用多种方法进行综合分析,才能得出正确的判别结果。

2.3 沉积变质型铁矿水文地质研究概览

与煤矿地下水研究相比,国内学者对铁矿矿床地下水研究显得相当薄弱。福建马坑铁矿属国内特大型地下开采铁矿,是水文地质条件复杂的岩溶充水矿区。赖树钦[29]（2009）对福建马坑铁矿地下水化学成分的变化特征进行了研究,并讨论了影响矿区地下水化学成分的主要因素。张文慧[30]（2010）分析了该矿床主要充水岩层地下水水位动态特征,得出矿区主要充水岩层由于构造、岩溶的影响,地下水动态变化差别较大,各观测孔影响因素不尽相同,各富水性区域之间联系不密切的结论。

河北省邯邢地区铁矿资源丰富,矿田内大中型矿床十几个,铁矿石总量5亿多t。铁矿田大部分位于河北省邢台百泉泉域岩溶水系统中,矿床水文地质条件复杂。王建国[31]（2009）研究了邯邢地区大水铁矿田裂隙岩溶地下水运动特征,对该铁矿田开采对地下水环境影响进行了分析论证。王立志,连民杰等[8]对河北省邯邢地区王窑铁矿地下水进行了较为系统的研究,建立了王窑铁矿的水文地质概念模型和数学模型,运用建立的数学模型计算了该矿床不同中段的矿坑涌水量和区域地下水补给量,并对该矿疏干法开采不同中段的地下水流场演变规律以及区域水环境的影响进行了讨论,提出了合理开发铁矿床和保护地下水资源的对策。而目前国内学者对利用地下水地球化学和同位素方法,判别沉积变质型铁矿水源的预测方法和预报成果尚未见报道。

3 霍邱铁矿开展水文地质研究的必要性

3.1 霍邱铁矿矿床概况

霍邱铁矿是华东第一大铁矿床,也是我省重要的铁矿资源产地。经过几十年的勘探,已相继探明了吴集、李楼、草楼、周集等大型矿床9处,累计储量近20亿吨。霍邱铁矿由于矿体埋藏深度大、水文地质条件复杂、水量较大,开采难度较大,值得深入研究。2004年,安徽大昌矿业集团、金安矿业公司等企业相继开工上马,拉开了霍邱这一特大型矿床开发利用的序幕。

霍邱铁矿地处淮河流域中上游冲积平原二级阶地区,气候为亚热带季风气候,雨量充沛。矿区地表水系发育,池塘密布。矿区西北有蝎子山水库,四十里长山为地表分水岭,东侧有城西湖地表水体,期间构成一相对完整的水文地质单元,面积约800km2。铁矿体位于区域侵蚀基准面（18m）和地下水位之下。矿床内第四系广泛分布,下伏为下元古界含铁变质岩系。

霍邱铁矿矿体多赋存于新太古界霍邱群周集组片岩、片麻岩、斜长角闪岩及白云石大理岩中,由于构造作用,矿体及围岩倾角甚陡,甚至达到50-70°,矿体裂隙比较发育,基岩裂隙含水层透水性富水性较强,远离矿体两翼的片岩、片麻岩和白云石大理岩裂隙不发育,透水性差,在空间上形成南北狭长的地下含水体;矿体上覆周集组风化裂隙含水层、青白口系风化裂隙含水层与第四系孔隙含水层,其特点是分布范围大、厚度大、透水性较差、富水性较弱。李楼、草楼等矿山一期建设的排水系统置于深部-200米,在矿山排水情况下,深部基岩裂隙含水层地下水压力释放,在垂向水力梯度作用下,第四系水通过垂向越流补给基岩裂隙水,垂向上存在很大的水力梯度,地下水疏干流场呈现空间流场。自地表而下地层岩性、水文地质特征分布如下:

第四系出露地表,为淮河流域河湖相沉积,平均厚度大约170m,为一新生界（第四系）含水层（简称“新生水”）。其次为古风化带裂隙含水岩组（简称“古壳水”）。第四系在沉积之前,下元古界变质岩系经风化剥蚀等作用,形成似层状的古风化壳,平均厚度在30m。风化带中构造裂隙发育,该带岩石含有较丰富的裂隙水。古风化壳之下为新鲜基岩含（隔）水岩层（简称“基含水”）。含矿顶板主要为混合岩、片麻岩段,裂隙不太发育,裂隙多被碳酸盐及绿泥石充填;其次为含矿裂隙含水岩段,再次为矿体底板裂隙含水岩段,主要岩性为片麻岩和混合岩段,裂隙不发育。再往下为混合花岗岩不含水组,该组裂隙不发育,不含水,为一隔水层。因此,霍邱铁矿矿床水文地质条件属于构造裂隙发育的、地下水水量较为丰富的沉积变质型难采矿床。

3.2 霍邱铁矿开展水文地质研究的必要性

矿床地下水在其赋存和运动过程中,不断与周围介质相互作用,在经历一系列物理化学作用过程后,产生地下水化学成分的动态平衡。因而,处于不同地质、水文地质条件中的地下水,其化学成分在构成与含量上都有差别,这为判别矿床涌（突）水水源提供了依据。因此,分析、研究地下水的化学特征和分布规律,有助于分析地下水的赋存、补给、径流和排泄条件,查明井下突水水源,进而为矿山预测并有效防治矿井水害提供决策依据。

通过实际调研认为,霍邱矿区各矿床要提出切实可行的防治水方法,必须对矿床水文地质条件进行深入分析,特别是研究矿体顶板含水层的构造裂隙发育分布规律、地下水分布规律,以及第四系含水层与古风化带裂隙含水岩层、基岩含水层的水力联系特征等,然后通过综合分析及比较,制定技术可行、经济合理、安全有效的防治水技术方案,达到采矿生产安全高效的目的。由于各铁矿矿体相对集中,矿体与围岩为含水层,构造裂隙发育,涌水量较大,长期排水势必增加矿山排水费用支出,同时影响矿石回采率和生产安全率,从而影响矿山经济效益和社会效益。

矿井涌水主要来自于各含水层中的地下水,与大气降水、地表水具有一定的水力联系。当矿井开采时,由于采动使岩层产生大量的裂隙,导致各含水层水力相对平衡状态被打破,当相对隔水层的水压超过其所能承受的最大压力时,就发生涌水。当矿井涌水量超过正常排水能力时,就可能造成矿井水灾。处理矿井涌水的得力措施是采取疏干排水的办法。由于疏干排水可能引起地面沉降、开裂,加上采矿可能对地表造成陷落等不良地质现象,这些将加大大气降水对矿坑地下水的入渗补给量,不仅增加井下排水费用,有可能因泥沙涌入而产生泥石流（即井下突泥现象）。因此,要在控制霍邱铁矿矿坑内地下水位降落漏斗至相对稳定的状态下,尽量少排、晚排地下水,达到预防突水淹井、减少排水费用等目的。如何充分利用各铁矿前期地质和水文地质勘探、矿床开采地下水资料,采集巷道抽水试验井孔水、坑道动态排水等水样,结合现代的测试和预报技术来快速判别开采水源,显得尤为重要和迫切。

开展霍邱铁矿床水文地质研究,不仅可以丰富沉积变质型铁矿床地下水地球化学理论,同时可以为铁矿矿井防治水实践提供技术支持。开展该项研究,为矿山水文地质研究、快速准确判别水源提供基础资料,对于铁矿井下开采的疏干工程和矿山安全生产具有重要参考价值。对同类矿山的地下水水源科学判别和综合防治具有较强的指导意义。地下水涌水量预测模型应用于矿区水文地质勘探实践方面,不但为矿区建设提供了科学依据,也为对类似矿区的地下水系统研究提供参考模式。充分利用霍邱铁矿巷道抽水试验孔和不同中段坑道排水孔可以进行取样的优势,通过地下水宏量元素、微量元素和同位素组成的测试分析,为研究矿床主要含水层水文地球化学特征,科学判别地下水来源提供理论依据,并将成果应用于矿床生产实际,防“涌水/突泥”于未然,以降低因采矿活动所带来的环境地质问题所造成的危害程度。

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Preliminary Studies on the Basical Issues of the Deposit Hydrogeology——Concurrently Discussing the Necessity of Hydrogeological Study at Huoqiu Iron Ore

TAN Lu-gui,ZHANG Guang-sheng,WANG Wan-fen,LI Guang-yao,XU Hui

（College of Resources and Environment and Tourism Management,West Anhui University,Lu’an237012,China）

The deposit hydrogeology as a branch subject of hydrogeology,it’s an integrative and practical interdisciplinary field,involved in hydrogeology,engineering geology,environmental geology,deposits,mining science and some other subjects.The purpose of the hydrogeological study is to ascertain the deposit hydrogeological conditions and to predict the pit inflow of water.In addition,it can scentifically identificate groundwater source and provide scientific basis for deposit mining.Huoqiu Iron Ore is the largest iron deposit in east China which consists of 9 large-scale ore deposits,the cumulate p roved reserves had reached to 20×108 t, and it is also an important resource for producing iron in Anhui.Huoqiu iron ore is a super major sedimentary-metamorphic type deposit,its orebodies buried deeply.Furthermore,its hydrogeological conditions are complicated and there are a larger quantity of groundwater,so the mining is very hard.This paper researches the hydrogeology of Huoqiu iron ore deposit,which not only enriches the hydro-geochemical theory of sedimentary-metamorphic deposit,but also provides its technical support for the groundwater prevention and treatment of iron mine,which will provide the application with very important reference value for the dewatering project and safe production of mining.

the deposit hydrogeology;groundwater;pit inflow of water;distinguishing method of water source;Huoqiu iron ore

P33

A

1009-9735（2010）05-0083-05

2010-08-10

安徽高校省级自然科学研究项目（KJ2010B261）;省教育厅优秀人才基金项目（2009SQRZ194）;安徽省人文地理学重点学科（皖西学院）资助项目。

谭绿贵（1963-）,男,安徽霍山人,教授,博士,研究方向:基础地质学、环境地球化学、水文地质学。