河北某铁矿矿床水文地质条件分析及矿坑涌水量预测

刘大金，靳 宝

(1.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021;2.河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山 063000)

马城铁矿位于河北省滦南县马城镇，铁矿总资源量10.48亿 t，是我国目前发现最大鞍山式沉积变质铁矿床之一，矿体赋存于太古界变质岩中，赋存标高－47～－1 404m。矿床上覆厚大第四系强含水体，属大水矿山，一直未能开采，成为大水呆滞矿。随着国内对铁矿石需求量的加大以及国际铁矿石价格的不断上涨，为突破资源瓶颈，解放水中呆滞铁矿，减少国内钢铁工业对国际矿石的过度依赖，如何采取可行的采矿方法释放其巨大资源潜力迫在眉睫。本文系统地、辨证地分析矿区地下含水系统、流动系统特征，依据矿床水文地质条件预测了矿坑涌水量，提出了矿山防治水议。

1 矿区水文地质条件

1.1 矿区概况

矿区位于地处滦河冲洪积扇一级阶地上部，区内地形开阔平坦。气候类型属温带半湿润大陆性季风气候，多年平均降水量659.5 mm(滦县气象站 1954－2010年)，降水量年际、年内分布不均，降水集中在7—9月份。区内主要河流有滦河，滦河自北向南流经矿区东侧，多年平均径流量46.54亿m3/a(滦县水文站1929－1979年)。

矿床被第四系松散层覆盖，第四系以砂砾卵石、细砂为主。第四系下部为太古界单塔子群白庙子组变质岩类，矿体赋存其中。矿区位于山海关隆起的次一级司马长复式向斜构造带中，断裂发育，主要发育有 F1、F2、F3断层。F1、F3处于3－24线间，其产状如图1所示，两断层对矿体有破坏作用，断层及断层影响带构造裂隙发育，透水性、富水性较好，为基岩裂隙水良好的赋存场所和运移通道。F2断层位于矿床西侧，走向近南北，倾向东，倾角65°～79°，为区内老断层，因其被辉绿岩脉侵入充填，除3－24线间受后期断层F1、F3错断影响，辉绿岩局部破碎外，其余地段辉绿岩完整，透水性弱、富水性较差。

矿山拟采用上向分层充填法进行开采，巷道(采场)系统置于基岩深部，从－900m标高每120m一个开采水平向上开采，最高开采标高至－240m，矿坑与第四系间留有厚度60～80m的基岩预留顶板不开采，目的是减少第四系水对井下开采的影响。

图1 矿区基岩水文地质略图

1.2 地下含水系统特征

本区含水层分为3个含水层，垂向上强弱相间:

第四系松散岩孔隙水含水层(组)广泛分布于地表，厚度50～180m，北薄南厚，颗粒上粗下细，透水性上强下弱的特征，上部以砂砾卵石为主，厚度50～60m，渗透系数300～500m/d，最大1 000m/d，透水性、富水性极强，且与滦河水力联系密切;下部由细砂和各类砂土组成，厚度20～30m，渗透系数35～50m/d，透水性、富水性中等;中部分布一层连续性较好的粉土、粘性土，厚度5～8m，为极弱透水层，使得第四系上部含水层与下部含水层间水力联系减弱，但第四系含水层(组)仍构成统一含水体——“地下水库”。

基岩风化裂隙含水层位于第四系底部，厚度稳定，连续性较好，平均厚度57.49m。该含水层透水性富水性空间分布不均一，具体表现为3线以南和24线以北受构造作用小，强风化带呈土状、碎屑状，透水性极弱，单位涌水量0.002～0.005 L/s·m，可视为弱透水层;弱风化带单位涌水量0.01～0.03 L/s·m，渗透系数 0.02 ～0.09m/d，为弱透水层。3－24线因发育有多条断层，在风化与构造共同作用下，风化带结构不同程度遭到破坏，厚度增大，透水性、富水性增强，弱风化带单位涌水量 0.03～0.126 L/s·m，渗透系数 0.03～0.22m/d，弱风化带是风化裂隙水的主要赋存部位。

基岩构造裂隙含水层主要赋存于断层及其影响带内，平面上分布于3－24线间，由F1、F2、F3断层相互作用形成的复合影响带构成，破碎带厚度从几米到几百米不等，因F1、F2、F3断层在垂向上有合拢的趋势，多条断层组成的复合影响带在基岩深部宽度变窄，构造裂隙水含水层在垂向上体现为上宽下窄的似“花朵”形状(见图2)，单位涌水量0.1～0.3 L/s·m，渗透系数 0.099 ～1.87m/d，属中等富水性含水层。

图2 马成铁矿A－A'基岩水文地质剖面略图

远离3－24线间风化带以下矿体及围岩岩体完整，裂隙不发育，透水性极弱，可视为相对隔水层。

上述各含水层之间存在一定的水力联系，组合成统一的地下含水系统。3－24线因受多条断层影响，矿体及围岩部位形成一个深度大、北东向狭长的构造裂隙储水廊道，矿山开采条件下该储水廊道成为矿坑地下水运移和汇聚基岩裂隙水的通道，为矿坑水的储存与运移通道。矿体上覆风化带分布面积大，连续性好，透水性弱，很大程度减弱了第四系水与矿床之间的水力联系，风化带成为控制第四系水进入矿床的关键层位，风化带之上的第四系含水层分布范围大，厚度大在，透水性、富水性强，且与滦河水力联系密切，为矿坑水的最终来源。

1.3 地下水流动系统特征

天然条件下，第四系地下水主要补给来源为大气降雨、滦河渗漏补给以及侧向径流补给，总径流方向受地形控制由北向南运动，主要排泄途径为人工排泄和地下水侧向径流排泄。基岩地下水在接受北部山区区域地下水侧向补给后，自北向南径流，由于本区属变质岩地区，基岩渗透性整体较差，地下水侧向径流受阻，径流缓慢，基岩裂隙水位略高于第四系水位，垂向上通过风化带托顶越流补给第四系含水层，侧向上缓慢径流排泄于区外。

矿山开采条件下，地下水运动必然发生改变，形成新的地下水疏干流场。巷道排水系统位于基岩深部，巷道排水使深部基岩构造裂隙水压力突然释放，上部基岩风化裂隙水地下水以空间渗流形式向排水点汇聚，形成了一定范围的地下水压力释放空间场，第四系水以越流形式垂向补给基岩裂隙水，地下水以垂向运动为主。矿区大口径钻孔抽水资料佐证了以上分析，大口径钻孔DCK02位于F1、F2、F3断层的复合部位，抽水层位为基岩构造裂隙水含水层，抽水量3 508.80m3/d，抽水时间22 d21h，降落漏斗中心基岩水位降深值13.60m，第四系下部中等含水层水位降深值1.9m，第四系浅部含水层水位未变，在垂向上，水头梯度已基本形成，不同层位的水头压力不同，形成了一定范围的地下水疏干流场。在水平上基岩地下水降落漏斗沿3－24线北东方向扩展远(见图1)，而其余地段扩展范围小，在3－24线间矿体及围岩部位形成一个深度大、北东向狭长的构造裂隙储水廊道。

2 矿坑涌水量预测

2.1 水文地概念模型

矿区地下含水系统形状似“蘑菇状”。第四系含水体似“蘑菇头”，为矿床主要充水水源，3－24线之间断层及其影响带形似“蘑菇径”，为矿床充水通道，基岩强风化带为“蘑菇头”与“蘑菇径”之间的阀门(见图3)，控制着第四系水进入矿床的关健层位。由于F1、F2、F3所组成的断层网络分布范围较大，发育深度大，开采条件下，构造裂隙含水带地下水头释放后，必将影响更大范围的基岩风化裂隙含水层地下水头释放，从而导致大面积第四系水通过基岩强风化带垂向越流补给，强风化带的空间分布、厚度及其透水性直接决定了第四系水进入断层破碎带的水量大小，因此，强风化带、断层破碎带是影响矿床充水关键因素，前者充当“阀门”，后者办演“输水管道”。第四系含水层富水性极强，是天然巨大的“地下水库”，为定水头补给边界及一类边界。基岩风化带为无限补给边界。构造裂隙含水(层)带的两翼基岩裂隙不发育，透水性弱，为隔水边界(见图3)。据勘探资料显示，900m深度基岩裂隙不发育，岩体完整，本次计算模型底边界选取900m深度，底边界为隔水边界。

图3 开采条件下水文地质概念模型

2.2 水文地质数学模型及其求解

根据前述研究区的边界条件，含水介质特征以及地下水的补给、径流、排泄条件，可以将研究区的水文地质模型概化为三维非稳定流，其数学模型为:

式中:x为东西方向;y为南北方向，z为垂直方向;K为含水层的渗透系数(m/d)，认为含水介质为各向同性介质，即各方向渗透系数相等;H为任意空间点(x，y，z)的水头随时间t函数(m);H0为任意空间点(x，y，z)的初始水头函数(m);W为源汇项，本模型中即为矿坑涌水量(m3/d);μe为弹性给水度;B为矿区四周无限边界;Ω为模拟范围。

渗流区剖面采用有限差分法对物理模型进行矩形剖分，对地层分界线、抽水孔、观测孔附近进行加密处理，共剖349 440个单元格。采用三维有限差分方法求解，计算软件采用地下水模拟通用软件“Visual Modflow 4.2”三维渗流模拟系统来实现。模型的识别利用DCK01、DCK02群孔抽水试验资料进行调试和验证的。对矿区基岩观测孔在群孔抽水试验期间的实测水位与计算水位进行了拟合，地下水动态拟合曲线基本吻合(见图4)，说明建立的水文地质数学模型基本合理、符合客观实际，可以用来预测矿坑涌水量。

图4 计算水位与实测水位拟合图

利用识别后的数值模型，对矿区开采阶段矿坑涌水量进行预测计算。依据矿山开采设计方案，－900m和－540m两个标高同时向上开采，每120m一个水平，即－900m与－540m联合开采、－780m与－420m联合开采、－660m与－300m联合开采，－570m与－240m联合开采，－240m标高以上矿体及围岩留设矿坑安全顶板，不予开采。结合开采设计方案，本次预测工作对各联合开采水平进行矿坑涌水量预测，预测结果见表1。

2.3 矿坑涌水量预测

表1 矿坑涌水量计算 万m3/d

通过矿坑涌水量预测，可取得如下几点认识:

(1)随着开采水平逐渐加深，矿坑涌水量逐渐减小，反应了矿坑涌水量主要来源是上覆第四系水的垂向越流。原因是F1、F2、F3断层在深部有合拢之趋势，基岩浅部破碎程度大于深部，矿坑涌水时流场影响范围浅部大于深部，浅部接触第四系水垂向补给范围大，越往深部第四系越流补给量到达矿坑的瓶颈越小。因此，矿坑涌水量随开采深度的加大变小的。

(2)本次矿坑涌水量预测，是基于每个开采水平皆是揭穿构造破碎带时的涌水量，如矿坑不揭露构造破碎带，如矿区3线以南区域，－240m高程矿坑涌水量为956m3/d，是该水平遭遇构造破碎带后涌水量的1/62。

(3)数值法预测矿坑涌水量是建立在矿山上向分层充填开采法的基础上，即不得破坏矿床上覆第四系、风化带介质场结构。如采矿活动造成矿床上覆顶板坍塌，第四水将大量涌入矿坑，后果不堪设想。

3 矿山防治水建议

矿区构造破碎带是联系第四系水和矿坑之间的主要导水通道。风化带、构造破碎带及基岩的透水性均小于第四系含水层，矿坑开采过程中不可能将矿体上部含水层疏干，仅有局部透水性较强的地段由于矿坑排水成为无压区。因此，矿山只能带压开采，因水压大，生产过程中必须疏水降压。特别是矿区3－24线断层及破碎带是第四系水进入矿坑的主要地段，该地段矿坑顶板岩石破碎，自稳能力差，矿坑排水将进一步加据围岩的失稳，极易发生坍塌而导致大量第四系水涌入矿坑，后果不勘设想。因此，在开采3－24线间矿体前应先进行治水。

根据矿床水文地质条件，建议在3－24线进行地面预注浆，注浆段选在第四系底板至－240m标高基岩(矿坑预留顶板位置)，在加固矿坑顶板的同时，从垂向上最大程度截断第四系水进入矿坑的通道。3线以南和24线以北矿坑涌水量较小，但必须强调，采矿接近基岩风化带时，务必加强矿坑顶板的监测与保护，防止顶板变形过大或坍塌，产生大量新生裂隙将第四系水与矿坑导通，建议在生产过程中投入专门的岩体力学研究，分析地下硐室围岩应力应变过程，计算科学合理的矿坑预留顶板。

4 结语

本文在分析马城铁矿地下含水系统特征、流动系统特征的基础上，分析了影响矿床井下安全开采的主要因素是3－24线间断层及构造破碎带，该地段不但是第四系水进入矿床的主要地段，同时是大跨度采场围岩易失稳坍塌的主要位置，不管是从矿坑涌水角度，还是从地下硐室围岩稳定性角度，均要求对该地段基岩进行预加固处理，最大程度减小第四系水对矿床开采的影响，从而达到安全开采的目的。

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