燕青铁矿矿坑涌水量预测

杨春发　王亚军

(1.福建东辰综合勘察院,福建福州　350005;2.武汉工程大学资源与土木工程学院,湖北武汉　430074)

燕青铁矿矿坑涌水量预测

杨春发1王亚军2

(1.福建东辰综合勘察院,福建福州350005;2.武汉工程大学资源与土木工程学院,湖北武汉430074)

介绍了燕青铁矿的基本情况和矿床水文地质条件,并分析了矿区含水层情况及矿床充水条件。在此基础上,针对矿区不同含水层分别采用地下水动力学法和水文地质比拟法进行了矿坑涌水量预测,为矿山开采设计提供依据和参考。

矿坑涌水量水文地质条件燕青铁矿

矿坑涌水量是矿山开采设计部门制定疏干措施和确定排水设备的关键数据，矿坑涌水量的预测直接影响矿山生产安全。目前，计算和分析矿坑涌水量的方法众多，主要有比拟法、大井法、水均衡法、涌水量曲线方程法、数值模拟法、电网模拟法等[1，2]。在实际预测矿坑涌水量时，需要依据具体的矿山地质环境条件来选择适合的预测方法。本文针对河北省武安市下水头燕青铁矿的不同含水层分别采用不同的预测方法进行预测，为该新建矿山防治水方案提供依据和参考。

1　矿山概况

武安市下水头燕青铁矿位于河北省武安市矿山镇下水头村南偏东400m，处于邯邢矿山管理局马甲脑铁矿南偏东1km左右，矿区面积0.105km2。矿区位于太行山南段低山丘陵区，总体地势西高东低，地面标高450m～300m，相对高差100多米，矿床附近地段地形南高北低。

该铁矿利用前人施工三个地质孔圈定一个隐伏矿体(图1)，矿体走向北西西，其长度约175m，倾向西南，宽约55m。铁矿体赋存于奥陶系中统灰岩与燕山期闪长岩接触带中，为接触交代矽卡岩型铁矿床，矿体赋存最低标高-50m。探明经济基础储量(122b)2.8×105t，矿山设计生产规模为年产矿石3.5×104t，属于小型矿山。

2　矿床水文地质条件

2.1矿床地质

根据矿床地段钻孔揭露(图2)，矿区分布地层依次为第四系上更新统(Q3)，岩性为黄土状粉质粘土;奥陶系中统灰岩(O2)，主要为上马家沟组第二段灰岩，岩性为大埋岩、结晶灰岩;闪长岩(δ)，中生代燕山期中浅相岩浆岩。岩性为闪长岩、闪长玢岩、蚀变闪长岩。

图1　下水头燕青铁矿平面图

表1　系数η值参考表

奥陶系灰岩产状，走向北东，倾向南东，火成岩体主要沿顺层侵入灰岩。剖面上呈多层状或分叉状分布(图2)，平面上看似捕掳体或残留体形式分布，实际上它们之间有这样或那样的联系。总体上，矿床地段灰岩埋藏深度自西向东逐渐增大，燕青铁矿床分布于闪长岩体中部。矿体赋存于奥陶系中统与闪长岩接触带，主要矿体分布标高为-4m～-41m，矿体底板为闪长岩，顶板为灰岩。

2.2矿区含水层

矿区含水层分为奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层和闪长岩风化构造裂隙含水带。

2.2.1奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层

根据距矿床北300m的下水头村供水井资料，该井水位埋深230m(停泵几天观测水位)，水位标高70m。依此作为矿床地段灰岩地下水位计算，矿床地段上段灰岩不含水，下段灰岩含水层底板标高55m，其厚度70m左右。

2.2.2闪长岩风化构造裂隙含水带

在深部闪长岩体一般不含水，受构造作用形成构造裂隙含水，但含水不均一。调查发现，矿床附近的几个矿山凿进火成岩的坑道、竖井遇到裂隙呈小股水流涌出或滴状涌水。矿床附近闪长岩水位标高200.72m，高于灰岩地下水位100多米。

3　矿床充水条件分析

3.1矿床开采条件

矿体为隐伏矿体，主要赋存于下层灰岩与闪长岩接触带中，为接触交代矽卡岩型磁铁矿床。矿体分为上下两段，上段矿体埋深255. 4m～258.00m，分布标高89.6m～87.0m，矿层厚度2.6m，顶板为闪长岩，底板为灰岩;下段矿体埋深341.0m～378.0m，分布标高-4m～-41.00m，矿层厚度37.0m，为主要开采矿层。

开拓系统由主井、风井和巷道等组成。主井由地表掘至-50m标高，主井兼做进风井。风井由地表掘至0m标高。矿山在0m、-50m水平设生产运输巷道，该巷道与主井连通。在0m、-50m水平设回风巷与风井相连通，形成完整的运输、通风系统。

落矿方式为浅孔凿岩崩矿，出矿方式为人工装矿、人力车出矿。回采顺序为先采上中段，后采下中段，其中下中段留3m～4m厚顶柱，以便隔离上部采空区，矿房中自上而下回采，采场放矿分为两步骤，即局部放矿和大量放矿。

3.2矿床充水条件分析

下段矿层为开采主要矿体，其赋存标高-4m～-41m。该矿体顶板为灰岩，底板为闪长岩。灰岩岩溶裂隙地下水位标高为70m左右，闪长岩构造裂隙地下水位标高为200m左右。

图2　燕青铁矿床1线水文地质剖面图

矿床地段，灰岩受闪长岩多层侵入变质作用，多变质为大理岩、结晶灰岩，近矿体段大理岩化、矽卡岩化，其透水性有一定程度减弱。灰岩地下水是将来矿床主要的充水含水层。

闪长岩裂隙地下水，一般情况下不含水或少量含水，但在构造发育地段含构造裂隙水，据调查，矿床地段原下水头村竖井排水量20～30m3/h，矿床西200m原下水头村矿坑，揭露浅部闪长岩，来自闪长岩地下水水量20～30m3/h。闪长岩构造裂隙水对矿坑充水也有一定的水量。

3.3水文地质条件概化

矿区奥陶系灰岩为主要含水层，地下水位标高70m。调查认为，矿床地段灰岩地下水与北部300m～600m的下水头村供水井、马甲脑矿供水井、棉机厂供水井的灰岩地下水有较密切的水力联系，它们接受西部区域灰岩地下水补给。矿床地段灰岩含水层向东、向南厚度变薄、埋藏增大，其透水性弱。矿床灰岩地下水主要接受西部区域地下水补给。此外，矿坑还有少量的闪长岩风化构造裂隙地下水补给。

4　矿坑涌水量预测

矿坑涌水量包括灰岩地下水补给量和闪长岩构造裂隙地下水补给量。灰岩地下水补给量计算采用地下水动力学法;闪长岩构造裂隙地下水补给量采用比拟法进行估算[3，4]。

4.1计算相关参数

4.1.1渗透系数的计算

利用距矿床北侧300m的下水头村供水井抽水资料进行灰岩含水层渗透系数计算。该供水井深400m，揭露灰岩厚度360m，地下水埋深230m，含水层厚度130m。抽水试验:水位降深10m，抽水量720m3/d。选用潜水完整井公式计算渗透系数[5]。

式中: k—渗透系数，m/d;

Q—钻孔出水量，m3/d;

H—含水层厚度，m;

S—水位降低值，m;

r—井口半径，m;

R—影响半径，m。

代入数值经计算:渗透系数为0.66m/d。

4.1.2矿坑引用半径(0r)

矿坑引用半径按下式计算[6]。

式中:0r—矿坑引用半径，m;

η—系数，按表1取值;

a、 b—矿坑长度、宽度，m。

矿体走向北西西，其长度175m，倾向西南，宽约55m，1.13η=。代入数值计算得:0r65m=。

4.2-50m中段矿坑涌水量预测

4.2.1灰岩地下水涌水量

本区地下水位埋藏深，选用地下水动力学大井法进行矿坑涌水量计算，计算公式如下:

式中: k—含水层渗透系数，m/d;

H—含水层厚度，m;

S—坑道疏干排水水位降低值，m;

R—矿坑疏干排水的影响半径，m;

r0—矿坑引用半径，m。

灰岩含水层厚度70m，矿坑水位降至含水层厚度一半时，矿坑涌水量最大。代入相关参数计算得:

4.2.2矿坑闪长岩风化构造裂隙水涌水量

对于-50m中段矿坑闪长岩风化构造裂隙含水层涌水量的计算，采用水文地质比拟法估算，计算公式如下[7]:

式中: Q—-50m中段矿坑闪长岩风化构造裂隙含水层涌水量，m3/d;

Q0—类比矿坑涌水量，m3/d;

F—矿山矿坑系统面积，m2;

F0—类比矿山矿坑系统面积，m2;

S—预测矿区水位降深，m;

S0—类比矿坑疏干水位降深，m。

据调查，距离矿区北西侧约1km的马甲脑铁矿地质环境条件类似，开采标高120m～130m，矿体系统面积300m×100m，其矿坑排水量1200m3/d左右，其涌水量主要来自于闪长岩风化裂隙和构造裂隙水。

代入相关数值进行计算，燕青铁矿-50m中段的闪长岩构造裂隙水涌水量将有720m3/d左右。

4.2.3矿坑涌水量

矿体开采标高-50m中段的矿坑总涌水量为两含水层涌水量之和，即4033m3/d。

5　矿坑涌水量预测评价

燕青铁矿开采标高-50m中段矿坑涌水量预测为4033m3/d，其中主要灰岩地下水涌水量3313m3/d，闪长岩风化构造裂隙水涌水量720m3/d。预测水量可靠程度从以下二个实际抽(排)水资料予以论证。

(1)矿床北部300m～600m的供水井资料:距矿床北300m的下水头村供水井，抽水量720m3/d，地下水位降低10m左右;距600m的棉机厂供水井，抽水量1380m3/d，地下水位降低9.29m。据二个供水井抽水资料，若将其换算成引用半径(0r)为65m的矿坑，同时地下水位降低与燕青铁矿灰岩地下水降深值一样，计算结果与上述计算灰岩来水的矿坑涌水量较接近。

(2)根据该矿区附近的同类同标高的石板坡铁矿矿坑排水量资料。石板坡铁矿开采标高-50m，矿坑排水量3000m3/d(包括闪长岩水量)，雨季矿坑排水量达4000m3/d左右。但该矿山坑道揭露的地层，灰岩多呈捕掳体分布，其灰岩透水性较燕青铁矿灰岩含水层稍弱。

据上述资料，燕青铁矿-50m中段预测矿坑涌水量基本可靠。

6　结论与建议

(1)燕青铁矿体主要赋存于下层灰岩底板与闪长岩接触带，矿体分布标高-4m～-41m，其直接顶板为奥陶系中统灰岩，底板为闪长岩。矿床充水岩层有二个，一是灰岩岩溶裂隙地下水，二是闪长岩风化、构造裂隙地下水。-50m中段矿坑涌水量4033m3/d，其中灰岩地下水量3313m3/d，闪长岩风化、构造裂隙水量720m3/d。根据周围同类矿山排水量进行分析论证，其结果基本可靠，可作为矿山开采设计依据。

(2)矿山基建及开采生产过程中，应随时关注灰岩含水条件的变化，不断地积累水文地质资料，对水文地质条件进行再认识后，对矿坑涌水量进行修正。矿山开采坑下必须具备与矿坑涌水量相应的排水能力。同时基建和生产过程中应进行探水掘进和开采。

[1]陈酩知,刘树才,杨国勇.矿井涌水量预测方法的发展[J].工程地球物理学报,2009,6(1):68-72.

[2]刘相利,赵旭林.某锡矿水文地质特征分析与涌水量预测[J].有色金属(矿山部分),2012,64(4):34-36.

[3]蒋利辉,郭训武.专门水文地质学[M].北京:地质出版,2009.

[4]地质部水文地质工程地质技术方法研究队.水文地质手册[M].北京:地质出版社,1978.

[5]李俊亭.地下水动力学[M].北京:地质出版社,1987.

[6]李才华,滕伟福,高超,等.某矿井水文地质特征分析及涌水量预测[J].安全与环境工程,2009,16(6):100-104.

[7]祝小辉.用比拟法与稳定流“大井”法计算预测铁嶂矿区白云岩矿矿坑涌水量[J].矿产勘查,2012,3(4):570-574.

杨春发(1976—),男,江西瑞金人,工程师,主要从事工程地质水文地质方面工作。