半碑店铁矿矿坑涌水资源化利用分析

2015-12-15赵宏亮时玉涛

地下水 2015年3期

赵宏亮，时玉涛

(河北省唐山水文水资源勘测局，河北唐山063000)

1 矿区概况［1］

半碑店铁矿位于河北省滦县城北2 km，隶属滦县滦州镇管辖。矿区地理坐标为:东经 118°40'45″～118°42'00″，北纬39°45'45″～ 39°47'00″，面积 3.20 km2。

矿山开采范围内设计利用资源储量(122b+333)为1 080.199 5 ×104t;预可采储量为 703.416 3 ×104t。根据矿体的赋存条件，设计布置七个中段，分别为:－70 m、－100 m、－135 m、－170 m、－200 m、－219 m 和－238 m，中段高度19～35 m，其中一期－170 m以上服务年限15年，生产规模为 50×104t/a。

由于本矿区矿体深埋地下100 m以下，矿体厚度较薄，不适于露天开采，因此设计确定采用地下开采方式进行开采。设计采用充填法，其中房柱嗣后充填采矿法占全部矿石的70%;上向分层胶结充填采矿法占全部矿石的30%。垂直方向上采用由下向上开采，安全性较好，在水平方向上为从远离村庄的北端向村庄方向退采。

在－170 m水平建一水仓和一水泵硐室，－170 m水平以上的坑内涌水汇集到－170 m水平的水仓内，经地下水仓沉淀后，由水泵和副井内的排水管排至地表高位水池，一部分由高位水池经输水管线供半碑店铁矿配套规划选厂用水，一部分排入横河供规划区使用。

2 地质、水文地质条件

2.1 地质条件

2.1.1 地层、地质构造

1)地层。矿区内基岩露头甚少，除矿区南部马鞍山为一海拔117.80 m小山丘外，其余均为第四系覆盖的平地，岩性主要为上部岩性亚粘土、亚沙土，砂卵砾石层等，基岩出露地层为中元古界长城系大红峪组和太古界单塔子群白庙子组。

2)断裂。区内褶皱构造不明显，仅局部地段有低缓的起伏。断裂构造较发育，主要断层有:F1压扭断层、F2逆断层、沈官营～王官营断层和顺层滑动断层。

F1压扭断层长度约800 m，为压扭性质。断层走向320°，倾向南西，倾角 62°～66°;北东盘西移，水平断距 40 m左右。钻孔中断层破碎带厚2.05～4.00 m，岩石呈角砾状、碎块状，高岭土化，地下水活动迹象明显，地面磁异常也有明显反映。

F2逆断层长900 m，断层走向275°，倾向北，倾角80°～85°。该断层在马鞍山地表有出露，垂向断距94 m，水平断距40 m，在南矿体南端通过，对矿体无影响。

沈官营～王官营断层为一区域性断层，从矿区西侧通过，压扭性质，该断层虽没直接通过矿体，但对矿体和围岩的影响较大，对北矿体的影响尤甚。从钻孔揭露情况看，矿区北部岩体和矿体均较破碎，特别是顶板围岩大部分呈碎块状且风化强烈，风化深度在百米以上，应为该断层的影响所致。

顺层滑动断层在北－中矿体施工的钻孔中矿心破碎，顶板围岩层间裂隙发育，局部可见摩擦镜面，多处出现无岩心地段;部分钻孔的矿心呈角砾状、砂状;靠近矿层顶板的矿石氧化程度高，说明沿矿体和顶板间存在顺层滑动。

2.1.2 矿体围岩

矿体顶板围岩以混合花岗岩为主，少量片麻状混合岩、变粒岩和含磁铁石英岩;此外，还有分布零星的薄层状或透镜状各种片岩，根据矿物组合可分为角闪片岩、黑云角闪片岩、黑云石英片岩等。

矿体底板围岩以变粒岩为主，少量混合花岗岩、片麻状混合岩、黑云石英片岩等。

由图6可知，总体上，HHCB和AHTN的去除率随合成麝香初始浓度的增加先急剧增加后趋于平稳。HHCB在初始质量浓度为150 ng·L-1时，去除率达到最大值（84.40%），之后随着HHCB浓度的增加，去除率趋于平稳；而AHTN在初始浓度大于200 ng·L-1后，去除率趋于平稳。

2.2 水文地质条件

2.2.1 第四系孔隙含水组

根据矿区含水层岩性和地下水埋藏条件，由上往下分述如下:

1)孔隙潜水含水层。含水层岩性主要由亚粘土、中细砂组成，厚度6～10.0 m，弱含孔隙潜水。因近年人工开采，致使水位下降，水量减少。

2)第一隔水层。岩性为淤泥质粘土，为上更新统湖沼沉积物。地层水平延展性较好，形成了较稳定的隔水层。据机井调查和钻孔揭露，厚度一般2.50～5.0 m，平均厚度 3.0 m，隔水层顶板标高 13.41 ～25.05 m。

3)孔隙承压水含水层。含水层岩性主要为中粗砂、卵砾石，厚度33～50.0 m。中粗砂分选性、磨圆度较好;卵砾石呈圆状，岩性混杂，大小不等，粒径一般0.5～3.0 cm，最大＞10 cm。据抽水试验资料，最大水位降深6.20 m，涌水量14.234 L/s，单位涌水量 2.30 L/s·m，渗透系数 7.546 m/d，水温14℃，水质类型为 HCO3－Ca，矿化度 0.171 g/L，为矿坑充水的间接来源。

4)第二隔水层。据钻孔资料，第四系沉积层底部、基岩强风化带顶部分布着厚度不匀的残积层，受古地形控制，厚度1～8.0 m。为片麻状混合岩、混合花岗岩全风化的产物。岩石呈土状，结构松散，长石、云母、角闪石等矿物风化成高岭土、绢云母、绿泥石等，遇水软化呈泥状，为相对隔水层。

2.2.2 基岩裂隙水

1)风化裂隙水。据钻孔资料，强风化带发育深度50～150 m，厚度 3.10～76.90 m;弱风化带发育深度 61.27～186.0 cm，厚度4.10 ～35.87 m。风化裂隙较发育，但多被泥质充填，多见高岭土化。在 SK101孔孔深74.80～98.00 m处进行注水试验，岩石渗透系数K=0.014 m/d，证实强风化带内含风化裂隙水。

2)构造裂隙水。北－中矿体的顶、底板围岩主要是混合花岗岩、黑云变粒岩。据钻孔揭露，在深部弱风化带内，由于受构造影响，岩石较破碎，构造裂隙发育，裂隙主要发育主要两组，倾角40°～70°;裂隙面粗糙，锈染明显，并见有溶沟及溶孔。据钻孔资料，构造裂隙水为承压水，水位埋深18.50 m，水位标高32.56 m。SK101孔抽水试验结果为:最大水位降深33.0 m，涌水量7.734 L/s·m，单位涌水量0.235 L/s·m，渗透系数0.499 m/d，水温16℃，水质类型偏硅酸HCO3－Ca·Mg型，矿化度0.187 g/L。因矿体直接赋存于该层，是矿坑充水的主要来源。

2.2.3 构造破碎带含水特征

在北－中矿体分布区的主要断裂构造为F1断层。F1断层为压扭性平推逆断层，走向320°，倾向230°，倾角62°～67°，长800 m，破碎带厚度2.05～4.00 m。带内岩石挤压破碎，多呈碎块状或碎屑状，直径2～30 mm，泥质胶结。带内混合花岗岩中的长石多高岭土化，遇水软化成泥状;黑云变粒岩被挤压呈片状。在钻孔施工时遇此断层时均发生缩径现象。该断层起到了相对隔水作用。

3 矿坑涌水量预测［2］

在“正常条件下”和“注浆条件下”对矿坑涌水量进行预测。

3.1 正常条件下矿坑涌水量预测

建设项目采用不同中段地下开采方式，一期工程为开采水平－170 m以上的矿体，目前已在－170 m水平施工完成竖井、风井和部分水平巷道施工，构造裂隙水为无限边界含水层，正常条件下矿坑涌水量预测采用大井法。

计算公式为:

式中:Q1为当水抽至含水层顶板以上时的涌水量(m3/d);Q2为当水抽至含水层顶板以下时的涌水量(m3/d);Qmax为钻孔水位降低到含水层底面时的最大涌水量(m3/d);K为渗透系数(m/d);M为含水层厚度(m);H0为最大涌水量的含水层厚度(m);Q为单位涌水量(m3/d·m);S为当水抽至含水层顶板以上时水位降深(m);H为当水抽至含水层顶板以下时水位降深(m);R为大井引用影响半径(m);r0为大井引用半径(m)。

依据上述公式及参数，分别对－70、－100、－140、－170 m开拓水平进行坑道涌水量预测，见表1。

表1 矿坑涌水量计算成果表

3.2 注浆条件下矿坑涌水量预测

由于项目矿坑涌水量较大，掘进时设计采用注浆堵水工艺，用裂隙注浆、帷幕灌浆堵水的方法开采，以降低矿坑涌水。

地下开采项目采用施工与堵漏同时进行的方式。根据企业在施工中对堵水前后排水量的监测，堵水工程取得了一定的成效，目前施工中各点涌水量分别为，石门巷道处40 m3/d，永久水仓处30 m3/d，变电硐室处20 m3/d，主副井联络道处40 m3/d，上中段溢流下来30 m3/d，合计约160 m3/d。目前堵漏工程处于初级阶段，通过观测，堵漏后比堵水前涌水量减小了180 m3/h，涌水量约减少53%。该项目施工过程中，对堵漏前后排水量进行了较详细监测，堵漏前后排水量对照见表2。

表2 涌水点注浆前后对照表

综合半碑店铁矿及同类矿堵水效果，堵漏工程可使涌水量减少80%以上。为保证安全，半碑店铁矿采用注浆堵水工艺后，按堵水效果53%计算，预测涌水量为正常涌水量的47%，各开采水平注浆后预测涌水量见表3。

表3 不同开采水平注浆后预测涌水量

4 矿坑涌水水质评价

采用单因子法按《地下水质量标准》(GB/T 14848－93)对矿坑涌水进行水质评价，评价因子包括pH值、氯化物、硫酸盐、硝酸盐氮、氟化物、砷化物等30项指标。

矿井涌水地下水水化学类型为 HCO3·SO4—Ca·Na·Mg型水，水质符合《地下水质量标准》(GB/T 14848－93)Ⅳ类水质标准。矿坑涌水经过沉淀和净化处理后，可用以生产、生活和灌溉用水。

5 经济效益分析

滦县经济开发区北区起步区位于滦县东部，规划占地面积3.123 km2，预计2020年人口规模1.33万人，主要四大主导产业:现代信息物流产业、先进机械设备制造业、节能环保建材业和高科技研发业。

滦县经济开发区北区起步区取用水量为256.1万 m3/a，其中主要用水单元为工业，工业用水量为216.6万 m3/a。规划区内采用“分质供水”的原则，对水质要求较高的用水行业或工艺取用第四系地下水，其他取用矿坑排水、再生水。生活用水、服务业用水及工业用水中对水质要求较高的工艺用水取用地下水，取水量为54.7万m3/a;其他工业用水采用分质供水，其中取用区内污水处理厂再生水60.2万 m3/a，取用滦县半碑店铁矿矿坑排水141.2 m3/a，输水及净化处理损失按10%计算，需引矿坑排水量156.9万 m3/a。半碑店铁矿在－70 m开采水平时，矿坑排水量最小，为237.8万 m3/a，扣除配套选厂71.6万 m3/a的水量，剩余排水量为166.2万m3/a，用于满足规划区156.9万 m3/a的水量要求。

2020年，滦县经济开发区北区起步区总产值650亿元，其中现代信息物流业总产值118亿元、先进机械设备制造业总产值185亿元、节能环保建材业总产值184亿元，高科技研发业总产值184亿元;工业增加值30亿元，其中现代信息物流业工业增加值3.9亿元、先进机械设备制造业工业增加值9.3亿元、节能环保建材业工业增加值7.5亿元，高科技研发业工业增加值9.3亿元，见表4。利用矿坑排水产生的经济效益约为18.4亿元，按照自备井现行水价0.80元/m3［3］，可节约水资源费用113万元/a。起步区利用滦县半碑店铁矿矿坑排水156.9万 m3/a，不仅减少了从当地地下水开采量141.2 m3/a，保护了地下水环境，而且还可节约水资源费用。