昌邑东辛庄铁矿矿坑涌水量预测*

盛根来，徐旻天，刘 莉，邢立亭,4（. 山东省地矿工程勘察院，山东 济南 5004；. 济南大学 资源与环境学院，山东 济南 500；. 山东省物化探勘查院，山东 济南 500；4. 山东省地下水资源与环境工程研究中心，山东 济南 500）



昌邑东辛庄铁矿矿坑涌水量预测*

盛根来1，徐旻天2，刘 莉3，邢立亭2,4
（1. 山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014；2. 济南大学 资源与环境学院，山东 济南 250022；3. 山东省物化探勘查院，山东 济南 250013；4. 山东省地下水资源与环境工程研究中心，山东 济南 250022）

摘 要：随着铁矿石的开采，矿坑涌水量一直是困扰矿山安全的棘手问题。以昌邑东辛庄铁矿区为例，分析地质条件、水文地质条件和地下水的补给径流排泄特征，运用大井法对东辛庄铁矿矿坑进行涌水量预测，为后续矿山露采转地下开采提供依据。预测结果为：第四系孔隙含水层竖井预测正常涌水量2148.76m3/d，预测最大涌水量2578.51m3/d；基岩风化裂隙含水层竖井预测正常涌水量458.97m3/d，预测最大涌水量550.76m3/d；基岩构造裂隙含水层-270m中段预测正常涌水量5098.65m3/d，预测最大涌水量6118.38m3/d。两铁矿之间的-270m运输大巷预测正常涌水量1092.51m3/d，预测最大涌水量1311.01m3/d。

关键词：昌邑；铁矿矿坑；水文地质条件；大井法；矿坑涌水量预测

1 引言

铁矿石是一种重要的资源，是工业发展不可或缺的基础。矿石成因复杂多变，预测矿坑涌水量既可防治矿坑突水、淹水等矿山恶性事故，又是确定矿山疏干设计、生产能力的主要指标，是矿产资源评价与开发利用工作的前提，也是矿山资源研究的核心内容［1-2］。分析研究铁矿区的水文地质条件和地下水流动特征［3］，预测矿坑涌水量，能够减少矿区事故的发生。国内对外矿床水文地质条件及充水机制研究一直比较重视［4］，矿井涌水量较大，要求计算的精度较高，需要在详细的水文地质勘查研究的基础上对矿坑涌水量进行合理计算，能够为矿产安全开采提供基础［5］。目前用于矿坑涌水量预测的方法有涌水量曲线方程法、水文地质比拟法［6］、数值法、解析法和系统均衡法，Q-S曲线方程避开了各种水文地质参数，计算简单，可用于水文地质条件复杂，难以建立解析公式的矿区［7］；水文地质比拟法要求新建矿井与老矿井的水文地质条件相似，这种情况较为少见，由于开采条件的差异，只能作为一种近似的计算方法；数值法是随电子计算机的出现而发展起来的，可以解决复杂条件下的疏干流场计算［8］；水均衡法利用均衡原理研究均衡期内矿区地下水各收支项目之间的关系，建立均衡方程来计算涌水量。解析法中的大井法是极为常用的一种方法。

2 矿区自然地理概况

矿区属北温带大陆季风气候区，年降水量在500mm左右，昌邑市最大年降水量892mm（1990年），最小年降水量425.5mm（2000年），多集中在7～9月，占年降水总量的60%～70%。区内地形平坦，地势南高北低，微向北倾，坡度在2‰～3‰左右。地面标高约为5～6m，最高点10.8m，地貌类型为河流冲洪积堆积地貌，区内冲沟不发育。潍河和胶莱河自南向北注入莱州湾，其中潍河原属常年性河流，年平均径流量为9380万m3/a，最大流量为425m3/s，后经上游蓄水及多年干旱，近年来处于断流状态，胶莱河年平均径流量为6812万m3/a，最大流量为232m3/s。

图1　研究区位置图

3 矿区地质概况

3.1地层

区内主要发育古远古代和新生代地层。古元古代地层以胶莱河为界，以西为粉子山群，以东发育荆山群。荆山群分布在矿区东南部，粉子山群多被第四系覆盖，仅在东南部零星出露，区内仅发育小宋组和张格庄组，小宋组（Pt1fX）是重要的含铁层位，张格庄组（Pt1fg）在东辛庄铁矿东部零星露头。

新生代地层主要为大面积分布的第四系。第四系形成于全新世，成因种类繁多。河流冲积相的临沂组（Qh1）在区内广泛分布；现代河流冲积的沂河组（Qhy），分布于潍河的河床、胶莱河和河漫滩地带。

3.2岩浆岩

区内岩浆岩不太发育，主要为钻探揭示的新元古代玲珑超单元云山单元；钻孔中还见有少量中生代燕山期脉状侵入体；火山岩主要为北部第四系覆盖的青山群。

3.3构造

区内基底总体构造线北东30°左右，地质构造为褶皱和断裂。

（1）褶皱构造。

矿区内的褶皱构造主要为一背斜构造，核部为小宋组含铁岩系。背斜轴向北东30°左右，轴面倾向北西，倾角75°，南东翼为张格庄组厚层大理岩，倾向南东；北西翼被第四系覆盖，由小宋组含铁岩系构成，倾向北西。该褶皱构造控制了东辛庄铁矿床的分布。

（2）断裂构造。

F1断层是区内最大的断裂带，位于莲花山铁矿13～16线之间，总体走向10～50°，呈弧状，倾向北西，倾角70°左右，该逆断层断距在150m左右，两盘均为小宋组含铁岩性。

4 矿区水文地质条件

矿区呈东北南西向长条状，东辛庄与旁边的莲花山铁矿位于同一水文地质单元，水文地质、工程地质条件变化不大，矿体被第四系孔隙含水层覆盖，矿床含水层为裂隙含水层。其中东辛庄铁矿主井除负担本矿矿石提升外，还要负担莲花山铁矿矿石的提升。东辛庄铁矿、莲花山铁矿所采矿石均通过-270m运输大巷，运至主井矿仓，然后提升至地表。

4.1含水层特征

矿区含水层以第四系孔隙含水层为主，部分有基岩风化裂隙含水层、基岩构造裂隙含水层、F1构造破碎含水带。

（1）第四系孔隙含水层。

该含水层厚度12.10～17.72m，主要岩性上部为3.2～5.42m的亚粘土；中下部为13.15～19.50m的中细砂、中粗砂、粗砂，底部有星散状分布的粘土，粘土厚度一般小于10m。水量丰富，渗透性能强，连通性好，补给源充沛，平均渗透系数15.22m/d，钻孔单位涌水量1.269～5.404 L/s·m，为强富水至极强富水含水层。

（2）基岩风化裂隙含水层。

该含水层富水性不强，连通性较差，渗透系数0.1120～0.681m/d，单位涌水量0.0124～0.140 L/s·m，为弱富水——中等富水的含水层。

（3）基岩构造裂隙含水层。

该含水层含水微弱，连通性差，补给源不足，平均裂隙率13.7条/m。根据钻孔抽水试验，单位涌水量0.0033～0.0132 L/s·m，为弱富水含水层。

（4）F1构造破碎含水带。

在莲花山铁矿西北部发育F1断层，呈波状延伸，长度约1km，北东走向，倾向NW，倾角70～80°，为逆断层。

4.2地下水的补径排特征及水力联系

矿区地下水的补给主要来自大气降水和上游径流补给，通过入渗补给至松散岩类的孔隙内，形成孔隙水，孔隙水再通过矿体顶板的碳酸盐岩和碎屑岩中的裂隙和溶蚀裂隙入渗补给，再形成碳酸盐岩类裂隙溶洞水和基岩裂隙水，补给量多少由裂隙或溶蚀裂隙的发育程度而定。不同含水层除接受来自上覆含水层的补给之外，还有上游径流补给，排泄方式为人工开采及向下游排泄。

地下水的静止水位一般南高北低，地下水流向为由南向北。莲花山铁矿的坑道掘进已使其地下水流向发生改变，由四周向矿坑汇集。

第四系孔隙含水层地下水在其运动过程中，由潜水（东辛庄铁矿）过渡为承压水（莲花山铁矿）。

三个含水层之间没有连续的隔水层，第四系底部粘土不能形成连续、稳定的隔水层。致使第四系孔隙含水层地下水与下伏的基岩风化裂隙含水层地下水发生密切水力联系。矿区内古远古代粉子山群小宋组含铁变质岩系之下分布新元古代玲珑超单元云山单元花岗岩，总体上讲，岩体完整，裂隙不发育，可视为隔水层。

4.3矿床充水因素

矿体赋存于第四系之下的沉积变质岩中，呈层状分布，以单斜及局部背斜形态产出。基岩风化裂隙含水层和基岩构造裂隙含水层作为矿体的直接顶板，是矿床充水的直接因素。第四系孔隙含水层厚度较大，含水丰富，在开采过程中，会通过矿层顶板渗透到坑道中，是矿床充水的间接因素。含水层间水力联系密切，未来矿坑充水主要来自上覆第四系地下水的垂直补给。

第四系孔隙含水层补给条件好，基岩风化裂隙含水层及基岩构造裂隙含水层透水性相对均匀且受上覆第四系含水层补给，矿区周边无隔水或供水边界，因此，本次预测三个含水层都视为无限供水边界含水层。

5 矿坑涌水量预测

根据昌邑市东辛庄—莲花山矿区水文地质条件和矿山地下坑道开采初步设计方案（采矿范围-70～-270m），开采顺序自下而上，东辛庄铁矿首采地段为-270m中段，莲花山铁矿首采地段虽为-190m，矿石均要通过-270m运输大巷，运往主井矿仓。因此预测目标是-270m标高矿坑涌水量，以及东辛庄铁矿与莲花山铁矿之间的-270m标高运输大巷。

5.1“大井”法

“大井法”在预测矿井涌水量方面具有简单方便的特点，适用于各种类型井巷和坑道系统，以及专门性疏干装置的涌水量计算，还可以为疏干设计提供各项重要指标，如疏干时间、范围及其水位等。东辛庄铁矿矿体呈不规则多边形，长宽比均小于10∶1，适合用“大井”法［9-10］预测矿坑涌水量。

5.2参数的确定

（1）渗透系数K，见表1。

表1　东辛庄矿段含水层渗透系数计算结果表

（2）水头高度H。

各个含水层之间水力联系密切，静止水位标高接近，采用统一水位：东辛庄铁矿水位标高0.28m，莲花山铁矿水位标高-1.31m，水头高度分别用静止水位至第四系底板、基岩风化裂隙含水层底板、-270m巷道底板距离。两铁矿各含水层的水头高度分别为：H东Q=15.15m、H东风=47.74m、H东基=270.28m；H莲Q=21.44m、H莲风=63.25m、H莲基=268.69m；H大巷=268.69m。

（3）水位降深S。

假定水位降至坑道底板之上0.20m处，两铁矿各含水层的水位降深分别为：S东Q=14.95m、S东风=47.54m、S东基=270.08m；。S莲Q=21.24m、S莲风=63.05m、S莲基=268.49m；S大巷=268.49m。

（4）引用“大井”半径。

东辛庄铁矿设计采矿范围为长条形，宽（420m）长（3078m）比为0.14，采用矿坑平面图形长条形公式r0=0.25a（a为坑道长度），求得r0东=769.50m

莲花山铁矿设计采矿范围长（1220m）宽（1000m）比为1.22，采用公式（2）［11］计算，求得r0=421.28m。F为矿坑面积。东辛庄铁矿设计竖井半径2.75m。

（5）影响半径R。

采用公式（3）［12］计算，影响半径分别为：R东Q=454.03m、R东风=368.12m、R东基=1323.14m；R莲Q=865.47m、R莲风=634.43m、R莲基=528.12m；R大巷=528.12m。

（6）坑道长度。

坑道采用-270m运输大巷长度B=2220m。莲花山铁矿未来坑道长度采用东北至西南开采距离B=1220m。现有坑道长度采用莲花山铁矿东西两区间坑道长度B0=1000m。

（7）实测坑道涌水量。

坑道水文地质调查实测涌水量Q0＝500m3/d。

5.3矿坑涌水量预测结果

依据公式（1）、（3）计算，可得东辛庄—莲花山矿区-270m中段预测正常总涌水量为5098.65+1006.08+1092.51=7198.24（m3/d），预测最大涌水量为8637.69m3/d。

（1）东辛庄铁矿涌水量预测结果。

第四系孔隙含水层竖井预测正常涌水量2148.76m3/d；预测最大涌水量2578.51m3/d。

基岩风化裂隙含水层竖井预测正常涌水量458.97m3/d；预测最大涌水量550.76m3/d。

基岩构造裂隙含水层-270m中段预测正常涌水量5098.65m3/d。预测最大涌水量6118.38m3/d。

（2）运输大巷涌水量预测结果。

两铁矿之间的-270m运输大巷预测正常涌水量1092.51m3/d。预测最大涌水量1311.01m3/d。

结合详查工作及抽水试验资料，选择公式较为合理，参数选择基本正确，预测矿坑涌水量与周边矿山实际排水情况接近，故本次预测矿坑涌水量符合实际。

6 结论

辛庄铁矿涌水量预测结果，第四系孔隙含水层竖井预测正常涌水量2148.76m3/d；预测最大涌水量2578.51m3/d。基岩风化裂隙含水层竖井预测正常涌水量458.97m3/d；预测最大

涌水量550.76m3/d。基岩构造裂隙含水层-270m中段预测正常涌水量5098.65m3/d。预测最大涌水量6118.38m3/d。两铁矿之间的-270m运输大巷预测正常涌水量1092.51m3/d。预测最大涌水量1311.01m3/d。

由于第四系孔隙含水层含水丰富，补给源充沛，其下有分布较广泛的风化基岩，稳定性差，如果采矿活动破坏风化基岩，势必引起第四系孔隙含水层地下水大量涌入矿坑而危及矿山安全。因此，建议矿山采用科学合理的采矿方法，以确保矿体顶板的稳固。

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Yield Water Prediction of Dongxin Iron Mine in Changyi

SHENG Gen-lai1，XU Min-tian2，LIU Li3，XING Li-ting2,4
（1.Shandong Geological Engineering Investigation Institute, Jinan 250014, Shandong, China; 2.School of Resources and Environment, University of Jinan, Jinan 250022, Shandong, China; 3.Shandong Institute of Geophysical＆Geochemical Exploration, Jinan 250013, Shandong, China; 4.Research Center of Groundwater Resources and Environment Engineering, Jinan 250022, Shandong , China）

Abstract:With iron ore mining operation, yield water of mine has always been a thorny issue that has plagued mines safety. Based on Dongxin iron mine in Changyi as an example, analysis the conditions of geological, hydrogeological conditions and recharge of groundwater runoff drainage conditions, using large water forecasting method for iron ore mines. Forecast results are that the shaft of porous aquifer in quaternary normal water inflow is 2148.76m3/d and the largest water inflow is 2578.51m3/d. The shafts of fissure water aquifer in weathered bedrock normal water inflow is 458.97m3/d and the largest water inflow is 550.76m3/d. The shafts of fissure water aquifer in the middle of-270m tectonic bedrock normal water inflow is 5098.65m3/d and the largest water inflow is 6118.38m3/d.

Keywords:Changyi；iron ore mines；hydrogeological condition；large water forecasting method；mine water inrush forecasting

作者简介：盛根来（1962-），男，江苏涟水人，研究员，从事岩土工程及地下水勘察技术工作。E-mail: sky405686@163.com

*基金项目：山东省地下水资源与环境工程研究中心开放基金项目；济南市科技计划项目（201303082）

收稿日期：2015-09-07

中图分类号：TD742

文献标识码：A

文章编号：1009-3842（2016）01-0011-04