北祁连西段白尖铁矿床水文地质特征及矿坑涌水量预测*

2018-03-15董万平孙继省冉德甫

现代矿业 2018年1期

董万平孙继省冉德甫

(1.甘肃省有色地质调查院；2.甘肃省有色金属地质勘查局)

矿区水文地质资料是对矿床资源量进行技术经济评价、矿区总体建设规划和矿区开采设计的重要依据，尤其对于新建矿山而言更是重要的基础地质资料[1-4]。矿坑涌水量不仅是对矿山进行经济技术评价的重要指标，也是开采工艺设计、井下疏干措施制定、水仓及排水系统设计的主要依据[5-7]。因此，在对矿区进行详细的水文地质调查的基础上，全面评价矿区水文地质特征，并对矿坑涌水量进行准确预测，对于有效防治矿区水文地质灾害，确保矿区安全生产具有重要意义。

白尖铁矿床位于镜铁山铁矿床外围，是北祁连西段铁多金属成矿带内重要的沉积变质型铁矿床之一[8-13]，是一座未开采的矿山。矿床大地构造位置位于华北板块之华北古陆西南缘北祁连加里东褶皱带西段，区域性构造线呈NW—SE向展布。区内构造样式复杂，各个构造单元由于遭受其他构造体系的干扰和后期构造作用的改造形成了复杂的构造叠加、复合、改造格局，留下了丰富的变质、构造变形以及成矿作用等方面的地质记录。矿区出露的岩性主要为长城系朱龙关群桦树沟组含铁浅变质岩，矿床类型为浅海相沉积变质型菱铁矿铁矿床[14-16]。近年来，甘肃省有色地质调查院依托甘肃省地质勘查基金项目对该矿床进行了详细的水文地质评价，取得了一些列成果。本研究通过阐述白尖铁矿床区域及矿区水文地质特征，探讨区内水文地质条件变化规律，并对矿区矿坑涌水量进行预测，为该矿床及区域内同类型矿床的开发利用提供参考。

1 水文地质特征

1.1 区域水文地质特征

白尖铁矿位于北祁连山西段，地处甘肃省肃南裕固族自治县境内。矿区地形总体趋势为北部高，南部低，中部形成山梁、山脊；地形极为陡峭，常伴有悬崖峭壁，河谷海拔一般小于3 000 m，山体海拔一般大于4 000 m，山体坡角平均为30°～37°，相对高差一般为500～1 000 m。区内植被不发育，岩体多呈裸露状态，以剥蚀中高山—高山、山丘地貌为主。

区内气候为大陆性高寒半干旱气候，多风少雨，冬季寒冷。矿区年平均降水量258 mm，蒸发量2 371.5 mm；平均气温-2.1 ℃，最高气温20.2 ℃，最低气温-29.9 ℃。每年7—8月为雨季，10月中下旬至翌年4月上旬为冰冻期，最大冻土深度达1.6 m。5—6月为冰雪消融期，由于矿区海拔较高，每年9月初便有结冰现象出现，矿区内白尖沟地表水及坑道地下水动态观测的最佳时间为每年7—8月。

1.2 矿区水文地质特征

1.2.1 地表水特征及地表水与地下水的水力联系

白尖铁矿矿区主要河流有北大河、白尖沟地表水、西柳沟地表水。北大河距矿区东部约10 km，多年平均流量为12.83 m3/s，最大洪水流量为13.5 m3/s，平水期一般为10.26～12.50 m3/s。白尖沟地表水在矿区中部自北西向南东向流过，一般常年有水，旱季局部以潜流的形式向下游排泄，西柳沟地表水在矿区最北侧自西向东流过。白尖沟和西柳沟的平均流量分别为128.91，278.97 L/s。白尖沟及西柳沟两侧沟系呈树枝状分布，均为“V”字型沟，且多为季节性水流，地形有利于地表水流泻[17]。矿区地表水动态变化受季节控制，雨季降水后，地下水位上升，开始出现较大的地表水流，旱季地表水流量减小，局部以潜流的形式向下游排泄，地表出现断流现象。

矿床地表水流量与大气降水、雪融水直接相关，大气降水和雪融水直接补给地表水。地表水的特征取决于大气降水形式、融雪速度、地形坡度、植被以及第四系堆积物类型。强度不大的降水和融雪速度较慢的雪融水大部分可以渗入第四系覆盖层，一部分转入地下基岩含水层，其余沿第四系含水层的孔隙迳流，以人工开挖及地下水流补给河水的形式排泄。而遇到较大的降水或雨季长期降水、融雪速度较快的雪融水后，大部分以地表迳流的形式排泄，仅有极少部分通过第四系覆盖层补给地下水[17]。

第四系冲洪积孔隙潜水除了接受大气降水补给外，地表水体侧向渗入也为补给源之一。丰水期地表水补给第四系孔隙潜水，枯水期随着地表水流量减少，在其上游局部地段，第四系孔隙潜水又补给地表水，说明地表水与第四系孔隙潜水之间有一定的水力联系。

地下水由大气降水及雪融水部分渗入第四系覆盖层中沿风化裂隙、基岩裂隙补给，水位随着降水及雪融水的大小而变化，其余在第四系堆积物中径流，在沟谷底部或地形有利处排泄。局部在含水岩石裸露地段可直接接受大气降水和雪融水补给，在风化裂隙发育、地势低凹地段，由于迳流距离短，地下水受大气降水影响快，动态水位变化幅度较大(如ZK3钻孔0.5～2.2 m深度)[17]。而其他情况下的含水岩段，地下水需滞后10 d左右方可上升至高水位，水位动态变化不大(如ZK2钻孔0.5 m深度以浅)。第四系冲积层的孔隙潜水主要由地表水、大气降水及雪融水补给，受气候及季节的影响大，迳流距离较短，水位变幅较大。

基岩裂隙含水岩组中的裂隙潜水在其上游白尖沟地段局部也接受第四系孔隙潜水的少量渗入补给。地表水与第四系孔隙潜水之间有一定的水力联系，间接补给下覆基岩裂隙潜水，也为矿床充水的一个因素。

1.2.2 含水岩组、隔水岩组及构造破碎带含水特征

1.2.2.1 含水岩组及隔水岩组含水特征

根据矿区出露的地层特征、岩石的含水性及埋藏条件、裂隙发育程度及其连通情况、不同岩石建造类型等，可将矿区划分为第四系冲洪积、残坡积松散岩类孔隙潜水含水岩组以及变质岩、沉积岩基岩裂隙潜水含水岩组。

第四系冲洪积、残坡积松散岩类孔隙潜水含水岩组按其成因及富水性可进一步划分为：

(1)第四系残坡积孔隙弱含水层。该含水层主要分布于西柳沟、白尖沟及其两侧坡麓，由变质岩碎块、碎屑、石英颗粒等组成，分选性差，磨圆度不佳，孔隙度一般为15%～25%，透水性一般，在沟谷底部局部地段含上层滞水，以泉或潜流的形式排泄，其泉点的流量为0.039～2.50 L/s。

(2)第四系冲洪积孔隙潜水含水层。该含水层主要分布于西柳沟河、白尖沟河、北大河河漫滩及两岸阶地，骨架颗粒由变质岩、火成岩块(漂石)、卵石、粗—细砂等组成，充填物为黏土矿物，少量为钙质、铁质，具有明显的沉积韵律，分选性较差，磨圆度中等—一般，结构松散，孔隙度一般为25%～30%。该含水层透水性良好，富含孔隙潜水，根据矿区当地生产用水井资料，其含水层厚约150 m，单井涌水量为1 987.20 m3/d，单位涌水量为2.54 L/(m·s)，渗透系数为5.45 m/d，水位埋深为84.19 m。该含水层中的地下水为矿床开采时的生产及生活用水水源之一。

矿区变质岩、沉积岩基岩裂隙潜水含水岩组出露的变质岩岩性为石英岩、钙质千枚岩、绢云绿泥千枚岩、碳质千枚岩及硅化大理岩等，沉积岩岩性为红色底砾岩及含砾砂岩等，该类岩组构成了含水层的基底骨架。按富水性、分布特征、裂隙发育程度，该岩组可进一步划分为：

(1)千枚岩类含水层。该类岩石在矿区分布较广，尤其在矿区中部分布最为集中，其导水性较差，含水甚微，但由于千枚岩受到一些小断裂、次一级构造的影响，加之石英脉较发育，裂隙内充填的胶结物以钙泥质为主，胶结程度中等，故弱含裂隙潜水，其含水层厚度约100 m。该类岩石风化裂隙较发育，其风化裂隙最深处距地表263.1 m(ZK3钻孔)，呈网脉状，有石英细脉充填其中，属中等风化，微含风化裂隙潜水，在地下水位以上为弱透水岩层，地下水位以下为弱含水层，该含水层为矿床开采的直接充水水源之一，但不会对矿床开采造成较大威胁[18]。坑道KD2中段揭露该层时，在石英脉发育地段可见密集的细线股状出水现象(图1)，裂隙面、片理面均可见铁染、钙膜，局部可见溶孔、溶隙，通过聚集法测定出的局部出水地段的流量为0.122 L/s。地下水通过裂隙面运动至该层，在裂隙带连通性良好的地段相对富水，通过钻孔静止水位测定，地下水的水位埋深为23.41～78.43 m。该层岩石在钻孔钻进过程中均未有涌水现象出现，但有部分钻孔都不同程度的产生了漏水现象，冲洗液消耗量最小为25.5 L/min(ZK2钻孔)，最大为88 L/min(ZK3、ZK7钻孔)，动水位变幅也较大，裂隙发育(图2)，具有明显的地下水活动痕迹。

图1 KD2坑道岩石中沿裂隙面的出水现象

图2 ZK3钻孔岩芯发育的裂隙

(2)石英岩、硅化大理岩、红色砾岩含水层。该类岩石在近地表发育有网脉状裂隙，石英细脉充填其中，钻孔揭露厚度为10～60 m，偶见宽约1 mm的溶蚀裂隙，弱含裂隙潜水。矿区内一些小的侵入岩脉体的岩石较坚硬，裂隙不发育，面裂隙率仅约1.80%，可视为矿床的相对隔水层。

1.2.2.2 断裂构造破碎带含水特征

矿区断裂构造不发育，在矿区2个坑道施工揭露的一些小的层间破碎带的碎裂面内可见大量泥质物和少量石英、原岩碎块和角砾，角砾呈次棱角、次圆状，为泥质胶结，遇水泥化，无地下水活动痕迹，属于既不含水又不导水的层间断裂破碎带，在与其接触的原岩上大都有滴渗水现象出现。

1.2.3 坑道水文地质特征

本研究在矿床范围内施工了探矿坑道KD1、KD2，KD1坑道中段与KD2坑道中段高差约100 m。坑道不同中段的岩石含水性(表1)分析表明，坑道内干燥区和潮湿区所占比例为51.72%～93.60%，而滴、渗(出)水区所占比例为6.40%～48.28%，由此可见岩石含水具有不均一性。坑道裂隙点调查表明，潮湿区及滴、渗(出)水区的面裂隙率为1.98%～5.27%，平均为4.56%，干燥区的面裂隙率一般为1.12%～3.15%，平均为2.09%。

表1 坑道岩石含水性面积

KD1坑道由于所处部位海拔较高，大部分属于干燥区，少部分为潮湿区。KD2坑道由于所处部位海拔较低，在掘进过程中都不同程度地出现了滴渗水现象，有弱滴水区、强滴水区，并有细线股状的涌水现象发生，也有不透水区。随着坑道掘进长度不断加大，坑道内潮湿区、强滴水区、弱滴水区的涌水现象也随之增多，由此也可见岩石含水性具有不均一的特性。涌水部位的出水量随着时间的延长，也随之变小并逐渐趋于稳定。KD1坑道在掘进过程中的滴、渗(出)水现象仅持续了1周左右便消失，而KD2坑道的滴、渗(出)水现象则一直持续着，主要原因是KD1坑道所处位置海拔较KD2坑道高出近100 m，即深部基岩的含水性优于浅部基岩。

2 矿区水文地质评价

根据对矿区水文地质特征的分析，可知矿床充水因素主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水，地下水通过风化裂隙、原岩裂隙等导水通道进入巷道，形成矿坑涌水[19]。地表水主要是从矿床中部自北西至东南流过，最终汇入北大河的白尖沟河，但由于沟谷底部岩石风化裂隙不发育，仅在上游局部有风化裂隙段从侧向以渗流的形式补给地下水。矿床侵蚀基准面标高为2 911 m，矿床内埋藏最低的矿体标高为3 100 m，位于侵蚀基准面以上，矿床内无沟通地表水到矿床内的导水构造，白尖沟等地表水对矿床充水的影响不大。此外，基岩裂隙水与第四系冲洪积孔隙潜水之间也有一些间接的水力联系。矿床范围内的千枚岩类、硅化灰岩及硅化大理岩、红色底砾岩、含砾砂岩等为矿床内的不均匀基岩裂隙潜水含水岩组。矿区内一些小的侵入岩脉属于相对隔水层，该类侵入岩脉对矿床充水无影响。随着开采深度加大，顶板部分压性裂隙转化为张性裂隙，上部基岩风化裂隙水、构造裂隙水以及第四系孔隙潜水可通过裂隙下渗至矿坑，增加涌水量。深部矿体内所含的地下水主要为构造裂隙潜水，水量取决于裂隙发育及均匀程度。由于成矿过程中构造活动较复杂，使得矿体及近矿围岩裂隙发育甚于围岩，矿体及附近围岩的富水性也甚于围岩。

3 矿区供水水源评价

4 矿坑涌水量预测

矿区现有1个试采坑道(编号为YM1)，开采的矿体编号为Ⅱ#、Ⅲ#、Ⅳ#。其中，Ⅱ#、Ⅲ#矿体的最低开采标高为3 150 m，Ⅳ#矿体的最低开采标高为3 100 m，Ⅰ#、Ⅴ#主要矿体埋藏标高均在3 250 m以上。因此，本研究选择分布于0#～11#线的Ⅱ#、Ⅲ#矿体和0#～15#线的Ⅳ#矿体3 150 m中段的YM1坑道进行涌水量预测。

本研究对YM1坑道的涌水量进行了长期动态观测(图3)，根据矿区地下水特征，并根据长期动态观测资料对该中段的矿坑涌水量进行了预测。根据观测期降雨量变化对探矿坑道的月平均、月最大、月最小流量进行了分析，正常流量采用雨季坑道平均流量，最大流量采用坑道观测的最大流量值。

表2 白尖铁矿床水质分析结果

水质类型含量/(mg/L)亚硝酸盐游离CO2MnCoNiCuZnAsSe西柳沟与北大河交汇处地表水0.0100<0.005<0.005<0.005<0.01<0.01<0.005<0.002白尖沟上游地表水<0.00200.015<0.005<0.005<0.01<0.01<0.005<0.002KD2坑道地下水<0.00800.524<0.005<0.005<0.01<0.01<0.005<0.002水质类型含量/(mg/L)CdPbHgIBrAlpH值气味浊度色度西柳沟与北大河交汇处地表水<0.001<0.005<0.00005<0.01<0.010.0568.44无<1<5白尖沟上游地表水<0.001<0.005<0.00005<0.01<0.010.0208.46无<1<5KD2坑道地下水<0.001<0.005<0.00005<0.01<0.010.0208.38无<1<5

注：数据由甘肃省中心实验室测定。

表3 白尖铁矿床水质细菌分析结果

注：数据由白银市疾控中心测定，大肠菌群未检出。

图3 白尖矿区YM1坑道涌水量动态观测结果

水文地质比拟法矿坑涌水量预测公式可表示为

Q=Q0/L0·L，

式中，Q为预测矿坑涌水量，m3/d；Q0为现状开采涌水量，m3/d；L0为YM1坑道掘进长度，m；L为矿体开采长度，m。

Q0的正常值采用YM1坑道长期观测的平均流量值，Q0的最大值采用YM1坑道长期观测的最大流量值。矿区矿坑涌水量计算结果见表4。

表4 白尖矿区矿坑涌水量预测结果

矿区内白尖沟地表水及坑道地下水的动态观测最佳时间为每年7—8月，本研究坑道涌水量预测的所有参考数据均来源于该时间段的观测数据，因此预测结果具有较强的代表性，可作为矿山排水设计的依据。由于Ⅰ#、Ⅳ#、Ⅵ#矿体埋藏较浅，在矿区开采时只要做好坑道自然排水工作即可保障矿山安全生产。

5 结语

详细分析了白尖铁矿矿区水文地质特征，并采用水文地质比拟法预测了矿坑涌水量。研究表明：白尖铁矿床是以裂隙潜水含水层为主，顶、底板直接充水的矿床，水文地质条件简单，矿床控制储量标高在当地最低侵蚀基准面以上，地形有利于自然排水，矿床主要充水含水层及构造破碎带含水层富水性弱，矿床充水方式为顶、底板直接充水，充水量小，补给边界远离首采地段的坑道系统，矿区地表水可用作矿区生产建设用水，水质符合饮用水标准，矿坑涌水量较小(小于1 000 m3/d)。

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