中黄页铁矿水文地质特征及涌水量预测研究

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(1.河南省地质科学研究所/河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，河南 郑州 450000；2.河南省地质调查院/河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，河南 郑州 450000)

1 矿区概况

中黄页铁矿矿区位于卢氏县潘河乡黄叶村。地处豫西山地，区内山川总体呈北东向展布，矿区地貌属侵蚀构造中山，地面标高870～1 033 m，山势高峻，因下切作用强烈，沟谷呈“V”型，谷底狭窄，坡度15°～20°，相对高差80～120 m。本区属大陆性半干旱气候，具有气候干燥、降水较少且集中、蒸发作用强烈、温差较大等特点。矿区位于华北陆块南缘，受燕山期陆内造山作用影响，总体上表现为自北向南的大规模逆冲推覆，形成了一系列不同规模、不同样式及不同形态的构造形迹，褶皱、断裂极为发育。矿区内出露地层主要为中元古界官道口群和震旦系，为一套浅变质岩系，由于后期断裂影响，各组之间呈块断式产出。官道口群地层为龙家园组(Pt2l)和巡检司组(Pt2xj)，震旦系地层为东坡组(Zd)及第四系冲洪积层(Qhal+pl)。

2 水文地质条件

矿区位于黄河水系洛河上游，区内水系较发育，主要有崔家沟，属季节性河流。总体走向呈北西向，流向南东；平时沟内基本无水，雨季水流湍急，流量可达0.5 m3/s，汇水面积约1.74 km2。崔家沟经汇流后沿东南向流向洛河。

2.1 矿区含水层与隔水层

根据矿区含水介质岩性、储水空间类型及水力性质，可划分为三个含水层组，分别为碎屑岩类孔隙裂隙含水层组、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层组、基岩裂隙含水层组。

碎屑岩类孔隙裂隙含水层组主要分布于矿区以北，含水层组为上、下第三系红色碎屑岩，岩性主要为泥质胶结的砂砾岩、砾岩及粉砂岩，成岩作用及胶结程度差，构造裂隙不发育，近地表发育有风化裂隙带，弱含孔隙裂隙水，泉流量一般小于0.1 L/s。水质为HCO3-Ca型水，矿化度小于0.3 g/L。

碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层组分布于矿区北部，含水层组岩性主要为官道口群巡检司组硅质条带细晶白云石大理岩、绢云母化白云石大理岩夹薄层钙质板岩等，钻孔揭露厚度326 m，倾向北北东，倾角53°～78°。据邻近相似地段水井抽水试验资料：降深20.33～23.51 m，单井出水量91.57～154 m3/d，含水层渗透系数0.004～0.007 8 m/d，统计岩溶发育率0.95%。该含水层组为矿床充水主要含水层组，与矿层直接接触。

基岩风化裂隙含水层组分布于矿区南部，含水层岩性主要为震旦系东坡组绢云千枚岩、粉砂质板岩和微晶白云岩，浅表风化裂隙含水，风化带厚度一般小于30 m，富水性弱，对矿床充水意义不大。风化带以下，岩层富水性与透水性极差，属相对隔水层。

2.2 地下水补给、径流、排泄条件

降水入渗是本区地下水的主要补给来源，天然条件下主要以泉形式排泄，现状条件下，井开采、矿坑排水成为地下水的主要排泄方式。地下水径流受地形地貌和构造的控制，碳酸盐岩裸露区接受降水入渗补给后，沿裂隙、溶洞向卢氏盆地径流排泄。

2.3 矿区构造特征

矿区位于华北陆块南缘卢氏—栾川褶断带的中西部，区内地层和断裂发育，主要构造线方向为北西西向，次为近东西向和北西向，偶见北东东向，局部亦见有与断层伴生的不对称的斜歪褶皱出现。

3 充水因素分析

3.1 矿床充水水源分析

大气降水：该矿床为地下开采,大气降水可补给地表水和地下水,作为矿床的间接水源。

地下水：因铁矿体富集岩层为官道口群巡检司组硅质条带细晶白云石大理岩岩溶裂隙水含水层，是矿床的直接充水层。

老窿水：矿区内现有民采平硐或采坑9个，开采深度15～150 m，充水量极小，矿区发现老窿水。

3.2 矿床充水通道分析

岩石天然节理裂隙：由于该矿床大部分赋存于含水层当中，与含水层直接接触，部分矿体与相对隔水层接触。因此，其顶板岩层的节理裂隙以及溶隙将成为深入性充水通道，形成面状性涌水，渗入性通道涌水量较小。

人为因素：未来的采矿活动，会产生大量的采矿冒落裂隙，这些裂隙也会沟通含水层与矿体之间的水力联系，成为地下水活动的良好通道。

3.3 矿床顶底板冲水条件分析

矿层顶板充水水源主要来自于官道口群巡检司组硅质条带细晶白云石大理岩岩溶裂隙水，该含水层组较厚，矿层顶板大部分均位于该层岩组当中，直接与矿层接触。

表1 勘探孔水文地质特征一览表

4 矿坑涌水量预测

4.1 矿坑充水含水层及边界特征

矿区内第四系冲洪积含水层不发育，基岩风化带裂隙含水层由于受隔水层(Zd千枚岩)阻隔，不会对矿床开采造成威胁。矿区内分布的碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层组是矿床开采的主要充水含水层组，该含水层组相对于矿床分布属无限扩展。

根据碳酸盐岩类裂隙岩溶水的埋藏条件和水动力性质，矿区裂隙岩溶地下水属潜水。

矿区南部分布震旦系东坡组绢云千枚岩、粉砂质板岩、微晶白云岩，以浅表风化裂隙储水为主，富水性弱，所以，南部、西部以地表分水岭作为地下分水岭；北部分布官道口群巡检司组，岩性以白云石大理岩为主，储存裂隙岩溶水，根据钻孔水位资料，岩溶水位埋深大于400 m水位以上属透水层，雨季接受降水入渗补给后竖直向下渗透为主，因而北部边界仍以地表分水岭为界。上述边界圈定的矿区水文地质单元面积1.50 km2。

4.2 矿坑涌水量预测

4.2.1 补给量法预测矿坑涌水量

该方法可预测整个矿区的涌水量，根据矿区的水文地质条件，矿坑涌水量由降水入渗量和疏干储存量组成。

(1)疏干储存量(Q疏)

疏干储存量按下式计算

Q疏=Hμ(F1+0.33PR)/t

式中：H为疏干含水层的平均厚度，取岩溶水位标高与储量计算底界标高的差值，为540 m；μ为给水度，取统计的岩溶发育率，为0.009 5；F1为矿坑系统面积，为8 000 m2；P为矿坑系统边界周长，为1 800 m；R为降落漏水半径，从矿坑边界外围算起，取1 000 m；t为疏干时间，按20 a，计7 300 d；

计算结果：Q疏=423 m3/d。

(2)降水入渗补给量(Q降)。

降水入渗补给量按下式计算。

Q降=PFα/365

式中：P为降水量，取多年平均降水量，P=0.62 m；F为入渗补给区面积，取疏干影响范围内，碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层裸露区面积为9×105m2；α为降水入渗系数，α=0.2。

计算结果：Q降=306 m3/d。

综上所述，Q降+Q疏=423+306=729(m3/d)

即补给量计算矿坑涌水量为729 m3/d。

4.2.2 大井法预测矿坑涌水量

采用潜水涌水量公式：

式中：Q为矿坑系统涌水量(m3/d)；K为含水层组渗透系数，K=0.004 5 m/d；H为由储量计算底界算起的水头高度，H=540 m；r0为引用半径；r0=η

其中a、b分别为概化为矩形矿坑的长、宽，η值取1.08, r0=243 m；

R为降落漏水半径，从矿坑边界外围算起，取1 000 m；R0为引用影响半径，R0=R+r0

计算结果：Q=2 508 m3/d

4.3 计算结果分析

矿区最低侵蚀基准面标高900 m左右，矿坑水自然排泄面标高820～880 m，储量计算底界标高500～550 m。补给量法计算的矿坑涌水量729 m3/d，为在开采期间矿坑的平均涌水量；大井法计算的矿坑涌水量2 508 m3/d，为矿床开采到储量计算底界时的涌水量，即矿坑最大涌水量。

5 结语

中黄页铁矿含水层为官道口群巡检司组硅质条带细晶白云石大理岩岩溶裂隙水含水层,充水含水层富水性较差,渗透性较弱。矿床主要充水含水层为官道口群巡检司组硅质条带细晶白云石大理岩岩溶裂隙水含水层。矿区断裂构造发育，多充填，富水性较弱。根据补给量法预测矿坑平均涌水量为729 m3/d，大井法预测矿坑最大涌水量为2 508 m3/d。