塞拉利昂SOKOYA铁矿水文地质条件及矿坑涌水量预测研究

马林霄 陈德稳 李庆哲 詹勇 谭康雨

摘 要：SOKOYA铁矿属未采矿山，主要含水层为第四系残坡积含水层和基岩风化裂隙。本文通过对区内主要含水层的综合研究分析，探讨地下水补给、径流和排泄条件，并通过抽水试验得到的水文地质参数，初步预测矿坑涌水量，为矿坑水疏排工程设计提供依据。

关键词：SOKOYA铁矿；露天开采；涌水量预测

中图分类号：P618.31 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）17-0077-03

Analysis on Hydrogeological Geological Condition and Prediction of

Inflow of SOKOYA Iron Deposit，Sierra Leone

MA Linxiao1 CHEN Dewen1 LI Qingzhe2 ZHAN Yong1 TAN Kangyu1

Abstract： SOKOYA iron deposit is a non mining mine，and its aquifer are qhesl of quaternary and weathering crack of bedrock. Through the comprehensive study and analysis of the main aquifers in the area， the conditions of groundwater recharge， runoff and discharge were discussed， and the hydrogeological parameters obtained by pumping test were used to preliminarily predict the water inflow of the pit， which provided the basis for the design of the mine water drainage project.

Keywords： SOKOYA iron deposit； open-pit mining；prediction of water inflow

SOKOYA铁矿地处苏拉山-坎格瑞山绿岩带中部，该绿岩带成矿条件优越，是塞拉利昂铁矿、金矿的重要成矿区带[1，2]。前人对该绿岩带内主要铁矿床的地质特征及成因已开展了详细的研究和探讨，但涉及水文地质条件等方面的研究成果均未公开发表。

笔者通过SOKOYA铁矿的野外第一手资料，结合前人的研究成果，对该矿床的水文地质条件进行初步探讨，为该区域水文地质研究工作提供依据。

1 矿区地质概况

SOKOYA铁矿大地构造位置隶属西非克拉通东南缘，整体坐落在苏拉山绿岩带西南部，其北侧紧邻全球规模最大的赤铁矿和磁铁矿之一的唐克里里铁矿[3]。苏拉山-坎格瑞山绿岩带是塞拉利昂特大型、大型铁矿聚集区[4]，成矿条件优越。

矿区共圈定出10條矿体，主要赋存在磁铁云母石英片岩（铁英岩、石英磁铁岩）内，产状与围岩基本一致，呈层状、似层状或透镜状产出，倾向北西，倾角大于45°。其中，主矿体长2 000m，厚4.09～194.12m，倾向北西，倾角55°～87°，偶见分支复合、膨胀收缩现象，在走向和倾向上连续性较好，单矿体规模达到大型，矿体赋存标高为-620～594m。

矿石的自然类型按矿石主要铁矿物成分可分为磁铁矿石和赤褐铁矿石，其中磁铁矿石为原生矿石，赤褐铁矿石主要分布在地表，多为次生氧化堆积成因；按矿石主要脉石成分，均为石英型铁矿石；按矿石结构构造，可分为条纹-条带状铁矿石、浸染状铁矿石和块状铁矿石。根据物相分析结果可知，矿石的工业类型可分为需选弱磁性铁矿石和炼铁用铁矿石，其中需选弱磁性铁矿石主要为原生矿石，炼铁用铁矿石主要为赤褐铁矿石。

2 矿区水文地质特征

SOKOYA铁矿区位于西非塞拉利昂共和国中东部苏拉山区，在平原和高原过渡带上。区内地形起伏较大，多座山峰突兀，最高峰海拔624.40m，最大相对高差407.90m。

矿区属热带季风气候，高温多雨，分旱雨两季，5—10月为雨季，11月—次年4月为旱季。全年平均气温约26.5℃，2—5月气温最高，室外最高温度可达40℃以上；8—9月气候最为凉爽，最低温度可达15℃左右。年平均降水量为2 000～5 000mm。

区内雨季降雨丰富，河流发育，塞拉利昂主要河流Rokel的支流Tonkolili河由矿区西侧穿过，流向大致与矿体平行（见图1），距离约1.2km。矿区东侧沟谷为Sundamanboni河（溪），在Sundamanboni与Barfeni交汇后一处作为流量长期观测站，2013年10月6日观测流量11.4m3/s，2014年4月13日观测流量为0.17m3/s，水质较为浑浊，河流受降水影响十分明显。

NZK600-2观测时间从2013年6月1日至2014年5月11日，观测结果显示，5—12月地下水位具有上升的趋势，12月—次年4月地下水位具有下降的趋势，说明地下水位对大气降水的响应存在一定的滞后。

注：Lsm为云母石英片岩，Lsh为长石石英岩，Lph为角闪岩、斜长角闪岩、斜长角闪片麻岩；1.岩层界线；2.“铁帽”范围；3.铁矿体范围；4.地表水及流向；5.推测断层及编号；6.河（溪）流量及观测时间；7.长期观测孔。

2.1 矿区含水层

区内主要含水层为第四系残坡积孔隙水含水层、铁质角砾岩（铁帽）孔隙水含水层和基岩风化裂隙含水层。

2.1.1 第四系松散岩类孔隙含水层。残坡积层主要分布在山坡坡麓及平缓的山坡等处，岩性为条带状磁铁石英片岩和云母石英片岩等风化残坡积物，为含粉粒、黏粒碎石土，厚0～45.75m（钻孔NZK608-0最厚为45.75m），平均厚8.57m，在该层下部赋存有地下水。该层水主要接受大气降水补给，在介质孔隙中由水势梯度高处向低处径流，入渗基岩风化裂隙含水层或以下降泉形式排泄，泉流量为0.002～0.78L/s，该层富水性弱[5]，地下水位受季节影响明显。

“铁帽”在矿区分布十分广泛，主要分布在矿区北部、东北部、南西部和南东部等区域，以北部山顶区域最为厚大，最大超过40m，平均厚度为31.33m。铁帽呈红褐色，似斑状结构，角砾状构造。角砾为条带状磁铁石英片岩碎块，最大粒径5～10cm。铁帽氧化淋滤程度较高，致使矿石孔隙发育，这也为地下水的储存和运移提供了空间。该层地下水主要受大气降水以及地势高处的径流补给，在低洼处完成排泄。该层富水性较弱，地下水位受季节影响明显。

2.1.2 基岩风化裂隙含水岩组。主要由风化-半风化的混合花岗岩、云母石英片岩、条带状磁铁石英片岩和斜长角闪片岩等组成，分布于矿区中部山地。风化带厚0～56.80m，平均厚度为27.96m。浅部风化裂隙极发育，裂隙面强-中等褐铁矿化。该层地下水主要接受大气降水和残坡积层入渗补给，在地势突变处以泉的形式排泄，流量为0.218 2～1.234 5L/s，富水性弱-中等。

2.2 矿区隔水层

通过钻孔岩芯可以看出，在风化带以下，矿体上下盘岩芯都较为完整，结构致密，裂隙基本不发育或微弱发育，在钻孔钻进过程中孔内未发现涌、漏水或坍塌掉块等现象，含（透）水性较差，可视为隔水层。

2.3 矿区地下水的补给、径流、排泄关系

区内地势起伏较大，多山峰突兀，地形坡度较陡，有利于地表水径流。在雨季，大气降水大部分沿坡面径流流入河谷，再由河流排泄至下游，只有少部分蒸发或补给地下水。

松散岩类孔隙水主要接受大气降水的渗入补给。松散岩类渗透性较强，易接受降水的入渗补给，但储水能力較差，往往在吸收降水补给后，一部分在就近沟谷或低洼地带以泉的形式排泄；一部分补给下伏基岩风化裂隙水。

基岩风化裂隙水主要接受大气降水和松散岩类孔隙水补给，在水力梯度作用下由地势高处向地势低处径流，在沟谷、低洼处以泉的形式排泄于地表。地下水流向与地形坡向、岩层倾向基本一致[4]。

总之，在矿区范围内，第四系松散岩类孔隙含水层和基岩风化裂隙含水岩组之间有着密切的水力联系，两者能相互贯通、相互转换，共同影响着矿坑冲水条件。

3 矿坑充水因素分析

矿坑涌（突）水是一个比较复杂的地质问题，严重影响企业财产和矿工生命安全，矿坑涌水量是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一[6]。

矿区初期采用露天开采方式进行开采，以境界底部标高为0m，分析矿区水文地质条件可能成为矿坑充水因素包括：坑口范围内大气降水、地下水和地表水。

通过分析收集到的2004、2008年和2009年当地气象资料，年降水量高达2 000～5 000mm，降水主要集中在5—10月，其中7—9月雨量最大，最大日降水量可达152.4mm（2008年8月23日）。可通过式（1）计算在采场及其影响范围的大气降水的汇集量：

[Q降水=L·B·X/1 000] （1）

式中：[Q降水]表示采坑汇水量（m3/d）；[L]表示采场顶部长（m），5 600m；[B]表示采场顶部宽（m），350m；[X]表示日降水量（mm），在收集的气象资料中，2004、2008、2009年的部分气象资料中日最大降水量为152.4mm（2008年8月23日）。将数据带入式（1）可得出[Q降水]为298 704m3/d。

矿区主要含水层为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。在开采之初，开采基准面以上地下水充水矿坑的露天开采至侵蚀基准面（145m）后地下水疏干至坑底的地下水涌水量采用潜水稳定流“大井法”计算，计算公式为：

[Q1=1.366K2H-SSlnR0/r0] （2）

[R0=R+r0] （3）

式（2）和式（3）中，[Q1]表示地下水疏干至坑底的地下水涌水量（m3/d）；K表示渗透系数，K=0.001 45m/d；H表示抽水前含水层厚度（m），采用矿体南端NZK631-1水位标高-0m标高=236.36m-0m=236.36m[5]；S表示水位降深（m），为236.36m；R表示影响半径（m），[R=2×S×KH=276.741 9m]；[r0]表示引用半径（m），矿坑近似矩形，采用[r0=ηa+b/4]，矿坑长[a]采用主矿体长2 000m，宽[b]采用矿体最大厚度194m，[η]取1.08[6]，得出[r0]=592.38m；[R0]表示引用影响半径（m），取869.121 9m。将相应数据带入式（2）可得出[Q1]为664.666 5m3/d。

开采初期侵蚀基准面（145m）以上部分可以通过有利地形进行自然排水，矿坑充水来源主要为大气降水；矿体东侧沟谷内地表水体基本与矿体平行，施工钻孔中未风化云母石英片岩、长石石英岩裂隙虽较发育，但多为闭合裂隙，含（透）水性差，且未发现明显构造破碎带，通过修建工程可保证其不会成为矿坑直接充水水源。因此，在开采中后期矿坑主要充水来源则包括地下水疏干至坑底（0m标高）的地下水、坑口范围大气降水。

4 结语

矿区地下水含水层类型主要为第四系残坡积孔隙水含水层、铁质角砾岩（铁帽）孔隙水含水层和基岩风化裂隙含水层。矿坑正常涌水量，矿坑最大涌水量，由于深部岩石新鲜，裂隙发育较少，且多为岩石片理，为闭合裂隙，含水性极弱，矿坑充水水源主要为大气降水。

此外，由于矿区地质构造研究程度较浅，第四系覆盖层厚，植被茂密，仅以遥感资料、钻孔岩心推断附近断层，对矿坑充水可能产生影响的为推测断层F5，其恰被河（溪）水不断侵蚀形成一条深沟，旱季仍未干涸，2013年3月14日测得流量0.27m3/s，在调查过程中观测到其自上游至下游水量不断变大。由此推测，该断层导水性质较弱，但随着矿山的开采，应注意该断层导水性质的变化，注意其对矿坑涌水的影响。

由于该地区雨季日降水量大，露天矿坑直接暴露面积大，大量降水可直接降入或汇入矿坑内淹没矿坑，影响爆破、矿岩装运效率和露天边坡的稳定性，必须建立完善的防排水系统。

矿山开采是验证矿区水文地质条件的最好手段，应充分利用矿山开采所暴露的地质环境问题进行分析，不断提高和完善对矿区水文地质条件的认识[7-9]。

参考文献：

[1]董少波，马林霄.塞拉利昂北方省SOKOYA铁矿地质特征及成因[J].现代矿业，2016（2）：86-89.

[2]马林霄，董少波，周朝宪，等.塞拉利昂Yirisen金矿地质特征及成因浅析[J].矿产勘查，2015（3）：311-317.

[3]李国清，宋长荣.山东钢铁集团西非唐克里里铁矿项目运作及启示[J].对外贸易实务，2013（11）：58-60.

[4]宋国明.塞拉利昂矿业投资环境[J].国土资源情报，2012（3）：8-14.

[5]国家技术监督局.矿区水文地质工程地质勘探规范：GB/T 12719—1991[S].北京：中国标准出版社，1991.

[6]王士东，赵振，陈慧娟，等.青海某铁矿水文地质条件分析与涌水量预测[J].地下水，2015（5）：33-34.

[7]朱昶，许锦亮，刘邦军，等.山东省苍山县沟西-西官庄铁矿沟西矿区水文地质特征及涌水量预测[J].山东国土资源，2014（2）：41-45.

[8]河北省地质局水文地质四大队.水文地质手册[M].北京：地质出版社，1978.

[9]朱天林.湖南省界牌岭矿区水文地质条件的认识[J].矿床与地质，2006（1）：67-69.