西里北铁矿水文地质条件分析及防治措施

闫朝波

（五矿矿业（安徽）工程设计有限公司，安徽 合肥 230604）

西里北铁矿系产于燕山期闪长玢岩与奥陶系中统灰岩接触带上的中型隐伏接触交代型磁铁矿床，矿体分层明显，总体呈似层状产出，空间上表现为波状起伏。矿坑涌水量预测是矿区水文地质调查工作的主要任务之一，也是制定安全开采方案的主要依据之一[1]，预测矿井涌水量，可以为矿山设计及后续防治水工作提供依据。

1 矿区水文地质特征

矿体赋存于奥陶系灰岩与闪长岩接触带，矿体埋深在861.014m～1032.63m区间内，位于当地最低侵蚀基准面之下，矿区附近无大的地表水体。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层是矿床直接顶板，是矿区主要充水含水层，富水性、透水性中等。

1.1 矿区内含水层特征

根据矿区主要地层的容水空间特征，将矿区划分为三个含水层。

1.1.1 第四系松散岩类孔隙含水层

第四系松散岩类孔隙含水层在矿区内广泛分布，岩性主要为黄色亚粘土，含少量钙质结核及碎块，底部为碎石混土，地层厚度80.06m～205m，受矿区内东西走向的压性正断层F1影响其南侧厚度大于北侧，水位埋深76.47m，单位涌水量为0.07L/s.m，渗透系数为0.295 m/d，单井出水量428.16m³/d，透水性富水性较弱，地下水为潜水。

1.1.2 二叠-石炭系碎屑岩类裂隙、孔隙含水层

二叠-石炭系碎屑岩类裂隙、孔隙含水层多下伏于第四系之下，岩性主要为砂岩、泥岩、页岩及灰岩，受构造作用影响局部地段地层较破碎，岩芯多呈块状、碎块状，地层厚度564.60m～642.31m，水位埋深37.82m～148.58m，单位涌水量0.231L/s.m，渗透系数为0.364 m/d，单井出水量为858.96m³/d，富水性中等，地下水为承压水。

1.1.3 奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层

奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙水分上下两层，上部为峰峰组，岩性主要由泥灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩等组成，节理裂隙发育，局部地段受构造影响岩芯较破碎，地层厚度83.57m～126.71m，下部为马家沟组，岩性主要为厚层灰岩，局部夹泥灰岩，局部穿插闪长岩及矿体，地层厚度165.54m～313.30m，单位涌水量0.108L/s.m，渗透系数为0.037m/d，单井出水量为639.12m³/d。富水性中等，地下水为承压水。

1.2 含水层之间水力联系

第四系松散岩类孔隙水含水层在矿区内透水性富水性较差，水量较少。

断层上部灰岩地下水与区域灰岩地下水联系不大，下部灰岩地下水与区域地下水联系密切，矿区处于泉域边界一带补给区，奥陶系灰岩透水性较弱，径流条件较差，地下水下部水质较差。

天然状态下二叠-石炭系碎屑岩类裂隙孔隙含水层与灰岩上部含水层虽存在一定的水力联系，但由于二叠-石炭系地层岩性以弱透水的泥岩、砂岩为主，两个含水层之间的水力联系是一个缓慢而微弱的过程。

受构造作用影响，奥陶系灰岩含水层分布不均一，局部地段形成上层孤立水体，如受F1断层影响，上盘奥陶系灰岩水位埋深较小，与区域灰岩地下水联系微弱；下部灰岩地下水与区域地下水联系密切。

综上所述，第四系松散岩类孔隙水含水层、二叠-石炭系碎屑岩类裂隙孔隙含水层、奥陶系含水层之间存在水力联系，但由于受地层岩性、地质构造影响，上部含水体与整个古堆泉域岩溶地下水系统联系微弱，下部灰岩与整个古堆泉域岩溶地下水系统联系较强。

1.3 地下水补泾排条件

第四系孔隙水接受大气降水补给后，依地势自东向西径流，至临汾盆地，排泄补给临汾地表水。

矿区灰岩处于古堆泉域补给区，地下水的主要补给方式为大气降水补给。矿区东部基岩出露，表层风化严重，多呈块状及碎块状，有利于降水入渗，矿区范围内第四系厚度相对较薄，尤其是靠近东部基岩山区附近第四系覆盖层松散堆积，垂向节理发育，也有利于降水入渗补给下部含水层。

地下水接受大气降水后逐步补给下部含水层，然后，自东北向西南径流，受地层岩性、地质构造影响，地下水径流不畅，呈承压状态。

矿区范围内地下水除向下游径流排泄外，人工开采也是地下水排泄的一个主要途径，在每年的春灌、秋灌期间基本会进行连续一至两个月不间断的抽水，也使地下水位出现不同程度的下降。

2 矿床充水因素分析与涌水量预测

2.1 矿床充水因素分析

奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层是矿床直接顶板，上覆厚大的二叠-石炭系碎屑岩类裂隙孔隙含水层及第四系松散岩类孔隙水含水层。奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层是矿区主要含水层，矿区处于古堆泉域补给区，透水性、富水性中等，受F1断层影响，断层上下盘灰岩地下水联系程度较差，地下水头相差很大。断层上盘灰岩地下水与区域灰岩地下水水力联系较差，断层下盘灰岩地下水与区域灰岩地下水水力联系密切，在天然状态下，灰岩地下水接受大气降水补给后，自东北向西南径流，最终于古堆泉群集中排泄。

在开采条件下，巷道排水使深部的奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层地下水压力突然释放，并向四周扩展，上部的奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层及二叠-石炭系碎屑岩类裂隙孔隙含水层地下水以空间渗流形式向排水点汇聚，形成了一定范围的地下水压力释放空间场，下部奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层为矿床充水通道，上部奥陶系灰岩及二叠-石炭系碎屑岩类裂隙孔隙含水层为矿床充水水源，地下水流场呈现三维空间流场，垂向上存在水头梯度，表现为垂向上深部压力降低大，浅部压力降低小。

2.2 矿井涌水量预测

西里北铁矿矿体分布比较集中、边界条件和含水层结构复杂，采用比拟法预测矿坑涌水量可回避各种水文地质参数求参过程中的失真。抽水试验孔布置在矿床的分布地段，与未来疏干条件一致，因此，利用Q-S曲线方程外推未来疏干水位降深的涌水量。

考虑到西里北铁矿矿体埋藏较大，地下水头较高，矿山疏干排水情况下地下水降深较大，一般认为，当水位降低到含水层厚度一半时涌水量最大，若超过这一限度，则会有显著的水跃值现象产生，从而使其预测涌水量偏大很多，为考虑水跃值现象对矿坑涌水量预测的影响，此次涌水量的预测地下水位降至灰岩含水层厚度一半，即标高-280m。

矿坑涌水量计算：

此次矿坑涌水量的预测以ZK71钻孔抽水试验资料为基础，利用钻孔涌水量与降深的关系逐步换算成疏干状态下的水位降深与涌水量，计算公式如下：

式中：

Q：矿坑涌水量（m³/d）；

QMAX：钻孔在预测降深下的涌水量（m³/d）；

Q1：钻孔抽水试验抽水量，取值639.12m³/d；

SMAX：钻孔预测降深（m），根据各个钻孔揭露奥陶系灰岩顶底板地层标高情况，取其平均值进行计算，水位标高为442.732m，水位降至含水层厚度一半时，预测钻孔最大降深为723.617m；

RMAX：抽水钻孔最大降深影响半径（m），抽水钻孔水头降至含水层厚度一半时，；

R：矿坑排水影响半径，R=R0+r0，r0为矿坑引用半径（m）；P为矿体多边形周长。；r0=p/2π=2692.714/2＊3.14=428.78m；R=R0+r0=8712.49m；

rw：抽水钻孔半径0.076m；

S1：钻孔抽水试验降深68.42m；

经计算，矿区地下水水头降至含水层厚度一半时，即标高-280m时，矿坑涌水量为8005.26m³/d。

3 矿井防治水对策

3.1 矿山未来生产中存在的主要问题

矿体埋藏深度大，奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层是矿床直接顶板，上覆厚大的二叠-石炭系碎屑岩类裂隙孔隙含水层及第四系松散岩类孔隙水含水层。各含水层透水性较差，矿体上覆厚大弱含水层，深部疏干排水时，地下水疏干流场必然呈现三维空间流场，垂向上存在水头梯度，表现为深部压力降低大，浅部压力降低小，矿坑水不可能预先完全疏干，矿山生产只能在低压条件下，带压作业。

矿体赋存于奥陶系灰岩中，埋藏较深，水头压力较大，由于奥陶系含水层厚度较大，透水性富水性中等，尚有很大的地下水静储量，因此，掘进中不可避免的出现突水事件。

奥陶系灰岩为矿区的主要含水层，其水头压力较大，由于奥陶系灰岩透水性富水性的不均一性，局部地段可能会存在水头压力较大的情况，因此掘进中遇到较大的层间破碎带以及岩溶发育地段，在高水头的作用下，可能会出现瞬间突水事件。

矿区完成地质工作质量评述中未介绍钻孔封孔质量，未来可能存在封孔不良钻孔，构成导水天窗。

3.2 防治水对策

矿区特有的水文地质条件决定了矿山治水以疏为主、低压作业、边疏干边采矿的总体原则，从技术、经济角度考虑，在矿山基建阶段为了坑道掘进尽快的展开，可适当堵水，但在矿山开采阶段不宜堵水。

为防止突水危害，当掘进工作面接近被淹井巷、溶洞、含水断层、含水层或有其它透水象征时，必须坚持“有疑必探”、“先探后掘”的原则，即用钻机超前探明水情，并采取放水疏干措施后再掘进。

开采矿石前，各竖井、巷道增加排水设施，增强设防能力，以利安全开矿。

应针对矿区施工过的地质钻孔做好封孔工作。

建立地下水监测系统，对地下水的水位和水量进行实时监测，指导矿山的防治水工作[2]。