辽宁省大孤山铁矿水文地质条件分析及涌水量预测

孟琛琛 蓝海洋

(辽宁省冶金地质勘查研究院有限责任公司，辽宁 鞍山 114038)

0 引言

大孤山铁矿位于鞍山市东南12 km的千山脚下，占地面积10.6 km2，矿山开采历史悠久，如今已服役一百余年的，为国家提供优质的铁矿资源。随着矿山开采加深，未来将转为井下开采，其水文地质条件已发生较大变化。通过对矿山水文地质条件综合分析及涌水量预测，可为矿山未来开采排水与开采设计提供一定科学依据。

1 矿区自然地理概况

矿区属千山山脉西北边缘地带，其地貌为低山丘陵区，总地势东南高西北低，东南部为山地，西北部为低丘和大面积山间平原。区内最高山峰位于东南部，标高为378.0 m，当地侵蚀基准面标高54.2 m，比高约90～300 m不等。山坡角10°～30°，局部地段大于30°，植被较为发育。

区内地表水体发育一般，矿区西部主要发育有大孤山小河，流向由南至北，河床宽3～20 m，水深0.1～0.6 m，丰水期实测流量约为2.13 m3/s，补给源主要为大气降水，明显呈季节性变化。

该区属暖温带大陆性季风气候区，四季分明。多年平均气温8.8 ℃，最高气温36.9 ℃，最低气温-30.4 ℃；多年平均降水量720.6 mm，年最大降水量994.5 mm(1975年)，月最大降水量416.7 mm(1985年7月)，日最大降水量236.8 mm(1975年9月1日)，降水多集中在7、8、9三个月；多年平均蒸发量1 058.5 mm；平均冻土深度91 mm。

2 矿区水文地质

2.1 矿区水文地质概况[1]

2.1.1 岩石的赋水特征

1—全新统冲洪积孔隙含水岩组；2—更新统残坡积孔隙含水岩组；3—层状岩类基岩裂隙含水岩组；4—块状岩类基岩裂隙含水岩组；5—铁矿体；6—构造体；7—矿区范围；8—地质界线

1)第四系松散岩类孔隙含水岩组

主要包括全新统冲洪积孔隙含水岩组和更新统残坡积孔隙含水岩组。其中全新统冲洪积孔隙含水岩组分布于矿区西部、西北部大孤山小河两岸地带，岩性为亚粘土、亚砂土、砂及砂砾卵石。地下水位埋深2.3～5.2 m，单位涌水量为1.145～3.082 L/s·m，渗透系数12.33～23.28 m/d，强富水性，地下水化学类型多为硫酸重碳酸钙镁或钙类型，pH值6.65～7.04，矿化度0.547～0.711g/L；更新统残坡积孔隙含水岩组分布于沟谷及山麓边缘地带,岩性主要为粘性土，下部含少量砂、碎石。厚度1～10 m不等，地下水位埋深2.18～9.81 m，单位涌水量为0.002 8～0.051 7 L/s·m，渗透系数0.005 24～0.060 7 m/d，为弱富水性。地下水化学类型为硫酸重碳酸钙镁或钙类型，pH值6.71～7.59，矿化度0.38～1.03 g/L。

2)层状岩类基岩裂隙含水岩组

该类含水岩组岩性为鞍山群樱桃园岩组绿泥石英片岩及磁铁石英岩、石英岩等，含风化裂隙水和构造裂隙水，钻孔单位涌水量为0.000 16～0.004 54 L/s·m，渗透系数为0.000 2～0.01 m/d，属弱富水性，富水性不均一，地下水类型主要为重碳酸硫酸钙钠或钠型，pH值7.66～8.42，矿化度0.35～0.52 g/L。

3)块状岩类基岩裂隙含水岩组

主要分布于矿区南侧，岩性为太古代花岗岩，含弱的风化裂隙水和弱的构造裂隙水，总体属弱富水性。

2.1.2 地下水的补、径、排条件及各含水层之间的水力联系

区内地下水的补给来源主要为大气降水，并在一定程度上对基岩风化裂隙水补给，而基岩裂隙水除接受上覆第四系水补给外，同时接受区域基岩地下水径流补给，径流条件较差，露天开采后，随着不断抽排地下水，以采坑底部为中心形成半径近2 km的降落漏斗，未来转为井下开采后，区内地下水位将进一步降低，主要以人工开采形式排泄，总的来看，第四系松散岩类孔隙水径流条件相对较好，层状及块状基岩裂隙水径流条件较差，自然排泄条件不佳，以人工开采和地下径流形式排泄。

2.2 矿床水文地质

2.2.1 概述

大孤山矿区开采历史久远，人类工程活动强烈，地面破坏变形较大，历经六十多年的开采，从原来260 m标高的孤山顶变成目前最低标高约为-340 m露天采坑，采场封闭圈78 m，最高标高128 m，已形成东西长1 700 m，南北宽1 520 m，垂直深达400 m椭圆形露天坑，面积2.03 km2。

2.2.2 岩层的富水性

矿床第四系地层几乎剥离殆尽，针对铁矿体而言，其直接顶、底板岩性多为绿泥石英片岩，均属于层状裂隙含水岩组，主要包括风化裂隙水与构造裂隙水。

风化裂隙水主要分布在采坑周边第四系下部及广大基岩裸露地区浅部，发育深度10～90 m，据钻孔揭露风化裂隙抽水试验结果，钻孔单位涌水量0.000 61～0.001 L/s·m，渗透系数0.001 26～0.001 72 m/d，富水性弱，透水性差。

矿床范围内构造主要有走向断层、斜交断层和横断层三组断层，其中走向断层位于矿体下盘，走向延长1 100 m以上，走向315°，倾向北东，倾角70～75°，基本与矿体产状一致，平均单位涌水量0.000 54 L/s·m，渗透系数0.000 3 m/d，属弱富水性，矿化度为215.44 mg/L，pH值为8.33，水化学类型为重碳酸钠型；斜交断层位于矿床西北端矿段上盘，走向延长500 m以上。断层走向285～305°，倾向南西，倾角40～60°，深部断层走向转为近东西向，为逆断层，钻孔单位涌水量0.001 78～0.004 54 L/s·m，渗透系数0.002 1～0.012 8 m/d，属弱富水性，矿化度为542.59～735.32 mg/L，pH值为7.66～8.02，水化学类型以硫酸钙镁型为主。横断层主要分布于矿床中部和东部，断层带宽5～30 m，除有断层角砾岩外，并有花岗斑岩脉充填。断层走向40～70°，倾向南东，倾角15～50°，采坑揭露位置地下水不断渗出，涌水量约0.6 L/s,富水性及透水性相对较好。

太古代花岗岩、燕山期花岗岩及花岗斑岩、闪长玢岩等侵入岩裂隙水均属于块状基岩裂隙含水岩组，含弱的风化裂隙水和弱的构造裂隙水，钻孔单位涌水量为0.000 16～0.063 6 L/s·m，渗透系数为0.000 2～0.060 66 m/d，富水性弱，透水性差，地下水化学类型多为硫酸钙镁或钙镁钠型，pH值7.81～7.84，矿化度较高达1 g/L。

2.2.3 地下水动态及补径排条件

经过多年开采，矿床范围内最低地下水位已下降至-340 m标高左右，形成垂直深达400 m，直径约1 500 m的降落漏斗，目前矿坑排水量日平均排水量约为6 200 m3/d，呈较明显的季节性变化。矿床地下水的补给来源主要为大气降水，深部地下水通过区域基岩地下水径流进行补给。径流条件一般，地下水排泄则以人工开采排泄为主。

根据矿床所处地形地貌、地表水体发育情况和岩体富水性、透水性以及地下水补径排条件等，综合考虑认为，该矿床水文地质条件中等。

2.3 矿坑涌水量预测

2.3.1 概述

目前矿山开采方式为露天开采，最低标高约为-340 m，设计未来-438 m水平标高转井下开采，因此根据矿山不同开采方式对矿坑涌水量分别进行预测，露天开采预测至-438 m水平标高，井下开采预测水平为-678 m水平中段涌水量。

2.3.2 露天开采矿坑涌水量计算

1)充水因素分析

对于露天开采，其主要充水因素为大气降水直接降落在露天采场上开口面积内的水量、采坑外围降水入渗量及各含水层中赋存的基岩裂隙水。

2)计算方法及公式的选择

对于露天开采，开采下一个水平时，采坑的地表境界面积和坑底境界面积会发生变化，计算露天开采至-438 m水平标高的矿坑涌水量公式[2]：

(1)

式中：Q—预测-438 m水平采坑地下水涌水量，单位为立方米每天(m3/d)；Q0—目前开采水平采坑地下水涌水量，单位为立方米每天(m3/d)；F—预测-438 m水平采坑坑底境界面积，单位为平方米(m2)；F0—目前开采水平采坑坑底境界面积，单位为平方米(m2)；s—预测-438 m水平采坑地下水水位降深，单位为米(m)；s0—目前开采水平采坑地下水位降深，单位为米(m)。

3)计算参数的确定

根据相关资料成果，目前开采水平采坑地下水平均涌水量6 200 m3/d，圈定采坑坑底境界面积为55 000 m2,地下水位由原来的72.36 m标高下降至目前的-340 m水平标高，降深为412.36 m；预测-438 m水平采坑坑底境界面积为19 800 m2,预测水位降深至-438 m水平标高，降深为510.36 m。

4)计算结果

将计算参数分别带入(1)式，求得露天开采-438 m水平矿坑正常涌水量Q=4 138.5 m3/d。

2.3.3 井下开采矿坑涌水量计算

1)充水因素分析

未来井巷开采的充水因素是基岩本身的裂隙水，主要赋存于构造裂隙中,大气降水通过第四系及基岩裂隙下渗间接补给，最终转化为基岩裂隙水，水量较少。因此，未来井巷开采在做好露天采坑防渗的前提下的主要的直接充水因素应是基岩本身的裂隙水。

2)计算方法及公式的选择

根据矿床水文地质条件及井巷开采方式，未来矿山井巷开采选择地下水动力学法中的“大井法”作为矿坑涌水量计算方法，承压转无压完整井裘布依公式[2]：

(2)

式中：Q—计算井下开采矿坑涌水量(m3/d)；K—基岩裂隙水渗透系数(m/d)；M—含水层厚度(m)；s—水位降深(m)；r0—引用半径(m)；R0—矿坑引用影响半径(m)

3)计算参数的确定

(1)渗透系数K：对矿床内施工钻孔抽水试验工作所获得的渗透系数进行统计，取渗透系数平均值为0.015 m/d。

(2)含水层厚度M：据矿床水文地质剖面揭露各含水层性质并结合水文物探测井成果划定的含水层厚度，综合确定-678 m水平标高，含水层厚度为240 m。

(3)水位降深s：考虑到未来转井下开采，预测-678 m水平标高，地下水水位由现状-340 m水平标高降至-678 m水平标高，水位降深为338 m。

(4)矿坑的引用半径r0

(3)

式中：P—坑底周长。

井下开采-678 m水平标高坑底周长为2 350 m，代入公式(3)，其引用半径为374 m。

(5) 矿坑的引用影响半径R0

4)计算结果

将计算参数代入公式(2)，求得井下开采-678 m水平矿坑涌水量Q=6 624.6 m3/d。

2.3.4 矿坑涌水量预测结果评价

计算露天开采至-438 m标高水平矿坑正常涌水量为4 138.5 m3/d，对于露天开采其主要补给源为大气降水，丰水期其涌水量将大于预测正常涌水量；计算未来井下开采正常涌水量为Q=6 624.6 m3/d，值得说明的是本次计算参数主要收集利用以往矿山勘查报告成果资料，可为矿山未来开采排水与开采设计提供一定依据，未来矿山开采过程中，应对实际涌水量进行监测，尤其降雨期间加强监测频率，依据同一矿山的实测涌水量数据，采用比拟法预测不同开采水平的涌水量更为合理。

2.4 矿区水资源综合利用评价

为合理保护利用水资源，矿山生产用水可首先考虑矿坑排水，同时可利用矿山西侧约1.0 km左右的大孤山小河，常年流水，丰水期大气降水后一段时间内水量增加明显，但均不能作为生活饮用水资源，矿山生活饮用水已有自来水供应，矿山水资源大规模利用前应对区内的地下水与地表水资源量与水质经过科学论证以满足用水需求。

3 结语

通过对大孤山铁矿床水文地质条件进行分析，确定该矿床为以裂隙含水层充水为主的矿床，水文地质条件属中等类型,并对矿山不同开采方式下进行了涌水量预测，对矿山未来开采排水与开采设计提供一定依据。矿山未来开采过程中应严格遵循相关规范及设计，同时加强水文地质观测或监测工作，不断积累有关资料，为科学、合理、安全开发铁矿资源提供依据。