南芬露天铁矿水文地质特点及渗流研究

李兰彬 高毓山

（本溪钢铁（集团）矿业有限责任公司南芬露天铁矿）

南芬露天铁矿开采历史悠久，是亚洲最大的露天矿之一。多年来，南芬露天铁矿的排水为自然排水，没有对生产带来影响。但是现在已经由山坡露天开采转为凹陷开采，露天矿的水已影响到生产计划的执行，特别是开沟，由于此水平水量大，穿凿后炮孔出现坍塌、达不到设计深度等问题，给爆破带来不小的麻烦，造成开沟进度慢、穿区规模小，底板水平不平整给后续生产也带来很大困难。所以，研究露天矿的水文地质已成为当前的紧迫任务，对露天矿的水文地质特点进行总结，利用现有的炮孔内水文数据，确定目前掏沟穿区的单宽流量和渗流浸润线，为排水提供相关数据，确定排水方案。

1 水文地质与工程地质概况

1.1 水文概况

南芬露天铁矿东面境界外有1条细河，北面有1条小溪，都不能对采场进行补给。南芬矿的地下水为基岩裂隙水，常年接受大气降水的补给。南芬矿汇水面积为2 880 000 m2，年平均降水量为1 086.3 mm，年补给量为3.1×106m3，水面蒸发量为658 mm［1］。由于近几年不能进行自然排水，其最低台阶水平的基岩含水量已经达到饱和状态。

1.2 工程地质概况

南芬露天铁矿矿床类型为鞍山式沉积变质铁矿床，矿带为太古界鞍山群地层。矿体由底盘向顶盘分为3层：第一层铁（Fe1）和第二层铁（Fe2）均较薄；目前开采的主要是第三层铁（Fe3）。矿体走向接近南北，可采长度为3 000 m，倾向向西38°～50°。矿体底盘为绿泥片岩（Am1）、绿泥角闪岩（Am2）和底盘角闪岩（Aml）等；矿体顶盘为绿泥片岩和混合岩（Mg）等。在矿层中或矿层间有绿泥角闪岩和绿帘角闪岩夹层。另外，还有火成岩（花岗岩、辉岩等）的侵入体［1］。

在铁矿层中有2组X型节理裂隙，1组为北东20°，另1组为北西20°，第2组较第1组更为发育。下盘矿岩中的层、节理、裂隙在三维方向都较发育，和矿体同一走向上弱面的倾角为35°～50°，弱面厚度为20～70 cm，平均厚度为45 cm；纵向上弱面（沿台阶走向）间距平均为33～42 cm，最大为60～130 cm；坡向（沿台阶倾向）间距平均为33～40 cm，最大为50～120 cm。

2 水文地质特点

南芬露天矿岩石较坚硬，顺坡向节理、片理发育，局部有软弱夹层。岩石裂隙发育的地方透水性强，含水也多；裂隙不发育的地方透水性弱，含水也少。不同地带、不同钻孔中出水量相差悬殊，甚至有几十倍至上百倍的差别。这种不均匀性就是基岩地下水与松散孔隙的最主要区别。所以，南芬矿的地下水为基岩地下水，有以下特点。

（1）岩石中各种大大小小的裂隙或孔洞互相切割、交叉，构成疏密不同的裂隙网脉或孔洞孔隙带。这些充水的裂隙或孔洞就像人体的血管一样相互沟通，大的孔洞和张开裂隙有如“大动脉”，其中地下水丰富且流动快；而细微的小裂隙甚至劈理就像“微血管”，水量小，流动也慢。因此，不能简单笼统地把某一地层当作均匀的含水介质来看待。

（2）基岩裂隙含水层是不规则的，没有比较固定的模式。基岩裂隙水的含水（带）完全受各种裂隙发育产状的控制［2］。除风化裂隙水一般属层状外构造裂隙水和接触带裂隙水的产状是极其不规则的，露天矿的绿泥片岩、绿泥角闪岩穿插在其他岩层中，为含水层；其他岩种为隔水层。这些含水层（带）的空间介质是均匀的。基岩裂隙的大小、形状是受地质构造条件和地貌条件的控制。基岩含水层的形态是多种多样的，与松散沉积物含水层相比，它并不完全受地层层位的控制。除了与地层层位一致的层状或似层状含水层之外，还有完全不受层位限制的呈带状或脉状的含水带。这些带状的和脉状的含水介质（或空间）的复杂形态，显然是无法用通常的“含水层”概念来确切形容的。这也说明基岩地下水的埋藏和分布情况远比松散岩层孔隙水复杂得多。

（3）基岩裂隙带脉状含水层埋深大，但地下水的储量不大。基岩裂隙水的动力性质不同于第四系均质孔隙水，有它的特殊性一般埋藏在同一地层中的地下水不一定都具有统一的地下水位有时呈无压和承压交替出现运动状态比较复杂有层流也有紊流。这些都是由岩石裂隙和孔洞的特殊形态和分布特点决定的。在采场内出现规模较大的2条断层附近的炮孔中水孔比例较高，但也有干孔，证明了这一结论。

3 基岩裂隙水渗流计算

基岩裂隙水在孔隙介质中的流动称为渗流，露天矿的地下水的渗流常常是自由表面的无压流，其水面高程沿流向变化。

基岩由颗粒或碎块固体材料组成，其内部包含着许多互相连通的孔隙或裂隙的物质，称为孔隙介质［3］

3.1 缓变渗流的基本微分方程

缓变渗流的基本关系是杜皮幼公式：

式中，h为渗水水深，m；z0为铅直距离，m；k为渗流系数，m/s；H为渗流水深h与不透水层面至基准面之间的铅直距离z0之和，即H=h+z0，m。

为了研究浸润线，需要对其形式稍加变化。图1所示为一缓变渗流，I-I线表示透水土层与不透水层的分界面，其坡度为i。取基准面O-O及任意2个相距为ds的过水断面1及2。可得出：

底坡计算公式为

故

代入达西定律得

式中，v为 渗流速度，m/s；ω为断面面积，m2；Q为渗流量,m3；其他参数意义同上。

这是缓变渗流的基本微分方程，以分析缓变渗流浸润线。

3.2 浸润线形状分析及浸润线方程

分析浸润线形状时，渗流流速水头可以忽略不计［4］，因而渗流的断面单位能量E i在数值上就等于渗流水深h。E i随h呈线性变化，不存在极小值，自然也就没有临界水深，从而也就无临界底坡。就不透水层坡度而言，在渗流中仅有正坡、平坡和负坡3种［5］。就正坡来说，可发生均匀渗流，既存在一个均匀渗流水深h0，但没有临界水深h k，所以水深h的变化范围仅有2种，即h>h0及h

在平坡上没有正常水深线，或者可以说h0→∞，所以只有一个b区，对于平坡，式（6）可写为

分离变量得

从断面1到断面2，上式积分得

这就是i=0时的浸润线方程，它表明浸润线是一条二次抛物线。当已知l,k,h1,h2时，就可以求得单宽流量q。

4 集水量计算

在露天矿现场，在14 m深的炮孔中实测的水文资料见表1。表1中数据与图1中浸润线形状在理论上相吻合。

?

开沟爆区的孔网参数为7 m×7 m，所以l=42 m，稍有裂隙的岩石渗流系数k=5×10-4m/s，h1=7.8 m，h2=5.7 m。将以上数据带入式（10）得q=40.6 m3/d。

一般开沟穿区的宽度为40 m，则在此处设立集水坑排水泵站，其每天的单侧集水量Q=qw=1 624 m3/d，总集水流量2Q=3 248 m3/d。那么根据全年总补给量、蒸发量和每天集水量，就可以计算出理论上每年需要排水的天数T=380 d。所以，在露天矿设立至少2个泵站，每个泵站的要求为每天的总排水量不低于3 284 m3，每个泵站的直达工作日为190 d。在设立2台水泵的情况下，每台每天工作12 h，则需要泵的排水能力不低于274 m3/h。所以，泵站排水只要在丰水期加大排水力度，枯水期适量排水，就可以解决目前的困难。因此，此数据为露天矿合理设立泵站提供了理论依据和实际数据。

5 结 语

目前，每年6—9月，在露天矿设立6个大泵站和2个小泵站，大泵型号为YQ900-240，每小时排水900 m3；小泵型号为YQ200-240，每小时排水200 m3。在其他时间，只设立2台YQ200-240型小水泵，已经能够满足露天矿排水需要，保证了每年开沟的顺利进行。