中关铁矿矿区地下水动态特征分析

庞旭静,胡雪峰,杨智淇

(1.华北理工大学 矿业工程学院,河北 唐山 063200;2.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司,河北 秦皇岛 066000;3.山西省地勘局213地质队有限公司,山西 临汾 041000)

0 引言

我国矿产资源开发利用历史久远,是世界上最早开发利用矿产资源的国家之一,但矿井水文地质条件极为复杂,开采时深受矿井水害的威胁。中关铁矿属于我国最为发育的矽卡岩型铁矿床之一,是隐伏式接触交代型矿床,矿体赋存在侵入岩与中奥陶统灰岩的接触带内及其附近的灰岩中,发育在百泉岩溶水系统北洺河到泉群泄水区的强径流带上,属于大水矿山。奥陶系灰岩地下水径流总体上受区域地下水径流控制,矿床的各含水层之间存在着一定的水力联系[1]。2010年实施全封闭帷幕注浆工程后,注浆帷幕在矿山施工过程中起到了一定的阻水作用,但帷幕内依然面临出水量大的问题。因此,需对比分析帷幕注浆后奥陶系灰岩含水层的各个观测孔地下水动态变化,为合理制定防治水措施、保障矿山安全生产提供科学依据。

1 中关铁矿帷幕注浆概况

矿区位于邢台-百泉强径流带上,地下水问题严重影响矿山开采,为减少矿井的涌水量,华北有色工程勘察院在2004年实施水文地质勘探后经过分析研究提出了帷幕注浆矿坑涌水防治方法。在经过多次帷幕注浆试验后实施帷幕注浆工程,帷幕注浆工程于2008年5月中旬开始施工,于2010年11月底完成,共施工钻孔325个,其中注浆孔253个,检查孔34个,加密孔20个,观测孔18个。在矿区帷幕线两侧和其内部共布有23个观测孔,分别为帷幕线两侧的9组18个观测孔和帷幕内的G1～G5五个观测孔,观测孔位置如图1所示。完成钻探进尺184 108.2 m,注浆段长度合计137 365.5 m。但于2013年10月,在竖井施工过程中,在-260 m水平中央变电所发生了突水量达250 m3/h突水事故,矿山涌水仍然制约着工程施工的正常运行。发生突水事故之后,经过后期排水形成了具有较大水位降深和一定空间分布、相对稳定的地下水空间流场[1,5]。

图1 帷幕与观测孔位置

帷幕体的形成,改变了地下水在矿区及矿区周围原有的径流途径,起到了一定的阻水作用[6]。帷幕注浆改变了中关铁矿原有的水文地质条件,使地下水大致流向从西北和西南部流入矿区,绕过帷幕体向北及向东方向径流。矿区内地下水补给量和排水量差异巨大,地下水动态呈负均衡,地下水静储量持续消耗,地下水流场形成降落漏斗。随着人工排泄持续进行,东南部水位变化不明显,矿区内地下水水位总体呈南高北低,可能是由于东南段观测孔与帷幕内含水层以及构造裂隙存在水力联系,总体来说,矿区内地下水水位与区域地下水动态和人工排泄存在一定水力联系[2-4]。

2 矿区观测孔地下水动态特征分析

奥陶系灰岩层是矿区分布最为广泛、厚度最大的含水层,为矿体的直接顶板或底板,具有厚度大,透水性强,分布范围广,与区域地下水系统连通性好的特征。矿区地下水位发生下降时,区域地下水可直接对矿区地下水进行补给[7]。

矿区奥陶系灰岩含水层地下水的补给来源主要是区域地下水的横向补给和大气降水、地表河流的入渗补给等。大气降水可通过裸露基岩风化裂隙含水层入渗补给基岩水并通过构造裂隙带补给奥陶系灰岩含水层;裸露的闪长岩体上部风化裂隙含水层可直接接受大气降水补给,补给水沿与灰岩接触带补给奥陶系灰岩含水层;河流的垂直渗流补给也是矿区灰岩含水层主要补给途径[1,8]。

根据百泉泉域内近10 a的地下水水位动态图(图2)分析得出[10],中关铁矿CG02观测孔孔水位动态趋势与区域总体水位动态趋势具有高度一致性,说明矿区地下水水位主要受区域地下水水位动态的影响。区域地下水位在2010-2020年期间,大体上可分为五个阶段:2010年1月-2011年7月总体呈下降趋势;2011年7月-2013年10月总体呈上升趋势;2013年10月-2016年7月总体呈下降趋势,且相对降幅较大;由于2016年强降雨的影响,2016年7月-2016年12月地下水位急剧上升;2017年1月-2020年4月,区域地下水位总体趋势较为平稳。在单个自然年内,7月至11月由于雨季的来临,降水量较大,地下水位呈上升趋势,11月-次年3月,水位动态较稳定,略微有小波动或小幅下降,3-7月,水位呈下降趋势。

图2 百泉泉域内近10 a的地下水水位动态图

2010年7月-2015年11月,帷幕内外的9组观测孔和帷幕内G1～G5五个观测孔的水位动态(时间-水位曲线)如图3所示[9]。自2010年帷幕建成之后,位于帷幕线内外的9组观测孔的水位动态变化基本一致,由此可以证明帷幕线内外的水力联系较为密切。根据图分析可知,尽管2012年9月-2013年10月部分水位数据有所缺失,但在每年的7月份-11月份受降水影响,水位有小幅度的上升趋势,其余时间段呈相对下降趋势。2013年10月-2015年12月整体呈下降趋势,且下降速度幅度快,与区域地下水水位动态趋势大致相符,说明帷幕内地下水位一方面受区域地下水位的影响,另一方面推测与帷幕内人工排水有关。

图3 2010年7月-2015年11月各观测孔水位动态曲线图

2013年9月27日,由于受矿山主井-260m变电所施工至闪长岩构造裂隙F1断层附近时突水事故影响,观测孔水位集体出现下降,突水量达到250 m3/h。10月4日,矿山开始对突水点进行封堵,与此同时进行强排水,10月4日-11月8日期间,抽水总量达11 520 m3/d(包含各施工竖井正常排水5 992 m3/d),排水后期10月11日-11月2日(11月6日,突水点完全封堵),矿床范围内地下水位接近于稳定状态,平均排水量350 m3/h。停止抽排地下水后,矿床范围内观测孔水位迅速上升[1]。

对帷幕内G1～G5五个观测孔进行水位动态检测(如图4),矿山强排水和突水点未封堵期间,帷幕内的五个观测孔响应最为迅速,G1、G3和G4三个观测孔水位降幅最大,分别是19.57 m、19.93 m、16.40 m,G2、G5观测孔水位降幅稍小,分别是11.42 m、14.77 m,G2和G5虽比G1、G3和G4三个孔降幅稍小,但明显大于分布于帷幕内外两侧的9组观测孔,完全封堵出水点停止强排水后,五个观测孔的水位迅速回升。说明帷幕内灰岩含水层与闪长岩构造裂隙含水层之间有很好的水力联系,由于闪长岩裂隙发育深度较深,同时依据勘探线剖面资料,闪长岩体上部有很厚的闪长岩蚀变带,而帷幕注浆深度只达到闪长岩内部10 m,闪长岩裂隙和闪长岩蚀变带很有可能是连接帷幕内外地下水的通道,采用水化学的方法对此推断进行进一步验证。

图4 G1-G5观测孔地下水水位动态曲线图

依据帷幕内外各观测孔水位的高低[6],可对帷幕内外的地下水流向进行分析(如图5和图6)。

图5 帷幕线外9个观测孔地下水水位动态图

图6 帷幕线内9个观测孔地下水水位动态图

图5为帷幕外侧9个观测孔地下水水位动态图,在帷幕建成之后,2013年8月至2015年12月外侧观测孔水位由高到低依次为c52-cg32-cg22-cg02-cg92-cg62-cg72-cg82。帷幕线西边,水流方向由北向南流;帷幕线东边,水流方向由南向北流;帷幕线北边,水流方向由西北向东流。地下水整体流向依然为西南向西北方向流,在帷幕附近受阻水帷幕影响区域,地下水从帷幕南侧、西侧流向矿区后,大致自南向北从帷幕体四周绕过帷幕体向北及东北方向径流。

图6为帷幕内侧9个观测孔地下水水位动态图,在帷幕建成之后,2013年8月-2015年12月内侧观测孔水位由高到低依次为cg01-cg91-cg11-cg51-cg71-cg81-cg61-cg21-cg31。结合帷幕线外水位观测孔的情况发现,随着抽排水的进行,帷幕内地下水总体呈现南高北低,帷幕内地下水为从四周向疏放水中心汇聚的状态,水位由高到低。当区域水位下降时,帷幕内小部分水可从东北部和西南部位置流出。

自2010年帷幕建成之后,对矿区内各个观测孔的水位进行水位动态监测,绘制水位动态曲线图,通过分析发现中关铁矿矿区内地下水位动态线与矿区外奥陶系灰岩含水层水位动态线走势基本一致,说明矿区内存在连接帷幕体内外的地下水通道,很有可能是闪长岩裂隙和闪长岩蚀变带。

3 地下水流场分析

图7为帷幕内2010-2019年间有特征变化的几年地下水位等势线图,是用Surfer软件所绘制得到的地下水位等势线图[3,7]。由于帷幕是在2010年11月底建成的,故选择2010年12月底以及2011年11月中旬的水位数据绘制等势线图如图7(a)和图7(b)。据图分析可知,在帷幕建成后,对这两年数据进行对比发现帷幕内地下水位明显下降,地下水向东偏北方向汇集,地下水总体呈自西向东、自南向北的径流。2011-2013年矿山排水量小且较为稳定。2013年11月中旬的水位数据绘制等势线图如图7(c),因为在2013年10月于-260 m水平中央变电所发生了突水事故,进行人工强排水作业后,中关铁矿帷幕内就形成了具

(a)2010年12月底帷幕内地下水位等势线图 (b)2011年11月中旬帷幕内地下水位等势线图 (c)2013年11月中旬帷幕内地下水位等势线图 (d)2016年11月中旬帷幕内地下水位等势线图 (e)2019年11月中旬帷幕内地下水位等势线图

有较大水位降深和一定空间分布且相对稳定的地下水空间流场,在南边出现较为明显的降落漏斗。2016年11月中旬的水位数据绘制等势线图如图7(d),从2016年开始,降落漏斗则从帷幕区南部逐渐向近帷幕区中部移动。2019年11月中旬地下水位等势线图如图7(e),地下水位虽有所下降,但帷幕漏斗形态变化较小,基本保持着以近帷幕中部为中心的降落漏斗。

通过以上分析发现,帷幕建成后帷幕外围地下水流向基本无大变化,仍大致自西南向东、自南向北绕过帷幕体向北及向东径流,帷幕内地下水位总体呈东南高、西北低。在帷幕范围内,由帷幕外边界至帷幕中心水位逐渐下降,地下水流向呈从四周向疏放水中心汇聚的状态,形成了一个降落漏斗形态。

4 结语

通过对帷幕注浆后各观测孔的水位动态特征以及地下水位流场时空变化特征进行研究分析,结果表明,在帷幕形成后,地下水大致从西北和西南部流入矿区,在流经帷幕体附近到帷幕体时,受帷幕体阻拦绕过帷幕体向北及东方向径流,帷幕内地下水从四周向疏放水中心汇聚。经对水位监测数据进行分析发现,帷幕内地下水与帷幕外区域地下水具有密切的水力联系,而且帷幕内地下水位主要是受矿区周围奥陶系灰岩含水层水位变化和矿山抽排水量的影响。

通过对帷幕内地下水流场的分析,充分明确了中关铁矿帷幕注浆后,随着矿山疏排水的进行帷幕内地下水流场的变化情况,对帷幕内地下水流场的时空变化情况进行。对研究中关铁矿地下水的赋存和运移规律,以及后续采样分析工作的进行提供了依据。