黃天瑞
(五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦,河北 武安 056300)
北洺河鐵礦防治水實(shí)踐及其研究
黃天瑞
(五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦,河北 武安 056300)
北洺河鐵礦屬于典型的巖溶充水及含泥砂充填、閃長(zhǎng)巖反復(fù)穿插形成的復(fù)雜條件下的大水礦床。自上世紀(jì)六十年代以來(lái),該礦前后歷經(jīng)數(shù)次水文地質(zhì)勘探及研究工作,取得了較為豐富的基礎(chǔ)資料。筆者在總結(jié)歷次勘探資料的基礎(chǔ)上,認(rèn)真分析了礦區(qū)放水試驗(yàn)及防治水工作取得的最新成果,并結(jié)合礦區(qū)開采現(xiàn)狀,對(duì)該礦的水文地質(zhì)特征及防治水技術(shù)有了清晰的認(rèn)識(shí),為下一階段礦區(qū)的安全開采提供依據(jù)。
北洺河鐵礦;水文地質(zhì);防治水;放水試驗(yàn)
北洺河鐵礦屬于典型的巖溶充水及含泥砂充填、閃長(zhǎng)巖反復(fù)穿插形成的復(fù)雜條件下的大水礦床。以溶隙水為主、頂?shù)装逯苯舆M(jìn)水、且靠近地表水體;尤其礦區(qū)東部2線以東位于百泉泉域上游,屬于強(qiáng)徑流帶,隨著礦山逐步向下開采,與區(qū)域水位有著260m的水頭壓力,存在著一定的安全隱患,為確保安全生產(chǎn)開采,結(jié)合礦區(qū)開采現(xiàn)狀,針對(duì)不同區(qū)域的水文地質(zhì)特征,制訂了相應(yīng)的、有效的防范措施。
北洺河鐵礦位于河北省武安市上團(tuán)城村北東約1km處的北洺河河床上。礦體賦存于奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r與燕山期閃長(zhǎng)巖接觸帶,屬接觸交代型鐵礦床。礦體頂面賦存標(biāo)高+142~-403m,大部分處在地下水位以下。礦床頂板及其圍巖為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r,厚度較大。以溶隙水為主、頂?shù)装逯苯舆M(jìn)水、靠近地表水體,屬于水文地質(zhì)條件較復(fù)雜的巖溶裂隙充水礦床。
礦山于1997年4月8日恢復(fù)基建,2002年4月8日投產(chǎn)。地下開采,無(wú)底柱分段崩落法采礦。目前已開拓至-230m水平,主要采礦部位在-110~-155m水平。
北洺河鐵礦地下水屬于邢臺(tái)百泉泉域巖溶水系統(tǒng)。礦區(qū)處在北洺河-郭二莊-王窯-中關(guān)-邢臺(tái)巖溶水強(qiáng)徑流帶上游,屬于近補(bǔ)給區(qū)的徑流區(qū)段[1](圖1)。
區(qū)內(nèi)巖溶地下水動(dòng)態(tài)受降水量及人為開采量所控制,地下水動(dòng)態(tài)特征為降水-開采型,表現(xiàn)為“集中補(bǔ)給、常年消耗”,地下水位呈階梯狀逐年下降的總特征。
礦區(qū)地下水表現(xiàn)為自西向東、由南往北徑流運(yùn)動(dòng),礦區(qū)地下水位呈現(xiàn)周期性變化,地下水位的回升主要受降雨控制,降雨量大且集中則引起地下水位迅速回升;降雨量小且分散,則地下水位升幅小,甚至不上升,年回升幅度相差懸殊。
圖1 百泉巖溶水系統(tǒng)略圖
礦區(qū)由于巖性差異,構(gòu)造發(fā)育不平衡,以及含水層厚度、賦存狀態(tài)、充填程度變化和火成巖蝕變作用,造成石灰?guī)r含水層富水性不均一。
疏干條件下,由于持續(xù)排水,礦區(qū)水文地質(zhì)條件發(fā)生了非常顯著的變化,礦床已形成較深降落漏斗,巖溶水基本從承壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為無(wú)壓狀態(tài)。
1)排水系統(tǒng)。西風(fēng)井-122m中段設(shè)置井下排水系統(tǒng),包括水泵房、變電、水倉(cāng)、沉淀池等工程,水泵房安裝10臺(tái)D450A60×8型水泵,排水能力為108000m3/d,-50m和-110m為礦坑水通過(guò)泄水井、聯(lián)絡(luò)斜井流入-122m中段南北疏干巷道匯流于-122m水倉(cāng),經(jīng)泵由西風(fēng)井排出地表,再通過(guò)輸水管道排到主、副井附近和聯(lián)合泵站的蓄水池。
2)疏干系統(tǒng)。-122m中段為專門疏干巷道,將西風(fēng)井、主井、副井、東風(fēng)井和-50m中段、-110m中段上下盤運(yùn)輸巷道、聯(lián)絡(luò)巷道、斜巷連接起來(lái),形成與采礦系統(tǒng)不相干擾的一套完整的疏干放水—輸水—排水系統(tǒng)。
-50m中段結(jié)合采準(zhǔn)工程布設(shè)7個(gè)疏干酮室并利用3個(gè)進(jìn)路巷道布置,共施工放水孔26個(gè),總進(jìn)尺2386.67m。孔深一般100m左右,要求穿過(guò)灰?guī)r段長(zhǎng)度50~80m。
-122m中段,布設(shè)8個(gè)銅室,共施工放水孔18個(gè),總進(jìn)尺1722.50m,孔深80~100m,穿過(guò)灰?guī)r段長(zhǎng)度40~80m。
上述放水孔峻工后,在孔口安裝壓力表,并予關(guān)閉,待放水試驗(yàn)時(shí)啟用。
3)降水疏干試驗(yàn)前礦坑排水情況和地下水流場(chǎng)分布??酉滤梅繌?999年12月有排水資料開始截止放水試驗(yàn)前(2000年6月22日),礦床地段礦坑總排水量15000m3/d左右。
礦床地段5個(gè)觀測(cè)孔水位從2000年3月中旬開始觀測(cè),礦區(qū)周圍觀測(cè)孔水位從同年5月開始觀測(cè),將礦坑排水前與礦坑排水后,(放水試驗(yàn)前)觀測(cè)資料對(duì)比,礦坑排水前,即在天然條件下,礦床地段地下水位高于2#線以東強(qiáng)帶水位20多米,高于上區(qū)域一帶2~3m,高于南面團(tuán)城鐵礦一帶9~10m;而在礦坑排水后,地下水位則低于2#以東強(qiáng)帶10多米,低于上團(tuán)城一帶60~70m,低于南面團(tuán)城鐵礦一帶30~40m??梢?,礦坑排水后在礦坑排水量15000m3/d條件下,即形成一個(gè)降深較大,控制范圍較廣的疏干降落漏斗。
放水試驗(yàn)是礦坑長(zhǎng)期排水的繼續(xù),即是在坑下長(zhǎng)期排水并已形成一定規(guī)模的地下水疏干的情況下,將專門施工的放水孔全部打開放水,按試驗(yàn)要求選取幾個(gè)時(shí)段進(jìn)行放水試驗(yàn)。本試驗(yàn)結(jié)束后,放水孔繼續(xù)進(jìn)行引水疏干。
放水試驗(yàn)從2000年6月22月10:00開始,直至8月下旬,跨越枯水期和洪水期,進(jìn)行坑下流量(包括放水孔、涌水占流量)、地下水位和坑下水壓力觀測(cè)。
1)水期放水試驗(yàn)。-50m中段26個(gè)放水孔,6月28日前打開23個(gè)孔,16個(gè)孔無(wú)水,只有一個(gè)孔單孔出水量30m3/h左右。6月28日后又增加了幾個(gè)孔,放水量增加到53m3/h左右。整個(gè)過(guò)程放水量變化不大。-122m中段18個(gè)孔放水,打開后4個(gè)孔無(wú)水,其余14個(gè)孔單孔出水量幾立方米/小時(shí)至十幾立方米/小時(shí),合計(jì)放水量70m3/h左右,水量隨時(shí)間延續(xù)略有減少。放水前后,西風(fēng)井排水量約在10000m3/d左右,中段放水孔水量為2952m3/d,放水后涌水點(diǎn)涌水量明顯減少。
放水后,僅GX3觀測(cè)孔水位降低8.53m外,基余觀測(cè)孔地下水位都沒(méi)有多大變化。放水試驗(yàn)后及延續(xù)一段時(shí)間壓力值變化不大,-50m中段壓力值為0.23~0.28MPa,-122m中段北疏干巷道壓力值為0.15~0.37MPa,南疏干巷道壓力值1.60MPa。
2)洪水期放水試驗(yàn)。2000年7月3日晚開始降雨,直到7月6日降雨量達(dá)280.3mm,7月4日北洛河河床出現(xiàn)表流,當(dāng)晚河床出現(xiàn)近幾年最大洪流(洪流量達(dá)900m3/s),7月4日開始洪水期放水試驗(yàn)。
-50m 中 段 水 量 從 1254.89m3/d,增 加 到5706.72m3/d,為枯水期放水量的4.5倍,當(dāng)河床表流斷流后,部分放水量明顯減少,到8月下旬減少到3077.04m3/d,但仍為枯水期的2.5倍。洪水期放水孔水量變化特征:一是原來(lái)不出水的孔變成有水,二是原來(lái)水量小的變成較大,當(dāng)降雨和河床出現(xiàn)表流后,放水孔的水量明顯增大,從1254.89m3/d增加到5691.36m3/d,且放水孔涌水?dāng)y帶泥沙量明顯增多,水質(zhì)極度渾濁。
-122m 中段水量從1575.19m3/d增加到2201.81m3/d,為枯水期放水量的1.4倍,當(dāng)河床表流斷流后,水量漸趨減少,到8月下旬,減為1940.88m3/d,比枯水期放水量增加23%,即使降雨和河床出現(xiàn)表流,該中段放水量也增加不多。且涌水?dāng)y帶的泥砂量略有增加,個(gè)別放水孔水質(zhì)渾濁。
-110m中段多涌水點(diǎn)涌水量略有增加,西風(fēng)井排水量從10000m3/d增加到15000m3/d。
2000年7月3日晚至6日連續(xù)3天降雨,到7月10日礦體地段及其周圍觀測(cè)孔水位變化不大,水位升幅1.5m左右。
3)降水疏干。枯、洪水期放水試驗(yàn)告一段落后,根據(jù)放水試驗(yàn)研究成果分析,提出巷道掘進(jìn)與排水并行的疏干方案,為了研究-50m、-110m、-122m中段與主井、東風(fēng)井的聯(lián)絡(luò)巷道直接揭露灰?guī)r段含水性及隨著坑下開拓面積擴(kuò)大砂坑涌水和地下水流場(chǎng)的變化狀況,繼續(xù)進(jìn)行排水量和地下水位觀測(cè),并對(duì)礦山疏干相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行驗(yàn)證和研究。
從2000年9月至2001年11月,礦坑排水量逐漸增大,西風(fēng)井最大排水量17500m3/d。當(dāng)主井、副井、東風(fēng)井等處水量匯入后,再加上民采礦排水量,其礦坑總涌水量為24200m3/d。地下水位,從2000年7月4至2000年12月,由于本年降雨量大,地下水位逐漸上升,礦床地段鉆孔水位上升到16.58~24.09m,此后,地下水位日趨下降,2001年雨量小,河床未出現(xiàn)表流,汛期地下水位無(wú)回升,至2001年11月,GXl孔水位下降12.038m。
綜合這期間礦坑疏干排水資料認(rèn)為,由于灰?guī)r含水層滲透性弱,深部因放水壓力大,形成了很大的垂向梯度,2000年洪水期盡管地下水位有較大上升,同時(shí)也相應(yīng)加大了其滲透路徑,造成深部壓力仍然很大,使得深部的疏干工程的出水量不因淺部自由水面升降而形成較大變化,如2000年7月10~12日,西風(fēng)井排水量都穩(wěn)定在15000m3/d左右。礦坑疏干排水隨著放水時(shí)間延續(xù),放水點(diǎn)附近的水頭壓力也在逐漸降低,深部放水工程的放水量也隨之減少,在枯水期新形成的降落漏斗隨著降水疏干時(shí)間的延續(xù)而逐漸下移、擴(kuò)大,勢(shì)必接受更大范圍的垂向、側(cè)向水量補(bǔ)給,使地下水位下降速度又漸趨變緩,直至次年洪水期來(lái)臨,接受降雨河水入滲補(bǔ)給,地下水位上升,造成枯、洪水期地下水位升降周期性變化,盡管坑下施工及灰?guī)r含水層的不斷揭露,但地下水位的自由面仍在很高的位置,說(shuō)明弱含水層礦床,開采前采用通常的深部降水疏干方法很難將地下水位降至設(shè)計(jì)開采深度。
1)地下水位形成較陡的地下水疏干降落漏斗。
2)空間上形成很陡梯度的地下水空間流場(chǎng)。從放水試驗(yàn)的出水量觀測(cè)分析,一是灰?guī)r含水層的涌水量小,二是含水段受構(gòu)造控制明顯,富水性極不均一,進(jìn)一步證實(shí)灰?guī)r含水層富水性弱且極不均一的特點(diǎn)[2]。
3)礦坑排水的水源主要來(lái)自第四系垂向入滲補(bǔ)給。礦坑長(zhǎng)期排水,形成一個(gè)較深的疏干降落漏斗,大大改變了地下水天然遷流條件。降落漏斗內(nèi)的地下水主要是接受第四系地下水及河水垂向補(bǔ)給。同時(shí),降落漏斗周邊還接受區(qū)域灰?guī)r地下水側(cè)向補(bǔ)給,這側(cè)向補(bǔ)給水量當(dāng)中的相當(dāng)部分,也是區(qū)域第四系地下水垂向滲入補(bǔ)給灰?guī)r地下水后水平運(yùn)動(dòng)以側(cè)向形式進(jìn)行補(bǔ)給。
1)河流改道、挖溝截洪。北洺河縱貫礦床上部自西向東流過(guò),系季節(jié)性河流,洪峰流量大。天然條件下,河水、第四系潛流是灰?guī)r地下水主要的補(bǔ)給水源,礦床北部還有相當(dāng)量的地表匯水。開采條件下,尤其是開采崩落地表后,形成大量的人工裂隙和洼陷地形,非常有利于河水入滲或直接灌入井下。這樣,一方面增加井下排水量;另一方面汛期瞬時(shí)滲入或灌入的水量過(guò)大甚至超過(guò)井下排水能力時(shí),將會(huì)對(duì)井下生產(chǎn)和人身安全產(chǎn)生致命威脅。因此,需要將河流向南改道,沿礦床北岸布置攔洪溝,攔截河水及洪水,并將其引出區(qū)外。
2)探放水及疏干降壓。根據(jù)礦床灰?guī)r含水層富水性弱,疏干降壓宜采用巷道采掘與排水并行的疏干方案。但在局部地段,如規(guī)模較大的斷裂帶、構(gòu)造破碎帶及巷道掌子面接近灰?guī)r局部富水地帶,需用超前鉆孔查明周圍水體、含水構(gòu)造等的具體位置、產(chǎn)狀和水量,預(yù)先將水放出來(lái),以減小水頭壓力。
礦區(qū)東部2線以東位于百泉泉域上游,屬于強(qiáng)徑流帶。由于巖性分布的差異及構(gòu)造發(fā)育的不同,從而表現(xiàn)出不同的特征。
該區(qū)奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r質(zhì)純、性脆,巖溶化強(qiáng),接近東側(cè)區(qū)域性大斷裂帶巖溶極為發(fā)育,平行于斷裂帶的巖溶、裂隙更為發(fā)育;火成巖基底向下傾斜,含水層厚度也較大。此外,該區(qū)上覆煤系地層,灰?guī)r的裂隙巖溶充填較少,故該區(qū)透水性、富水性較強(qiáng)。
北洺河礦床地段2線以東鉆孔單位涌水量一般大于1L/s·m,平均滲透系數(shù)2.67m/d(據(jù)CKA39多孔抽水試驗(yàn))。礦床東面外圍石灰?guī)r含水層透水性、富水性更強(qiáng)。它與北面玉石洼礦床13線以東至郭家?guī)X一帶強(qiáng)區(qū)和南面崇義東、團(tuán)城鐵礦東南等地段強(qiáng)區(qū)有著密切水力聯(lián)系,地下水動(dòng)態(tài)幾乎同步變化,同屬于北洺河-郭二莊-中關(guān)-百泉強(qiáng)徑流帶的GX6和云觀8在2009年11月25日~2010年7月9日分別下降了18.12m及16.93m,降幅接近。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期以來(lái)的排水,形成了較深的地下水降落漏斗(圖2)。
圖2 北洺河鐵礦礦床奧陶系灰?guī)r地下水流場(chǎng)示意圖
礦床與2線以東地下水之間聯(lián)系程度弱。天然條件下2線附近以西地下水位高于其以東水位20m左右;礦床地段地下水降落漏斗形成后,2線以西地下水位低于以東60m左右,水力坡度達(dá)300‰。東區(qū)處于區(qū)域地下水強(qiáng)徑流帶,地下水水位主要受區(qū)域地下水流場(chǎng)控制。礦床東區(qū)GX6觀測(cè)孔水位高于北部云駕嶺觀8孔水位1~2m,在礦坑排水前后沒(méi)有變化,可見礦坑排水對(duì)東區(qū)地下水影響不大。
2線附近石灰?guī)r被閃長(zhǎng)巖頻繁穿插(圖3),儼如一堵透水性很弱的墻,阻滯東區(qū)強(qiáng)徑流帶區(qū)域地下水對(duì)礦床地下水的補(bǔ)給作用。整體上分為上下兩層,透水性上弱下強(qiáng)。天然水力坡度大,CK12~CKA38水力坡度40‰~70‰,CK49~CK32水力坡度為29‰~39‰。上層灰?guī)r(-50m以上),巖溶裂隙不發(fā)育,單位涌(耗)水量為0.1~1L/s·m。下層灰?guī)r特別是進(jìn)入O2-22地層,巖溶裂隙較上層發(fā)育,鉆孔單位涌水量大于1L/s·m,為礦床地段最強(qiáng)含水段。
圖3 北洺河鐵礦地質(zhì)體垂向分布示意圖
3.2.1 增加水文觀測(cè)點(diǎn),完善觀測(cè)系統(tǒng),實(shí)施動(dòng)態(tài)觀測(cè)
由于東部水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性及重要性。針對(duì)區(qū)域特點(diǎn)設(shè)計(jì)增加各水平涌水點(diǎn)(放水孔)及地表觀測(cè)孔,根據(jù)水頭壓力值及水位來(lái)判斷相應(yīng)地段灰?guī)r含水層透水性強(qiáng)弱,為確定是否實(shí)施放水降壓措施提供依據(jù)。
3.2.2 井下強(qiáng)含水段放水降壓
-230m、-245m水平的開拓系統(tǒng)、采準(zhǔn)工程系統(tǒng)和排水系統(tǒng)已基本形成并進(jìn)行長(zhǎng)期疏干排水,礦床東區(qū)地下水潛水面標(biāo)高仍然在-30~-50m。-245m水平巷道還頂著200多米水頭壓力??紤]高水頭壓力對(duì)深部開采存在著安全隱患,為了消除或減少高水頭壓力對(duì)礦坑的安全隱患,通過(guò)-170m、-245m疏干水平巷道施工42個(gè)放水鉆孔,再借助分層采準(zhǔn)工程施工放水孔,形成垂向上多層、平面上多點(diǎn)分散的放水疏干系統(tǒng)。
由于本礦區(qū)閃長(zhǎng)巖的穿插,含水層透水性、富水性極不均一,采掘或探水過(guò)程中遇到涌水的地段(如-110m,12#采場(chǎng)灰?guī)r富水性較強(qiáng)地段),集中施工一些放水孔進(jìn)行放水降壓。通過(guò)原有疏干工程和施工在強(qiáng)含水段的放水降壓孔,將采掘水平強(qiáng)含水段的地下水釋放排走,為采掘創(chuàng)造良好的作業(yè)條件。
3.2.3 局部放水試驗(yàn)研究
礦坑疏干排水時(shí)對(duì)2線以東地區(qū)地下水未受明顯影響。但東區(qū)畢竟是地下水強(qiáng)徑流帶,-110m、-230m、-245m中段巷道接近東區(qū),它頂著近260m的水頭壓力,仍存在著安全隱患。當(dāng)-170m和-230m巷道接近東區(qū)強(qiáng)區(qū)時(shí)施工放水鉆孔。
待放水孔施工完成后,可進(jìn)行局部放水試驗(yàn),進(jìn)一步查明礦區(qū)東部水文地質(zhì)條件及灰?guī)r含水層透水性、富水性分布規(guī)律,以及F1斷層的富水性特征,為礦坑涌水量預(yù)測(cè)確定更加合理的有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。
1)北洺河鐵礦屬于典型的巖溶充水及含泥砂充填、閃長(zhǎng)巖反復(fù)穿插形成的復(fù)雜條件下的大水礦床,東部富水性、透水性較強(qiáng),但均一性較差,西部富水性、透水性較弱且不均一。
2)北洺河鐵礦床地下水疏干宜采用開拓、采礦與排水并行疏干方法,即是直接利用坑下開拓、采準(zhǔn)工程進(jìn)行裸巷(直接揭露石灰?guī)r含水層)、排水疏干,同時(shí),在局部地段和新采掘區(qū),如遇斷裂帶、構(gòu)造破碎帶地段及掌子面接近灰?guī)r局部富水地段,需要超前鉆孔探水,預(yù)先將水放出來(lái),降低水壓,保障安全生產(chǎn)。
3)東部防治水需要強(qiáng)化觀測(cè),采掘或探水過(guò)程中遇到涌水的地段及針對(duì)強(qiáng)含水層要加大探放水力度,及時(shí)進(jìn)行放水試驗(yàn),進(jìn)一步探明礦區(qū)東部水文地質(zhì)條件及灰?guī)r含水層透水性、富水性分布規(guī)律。
北洺河鐵長(zhǎng)期以來(lái)進(jìn)行了大量地質(zhì)勘探和水文地質(zhì)工作,歷次水文地質(zhì)勘探積蓄和研究,建立的水文地質(zhì)模型符合客觀實(shí)際,長(zhǎng)期疏干排水積累了大量的排水量和地下水位觀測(cè)資料,揭露了石灰?guī)r含水層及其含水特點(diǎn),真實(shí)地反映了疏干排水條件下的地下水流場(chǎng)分布特點(diǎn),礦坑涌水量的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可靠,為礦山防水治水提供了可靠依據(jù)。
[1]葉和良,郝美鈞,張永交,等.河北省武安市北洺河鐵礦坑道降水疏干試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告[R].石家莊:華北有色地質(zhì)勘查局517大隊(duì),2002.
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Prevention of water practice and research in minmetals Hanxing mining Beiminghe iron mine
HUANG Tian-rui
(Beiminghe Iron Mine,Minmetals Hanxing Mining CO.,Ltd.,Wu’an 056300,China)
Beiminghe Iron mine is a typical karst water-filled and contains sediment filling,diorite interspersed repetitive flood deposits in under complicated conditions formed.Since the 1960s,before the mine after several hydro-geological exploration and research work,made more rich biography.The author summarizes the previous exploration data,based on a careful analysis of the experimental and control of mine drainage water has made the latest results,combined with the current situation of mining,hydrogeological characteristics of the mine and the prevention of water technologies have a clear understanding,for the next mine safety mining stage to provide a basis.
Beiminghe iron;hydrogeology;prevention of water;drain test
黃天瑞(1963-),男,本平,1984年畢業(yè)于廣西桂林冶金地質(zhì)學(xué)院礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè),高級(jí)工程師,主要從事礦山地質(zhì)工作。E-mail:1298315618@qq.com。
TD12
A
1004-4051(2014)S2-0106-04
2014-07-15
地質(zhì)找礦