孟琛琛 藍(lán)海洋

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查研究院有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114038)

0 引言

大孤山鐵礦位于鞍山市東南12 km的千山腳下，占地面積10.6 km2，礦山開(kāi)采歷史悠久，如今已服役一百余年的，為國(guó)家提供優(yōu)質(zhì)的鐵礦資源。隨著礦山開(kāi)采加深，未來(lái)將轉(zhuǎn)為井下開(kāi)采，其水文地質(zhì)條件已發(fā)生較大變化。通過(guò)對(duì)礦山水文地質(zhì)條件綜合分析及涌水量預(yù)測(cè)，可為礦山未來(lái)開(kāi)采排水與開(kāi)采設(shè)計(jì)提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)自然地理概況

礦區(qū)屬千山山脈西北邊緣地帶，其地貌為低山丘陵區(qū)，總地勢(shì)東南高西北低，東南部為山地，西北部為低丘和大面積山間平原。區(qū)內(nèi)最高山峰位于東南部，標(biāo)高為378.0 m，當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面標(biāo)高54.2 m，比高約90～300 m不等。山坡角10°～30°，局部地段大于30°，植被較為發(fā)育。

區(qū)內(nèi)地表水體發(fā)育一般，礦區(qū)西部主要發(fā)育有大孤山小河，流向由南至北，河床寬3～20 m，水深0.1～0.6 m，豐水期實(shí)測(cè)流量約為2.13 m3/s，補(bǔ)給源主要為大氣降水，明顯呈季節(jié)性變化。

該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。多年平均氣溫8.8 ℃，最高氣溫36.9 ℃，最低氣溫-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、9三個(gè)月；多年平均蒸發(fā)量1 058.5 mm；平均凍土深度91 mm。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)

2.1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況[1]

2.1.1 巖石的賦水特征

1—全新統(tǒng)沖洪積孔隙含水巖組；2—更新統(tǒng)殘坡積孔隙含水巖組；3—層狀巖類基巖裂隙含水巖組；4—塊狀巖類基巖裂隙含水巖組；5—鐵礦體；6—構(gòu)造體；7—礦區(qū)范圍；8—地質(zhì)界線

1)第四系松散巖類孔隙含水巖組

主要包括全新統(tǒng)沖洪積孔隙含水巖組和更新統(tǒng)殘坡積孔隙含水巖組。其中全新統(tǒng)沖洪積孔隙含水巖組分布于礦區(qū)西部、西北部大孤山小河兩岸地帶，巖性為亞粘土、亞砂土、砂及砂礫卵石。地下水位埋深2.3～5.2 m，單位涌水量為1.145～3.082 L/s·m，滲透系數(shù)12.33～23.28 m/d，強(qiáng)富水性，地下水化學(xué)類型多為硫酸重碳酸鈣鎂或鈣類型，pH值6.65～7.04，礦化度0.547～0.711g/L；更新統(tǒng)殘坡積孔隙含水巖組分布于溝谷及山麓邊緣地帶,巖性主要為粘性土，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，單位涌水量為0.002 8～0.051 7 L/s·m，滲透系數(shù)0.005 24～0.060 7 m/d，為弱富水性。地下水化學(xué)類型為硫酸重碳酸鈣鎂或鈣類型，pH值6.71～7.59，礦化度0.38～1.03 g/L。

2)層狀巖類基巖裂隙含水巖組

該類含水巖組巖性為鞍山群櫻桃園巖組綠泥石英片巖及磁鐵石英巖、石英巖等，含風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水，鉆孔單位涌水量為0.000 16～0.004 54 L/s·m，滲透系數(shù)為0.000 2～0.01 m/d，屬弱富水性，富水性不均一，地下水類型主要為重碳酸硫酸鈣鈉或鈉型，pH值7.66～8.42，礦化度0.35～0.52 g/L。

3)塊狀巖類基巖裂隙含水巖組

主要分布于礦區(qū)南側(cè)，巖性為太古代花崗巖，含弱的風(fēng)化裂隙水和弱的構(gòu)造裂隙水，總體屬弱富水性。

2.1.2 地下水的補(bǔ)、徑、排條件及各含水層之間的水力聯(lián)系

區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，并在一定程度上對(duì)基巖風(fēng)化裂隙水補(bǔ)給，而基巖裂隙水除接受上覆第四系水補(bǔ)給外，同時(shí)接受區(qū)域基巖地下水徑流補(bǔ)給，徑流條件較差，露天開(kāi)采后，隨著不斷抽排地下水，以采坑底部為中心形成半徑近2 km的降落漏斗，未來(lái)轉(zhuǎn)為井下開(kāi)采后，區(qū)內(nèi)地下水位將進(jìn)一步降低，主要以人工開(kāi)采形式排泄，總的來(lái)看，第四系松散巖類孔隙水徑流條件相對(duì)較好，層狀及塊狀基巖裂隙水徑流條件較差，自然排泄條件不佳，以人工開(kāi)采和地下徑流形式排泄。

2.2 礦床水文地質(zhì)

2.2.1 概述

大孤山礦區(qū)開(kāi)采歷史久遠(yuǎn)，人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，地面破壞變形較大，歷經(jīng)六十多年的開(kāi)采，從原來(lái)260 m標(biāo)高的孤山頂變成目前最低標(biāo)高約為-340 m露天采坑，采場(chǎng)封閉圈78 m，最高標(biāo)高128 m，已形成東西長(zhǎng)1 700 m，南北寬1 520 m，垂直深達(dá)400 m橢圓形露天坑，面積2.03 km2。

2.2.2 巖層的富水性

礦床第四系地層幾乎剝離殆盡，針對(duì)鐵礦體而言，其直接頂、底板巖性多為綠泥石英片巖，均屬于層狀裂隙含水巖組，主要包括風(fēng)化裂隙水與構(gòu)造裂隙水。

風(fēng)化裂隙水主要分布在采坑周邊第四系下部及廣大基巖裸露地區(qū)淺部，發(fā)育深度10～90 m，據(jù)鉆孔揭露風(fēng)化裂隙抽水試驗(yàn)結(jié)果，鉆孔單位涌水量0.000 61～0.001 L/s·m，滲透系數(shù)0.001 26～0.001 72 m/d，富水性弱，透水性差。

礦床范圍內(nèi)構(gòu)造主要有走向斷層、斜交斷層和橫斷層三組斷層，其中走向斷層位于礦體下盤(pán)，走向延長(zhǎng)1 100 m以上，走向315°，傾向北東，傾角70～75°，基本與礦體產(chǎn)狀一致，平均單位涌水量0.000 54 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 3 m/d，屬弱富水性，礦化度為215.44 mg/L，pH值為8.33，水化學(xué)類型為重碳酸鈉型；斜交斷層位于礦床西北端礦段上盤(pán)，走向延長(zhǎng)500 m以上。斷層走向285～305°，傾向南西，傾角40～60°，深部斷層走向轉(zhuǎn)為近東西向，為逆斷層，鉆孔單位涌水量0.001 78～0.004 54 L/s·m，滲透系數(shù)0.002 1～0.012 8 m/d，屬弱富水性，礦化度為542.59～735.32 mg/L，pH值為7.66～8.02，水化學(xué)類型以硫酸鈣鎂型為主。橫斷層主要分布于礦床中部和東部，斷層帶寬5～30 m，除有斷層角礫巖外，并有花崗斑巖脈充填。斷層走向40～70°，傾向南東，傾角15～50°，采坑揭露位置地下水不斷滲出，涌水量約0.6 L/s,富水性及透水性相對(duì)較好。

太古代花崗巖、燕山期花崗巖及花崗斑巖、閃長(zhǎng)玢巖等侵入巖裂隙水均屬于塊狀基巖裂隙含水巖組，含弱的風(fēng)化裂隙水和弱的構(gòu)造裂隙水，鉆孔單位涌水量為0.000 16～0.063 6 L/s·m，滲透系數(shù)為0.000 2～0.060 66 m/d，富水性弱，透水性差，地下水化學(xué)類型多為硫酸鈣鎂或鈣鎂鈉型，pH值7.81～7.84，礦化度較高達(dá)1 g/L。

2.2.3 地下水動(dòng)態(tài)及補(bǔ)徑排條件

經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，礦床范圍內(nèi)最低地下水位已下降至-340 m標(biāo)高左右，形成垂直深達(dá)400 m，直徑約1 500 m的降落漏斗，目前礦坑排水量日平均排水量約為6 200 m3/d，呈較明顯的季節(jié)性變化。礦床地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，深部地下水通過(guò)區(qū)域基巖地下水徑流進(jìn)行補(bǔ)給。徑流條件一般，地下水排泄則以人工開(kāi)采排泄為主。

根據(jù)礦床所處地形地貌、地表水體發(fā)育情況和巖體富水性、透水性以及地下水補(bǔ)徑排條件等，綜合考慮認(rèn)為，該礦床水文地質(zhì)條件中等。

2.3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

2.3.1 概述

目前礦山開(kāi)采方式為露天開(kāi)采，最低標(biāo)高約為-340 m，設(shè)計(jì)未來(lái)-438 m水平標(biāo)高轉(zhuǎn)井下開(kāi)采，因此根據(jù)礦山不同開(kāi)采方式對(duì)礦坑涌水量分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，露天開(kāi)采預(yù)測(cè)至-438 m水平標(biāo)高，井下開(kāi)采預(yù)測(cè)水平為-678 m水平中段涌水量。

2.3.2 露天開(kāi)采礦坑涌水量計(jì)算

1)充水因素分析

對(duì)于露天開(kāi)采，其主要充水因素為大氣降水直接降落在露天采場(chǎng)上開(kāi)口面積內(nèi)的水量、采坑外圍降水入滲量及各含水層中賦存的基巖裂隙水。

2)計(jì)算方法及公式的選擇

對(duì)于露天開(kāi)采，開(kāi)采下一個(gè)水平時(shí)，采坑的地表境界面積和坑底境界面積會(huì)發(fā)生變化，計(jì)算露天開(kāi)采至-438 m水平標(biāo)高的礦坑涌水量公式[2]：

(1)

式中：Q—預(yù)測(cè)-438 m水平采坑地下水涌水量，單位為立方米每天(m3/d)；Q0—目前開(kāi)采水平采坑地下水涌水量，單位為立方米每天(m3/d)；F—預(yù)測(cè)-438 m水平采坑坑底境界面積，單位為平方米(m2)；F0—目前開(kāi)采水平采坑坑底境界面積，單位為平方米(m2)；s—預(yù)測(cè)-438 m水平采坑地下水水位降深，單位為米(m)；s0—目前開(kāi)采水平采坑地下水位降深，單位為米(m)。

3)計(jì)算參數(shù)的確定

根據(jù)相關(guān)資料成果，目前開(kāi)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積為55 000 m2,地下水位由原來(lái)的72.36 m標(biāo)高下降至目前的-340 m水平標(biāo)高，降深為412.36 m；預(yù)測(cè)-438 m水平采坑坑底境界面積為19 800 m2,預(yù)測(cè)水位降深至-438 m水平標(biāo)高，降深為510.36 m。

4)計(jì)算結(jié)果

將計(jì)算參數(shù)分別帶入(1)式，求得露天開(kāi)采-438 m水平礦坑正常涌水量Q=4 138.5 m3/d。

2.3.3 井下開(kāi)采礦坑涌水量計(jì)算

1)充水因素分析

未來(lái)井巷開(kāi)采的充水因素是基巖本身的裂隙水，主要賦存于構(gòu)造裂隙中,大氣降水通過(guò)第四系及基巖裂隙下滲間接補(bǔ)給，最終轉(zhuǎn)化為基巖裂隙水，水量較少。因此，未來(lái)井巷開(kāi)采在做好露天采坑防滲的前提下的主要的直接充水因素應(yīng)是基巖本身的裂隙水。

2)計(jì)算方法及公式的選擇

根據(jù)礦床水文地質(zhì)條件及井巷開(kāi)采方式，未來(lái)礦山井巷開(kāi)采選擇地下水動(dòng)力學(xué)法中的“大井法”作為礦坑涌水量計(jì)算方法，承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井裘布依公式[2]：

(2)

式中：Q—計(jì)算井下開(kāi)采礦坑涌水量(m3/d)；K—基巖裂隙水滲透系數(shù)(m/d)；M—含水層厚度(m)；s—水位降深(m)；r0—引用半徑(m)；R0—礦坑引用影響半徑(m)

3)計(jì)算參數(shù)的確定

(1)滲透系數(shù)K：對(duì)礦床內(nèi)施工鉆孔抽水試驗(yàn)工作所獲得的滲透系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取滲透系數(shù)平均值為0.015 m/d。

(2)含水層厚度M：據(jù)礦床水文地質(zhì)剖面揭露各含水層性質(zhì)并結(jié)合水文物探測(cè)井成果劃定的含水層厚度，綜合確定-678 m水平標(biāo)高，含水層厚度為240 m。

(3)水位降深s：考慮到未來(lái)轉(zhuǎn)井下開(kāi)采，預(yù)測(cè)-678 m水平標(biāo)高，地下水水位由現(xiàn)狀-340 m水平標(biāo)高降至-678 m水平標(biāo)高，水位降深為338 m。

(4)礦坑的引用半徑r0

(3)

式中：P—坑底周長(zhǎng)。

井下開(kāi)采-678 m水平標(biāo)高坑底周長(zhǎng)為2 350 m，代入公式(3)，其引用半徑為374 m。

(5) 礦坑的引用影響半徑R0

4)計(jì)算結(jié)果

將計(jì)算參數(shù)代入公式(2)，求得井下開(kāi)采-678 m水平礦坑涌水量Q=6 624.6 m3/d。

2.3.4 礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

計(jì)算露天開(kāi)采至-438 m標(biāo)高水平礦坑正常涌水量為4 138.5 m3/d，對(duì)于露天開(kāi)采其主要補(bǔ)給源為大氣降水，豐水期其涌水量將大于預(yù)測(cè)正常涌水量；計(jì)算未來(lái)井下開(kāi)采正常涌水量為Q=6 624.6 m3/d，值得說(shuō)明的是本次計(jì)算參數(shù)主要收集利用以往礦山勘查報(bào)告成果資料，可為礦山未來(lái)開(kāi)采排水與開(kāi)采設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)，未來(lái)礦山開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)對(duì)實(shí)際涌水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尤其降雨期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，依據(jù)同一礦山的實(shí)測(cè)涌水量數(shù)據(jù)，采用比擬法預(yù)測(cè)不同開(kāi)采水平的涌水量更為合理。

2.4 礦區(qū)水資源綜合利用評(píng)價(jià)

為合理保護(hù)利用水資源，礦山生產(chǎn)用水可首先考慮礦坑排水，同時(shí)可利用礦山西側(cè)約1.0 km左右的大孤山小河，常年流水，豐水期大氣降水后一段時(shí)間內(nèi)水量增加明顯，但均不能作為生活飲用水資源，礦山生活飲用水已有自來(lái)水供應(yīng)，礦山水資源大規(guī)模利用前應(yīng)對(duì)區(qū)內(nèi)的地下水與地表水資源量與水質(zhì)經(jīng)過(guò)科學(xué)論證以滿足用水需求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大孤山鐵礦床水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，確定該礦床為以裂隙含水層充水為主的礦床，水文地質(zhì)條件屬中等類型,并對(duì)礦山不同開(kāi)采方式下進(jìn)行了涌水量預(yù)測(cè)，對(duì)礦山未來(lái)開(kāi)采排水與開(kāi)采設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。礦山未來(lái)開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)，同時(shí)加強(qiáng)水文地質(zhì)觀測(cè)或監(jiān)測(cè)工作，不斷積累有關(guān)資料，為科學(xué)、合理、安全開(kāi)發(fā)鐵礦資源提供依據(jù)。