山东某铁矿矿床充水因素分析及矿坑涌水量预测

王 亮,辛小毛,曾先贵

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

山东某铁矿矿床充水因素分析及矿坑涌水量预测

王 亮,辛小毛,曾先贵

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

山东莱新铁矿水文地质条件复杂,根据地质资料和近几年矿坑水文资料,对矿床充水因素进行了详细分析研究,并在此基础上采用Q-P曲线外推法和解析法重新进行了涌水量预测,经对比分析,预测结果基本符合实际,为该铁矿安全生产提供了指导性意见。

铁矿;充水因素;矿坑涌水量

山东莱新铁矿水文地质条件复杂,矿坑涌水量大。水文地质勘察报告预测西矿区-305水平以上矿坑最大涌水量为 50000t/d,但由于其预测的假设条件和前提条件都与现实不符,其预测结果偏小,特别是该地区强降暴雨期间,现实的正常涌水量就已达到近 50000t/d,给矿山的安全开采带来隐患。为了确保矿山的安全高效开采,矿床充水因素分析及矿坑涌水量预测显得尤为重要。

1 矿区主要地层及构造

1.1 地层

研究区内分布影响矿床充水因素的地层主要有第四系、第三系、奥陶系及岩浆岩侵入岩体。因岩性、分布位置、埋藏条件及其含水性和透水性等不同特征,它们对矿床充水所起的作用和影响的程度差异性很大。

(1)第四系(Q):属于冲积层、冲洪积层,岩性主要为砂质粘土、砂、砾石,因此是一个强含水层和透水层,平均厚度为 13.47m。第四系的水位埋深 1～4m,渗透系数为 50～300m/d,单位涌水量 q=1～12L/s.m。水质类型为型,矿化度为 0.2g/L。

(2)第三系:在区域上第三系红砂岩自塔子～石门官庄断裂以北开始出现,向北逐渐加厚,矿床地段厚度为 150～250m,其沉积厚度及分布严格受古地形及地质构造控制。矿区内第三系为管庄组地层,岩性主要为红色粘土岩、粘土质砂岩、粘土质砂砾岩,底部为砾岩和砾石,第三系渗透系数为0.00032m/d,单位涌水量 q=0.000173L/s.m,含水性弱,可视为良好的隔水岩层。

(3)奥陶系:在矿区内所见灰岩、大理岩为中奥陶统马家沟组第四、第五、第六段,由于古地形的控制作用,由南至北,灰岩、大理岩深度逐步增大,而其厚度则逐渐变薄。奥陶系灰岩,大理裂隙发育,含水丰富,为区内主要含水岩层。

(4)矿体由杜官庄以东倾伏于中奥陶系灰岩之下,但因古剥蚀作用,以及侵入过程中的起伏变化,因而于西尚庄与纪家庄以北,岩体伏于第三系红砂岩之下,岩体在矿床地段呈锯齿状或舌状侵入,矿区有两层 10～30m的闪长玢岩脉顺层侵入,构成了矿体较为稳定的底板。岩体仅在风化壳或局部构造裂隙中含有微弱裂隙水,单位涌水量为 0.1～0.8 L/s.m,渗透系数 0.05～0.1m/d,水质为型,矿化度 1g/L以上,为矿区灰岩、大理岩含水层中的良好隔水岩体。

1.2 构造断裂及其控水性

矿区构造复杂,断裂、褶皱十分发育,主要有东西向构造带、北北东向断裂 F2、F3、F4和 F1及新东西向断裂 F5等,其地下水的运动大都受构造断裂的控制。

(1)F4(牛泉-茂盛堂)断裂:构造形迹在茂盛堂村南出露,村北被第四系、第三系覆盖,推断该断裂向北延伸至牛泉村南,ZK37孔于孔深 228.8～239.87m见有构造角砾岩,为该断裂面延伸的依据。断裂走向近南北,展布倾向东,断裂两侧地层不一,显示断裂东侧地层相对向北推移,西侧向南移动之特点。该断层在南部不具阻水性,这已为矿区大口径抽水所证实,但往北则渐显阻水性,已被 N3和N5孔之间的水头和水温所证实。

(2)F2、F3(候家沟东)断裂带:F2断裂大都被第三系及第四系覆盖,仅在局部地段出露,构造形迹清楚,压扭性特征明显。其走向为 N200～300E,倾向在南段为北西,北段为南东,倾角 74°～80°,推断断距 80m左右。位于 F2断裂以东,有一条或几条与 F2大致平行、性质相同的断裂如 F3。该组断裂具隔水性质,是阻挡南部灰岩地下水侧向进入矿区的东部屏障,但在断裂的西南、东北两端的灭尖处,分别与 F1断层、F5断层相交形成两个缺口,其中东北端的缺口是外围地下水进入矿区的重要迳流通道,而西南端的缺口由于 F1断层相对隔水性质,其进入矿区的水量有限。

(3)F1断裂:断裂位于矿区的正负线之间,断层走向 N14°W、倾向南西,推断断距 80m左右。其表现是:由于断层的作用,F1断裂东盘奥陶系中统马家沟组第四段灰岩与西盘第五段灰岩沿走向接触;沿断裂走向古剥蚀作用较强,第三系沉积厚度较断裂两侧有明显的增厚,灰岩相对变薄,从而造成了断裂两侧水文地质条件有明显差异的两个块段,即矿区的东西两块段。根据矿区抽水试验的观测孔数据分析,F1断层具相对隔水的性质。但在断层的南侧深部,也见其导水性,由于深部岩溶发育程度较低,其导水性能也较差,也是矿区东西两矿区地下水联系的迳流通道。

(4)F5(牛王泉～杜官庄)断裂:断裂位于矿区北部,西由牛王泉,东至杜官庄。断裂的东段地面略有显示,向西隐伏于第三系、第四系之下。该断裂活动较为强烈,切割了第三系、奥陶系及燕山期闪长岩体。断裂走向近东西,倾向南,断裂东段断距约 200 m,向西断距变小,为 100m左右。F5断层具有导水及阻水的两重性,但在断层的东西两端有两个缺口,是矿区地下水与外围地下水联系的通道。

2 矿床充水因素分析

根据矿区水文地质勘探报告和现有的巷道钻孔资料分析,矿床顶底板大理岩含水层岩溶裂隙发育,含水丰富,是直接威胁矿床安全开采的充水岩层,其岩溶裂隙发育分布规律为:垂直方向在-200m和-300m二个水平较其它水平更发育,主要由于在-200m水平附近,大理岩水平厚度突然变薄,被闪长岩和矿体侵入,而在-300m水平,矿体突然变薄,被大理岩和闪长岩侵入,都是构造多级活动导致该接触带岩石破碎、裂隙发育,形成一条富水性强、导水性好的地下水主迳流通道;在水平方向上,在矿体下盘矿岩接触带、矿床西南和西侧,以及矿体上盘矿岩接触带,岩溶裂隙十分发育,富水性强,导水性好,矿坑绝大部分的涌水点都分布于此,是矿区地下水进入矿坑的主要迳流通道,也是矿床防治水的重点地带。特别是在-200m和-300m水平左右,是矿体的顶、底板。其顶、底板大理岩通常有闪长玢岩、矽卡岩等穿插,岩脉附近的大理岩较破碎,岩脉本身具有松软、易风化、稳固性差的工程地质特征,易发生冒顶塌方,并伴随泥石流和突水的危险。

矿岩上下盘接触带是大理岩含水层中的地下水进入矿床的主要迳流通道,矿岩上、下盘接触带的走向大致是近北北东向或近东西向。从巷道揭露和探水钻孔取芯的情况分析,矿体顶板大理岩含水层构造裂隙的走向大致为北东 30°左右,倾角为 70°左右,倾向西北。在-255m水平至-205m水平下盘运输巷的西南端掌子面探水钻孔注浆施工的情况表明,北东方向的岩溶构造裂隙发育,含水十分丰富,水力联系好。并且,从历年的矿坑排水量与地表水位观测孔动态关系可知,在西部矿体形成了长轴方向为北东南西、短轴方向为北西南东的疏干降落漏斗,也进一步说明了矿区外围地下水进入矿床的主要迳流方向是北东南西向,其构造岩溶裂隙的走向也应是以北东南西向为主。

3 矿坑涌水量预测

根据水文地质报告和这几年防治水的水文资料,对西矿区的矿床涌水量的预测采用以下 2种方法:一是利用西矿区西部矿体的现有水文资料(特别是 2009年强降雨过程中的资料),采用 Q-P曲线外推矿坑涌水量;二是采用解析法进行计算预测。

3.1 Q-P曲线外推矿坑涌水量预测

根据井下各个水平分段的探水钻孔(特别是-205m水平 17-1钻孔)水压与相对应的矿坑涌水量的变化来拟合外推预测矿井涌水量。

基础数据为:2009年 5月 29日(0.2MPa,620 m3/h),8月 9日(0.6MPa,822m3/h),8月 20日(1 MPa,933m3/h),8月 24日(1.5MPa,1195m3/h),8月 30日(2.5MPa,1598m3/h),9月 6日最大值(2.7MPa,1720m3/h)。

依据实际矿坑涌水量和水压绘出 Q-P外推曲线预测矿坑涌水量,首先要看基础数据符合哪种曲线并且要保证所选曲线符合实际。根据曲度法对曲度 n值进行鉴别:

式中,Q与 P分别为同次矿坑涌水量和水位降深。

当 n=1时,为直线;1＜n＜2时,为幂函数;n=2时,为抛物线;n＞2时,为对数曲线。如果 n＜1,则基础数据有误。据验算 n值得出,曲线开始时符合对数曲线,从第 3个数据后符合幂曲线。

拟合函数为:Q=a×exp(-exp(b-cx)),将基础数据带入,拟合结果为:a=3388.5734;b=0.58862691;c=0.35679749,外推曲线见图1。图中y=a×exp(-exp(b-cx))函数曲线在 x∈(0,1)符合对数曲线(即前面 3个实验数据),在 x∈(1,α)(其中α＞1)范围内符合幂曲线(第 3个实验数据后)。

预测结果 n值鉴别:用预测两点(3.7,2100)和(4.7,2450)鉴别,这段也是符合幂曲线的。

根据拟合的曲线可知:在-305m水平,相应水头为 3.7MPa,矿坑最大涌水量约为 2100m3/h(50400m3/d);在-505m水平,由于大理岩底板埋深为-388m左右,按-400m考虑,相应水头为4.65MPa,矿坑最大涌水量约为 2450m3/h(58800 m3/d)。

图1 Q-P外推曲线

图1 是根据-205m水平 17-1钻孔水压与矿井涌水量相应变化的数据而拟合的,反映了矿山受强降雨影响导致矿坑涌水量激增的过程。因此,拟合预测结果基本上可代表矿床各个水平分段的矿坑最大涌水量。同时考虑到-205m水平 17-1钻孔处在西部矿体的东南端,跟上盘顶板的涌水钻孔的水力联系不太密切,而且也不是处在外围地下水进入矿坑的主迳流带上,它的水头比主迳流带的涌水钻孔高,则拟合的矿坑涌水量相对更小,因此,矿坑实际最大涌水量比拟合的最大涌水量更大,根据矿山二年多的实际涌水情况,对拟合预测的最大涌水量应取 1.3～1.5的系数,才比较符合实际。因此,西矿区矿坑最大涌水量预测为:在-305m水平,矿坑最大涌水量约为 65520～75600m3/d;在-505m水平,矿坑最大涌水量约为 76440～88200m3/d。

因此,通过 Q-P曲线外推预测矿坑涌水量,西矿区在-305m水平丰水期矿坑最大涌水量约为70000m3/d,在-505m水平丰水期矿坑最大涌水量约为 82000m3/d。

3.2 解析法预测涌水量

解析法预测矿坑涌水量时,以井流理论和用等效原则构造的“大井”为主,后者指将各种形态的井巷与坑道系统,以具有等效性的“大井”表示。根据该矿区水文地质条件,采用承压-无压井流公式:

根据水文资料计算得渗透系数 K=0.343m/d。

(1)在-305水平,假设疏干到-200m,hW=200m;含水层平均厚度为:M=230m;原始水头 H0=172+400=572m,影响半径根据西部矿体降落漏斗确定 R=1600m,大井引用半径 rw=80m,计算得:Q=60002.3m3/d。

(2)在-505水平,假设疏干到-320m,hW=80m,原始水头 H0=572m,影响半径根据西部矿体降落漏斗确定 R=1600m,大井引用半径 rw=80m,计算得:Q=71846.2m3/d。

通过以上 2种方法比较,推荐第一种方法 Q-S(P)曲线外推预测的西矿区矿坑水涌水量结果,即在-305m水平丰水期矿坑最大涌水量约为 70000 m3/d,在-505m水平丰水期矿坑最大涌水量约为82000m3/d。另外,矿区在近几年生产排水过程中,在-305m水平矿坑正常涌水量为 18000～22000 m3/d,预测在-505m水平矿坑正常涌水量约为28000～31000m3/d。

4 结论和建议

(1)该铁矿矿坑涌水量预测,是利用该铁矿以前和现在的水文资料,采用 Q-P曲线外推法和解析法计算。经对比,Q-P曲线外推法预测结果更为准确。本次对矿坑涌水量预测从选用的水文数据、参数和计算过程来说是基本合理和可取的,其结果应是基本符合实际和相对安全的。

(2)计算预测莱新矿西矿区在-305m水平矿坑正常涌水量约为 2.2万m3/d左右,丰水期的矿坑最大涌水量约为 7万 m3/d左右;在-505m水平矿坑正常涌水量约为 2.9万m3/d左右,丰水期的矿坑最大涌水量约为 8.2万 m3/d左右。

(3)该铁矿是莱芜盆地水文单元的一部分,并不是一个独立的水文地质单元,由于莱芜盆地水文地质单元面积大,汇水面积广,含水层分布范围广,厚度大,从理论上分析,地下水的水量是趋向无限大的,但井下的排水设防能力是不可能无限大的,因此,井下的排水设防能力只能是一个相对安全概念,最为重要的是要配合其它的防治水措施才能保证矿山的安全生产。

[1] 邓红卫.高峰锡矿 100号矿体涌水条件及涌水量预测[J].矿业研究与开发,1993,13(S1):105～110.

[2] 王 军.岩溶矿床帷幕注浆截流新技术[J].矿业研究与开发,2006,26(S1):51～53.

[3] 卢金凯.基岩裂隙水的野外调查方法[M].北京:地质出版社,1985.

[4] 薛禹群.地下水动力学原理[M].北京:地质出版社,1986.

[5] 房佩贤.专门水文地质学[M].北京:地质出版社,1987.

[6] 陈葆仁,洪再吉,等.地下水动态及其预测 [M].北京:科学出版社,1988.

2010-05-04)

王 亮(1986-),男,山东烟台人,助理工程师,主要从事矿山水文地质及矿山注浆防水帷幕等研究工作,Email:civilwall@sina.com。