对北洺河铁矿水文地质条件的再认识

王建国

(华北有色工程勘察院有限公司,河北石家庄 050021)

0 引言

北洺河铁矿是“九五”期间国家批准建设的唯一一座大型地下黑色冶金矿山。矿床产于燕山期闪长岩与奥陶系石灰岩接触带,为接触交代型磁铁矿床。季节性河流北洺河从矿床上部穿过。矿床属于覆盖型以溶隙水为主、顶底板直接进水、靠近地表水体、水文地质条件较复杂的岩溶裂隙充水矿床[1]。2000年投产至今,矿山已安全运行近 10年,矿山 -110m以上矿体已基本采完,目前矿山拟采深部 -110～-230m中段矿体。随着区域地下水位的大幅下降及矿山疏干排水,北洺河铁矿水文地质条件较开采前期已经发生了较大的变化。采掘深部矿体仍然顶着 100～200m的水头,疏干降水仍未降至理想标高,安全生产问题仍然困扰着矿山的发展,矿山水文地质亟待进一步研究。

1 矿区水文地质条件

1.1 前期勘探认识

北洺河铁矿从发现至今,曾进行了 3次专门水文地质勘探和多次研究工作,勘探程度及研究程度都较高,基本查明了区域和矿区水文地质条件,对矿山的水文地质条件取得了比较深入的认识。具体表现如下：

(1)确定了矿山地质体的空间结构：奥陶系中统灰岩为矿床主要含水层,其上覆有第四系砂卵石层、粘土砾石及粘土层,下为燕山期火成岩托底,火成岩似层状侵入到奥陶系中统石灰岩地层中,垂向上将灰岩分为多层。

(2)划分了矿山富水性分布特征：以 2号地质勘探线为界,将奥陶系灰岩水平上分为西部弱区和东部强区;受粘性土充填影响,奥陶系灰岩垂向上具有上强下弱特征——+170m以上为粘性土充填带,+170m～-50 m也有粘土充填现象,但较上部透水性强,-50 m以下,岩性主要 O2-2花

2斑灰岩和 O22-3纯灰岩,裂隙岩溶较上部稍发育,溶隙被粘性土充填较少,其富水性相对均匀些。

(3)查明了矿床地下水的补给、径流及排泄：矿床灰岩除接受区域地下水的侧向补给外,主要接受降雨、北洺河渗漏及第四系垂向补给。天然情况下,矿床地带地下水由西至东,由南而北径流,在邢台百泉一带排泄;开采状态下,疏干排水为矿床地带地下水的主要排泄方式之一。

(4)总结了疏干放水条件下地下水流场特征：北洺河铁矿灰岩含水层透水性弱,排水系统置于深部,降水疏干后,地下水流场是典型的空间流场。

介于上述认识的基础,勘探成果中也提出了诸如北洺河河流改道、挖沟排(截)洪流、井下“有疑必探、先探后掘”等防治水措施,并建议矿床地下水宜采用开拓、采矿与排水并行疏干的方法。矿方接受建议,现已取得了明显的防治水效果,矿山建设经济效益显著。

1.2 水文地质条件现状评述

从上世纪 80年代至 2010年 7月,受降水和人工开采的影响,百泉泉域补给区及径流区地下水位整体下降了近200m,北洺河铁矿矿床中心奥陶系灰岩地下水位在 -30 m左右,矿床地下水位一方面受控于区域地下水位的变化,一方面受矿山排水影响。

目前,矿山主要开采 2号勘探线以西矿体,设有 -50 m、-110m、-170m、-230 m四个开采中段,其中 -110m以上矿体基本采完并形成空区,采掘工程向深部延伸。矿山采用坑下放水孔疏干方式,投产至今矿坑涌水量一直较稳定,平均排水量约 20 000m3/d左右。矿山开采积累了大量的水文地质资料,同时对矿山的水文地质条件也有了进一步的认识,体现如下：

(1)河流渗漏减少：北洺河铁矿上部季节性河流近 10年来渗漏较之上个世纪减少很大,其原因一是区内降雨量稀少,1999年至 2009年区内年均降水量仅为 514.2 mm,使得北洺河河床很少形成表流;二是北洺河河道的人工改造,使得洪水期河床渗漏面积大幅度减少,尽管如此,由于北洺河河床第四系含水层广泛分布于河床矿体之上,丰水年洪水以第四系潜流形式再次渗漏补给矿床仍是目前矿床充水面临的主要问题之一。

(2)地面大面积塌陷：由于矿山采取崩落法采矿,在矿床上部北洺河河床已形成大小约 21个近圆形塌陷坑。此外,在塌陷区内也分布有数十条宽度不一的沉降缝。塌陷坑最大直径约 75m,最小在 10m左右,坑深最大达 30m左右,塌陷坑总面积约 0.02 km2。今后,随着深部开采崩落,在特洪年份和随后塌陷规模不断扩大,顶板破坏将加剧,降雨、地表径流经塌陷区渗入(灌入)矿床,将是矿坑突水及泥石流形成的主要危险因素。

(3)老窿揭露的增多：北洺河铁矿 3～11勘探线范围内分布 6个民采矿井,开采深度底板标高为 +1.61 m。在此范围内民采巷道密集分布、上下交错重叠、各巷道相连。随着矿山开采面积和深度的增加,开采过程中若遇到导水断裂或顶板崩落塌陷波及充水老窿,将会导致老窿水短时间内溃入矿井,造成突水,其危害程度将极为严重。

(4)含水层垂向分带不明显：矿床西部断裂构造不发育,岩溶裂隙发育在 -50 m水平以上与其以下深部水平差异不明显,而且根据目前巷道揭露深部 -230m中段与 -245m中段岩溶裂隙同样存在粘性土充填现象,充填程度较之浅部变化不大。特别是深部巷道揭露各涌水点初期涌水量较大且水压比较高,经过短时间的排泄,涌水量明显变小甚至无水,水压也大幅降低,而且低水平巷道涌水点出水,上水平相应位置涌水点水量减少或不再涌水。可见,西区奥陶系灰岩具有富水性整体上较差,垂向分带不明显而且透水性极不均一的特点,这与前期勘探研究差异较大。

(5)涌水量变化不大：矿山前期勘探曾采用不同的方法对矿坑涌水量进行了预测,最近(2002年)采用三维流数值模型对矿坑涌水量进行了预测,预测 -230 m中段矿坑涌水量最大为 4 1219.38m3/d,最小涌水量为 30 956.90m3/d。但是,在矿山已近施工完-245m中段放水巷道,各涌水点出水的情况下,2000年至今矿山排水量一直维持在 16 000～20 000 m3/d,与原预测结果有较大差异。

2 深部疏干排水评述

2.1 涌水点出水特征

矿坑揭露各涌水点(或放水孔)出水一般在几 ～十几m3/h,少部分单点涌水量 30～50m3/h,其变化有如下特点：

(1)涌水量大部分小或很小,初期涌水量大部分为几m3/h～二十几 m3/h,经过一段泄水或放水,绝大部涌水点(放水孔)涌水量明显减少或无水。其原因是：灰岩含水层透水性弱,在垂向上地下水头压力损失大,于是泄水点附近水头压力低,造成泄水点涌水量骤减。

(2)大的涌水点主要分布于构造断裂发育地段,但往往因补给水源不足和放水孔附近压力降低,其涌水量也随泄水时间延长,涌水量也随之明显减少,如 -50m水平,有 3个放水孔,初期水量 80～100m3/h,经过三个多月泄水,这三个放水孔水量大幅减少,分别减少至 0m3/h、1.5m3/h、30 m3/h;-230 m水平水源地,有二个孔水量分别为 106 m3/h和160m3/h,后期二个孔总水量只有 46m3/h。

2.2 矿坑排水量变化特征

矿坑涌水量是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一,关系到矿山的生产条件与成本,对矿床的经济技术评价有很大影响,并且也是矿山制定防治水与疏干措施的主要依据[2]。

通常来说,在一定边界条件下,矿坑涌水量随着开采深度的增加而增加。而北洺河铁矿经过近 10年的基建和生产,矿坑涌水量随开采深度的增大变化并不明显,2008～2009年期间,最大开采深度 -245m水平,此期间矿坑年总涌水量 22 293m3/d和 18 769m3/d,而 2001年、2002年期间主要开采深度 -122 m水平以上的矿坑总涌水量为18 045 m3/d和 19 160m3/d,二者相近。

2.3 地下水流场特征

2.3.1 矿床及其周边地下水平面流场分布特征

上世纪 70年代初,区域未大量开发岩溶地下水,北洺河铁矿西区地下水位标高 +220m左右,东区 198m左右(1971年 11月),西区水位高于东区 21 m,地下水自西向东径流。几十年来,区域灰岩地下水大量开采,尤其是北洺河铁矿坑下疏干排水以来,北洺河铁矿区及其周边地下水位大幅度降低,其地下水流场发生了很大变化[3]。

较之上世纪 70年代矿床地段下降 250～260 m;矿区西、南、北下降 200m左右,这些地段地下水位已降至主要含水层灰岩底板附近或以下,即奥陶系中统峰峰组、上马家沟组灰岩地下水接近疏干状态。这些地段只分布闪长岩底板(-200m)以下的下马家沟组O221灰岩弱含水层;矿床东部下降 170～180m,其地下水位仍位于上马家沟组含水层内,而上部峰峰组灰岩含水层已被部分疏干,含水层地下水与区域灰岩地下水有着较密切水力联系。

在矿山疏干排水条件下,矿床地段灰岩地下水位低于矿区西北部灰岩地下水 123.61m,低于矿区西南部灰岩地下水137.61m,低于矿区南部灰岩地下水 63.93m,低于矿床东部灰岩地下水 59.11 m。矿床北部(西区)灰岩含水层底板标高 100m,该段灰岩地下水位毋庸置疑降至含水层底板以下。这样,矿山长期疏干排水,形成了一个矿床地段为中心的深且陡的地下水降落漏斗,也就是说矿区周边(除矿床东部外)的主要含水层已得到疏干。

至于矿床与矿床东部地下水之间的水力联系问题,从目前看可视为是弱的,其理由：一是矿床 2线附近分布厚大闪长岩,被闪长岩分隔的灰岩蚀变作用强烈,俨如一堵透水性很弱的墙,减弱了它们之间的联系;二是水力坡度陡。这样,矿床地下水仅接受区域地下水很有限的补给。

2.3.2 矿床地段灰岩地下水垂向流场分布特征

2000年排水系统设置于 -122 m水平,当时自由水面(潜水面)在 70～80m左右,-50 m水平放水孔口水头压力为 0.23～0.28 MPa(2000年 6月观测),即该处水柱高度为23～28m,其水位标高为 -23～-27m,垂向上水头压力差达 103～107 m;-122m水平北疏干巷放水孔孔口水头压力为 0.15～0.39 MPa(2000年 6月),即该处水柱高度为15～37m,其相应水位标高为-107～-85m,垂向上水头压力差达 165～187 m。2007年 6月以后,排水系统设置-122m水平和 -245m水平,期间自由水面在 -50m标高以上,-245 m水平放水孔孔口压力为 0.2 MPa(2010年 6月),即该处水柱高度为 20m,其相应水位标高为 -225 m,垂向上水头压力差大于 175m。

由上可见,排水疏干条件下,矿床地段疏水工程控制范围,地下水运动的流线呈空间辐射状向排水点汇流特征,流线斜率大小与距排水点远近有关,靠近排水点流线斜率大;远离排水点流线斜率小直至近于水平。地下水等势面呈曲面,其曲率大小与含水层透水性强弱和距排水点远近有关,含水层透水性越弱、越靠近排水点,等势线曲率越小;反之,等势线曲率越大直至垂直[4]。之所以会产生这样的空间流场分布特征,一是由于存在很大的垂向水头压力差,二是放水后一段时间,涌水点(放水孔)附近的水头压力低,而导致涌水点(放水孔)涌水量大幅减少。

3 矿山防治水研究

3.1 采矿与矿山排水并行疏干

目前,矿山西区矿床上部仍有 200多米高的水头,矿山采用地下疏干方式以及坑道丛状疏干孔与裸巷截水疏干相结合的疏干方法[5]。由上分析可知,北洺河铁矿矿床上覆厚大奥陶系灰岩含水层透水性弱,坑下正常排水条件下,将形成很大的垂向梯度的空间流场,涌水点(放水孔)附近水头压力较低,涌水点(放水孔)涌水量一般不大,即便初期水量较大,随后因压力继续降低,涌水量渐趋减少。因此,很难将地下水位降至设计的开采深度。

未来矿山在掘进和开采过程中,遇到较大的涌水段时,在其下一中段相应范围或同一中段大涌水点附近地段施工一些放水钻孔进行放水减压,为施工、采矿作业创造条件,而无需专门设计施工为预先疏干的巷道、硐室和大量放水钻孔。当前采用的疏干方式是可行的,也是比较经济合理的。

3.2 采用帷幕注浆防止第四系潜流渗入矿床

尽管矿床上部北洺河已经改道,洪水期河水不能漫过矿体上部河床,对矿床充水的影响变小,但是由于第四系含水层的存在,降水下渗补给第四系含水层,同样可以间接地造成矿床充水。因此,在矿山生产建设中应在防洪墙内外增设第四系潜流观测孔,密切关注丰水季节防洪墙内外地下水位的变化,必要的情况,可通过帷幕注浆的方式截堵第四系潜流。

3.3 治理塌陷,探放老窿地下水

上文已述及因矿山采取崩落法采矿,在地表河床中形成大面积的塌坑及众多沉降缝。虽然灰岩含水层透水性弱,塌落界线及陷落体内仅奥陶系岩溶裂隙水对矿坑充水的影响很小,但是塌坑及地表沉降缝可大量汇集降水或地表水,使得矿床或浅部老窿充水,造成矿坑突水或突泥。因此,必须加大对塌陷区的监测,防止一切水源通过塌陷区灌入巷道。对矿床地段因采掘引起的地面沉降、开裂及塌陷等处进行填堵,封堵降水和地表水进入矿床的通道[6]。此外,进一步在井下探放老窿地下水,尤其是对尚未查清存在老窿的地段和已放水的老窿,通过钻探和物探等手段、超前探水查明老窿的位置、形态及充水情况等。

3.4 完善矿区地下水动态观测网

矿区地下水的动态观测,在矿山防治水中极为重要。由于北洺河铁矿在生产基建过程中,部分基岩观测孔已经破坏,或位于塌陷区内不便于观测,使得矿山很难准确把握矿区地下水流场的动态特征。因此,有必要在原有动态观测网的基础上,在矿山东区及西区分别增加适当的基岩动态观测孔,以进一步完善矿区地下水观测网。另外,对井下不同中段主要大的涌水点进行长期观测,主要是研究地下水水温、水量及水质的变化情况,以更好地了解矿床地下水的来龙去脉,对矿床突水进行预防和治理。

4 结语

北洺河铁矿经过近 10年的开采,矿区水文地质条件较之以前已发生很大的变化,尤其是以往勘探取得的认识,已得到了初步的验证,或因巷道、采场揭露发生了较大的差异。矿山生产建设须以以往研究为基础,结合现状条件下的水文地质条件,进行矿山的防治水,一是预防即在现有水文地质条件的基础上,完善地下水动态观测网,加大对河流潜流渗漏及塌陷区的监测,探放老窿地下水;二是治理即治理矿区塌陷、对河流潜流渗漏进行帷幕截堵。同时,通过分析也证明像北洺河铁矿这种矿床上覆厚大弱含水层,疏干降水至理想状态是很难的,甚至是不可行的;矿山采掘与疏干降水并行是经济合理,也是切实可行的一种方案。

[1]张永交,林木金,李维才等.河北省武安市北洺河铁矿水文地质勘探总结报告[R].石家庄：华北有色地质勘查局 517大队,1990.5.

[2]兰俊康,郭纯青。水文地质勘察[M].北京.中国水利水电出版社 .2008.11：264.

[3]王建国.邯邢地区大水铁矿田开采对地下水环境的影响及防治[J].水资源保护 2009(5)：98.

[4]王大纯,张人权,史毅虹等.水文地质学基础[M].北京.地质出版社.1990.6,34-35.

[5]南晋武,郝美钧.北洺河铁矿前期疏干放水状况[J].金属矿山2002(5)：25-26.

[6]叶和良,郝美钧,张永交等.河北省武安市北洺河铁矿坑道降水疏干试验总结报告[R].石家庄：华北有色地质勘查局 517大队 ,2002.7：62-64