北洺河铁矿防治水实践及其研究

黄天瑞

（五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿，河北 武安 056300）

北洺河铁矿防治水实践及其研究

黄天瑞

（五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿，河北 武安 056300）

北洺河铁矿属于典型的岩溶充水及含泥砂充填、闪长岩反复穿插形成的复杂条件下的大水矿床。自上世纪六十年代以来，该矿前后历经数次水文地质勘探及研究工作，取得了较为丰富的基础资料。笔者在总结历次勘探资料的基础上，认真分析了矿区放水试验及防治水工作取得的最新成果，并结合矿区开采现状，对该矿的水文地质特征及防治水技术有了清晰的认识，为下一阶段矿区的安全开采提供依据。

北洺河铁矿；水文地质；防治水；放水试验

北洺河铁矿属于典型的岩溶充水及含泥砂充填、闪长岩反复穿插形成的复杂条件下的大水矿床。以溶隙水为主、顶底板直接进水、且靠近地表水体；尤其矿区东部2线以东位于百泉泉域上游，属于强径流带，随着矿山逐步向下开采，与区域水位有着260m的水头压力，存在着一定的安全隐患，为确保安全生产开采，结合矿区开采现状，针对不同区域的水文地质特征，制订了相应的、有效的防范措施。

1 地质概况

北洺河铁矿位于河北省武安市上团城村北东约1km处的北洺河河床上。矿体赋存于奥陶系中统石灰岩与燕山期闪长岩接触带，属接触交代型铁矿床。矿体顶面赋存标高＋142～－403m，大部分处在地下水位以下。矿床顶板及其围岩为奥陶系中统石灰岩，厚度较大。以溶隙水为主、顶底板直接进水、靠近地表水体，属于水文地质条件较复杂的岩溶裂隙充水矿床。

矿山于1997年4月8日恢复基建，2002年4月8日投产。地下开采，无底柱分段崩落法采矿。目前已开拓至－230m水平，主要采矿部位在－110～－155m水平。

北洺河铁矿地下水属于邢台百泉泉域岩溶水系统。矿区处在北洺河－郭二庄－王窑－中关－邢台岩溶水强径流带上游，属于近补给区的径流区段［1］（图1）。

区内岩溶地下水动态受降水量及人为开采量所控制，地下水动态特征为降水－开采型，表现为“集中补给、常年消耗”，地下水位呈阶梯状逐年下降的总特征。

矿区地下水表现为自西向东、由南往北径流运动，矿区地下水位呈现周期性变化，地下水位的回升主要受降雨控制，降雨量大且集中则引起地下水位迅速回升；降雨量小且分散，则地下水位升幅小，甚至不上升，年回升幅度相差悬殊。

图1 百泉岩溶水系统略图

矿区由于岩性差异，构造发育不平衡，以及含水层厚度、赋存状态、充填程度变化和火成岩蚀变作用，造成石灰岩含水层富水性不均一。

疏干条件下，由于持续排水，矿区水文地质条件发生了非常显著的变化，矿床已形成较深降落漏斗，岩溶水基本从承压状态转为无压状态。

2 西部巷道降水疏干实践研究

2.1 降水疏干工程系统及试验前矿坑排水情况

1）排水系统。西风井－122m中段设置井下排水系统，包括水泵房、变电、水仓、沉淀池等工程，水泵房安装10台D450A60×8型水泵，排水能力为108000m3/d，－50m和－110m为矿坑水通过泄水井、联络斜井流入－122m中段南北疏干巷道汇流于－122m水仓，经泵由西风井排出地表，再通过输水管道排到主、副井附近和联合泵站的蓄水池。

2）疏干系统。－122m中段为专门疏干巷道，将西风井、主井、副井、东风井和－50m中段、－110m中段上下盘运输巷道、联络巷道、斜巷连接起来，形成与采矿系统不相干扰的一套完整的疏干放水—输水—排水系统。

－50m中段结合采准工程布设7个疏干酮室并利用3个进路巷道布置，共施工放水孔26个，总进尺2386.67m。孔深一般100m左右，要求穿过灰岩段长度50～80m。

－122m中段，布设8个铜室，共施工放水孔18个，总进尺1722.50m，孔深80～100m，穿过灰岩段长度40～80m。

上述放水孔峻工后，在孔口安装压力表，并予关闭，待放水试验时启用。

3）降水疏干试验前矿坑排水情况和地下水流场分布。坑下水泵房从1999年12月有排水资料开始截止放水试验前（2000年6月22日），矿床地段矿坑总排水量15000m3/d左右。

矿床地段5个观测孔水位从2000年3月中旬开始观测，矿区周围观测孔水位从同年5月开始观测，将矿坑排水前与矿坑排水后，（放水试验前）观测资料对比，矿坑排水前，即在天然条件下，矿床地段地下水位高于2＃线以东强带水位20多米，高于上区域一带2～3m，高于南面团城铁矿一带9～10m；而在矿坑排水后，地下水位则低于2＃以东强带10多米，低于上团城一带60～70m，低于南面团城铁矿一带30～40m。可见，矿坑排水后在矿坑排水量15000m3/d条件下，即形成一个降深较大，控制范围较广的疏干降落漏斗。

2.2 降水疏干放水试验

放水试验是矿坑长期排水的继续，即是在坑下长期排水并已形成一定规模的地下水疏干的情况下，将专门施工的放水孔全部打开放水，按试验要求选取几个时段进行放水试验。本试验结束后，放水孔继续进行引水疏干。

放水试验从2000年6月22月10：00开始，直至8月下旬，跨越枯水期和洪水期，进行坑下流量（包括放水孔、涌水占流量）、地下水位和坑下水压力观测。

1）水期放水试验。－50m中段26个放水孔，6月28日前打开23个孔，16个孔无水，只有一个孔单孔出水量30m3/h左右。6月28日后又增加了几个孔，放水量增加到53m3/h左右。整个过程放水量变化不大。－122m中段18个孔放水，打开后4个孔无水，其余14个孔单孔出水量几立方米/小时至十几立方米/小时，合计放水量70m3/h左右，水量随时间延续略有减少。放水前后，西风井排水量约在10000m3/d左右，中段放水孔水量为2952m3/d，放水后涌水点涌水量明显减少。

放水后，仅GX3观测孔水位降低8.53m外，基余观测孔地下水位都没有多大变化。放水试验后及延续一段时间压力值变化不大，－50m中段压力值为0.23～0.28MPa，－122m中段北疏干巷道压力值为0.15～0.37MPa，南疏干巷道压力值1.60MPa。

2）洪水期放水试验。2000年7月3日晚开始降雨，直到7月6日降雨量达280.3mm，7月4日北洛河河床出现表流，当晚河床出现近几年最大洪流（洪流量达900m3/s），7月4日开始洪水期放水试验。

－50m 中 段 水 量 从 1254.89m3/d，增 加 到5706.72m3/d，为枯水期放水量的4.5倍，当河床表流断流后，部分放水量明显减少，到8月下旬减少到3077.04m3/d，但仍为枯水期的2.5倍。洪水期放水孔水量变化特征：一是原来不出水的孔变成有水，二是原来水量小的变成较大，当降雨和河床出现表流后，放水孔的水量明显增大，从1254.89m3/d增加到5691.36m3/d，且放水孔涌水携带泥沙量明显增多，水质极度浑浊。

－122m 中段水量从1575.19m3/d增加到2201.81m3/d，为枯水期放水量的1.4倍，当河床表流断流后，水量渐趋减少，到8月下旬，减为1940.88m3/d，比枯水期放水量增加23%，即使降雨和河床出现表流，该中段放水量也增加不多。且涌水携带的泥砂量略有增加，个别放水孔水质浑浊。

－110m中段多涌水点涌水量略有增加，西风井排水量从10000m3/d增加到15000m3/d。

2000年7月3日晚至6日连续3天降雨，到7月10日矿体地段及其周围观测孔水位变化不大，水位升幅1.5m左右。

3）降水疏干。枯、洪水期放水试验告一段落后，根据放水试验研究成果分析，提出巷道掘进与排水并行的疏干方案，为了研究－50m、－110m、－122m中段与主井、东风井的联络巷道直接揭露灰岩段含水性及随着坑下开拓面积扩大砂坑涌水和地下水流场的变化状况，继续进行排水量和地下水位观测，并对矿山疏干相关问题进行验证和研究。

从2000年9月至2001年11月，矿坑排水量逐渐增大，西风井最大排水量17500m3/d。当主井、副井、东风井等处水量汇入后，再加上民采矿排水量，其矿坑总涌水量为24200m3/d。地下水位，从2000年7月4至2000年12月，由于本年降雨量大，地下水位逐渐上升，矿床地段钻孔水位上升到16.58～24.09m，此后，地下水位日趋下降，2001年雨量小，河床未出现表流，汛期地下水位无回升，至2001年11月，GXl孔水位下降12.038m。

综合这期间矿坑疏干排水资料认为，由于灰岩含水层渗透性弱，深部因放水压力大，形成了很大的垂向梯度，2000年洪水期尽管地下水位有较大上升，同时也相应加大了其渗透路径，造成深部压力仍然很大，使得深部的疏干工程的出水量不因浅部自由水面升降而形成较大变化，如2000年7月10～12日，西风井排水量都稳定在15000m3/d左右。矿坑疏干排水随着放水时间延续，放水点附近的水头压力也在逐渐降低，深部放水工程的放水量也随之减少，在枯水期新形成的降落漏斗随着降水疏干时间的延续而逐渐下移、扩大，势必接受更大范围的垂向、侧向水量补给，使地下水位下降速度又渐趋变缓，直至次年洪水期来临，接受降雨河水入渗补给，地下水位上升，造成枯、洪水期地下水位升降周期性变化，尽管坑下施工及灰岩含水层的不断揭露，但地下水位的自由面仍在很高的位置，说明弱含水层矿床，开采前采用通常的深部降水疏干方法很难将地下水位降至设计开采深度。

2.3 降水疏干试验结果分析

1）地下水位形成较陡的地下水疏干降落漏斗。

2）空间上形成很陡梯度的地下水空间流场。从放水试验的出水量观测分析，一是灰岩含水层的涌水量小，二是含水段受构造控制明显，富水性极不均一，进一步证实灰岩含水层富水性弱且极不均一的特点［2］。

3）矿坑排水的水源主要来自第四系垂向入渗补给。矿坑长期排水，形成一个较深的疏干降落漏斗，大大改变了地下水天然迁流条件。降落漏斗内的地下水主要是接受第四系地下水及河水垂向补给。同时，降落漏斗周边还接受区域灰岩地下水侧向补给，这侧向补给水量当中的相当部分，也是区域第四系地下水垂向渗入补给灰岩地下水后水平运动以侧向形式进行补给。

2.4 西部矿坑水的防治

1）河流改道、挖沟截洪。北洺河纵贯矿床上部自西向东流过，系季节性河流，洪峰流量大。天然条件下，河水、第四系潜流是灰岩地下水主要的补给水源，矿床北部还有相当量的地表汇水。开采条件下，尤其是开采崩落地表后，形成大量的人工裂隙和洼陷地形，非常有利于河水入渗或直接灌入井下。这样，一方面增加井下排水量；另一方面汛期瞬时渗入或灌入的水量过大甚至超过井下排水能力时，将会对井下生产和人身安全产生致命威胁。因此，需要将河流向南改道，沿矿床北岸布置拦洪沟，拦截河水及洪水，并将其引出区外。

2）探放水及疏干降压。根据矿床灰岩含水层富水性弱，疏干降压宜采用巷道采掘与排水并行的疏干方案。但在局部地段，如规模较大的断裂带、构造破碎带及巷道掌子面接近灰岩局部富水地带，需用超前钻孔查明周围水体、含水构造等的具体位置、产状和水量，预先将水放出来，以减小水头压力。

3 东部强径流带特征及防治技术

3.1 东部强径流带特征

矿区东部2线以东位于百泉泉域上游，属于强径流带。由于岩性分布的差异及构造发育的不同，从而表现出不同的特征。

该区奥陶系中统灰岩质纯、性脆，岩溶化强，接近东侧区域性大断裂带岩溶极为发育，平行于断裂带的岩溶、裂隙更为发育；火成岩基底向下倾斜，含水层厚度也较大。此外，该区上覆煤系地层，灰岩的裂隙岩溶充填较少，故该区透水性、富水性较强。

北洺河矿床地段2线以东钻孔单位涌水量一般大于1L/s·m，平均渗透系数2.67m/d（据CKA39多孔抽水试验）。矿床东面外围石灰岩含水层透水性、富水性更强。它与北面玉石洼矿床13线以东至郭家岭一带强区和南面崇义东、团城铁矿东南等地段强区有着密切水力联系，地下水动态几乎同步变化，同属于北洺河－郭二庄－中关－百泉强径流带的GX6和云观8在2009年11月25日～2010年7月9日分别下降了18.12m及16.93m，降幅接近。经过长期以来的排水，形成了较深的地下水降落漏斗（图2）。

图2 北洺河铁矿矿床奥陶系灰岩地下水流场示意图

矿床与2线以东地下水之间联系程度弱。天然条件下2线附近以西地下水位高于其以东水位20m左右；矿床地段地下水降落漏斗形成后，2线以西地下水位低于以东60m左右，水力坡度达300‰。东区处于区域地下水强径流带，地下水水位主要受区域地下水流场控制。矿床东区GX6观测孔水位高于北部云驾岭观8孔水位1～2m，在矿坑排水前后没有变化，可见矿坑排水对东区地下水影响不大。

2线附近石灰岩被闪长岩频繁穿插（图3），俨如一堵透水性很弱的墙，阻滞东区强径流带区域地下水对矿床地下水的补给作用。整体上分为上下两层，透水性上弱下强。天然水力坡度大，CK12～CKA38水力坡度40‰～70‰，CK49～CK32水力坡度为29‰～39‰。上层灰岩（－50m以上），岩溶裂隙不发育，单位涌（耗）水量为0.1～1L/s·m。下层灰岩特别是进入O2－22地层，岩溶裂隙较上层发育，钻孔单位涌水量大于1L/s·m，为矿床地段最强含水段。

图3 北洺河铁矿地质体垂向分布示意图

3.2 强径流带防治水技术

3.2.1 增加水文观测点，完善观测系统，实施动态观测

由于东部水文地质条件的复杂性及重要性。针对区域特点设计增加各水平涌水点（放水孔）及地表观测孔，根据水头压力值及水位来判断相应地段灰岩含水层透水性强弱，为确定是否实施放水降压措施提供依据。

3.2.2 井下强含水段放水降压

－230m、－245m水平的开拓系统、采准工程系统和排水系统已基本形成并进行长期疏干排水，矿床东区地下水潜水面标高仍然在－30～－50m。－245m水平巷道还顶着200多米水头压力。考虑高水头压力对深部开采存在着安全隐患，为了消除或减少高水头压力对矿坑的安全隐患，通过－170m、－245m疏干水平巷道施工42个放水钻孔，再借助分层采准工程施工放水孔，形成垂向上多层、平面上多点分散的放水疏干系统。

由于本矿区闪长岩的穿插，含水层透水性、富水性极不均一，采掘或探水过程中遇到涌水的地段（如－110m，12＃采场灰岩富水性较强地段），集中施工一些放水孔进行放水降压。通过原有疏干工程和施工在强含水段的放水降压孔，将采掘水平强含水段的地下水释放排走，为采掘创造良好的作业条件。

3.2.3 局部放水试验研究

矿坑疏干排水时对2线以东地区地下水未受明显影响。但东区毕竟是地下水强径流带，－110m、－230m、－245m中段巷道接近东区，它顶着近260m的水头压力，仍存在着安全隐患。当－170m和－230m巷道接近东区强区时施工放水钻孔。

待放水孔施工完成后，可进行局部放水试验，进一步查明矿区东部水文地质条件及灰岩含水层透水性、富水性分布规律，以及F1断层的富水性特征，为矿坑涌水量预测确定更加合理的有关水文地质参数。

4 结论

1）北洺河铁矿属于典型的岩溶充水及含泥砂充填、闪长岩反复穿插形成的复杂条件下的大水矿床，东部富水性、透水性较强，但均一性较差，西部富水性、透水性较弱且不均一。

2）北洺河铁矿床地下水疏干宜采用开拓、采矿与排水并行疏干方法，即是直接利用坑下开拓、采准工程进行裸巷（直接揭露石灰岩含水层）、排水疏干，同时，在局部地段和新采掘区，如遇断裂带、构造破碎带地段及掌子面接近灰岩局部富水地段，需要超前钻孔探水，预先将水放出来，降低水压，保障安全生产。

3）东部防治水需要强化观测，采掘或探水过程中遇到涌水的地段及针对强含水层要加大探放水力度，及时进行放水试验，进一步探明矿区东部水文地质条件及灰岩含水层透水性、富水性分布规律。

北洺河铁长期以来进行了大量地质勘探和水文地质工作，历次水文地质勘探积蓄和研究，建立的水文地质模型符合客观实际，长期疏干排水积累了大量的排水量和地下水位观测资料，揭露了石灰岩含水层及其含水特点，真实地反映了疏干排水条件下的地下水流场分布特点，矿坑涌水量的预测数据可靠，为矿山防水治水提供了可靠依据。

［1］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.

［2］南晋武，郝美钧.北洺河铁矿床前期疏干放水状况［J］.金属矿山，2002（5）：25－29.

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

黄天瑞（1963－），男，本平，1984年毕业于广西桂林冶金地质学院矿产普查与勘探专业，高级工程师，主要从事矿山地质工作。E－mail：1298315618＠qq.com。

TD12

A

1004－4051（2014）S2－0106－04

2014－07－15

地质找矿