铁矿水文地质特征及防治水措施

张硕 宋伯亚

河北金元矿业有限公司 河北 邯郸 056003

引言

随着我国城市化速度加快，铁矿生产成为国内外专家关注的课题。由于矿井突水引起安全事故造成生命财产损失严重，矿坑突水具有不确定性，许多矿区未准确测控地下水情况。矿坑涌水是威胁矿区安全生产的重要因素，矿坑涌水受到水文地质条件、含水层性质等因素的影响。

1 矿井开采水文地质水害防治研究

随着国民经济的发展，我国对矿产资源需求日益增加，近几年国内对铁矿石对外依存度不断上升，金属矿产资源供应不足成为制约我国经济发展的重要因素，随着金属矿山开采深度加大，复杂富水矿床大规模开发中有关地下水问题日益突出，如何在保证安全基础上兼顾经济环保等成为亟待解决的问题[1]。矿井水害对安全生产影响很大，矿井水害防治工作是采矿中的重要工作，随着开采水平的提高，矿井突水事故对人们生命财产安全造成巨大损害[2]。

矿区水文地质是水文地质的重要分支学科，传统水文地质学早期从苏联引进，随着与西方国家学术交流频繁促进我国水文地质学的发展，新技术输入时水文地质学进入新时期。我国水文地质学发展经历20世纪前萌芽期，1900-1950年初始时期，1950-1975年奠基时期，1975-2000年成长时期阶段，主要受西方科技思想影响，使我国传统水文地质学发展为现代水文地质学[3]。

矿井涌水量预测要考虑雨旱季下外界水源补给，目前常用方法包括数值模拟法等。近年来数值模拟法得到广泛应用，可以模拟各含水层各向异性，提高涌水量预测的准确性，有限元法是目前广泛应用的数值模拟法，国内诸多产业逐渐组建，矿井涌水量预测迅速发展。我国矿坑涌水量预测技术快速发展，但很多生产矿山中仍使用传统预测法。

2 铁矿工程水文地质概况

某铁矿区交通便利，区域内资源丰富，当地人口稠密劳动力充足，随着铁矿资源的开发成为当地的支柱产业。矿区为暖温带季风半湿润气候，春季干燥多风秋季气候宜人，多年平均气温为13.3℃，常年平均降水量为765.8mm，每年第三季度为降水多发期，日降水量最大值为308mm，冬季平均结冰期为5个月。矿区内地表水发育，水库容量约2.1亿m³。历史最高洪水位标高77.85m，防洪水位76.25m。如图1所示。

图1 矿区与水库位置关系图

矿区地形南高北低，区域由新太古界变质岩系与寒武纪长清群沉积盖层构成丘陵山脉，人工筑成蓄水库为区内最大地表水体，当地最低侵蚀基准面为会宝玲水库。区域内露出地层为新太古界岩群山草岵柱，南华纪土门群二青山组。卓山凸起交汇部位为本区所处位置。区内泰山岩群变质地层形成系列复式向斜，东方向西背斜枢纽平缓倾状，山草岵组为两翼及核部地层。

铁矿矿区包括北段与南部矿段，矿体隐伏于盖层下，以不对称向斜形式产出。矿区地层分布规律，其他地区主要出露地层为第四纪冲击砂，盖层构造是矿区构造主要形式，南部倾角较平缓。向斜枢纽倾状为平缓，铁矿北段位于太白向斜北翼近核端部。区内盖层为单斜构造，断裂构造为近南北向白水牛石断裂。矿区东南部为断层所处位置，断层延伸长度为7000m，断层水平断距为18-38n。矿山开采中要重视加强对水文地质的观测防止发生突水事故。F3断裂纵贯矿区西侧，矿区东侧受F6隔水断层影响，F4断层规模较小位于矿区内部，F5断层在东北方向延伸到水库威胁矿体开采。

3 铁矿区水力特征分析

铁矿为沉积变质型，刘家庄段与南端矿体为同连续矿体，对矿床采用上行式开采，可有效降低不利因素对地表扰动。矿体厚度超过5m采用深孔分段空场法开采，矿体厚度不足5m采用浅孔留矿法开采。铁矿山脉约2000m，北段铁矿西侧约有300m，矿山先后界外建井5条，在-420～-360m水平有连接斜坡。矿区区域整体地势西南高，区域地下水流向为由西向东。

为研究水库与矿山开采区水力关系，设计水文地质钻孔。SW01井可作为区域水文地质抽水实验观测井，区域地层有3个含水层，SW01终孔静水位标高+74.20m，地下水流向为矿区一侧向水库一侧，通过抽水实验可获得含水层地质参数。含水层自上而下给水能力逐渐降低，断裂带发生力学性质变化导致地表水联系变化，矿床开采必须预留安全防护矿柱。F5断层主要穿过第四系，断层穿过主要矿体，透水性及其他水文地质特性不明确，不排除对矿产开采危害可能性。SW03孔第四系岩层位厚度为22.30，含水层单位涌水量为0.001L/sm。铁矿为隐伏性矿床，安全性评价重点为坑道工程地质稳定性评价。岩石饱和抗压强度156.1-197.7Mpa，岩石自身稳定性较高，矿体上盘部位含有较薄的黑云角闪片岩，在出现片帮部位应加强支护。在与F4断层接触带为薄弱部位，裁决过程易发生突水塌方等事故，应在接触带附近留取保安矿柱。

物探工作为查明水库附近断裂构造F5水文地质特征，实际探测中电视阻率向电测深采用瞬变电磁法。探测区域整体地层分层情况良好，浅部地层以高电阻率为主。测线下方约100m位置出现断层过渡带，测线下方50m为断层接触带断层充水。探测区在200m以内不存在大的激电异常，推断位置与原钻探揭露位置一致，巷道内向西侧位置约30cm宽排水沟内具有2cm-5cm水深。通过对水库与铁矿开采区水力联系研究，发现水库为区域内最大地表水体，与矿体无直接的水力联系。页岩隔水层导致矿区一侧浅层地表水向水库一侧径流排泄。F5断层通过矿区东南部延伸至水库，断层切断矿体，沟通盖层水层和矿体，断层可转变为倒水断裂带，威胁矿山及人身安全。

4 铁矿矿井涌水量预测与水害防治

4.1 常用矿井涌水量预测法

矿井涌水量预测是贯穿矿井建设生产过程的工作，按精度要求正确评价各阶段涌水量，影响涌水量预测因素包括水文地质条件查清与数量模型建立正确。目前用于预测矿井水量数学模型分为确定性与不确定性方法，数学模型是在特定条件下产生。矿区内围堰黑云变立岩为微承压含水层，由于矿体埋藏较深，视为相对隔水底板双边进水无限边界承压水地质模型计算。如图2所示。矿区内充水水源包括大气降水与地下水，矿床为裂隙充水矿床，才懂裂隙与断裂带构成坑道主要充水通道。

图2 Q=f(lgs)曲线

Q-S曲线外推法是根据发生涌水量Q与矿区内地下水位变化S间数学关系构建关系式，为提高Q-S曲线精准度需完成多次现场试验，不同矿山岩层性质、含水层类别不同，采取异地抽防水实验类比计算选取试验区水文地质条件应保持一致。Q-S预测曲线通过以往水文实验资料获得需要考虑所用井与实际采矿井异同点，矿山排水持续时间长，通过试验资料获取预测曲线可减少大量勘察工作。将数学方程式中参数a，b单独构建关系式，呈现曲线为Q-S符合曲线。图解法适用于精度要求不高的计算，计算精度要求不高可采用最小二乘法。大井法是常见的稳定流解析法，将矿区内复杂巷道系统比拟为完整大井，等效比拟大井涌水量为地下矿井涌水量。

4.2 铁矿井水害预测防治

铁矿区内充水水源包括地表水径流与大气降水，矿区南部有F4，F5及次生断裂带通过，F5断层穿过矿体与水库，开采中要采用保护顶板稳定采矿法。地下水是含矿围岩内充水直接来源，通过抽水实验表明充水强度弱。矿床为裂隙充水矿床，采动裂隙构成坑道主要充水通道。采动裂隙不能沟通覆盖含水层对巷道充水影响较小。应确保开采前完成矿坑水害超前预报，钻孔封孔质量不佳会造成突水事故。

矿井涌水量预测选取铁矿三矿段为研究对象计算，矿体为隐伏陡倾斜层状，最低开采标高为-420m。坑道法计算公式Q=BK(2H-S)S/Ro，B为坑道长度m，Q为坑道涌水量m³/d，K为渗透系数m/d；S为水平巷道水位降低值m，H为开采标高至静止水位水柱高度m，Ro为引用影响半径m。铁矿创充水来源包括大气降水渗透，矿体及围岩裂隙充水。解析法是常用的矿井涌水量预测法，计算公式为Q=1.366K(2S矿-M)M/lgR/r，M为含水层厚度，S矿为预算范围内最大水位降深值。F矿为预算内最大开采面积㎡。铁矿体围岩充分主要为黑云变粒岩，充水原因为断层裂隙富水。针对断层进行系列防治措施，开采时应在预测位置预留保安矿柱，矿体开采时加大勘查力度查明矿区内断层分布规模走向。

水库对矿区安全有重要的影响，水库水不会补给给矿区地下水，应做好水库与断层接触带的水文观测，加强矿区北侧水库地带的巡察工作。针对矿区防治要求巷道中建立符合规格的水仓，防止地表水沿老窑口溃入井下，矿井周边山沟溪流中有导水岩层出露低段浇筑成水泥溪槽，建立全面的矿区水文监测网系统，矿区完善防水灾系统，使水泵排水能力，泵房的布置等符合矿山安全生产要求。大气降水入渗是矿区地下水重要补给来源，矿区西北侧为露天开采，矿区充水来源主要为大气降水渗透，矿体及顶底板围堰裂隙含水层充水，预测坑道水平涌水量为-120m水平中最大涌水量264m³/d，大井法标高-320m涌水量5317m³/d。通过与周边矿区开采排水对比，涌水量预测具有客观性。

5 结束语

本文以某铁矿为研究对象，利用现场勘查，室内水质化验等方法开展矿区水力特征分析。铁矿为沉积变质型铁矿，矿床水文地质条件为非干旱区；矿区一侧浅层地下水向水库一侧径流，矿山开采不采取措施下F断层成为导水断裂。根据相对隔水底板双边进水无限边界承压水水文地质模型对矿井涌水量预测，-420m水平正常涌水量4029m³/d。大井法标高-220m涌水量3900m³/d。通过关键问题分析提出可行的矿山防治水安全措施。