中关铁矿地下水化学组分演变特征分析

庞旭静 杨智淇 王俊鹏

(华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063200)

我国是世界上最早开发利用矿产资源的国家之一,矿产资源开发利用历史久远,但矿井水文地质条件极为复杂,开采时深受矿井水害的威胁。为减少突水、涌水事故发生的概率,对区域地下水水化学组分演变特征进行分析,有助于判断矿井涌水水源。中关铁矿为隐伏式接触交代型矿床,属于我国常见的矽卡岩型矿床。矿体赋存在侵入岩与中奥陶统灰岩的接触带内及其附近的灰岩中。发育在百泉岩溶水系统北洺河到泉群泄水区的强径流带上,奥陶系灰岩地下水径流总体上受区域地下水径流控制,矿床的各含水层之间存在着一定的水力联系。随着对矿体采掘进度的不断增加,地下水水化学类型发生了变化[1]。通过对中关铁矿地下水水化学类型进行聚类分析,根据常规离子的时间变化情况分析水化学演变特征,综合评价铁矿区地下水的补给条件,为矿山安全高效开采提供科学依据。

1 研究区概况

中关铁矿位于河北省沙河市中关村与上关村之间,主要发育有F1、F2和F3三条断层,F1纵贯矿床西部,F2和F3大部分发育在帷幕圈内部,见图1。通过对中关铁矿地层分布和矽卡岩矿床成矿过程的分析,按从上到基岩底部划分为15层:Ⅰ—第四系,Ⅱ—石炭-二叠系,Ⅲ—灰岩层1,Ⅳ—上层破碎带,Ⅴ—灰岩层2,Ⅵ—下层破碎带,Ⅶ—灰岩层3,Ⅷ—矿体Ⅰ-1上,Ⅸ—灰岩层4,Ⅹ—矿体Ⅰ-1下,Ⅺ—灰岩层5,Ⅻ—矿体Ⅰ-2,—矽卡岩带,—蚀变闪长岩,ⅩⅤ—未蚀变闪长岩体,见图2。石炭-二叠系地层和奥陶系灰岩层中部的上、下两层破碎带透水性较差,为相对隔水层;奥陶系灰岩与第四系地层直接接触,破碎带分布在奥陶系灰岩中部和上部,两层分别发育在和与交界处,具有一定的阻水性;矿体主要位于奥陶系灰岩下部,主要发育在中,底部的闪长岩基底基本不导水,为相对隔水层,其表层的闪长岩蚀变带,具有一定的导水性[2-3]。根据岩性、成矿过程分析,划分出上奥灰、下奥灰、岩体顶部裂隙三个含水组,破碎带、矿体、矽卡岩为弱透水层的含水系统。奥灰岩含水层作为矿区重要的含水层,在整个矿区范围内均有分布,具有厚度大、分布广、导水性好的特点,矿区奥陶系灰岩含水层的产状总体趋势为走向NNE或NE,倾向SE,倾角为10°～20°。

图1 中关铁矿矿区基岩地质图

图2 4～5号勘探线水文地质剖面图

2 采样与测试

2020年10月,在该铁矿的-170m工作面采水样14个,-230m工作面采水样14个,-245m工作面采水样11个,总计39个;2021年7月,在该铁矿的-170m工作面采水样15个,-230m工作面采水样15个,-245m工作面采水样9个,总计39个。用500mL聚乙烯塑料瓶装水样,进行密封以方便带回实验室进行常规离子检测。

3 测试结果与分析

3.1 水样聚类分析

SPSS中的聚类分析法是划分样品不同类别的方法,依据水质数据指标的相似性来对所采集样品进行分类。聚类是将数据按照一定的准则划分为若干类别或簇,使得类别之间的差异性随着一个类别内的相似性越大而越大[3-4]。

图3 2020年的37个水样个案聚类分析结果

图4 2021年的30个水样个案聚类分析结果

3.2 水化学类型分析

图5 聚类分析分为三类出水点的Piper三线图

3.3 常规离子浓度时间变化

图6 2020—2021年三类水阳离子浓度对比

图7 2020—2021年三类水阴离子浓度对比

3.4 离子浓度与TDS之间的关系

图8 2020—2021年主要离子浓度与TDS关系

矿区奥灰水、混水与岩体水溶解性总固体(TDS)与主要阳离子的浓度关系图由图8(a)和图8(c)分析得出[10-11],Na+、K+、Ca2+和Mg2+离子浓度与TDS呈正相关。随着TDS数值的增加,Ca2+和Mg2+离子浓度迅速增加,其增加速度比Na+和K+的快。Ca2+离子浓度越高,TDS的值越大[12]。说明各种岩性含水层中水-岩相互作用过程主要是Ca2+和Mg2+离子的矿物溶解。

可以初步认为,矿区奥灰水、混水与岩体水的水-岩相互作用过程从以碳酸盐岩溶解为主转为以硫酸盐岩溶解为主。

4 结 语

铁矿在开采时易受矿井水害的威胁,因此要注意控制和调整铁矿的开采程度,合理制 定防治水措施,减少突水、涌水事故发生的概率,加强安全教育,保障矿山安全生产,充分发挥地表水与地下水的相互补给作用,并在此基础上进一步完善地下水资源管理制度以及矿山安全生产管理制度,严格按照相关规定进行铁矿区开采。