王建國

(華北有色工程勘察院有限公司,河北石家莊 050021)

0 引言

北洺河鐵礦是“九五”期間國家批準(zhǔn)建設(shè)的唯一一座大型地下黑色冶金礦山。礦床產(chǎn)于燕山期閃長巖與奧陶系石灰?guī)r接觸帶,為接觸交代型磁鐵礦床。季節(jié)性河流北洺河從礦床上部穿過。礦床屬于覆蓋型以溶隙水為主、頂?shù)装逯苯舆M(jìn)水、靠近地表水體、水文地質(zhì)條件較復(fù)雜的巖溶裂隙充水礦床[1]。2000年投產(chǎn)至今,礦山已安全運(yùn)行近 10年,礦山 -110m以上礦體已基本采完,目前礦山擬采深部 -110～-230m中段礦體。隨著區(qū)域地下水位的大幅下降及礦山疏干排水,北洺河鐵礦水文地質(zhì)條件較開采前期已經(jīng)發(fā)生了較大的變化。采掘深部礦體仍然頂著 100～200m的水頭,疏干降水仍未降至理想標(biāo)高,安全生產(chǎn)問題仍然困擾著礦山的發(fā)展,礦山水文地質(zhì)亟待進(jìn)一步研究。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1 前期勘探認(rèn)識

北洺河鐵礦從發(fā)現(xiàn)至今,曾進(jìn)行了 3次專門水文地質(zhì)勘探和多次研究工作,勘探程度及研究程度都較高,基本查明了區(qū)域和礦區(qū)水文地質(zhì)條件,對礦山的水文地質(zhì)條件取得了比較深入的認(rèn)識。具體表現(xiàn)如下：

(1)確定了礦山地質(zhì)體的空間結(jié)構(gòu)：奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r為礦床主要含水層,其上覆有第四系砂卵石層、粘土礫石及粘土層,下為燕山期火成巖托底,火成巖似層狀侵入到奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r地層中,垂向上將灰?guī)r分為多層。

(2)劃分了礦山富水性分布特征：以 2號地質(zhì)勘探線為界,將奧陶系灰?guī)r水平上分為西部弱區(qū)和東部強(qiáng)區(qū);受粘性土充填影響,奧陶系灰?guī)r垂向上具有上強(qiáng)下弱特征——+170m以上為粘性土充填帶,+170m～-50 m也有粘土充填現(xiàn)象,但較上部透水性強(qiáng),-50 m以下,巖性主要 O2-2花

2斑灰?guī)r和 O22-3純灰?guī)r,裂隙巖溶較上部稍發(fā)育,溶隙被粘性土充填較少,其富水性相對均勻些。

(3)查明了礦床地下水的補(bǔ)給、徑流及排泄：礦床灰?guī)r除接受區(qū)域地下水的側(cè)向補(bǔ)給外,主要接受降雨、北洺河滲漏及第四系垂向補(bǔ)給。天然情況下,礦床地帶地下水由西至東,由南而北徑流,在邢臺百泉一帶排泄;開采狀態(tài)下,疏干排水為礦床地帶地下水的主要排泄方式之一。

(4)總結(jié)了疏干放水條件下地下水流場特征：北洺河鐵礦灰?guī)r含水層透水性弱,排水系統(tǒng)置于深部,降水疏干后,地下水流場是典型的空間流場。

介于上述認(rèn)識的基礎(chǔ),勘探成果中也提出了諸如北洺河河流改道、挖溝排(截)洪流、井下“有疑必探、先探后掘”等防治水措施,并建議礦床地下水宜采用開拓、采礦與排水并行疏干的方法。礦方接受建議,現(xiàn)已取得了明顯的防治水效果,礦山建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1.2 水文地質(zhì)條件現(xiàn)狀評述

從上世紀(jì) 80年代至 2010年 7月,受降水和人工開采的影響,百泉泉域補(bǔ)給區(qū)及徑流區(qū)地下水位整體下降了近200m,北洺河鐵礦礦床中心奧陶系灰?guī)r地下水位在 -30 m左右,礦床地下水位一方面受控于區(qū)域地下水位的變化,一方面受礦山排水影響。

目前,礦山主要開采 2號勘探線以西礦體,設(shè)有 -50 m、-110m、-170m、-230 m四個開采中段,其中 -110m以上礦體基本采完并形成空區(qū),采掘工程向深部延伸。礦山采用坑下放水孔疏干方式,投產(chǎn)至今礦坑涌水量一直較穩(wěn)定,平均排水量約 20 000m3/d左右。礦山開采積累了大量的水文地質(zhì)資料,同時對礦山的水文地質(zhì)條件也有了進(jìn)一步的認(rèn)識,體現(xiàn)如下：

(1)河流滲漏減少：北洺河鐵礦上部季節(jié)性河流近 10年來滲漏較之上個世紀(jì)減少很大,其原因一是區(qū)內(nèi)降雨量稀少,1999年至 2009年區(qū)內(nèi)年均降水量僅為 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,使得洪水期河床滲漏面積大幅度減少,盡管如此,由于北洺河河床第四系含水層廣泛分布于河床礦體之上,豐水年洪水以第四系潛流形式再次滲漏補(bǔ)給礦床仍是目前礦床充水面臨的主要問題之一。

(2)地面大面積塌陷：由于礦山采取崩落法采礦,在礦床上部北洺河河床已形成大小約 21個近圓形塌陷坑。此外,在塌陷區(qū)內(nèi)也分布有數(shù)十條寬度不一的沉降縫。塌陷坑最大直徑約 75m,最小在 10m左右,坑深最大達(dá) 30m左右,塌陷坑總面積約 0.02 km2。今后,隨著深部開采崩落,在特洪年份和隨后塌陷規(guī)模不斷擴(kuò)大,頂板破壞將加劇,降雨、地表徑流經(jīng)塌陷區(qū)滲入(灌入)礦床,將是礦坑突水及泥石流形成的主要危險因素。

(3)老窿揭露的增多：北洺河鐵礦 3～11勘探線范圍內(nèi)分布 6個民采礦井,開采深度底板標(biāo)高為 +1.61 m。在此范圍內(nèi)民采巷道密集分布、上下交錯重疊、各巷道相連。隨著礦山開采面積和深度的增加,開采過程中若遇到導(dǎo)水?dāng)嗔鸦蝽敯灞缆渌莶俺渌狭?將會導(dǎo)致老窿水短時間內(nèi)潰入礦井,造成突水,其危害程度將極為嚴(yán)重。

(4)含水層垂向分帶不明顯：礦床西部斷裂構(gòu)造不發(fā)育,巖溶裂隙發(fā)育在 -50 m水平以上與其以下深部水平差異不明顯,而且根據(jù)目前巷道揭露深部 -230m中段與 -245m中段巖溶裂隙同樣存在粘性土充填現(xiàn)象,充填程度較之淺部變化不大。特別是深部巷道揭露各涌水點(diǎn)初期涌水量較大且水壓比較高,經(jīng)過短時間的排泄,涌水量明顯變小甚至無水,水壓也大幅降低,而且低水平巷道涌水點(diǎn)出水,上水平相應(yīng)位置涌水點(diǎn)水量減少或不再涌水?？梢?西區(qū)奧陶系灰?guī)r具有富水性整體上較差,垂向分帶不明顯而且透水性極不均一的特點(diǎn),這與前期勘探研究差異較大。

(5)涌水量變化不大：礦山前期勘探曾采用不同的方法對礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測,最近(2002年)采用三維流數(shù)值模型對礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測,預(yù)測 -230 m中段礦坑涌水量最大為 4 1219.38m3/d,最小涌水量為 30 956.90m3/d。但是,在礦山已近施工完-245m中段放水巷道,各涌水點(diǎn)出水的情況下,2000年至今礦山排水量一直維持在 16 000～20 000 m3/d,與原預(yù)測結(jié)果有較大差異。

2 深部疏干排水評述

2.1 涌水點(diǎn)出水特征

礦坑揭露各涌水點(diǎn)(或放水孔)出水一般在幾 ～十幾m3/h,少部分單點(diǎn)涌水量 30～50m3/h,其變化有如下特點(diǎn)：

(1)涌水量大部分小或很小,初期涌水量大部分為幾m3/h～二十幾 m3/h,經(jīng)過一段泄水或放水,絕大部涌水點(diǎn)(放水孔)涌水量明顯減少或無水。其原因是：灰?guī)r含水層透水性弱,在垂向上地下水頭壓力損失大,于是泄水點(diǎn)附近水頭壓力低,造成泄水點(diǎn)涌水量驟減。

(2)大的涌水點(diǎn)主要分布于構(gòu)造斷裂發(fā)育地段,但往往因補(bǔ)給水源不足和放水孔附近壓力降低,其涌水量也隨泄水時間延長,涌水量也隨之明顯減少,如 -50m水平,有 3個放水孔,初期水量 80～100m3/h,經(jīng)過三個多月泄水,這三個放水孔水量大幅減少,分別減少至 0m3/h、1.5m3/h、30 m3/h;-230 m水平水源地,有二個孔水量分別為 106 m3/h和160m3/h,后期二個孔總水量只有 46m3/h。

2.2 礦坑排水量變化特征

礦坑涌水量是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)之一,關(guān)系到礦山的生產(chǎn)條件與成本,對礦床的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價有很大影響,并且也是礦山制定防治水與疏干措施的主要依據(jù)[2]。

通常來說,在一定邊界條件下,礦坑涌水量隨著開采深度的增加而增加。而北洺河鐵礦經(jīng)過近 10年的基建和生產(chǎn),礦坑涌水量隨開采深度的增大變化并不明顯,2008～2009年期間,最大開采深度 -245m水平,此期間礦坑年總涌水量 22 293m3/d和 18 769m3/d,而 2001年、2002年期間主要開采深度 -122 m水平以上的礦坑總涌水量為18 045 m3/d和 19 160m3/d,二者相近。

2.3 地下水流場特征

2.3.1 礦床及其周邊地下水平面流場分布特征

上世紀(jì) 70年代初,區(qū)域未大量開發(fā)巖溶地下水,北洺河鐵礦西區(qū)地下水位標(biāo)高 +220m左右,東區(qū) 198m左右(1971年 11月),西區(qū)水位高于東區(qū) 21 m,地下水自西向東徑流。幾十年來,區(qū)域灰?guī)r地下水大量開采,尤其是北洺河鐵礦坑下疏干排水以來,北洺河鐵礦區(qū)及其周邊地下水位大幅度降低,其地下水流場發(fā)生了很大變化[3]。

較之上世紀(jì) 70年代礦床地段下降 250～260 m;礦區(qū)西、南、北下降 200m左右,這些地段地下水位已降至主要含水層灰?guī)r底板附近或以下,即奧陶系中統(tǒng)峰峰組、上馬家溝組灰?guī)r地下水接近疏干狀態(tài)。這些地段只分布閃長巖底板(-200m)以下的下馬家溝組O221灰?guī)r弱含水層;礦床東部下降 170～180m,其地下水位仍位于上馬家溝組含水層內(nèi),而上部峰峰組灰?guī)r含水層已被部分疏干,含水層地下水與區(qū)域灰?guī)r地下水有著較密切水力聯(lián)系。

在礦山疏干排水條件下,礦床地段灰?guī)r地下水位低于礦區(qū)西北部灰?guī)r地下水 123.61m,低于礦區(qū)西南部灰?guī)r地下水137.61m,低于礦區(qū)南部灰?guī)r地下水 63.93m,低于礦床東部灰?guī)r地下水 59.11 m。礦床北部(西區(qū))灰?guī)r含水層底板標(biāo)高 100m,該段灰?guī)r地下水位毋庸置疑降至含水層底板以下。這樣,礦山長期疏干排水,形成了一個礦床地段為中心的深且陡的地下水降落漏斗,也就是說礦區(qū)周邊(除礦床東部外)的主要含水層已得到疏干。

至于礦床與礦床東部地下水之間的水力聯(lián)系問題,從目前看可視為是弱的,其理由：一是礦床 2線附近分布厚大閃長巖,被閃長巖分隔的灰?guī)r蝕變作用強(qiáng)烈,儼如一堵透水性很弱的墻,減弱了它們之間的聯(lián)系;二是水力坡度陡。這樣,礦床地下水僅接受區(qū)域地下水很有限的補(bǔ)給。

2.3.2 礦床地段灰?guī)r地下水垂向流場分布特征

2000年排水系統(tǒng)設(shè)置于 -122 m水平,當(dāng)時自由水面(潛水面)在 70～80m左右,-50 m水平放水孔口水頭壓力為 0.23～0.28 MPa(2000年 6月觀測),即該處水柱高度為23～28m,其水位標(biāo)高為 -23～-27m,垂向上水頭壓力差達(dá) 103～107 m;-122m水平北疏干巷放水孔孔口水頭壓力為 0.15～0.39 MPa(2000年 6月),即該處水柱高度為15～37m,其相應(yīng)水位標(biāo)高為-107～-85m,垂向上水頭壓力差達(dá) 165～187 m。2007年 6月以后,排水系統(tǒng)設(shè)置-122m水平和 -245m水平,期間自由水面在 -50m標(biāo)高以上,-245 m水平放水孔孔口壓力為 0.2 MPa(2010年 6月),即該處水柱高度為 20m,其相應(yīng)水位標(biāo)高為 -225 m,垂向上水頭壓力差大于 175m。

由上可見,排水疏干條件下,礦床地段疏水工程控制范圍,地下水運(yùn)動的流線呈空間輻射狀向排水點(diǎn)匯流特征,流線斜率大小與距排水點(diǎn)遠(yuǎn)近有關(guān),靠近排水點(diǎn)流線斜率大;遠(yuǎn)離排水點(diǎn)流線斜率小直至近于水平。地下水等勢面呈曲面,其曲率大小與含水層透水性強(qiáng)弱和距排水點(diǎn)遠(yuǎn)近有關(guān),含水層透水性越弱、越靠近排水點(diǎn),等勢線曲率越小;反之,等勢線曲率越大直至垂直[4]。之所以會產(chǎn)生這樣的空間流場分布特征,一是由于存在很大的垂向水頭壓力差,二是放水后一段時間,涌水點(diǎn)(放水孔)附近的水頭壓力低,而導(dǎo)致涌水點(diǎn)(放水孔)涌水量大幅減少。

3 礦山防治水研究

3.1 采礦與礦山排水并行疏干

目前,礦山西區(qū)礦床上部仍有 200多米高的水頭,礦山采用地下疏干方式以及坑道叢狀疏干孔與裸巷截水疏干相結(jié)合的疏干方法[5]。由上分析可知,北洺河鐵礦礦床上覆厚大奧陶系灰?guī)r含水層透水性弱,坑下正常排水條件下,將形成很大的垂向梯度的空間流場,涌水點(diǎn)(放水孔)附近水頭壓力較低,涌水點(diǎn)(放水孔)涌水量一般不大,即便初期水量較大,隨后因壓力繼續(xù)降低,涌水量漸趨減少。因此,很難將地下水位降至設(shè)計(jì)的開采深度。

未來礦山在掘進(jìn)和開采過程中,遇到較大的涌水段時,在其下一中段相應(yīng)范圍或同一中段大涌水點(diǎn)附近地段施工一些放水鉆孔進(jìn)行放水減壓,為施工、采礦作業(yè)創(chuàng)造條件,而無需專門設(shè)計(jì)施工為預(yù)先疏干的巷道、硐室和大量放水鉆孔。當(dāng)前采用的疏干方式是可行的,也是比較經(jīng)濟(jì)合理的。

3.2 采用帷幕注漿防止第四系潛流滲入礦床

盡管礦床上部北洺河已經(jīng)改道,洪水期河水不能漫過礦體上部河床,對礦床充水的影響變小,但是由于第四系含水層的存在,降水下滲補(bǔ)給第四系含水層,同樣可以間接地造成礦床充水。因此,在礦山生產(chǎn)建設(shè)中應(yīng)在防洪墻內(nèi)外增設(shè)第四系潛流觀測孔,密切關(guān)注豐水季節(jié)防洪墻內(nèi)外地下水位的變化,必要的情況,可通過帷幕注漿的方式截堵第四系潛流。

3.3 治理塌陷,探放老窿地下水

上文已述及因礦山采取崩落法采礦,在地表河床中形成大面積的塌坑及眾多沉降縫。雖然灰?guī)r含水層透水性弱,塌落界線及陷落體內(nèi)僅奧陶系巖溶裂隙水對礦坑充水的影響很小,但是塌坑及地表沉降縫可大量匯集降水或地表水,使得礦床或淺部老窿充水,造成礦坑突水或突泥。因此,必須加大對塌陷區(qū)的監(jiān)測,防止一切水源通過塌陷區(qū)灌入巷道。對礦床地段因采掘引起的地面沉降、開裂及塌陷等處進(jìn)行填堵,封堵降水和地表水進(jìn)入礦床的通道[6]。此外,進(jìn)一步在井下探放老窿地下水,尤其是對尚未查清存在老窿的地段和已放水的老窿,通過鉆探和物探等手段、超前探水查明老窿的位置、形態(tài)及充水情況等。

3.4 完善礦區(qū)地下水動態(tài)觀測網(wǎng)

礦區(qū)地下水的動態(tài)觀測,在礦山防治水中極為重要。由于北洺河鐵礦在生產(chǎn)基建過程中,部分基巖觀測孔已經(jīng)破壞,或位于塌陷區(qū)內(nèi)不便于觀測,使得礦山很難準(zhǔn)確把握礦區(qū)地下水流場的動態(tài)特征。因此,有必要在原有動態(tài)觀測網(wǎng)的基礎(chǔ)上,在礦山東區(qū)及西區(qū)分別增加適當(dāng)?shù)幕鶐r動態(tài)觀測孔,以進(jìn)一步完善礦區(qū)地下水觀測網(wǎng)。另外,對井下不同中段主要大的涌水點(diǎn)進(jìn)行長期觀測,主要是研究地下水水溫、水量及水質(zhì)的變化情況,以更好地了解礦床地下水的來龍去脈,對礦床突水進(jìn)行預(yù)防和治理。

4 結(jié)語

北洺河鐵礦經(jīng)過近 10年的開采,礦區(qū)水文地質(zhì)條件較之以前已發(fā)生很大的變化,尤其是以往勘探取得的認(rèn)識,已得到了初步的驗(yàn)證,或因巷道、采場揭露發(fā)生了較大的差異。礦山生產(chǎn)建設(shè)須以以往研究為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)狀條件下的水文地質(zhì)條件,進(jìn)行礦山的防治水,一是預(yù)防即在現(xiàn)有水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,完善地下水動態(tài)觀測網(wǎng),加大對河流潛流滲漏及塌陷區(qū)的監(jiān)測,探放老窿地下水;二是治理即治理礦區(qū)塌陷、對河流潛流滲漏進(jìn)行帷幕截堵。同時,通過分析也證明像北洺河鐵礦這種礦床上覆厚大弱含水層,疏干降水至理想狀態(tài)是很難的,甚至是不可行的;礦山采掘與疏干降水并行是經(jīng)濟(jì)合理,也是切實(shí)可行的一種方案。

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[3]王建國.邯邢地區(qū)大水鐵礦田開采對地下水環(huán)境的影響及防治[J].水資源保護(hù) 2009(5)：98.

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[6]葉和良,郝美鈞,張永交等.河北省武安市北洺河鐵礦坑道降水疏干試驗(yàn)總結(jié)報告[R].石家莊：華北有色地質(zhì)勘查局 517大隊(duì) ,2002.7：62-64