石人沟铁矿-300 m中段地下涌水量预测

宋明谦 张 伟

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)



石人沟铁矿-300 m中段地下涌水量预测

宋明谦 张 伟

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

通过收集整理石人沟铁矿以往水文地质资料及矿山生产过程中的排水资料，采用比拟法对该矿-300 m中段地下涌水量进行了预测。为了验证预测方法的可靠性，采用同种方法预测了-180 m中段地下涌水量，并与实测值进行了对比。结果表明，预测值与实测值较为接近，说明比拟法及其计算的合理性，可以用于该矿-300 m中段地下涌水量预测，供相邻及类似矿山预测地下涌水量时参考。

矿坑 比拟法 涌水量预测

正确预测矿坑地下水涌水量是矿区水文地质工作的核心之一，是矿山设计部门制定疏干排水措施的主要依据。目前，国内常用的矿坑地下水涌水量预测方法主要有解析法、比拟法、水均衡法和数值模拟法[1-3]。每种预测方法都有其适用条件和应用范围，若选择不合适，影响预测结果的可靠性[4]。

石人沟铁矿三期工程设计中，根据原矿区地质勘查报告提供的水文地质参数，采用大井法预测-180 m 中段地下水涌水量正常为24 204 m3/d[5]，而目前实测-180 m中段地下水涌水量仅为3 000 m3/d左右，二者相差8倍，说明大井法预测的假设与前提条件都与现实不符。通过研究石人沟矿区水文地质条件，结合近几年矿山生产积累的排水资料及工程揭露涌水情况，建立了适合该矿山地下水涌水量预测的比拟法公式，并对-300 m中段地下水涌水量进行了预测，为矿山防排水设计提供了依据。

1 矿区自然地理概况

矿区所处位置为区域水文地质单元分水岭南侧，地形北西高、东南低，“U”型沟谷较发育，地形较陡，坡角20°～60°，海拔标高70.8～216.5 m，相对高差145.7 m。矿区侵蚀基准面标高66.8 m。

本区属半干旱大陆性气候区，年气温变化较大，降雨多集中在7、8、9三个月内，其中8月份降雨量最多，历年降雨量700～1 000 mm。

矿区东、西两则各发育一条季节性河流，自北向南注入盆地。河流量季节性变化很大，雨季有水、旱季干枯。其补给来源为大气降水，仅在雨后河水暴涨时出现地表水补充两岸基岩裂隙水的现象，但历时很短。

2 矿区水文地质条件

2.1 含水岩组

矿区含水层主要有第四系冲洪积孔隙潜水含水层、第四系坡洪积孔隙潜水含水层、基岩风化裂隙含水层、基岩构造裂隙含水层。

第四系冲洪积孔隙潜水含水层分布在河床两侧及Ⅰ级阶地内，标高66.8～101.8 m，岩性由砂砾石组成，分选性差、磨圆度中等、孔隙度大、透水性良好。水位埋深一般4 m，年变幅3～5 m，地下水位随季节变化明显，涌水量约3.83 L/s。

第四系坡洪积孔隙潜水含水层分布于山前沟谷之中，标高66.8～120.0 m，岩性由含砾砂质黏土及黄土状砂质黏土组成，透水性较差，含水量较小。水位埋深一般6.0 m，地下水类型为孔隙潜水。地下水位年变幅4～8 m，随季节变化明显。

基岩风化裂隙含水层分布在基岩裂隙发育的风化带内，裂隙在水平方向上密集、均匀，在垂直方向上随深度的增加而减少、闭合。裂隙潜水主要为大气降水补给，其补给范围和分布范围一致。一般循环深度50～80 m，含水量随深度增加而减少。天然静储量不大，涌水量一般0.04 L/(s·m)，渗透系数0.042～0.069 m/d。

基岩构造裂隙水分布在断层破碎带及裂隙中，成为地下水运动的细小通路和富集空间，在构造变化处即为地下水富集地段，反之则不发育。据-60 m 水平坑道调查，构造裂隙脉状水天然静储量不大，富水性差，随时间的推移，涌水量减少或消失。

2.2 构造破碎带含水特征

通过坑道调查，区内构造断裂较发育，构造破碎带含水特征如下：

(1)F5断层。走向北东，倾向北西，倾角75°，破碎带宽10～20 m，为以平推为主的充水正断层，破碎带内见突水点，流量1.5～2.5 L/s，该破碎带构成了地下水涌入矿坑的通道，对矿坑充水有一定影响。

(2)F10断层。走向80°，倾向170°，倾角60°，破碎带宽10～25 m，岩石受挤压破碎，片理化作用发育，破碎带含水微弱，岩石潮湿。

(3)F15断层。走向290°，倾向200°，倾角70°，破碎带宽15 m，为一充水断层，突水点流量0.3～0.5 L/s。

(4)F18断层。走向300°，倾向30°，倾角35°～75°，破碎带宽10～15 m，由于岩石受挤压，形成片岩带，沿裂隙滴水。

(5)F19断层。倾向330°，倾角60°，宽30余m，为逆断层。在坑道开拓初期破碎带两侧见突水点，现只沿裂隙滴水。

2.3 地下水补给、径流、排泄

矿区西北部环山、向南开阔，大气降水是地下水的主要补给来源。径流区很短，接近于补给区。由于矿山开采，矿坑排水成为地下水主要排泄方式。

3 矿山开采及地下水涌水现状

石人沟铁矿于1975年7月建成投产，先后采用露天和地下两种方式开采。露天开采已于2005年闭坑，地表形成南北长2.8 km，东西宽230 m的露天采坑，坑底标高0～25 m。目前，露天采场南区已进行内排土，排土场高达120 m。

该矿露天开采结束后转入地下开采，地下开采分三期工程进行建设。一、二期工程开采早已结束，开采范围为露天坑底以下至-60 m的矿体，总规模为130万t/a，均采用空场法开采，采空区在三期工程开始前已进行了充填处理。目前，三期工程开采正在进行，开采-60～-180 m中段，规模200万t/a，采用充填法开采。

通过分析整理矿山以往生产排水资料，一、二期工程开采过程中，-60 m中段实测地下水涌水量正常为2 240 m3/d，最大为9 360 m3/d。目前，三期工程-180 m中段开采接近尾声，地下水涌水量基本稳定在3 000 m3/d左右。

4 矿坑地下水充水分析

根据矿区水文地质条件及以往开采揭露情况，矿坑地下水主要来源于构造涌水、风化裂隙水及裂隙脉状水，多以出水点形式进入坑道，是矿坑长期直接充水因素。

5 地下水涌水量预测

5.1 预测方法选择

比拟法是根据已知水文地质参数的矿井涌水量，通过比拟关系，近似地推算出相似水文地质参数矿井的涌水量，特别适用于老矿区用上一水平的涌水量推求下一水平的涌水量，无需考虑矿区边界条件，大大简化了矿井涌水计算的工作量。

石人沟铁矿矿床水文地质条件相对简单，地下涌水主要来源于构造涌水、风化裂隙水及裂隙脉状水，属于不连续分布的弱含水层。另外，矿山经过多年的开采，有较为详细的排水资料。

基于以上两点，石人沟铁矿三期工程地下水涌水量预测适合采用比拟法。

5.2 计算公式

由于石人沟铁矿矿体在走向和倾向上比较稳定，上下两层开采面积相近，故开采面积可以忽略不计，由此确定的比拟法计算公式为

(1)

式中,Q为设计新矿坑涌水量，m3/d；S为设计新矿坑的水位降深，m；Q1为生产矿坑涌水量，m3/d；S1为生产矿坑水位降深，m。

5.3 预测方法可靠性验证

根据一、二期工程排水资料，-60 m中段以上开采时地下水正常涌水量为2 240 m3/d，以此作为生产矿坑涌水量。

矿山初始开拓的静止水位标高为104 m，-180 m 中段水位降深为284 m，-60 m中段水位降深为164 m。

将以上参数代入式(1)，得到-180 m中段地下水涌水量预测结果，见表1。

表1 -180 m中段地下水涌水量预测结果

由表1可知，-180 m中段的地下水正常涌水量预测值为2 948 m3/d，与实测值3 000 m3/d相差不大，说明预测结果可靠，选用的公式合理，可以用作矿山地下水涌水量预测。

5.4 地下水涌水量预测结果

采用式(1)对-300 m中段地下水涌水量进行预测，预测参数及结果见表2。

表2 -300 m中段地下水涌水量预测结果

注：S1、Q1为一、二期开采时-60 m中段实测地下水涌水资料。

6 结 论

(1)石人沟铁矿是多年生产矿山，有较为详细的矿坑排水资料，适合采用比拟法，根据上一水平开采地下水涌水量预测下一水平开采的地下水涌水水量。

(2)经验证，选用的比拟法计算-180 m中段地下水涌水量预测值与矿山开采地下水涌水量实测值较为接近，可以用于石人沟铁矿-300 m中段地下水涌水量预测。

(3)经预测，-300 m中段地下水正常涌水量为3 516 m3/d，最大涌水量为14 690 m3/d，可作为矿山防排水设计的依据。

(4)石人沟铁矿地下水来源于构造涌水、风化裂隙水及裂隙脉状水，特别是构造涌水是深部矿体开采地下水的主要来源。

(5)经多年开采实践证明，矿区自南向北岩性逐渐稳定，矿坑出水点主要集中在南区破碎带附近，且以静储量为主，开拓初期水量较大，静储量疏干稳定后水量不大，因此深部开拓初期要注意防范构造突水。

[1] 刘喜信，荆龙华．矿坑涌水量的计算方法[J]．黑龙江科技学院学报，2005，15(2)：147-150．

[2] 赵海清，李向国，李学勤．矿坑涌水量分析[J]．西部探矿工程，2006，18(1)：89-90．

[3] 黄卓广，黄钟焕，黄梅新．比拟法在矿区矿坑涌水量预测应用实例[J]．西部探矿工程，2006，119(3)：93-94．

[4] 《采矿设计手册》编写组．采矿设计手册[M]．北京：中国建筑出版社，1987．

[5] 中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司．河北钢铁集团矿业有限公司石人沟铁矿三期采矿工程补充设计[R]．秦皇岛：中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司，2012．

2016-09-23)

宋明谦(1985—)，男，工程师，066004 河北省秦皇岛市经济技术开发区龙海道71号。