福建马坑铁矿主要充水岩层地下水水位动态特征

� 第 62卷 � 第 2期 � � � � � � � � � � � � 有 � 色 � 金 � 属 (矿山部分 ) � � � � � � � � � � � � � 2010年 3月 � 福建马坑铁矿主要充水岩层地下水水位动态特征 张文慧 (中国地质大学 (武汉 )环境学院,武汉 430074) 摘 � 要: 福建马坑铁矿属国内特大型地下开采铁矿, 也是水文地质条件复杂的岩溶充水矿区, 对其主要充水岩层地 下水动态情况的分析对指导疏干和矿区安全生产具有重要意义。本文利用福建马坑铁矿开采阶段获得的自 动监测数据, 对主要充水岩层水位动态影响因素进行了归纳总结, 并对 3个比较典型的影响因素 � 大气降雨、突 水、疏干试验对地下水位动态影响情况进行分析比较, 得出矿区主要充水岩层由于构造、岩溶的影响, 地下水动态 变化差别较大, 各观测孔影响因素不尽相同, 各富水性区域之间联系不密切。 关键词: 地下水动态 影响因素 岩溶充水矿区 中图分类号: TD12 � � 文献标识码: A� � 文章编号: 1671- 4172( 2010) 02- 0039- 05 Dynam ic Character of Groundwater L evel inM ainW ater�impregnated Strata ofM akeng IronM ine, Fujian P rov ince ZHANGW enhu i ( The Env ironm en tal Co llege, China University of Geosc iences, W uhan 430074, H ube ,i Ch ina) Abstrac t: M akeng iron m ine in Fu jian prov ince is one of the bigg est underg round iron m ine, is a lso a m ine w ith the comp licated hydrogeo log ic cond ition o f karstw ater. The analysis of groundwa ter dynam ics in m a in w ater- impregnated stra� ta is very im po rtant to guide dewa tering pro jec t and safe production. Th is pape r us ing autom aticmon ito ring data dur ing m in� ing phase, summ ar ize and conclude the influence factors of groundwater leve l dynam ics, and com pare and analyze the in flu� ence cond itions produced by ra in, wa ter inrush and dew ater ing expe rim en t, then m ade that conc lusion: because o f karst and structure effects, the d ifference am ong the dynam ic changes is re lative ly larg e, the factors o f g roundw ater leve l dynam� ics o f ev ery observation we ll are no t the same, and the connection among r ich w ater area is no t close. Key wo rds: groundw ater dynam ic; influence factors; karst wa ter filling m ine 作者简介:张文慧 ( 1981- ), 女,硕士研究生,主要从事矿床水文地 质和地下水动态研究。 0� 引言 对地下水水位动态的研究, 尤其是矿区充水岩 层水位的监测与分析,对查明矿区水文地质条件、确 定含水层参数、预测开采条件下矿区充水的来源与 变化具有重要作用, 是矿区最基本也是最重要的水 文地质工作 [ 1 ]。福建马坑铁矿是我国著名的特大 型磁铁矿床之一,该铁矿属于岩溶充水矿床,主要矿 体埋藏深度大,矿区水文地质条件及矿坑充水条件 复杂。矿区曾多次开展不同目的的水文地质调查和 勘察,但缺乏连续的动态监测工作。自二十世纪八 十年代初地质详勘之后,二十多年来,各项水文地质 工作一直处于中断状态, 现状条件下矿区地下水的 运动特征、水量都不清楚。为了了解现状条件下矿 区地下水的动态情况,建立了矿区地下水动态监测 系统,主要有两个目的: 第一, 为疏干工程的监测服 务; 第二, 可作为矿区地下水的长期监测系统 [ 2]。 由于马坑矿区地形起伏大,地下水埋深大,水位 监测孔分散,人工测量存在较大难度,因此矿区现阶 段采取了自动化的监测系统来获取地下水位数据, 共建成 14个地下水自动监测点,这些观测点主要分 布在矿区的西部和中部地区 (图 1) , 基本上控制了 矿区地下水流场的主要区域。考虑水位变幅和仪器 精度,目前该地下水自动监测系统采集周期为 1次 / 半小时,自 2008年至今, 不同监测孔已获得了 10 ~ 19个月的地下水水位连续观测数据。从这个巨大 的数据库中提炼出有用的水文地质信息,对指导疏 干工程和矿区安全生产, 制定有针对性的水害治理 措施,具有重要的现实意义。 1� 水文地质概况 马坑矿区范围内自南东向北西依次分布下石炭 统林地组、中石炭统经畲组、上石炭统船山组和下二 叠统栖霞组、文笔山组与加福组,岩层整体向北西倾 斜。多属含水性较弱或相对隔水岩层, 唯上石炭统 船山组 ~下二叠统栖霞组为一套可溶性的碳酸盐沉 积地层,含水量丰富, 为矿坑主要充水岩层。矿体主 要赋存于中石炭统金畲组 [ 3]。 天然条件下矿区地下水主要受气候、地形和地 层、构造等因素的控制。马坑矿区主要充水岩层为 岩溶含水层,以岩溶含水层的边界作为矿区地下水 系统的边界,则其为一个四周受断层圈闭并基本断 开的相对独立地层, 由西部溪马河断层、南部 F1断 层、东部天山凹断层, 北部边界则由马坑 � 观音座莲 北段、陈坑 � 新厝断层及陈坑 � 崎濑断层组成。四 周与富水性微弱或隔水岩层对接, 因而以大气降水 为主要补给来源, 补给区主要分布于矿区东部的灰 岩裸露和隐伏区, 其次南部与东部接受砂岩及花岗 岩裂隙水的侧向补给。天然条件下矿区地下水主要 径流方向为自北东向南西,在中部和西部以泉水、溪 沟排泄为主,最终流入矿区西部溪马河,另有少量地 下水向北部径流至崎濑泉处排泄。随着矿山不断向 深部开采,地下水位目前已低于溪马河水位,泉水点 已基本消失,溪沟流量减少或断流或变为季节性河 流, 地下水天然排泄基本由人工开采取代。另外,由 于本区断裂构造十分发育,这些规模不等、性质不同 发育的断层,不仅切割、沟通了矿区主要充水岩层, 同时在地普遍出露,矿区主要水系多次流经断层 出露和分布区,在断层导水情况下,极有可能构成开 采条件下新的充水水源。 1-实、推测正断层; 2 -实、推测逆断层; 3-实、推测性质不明断层; 4 -矿区水文地质单元边界; 5 -现有井下出水点; 6-现有观测孔; 7 -地表疏干孔 图 1� 马坑矿区地下水自动监测网分布图 F ig. 1� The distribu tion of groundwater autom aticm on itor ing network in M akengM ine 2� 主要充水岩层地下水位的影响因素 通过对矿区地下水自动监测系统所获得水位数 据的分析,并结合矿区其他水文地质工作的结果,可 将马坑矿区现阶段地下水动态影响因素分为两类: 第一类是环境的信息输入,包括大气降雨、气压等气 40 有 � 色 � 金 � 属 (矿山部分 ) � � � � � � � � � � � � � � 第 62卷 � 象因素 [ 4] ,本区大气降雨主要发生在每年的 3~ 9月 份。对于气压的影响, 监测数据中已利用气压探头 对水位作了补偿。此外, 局部地方还有地表水对地 下水补给的水文因素, 例如在矿区的西南部溪马河 与多条断层交汇处附近, 通过地表堰监测的结果显 示溪马河在此段存在一定程度的渗漏。另外, 现阶 段还存在着矿山特有的人为活动因素影响 � � � 涌突 水、疏干工程等。在 2008年 9月地表疏干孔开始工 作前, 矿区存在两个主要的涌突水点,一个是西部的 西回风井附近,另一个是东部一期巷道附近,矿区地 下水形成了分别以这两个点为中心的降落漏斗。地 表疏干孔开始抽水后,在原来的基础上,又增加了以 疏干孔为中心的一个降落漏斗;第二类是变换输入 信息的因素,主要是指赋存地下水的地形地质条件, 包括地表形态、构造、岩溶发育等。马坑矿区现阶段 由于矿山开采,地下水动态的主要影响因素已由天 然条件下的大气降水变为了井下涌突水、疏干工程 等人工开采活动。 3� 大气降雨对主要充水岩层水位的 影响 � � 从目前所获得的自动监测数据来看, 由于矿山 开采的影响,岩溶含水层水位随大气降雨季节性变 化已没有天然条件下明显。在 2008年 9月之前,由 于疏干工程尚未展开, 各监测孔水位随雨季的到来 有不同程度的上升。 2009年,由于疏干工程的开展 和矿坑涌突水的加剧,水位回升时间明显推后,有些 甚至没有出现水位回升。由于主要充水含水层岩溶 发育的不均一性和距主要迳流带距离的差异 [ 5 ] ,其 水位雨季回升时间及回升幅度也存在明显差异。 1)对降雨的响应时间 2008年从开始降雨到岩溶地下水位回升, 最快 的观测孔为观 5, 然而其水位回升幅度最小,其次为 zk614和 zk557。这三个孔都位于矿区的西部, 比较 矿区其他监测孔而言离东部补给区较远,说明这三 个孔应存在其他的补给源,从它们所处的位置来看, 极有可能是来自溪马河的补给。对观 5来说, 其总 体水位显示其受矿区水位下降影响不明显, 仅仅随 降雨微小波动,说明溪马河断层在此段导水性微弱。 而 zk614和 zk557水位整体来说呈明显下降趋势, 说明其受到了矿区排水影响。 2009年回升最快的 孔仍为观 5, 然而 zk614和 zk557孔回升时间则出现 了较大差别,原因待下面分析。 2)降雨对其影响幅度 2008和 2009年 zk62孔雨季上升幅度都是最大 的, 说明该孔与矿区目前的补给源关系密切,东部灰 岩裸露区的岩溶水到达矿区中部时最先经过 zk62 孔所处的天然条件下地下水主要径流带。 zk557水 位变幅较小,说明 + 200m水平巷道 63线附近突水 对该孔水位影响不大,后期水位回升的原因推测为 溪马河水入渗补给的可能性较大, 因为该孔距离降 雨入渗补给区较远,获得降雨入渗补给的可能性较 小, 且据对溪马河在该孔附近段的流量监测也说明 该段已有少量渗漏 [ 6] ; 离东部一期巷道排水点较近 的 zk76和水 2雨季回升幅度较小, 说明其受涌突水 影响较大,该处与东部一期巷道涌突水点具有良好 的水力联系。离西部西回风井涌突水点较近的 zk557和 zk614孔 2008年雨季仍有较大的回升,而 表 1� 主要充水岩层水位雨季回升时间和回升幅度 Tab le 1� Them ain water- filled rock water recovery tim e and recovery rate during the rainy season 观测孔 2008年 2009年 雨季水位 回升时间 雨季水位 回升幅度 /m 雨季水位 回升时间 雨季水位 回升幅度 /m 目的 观 5 3月 28日 1. 84 3月 5日 1. 62 控制溪马河断层及 F3断层外侧 ZK557 5月 28日 3. 89 4月 20日 0. 88 控制 F1断层内侧 ZK62 6月 6日 9. 39 4月 26日 5. 65 控制富水径流带 ZK6710 6月 15日 3. 64 无回升 无回升 控制 F3断层内侧 ZK76 6月 18日 0. 46 8月 27日 0. 61 控制富水强径流带 水 2 6月 17日 0. 46 / / 控制富水强径流带 观 9 6月 24日 4. 09 / / 控制 F3断层北段内侧 ZK637 / 与 zk6710近似 无回升 无回升 控制原强径流带 ZK614 早于 5月 30日 大于 2. 74 6月 26日 3. 39 控制弱径流带 观 7 / / 6月 26日 2. 18 控制 F3断层外地下水 合溪村孔 / / 2月 17日 0. 77 控制溪马河与地下水关系 � � 注: /!表示没有监测数据 41� 第 2期 � � � � � � � � � � � � � � 张文慧 : 福建马坑铁矿主要充水岩层地下水水位动态特征 2009年这两个孔则表现出不同的升幅,前者升幅明 显减少,后者则保持与去年相近水平,从这两个孔对 降雨的响应时间来看, 2008年两者响应时间相差不 大,而 2009年表现为前者明显早于后者,若两观测 孔在前期都存在矿区西南部溪马河的渗漏补给,而 2009年所表现的明显差异则极有可能是 zk614与 渗漏点的水力联系密切程度随着水位的降低而减少 的原因。 4� 突水对地下水位的影响 矿区井下生产过程中,由于巷道掘进及探矿孔 揭露的富水断层破碎带、岩溶发育区而引起的突水 或涌水是现条件下矿区地下水主要的排泄途径。从 目前所获得的矿区地下水水位监测数据来看, 疏干 试验前 (主要是雨季前 )矿区地下水水位即随着井 巷的出水呈一定的下降趋势。 从 2008年 3月至今,马坑矿区发生突水量超过 100m 3 /h的突水事件共 7起,从地下水自动监测数 据的反应来看,仅观测到了 2起突水对水位的明显 影响, 分别是 2008年 4月 5日 300m水平一期巷道 一号穿脉突水和 2009年 10月 18日 + 242 m水平 南岩脉 65 m处突水。由于监测孔位置和密度的关 系,对其他突水情况未观测到明显的水位变化。然 而对于如此复杂的岩溶介质含水层来说,监测到所 有的动态信息基本上是不可能的。因此,只能尽量 有效利用已获得的水位信息, 进而查明矿区一些未 明的水文地质条件。 在 2008年 4月 5日突水前, zk557、zk62、zk6710 三孔由于矿坑前期涌突水的影响即表现明显的下降 趋势,各孔的平均水位降幅分别为 0. 04 m /d、0. 13 m /d、0. 03m /d。4月 5日的突水水量大于 200 m3 / h造成淹井事故,突水发生两天后水量逐渐减小至 150 m3 /h,突水后 zk62孔降幅增大至 0. 36 m /d(雨 季前 ) ,是前期降幅的 3倍左右,说明 zk62与东部 + 300 m一期巷道的水力联系较好, 分析产生这种情 况的原因与该孔附近的溶洞规模较大,且充填率较 低 ( zk62孔附近平均溶洞充填率仅为 54% ),使得该 孔与一期巷道间的通道较畅通有关; zk6710孔离一 期巷道较远,降幅变化相对较小,仅增大至 0. 11m / d;而距离更远的 zk557降幅则没有什么变化。 图 2� 突水对地下水位的影响 F ig. 2� Show ing the impact ofw ater inrush on the groundwater leve l � � 2009年 10月 18日下午三点, + 242 m水平南 岩脉 65 m处突水, 突水瞬间水量达上万 m3 /h, 后逐 渐稳定在 100 m3 /h左右。突水发生时, 最高水深达 2 m,冲出大量的泥沙夹碎石,水流速度极快, 于 20 分钟到达 1 800m外的副井井筒。从地下水自动监 测情况来看,该次突水所处位置在 zk76附近,该孔 水位在突水发生后急速降低,突水后前 2天内降幅 达 40米,而突水前日降幅仅 0. 3 m左右, 几天后则 基本恢复到突水前下降速度,其他观测孔在突水发 生前后水位均无明显变化,综合来看,该次突水水源 应主要是溶洞积水, 且该孔所处的富水区与周围水 力联系较弱 [ 7]。 5� 疏干试验对地下水位的影响 矿区疏干试验以 2008年 8月 29日 9时水 5双 孔开始抽水为始, 2008年 12月 2日 5时水 5主孔由 于水泵损坏停抽结束,疏干试验历时约 96 d。虽然 矿区的疏干流量不足 30 000m3 /d,且存在疏干试验 出水点不集中,疏干时间较短,矿区水位降幅较小等 问题,但仍在一定程度上揭示了本区岩溶地下水的 动力变化的各种特征。 42 有 � 色 � 金 � 属 (矿山部分 ) � � � � � � � � � � � � � � 第 62卷 � 表 2� 不同时期各地下水监测孔水位降幅 Tab le 2� The water leve l drop of groundwaterm on itor ing w ell dur ing the differen t per iods 监测孔 水位降幅 /m ( 2008. 8. 29 ~ 2008. 12. 2 ) 水位降幅 /m ( 2008. 8. 29 ~ 2009. 1. 14) 水位降幅 /m (详勘阶段旱 季放水试验 ) 观 5 0. 62 0. 9 0. 88 ZK557 8. 67 13. 37 15. 03 ZK62 15. 28 17. 94 34. 91 ZK6710 33. 87 35. 05 40. 53 ZK76 19. 69 27. 56 / 水 2 20. 46 28. 76 31. 71 观 9 14. 17 22. 27 26. 04 ZK637 34. 01 36. 19 40. 28 ZK614 22. 35 31. 35 25. 56 观 7 / 18. 54 8. 07 合溪村孔 / / / 水 5 48. 18 / / � � 注: /!表示没有监测数据 疏干试验过程中,矿区内岩溶水位明显下降,降 幅在 34. 01~ 8. 67 m。其中, 距离水 5较近且水力 联系较好的 ZK6710和 ZK637孔降幅最大, 分别为 33. 87m和 34. 01 m; ZK62孔水位降幅与 80年旱 季抽水试验相比相对减少许多, 80年旱季抽水试验 时,该孔降幅仅次于 ZK637和 ZK6710孔, 然而本次 试验中,该孔降幅仅比矿区内 ZK557和观 9高, 推 测可能是由于该孔 � 水 5方向径流途径的渗透性随 着水位的下降发生较大变化所致, 这与矿区岩溶发 育规律较为一致,随着标高的降低,水 5北东方向的 岩溶发育变弱,而东南 F2沿线的岩溶发育带则变为 相对较好的地下水径流带。位于 F2断层两侧的 ZK614和 ZK637孔降幅分别是 22. 35 m 和 34. 01 m,说明该断层在此段导水性较差, 这与勘探阶段认 为此处受辉绿岩侵入充填导致导水性较差结论一 致;矿区北部的观 5在疏干试验期间的降幅仅为 0. 62 m, 证明溪马河断层在此段的隔水性较好。观 7 从疏干试验开始 ( 2009年 8月 29日 )至该孔自动监 测仪器开始运行时 ( 2009年 1月 14 )的降幅为 18. 54 m,说明此次疏干试验对观 7具有较大影响, 与 20年前详勘阶段水 5抽水试验结果差别较大, 矿区 北部 F3断层在西段的隔水性可能已经发生改变。 6� 结论 本文利用福建马坑铁矿开采阶段获得的自动监 测数据,对主要充水岩层水位动态影响因素进行了 归纳总结,并对 3个比较典型的影响因素 � � � 大气 降雨、突水、疏干试验对地下水位动态影响情况进行 分析比较,得出了以下结论: 1)目前马坑矿区主要充水岩层地下水动态的 影响因素已有天然条件下的大气降雨为主转变为以 井下涌突水、疏干工程等人工开采活动为主。 2)由大气降雨对地下水动态的影响来看, 由于 主要充水含水层岩溶发育的不均一性和距主要迳流 带距离的差异,其水位雨季回升时间及回升幅度也 存在明显的差异。再加上存在地表水的回渗补给和 井下涌突水等因素的作用, 水位对降雨的反应表现 得非常复杂,受多种因素制约。 3)由突水对地下水动态的影响来看,各观测孔 对突水的反应主要取决于与其水力联系密切程度, 在马坑矿区这种联系主要取决于岩溶发育和断裂构 造。 4) 由疏干试验对地下水动态的影响来看,各观 测孔对疏干试验的反应也不尽相同, 通过各观测孔 的不同表现,对矿区断层的水力性质、含水层岩溶发 育情况有了进一步的认识。此次试验结果对原先的 北部边界 F3断层的隔水性提出了质疑。 参 考 文 献 [ 1] � 吴章锟. 对矿区地下水动态观测工作的一些认识 [ J] . 水文地 质工程地质, 1981, 3: 14- 17. 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