半碑店鐵礦礦坑涌水資源化利用分析

趙宏亮，時玉濤

(河北省唐山水文水資源勘測局，河北唐山063000)

1 礦區(qū)概況［1］

半碑店鐵礦位于河北省灤縣城北2 km，隸屬灤縣灤州鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)地理坐標為:東經(jīng) 118°40'45″～118°42'00″，北緯39°45'45″～ 39°47'00″，面積 3.20 km2。

礦山開采范圍內(nèi)設計利用資源儲量(122b+333)為1 080.199 5 ×104t;預可采儲量為 703.416 3 ×104t。根據(jù)礦體的賦存條件，設計布置七個中段，分別為:－70 m、－100 m、－135 m、－170 m、－200 m、－219 m 和－238 m，中段高度19～35 m，其中一期－170 m以上服務年限15年，生產(chǎn)規(guī)模為 50×104t/a。

由于本礦區(qū)礦體深埋地下100 m以下，礦體厚度較薄，不適于露天開采，因此設計確定采用地下開采方式進行開采。設計采用充填法，其中房柱嗣后充填采礦法占全部礦石的70%;上向分層膠結(jié)充填采礦法占全部礦石的30%。垂直方向上采用由下向上開采，安全性較好，在水平方向上為從遠離村莊的北端向村莊方向退采。

在－170 m水平建一水倉和一水泵硐室，－170 m水平以上的坑內(nèi)涌水匯集到－170 m水平的水倉內(nèi)，經(jīng)地下水倉沉淀后，由水泵和副井內(nèi)的排水管排至地表高位水池，一部分由高位水池經(jīng)輸水管線供半碑店鐵礦配套規(guī)劃選廠用水，一部分排入橫河供規(guī)劃區(qū)使用。

2 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)條件

2.1.1 地層、地質(zhì)構造

1)地層。礦區(qū)內(nèi)基巖露頭甚少，除礦區(qū)南部馬鞍山為一海拔117.80 m小山丘外，其余均為第四系覆蓋的平地，巖性主要為上部巖性亞粘土、亞沙土，砂卵礫石層等，基巖出露地層為中元古界長城系大紅峪組和太古界單塔子群白廟子組。

2)斷裂。區(qū)內(nèi)褶皺構造不明顯，僅局部地段有低緩的起伏。斷裂構造較發(fā)育，主要斷層有:F1壓扭斷層、F2逆斷層、沈官營～王官營斷層和順層滑動斷層。

F1壓扭斷層長度約800 m，為壓扭性質(zhì)。斷層走向320°，傾向南西，傾角 62°～66°;北東盤西移，水平斷距 40 m左右。鉆孔中斷層破碎帶厚2.05～4.00 m，巖石呈角礫狀、碎塊狀，高嶺土化，地下水活動跡象明顯，地面磁異常也有明顯反映。

F2逆斷層長900 m，斷層走向275°，傾向北，傾角80°～85°。該斷層在馬鞍山地表有出露，垂向斷距94 m，水平斷距40 m，在南礦體南端通過，對礦體無影響。

沈官營～王官營斷層為一區(qū)域性斷層，從礦區(qū)西側(cè)通過，壓扭性質(zhì)，該斷層雖沒直接通過礦體，但對礦體和圍巖的影響較大，對北礦體的影響尤甚。從鉆孔揭露情況看，礦區(qū)北部巖體和礦體均較破碎，特別是頂板圍巖大部分呈碎塊狀且風化強烈，風化深度在百米以上，應為該斷層的影響所致。

順層滑動斷層在北－中礦體施工的鉆孔中礦心破碎，頂板圍巖層間裂隙發(fā)育，局部可見摩擦鏡面，多處出現(xiàn)無巖心地段;部分鉆孔的礦心呈角礫狀、砂狀;靠近礦層頂板的礦石氧化程度高，說明沿礦體和頂板間存在順層滑動。

2.1.2 礦體圍巖

礦體頂板圍巖以混合花崗巖為主，少量片麻狀混合巖、變粒巖和含磁鐵石英巖;此外，還有分布零星的薄層狀或透鏡狀各種片巖，根據(jù)礦物組合可分為角閃片巖、黑云角閃片巖、黑云石英片巖等。

礦體底板圍巖以變粒巖為主，少量混合花崗巖、片麻狀混合巖、黑云石英片巖等。

由圖6可知，總體上，HHCB和AHTN的去除率隨合成麝香初始濃度的增加先急劇增加后趨于平穩(wěn)。HHCB在初始質(zhì)量濃度為150 ng·L-1時，去除率達到最大值（84.40%），之后隨著HHCB濃度的增加，去除率趨于平穩(wěn)；而AHTN在初始濃度大于200 ng·L-1后，去除率趨于平穩(wěn)。

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 第四系孔隙含水組

根據(jù)礦區(qū)含水層巖性和地下水埋藏條件，由上往下分述如下:

1)孔隙潛水含水層。含水層巖性主要由亞粘土 、中細砂組成，厚度6～10.0 m，弱含孔隙潛水。因近年人工開采，致使水位下降，水量減少。

2)第一隔水層。巖性為淤泥質(zhì)粘土，為上更新統(tǒng)湖沼沉積物。地層水平延展性較好，形成了較穩(wěn)定的隔水層。據(jù)機井調(diào)查和鉆孔揭露，厚度一般2.50～5.0 m，平均厚度 3.0 m，隔水層頂板標高 13.41 ～25.05 m。

3)孔隙承壓水含水層。含水層巖性主要為中粗砂、卵礫石，厚度33～50.0 m。中粗砂分選性、磨圓度較好;卵礫石呈圓狀，巖性混雜，大小不等，粒徑一般0.5～3.0 cm，最大 ＞10 cm。據(jù)抽水試驗資料，最大水位降深6.20 m，涌水量14.234 L/s，單位涌水量 2.30 L/s·m，滲透系數(shù) 7.546 m/d，水溫14℃，水質(zhì)類型為 HCO3－Ca，礦化度 0.171 g/L，為礦坑充水的間接來源。

4)第二隔水層。據(jù)鉆孔資料，第四系沉積層底部、基巖強風化帶頂部分布著厚度不勻的殘積層，受古地形控制，厚度1～8.0 m。為片麻狀混合巖、混合花崗巖全風化的產(chǎn)物。巖石呈土狀，結(jié)構松散，長石、云母、角閃石等礦物風化成高嶺土、絹云母、綠泥石等，遇水軟化呈泥狀，為相對隔水層。

2.2.2 基巖裂隙水

1)風化裂隙水。據(jù)鉆孔資料，強風化帶發(fā)育深度50～150 m，厚度 3.10～76.90 m;弱風化帶發(fā)育深度 61.27～186.0 cm，厚度4.10 ～35.87 m。風化裂隙較發(fā)育，但多被泥質(zhì)充填，多見高嶺土化。在 SK101孔孔深74.80～98.00 m處進行注水試驗，巖石滲透系數(shù)K=0.014 m/d，證實強風化帶內(nèi)含風化裂隙水。

2)構造裂隙水。北－中礦體的頂、底板圍巖主要是混合花崗巖、黑云變粒巖。據(jù)鉆孔揭露，在深部弱風化帶內(nèi)，由于受構造影響，巖石較破碎，構造裂隙發(fā)育，裂隙主要發(fā)育主要兩組，傾角40°～70°;裂隙面粗糙，銹染明顯，并見有溶溝及溶孔。據(jù)鉆孔資料，構造裂隙水為承壓水，水位埋深18.50 m，水位標高32.56 m。SK101孔抽水試驗結(jié)果為:最大水位降深33.0 m，涌水量7.734 L/s·m，單位涌水量0.235 L/s·m，滲透系數(shù)0.499 m/d，水溫16℃，水質(zhì)類型偏硅酸HCO3－Ca·Mg型，礦化度0.187 g/L。因礦體直接賦存于該層，是礦坑充水的主要來源。

2.2.3 構造破碎帶含水特征

在北－中礦體分布區(qū)的主要斷裂構造為F1斷層。F1斷層為壓扭性平推逆斷層，走向320°，傾向230°，傾角62°～67°，長800 m，破碎帶厚度2.05～4.00 m。帶內(nèi)巖石擠壓破碎，多呈碎塊狀或碎屑狀，直徑2～30 mm，泥質(zhì)膠結(jié)。帶內(nèi)混合花崗巖中的長石多高嶺土化，遇水軟化成泥狀;黑云變粒巖被擠壓呈片狀。在鉆孔施工時遇此斷層時均發(fā)生縮徑現(xiàn)象。該斷層起到了相對隔水作用。

3 礦坑涌水量預測［2］

在“正常條件下”和“注漿條件下”對礦坑涌水量進行預測。

3.1 正常條件下礦坑涌水量預測

建設項目采用不同中段地下開采方式，一期工程為開采水平－170 m以上的礦體，目前已在－170 m水平施工完成豎井、風井和部分水平巷道施工，構造裂隙水為無限邊界含水層，正常條件下礦坑涌水量預測采用大井法。

計算公式為:

式中:Q1為當水抽至含水層頂板以上時的涌水量(m3/d);Q2為當水抽至含水層頂板以下時的涌水量(m3/d);Qmax為鉆孔水位降低到含水層底面時的最大涌水量(m3/d);K為滲透系數(shù)(m/d);M為含水層厚度(m);H0為最大涌水量的含水層厚度(m);Q為單位涌水量(m3/d·m);S為當水抽至含水層頂板以上時水位降深(m);H為當水抽至含水層頂板以下時水位降深(m);R為大井引用影響半徑(m);r0為大井引用半徑(m)。

依據(jù)上述公式及參數(shù)，分別對－70、－100、－140、－170 m開拓水平進行坑道涌水量預測，見表1。

表1 礦坑涌水量計算成果表

3.2 注漿條件下礦坑涌水量預測

由于項目礦坑涌水量較大，掘進時設計采用注漿堵水工藝，用裂隙注漿、帷幕灌漿堵水的方法開采，以降低礦坑涌水。

地下開采項目采用施工與堵漏同時進行的方式。根據(jù)企業(yè)在施工中對堵水前后排水量的監(jiān)測，堵水工程取得了一定的成效，目前施工中各點涌水量分別為，石門巷道處40 m3/d，永久水倉處30 m3/d，變電硐室處20 m3/d，主副井聯(lián)絡道處40 m3/d，上中段溢流下來30 m3/d，合計約160 m3/d。目前堵漏工程處于初級階段，通過觀測，堵漏后比堵水前涌水量減小了180 m3/h，涌水量約減少53%。該項目施工過程中，對堵漏前后排水量進行了較詳細監(jiān)測，堵漏前后排水量對照見表2。

表2 涌水點注漿前后對照表

綜合半碑店鐵礦及同類礦堵水效果，堵漏工程可使涌水量減少80%以上。為保證安全，半碑店鐵礦采用注漿堵水工藝后，按堵水效果53%計算，預測涌水量為正常涌水量的47%，各開采水平注漿后預測涌水量見表3。

表3 不同開采水平注漿后預測涌水量

4 礦坑涌水水質(zhì)評價

采用單因子法按《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848－93)對礦坑涌水進行水質(zhì)評價，評價因子包括pH值、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽氮、氟化物、砷化物等30項指標。

礦井涌水地下水水化學類型為 HCO3·SO4—Ca·Na·Mg型水，水質(zhì)符合《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848－93)Ⅳ類水質(zhì)標準。礦坑涌水經(jīng)過沉淀和凈化處理后，可用以生產(chǎn)、生活和灌溉用水。

5 經(jīng)濟效益分析

灤縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)北區(qū)起步區(qū)位于灤縣東部，規(guī)劃占地面積3.123 km2，預計2020年人口規(guī)模1.33萬人，主要四大主導產(chǎn)業(yè):現(xiàn)代信息物流產(chǎn)業(yè)、先進機械設備制造業(yè)、節(jié)能環(huán)保建材業(yè)和高科技研發(fā)業(yè)。

灤縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)北區(qū)起步區(qū)取用水量為256.1萬 m3/a，其中主要用水單元為工業(yè)，工業(yè)用水量為216.6萬 m3/a。規(guī)劃區(qū)內(nèi)采用“分質(zhì)供水”的原則，對水質(zhì)要求較高的用水行業(yè)或工藝取用第四系地下水，其他取用礦坑排水、再生水。生活用水、服務業(yè)用水及工業(yè)用水中對水質(zhì)要求較高的工藝用水取用地下水，取水量為54.7萬m3/a;其他工業(yè)用水采用分質(zhì)供水，其中取用區(qū)內(nèi)污水處理廠再生水60.2萬 m3/a，取用灤縣半碑店鐵礦礦坑排水141.2 m3/a，輸水及凈化處理損失按10%計算，需引礦坑排水量156.9萬 m3/a。半碑店鐵礦在－70 m開采水平時，礦坑排水量最小，為237.8萬 m3/a，扣除配套選廠71.6萬 m3/a的水量，剩余排水量為166.2萬m3/a，用于滿足規(guī)劃區(qū)156.9萬 m3/a的水量要求。

2020年，灤縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)北區(qū)起步區(qū)總產(chǎn)值650億元，其中現(xiàn)代信息物流業(yè)總產(chǎn)值118億元、先進機械設備制造業(yè)總產(chǎn)值185億元、節(jié)能環(huán)保建材業(yè)總產(chǎn)值184億元，高科技研發(fā)業(yè)總產(chǎn)值184億元;工業(yè)增加值30億元，其中現(xiàn)代信息物流業(yè)工業(yè)增加值3.9億元、先進機械設備制造業(yè)工業(yè)增加值9.3億元、節(jié)能環(huán)保建材業(yè)工業(yè)增加值7.5億元，高科技研發(fā)業(yè)工業(yè)增加值9.3億元，見表4。利用礦坑排水產(chǎn)生的經(jīng)濟效益約為18.4億元，按照自備井現(xiàn)行水價0.80元/m3［3］，可節(jié)約水資源費用113萬元/a。起步區(qū)利用灤縣半碑店鐵礦礦坑排水156.9萬 m3/a，不僅減少了從當?shù)氐叵滤_采量141.2 m3/a，保護了地下水環(huán)境，而且還可節(jié)約水資源費用。

表4 規(guī)劃區(qū)2020年各規(guī)劃產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟目標一覽表

6 結(jié)語

灤縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)北區(qū)起步區(qū)按照區(qū)域水資源管理和配置的要求，依據(jù)當?shù)氐乃礂l件，采用“分質(zhì)供水”的原則，充分利用礦坑涌水，將礦坑涌水資源化利用，符合唐山市實行最嚴格水資源管理制度實施方案要求。礦坑涌水資源化利用不僅減少了當?shù)氐叵滤拈_采量，保護了地下水環(huán)境，節(jié)約了水資源費用，同時創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

［1］河北省唐山水文水資源勘測局.灤縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)北區(qū)起步區(qū)水資源論證報告［R］.唐山:河北省唐山水文水資源勘測局.2014.

［2］河北省地勘局第二地質(zhì)大隊.河北省灤縣半碑店鐵礦詳查地質(zhì)報告［R］.唐山:河北省地勘局第二地質(zhì)大隊.2002.

［3］張俊棟.礦井涌水資源化利用分析［J］.工業(yè)安全與環(huán)保.2010，36(7):42－43.