塞拉利昂SOKOYA鐵礦水文地質條件及礦坑涌水量預測研究

馬林霄 陳德穩(wěn) 李慶哲 詹勇 譚康雨

摘 要：SOKOYA鐵礦屬未采礦山，主要含水層為第四系殘坡積含水層和基巖風化裂隙。本文通過對區(qū)內主要含水層的綜合研究分析，探討地下水補給、徑流和排泄條件，并通過抽水試驗得到的水文地質參數(shù)，初步預測礦坑涌水量，為礦坑水疏排工程設計提供依據(jù)。

關鍵詞：SOKOYA鐵礦；露天開采；涌水量預測

中圖分類號：P618.31 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）17-0077-03

Analysis on Hydrogeological Geological Condition and Prediction of

Inflow of SOKOYA Iron Deposit，Sierra Leone

MA Linxiao1 CHEN Dewen1 LI Qingzhe2 ZHAN Yong1 TAN Kangyu1

Abstract： SOKOYA iron deposit is a non mining mine，and its aquifer are qhesl of quaternary and weathering crack of bedrock. Through the comprehensive study and analysis of the main aquifers in the area， the conditions of groundwater recharge， runoff and discharge were discussed， and the hydrogeological parameters obtained by pumping test were used to preliminarily predict the water inflow of the pit， which provided the basis for the design of the mine water drainage project.

Keywords： SOKOYA iron deposit； open-pit mining；prediction of water inflow

SOKOYA鐵礦地處蘇拉山-坎格瑞山綠巖帶中部，該綠巖帶成礦條件優(yōu)越，是塞拉利昂鐵礦、金礦的重要成礦區(qū)帶[1，2]。前人對該綠巖帶內主要鐵礦床的地質特征及成因已開展了詳細的研究和探討，但涉及水文地質條件等方面的研究成果均未公開發(fā)表。

筆者通過SOKOYA鐵礦的野外第一手資料，結合前人的研究成果，對該礦床的水文地質條件進行初步探討，為該區(qū)域水文地質研究工作提供依據(jù)。

1 礦區(qū)地質概況

SOKOYA鐵礦大地構造位置隸屬西非克拉通東南緣，整體坐落在蘇拉山綠巖帶西南部，其北側緊鄰全球規(guī)模最大的赤鐵礦和磁鐵礦之一的唐克里里鐵礦[3]。蘇拉山-坎格瑞山綠巖帶是塞拉利昂特大型、大型鐵礦聚集區(qū)[4]，成礦條件優(yōu)越。

礦區(qū)共圈定出10條礦體，主要賦存在磁鐵云母石英片巖（鐵英巖、石英磁鐵巖）內，產(chǎn)狀與圍巖基本一致，呈層狀、似層狀或透鏡狀產(chǎn)出，傾向北西，傾角大于45°。其中，主礦體長2 000m，厚4.09～194.12m，傾向北西，傾角55°～87°，偶見分支復合、膨脹收縮現(xiàn)象，在走向和傾向上連續(xù)性較好，單礦體規(guī)模達到大型，礦體賦存標高為-620～594m。

礦石的自然類型按礦石主要鐵礦物成分可分為磁鐵礦石和赤褐鐵礦石，其中磁鐵礦石為原生礦石，赤褐鐵礦石主要分布在地表，多為次生氧化堆積成因；按礦石主要脈石成分，均為石英型鐵礦石；按礦石結構構造，可分為條紋-條帶狀鐵礦石、浸染狀鐵礦石和塊狀鐵礦石。根據(jù)物相分析結果可知，礦石的工業(yè)類型可分為需選弱磁性鐵礦石和煉鐵用鐵礦石，其中需選弱磁性鐵礦石主要為原生礦石，煉鐵用鐵礦石主要為赤褐鐵礦石。

2 礦區(qū)水文地質特征

SOKOYA鐵礦區(qū)位于西非塞拉利昂共和國中東部蘇拉山區(qū)，在平原和高原過渡帶上。區(qū)內地形起伏較大，多座山峰突兀，最高峰海拔624.40m，最大相對高差407.90m。

礦區(qū)屬熱帶季風氣候，高溫多雨，分旱雨兩季，5—10月為雨季，11月—次年4月為旱季。全年平均氣溫約26.5℃，2—5月氣溫最高，室外最高溫度可達40℃以上；8—9月氣候最為涼爽，最低溫度可達15℃左右。年平均降水量為2 000～5 000mm。

區(qū)內雨季降雨豐富，河流發(fā)育，塞拉利昂主要河流Rokel的支流Tonkolili河由礦區(qū)西側穿過，流向大致與礦體平行（見圖1），距離約1.2km。礦區(qū)東側溝谷為Sundamanboni河（溪），在Sundamanboni與Barfeni交匯后一處作為流量長期觀測站，2013年10月6日觀測流量11.4m3/s，2014年4月13日觀測流量為0.17m3/s，水質較為渾濁，河流受降水影響十分明顯。

NZK600-2觀測時間從2013年6月1日至2014年5月11日，觀測結果顯示，5—12月地下水位具有上升的趨勢，12月—次年4月地下水位具有下降的趨勢，說明地下水位對大氣降水的響應存在一定的滯后。

注：Lsm為云母石英片巖，Lsh為長石石英巖，Lph為角閃巖、斜長角閃巖、斜長角閃片麻巖；1.巖層界線；2.“鐵帽”范圍；3.鐵礦體范圍；4.地表水及流向；5.推測斷層及編號；6.河（溪）流量及觀測時間；7.長期觀測孔。

2.1 礦區(qū)含水層

區(qū)內主要含水層為第四系殘坡積孔隙水含水層、鐵質角礫巖（鐵帽）孔隙水含水層和基巖風化裂隙含水層。

2.1.1 第四系松散巖類孔隙含水層。殘坡積層主要分布在山坡坡麓及平緩的山坡等處，巖性為條帶狀磁鐵石英片巖和云母石英片巖等風化殘坡積物，為含粉粒、黏粒碎石土，厚0～45.75m（鉆孔NZK608-0最厚為45.75m），平均厚8.57m，在該層下部賦存有地下水。該層水主要接受大氣降水補給，在介質孔隙中由水勢梯度高處向低處徑流，入滲基巖風化裂隙含水層或以下降泉形式排泄，泉流量為0.002～0.78L/s，該層富水性弱[5]，地下水位受季節(jié)影響明顯。

“鐵帽”在礦區(qū)分布十分廣泛，主要分布在礦區(qū)北部、東北部、南西部和南東部等區(qū)域，以北部山頂區(qū)域最為厚大，最大超過40m，平均厚度為31.33m。鐵帽呈紅褐色，似斑狀結構，角礫狀構造。角礫為條帶狀磁鐵石英片巖碎塊，最大粒徑5～10cm。鐵帽氧化淋濾程度較高，致使礦石孔隙發(fā)育，這也為地下水的儲存和運移提供了空間。該層地下水主要受大氣降水以及地勢高處的徑流補給，在低洼處完成排泄。該層富水性較弱，地下水位受季節(jié)影響明顯。

2.1.2 基巖風化裂隙含水巖組。主要由風化-半風化的混合花崗巖、云母石英片巖、條帶狀磁鐵石英片巖和斜長角閃片巖等組成，分布于礦區(qū)中部山地。風化帶厚0～56.80m，平均厚度為27.96m。淺部風化裂隙極發(fā)育，裂隙面強-中等褐鐵礦化。該層地下水主要接受大氣降水和殘坡積層入滲補給，在地勢突變處以泉的形式排泄，流量為0.218 2～1.234 5L/s，富水性弱-中等。

2.2 礦區(qū)隔水層

通過鉆孔巖芯可以看出，在風化帶以下，礦體上下盤巖芯都較為完整，結構致密，裂隙基本不發(fā)育或微弱發(fā)育，在鉆孔鉆進過程中孔內未發(fā)現(xiàn)涌、漏水或坍塌掉塊等現(xiàn)象，含（透）水性較差，可視為隔水層。

2.3 礦區(qū)地下水的補給、徑流、排泄關系

區(qū)內地勢起伏較大，多山峰突兀，地形坡度較陡，有利于地表水徑流。在雨季，大氣降水大部分沿坡面徑流流入河谷，再由河流排泄至下游，只有少部分蒸發(fā)或補給地下水。

松散巖類孔隙水主要接受大氣降水的滲入補給。松散巖類滲透性較強，易接受降水的入滲補給，但儲水能力較差，往往在吸收降水補給后，一部分在就近溝谷或低洼地帶以泉的形式排泄；一部分補給下伏基巖風化裂隙水。

基巖風化裂隙水主要接受大氣降水和松散巖類孔隙水補給，在水力梯度作用下由地勢高處向地勢低處徑流，在溝谷、低洼處以泉的形式排泄于地表。地下水流向與地形坡向、巖層傾向基本一致[4]。

總之，在礦區(qū)范圍內，第四系松散巖類孔隙含水層和基巖風化裂隙含水巖組之間有著密切的水力聯(lián)系，兩者能相互貫通、相互轉換，共同影響著礦坑沖水條件。

3 礦坑充水因素分析

礦坑涌（突）水是一個比較復雜的地質問題，嚴重影響企業(yè)財產(chǎn)和礦工生命安全，礦坑涌水量是確定礦床水文地質條件復雜程度的重要指標之一[6]。

礦區(qū)初期采用露天開采方式進行開采，以境界底部標高為0m，分析礦區(qū)水文地質條件可能成為礦坑充水因素包括：坑口范圍內大氣降水、地下水和地表水。

通過分析收集到的2004、2008年和2009年當?shù)貧庀筚Y料，年降水量高達2 000～5 000mm，降水主要集中在5—10月，其中7—9月雨量最大，最大日降水量可達152.4mm（2008年8月23日）?？赏ㄟ^式（1）計算在采場及其影響范圍的大氣降水的匯集量：

[Q降水=L·B·X/1 000] （1）

式中：[Q降水]表示采坑匯水量（m3/d）；[L]表示采場頂部長（m），5 600m；[B]表示采場頂部寬（m），350m；[X]表示日降水量（mm），在收集的氣象資料中，2004、2008、2009年的部分氣象資料中日最大降水量為152.4mm（2008年8月23日）。將數(shù)據(jù)帶入式（1）可得出[Q降水]為298 704m3/d。

礦區(qū)主要含水層為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。在開采之初，開采基準面以上地下水充水礦坑的露天開采至侵蝕基準面（145m）后地下水疏干至坑底的地下水涌水量采用潛水穩(wěn)定流“大井法”計算，計算公式為：

[Q1=1.366K2H-SSlnR0/r0] （2）

[R0=R+r0] （3）

式（2）和式（3）中，[Q1]表示地下水疏干至坑底的地下水涌水量（m3/d）；K表示滲透系數(shù)，K=0.001 45m/d；H表示抽水前含水層厚度（m），采用礦體南端NZK631-1水位標高-0m標高=236.36m-0m=236.36m[5]；S表示水位降深（m），為236.36m；R表示影響半徑（m），[R=2×S×KH=276.741 9m]；[r0]表示引用半徑（m），礦坑近似矩形，采用[r0=ηa+b/4]，礦坑長[a]采用主礦體長2 000m，寬[b]采用礦體最大厚度194m，[η]取1.08[6]，得出[r0]=592.38m；[R0]表示引用影響半徑（m），取869.121 9m。將相應數(shù)據(jù)帶入式（2）可得出[Q1]為664.666 5m3/d。

開采初期侵蝕基準面（145m）以上部分可以通過有利地形進行自然排水，礦坑充水來源主要為大氣降水；礦體東側溝谷內地表水體基本與礦體平行，施工鉆孔中未風化云母石英片巖、長石石英巖裂隙雖較發(fā)育，但多為閉合裂隙，含（透）水性差，且未發(fā)現(xiàn)明顯構造破碎帶，通過修建工程可保證其不會成為礦坑直接充水水源。因此，在開采中后期礦坑主要充水來源則包括地下水疏干至坑底（0m標高）的地下水、坑口范圍大氣降水。

4 結語

礦區(qū)地下水含水層類型主要為第四系殘坡積孔隙水含水層、鐵質角礫巖（鐵帽）孔隙水含水層和基巖風化裂隙含水層。礦坑正常涌水量，礦坑最大涌水量，由于深部巖石新鮮，裂隙發(fā)育較少，且多為巖石片理，為閉合裂隙，含水性極弱，礦坑充水水源主要為大氣降水。

此外，由于礦區(qū)地質構造研究程度較淺，第四系覆蓋層厚，植被茂密，僅以遙感資料、鉆孔巖心推斷附近斷層，對礦坑充水可能產(chǎn)生影響的為推測斷層F5，其恰被河（溪）水不斷侵蝕形成一條深溝，旱季仍未干涸，2013年3月14日測得流量0.27m3/s，在調查過程中觀測到其自上游至下游水量不斷變大。由此推測，該斷層導水性質較弱，但隨著礦山的開采，應注意該斷層導水性質的變化，注意其對礦坑涌水的影響。

由于該地區(qū)雨季日降水量大，露天礦坑直接暴露面積大，大量降水可直接降入或匯入礦坑內淹沒礦坑，影響爆破、礦巖裝運效率和露天邊坡的穩(wěn)定性，必須建立完善的防排水系統(tǒng)。

礦山開采是驗證礦區(qū)水文地質條件的最好手段，應充分利用礦山開采所暴露的地質環(huán)境問題進行分析，不斷提高和完善對礦區(qū)水文地質條件的認識[7-9]。

參考文獻：

[1]董少波，馬林霄.塞拉利昂北方省SOKOYA鐵礦地質特征及成因[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016（2）：86-89.

[2]馬林霄，董少波，周朝憲，等.塞拉利昂Yirisen金礦地質特征及成因淺析[J].礦產(chǎn)勘查，2015（3）：311-317.

[3]李國清，宋長榮.山東鋼鐵集團西非唐克里里鐵礦項目運作及啟示[J].對外貿易實務，2013（11）：58-60.

[4]宋國明.塞拉利昂礦業(yè)投資環(huán)境[J].國土資源情報，2012（3）：8-14.

[5]國家技術監(jiān)督局.礦區(qū)水文地質工程地質勘探規(guī)范：GB/T 12719—1991[S].北京：中國標準出版社，1991.

[6]王士東，趙振，陳慧娟，等.青海某鐵礦水文地質條件分析與涌水量預測[J].地下水，2015（5）：33-34.

[7]朱昶，許錦亮，劉邦軍，等.山東省蒼山縣溝西-西官莊鐵礦溝西礦區(qū)水文地質特征及涌水量預測[J].山東國土資源，2014（2）：41-45.

[8]河北省地質局水文地質四大隊.水文地質手冊[M].北京：地質出版社，1978.

[9]朱天林.湖南省界牌嶺礦區(qū)水文地質條件的認識[J].礦床與地質，2006（1）：67-69.