霍邱金安铁矿水文地质条件初步研究

2012-12-03谭绿贵张广胜王本伟汪万芬

皖西学院学报 2012年5期

谭绿贵，张广胜，王本伟，汪万芬，刘忠

（1.皖西学院资源环境与旅游管理学院，安徽六安237012；2.六安市国土资源局，安徽六安237001）

1 引言

水文地质条件（Hydrogeological Condition）是研究地下水的埋藏、分布、补给、径流、水质和水量及其形成的地质条件的总称，而矿床水文地质条件则是探讨在矿床分布区域内地下水的各种相关作用及其所形成的地质条件等诸多问题，具体就是分析矿床地下水的埋藏分布特点，补给、径流及排泄条件和预测地下水水量等地下水科学及工程问题。在分析矿床水文地质条件的基础上，进而搞清地下水水化学特征、科学判别地下水水源，合理预测矿坑涌水量以及由于开采可能引起的地下水动态变化，为矿床的顺利开采提供相关的水文地质资料［1-2］。

矿床水文地质条件分析的内容丰富。胡学玲［3］主要从4个方面分析矿床水文地质条件，分别为矿床的地下水赋存条件、矿床矿井的含水层与隔水层的特征，矿床地下水的补给、径流、排泄的条件和矿井涌水量的预测及防水排水的对策。同时在进行水文地质条件分析时，需要因地制宜地采取不同的方法勘探地层、预测涌水量。

矿床地下水的补给、径流与排泄条件是矿床水文地质条件分析的重点内容，所以，在具体分析一个矿床水文地质条件之前，需要对区域及矿区的自然地理条件进行调查。同时还要对矿区的地质条件进行调查分析，其内容主要包括矿区的地质背景、地层、构造、岩浆活动等。

矿区内的地形地貌及其地质构造条件，对矿床的地下水补给、径流与排泄具有很大影响，尤其是对于地下水径流与排泄情况的分析，而外部的气候条件则主要影响地下水的补给来源。因此，在分析地下水的补给、径流与排泄条件时，应注意结合地下水的分布情况，分别从补给、径流、排泄这3个方面，结合气候、地形、构造状况和含水层的类型进行分析，并在此基础上综合评价某一矿区水文地质条件的复杂程度。

刘宏信等认为大气降水是地下水补给的重要组成部分，根据蒙库铁矿区所在的地理位置可确定当地的降水类型［4］。若矿区处于我国的东部季风区，其降水类型主要为大气降水，因此，大气降水就是矿床地下水补给的主要来源。

此外，地面的植被覆盖情况也会影响到地下水的补给。李亮经等［5］分析坎上铁矿床含水层第四系孔隙水的补给来源主要为降水补给，滦河渗漏补给，山前侧向径流补给。第四系第二含水层与基岩裂隙水的主要补给来源为裸露山区的大气降水补给。

地下水的径流方向主要受到地形地貌及地质构造的影响，含水层为地下水主要的径流通道。其次，节理、断裂裂隙也是地下水径流的通道。地下水径流遵循由高处流向底处的运移规律。刘宏信等［4］得出蒙库铁矿床地下水的水力坡度值和裂隙水的渗透系数值成为衡量地下水径流条件优劣的主要指标。水力坡度值越大，渗透系数越大，地下水的径流条件就越优越。

矿区矿床地下水排泄有多种方式，自然排泄和人工排泄是两种主要的方式。自然排泄主要是依靠天然河流、河谷和自然蒸发进行排泄。主要形式有地下水补给河流、湖泊，天然泉排泄和蒸发、渗透。排泄条件的优劣主要取决于矿床的地质构造条件、含水层的分布状况、补给区与排泄区的标高。排泄条件较优的矿床，一般都存在有利于排水的地质构造，如单斜构造；含水层与河流河谷相互连接且地下水位高于河流河谷的正常水位；补给区标高比排泄区标高的数值要大。而蒸发和渗漏主要取决于矿床是否露天以及地下岩层裂隙发育状况。除了自然排泄，人工的排泄方式主要用于矿区矿井内。由于矿床开采，地下水的自然排泄方式受到干扰，会出现矿井内积水，需要进行矿井人工排水。付江伟等［6］认为焦作矿区本身就处于地下水径流的排泄区内，因而也需要进行矿井人工排水。因此，地下水排泄条件对于矿床的排水工作意义重大。

因此，分析地下水补给、径流与排泄条件，有助于分析研究矿床水文地质条件的复杂程度，可为矿床地下水的涌水量预测提供基础资料。

矿床的涌突水是矿产开采过程中所面临的重要问题，矿床的充水因素是矿床涌水量大小的主要原因之一。因此，矿床充水因素分析也应是矿床水文地质条件分析内容。姚明朝［7］认为矿床的充水因素分析包括3个方面内容，分别为矿床的充水水源、充水途径、充水特征。其中矿床的充水水源和充水途径是矿床充水因素分析的主要内容。不同地区、类型的矿床，它们的充水水源和充水途径各不相同，因而它们的充水特征也不同。刘玉柱认为内蒙古大雁一矿东四采区内的补给来源总体有3个，分别为降水补给、含水层的渗入补给和断层导水。它们的充水途径分别为第四系地层、单斜构造的含水层、张扭性正断层破碎带［8］。刘宏信等［4］在研究蒙库矿床的水文地质条件则得出1～9号矿体的矿床充水来源主要与矿床所处的地质构造、矿体的出露情况以及地表的水系有关的结论。

通过对矿床的水文地质条件分析，掌握矿区或矿床的主要含、隔水层以及含水层的富水性，在此基础上，探讨矿床地下水的补给、径流、排泄条件。在掌握矿床水文地质条件的实际资料的基础上，分析矿床充水因素，进而分析矿床水文地球化学特征、探讨地下水水源来源、科学预测矿床地下水水量、动态掌控矿床地质环境，从而满足矿井设计与生产需要，保证井下泵排设施的合理投入，有力促进矿井的采掘持续和生产安全。本文在省教育厅自然科学研究重点（产学研）项目资金支持下，收集了霍邱铁矿田部分矿床的地质、水文地质资料，并依据对霍邱铁矿田金安、大昌等矿床井下野外地质、水文地质调查研究，开展水文地质、水文地球化学等方面的研究工作，以期对矿山的开采设计、安全生产和排水用水有所启发和帮助。因而分析研究矿床水文地质条件不仅具有一定的理论意义，而且具有十分重要的生产实际意义。

2 霍邱金安铁矿地理地质概述

2.1 金安铁矿地理概况

霍邱铁矿田地处淮河流域中上游冲积平原区，地势总体较为平坦，海拔标高30～50m。金安铁矿（即原草楼自然村所在地，初始称草楼铁矿）位于霍邱铁矿田的中部，位于安徽省六安市霍邱县范桥乡境内，矿床中心地理坐标为东经115°58′45″，北纬32°25′19″。矿区气候温和，四季分明。根据霍邱县气象局近5年气象资料，年最高气温为37.6℃，最低-12℃，无霜期全年一般为210～230天，最大冻土深度9cm，最大积雪深度16cm。年最大降雨量1 507.8mm，最小降雨量506.4mm，年平均降雨量1 064mm。

图1为霍邱铁矿田典型矿床水文地质勘探剖面示意图，指示矿区典型矿床矿体的地理位置、主要的含水岩组及其界线、地下潜水面形态、富水的古风化带界线、地下水径流方向、充水及导水断层、矿体形态及与围岩的关系，以及水文勘探钻孔位置。根据勘探资料，金安铁矿（草楼铁矿）区基岩处在F13和F17充水断层之间，地下水类型主要为变质岩类裂隙水，其中ZK112号孔和ZK32号孔处在金安铁矿所在区域。

2.2 金安铁矿地质概况

霍邱铁矿田矿体多赋存于新太古界霍邱群周集组片岩、片麻岩、斜长角闪岩及白云石大理岩中［9］。金安铁矿矿体则赋存在吴集组上部，矿体上部为巨厚的第四系，厚度在122～222m之间，且夹有1～4层中粗砂含水层①。含矿岩系为黑云斜长片麻岩、角闪黑云斜长片麻岩及斜长角闪岩等。含矿岩系为近南北走向并向东突出，倾向西的单斜构造。矿床埋深130～208m，矿体沿倾斜方向深122～555m，平均280m。主矿体控制长度为2 400m，平均厚度达53 m。矿体呈似层状或透镜状，产状与围岩一致，平均倾角50°。矿体中部（3～19线）厚度较大，其中11～19线间矿体完整，8～7线之间矿体呈多层互层状［10］。

图1 霍邱铁矿田水文地质剖面示意图（参修注释②）

矿体裂隙比较发育，基岩裂隙含水层透水性、富水性较强，远离矿体两翼的片岩、片麻岩和白云石大理岩裂隙不发育，透水性差，在空间上形成南北狭长的地下含水体；矿体上覆周集组风化裂隙含水层、青白口系风化裂隙含水层与第四系孔隙含水层，其特点是分布范围大、厚度大、透水性较差、富水性较弱①。

3 金安铁矿床的主要含、隔水层以及含水层的富水性

金安矿床含水层总体情况可概括为隔-含-隔-四含-隔（如图2）。矿床的主要含、隔水层以及含水层的富水性与矿床赋存的地质条件有关。地层组成岩石的孔隙度、松散程度以及裂隙发育程度都影响岩层的含水量和岩层的渗透系数大小。所以根据矿床岩层的性质、组成物质、裂隙发育程度，把金安铁矿床划分如下的含、隔水层，并分析主要含水层的富水性。

图2 金安铁矿床主要含、隔水层略图

3.1 第四系含（隔）水层

第四系出露于矿区地表，为河湖相沉积。该层为矿床重要的新生代含水层，简称新生水。从金安铁矿床来看，有北部薄、南部厚、西部薄、东部厚的趋势，最薄处122.22m，最厚处达222.39m，平均厚度为167.78m①。岩性自上而下分为3层：

（1）上更新统粉质亚粘土隔水层（Q1）：为隔水层，以粉土质亚粘土为主，向下粘土含量增高，变为粉土质粘土。本层厚度大（68.19～90.95m，平均厚度为80.00m），分布广，透水性差，对大气降水及地表水的下渗起着阻隔作用。

（2）中更新统含水层（Q1＋2）：为金安矿床的主要含水层，系1～4层砂质与粘土互层，总厚度27.36～130.41m。第四系砂层及亚砂土，含有较丰富的孔隙承压水，金安矿床矿体最大厚度为53.15m，最小为18.61m，平均为29.50m。

第1层砂（自上而下）厚度大，分布广，顶板标高为-32.35～ -49.79m，底板标高为 -64.38～-82.99m，中间多有1～2层粘土（或亚粘土）夹层，单层厚度为1.85～11.03m，本层砂是砂层中重要含水层。第2～4层砂，厚度较小，分布也不广。第2层砂仅见于金安16线的164、165孔，顶标高-100.72～-106.02m，厚度3.02～19.82m。在紧邻的范桥矿床，本层砂分叉，中间夹有粘土，厚度5.80～8.10 m。第3层砂见于金安的8线、16线，另见于周油坊矿床的47线及范桥矿床的ZK04、ZK71，顶标高为-132.42～-156.44m，厚度2.76～25.75m。

（3）中下更新统下部粘性土隔水层（Q2＋3）：本层透水性差，对砂层孔隙水与基岩裂隙水的水力联系均起到一定的阻碍作用。少数钻孔可见砾石层，有时与粘土混杂，最大厚度9.55m（ZK231），主要为基岩残坡积物，含水性较差。

3.2 古风化带裂隙含水岩组

第四系在沉积之前，下元古界变质岩系，遭受风化剥蚀作用，形成似层状的古风化壳，其深度为154.65～232.92m，厚度15.00～46.37m，平均厚度达29.52m。上部为强风化带，厚度在2.90～44.65 m之间①，弱风化带中风化裂隙发育，构造裂隙因风化作用而扩张。古风化带岩石含有较丰富的裂隙水，该层裂隙含水层简称古壳水。

3.3 新鲜基岩含（隔）水岩组

该层基岩总体含水性、富水性较差，笔者把这一层地下水简称基含水，可以把该层划分为以下4个岩性段：

（1）矿段顶板裂隙含水岩段：该矿段顶板主要为混合岩段、片麻岩段，裂隙一般不发育，局部较发育，裂隙多被碳酸盐岩及绿泥石充填，偶见有溶蚀小洞①。本层为含水性弱的裂隙水。（2）含矿段裂隙含水岩段：该段主要岩性为3个铁矿体层及其夹层，裂隙一般不发育，局部较发育。偶见有地下水溶蚀现象，本层富水性较差。（3）矿体底板裂隙水含水岩段：该段主要岩性和矿段顶板相同，为片麻岩和混合岩段，裂隙不发育，为一弱裂隙含水岩组。（4）混合花岗岩不含水岩组（隔水层）：该段裂隙极不发育，不含水，为隔水岩层。

4 金安铁矿床地下水补给、径流与排泄条件

4.1 地下水的补给条件

矿床地下水的补给条件主要取决于矿床所在地区的气候条件、地形地貌条件、地质构造发育状况等。其中地形地貌条件不仅包括矿床所在地形地貌单元特征，还包括该矿床所处的地表水系特征。大气降水状况与矿床地下水补给来源密切相关，是地下水补给来源的重要方面。

霍邱铁矿田地处淮河流域中上游冲积平原区，金安矿床位于四十里长山东侧，矿区西北方建有蝎子山水库，西临周油坊矿床，东和范桥矿床相连，属Ⅱ级阶地地貌单元，矿床地形平坦，地表标高在29.64～40.05m之间①。矿区西高东底，地下水径流方向为自西向东（矿床方向）。地表水塘星罗棋布，但在大旱季节（如1978年）所有池塘均干涸，地下水位下降很多。矿区地表水系发育，除淮河自西向东流经矿区北部外，西隔四十里长山与泉河相临，东部沿岗河与城西湖（季节性蓄洪水域）相毗连。地表池塘密布，拗谷冲沟内有水径流，最终汇合注入淮河。该矿体位于区域侵蚀基准面（18m）和地下水位之下。矿区内第四系广泛分布，下伏为下元古界含铁变质岩系。

金安矿床所处地区的气候类型为亚热带季风气候，区内气候温和，四季分明。这样的气候条件决定了矿区夏秋季节大气降水多，冬春季节降水少，降水的季节变化显著。而矿区的地下水补给来源，特别是第四系含水层的地下水的补给来源主要应为入渗到含水层的大气降水。所以，亚热带季风气候对于矿床地下水补给意义重大。第四系浅层和深层含水层均不同程度地接受大气降水及地表水的入渗补给，同时浅层地下水与淮河还存在着互补关系。当淮河处于丰水期时，河流水补给流域内的浅层地下水；当淮河处于枯水期时，流域内的浅层地下水则补给河流，这种互补关系同样是取决于亚热带季风气候的降水季节变化。

4.2 地下水的径流条件

由于地下水径流途径直接影响到地下水水质、水化学特征乃至地下水污染的严重程度，因此可以认为金安矿床的地下水径流途径与地下水地球化学作用过程大致相同，进而运用地下水化学特征来识别地下水水源、径流路径，分析水流场状态。在实际调查的基础上，利用水化学资料，探讨铁矿区地下水的径流条件，以期分析地下水的径流途径及水源特征。

通过野外地质调查和前人勘探资料，认为金安铁矿地下水的径流途径主要有：（1）地表水体侧向渗入流动。矿坑排水经处理达标后排入沿岗河河道再次补给潜水。（2）塌陷裂隙渗入流动。地表水体也可能通过采矿活动所形成的地面塌陷裂隙补充地下水。（3）沿断层破碎带流动。地下采矿活动打破了各含水层之间的相对静止和隔绝状态，水流可通过断层破碎带或其他裂隙沟通不同水质的含水层之间的水力联系，从而影响地下水水质和运动状态。（4）可通过矿井排水孔或勘探时未封闭的钻孔直接进入地下含水层。由于矿井排水将加速深层地下水的循环，导致部分岩层的矿物、岩石被侵蚀、溶蚀或溶解，从而使地下水矿化度相对增高。

在分析径流条件的同时，也要对影响径流条件的因素进行分析，主要影响因素有地下含、隔水层的分布和矿床的地质构造状况。地下含水层的顶底板的标高、隔水层所处的位置以及地层的走向对于地下水径流的方向具有重要作用。如前文所述，金安矿床含水层总体情况可以概括为隔-含-隔-四含-隔（图1），包括第四系含（隔）水层，古风化带裂隙含水岩组以及新鲜基岩含（隔）水岩组。在“新生水”层中，根据岩性从上到下分为上更新统粉质亚粘土隔水层（Q2＋3），中更新统含水层（Q1＋2），中下更新统下部粘性土隔水层（Q1），这些含、隔水层的分布决定了金安铁矿床地下水的径流方向。而“古壳水”岩组以及“基含水”隔水岩组则对地下水径流的通道状况产生影响。例如，构造裂隙对地下水径流的影响主要表现为金安矿床由于受底部混合花岗岩突起的影响，裂隙不发育，对地下水的运动可能起着阻隔作用。在矿体的顶底板（尤其是底板）的混合岩及片麻岩段，局部见有挤压破碎现象且压碎不均匀，局部具有糜棱岩化现象，而临近破碎带处裂隙较发育，有利于地下水的流动。

4.3 地下水的排泄条件

矿床地下水的排泄分为自然排泄与人工排泄，自然排泄条件主要受到整个矿区地形走势的影响。金安铁矿总的地貌特征为四十里长山丘陵孤耸于西区，南部有基岩裸露和泉水出露（图1）。裸露区风化带与覆盖区风化带是连续的，呈似层状分布，总的趋势是南高北低。从基岩裸露区得到降雨补给的地下水沿风化带由南向北运移，以致排出区外，途中部分地下水可通过“天窗”向中、下更新统顶托补给。随着金安矿床开采活动不断地向前推进，矿井内会出现一定流量的地下水，需要根据实际水量大小，采用人工排泄方式进行矿井抽水，以保证井下安全生产活动正常进行。但同时应注意，坑道排水将加速地下水的循环，导致部分岩层矿物、岩石被侵蚀，加速地下水化学作用进程，或使深层地下水矿化度有增加的趋势。

通过调查金安铁矿水文地质情况，分析该矿床含隔水层及含水层剖面特征，剖析“新生水”、“古壳水”以及“基含水”间的水力联系，进而探究矿床地下水补给、径流与排泄条件，可以为该铁矿矿山开采防治水实践提供技术支持，对于井下开采的疏干工程和矿山排水用水设计和安全生产具有重要参考价值。

霍邱金安铁矿是属于水文地质条件较复杂的一类沉积变质型铁矿床［9］。在矿床开采之前已经对该矿床水文地质条件进行了一定的地质工作，初步摸清了矿床含隔水层和含水层的富水性，地下水补给、径流与排泄条件以及矿床充水条件，为预测矿床涌水量、确保矿山生产安全和科学排水用水等提供了水文地质依据。随着矿床开采活动的进行，会在不同程度上破坏原有地下水的径流、排泄条件，这势必会打破地下水的动态平衡，影响到该矿床所在区域的地下水流场状态。因此，在分析金安铁矿矿床开采的水文地质条件时需要该矿床抽水试验资料以及地下水水化学资料，以便判别地下水水源、预测水量，为矿山开采设计、安全生产和科学排水用水提供依据。

5 结论

金安铁矿位于霍邱铁矿田的中部，行政区划隶属于六安市霍邱县范桥乡。在具体地分析金安铁矿床的含水层与隔水层的特征及含水层的富水性基础上，依据矿床含水层剖面可把矿床地下水分为新生水、古壳水和基岩水。结合该矿床地下水的补给来源、径流途径、排泄条件及矿床的充水来源与充水途径，认为金安铁矿是一个水文地质条件较为复杂的沉积变质型铁矿床。因整个矿区西高东底，地下水径流方向应为自矿床西向东流动。矿床地下水补给来源，特别是新生水的补给来源主要应为入渗到含水层的大气降水。金安铁矿地下水的径流途径主要有4个方面：一是通过地表水体侧向渗入；二是沿塌陷裂隙渗入；三是沿着断层破碎带进入；四是可能通过矿井排水孔或勘探时未封闭的钻孔直接进入地下含水层。矿床地下水的排泄则主要是在矿床开采阶段的矿井抽水，其次可能是位于矿区南部的泉水出露。霍邱金安铁矿地下水的补给、径流和排泄条件以及矿床的充水因素分析，以及矿床水文地球化学特征及其水源判别还有待今后进一步的野外和室内工作。

致谢对霍邱县国土资源局、霍邱县环境保护局、安徽金安铁矿有限公司以及安徽省地质勘探局313地质队在野外和资料收集过程中提供的指导和帮助表示衷心的感谢。

注释：

①马鞍山矿山研究院，六安科环环境工程有限公司.安徽草楼铁矿开发环境影响报告书（R），2004.8.

②安徽开发矿业有限公司，华北有色工程勘察院.安徽省霍邱县李楼铁矿水文地质研究报告（R），2007.12

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