馬坑鐵礦深部開采地下水疏干若干問題及解決方案

陳小兵

(福建省第八地質大隊，龍巖，364000)

福建馬坑鐵礦屬于水文地質條件復雜的巖溶充水礦床，斷裂構造十分發(fā)育，地下水力聯系較為密切,主要礦體埋藏深，礦坑涌水量大。由于開采持續(xù)進行，開采標高不斷降低，礦山開拓過程中地質及水文地質條件變得更加復雜,礦床的水文地質條件決定了深部開采前必須進行大量地下水疏干工作。而礦區(qū)巖溶水系統(tǒng)補給量增大、巖溶水系統(tǒng)非均質性強烈和巖溶管道含水系統(tǒng)之間水力聯系不密切，增加了地下水疏干的難度，致使礦區(qū)地下水疏干進程緩慢。為有效、全面進行礦區(qū)地下水疏干，確保礦山安全生產，針對這些疏干問題提出了相應的解決方案。

1 礦區(qū)概況

馬坑鐵礦區(qū)位于龍巖市東南120°方向，平距13 km馬坑村的東南側,分布總面積約為4.85 km2。礦區(qū)降雨量豐富，多年平均年降雨量為1 693 mm(最大年降雨量2 496 mm，最小1 189 mm)，每年3～9月為雨季，約占全年降雨量的75%，雨量比較集中且強度大，是地下水的主要補給來源。區(qū)內除第四系少量分布外，主要是一套古生界沉積地層，自東南向西北呈單向傾斜，依次為石炭系林地組、經畬組、船山組和二疊系棲霞組、文筆山組與加福組(童子巖組)。礦區(qū)礦體主要埋藏在最低侵蝕基準面(標高420 m)以下,主礦體貯存于晚石炭世經畬組砂巖中，以厚度巨大、巖溶發(fā)育、富水性強的棲霞組石灰?guī)r含水層為其頂板充水巖層，屬水文地質條件復雜的半隱伏巖溶充水礦床*福建省第八地質大隊，福建省龍巖市馬坑鐵礦區(qū)西礦段詳細勘探地質報告，1983。。

目前，礦區(qū)巖溶水已基本由承壓轉為無壓狀態(tài)。隨著巖溶水位的大幅下降，側向補給量增加，主要補給源也發(fā)生了變化，原來作為礦區(qū)排泄通道的溪溝及河流，已成為礦區(qū)巖溶水的重要補給來源(圖1)。

圖1 馬坑礦區(qū)水文地質平面剖面圖Fig.1 Hydrogeology flat section in Makeng deposit1—天然及現狀巖溶水位；2—加福組第二段泥巖隔水層；3—文筆山組泥巖隔水層； 4—矽卡巖隔水層；5—輝綠巖隔水層；6—鐵礦體；7—花崗巖裂隙弱含水層；8—泉；9—水文鉆孔；10—天然及現狀巖溶水流線；11—奧陶至志留系砂巖裂隙弱含水層；12—第四系孔隙水弱含水層；13—船山組至棲霞組巖溶裂隙強含水層；14—加福組第一段粉砂巖裂隙弱含水層；15—加福組第三段粉砂巖裂隙弱含水層；16—石炭系林地組石英砂巖弱含水層；17—剖面線及編號；18—斷層及編號

根據馬坑鐵礦礦床特點、礦體貯存條件、礦石資源情況，進行馬坑鐵礦深部開采。目前開采范圍為71～85線標高+420～+300 m，礦山總采礦規(guī)模為150萬t/a。深部開采范圍為57～83線(中、西礦段)標高+300～-200 m的鐵礦體，深部開采使礦山新增500萬t/a采礦規(guī)模。

2 巖層含水性特征

礦區(qū)地層多屬含水性較弱或相對隔水巖層，船山組、棲霞組為可溶性的碳酸鹽巖沉積，厚度大、巖溶化強烈、含水量豐富，為礦區(qū)主要充水巖層。

(1)第四系孔隙水含水層。僅在溪馬河沿岸和1號溝谷有零星分布，多數呈連續(xù)性差、分布不均勻、厚度變化較大的砂土或砂礫石層透鏡體，由于分布零星、范圍較小，對礦區(qū)充水影響不大。

(2)碎屑巖類裂隙水含水層。主要包括含水性中等的加福組粉砂巖和富水性較弱的林地組石英砂巖，以風化裂隙水為主。其中加福組粉砂巖位于巖溶含水層上部，林地組石英砂巖位于巖溶含水層下部并與其直接接觸，與巖溶含水層存在一定的水力聯系。

(3)巖溶裂隙水含水層。船山組、棲霞組在礦區(qū)內均有分布，是區(qū)內磁鐵礦體直接頂板。其東、南、西向分別被天山凹斷層、F1斷層和溪馬河斷層斷失。由東南向西北呈單斜傾伏于加福組與文筆山組之下，林地組之上，構成礦區(qū)獨立的巖溶儲水構造單元。由于其厚度巨大(總厚度400 m以上)，巖溶化強烈，含水介質以溶洞裂隙為主，屬巖溶裂隙水，是礦區(qū)主要含水巖層和礦坑直接充水巖層。

(4)花崗巖類風化裂隙水含水層。燕山早期花崗巖廣泛分布于礦區(qū)東、南、西邊界外，風化作用較為強烈，呈砂土狀，最大風化深度約70 m。透水性較好，其富水性與巖溶水比較相差懸殊。因其所處位置較高，分布面積較大，風化帶孔隙裂隙水是地下水側向補給來源。但風化裂隙發(fā)育弱，未風化花崗巖為隔水層[1]。

(5)斷層、溶洞為礦區(qū)地下水運移儲存通道[2，3]。地下水主要儲存在斷層破碎帶中，井巷開拓過程揭露的砂巖、泥巖、石灰?guī)r、花崗巖區(qū)均有涌水情況，小型斷層破碎帶突(涌)水多，石灰?guī)r的巖溶水使礦區(qū)水文地質條件變得更復雜。

3 巖溶水系統(tǒng)特征

3.1 巖溶水系統(tǒng)的邊界

礦區(qū)巖溶含水系統(tǒng)是由溪馬河斷層、F1斷層、天山凹斷層、馬坑—觀音座蓮斷層北段、陳坑—新厝斷層及陳坑—崎瀨斷層等構成邊界，從而使得礦區(qū)內巖溶含水層成為一個基本獨立的巖溶含水系統(tǒng)，礦區(qū)巖溶含水系統(tǒng)的分布面積為8.9 km2。

3.2 巖溶水系統(tǒng)的內部結構

在礦區(qū)東、中礦段的巖溶隨走向北東的馬坑背斜軸的抬高而裸露在地表，出露標高+500 m以上。因此，在裸露區(qū)地表發(fā)育有溶蝕洼地、巖溶漏斗。西礦段則隨背斜軸的傾伏而成為隱伏巖溶，北部由于巖層傾向北西且斷層錯動而深埋，底板標高-200～-300 m。巖溶厚度變化較大，平均總厚度346 m，沿走向往57線以南厚度明顯變薄，沿傾向具有中心厚、兩邊薄的趨勢。各組段石灰?guī)r的厚度變化具一定的規(guī)律，59線以北F2斷層下盤常缺失棲霞組部分層位，船山組石灰?guī)r厚度增大，棲霞組和船山組巖性有明顯差異。棲霞組頂部為硅質巖、硅質灰?guī)r，上部以燧石灰?guī)r為主夾生物灰?guī)r、泥質灰?guī)r，底部以泥質灰?guī)r為主夾生物灰?guī)r、含燧石灰?guī)r，厚184.12 m。船山組以灰白色質純石灰?guī)r為主，局部夾泥質灰?guī)r和白云質灰?guī)r，平均厚度65.30 m。由于輝綠巖、矽卡巖、硅質帶等不可溶巖的侵入，加劇了巖溶發(fā)育和含水性的差異。如西礦段發(fā)育的起阻水作用的硅化帶，下部發(fā)育的火成巖將巖溶含水層隔成兩部分。

根據勘探揭露資料統(tǒng)計結果，馬坑礦區(qū)巖溶率達6.08%，礦區(qū)巖溶充填十分普遍，充填率為92%，淺部與斷層帶附近的溶洞充填率高，大型溶洞充填率一般也較高。礦區(qū)巖溶水系統(tǒng)巖溶發(fā)育明顯受制于埋藏條件和構造斷裂。一般具有由淺到深，發(fā)育由強變弱的規(guī)律，即淺部巖溶發(fā)育強，深部巖溶發(fā)育較弱。一般在標高+200 m以上的巖溶比較發(fā)育，在斷層帶附近，巖溶發(fā)育規(guī)模與發(fā)育的深度顯著增加[4，5]。

3.3 巖溶水系統(tǒng)的補、徑、排條件

受礦坑疏干降水等因素影響，礦區(qū)巖溶水補、徑、排條件發(fā)生較大變化。目前巖溶水主要通過井巷揭露的涌(突)水點排泄，天然條件下的巖溶泉除崎瀨泉外均已干涸；礦區(qū)巖溶水位大幅下降，已由標高+434～+564 m降至目前的+150～+350 m；受地表開采褐鐵礦、石灰石及采空區(qū)塌陷的影響，礦區(qū)大氣降水入滲補給量增大；隨著巖溶水位的下降，巖溶水與周邊砂巖裂隙水的水力梯度增大，周邊砂巖裂隙水滲流補給巖溶水，溪馬河及3號溝等水系原為礦區(qū)巖溶水排泄點，目前巖溶水位已降至地表水系之下，溪馬河等地表水通過斷層破碎帶滲漏補給巖溶水。

4 構造及水文地質

礦區(qū)主要斷裂構造有F1～F3、F10、F14、F20以及溪馬河斷層、天山凹斷層，其中F14斷層和溪馬河斷層為緩傾斷層，其余都是陡傾斷層，礦區(qū)主要斷裂特征(表1)。

表1 礦區(qū)主要斷層特征Table 1 Main fault features of the deposit

續(xù)表1

5 地下水疏干問題及解決方案

5.1 巖溶水系統(tǒng)補給量增大

隨著馬坑礦區(qū)開采規(guī)模與采掘深度的不斷加大，礦坑涌水量也不斷加大。2007年7月1日至10月25日，礦區(qū)各井巷涌水量(412平硐+水5孔抽水)一般在4 850 m3/d，雨季為9 200 m3/d左右；2008年10月，增加了西回風井、東回風井、專用進風井、副井2號、3號膠帶斜井、鉬礦主井、鉬礦風井等井巷系統(tǒng)后，礦坑總涌水量達到25 000 m3/d；2008年8月至2010年6月，礦坑巖溶水位下降迅速；2010年6月后，礦區(qū)巖溶水位下降緩慢，雨季水位甚至不降反升，礦區(qū)巖溶水補給量明顯增大。詳勘階段預測+300 m水平的礦坑總涌水量約11 301 m3/d，說明目前礦坑實際涌水量是詳勘階段預測涌水量的2倍多。

礦區(qū)內主要的地表水系溪馬河橫切礦區(qū)南部，經礦區(qū)西緣由南向北流過礦區(qū)，匯水面積約為80 km2。溪馬河在礦區(qū)內多與斷層相交，且溪馬河與斷層交會地段河床巖性較為破碎。天然條件下，溪馬河附近巖溶水均高于溪馬河水位，巖溶水通過溪馬河微弱排泄。在長期疏干降水的條件下，巖溶水將遠遠低于河水水位。據20世紀80年代詳勘資料，F1斷層溪馬河段滲漏推斷溪馬河與F1斷層交會處存在滲透補給地下水(表2)。

表2 F1斷層溪馬河段河水滲漏及地下水側向補給推測與分析Table 2 Analysis of river leakage andgroundwater lateral recharge in F1 fault Ximahe section

隨著開采深度增加及范圍的擴展，目前礦床開拓至0 m水平的礦坑總涌水量繼續(xù)增高到30 000～35 000 m3/d。表明礦區(qū)地下水補給來源十分充足，礦區(qū)地下水短期內難以疏干，否定了“礦區(qū)地下水貯存量豐富，而補給量相對不足的特點”的結論。

礦坑涌水量的增大使原設計排水系統(tǒng)排水能力不足，增加了礦區(qū)的排水成本，更重要的是使得巖溶水疏干難度增大，水位下降緩慢。大量采掘工程面臨涌突水的危險，影響礦區(qū)采掘進度。礦區(qū)地下水補給來源充足，地下水的防治除了進一步完善井巷系統(tǒng)排水能力建設，堅持超前探放水和疏干降壓等措施外，應進一步查明補給巖溶水系統(tǒng)的集中補給通道。根據充水水源途徑的特點，對直接與礦體接觸的巖溶充水巖層，可進行預先疏干，對非直接充水水源(溪馬河地表水)，可通過防滲或帷幕注漿等工程措施堵截充水水源，做到“疏、堵、截、排、防”相結合，盡可能減少進入礦坑的水量，加快巖溶水疏干進度，減輕疏干壓力，降低礦山開采成本。

5.2 巖溶水系統(tǒng)非均質性強烈

構造、巖溶、火成巖帶造成馬坑礦區(qū)巖溶水系統(tǒng)強烈的非均質性，是礦區(qū)巖溶水難以預測和防治的主要因素，也控制著巖溶水流動系統(tǒng)的演化。隨著礦區(qū)巖溶水位的下降，巖溶水系統(tǒng)非均質性表現的更加強烈，水動力場表現出一定的不統(tǒng)一性。具體表現為F10斷層東部巖溶水與西部巖溶水之間水力聯系較差。2008年至2012年6月，F10斷層東部出現多個出水點，如202穿脈與上盤運輸巷交會點(W200-17)，2009年2月29日，副井-40 m水平出水點(W-40-1)，2個出水點出水后，F10斷層西部巖溶水位無明顯變化；措施豎井附近沿F2斷層帶分布的巖溶水與周圍巖溶水水力聯系較差，措施豎井南巷突水后(W242-2)，僅附近ZK76水位大幅下降，其它水文孔水位變幅不明顯。隨著巖溶水位的下降，沿F2斷層分布的火成巖隔水帶的隔水作用逐漸明顯，隔水帶兩側巖溶水水位差逐漸增大，無法有效、全面進行礦區(qū)地下水疏干，加劇了地下水疏干的難度。

巖溶水子系統(tǒng)之間的相對獨立性使巖溶水疏干難度增大，但也給巖溶水分區(qū)防治帶來了契機，局部隔水帶可作為分期防治的依據[6]。作為頂板直接充水的大水礦區(qū)，在礦體開采前必須將巖溶水位降至開采水平之下，以保證礦體的安全開采。局部隔水帶的存在，使巖溶水系統(tǒng)不統(tǒng)一性增加，加大了全面疏干巖溶水的難度。但為礦區(qū)分期開采、分期防治提供了契機，既可減少礦區(qū)前期的資金投入，又可保證安全生產。我國著名的巖溶大水金屬礦山—凡口鉛鋅礦，正是利用礦區(qū)內部的隱伏隔水帶，優(yōu)先疏干金獅嶺含水盆地的巖溶水，開采下部礦體，保證了礦區(qū)的安全生產。

馬坑礦區(qū)的3個局部隔水帶中，中東部的火成巖隔水帶目前已不具備隔水效果，但F3斷層、西部火成巖隔水帶使礦區(qū)巖溶水形成3個水位臺階。隨著巖溶水位的下降，西部火成巖帶隔水作用將越來越明顯。馬坑礦區(qū)處于深部開采的基建投資階段，礦區(qū)穩(wěn)定涌水量達31 200 m3/d，直接對礦區(qū)展開全面疏干，或進行大規(guī)模堵水、截水工程投入資金巨大。且基建井巷大都分布在礦體的南端(F1斷層附近)，不具備利用井下放水孔對整個礦區(qū)巖溶水進行全面疏干的條件，利用礦區(qū)局部隔水帶進行分期疏干非常必要。

根據2個局部隔水帶及基建井巷分布特征，可首先疏干火成巖隔水帶南部，即火成巖隔水帶至F1斷層的巖溶水，開采該區(qū)的礦體。同時在該隱伏隔水帶北部施工少量的放水孔進行截水，防止北部巖溶水通過隱伏隔水層進入南部巖溶水子系統(tǒng)。在保證安全的條件下增加礦區(qū)產量，減小資金壓力后，再投入堵水、截水工程，減少礦區(qū)涌水量，疏干F3斷層至西部隔水帶間的巖溶水，開采西礦段的礦體。而F3斷層北部的巖溶水，則可考慮通過查明對F3斷層附近巖溶水集中徑流通道，然后再進行堵截，以減小礦區(qū)疏干排水對地質環(huán)境及地下水水資源的破壞范圍(圖2)。

圖2 +200 m水平隔水帶分布圖Fig.2 +200m horizontal vibration water distribution

5.3 巖溶管道含水系統(tǒng)之間水力聯系不密切

從礦區(qū)疏干降落漏斗及多次突水水動態(tài)資料可知，礦區(qū)巖溶水位雖有大幅降低，但降幅嚴重不均。2009年2月20日副井突水后，僅在礦區(qū)東部形成一小型降落漏斗，對西部水位影響不大；2009年10月18日措施豎井+242 m水平突水后也僅在突水點附近形成了一降落漏斗，距離突水點較遠的監(jiān)測孔水位并無明顯降低；西回風井持續(xù)一年多近200 m3/h的排水影響范圍大都僅限于63～65線的強徑流帶范圍內。說明礦區(qū)巖溶水并非是以“層”的形式儲存，而是相對集中在不同的巖溶水管道系統(tǒng)，系統(tǒng)之間彼此的水力聯系不密切，很難形成統(tǒng)一的水動力場，因而增加了礦區(qū)地下水疏干的難度。

礦區(qū)巖溶發(fā)育不均勻，巖溶水儲存分布在相對獨立的巖溶水系統(tǒng)之間缺乏緊密的水力聯系，單孔疏干效果不甚理想，往往僅形成局部的小型水位降落漏斗。巖溶水不能出現統(tǒng)一的下降態(tài)勢，需要增加疏干放水孔以達到降水目的[7，8]。因此，疏干工程應根據斷層構造和巖溶發(fā)育程度采用非均勻布置的方法，以揭露導水斷裂構造及富水巖溶發(fā)育帶為目的,盡可能加強放水孔的泄水能力。另外，疏干工程的布局受限于現有礦山基建巷道的分布地段，許多可能有效集中疏干的富水地段，因缺乏必要的巷道和排水系統(tǒng)布局，影響了有效疏干地下水，可能需要在部分地段設計增加專用疏干巷道，保證徹底降低巖溶水水位。

6 結論與建議

(1)針對礦區(qū)巖溶水系統(tǒng)補給量增大，疏干問題主要解決方案是對直接與礦體接觸的巖溶充水巖層進行預先疏干。對非直接充水水源，如溪馬河地表水，應進一步查明溪馬河滲漏的具體位置及側向補給通道，通過防滲或帷幕注漿等工程措施堵截充水水源。

(2)針對礦區(qū)巖溶水系統(tǒng)非均質性強烈疏干問題，主要解決方案是利用礦區(qū)局部隔水帶進行分期疏干。首先疏干火成巖隔水帶至F1斷層的巖溶水，同時在該隱伏隔水帶北部施工少量的放水孔進行截水，防止北部巖溶水通過隱伏隔水層進入南部巖溶水子系統(tǒng)。在保證安全的條件下，再投入堵水、截水工程，減少礦區(qū)涌水量，疏干F3斷層至西部隔水帶間的巖溶水；而F3斷層北部的巖溶水，則可考慮通過查明對F3斷層附近巖溶水集中徑流通道，然后再進行堵截，以減小礦區(qū)疏干排水對地質環(huán)境及地下水水資源的破壞范圍。

(3)針對礦區(qū)巖溶管道含水系統(tǒng)之間的水力聯系不密切，疏干問題的主要解決方案是采用非均勻布置的方法，以揭露導水斷裂構造及富水巖溶發(fā)育帶為目的，對部分受井巷布置限制無法有效疏干的區(qū)域，結合采掘實際需要，適當增加一定量的疏干孔或疏干巷道等專門疏干工程。

(4)重視礦區(qū)水文地質條件的持續(xù)研究，針對水文地質條件的變化，開展控制性疏干的前期研究工作，通過對水文地質條件的新認識，優(yōu)化礦區(qū)水文地質概念模型和數值模型，預測開采條件下的礦區(qū)涌水量，指導后期疏干工程的布置, 積極采取“探、防、堵、截、排”等綜合防治工程措施來減少地下水補給水量。

承蒙福建省地質工程勘察院賴樹欽教授級高級工程師審閱，并提出了寶貴的修改意見，特此致謝!

1 陳植華,王濤,陳彥美,等.福建馬坑鐵礦二期工程水文地質條件深入研究報告.武漢:中國地質大學(武漢)，2013.

2 王大純,張人權，史毅虹，等.水文地質學基礎.北京：地質出版社，1995.

3 國家地質總局水文地質工程地質局.巖溶類型礦床水文地質選輯.北京:地質出版社 , 1979.

4 中國礦業(yè)大學.礦井水災害防治(A類).北京：中國礦業(yè)大學出版社, 2002.

5 李金凱.礦井巖溶水防治.北京：煤炭工業(yè)出版社,1990.

6 徐京苑,周貴斌.贊比亞謙比西銅礦水文地質條件和疏干方案研究.工程地質學報, 2000, 8 (2).

7 國家地質總局水文地質工程地質局.巖溶類型礦床水文地質選輯.北京：地質出版社, 1979.

8 王儒軍,田文明,肖石,等.元寶山露天礦基巖含水層可疏性和疏干方法研究.露天采煤技術, 2002，(5).