龍?zhí)裂罔F礦水文地質(zhì)研究及防治水措施①

南晉武

（五礦礦業(yè)控股有限公司，安徽 合肥230000）

龍?zhí)裂罔F礦位于安徽和縣十四聯(lián)圩，聯(lián)圩東、西、南三面分別是長江、裕溪河、牛屯河，東側(cè)與蕪湖市隔江相距約10 km。礦床賦存于鈉長石英閃長巖與三疊系中統(tǒng)徐家山組灰?guī)r接觸帶上，為接觸交代-熱液鐵礦床，地質(zhì)儲量共3 355.84 萬噸，平均品位37%左右。主體部位賦存標(biāo)高－228 ～－338 m，處在地下水位以下，礦床頂板及圍巖為徐家山組灰?guī)r，厚度較大，溶孔、溶蝕裂隙較發(fā)育，富水性強，水頭壓力較高，頂?shù)装逯苯舆M(jìn)水，為水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶裂隙直接充水礦床（圖1）。該礦于1988 年開始進(jìn)行地質(zhì)勘探，2008 年開工建設(shè)，2018 年正式投產(chǎn)，采礦方法為充填法。最近十多年來，礦山進(jìn)行了多次水文地質(zhì)研究，并采取了近礦體帷幕注漿堵水技術(shù)，基本實現(xiàn)了首采段的安全開采［1］。隨著礦山逐步向深部開采，防治水難度逐漸加大，井下突水仍然是困擾該礦山安全生產(chǎn)的一大難題，礦山水文地質(zhì)情況亟待進(jìn)一步研究。本文以龍?zhí)裂罔F礦的防治水實踐為例，探討礦山水文地質(zhì)特征分析方法及防治水對策，為工程實踐提供參考。

1 礦床水文地質(zhì)條件研究

1.1 礦床水文地質(zhì)揭露工作

龍?zhí)裂罔F礦目前已建成投產(chǎn)，施工了5 條井筒（主井、副井、措施井、南風(fēng)井、北風(fēng)井）、5 條巷道（－220 m、－240 m、－260 m、－280 m、－320 m）、150 多個近礦體帷幕注漿孔及數(shù)百個超前探水、探礦孔。施工過程中揭露了以下水文地質(zhì)情況：

1）井筒掘進(jìn)：－80～－230 m 處，閃長巖裂隙發(fā)育，晶洞、晶孔特別發(fā)育，涌水量較大；在－280 ～－335 m，巖石較破碎，裂隙較發(fā)育，裂隙導(dǎo)水性相對上部有明顯減弱。

圖1 礦區(qū)地層與礦體分布深度示意

2）巷道施工：徐家山組裂隙巖溶含水地層含有大量溶洞，富水性強，在－120 m 南巷發(fā)生較大突水，掌子面瞬間涌水量高達(dá)1 200 m3／h，并造成淹井事故。

3）探水孔施工：在－120 m 平巷揭露到溶洞或晶洞，單孔涌水量超過100 m3／h，涌水中含有有毒易燃?xì)怏w，說明與地表池塘水體水力聯(lián)系密切；在－240 m、－320 m 分別揭露一條較寬的蝕變破碎帶，單孔瞬間最大涌水量達(dá)到260 m3／h，靜水壓達(dá)3 MPa 以上，6 個鉆孔總涌水量超過400 m3／h。

4）探礦孔施工：J9 線～J13 線在－215 ～－300 m 標(biāo)高礦體接觸帶附近，單孔最大涌水量50～65 m3／h。

1.2 礦床充水因素

通過深入分析探水孔、探礦工施工等揭露的水文地質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)龍?zhí)裂罔F礦礦床的主要充水水源是地表池塘水、第四系孔隙水和三迭系中統(tǒng)徐家山組灰?guī)r含水。對以上3 個充水因素詳細(xì)說明如下：

1）地表池塘水?，F(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)坑下多處涌水中含有有毒易燃?xì)怏w，工作面有毒易燃?xì)怏w超標(biāo)，這在沒有煤系地層的金屬礦山是很少見的。研究認(rèn)為，地表池塘產(chǎn)生的有毒易燃?xì)怏w，隨水流沿孔隙、裂隙、溶洞等導(dǎo)水通道帶入坑下，證明地表池塘水可加大礦坑涌水量，并有可能引起突水危害。

2）第四系孔隙水。工程揭露發(fā)現(xiàn)井下各中段大多數(shù)涌水點含泥沙并呈黃褐色，裂隙、溶洞中也有不同程度的泥沙充填。徐家山組灰?guī)r含水層是礦體的直接頂?shù)装?，?gòu)成了開采巷道的大部分圍巖。研究認(rèn)為第四系孔隙水主要通過長期淋濾形成通道與灰?guī)r破碎帶、裂隙帶溝通對灰?guī)r地下水進(jìn)行補給。

3）三迭系中統(tǒng)徐家山組灰?guī)r含水層以裂隙或溶蝕裂隙為主，對礦坑直接充水。近礦體帷幕注漿設(shè)計的注漿量為0.8 t／m，施工中實際注漿量最高0.7 t／m，大部分0.21～0.67 t／m，平均0.22 t／m。研究認(rèn)為，該含水層巖溶裂隙發(fā)育和充填程度不均，不同地段礦坑充水程度也有較大差別。

2 龍?zhí)裂罔F礦防治水實踐

2.1 防治水方法選擇

大水礦山的防治水方法主要有疏干排水和帷幕注漿［2］。①若采取疏干排水為主的防治水方式，需大量排水形成疏干降落漏斗，地下水位下降到安全水頭以下。結(jié)果必將破壞當(dāng)?shù)靥烊凰Y源平衡，引起地面沉降或塌陷，減少供水量和惡化環(huán)境。②若采取地面帷幕注漿防治水方式，由于含水層分布在礦體四周及頂?shù)装?，礦床進(jìn)水通道多而寬闊，勢必需要采用全封閉帷幕形式，堵水效果難以保證。③若采取近礦體帷幕注漿防治水方式，充填法采礦具備礦體頂板及圍巖不被破壞的先決條件，有相似礦山防治水成功的案例，又能最大限度地保護(hù)天然水資源平衡，可有效減少防治水工程和排水費用?；谝陨戏治?，龍?zhí)裂罔F礦最終選用了近礦體帷幕注漿防治水方式。

2.2 龍?zhí)裂罔F礦近礦體帷幕注漿工程實踐

龍?zhí)裂罔F礦從2017 年4 月開始實施井下近礦體帷幕注漿工程，施工選用普通硅酸鹽42.5 號水泥，單液水泥漿濃度按水灰比2 ∶1、1.5 ∶1、1 ∶1和0.8 ∶1等4 個級別配比，漿液消耗量按0.6 ～1.0 t／m 控制，漿液有效擴(kuò)散半徑按10 m 考慮，注漿終壓根據(jù)實際情況控制在10～12.5 MPa。在終值壓力下，注漿段吸漿量小于20～35 L／min，持續(xù)30 min 后結(jié)束注漿。如涌水量小于0.02 m3／h，則認(rèn)為合格，否則進(jìn)行直接堵漏注漿，直至達(dá)到要求。至2018 年10 月，J9 ～J13 線范圍內(nèi)井下近礦體帷幕注漿主體工程基本完成，已達(dá)到注漿效果，部分礦房已進(jìn)入試生產(chǎn)階段。

2.2.1 穿脈探水注漿

穿脈探水注漿的主要作用是查清礦床頂板圍巖水文地質(zhì)、工程地質(zhì)特征，減少礦井的涌水量，保證礦山生產(chǎn)安全正常進(jìn)行，同時為井下近礦體帷幕注漿加密工程打下堅實的基礎(chǔ)。工程實施時，部分地段水文地質(zhì)條件及礦體邊界較預(yù)期發(fā)生變化，有些鉆孔施工與礦山生產(chǎn)出現(xiàn)沖突，所以及時對部分鉆孔的開孔位置、方位、傾斜角度及孔深等相關(guān)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。在－240 m、－260 m、－280 m 水平施工穿脈探水注漿孔61 個，總進(jìn)尺2 796 m，單孔揭露最大涌水量140 m3／h，最大水壓2.4 MPa。單孔最大單位注入量3 t／m，部分0.26～0.7 t／m，大部分鉆孔注漿量均低于0.1 t／m，平均注入量0.31 t／m，注漿量877 t。實踐結(jié)果表明，礦體圍巖裂隙不發(fā)育，連通性差，漿液擴(kuò)散半徑小，可注入性差。

2.2.2 頂板帷幕注漿

在礦房頂板圍巖布置15 m×15 m 網(wǎng)度的注漿孔，通過注漿形成有效厚度不低于30 m 的近礦體注漿蓋層帷幕，實現(xiàn)了礦體的安全開采。在礦體頂部－220 m、－240 m 水平施工帷幕頂板注漿孔41 個，總進(jìn)尺2 345 m，單孔揭露最大涌水量72 m3／h，最大水壓2.4 MPa。單孔最大單位注入量0.32 t／m，大部分鉆孔注漿量在0.12 t／m 左右，部分低于0.05 t／m，平均注入量0.11 t／m，注漿量260 t。通過對實踐結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為前期穿脈探水注漿已對部分圍巖裂隙進(jìn)行了有效封堵，頂板圍巖可注入性進(jìn)一步降低。

2.2.3 加密注漿及檢查孔注漿

根據(jù)帷幕注漿前期工程及巷道掘進(jìn)揭露情況，分析認(rèn)為：4-11 采場頂板圍巖及其附近礦巖接觸破碎帶、4-1 溜井附近頂板圍巖等存在注漿薄弱區(qū)；J9 ～J11線間礦體頂板附近存在探水盲區(qū)（圖2）。為此，進(jìn)行了針對性加密鉆孔注漿，以便最終形成沒有薄弱地帶的注漿帷幕。在－220 m、－240 m、－280 m 水平施工加密注漿鉆孔54 個，累計孔深2 765 m，平均注入量0.059 t／m，注漿量163 t。檢查孔10 個，累計孔深503 m，平均注入量0.037 t／m，注漿量18.5 t。施工中發(fā)現(xiàn)：大部分鉆孔為干孔或涌水量很?。ㄐ∮? m3／h），少部分鉆孔出現(xiàn)較大涌水，主要集中在4-11 采場附近礦巖接觸帶及4-1 溜井附近圍巖裂隙以及3-2 采場附近圍巖裂隙，各處單孔最大涌水量分別為70、50 和12 m3／h，水壓均小于1.5 MPa。部分鉆孔揭露巖溶裂隙見到水泥結(jié)石。實踐結(jié)果表明，前期探水注漿和頂板帷幕注漿，對礦床充水的主要通道基本封堵充填，加密注漿孔揭露了注漿薄弱區(qū)的含水裂隙和注漿盲區(qū)，通過加密封堵，對近礦體帷幕起到補充、完善和檢查的作用。

圖2 坑下－260 m 水平采場布置示意

2.2.4 防治水效果

井下近礦體帷幕注漿的最終目的是在礦體周圍形成一定厚度的注漿防水蓋層［3］。通過上述工程的實施，達(dá)到了防治水的效果，現(xiàn)將龍?zhí)裂罔F礦防治水效果說明如下：①從開始的穿脈孔到最后的加密檢查孔，鉆孔涌水量、單位注漿量呈現(xiàn)明顯的由大到小的遞減趨勢，礦床充水通道得到有效封堵。②前期鉆孔涌水水壓在2 ～2.4 MPa 之間，水頭標(biāo)高接近地表，加密鉆孔涌水水壓最大為1.5 MPa，大部分小于1 MPa。研究認(rèn)為，近礦體帷幕基本形成，出現(xiàn)帷幕內(nèi)靜水壓與帷幕外天然靜水壓差。③鉆孔單位平均注漿量0.22 t／m，遠(yuǎn)小于設(shè)計值0.8 t／m。實際揭露發(fā)現(xiàn)，礦巖接觸、構(gòu)造斷裂破碎帶范圍單位注漿量0.7 t／m，其他的遠(yuǎn)小于設(shè)計值。分析后可知，圍巖裂隙開度小、連通性差且不均一、漿液擴(kuò)散半徑小，是鉆孔單位平均注漿量遠(yuǎn)低于設(shè)計值的主要原因。④開采的3-4、3-12 及4-11 等采場，除4-11 采場靠近4＃穿脈礦巖接觸帶附近頂板有少量淋水外，其余基本沒有滲、淋水現(xiàn)象，頂板穩(wěn)固性較好，表明近礦體注漿帷幕起到了一定效果。

3 礦井突水防治補充措施

3.1 堵、排水方式相結(jié)合

龍?zhí)裂罔F礦礦床圍巖裂隙開度小，連通性差且不均一，漿液擴(kuò)散半徑小，單位注漿量少，直接影響到近礦體帷幕的有效厚度、強度及堵水效果。部分鉆孔揭露接觸帶、斷裂帶、溶洞等巖溶構(gòu)造時涌水量大（140 m3／h），水壓高（2.4 MPa），有的直接與地表池塘水溝通（涌水含有毒易燃?xì)怏w），坑下的突水風(fēng)險較高。研究認(rèn)為，采用堵、排水相結(jié)合的方式，在嚴(yán)控注漿堵水質(zhì)量，提高堵水效果的同時，必須加大坑下設(shè)防排水能力，及時排出突發(fā)性、不確定性因素造成的突水，提高安全生產(chǎn)系數(shù)。目前已經(jīng)完成了J9 ～J13 線范圍內(nèi)的帷幕注漿工程，實現(xiàn)了－260 m 水平3-4、3-12 及4-11等采場的安全采礦。

3.2 加固采空場頂板帷幕，及時接頂充填

龍?zhí)裂罔F礦礦房頂板一般為灰?guī)r、礦體夾層及礦巖接觸帶，工程地質(zhì)條件較差，往往是近礦體帷幕的薄弱地帶。采礦過程的爆破擾動和采空后圍巖應(yīng)力的失衡，可能會引起帷幕的沉降變形或裂隙，誘導(dǎo)帷幕透水，設(shè)計采用了不小于6 m 的長錨索支護(hù)加固采空場頂板帷幕。在灰?guī)r、閃長巖和礦體相接的三角地帶，出現(xiàn)了巖石破碎、頂板冒落，故設(shè)計留置永久礦柱。為避免沉降裂隙誘導(dǎo)突水、減少應(yīng)力沉降，施工時嚴(yán)格控制爆破空間和空場暴露時間，對空場及時充填，并進(jìn)行注漿接頂。

3.3 超前探水，“逢掘必探、探注結(jié)合”

近礦體帷幕相對于地表帷幕、疏干放水等防治水方式，其最大的局限性是后防水，有效帷幕的形成受井巷工程完成限制和礦巖界線準(zhǔn)確度影響較大［4］。龍?zhí)裂罔F礦某些井巷施工滯后，部分地段礦巖界線發(fā)生較大變化，致使相當(dāng)部分注漿孔被動調(diào)整，影響到帷幕質(zhì)量和堵水效果。加之礦體圍巖裂隙開度小，連通性弱且不均一，漿液擴(kuò)散半徑和注漿量遠(yuǎn)小于設(shè)計值，造成部分注漿堵水薄弱地帶。所以超前探水、“逢掘必探、探注結(jié)合”是近礦體帷幕防治水方式的有力補充措施。施工時結(jié)合不同地段圍巖性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)整超前探水孔的布置，長探與短探、探水與注漿相結(jié)合，超前發(fā)現(xiàn)，及時封堵。

3.4 建立完善地下水觀測系統(tǒng)

礦區(qū)地下水的動態(tài)觀測，在礦山防治水中極為重要。龍?zhí)裂罔F礦地表觀測孔已經(jīng)破壞，坑下水文觀測站不完善，使得很難掌握地下水動態(tài)特征。所以有必要建立完善地下水觀測系統(tǒng)，對地下水位、坑內(nèi)水壓及礦井涌水量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，掌握地下水位動態(tài)變化、涌水量變化規(guī)律，為防治水方案的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

1）龍?zhí)裂罔F礦礦床的主要充水水源是地表池塘水、第四系孔隙水和三迭系中統(tǒng)徐家山組灰?guī)r水，構(gòu)造裂隙、礦巖接觸帶是礦床的主要充水通道。

2）實踐結(jié)果表明，龍?zhí)裂罔F礦采用近礦體帷幕防治水的方式達(dá)到了防治水注漿效果，部分礦房已進(jìn)入試生產(chǎn)階段，說明該方法適合本礦山實際，可供其他類似礦山工程借鑒。

3）井下近礦體帷幕形成受井巷工程完成限制和礦巖界線準(zhǔn)確度、圍巖裂隙連通度影響較大，存在部分堵水薄弱地帶。研究認(rèn)為，堵排水相結(jié)合、加固采空場頂板帷幕并及時接頂充填、超前探水、“逢掘必探、探注結(jié)合”、建立觀測系統(tǒng)是近礦體帷幕防治水方式的有力補充措施。