廬江龍橋鐵礦礦床水文地質(zhì)條件及防治水方案研究

易偉功，楊海峰，蔡永生

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；2.安徽省廬江龍橋礦業(yè)有限公司，安徽 合肥 231500)

廬江龍橋鐵礦東部緊鄰馬鞭山大水礦山，再往東為黃屯硫鐵礦大水礦山[1]，隨著龍橋鐵礦井下往東部開采的延伸，尤其是在東部7 線以東的區(qū)域，巷道掘進(jìn)過程中單個(gè)鉆孔揭露的最大涌水量達(dá)400 m3/h，最大水壓達(dá)2.1 MPa，巷道繼續(xù)往東開拓存在突水的危險(xiǎn)，給礦山開拓與開采安全帶來威脅，本文主要運(yùn)用井下巷道實(shí)際調(diào)查、涌水點(diǎn)、涌水量、鉆孔注漿量、地下水水質(zhì)和水溫等資料，對龍橋鐵礦礦床水文地質(zhì)條件進(jìn)行了綜合研究分析，基本查明了地下水的充水水源、充水通道和充水強(qiáng)度等礦床水文地質(zhì)特征，在此基礎(chǔ)上，通過防治水方案比較，推薦采用井下近礦體帷幕注漿方案防治礦區(qū)地下水。

1 礦床水文地質(zhì)條件研究與分析

1.1 井下巷道水文地質(zhì)調(diào)查情況分析

通過井下實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，龍橋鐵礦井下?420 m水平以上7 線以西、?420 m 以下1 線以西巷道掘進(jìn)和礦體開采過程中基本未見大的涌水，而從3 線往東，尤其是7 線以東巷道揭露的涌水點(diǎn)較多，有些涌水點(diǎn)在完成探水注漿、巷道掘進(jìn)通過之后還有部分涌水。

1.2 涌水點(diǎn)分布及其水力聯(lián)系特征

（1） 涌水點(diǎn)的分布特征。綜合研究分析?370 m水平至?420 m 水平7 線以東區(qū)域的超前探水涌水點(diǎn)分布情況，可知涌水點(diǎn)可以大致分為構(gòu)造破碎帶涌水、礦巖接觸帶涌水、巖巖接觸帶和小構(gòu)造裂隙涌水，詳見圖1 和圖2。

圖1 ?395 m 水平鉆孔涌水量點(diǎn)分布

圖2 ?407.5 m 水平鉆孔涌水量點(diǎn)分布

（2）涌水點(diǎn)之間的水力聯(lián)系特征。通過兩次井下關(guān)放水試驗(yàn)并結(jié)合巷道實(shí)際揭露情況，綜合研究分析表明：首先，龍橋鐵礦東部7 線以東區(qū)域存在一組北西向和北東向的共軛導(dǎo)水構(gòu)造，北東向的導(dǎo)水構(gòu)造往南部延伸時(shí)構(gòu)造基本無涌水，往東北部延伸構(gòu)造涌水較大，而北西向?qū)畼?gòu)造可能是將東南方向地下水外圍水源導(dǎo)入礦體內(nèi)部的主要導(dǎo)水構(gòu)造（詳見圖3）；其次，井下關(guān)水試驗(yàn)時(shí)，除了?420 m 水平以下的鉆孔外，其余大部分涌水鉆孔的壓力均有不同程度的上升，表明東部井下?420 m 水平及以上水平的地下水之間水力聯(lián)系較為密切；最后，第1 次在?395 m 水平關(guān)水約10 h 后，?370 m 水平觀測點(diǎn)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，第2 次在?420 m 水平關(guān)水約6 h 后，?395 m 水平觀測點(diǎn)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，表明確實(shí)存在一組北西向的導(dǎo)水構(gòu)造裂隙，但其地下水補(bǔ)給來源有限或者還未揭露大的補(bǔ)給通道。

圖3 北西向和北東向共軛導(dǎo)水構(gòu)造分布

綜上所述，宏觀上龍橋鐵礦東部礦床安全開采有威脅的地下水大致可分為3 類：第1 類為北西向和北東向共軛型的大斷裂構(gòu)造地下水，其特征為徑流通道暢通，充水強(qiáng)度較大，但地下水補(bǔ)給量有限；第2 類為礦巖接觸帶地下水，其特征為徑流通道較暢通，涌水量較大；第3 類為巖巖接觸帶和圍巖內(nèi)小構(gòu)造裂隙地下水，其特征為導(dǎo)水裂隙較小，涌水量相對較小，巷道掘進(jìn)后仍有淋水。

1.3 日均排水量研究分析

統(tǒng)計(jì)分析了2017 年11 月至2020 年11 月的日平均排水量，日均最大排水量為6770 m3/d，基本可將水文地質(zhì)條件研究工作劃分為4 個(gè)階段：第1 階段為井下探水工作開始階段，該階段未出現(xiàn)大的涌水，其日平均排水量約為5000 m3/d；第1 階段為探水波動(dòng)階段，該階段包括?382.5 m 水平9 線穿脈超前探水鉆孔（單孔涌水量約200 m3/d，水壓約2.1 MPa，鉆孔采用閘閥關(guān)閉）在內(nèi)的探水鉆孔涌水增多，此時(shí)日均排水量有所增加，但增加的量不大，主要原因是關(guān)閉了鉆孔涌水；第3 階段為井下有序放水和井下大量注漿階段，該階段前期日均涌水量明顯上升，但在放水時(shí)間的延續(xù)和注漿堵水的雙重作用下，后期日均涌水量明顯下降；第4 階段為日均排水量基本穩(wěn)定階段，該階段日均排水量約為6000 m3/d，其日均排水量較第1 階段明顯增大了約1000 m3/d，該階段日均排水量是在沒有出現(xiàn)新大涌水點(diǎn)情況下的一個(gè)相對穩(wěn)定階段，后期隨著巷道繼續(xù)往東開拓，涌水點(diǎn)增多，其涌水量會相應(yīng)增加，詳見圖4。

圖4 龍橋鐵礦井下日均排水量

目前龍橋鐵礦礦床日均總排水量約為6000 m3/d，暫未達(dá)到大水礦山正常排水量10 000 m3/d 的標(biāo)準(zhǔn)[2]，但井下鉆孔揭露的瞬間涌水量最大達(dá)400 m3/h，表明井下巷道掘進(jìn)過程中仍然存在突水隱患，在巷道掘進(jìn)時(shí)應(yīng)繼續(xù)實(shí)施超前探水注漿方案。另外，鉆孔涌水量和水壓的變化情況表明，東部地下水之間的水力聯(lián)系比較密切，徑流通道比較暢通，充水強(qiáng)度較大，但補(bǔ)給量有限。

1.4 鉆孔注漿量研究分析

井下鉆孔總注漿量約為1082 t，其中在?395 m水平11 線單個(gè)掌子面注漿約700 t，其它鉆孔總注漿量約382 t。?395 m 水平11 線單個(gè)掌子面鉆孔最大涌水量約為170 m3/h，該處鉆孔涌水量較大，且在注漿時(shí)由于客觀原因并不是連續(xù)注漿，總注漿時(shí)間持續(xù)了近4 個(gè)月時(shí)間，但該處注漿量仍約占總注漿量的70%，表明在該礦巖接觸帶附近裂隙非常發(fā)育。

1.5 地下水水質(zhì)研究分析

通過對龍橋鐵礦東部井下涌水點(diǎn)的水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，基本可以?420 m 水平為界，?420 m 水平及其以上地下水水化學(xué)類型為Ca·Na-HCO3，?420 m 水平以下地下水水化學(xué)類型為 Ca·Na-HCO3·SO4，表明東部地下水至少存在兩種充水水源，分別為?420 m 水平及其以上地下水，及?420 m水平以下地下水，詳見表1。

表1 地下水水質(zhì)分析統(tǒng)計(jì)

1.6 地下水水溫研究分析析

通過對龍橋鐵礦東部井下涌水點(diǎn)的水樣進(jìn)行水溫測量，基本可以?420 m 水平為界，?420 m 水平及其以上地下水水溫約為24℃，?420 m 水平以下地下水水溫約為31℃，一般情況下地溫梯度為3℃/100 m，顯然龍橋鐵礦東部井下地下水水溫變化不符合正常的地溫梯度變化，表明東部地下水存在兩種充水水源，分別為?420 m 水平及其以上地下水，及?420 m 水平以下地下水。

2 防治水方案研究

根據(jù)龍橋鐵礦井下水文地質(zhì)條件實(shí)際情況，其東部受水患威脅的礦體開采整體上可以分為兩個(gè)階段分步實(shí)施：第1 個(gè)階段是針對?420 m 水平至?370 m 水平7 線以東礦體開采過程中的水患治理方案，第2 個(gè)階段是針對?420 m 水平至?490 m 水平礦體開采過程中的水患治理方案。由于?420 m 水平至?490 m 水平巷道開拓工程有限，目前暫時(shí)不具備開采條件，且水文地質(zhì)條件也有待進(jìn)一步查明，因此，本次僅針對?420 m 水平至?370 m 水平7 線以東礦體開采制定初步防治水方案。主要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和效果分析3 個(gè)方面進(jìn)行比較，推薦最優(yōu)的防治水方案。

2.1 技術(shù)比較

（1）疏干排水技術(shù)。首先，本礦區(qū)的東部為馬鞭山大水礦山，隨著本礦長期排水，地下水水力梯度極有可能變大，從而改變區(qū)域地下水徑流場的邊界條件，導(dǎo)通馬鞭山礦地下水；其次，疏干排水工程與含水層自身之間的水力聯(lián)系有密切關(guān)系，這就可能導(dǎo)致疏干鉆孔沒有水，或者涌水量較小，達(dá)不到降低地下水水位的效果；最后，長期疏干排水會改變礦區(qū)天然的水文地質(zhì)條件，破壞地下水資源，同時(shí)會引起地面沉降、開裂和塌陷等嚴(yán)重后果[3?4]。

（2）井下近礦體帷幕注漿技術(shù)。井下近礦體帷幕注漿堵水技術(shù)對區(qū)域和礦區(qū)水文地質(zhì)條件要求相對較低，其主要是對礦床水文地質(zhì)特征進(jìn)行研究，重點(diǎn)是對礦床充水水源、充水通道和充水強(qiáng)度方面的研究，通過前期對龍橋鐵礦礦床水文地質(zhì)條件的研究，認(rèn)為其基本已經(jīng)具備井下近礦體帷幕注漿工程在井下施工的條件。對井下安全生產(chǎn)影響少，幾乎可以與生產(chǎn)平行作業(yè)，鉆孔針對性強(qiáng)、堵水率高，實(shí)際堵水率基本達(dá)到90%左右，一方面整個(gè)工程費(fèi)用相對較少，同時(shí)可以大大減少礦山的排水費(fèi)用；另一方面該技術(shù)實(shí)施不會造成因疏干排水引起的地面沉降、開裂和塌陷，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。更重要的是該技術(shù)實(shí)施可以切斷與馬鞭山大水礦山的水力聯(lián)系，并且該技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)類似礦山得到成功應(yīng)用，并取得良好的效果[5?8]。

2.2 工程費(fèi)用比較

（1）疏干排水工程費(fèi)用概算。疏干排水技術(shù)方案中的工程費(fèi)用主要包含排水費(fèi)用和相關(guān)配套工程費(fèi)用。首先，靜儲量約13 000 000 m3，排水費(fèi)用按2 元/m3，其排水費(fèi)用約為2600 萬元，在考慮動(dòng)態(tài)補(bǔ)給的條件下，疏干漏斗的半徑也將擴(kuò)大，其需要疏干地下水動(dòng)、靜儲量要明顯增大，排水費(fèi)用遠(yuǎn)大于2600 萬元；其次，配套工程費(fèi)用約為740萬元。因此，采用疏干排水方案總工程費(fèi)用要大于3300 萬元。

（2）井下近礦體帷幕注漿工程費(fèi)用概算。龍橋鐵礦東部井下7 線以東?370 m 水平至?420 m 水平已經(jīng)開拓了大部分巷道，基本具備實(shí)施井下近礦體帷幕注漿堵水技術(shù)的條件，帷幕平均網(wǎng)度取10 m×10 m，帷幕厚度取30 m，鉆孔孔深按70 m 或90 m 計(jì)算，鉆孔個(gè)數(shù)約為518 個(gè)，鉆孔總工程量約為39 860 m，鉆孔按280 元/m 計(jì)算，鉆孔施工總費(fèi)用約為1100 萬元，注漿費(fèi)用和相關(guān)費(fèi)用與鉆孔費(fèi)用基本相同，則工程總費(fèi)用約為2200 萬元。

2.3 效果比較分析

（1）疏干排水技術(shù)效果分析。采用疏干排水技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于地下水降至礦體開采水平以下，其開采過程相對安全，開采效率較高；其缺點(diǎn)在于除了前期排水費(fèi)用和工程費(fèi)用較多以外，后期維護(hù)成本也較大，更重要是在長期排水的情況下，地表塌陷等地質(zhì)環(huán)境問題會越來越突出，另外可能會導(dǎo)通馬鞭山礦地下水，增加礦床開采的難度。

（2）井下近礦體帷幕注漿技術(shù)效果分析。采用井下近礦體帷幕注漿堵水技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于工程費(fèi)用相對較低，除了前期工程投入以外，后期基本沒有維護(hù)費(fèi)用，帷幕工程實(shí)施后可確保礦床的安全高效開采，更重要的是其可以阻隔馬鞭山礦地下水進(jìn)入礦床的可能，基本上可以達(dá)到一勞永逸的效果。其不足之處是技術(shù)要求高，需要專業(yè)的技術(shù)和施工隊(duì)伍，礦床開采過程中屬于帶壓開采，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，建議第1 階段對?420 m 水平以上7線以東的礦體采用以井下近礦體帷幕注漿為主，疏干排水為輔的防治水方案。

3 結(jié)論及建議

（1）龍橋鐵礦礦床水文地質(zhì)特征表現(xiàn)為整體相對簡單，從3 線往東局部偏復(fù)雜，尤其是東部?370 m 水平以下7 線以東區(qū)域更復(fù)雜。

（2）宏觀上龍橋鐵礦地下水充水通道可以大致分為3 類：第1 類為北西向和北東向共軛型的大斷裂構(gòu)造地下水徑流通道，其特征為徑流通道暢通，充水強(qiáng)度較大，但地下水補(bǔ)給量有限；第2 類為礦巖接觸帶地下水徑流通道，其特征為徑流通道較暢通，涌水量較大；第3 類為巖巖接觸帶和圍巖內(nèi)小構(gòu)造裂隙地下水徑流通道，其特征為導(dǎo)水裂隙較小，涌水量相對較小。

（3）空間上龍橋鐵礦井下存在兩種不同充水水源，一種為?420 m 水平以上?370 m 水平以下的地下水，該地下水具有涌水量大、水壓較大、水溫較低和充水強(qiáng)度大等特征，其水化學(xué)類型以Ca·Na-HCO3為主，另一種為?420 m 水平以下的地下水，該地下水具有涌水量較小、水壓較小、水溫較高和充水強(qiáng)度較小等特征，其水化學(xué)類型以Ca·Na-HCO3·SO4為主。

（4）根據(jù)龍橋鐵礦選礦對高品位礦量迫切需求的現(xiàn)實(shí)情況，經(jīng)防治水初步方案的綜合比較，建議東部地下水水患治理以?420 m 水平為界，分兩步實(shí)施，首先對第1 階段?420 m 水平以上礦床水患進(jìn)行治理，采用井下近礦體帷幕注漿堵水為主，排水為輔的防治水方案。

（5）建議加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測與信息化建設(shè)。