安慶銅礦東馬鞍山礦體整體防治水工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

朱興明，戈革，羅姜，葉強(qiáng)，魏晨曦，韓天恩

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)銅冠礦山建設(shè)股份有限公司，安徽 銅陵市 244001；2.銅陵有色金屬集團(tuán)股份公司安慶銅礦，安徽 懷寧市 246131；3.銅陵有色金屬集團(tuán)礦產(chǎn)資源中心，安徽 銅陵市 244001)

安慶銅礦為一水文地質(zhì)條件復(fù)雜的大型巖溶金屬礦山。礦山在基建和開采期間，坑內(nèi)開拓工程在揭露灰?guī)r時(shí)均有大量涌水出現(xiàn)，造成地面塌陷、地表水倒灌等諸多地質(zhì)和環(huán)境問題[1]。礦區(qū)先后開展多次礦床水文地質(zhì)和防治水綜合治理研究[2-5]，并取得了較好的成效。經(jīng)過20多年的開采活動(dòng)，主礦體1#礦體及次礦體2#礦體消耗殆盡。為實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)接替，力求礦山穩(wěn)產(chǎn)，設(shè)立東馬鞍山新開拓區(qū)域。為確保東馬鞍山礦體安全、經(jīng)濟(jì)、高效回采，須對(duì)地下水進(jìn)行有效預(yù)防治理，最大程度地削弱地下水對(duì)礦體開采的影響。

1 東馬鞍山礦區(qū)地質(zhì)條件

1.1 礦體地質(zhì)特征

東馬鞍山礦體為新開拓區(qū)域，位于安慶銅礦以東，東馬鞍山北部一帶。礦體受三疊系下中統(tǒng)南陵湖組，月山組大理巖與閃長(zhǎng)巖之間形成的矽卡巖接觸帶控制，沿東馬鞍山倒轉(zhuǎn)背斜的倒轉(zhuǎn)翼（即北翼和北西翼），呈陡傾斜產(chǎn)出，為一隱伏的接觸交代矽卡巖型銅鐵礦床[6]。礦體形態(tài)復(fù)雜，嚴(yán)格受接觸帶控制，總體上西高東低，呈階梯狀側(cè)伏，主要由E1、E2礦體組成，賦存標(biāo)高-275～-969 m，如圖1所示。礦體設(shè)計(jì)開采范圍為-580 m以下8線以東至40線，最低開采水平為-900 m。

圖1 東馬鞍山礦體形態(tài)變化

1.2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

東馬鞍山礦區(qū)地下水分布規(guī)律與巖溶裂隙發(fā)育程度息息相關(guān)，整體上具有自西向東，由弱漸強(qiáng)的趨勢(shì)。根據(jù)礦區(qū)各水平中段探水鉆孔揭露情況，按礦體頂板含水層涌水量大小可劃分為3個(gè)區(qū)。

（1）強(qiáng)富水區(qū)（鉆孔單點(diǎn)涌水量大于 100 m3/h）：位于28線以東，出水點(diǎn)數(shù)占總揭露涌水點(diǎn)的83%，涌水量占累計(jì)涌水量的96%，單孔最大涌水量達(dá)到330 m3/h。特別是-700 m中段28線至32線，地面鉆孔見溶隙率達(dá)到100%，坑下探礦孔均有不同程度涌水揭露，且多集中于礦體頂板大理巖中，對(duì)礦體開采構(gòu)成較大威脅。

（2）次富水區(qū)（鉆孔單點(diǎn)涌水量 20～100 m3/h）：主要集中在20～28線之間，各鉆孔揭露涌水分布不均，礦體頂板局部單點(diǎn)涌水量達(dá)到75 m3/h，其余均小于30 m3/h。對(duì)礦體開采具有一定威脅。

（3） 弱富水區(qū)（鉆孔單點(diǎn)涌水量小于20 m3/h）：位于東馬鞍山礦體8～20線之間的礦體頂板，鉆孔見溶隙率一般小于50%，僅有局部地段裂隙發(fā)育、巖芯破碎，且含水弱。

東馬鞍山礦區(qū)-800 m以上具有自西向東、由淺到深水量遞增的特點(diǎn)。據(jù)鉆孔揭露巖溶裂隙及涌水情況來看，-400 m、-580～-700 m溶隙相對(duì)較發(fā)育，其中-400 m正好處于東西向倒轉(zhuǎn)背斜北翼（下盤）轉(zhuǎn)折部位的張裂帶內(nèi)，-580～-700 m位于倒轉(zhuǎn)背斜的近核部軸面處。-580 m、-700 m中段20線以東鉆孔揭露涌水點(diǎn)居多且涌水量大，特別是-680～-760 m中段28線～32線鉆孔揭露涌水量均大于30 m3/h，對(duì)后期礦床開采影響較大。

1.3 礦區(qū)充水通道及因素

從礦區(qū)長(zhǎng)期觀測(cè)資料分析來看，礦坑?xùn)|南部存在明顯的進(jìn)水通道，淺部開采主要受南面來水影響，充水通道主要為饋入型通道（寬大裂隙或巖溶導(dǎo)水為主）。東馬鞍山礦床開采時(shí)，進(jìn)水方向由南面轉(zhuǎn)為東南面，充水通道主要為構(gòu)造裂隙。

東馬鞍山礦體頂板大部分為南陵湖組大理巖，其次為月山組大理巖，深部巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，開采時(shí)礦體頂板巨厚層大理巖富水層及圍巖裂隙水為礦坑主要充水因素。另一方面，在礦床開采過程中，井下長(zhǎng)期的疏干排水導(dǎo)致礦區(qū)水文地質(zhì)條件發(fā)生了一定的改變，通過構(gòu)造裂隙帶導(dǎo)通與地表水體的水力聯(lián)系，存在對(duì)礦床充水的可能。

1.4 礦坑涌水量分析

東馬鞍山礦床探礦和基建開拓期間，積累了大量的水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料，也進(jìn)行了相應(yīng)的注漿堵水工程施工，礦坑總排水量基本保持在6000～14 000 m3/d[6-7]。由于該區(qū)裂隙巖溶地下水在垂向和水平方向上有較好的徑流通道，注漿堵水一定程度上改變了施工區(qū)域的微觀水文地質(zhì)條件，涌水點(diǎn)向深部和東部轉(zhuǎn)移。

綜合安慶銅礦水文地質(zhì)條件及水文觀測(cè)歷史資料分析，運(yùn)用比擬法和大井法預(yù)測(cè)礦坑涌水量。結(jié)果顯示，在疏干情況下，地下水位降至東馬鞍山礦體底板-900 m以下時(shí)，最大涌水量為 47 305 m3/d。礦區(qū)一直采用以注漿堵水為主的防治水措施，地下水漏斗范圍并未大幅擴(kuò)大，地下水位也較為穩(wěn)定，坑內(nèi)涌水量也將在10 000～14 000 m3/d范圍內(nèi)波動(dòng)，或小幅度增加。

2 防治水總體方案設(shè)計(jì)

綜合考慮礦床水文地質(zhì)條件、費(fèi)用成本、安全風(fēng)險(xiǎn)等因素，根據(jù)東馬鞍山礦體含水介質(zhì)不均一性特點(diǎn)，確定整體防治水方案為：對(duì)含水性弱區(qū)段的礦體，采用疏干或布置少量鉆孔探水注漿；對(duì)富水性強(qiáng)、影響采礦安全區(qū)段的礦體，采用局部礦體旁側(cè)帷幕注漿堵水。

根據(jù)安慶銅礦生產(chǎn)現(xiàn)狀，充分考慮工程投資、礦山采掘計(jì)劃，對(duì)防治水工程按照先易后難分三期實(shí)施。一期實(shí)施8～28線弱富水區(qū)探水及加密注漿工程；二期實(shí)施 28～32線強(qiáng)富水區(qū)深部探水及局部礦體旁側(cè)帷幕注漿工程；三期實(shí)施 32線以東探礦探水工程后確定后續(xù)注漿工程。本工程自上而下分別涉及-580 m、-640 m、-700 m、-760 m和-820 m 5個(gè)中段，各中段具體施工按照“自西向東，局部微調(diào)，先勘探線，后加密線”的原則，沿著設(shè)計(jì)布置鉆孔的勘探線逐線施工，每條勘探線及加密線上的鉆孔施工按照設(shè)計(jì)分序進(jìn)行施工。本工程設(shè)計(jì)工程量見表1。

表1 設(shè)計(jì)工程量

3 施工工藝設(shè)計(jì)及要求

本工程主要是通過鉆機(jī)成孔后采用高壓注漿的方式，利用注漿材料充填固結(jié)，阻斷基巖裂隙和巖溶通道，形成有效的隔水帷幕。從而減少東馬鞍山礦坑排水費(fèi)用，滿足后期采礦施工要求，提高采礦效益，保護(hù)地下水資源及礦山地質(zhì)環(huán)境。施工主要包括鉆孔和注漿兩方面。

3.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)及要求

設(shè)計(jì)鉆孔采用 2～3級(jí)變徑，具體根據(jù)設(shè)計(jì)孔深、揭露涌水量情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。開孔口徑為110 mm，預(yù)埋108 mm孔口管，孔口管長(zhǎng)度根據(jù)各中段靜水壓力確定為4～5 m。采用水泥水玻璃雙液注漿進(jìn)行固管養(yǎng)護(hù)后，掃孔進(jìn)行耐壓抗?jié)B試驗(yàn)，檢查孔口周邊無漏水，證明孔口管埋設(shè)成功?？卓诙税惭b高壓防噴裝置，在閥腔內(nèi)進(jìn)行正常鉆進(jìn)，終孔孔徑不得大于75 mm。鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)以清水為主，對(duì)于沖洗液漏失嚴(yán)重的鉆孔，采用稀泥漿進(jìn)行護(hù)壁處理后鉆進(jìn)。如鉆進(jìn)過程中遇到突水或卡鉆則停鉆注漿，采用孔口封閉純壓注漿法封孔，起到封堵涌水裂隙、加固破碎帶的作用，隨后掃孔繼續(xù)鉆進(jìn)注漿至設(shè)計(jì)終孔 位置。

3.2 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)及要求

3.2.1 注漿材料及配比

注漿材料：普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）、水玻璃（模數(shù)2.8～3.4，濃度為35～45波美度）、工業(yè)用水。

單液水泥漿水灰比為2:1，1.5:1，1:1，0.8:1四種，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔涌水量及壓水試驗(yàn)吸水量確定漿液的類型和起始濃度，注漿過程中采用先稀后濃逐級(jí)調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行。對(duì)于深部礦床局部細(xì)小裂隙，使用超細(xì)水泥；當(dāng)存在較大涌水通道吸漿量過大時(shí)，采用水泥-水玻璃漿液控制漿液擴(kuò)散。

3.2.2 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）注漿分段長(zhǎng)度：一般情況注漿分段長(zhǎng)度為 5～10 m；當(dāng)鉆孔揭露單點(diǎn)涌水量達(dá)到 10 m3/h時(shí)，停鉆注漿，不受注漿長(zhǎng)度的限制。

（2）注漿壓力：注漿壓力取2～3倍的靜水壓力。礦體頂板30 m以內(nèi)含水層為重點(diǎn)注漿段，應(yīng)適當(dāng)提高注漿壓力，具體要求見表2。

表2 不同注漿段設(shè)計(jì)注漿終壓

3.2.3 注漿養(yǎng)護(hù)時(shí)間與掃孔

一個(gè)注漿段注漿結(jié)束后，需復(fù)注或繼續(xù)鉆進(jìn)。為確保掃孔過程中鉆孔不發(fā)生明顯偏斜、降低掃孔難度，漿液養(yǎng)護(hù)時(shí)間不宜過長(zhǎng)，同時(shí)為了確保漿液固結(jié)效果，養(yǎng)護(hù)時(shí)間亦不可太短。為達(dá)到注漿堵水的目的，當(dāng)采用高壓（孔口表壓≥8 MPa）單液水泥漿灌注時(shí)，注漿結(jié)束4～8 h后開始掃孔；當(dāng)采用低壓（孔口表壓＜8 MPa）單液水泥漿灌注時(shí)，注漿結(jié)束后8 h開始掃孔；當(dāng)采用水泥-水玻璃漿液注漿時(shí)，注漿結(jié)束后1～2 h開始掃孔。

3.2.4 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿過程符合設(shè)計(jì)要求且達(dá)到以下條件可以終止注漿：當(dāng)注漿壓力均勻持續(xù)上升達(dá)到設(shè)計(jì)終壓；單液注漿量小于20 L/min、雙液小于60 L/min，且注漿終壓穩(wěn)定15～30 min。

4 注漿施工情況

鉆孔涌水情況、注漿量及吸漿率情況見表3和圖2。從表3可以看出，東馬鞍山礦體主要富水部位為-580 m和-700 m中段，其他段為弱富水區(qū)，富水強(qiáng)度排序依次為-700 m、-580 m、-760 m、-640 m和-820 m中段。且多為向上角度鉆孔揭露涌水，向下角度鉆孔多表現(xiàn)為漏水，特別是-760 m中段和-820 m中段鉆孔揭露涌水量不大，但-760 m中段和-820 m中段部分鉆孔吸漿率較大，表現(xiàn)為鉆孔循環(huán)液漏失嚴(yán)重。-820 m中段及以下的裂隙和含水構(gòu)造相對(duì)其他中段發(fā)育較弱，鉆孔揭露涌水后鉆孔的吸漿量較小。

表3 各中段鉆孔涌水及注漿情況統(tǒng)計(jì)

圖2 各勘探線鉆孔吸漿率曲線

從水平方向來看（見圖 3），24～32線鉆孔均出現(xiàn)不同程度的涌水，涌水量大小不一，30A線鉆孔揭露涌水最頻繁。其中-580 m中段揭露涌水主要集中在 24～26線，且各勘探線鉆孔吸漿率與涌水情況大體一致；-640 m中段揭露涌水主要為 26A線，且該勘探線鉆孔吸漿率亦最大；-700 m中段16～26線鉆孔除24A揭露超過10 m3/h外，其余鉆孔揭露涌水量均小于5 m3/h，26A～32線鉆孔揭露涌水大小不一，整體上表現(xiàn)為多數(shù)向上鉆孔揭露涌水、向下鉆孔沖洗液漏失，30A揭露最大涌水為150 m3/h，該中段各勘探線鉆孔吸漿率與揭露涌水情況大體一致；-760 m中段揭露涌水主要表現(xiàn)為26A、28～30A和 32線，且多數(shù)鉆孔涌水量不超過 10 m3/h，從圖2吸漿率曲線來看-760 m中段整體可注性較好；-820 m中段施工鉆孔只在30線揭露一處超過10 m3/h涌水，各勘探線鉆孔可注性相對(duì)較好，部分鉆孔表現(xiàn)為沖洗液全漏失。

圖3 各勘探線鉆孔涌水統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)探水注漿鉆孔實(shí)際揭露情況分析，-580 m中段24～26線和-700 m中段28A～32線為主要富水區(qū)，為了實(shí)現(xiàn)東馬鞍山礦體旁側(cè)的整體帷幕效果，分別在-580 m中段24～26線、-640 m中段26A線和-700 m中段28A～32線設(shè)計(jì)加密注漿鉆孔。

5 注漿效果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)注漿效果，后期對(duì)鉆孔揭露主要富水區(qū)域設(shè)計(jì)施工檢查孔。從檢查孔實(shí)際揭露來看，-580 m中段檢查孔無明顯涌水出現(xiàn)，注漿效果較顯著；-700 m中段28～32線檢查孔除一處揭露30 m3/h涌水，其余鉆孔均無明顯涌水出現(xiàn)。從檢查孔巖芯揭露來看（見圖4），漿液在導(dǎo)水裂隙和溶孔中充填完好，結(jié)石體痕跡明顯，特別是-700 m中段，漿液充填固結(jié)效果較為理想。

圖4 巖芯結(jié)石體

東馬鞍山礦體設(shè)計(jì)最低開采水平為-900 m中段，其中-580 m和-900 m中段為排水中段，-580 m中段承擔(dān)-400～-580 m中段之間的井下坑道排水，-900 m中段承擔(dān)-580 m中段以下的礦坑排水。注漿前后兩中段礦坑涌水量變化曲線見圖 5。從圖 5可以看出：防治水工程施工前兩中段礦坑總涌水量相近，注漿施工后兩中段總涌水量明顯降低，特別是-580 m中段最大降幅達(dá)到51%，-900 m中段總涌水量降幅達(dá)到33%，注漿效果顯著且注漿后-580 m中段降幅明顯大于-900 m中段?？傮w上來看，注漿施工極大地減輕了深部的排水壓力，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖5 礦坑涌水量統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)語

自 2017年整體防治水工程實(shí)施以來，安慶銅礦東馬鞍山礦體地下水得到有效防治，特別是礦體頂板帷幕形成后，開采期間的礦坑涌水量較注漿堵水前明顯降低，很大程度上解決了深埋礦體開采的排水難、排水費(fèi)用高等問題，有效控制住了礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞等問題，實(shí)現(xiàn)東馬鞍山礦體安全回采。

考慮到礦體開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移的影響，隨著深部巷道和采場(chǎng)的不斷開拓和延伸，將會(huì)導(dǎo)致圍巖和地下水的動(dòng)態(tài)壓力平衡被打破，揭露涌水的幾率相對(duì)增大。但后期深部巷道施工過程中仍然存在局部出現(xiàn)涌水的可能性，若出現(xiàn)局部涌水，應(yīng)采取局部注漿堵水措施，最大程度地降低礦坑涌水量，減輕-900 m中段的排水壓力，降低生產(chǎn)成本。