貴州福泉市英坪磷礦水文地質(zhì)條件與深部工程突水災(zāi)害防治研究

蒲開興， 蒲慶隆， 曾凡祥， 蔡健龍， 任永林

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，貴州 貴陽 550005; 2.貴州綠能星新能源開發(fā)有限公司，貴州 貴陽 550005； 3.甕福集團(tuán)甕福磷礦，貴州 福泉 550500)

0 引言

地下水對礦山開采有著非常巨大的影響。隨著礦山開采深度的增加，水文地質(zhì)條件也會變得更加復(fù)雜，水文地質(zhì)事故頻發(fā)，尤其是礦井突水事故。礦井突水是因井巷、工作面與地表水或含水層的含水裂隙帶、構(gòu)造破碎帶等接近或貫通而突然發(fā)生的突水事故[1]。地下水大量涌入礦山坑道，會使采掘工程施工復(fù)雜化，采礦成本大大增加，威脅采掘工程和人員安全[1]。1990—1992年，耿洪州等[2]在楊莊、朱莊煤礦開采過程中利用6口大口徑鉆孔成功實(shí)現(xiàn)了對地下水豐富地段的抽排，減少了施工過程中發(fā)生突水災(zāi)害的機(jī)率。2018年，福泉市英坪礦段轉(zhuǎn)入地下開采階段，在施工至靜水位之下后，靜水壓力變得越來越大，特別是遇到巖石較破碎或斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育的地段時，突水量會更大。當(dāng)靜水壓力超過3 MPa時[3]，便會對采掘工程施工人員的人身安全產(chǎn)生威脅。在此背景下，本文進(jìn)行了礦區(qū)水文地質(zhì)特征分析，查明了礦區(qū)地下水補(bǔ)徑排規(guī)律，并開展了突水災(zāi)害防治措施研究，旨在為礦山深部開采活動提供安全支持和保障。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

礦區(qū)位于高坪背斜南段東翼[4]，地貌受構(gòu)造、巖性及新構(gòu)造運(yùn)動等作用的影響，總體山脈走向及溝谷展布與主體構(gòu)造線一致，呈NNE向。區(qū)域上，英坪磷礦區(qū)位于高坪背斜軸部東翼南段背斜蓄水構(gòu)造內(nèi)。礦區(qū)小壩后寨一帶是次一級地下分水嶺，將礦區(qū)分為南、北兩個地下水單元，地下水分別向南、北兩個方向徑流運(yùn)動(圖1)。

1.玄武巖； 2.二疊系梁山組； 3.寒武系石冷水組和高臺組； 4.寒武系清虛洞組； 5.寒武系金頂山組； 6.寒武系牛蹄塘組—明心寺組； 7.震旦系-寒武系燈影組； 8.青白口系清水江組； 9.相對隔水層(碎屑巖)； 10.相對隔水層(淺變質(zhì)巖)； 11.中等碳酸鹽巖巖溶水； 12.強(qiáng)碳酸鹽巖巖溶水； 13.泉點(diǎn)及其編號； 14.英坪磷礦段深部礦區(qū)； 15. 地名； 16.河流； 17.地表水分水嶺； 18.地質(zhì)界線； 19.背斜軸； 20.逆斷層； 21.正斷層； 22.走滑斷層； 23.性質(zhì)不明斷層； 24.斷層編號； 25.地下水流向

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 礦區(qū)含水地層、隔水地層巖性特征

燈影組由一套灰色中厚層—厚層狀白云巖組成。下伏地層陡山沱組為礦區(qū)磷礦賦礦層位，為一套由白云巖、硅質(zhì)巖及磷塊巖組成的含磷巖組。礦層直接頂板為燈影組白云巖，直接底板為陡山沱組一段含硅質(zhì)團(tuán)塊狀白云巖[5]，形成一個區(qū)域整體大含水層。

2.2 斷裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征

礦區(qū)地處揚(yáng)子陸塊黔北隆起區(qū)的鳳岡SN向隔槽式褶皺變形區(qū)與黔南凹陷區(qū)的都勻SN向隔槽式褶皺變形區(qū)的交匯部位[6]，位于NNE-SSW向高坪背斜東翼南部，礦區(qū)范圍以單斜構(gòu)造為主。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育(圖1)，斷裂構(gòu)造形跡呈SN向，次為NNE向、NNW向與近EW向，與礦床水文地質(zhì)條件相關(guān)的斷層主要有F1、F102、F104、F351、F116、F106等，主要斷層的水文地質(zhì)特征見表1。

表1 礦區(qū)主要斷層水文地質(zhì)特征

2.3 燈影組、陡山沱組巖溶發(fā)育分布規(guī)律

2.3.1 巖溶分布與地層巖性的關(guān)系

礦區(qū)內(nèi)未見地表巖溶發(fā)育，但在鉆孔中遇溶洞率為51.52%，礦區(qū)深部巖溶主要發(fā)育于燈影組一段和陡山沱組三段的藻白云巖、硅質(zhì)白云巖、泥晶-細(xì)晶白云巖、硅質(zhì)巖及團(tuán)塊狀磷塊巖中。陡山沱組三段為礦區(qū)開采對象。這說明在受地層巖性、構(gòu)造影響下，礦區(qū)地下水不是相對平衡的，是動態(tài)的。地下巖溶發(fā)育特征見表2。

表2 礦區(qū)溶巖層組巖溶發(fā)育特征

2.3.2 巖溶分布與構(gòu)造的關(guān)系

區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，巖溶具有順層走向及沿近于垂直巖層走向的張扭性裂隙帶發(fā)育特點(diǎn)，壓扭性斷裂破碎帶為膠結(jié)緊密的斷層角礫巖，巖溶不發(fā)育，偶見零星溶孔發(fā)育。

2.4 地下水的補(bǔ)徑排特征

地下水的補(bǔ)給主要為大氣降水，其次為河水。大氣降水和河水主要通過落水洞、巖溶漏斗、巖溶裂隙、構(gòu)造裂隙及第四系等入滲，進(jìn)入地下循環(huán)形成地下水，之后通過鉆孔進(jìn)行靜止水文觀測及抽水試驗(yàn)。礦區(qū)地下水水位位于明心寺組和牛蹄塘組隔水層中，燈影組和陡山沱組白云巖為承壓含水層，地下水類型為承壓水。地下水主要以巖溶孔洞裂隙水的形式存在，主要沿溶蝕裂隙、溶孔分散徑流，局部地段沿裂隙密集帶、溶蝕裂隙、溶孔集中發(fā)育帶、構(gòu)造裂隙帶等運(yùn)移。地下水分水嶺以北在地勢較低的地區(qū)通過井泉分散排泄； 地下水分水嶺以南通過落水洞、巖溶漏斗、巖溶裂隙、構(gòu)造裂隙等途徑注入下伏含水層，在地勢較低的陡崖腳或高坪河附近一帶通過泉點(diǎn)分散排泄。

2.5 礦床開采活動對水文地質(zhì)條件的影響

2.5.1 露天開采活動的影響

礦區(qū)已形成4個露采區(qū)，均已接近尾聲，其中英坪磷礦Ⅰ、Ⅱ露采區(qū)已回填復(fù)墾。大氣降水經(jīng)采坑積蓄直接向礦層或燈影組含水層補(bǔ)給，是礦床充水的重要因素之一，大大增加了深部采掘工程施工中抽排水的壓力，特別是雨季尤其明顯。

2.5.2 鄰近礦山地下開采活動的影響

鄰近礦山主要為福泉市磷礦小壩Ⅰ號井和英坪磷礦3號井，礦井生產(chǎn)水倉標(biāo)高分別為1 000 m、1 050 m。采礦區(qū)域與英坪磷礦緊鄰，其采礦方式為爆破作業(yè)，其震動可能導(dǎo)致礦區(qū)含水層巖石的完整性及節(jié)理、構(gòu)造的原始力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，加大了地下水的水力聯(lián)系和相互貫通。

2.5.3 礦區(qū)開采活動的影響

(1)深部采掘工程主要位于燈影組、陡山沱組巖溶孔洞裂隙水區(qū)域。礦井、采礦工程施工過程中，礦坑水的疏排會造成礦區(qū)附近地下水水位的下降，且隨著采場標(biāo)高的下降，地下水水位將逐年下降，以采礦場為中心形成水位降落漏斗。隨著采礦的向下推進(jìn)，水位降落漏斗隨之?dāng)U大，自然形成的巖溶系統(tǒng)的底板會受到破壞，將改變局部地下水的徑流、排泄途徑。同時，形成的導(dǎo)水裂隙帶在近采區(qū)段溝通采空區(qū)裂隙，采區(qū)內(nèi)的地下水將通過這些裂隙對礦坑間接充水。豐水期，在距采區(qū)較近地段開采時，由于采坑中的地下水儲量大，靜水壓力增強(qiáng)，裂隙帶將可能被進(jìn)一步疏通，形成大裂隙，并對礦坑間接充水，造成突水危害，對地下開采影響較大。

(2)由于礦區(qū)南北兩個相對水文地質(zhì)單元內(nèi)SN向、NW向、近EW向等斷裂極其發(fā)育，存在水力聯(lián)系，深部地下開采抽排地下水，可能造成北部水文地質(zhì)單元地下水向南部水文地質(zhì)單元方向徑流，地下水儲量增大，靜水壓力增強(qiáng)，裂隙帶將可能被進(jìn)一步疏通，形成大裂隙，并對礦坑間接充水，造成突水危害。

3 突水災(zāi)害防治措施

通過分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件，對深部工程主要展布地段開展進(jìn)一步專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查和物探測量，選擇典型地下工程附近的主要富水帶或?qū)畼?gòu)造帶實(shí)行大口徑抽排水實(shí)踐，視其效果再對突水災(zāi)害嚴(yán)重的地下工程分布區(qū)推廣本防治措施。本著這一原則，對礦區(qū)南風(fēng)豎井的地下水防治措施進(jìn)行了專項(xiàng)研究。

3.1 思路與方法選擇

首先，在豎井區(qū)域開展高密度電法和EH4組合物探測量，查明其深部地質(zhì)構(gòu)造情況； 其次，開展豎井工程區(qū)域水文地質(zhì)條件分析。對采用直徑為大口徑(大于311 mm)的抽排疏干鉆孔的疏干降深、影響漏斗半徑以及抽排疏干鉆孔深度、口徑大小、水泵抽排能力等進(jìn)行論證[7]。經(jīng)論證確定后，在地下水豐富、巖石完整性較差、物探推測構(gòu)造發(fā)育的地段，使抽排疏干鉆孔抽排形成的影響漏斗底部更接近豎井掘進(jìn)的最終深度，不影響礦山地下開拓工程建設(shè)，進(jìn)而布置抽排疏干鉆孔[8]。

3.2 大口徑抽排鉆孔參數(shù)選擇分析

通過在南風(fēng)豎井附近開展小口徑水文地質(zhì)鉆孔抽水試驗(yàn)及物探測量，獲取地層巖性含水性、斷裂及節(jié)理構(gòu)造含導(dǎo)水性、巖性滲透系數(shù)、含水層厚度、巖溶、富水帶等相關(guān)數(shù)據(jù)。結(jié)合水文地質(zhì)及物探測量推斷解譯成果，認(rèn)為南風(fēng)豎井區(qū)域的井筒涌水量來自NW向節(jié)理組(破碎帶)補(bǔ)給，其他方向巖石相對完整且補(bǔ)給相對較弱。其相對補(bǔ)給方向和涌水值范圍是有規(guī)律的，利用就近抽水試驗(yàn)鉆孔取得的水文地質(zhì)參數(shù)，并結(jié)合水文地質(zhì)單元內(nèi)水文地質(zhì)條件，可對抽排疏干鉆孔的涌水量進(jìn)行預(yù)測。

南風(fēng)豎井從第四系開始掘進(jìn)，穿越震旦系燈影組白云巖和陡山沱組地層，止于青白口系清水江組淺變質(zhì)巖地層，總掘進(jìn)深度383 m。利用裘布依公式法對南風(fēng)豎井涌水量進(jìn)行預(yù)測，承壓-無承壓水公式[9]為

。

(1)

式中：Q為豎井涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；H為含水層厚度，m；S為疏干降深，m；R為潛水大井影響半徑，m；r為大井引用半徑，m。

根據(jù)地質(zhì)剖面和抽水試驗(yàn)鉆孔獲取如下水文地質(zhì)參數(shù): 含水層厚度H=246.06 m； 靜水位埋深52.33 m； 疏干排水從靜水位至含水層底板，含水層底板埋深為266.06 m； 疏干降深S=213.73 m； 滲透系數(shù)K=0.154 9 m/d; 區(qū)域影響半徑R=2 639 m。計(jì)算結(jié)果為Q=2 977 m3/d。

為使深部抽水漏斗對南風(fēng)豎井的影響效果最大化，又不對南風(fēng)豎井井筒施工造成影響，建議抽排水鉆孔布置在距南風(fēng)豎井30～50 m的環(huán)帶范圍內(nèi)(圖2)，要求排水鉆孔設(shè)計(jì)抽水量要達(dá)到120～130 m3/h，才可達(dá)到抽排目的。

1.第四系； 2.寒武系明心寺組； 3.寒武系牛蹄塘組； 4.震旦系-寒武系燈影組三段； 5.震旦系-寒武系燈影組二段； 6.震旦系-寒武系燈影組一段； 7.逆斷層及其傾角； 8.斷層或節(jié)理； 9.斷層編號； 10.地質(zhì)界線； 11.人工填土范圍； 12.物探推斷解譯節(jié)理帶； 13.物探推斷解譯富水區(qū)域； 14.南風(fēng)豎井位置； 15.大口徑抽排鉆孔位置及其編號； 16.抽水試驗(yàn)鉆孔位置及其編號; 17.地下水徑流方向； 18.地層產(chǎn)狀； 19.剖面線及其起始點(diǎn)符號

3.3 南風(fēng)豎井工程大口徑鉆孔抽排效果分析

根據(jù)論證結(jié)果，在南風(fēng)豎井SE向30 m處施工了一口抽排水鉆孔(圖2、圖3)，鉆孔口徑360 mm，施工至283 m深度處進(jìn)入青白口系清水江組，繼續(xù)施工了50 m沉砂段，下泵位置280 m，水泵抽排能力為120 m3/h，實(shí)際抽排能力為122～130 m3/h，平均125 m3/h，抽排量為3 000 m3/d，實(shí)際抽排量大于平均涌水量(2 977 m3/d)[10]。2018年12月中旬，南風(fēng)豎井內(nèi)地下水水位開始下降，且涌入南風(fēng)豎井內(nèi)的水量大大減少，地下水水位以1～2.5 m/d的速度下降，基本卸去水壓。至2019年9月南風(fēng)豎井順利施工至383 m處，未出現(xiàn)地下水突水影響[11]。之后，在本礦區(qū)北風(fēng)豎井施工兩口抽排水鉆孔，效果更佳，地下水水位以4～5 m/d的速度下降[12]。

1.第四系； 2.震旦系-寒武系燈影組三段； 3.震旦系-寒武系燈影組二段； 4.震旦系-寒武系燈影組一段； 5.震旦系陡山沱組四段； 6.震旦系陡山沱組三段； 7.震旦系陡山沱組一段至二段； 8.南華系南沱組； 9.青白口系清水江組； 10.含碎石黏土； 11.白云巖； 12.地質(zhì)界線; 13.推測地質(zhì)界線； 14.斷層或節(jié)理； 15.斷層編號； 16.地層產(chǎn)狀； 17.抽水試驗(yàn)鉆孔位置(ZK704為鉆孔編號，1 191.06 m為孔口標(biāo)高，234.82 m為終孔深度)； 18.南風(fēng)豎井位置(1 196 m為井口標(biāo)高，403.00 m為豎井深度)； 19.地下水靜水位線； 20.抽水漏斗理想影響線； 21.大口徑抽排鉆孔位置(ZK01為鉆孔編號，1 202.12 m為孔口標(biāo)高，302.00 m為終孔深度)； 22.地下水靜水位線(1 144.21 m為鉆孔內(nèi)24 h靜水位標(biāo)高)

事實(shí)證明，對采掘工程分布區(qū)域進(jìn)行水文地質(zhì)研究，查明地層巖性含水性、斷裂及節(jié)理構(gòu)造含水和導(dǎo)水性、巖性滲透系數(shù)及含水層厚度，做好抽排疏干論證，在礦區(qū)采掘工程附近以抽排疏干鉆孔方式干預(yù)地下水，技術(shù)方法可行。

4 結(jié)論與建議

(1)福泉市英坪磷礦段水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，震旦系-寒武系燈影組與賦礦地層陡山沱組為一特殊的“大含水層”，地下水豐富，富水性強(qiáng)，同時受褶皺、斷裂及節(jié)理破壞影響，巖石破碎，地下水水力聯(lián)系強(qiáng)，以斷裂及節(jié)理裂隙構(gòu)造為主要水力聯(lián)系通道。采掘工程施工過程中，施工至富水區(qū)域受構(gòu)造影響的富水薄弱帶，往往形成突水災(zāi)害，無法施工，危及人員安全。

(2)通過對采掘工程分布區(qū)域的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析研究，查明了地層巖性含水性、斷裂及節(jié)理構(gòu)造含水和導(dǎo)水性、巖性滲透系數(shù)以及含水層厚度，進(jìn)行了抽排疏干論證。在礦區(qū)采掘工程附近富水帶采用大口徑鉆孔抽排地下水，利用其形成的漏斗抽排疏干，從而干預(yù)地下水，突水災(zāi)害防治措施取得了實(shí)際效果，證明該技術(shù)方法可有效解決或防治礦區(qū)深部工程突水災(zāi)害，是較為經(jīng)濟(jì)、用時較短的防治措施。

(3)建議進(jìn)一步加強(qiáng)礦區(qū)水文地質(zhì)研究，查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件，在礦區(qū)的富水地段或首采地段進(jìn)行大口徑鉆孔多孔聯(lián)排試驗(yàn)與研究，減少礦山生產(chǎn)過程中地下水突水災(zāi)害的發(fā)生。