隱伏鐵礦礦井充水機(jī)理分析與防治水措施

李軍，朱世芳，安茂國，韓雙元，韓文撐，孟祥超，何平，宋月梅

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì))，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

蘭陵縣會(huì)寶嶺鐵礦(王埝溝鐵礦)位于蒼嶧鐵礦帶的東段，賦存于新太古代泰山巖群變質(zhì)地層中，為典型的隱伏BIF型大型鐵礦[1]。礦山于2012年采用地下開采方式投產(chǎn)。礦床頂部上覆南華系-寒武系多個(gè)蓋層含水層，基底含礦巖系和蓋層含水巖組受多期次斷裂構(gòu)造改造破壞，存在構(gòu)造導(dǎo)水隱患。礦山投產(chǎn)初期，-410m及-430m中段礦井正常涌水量492.8 m3/ h，最大涌水量630.8 m3/h，井下單點(diǎn)最大突水量256.6m3/h，隨著井下采掘面積的增長，礦山涌水量有著增大的趨勢(shì)。該類隱伏型礦山普遍具有涌水量大、排水成本高、充水補(bǔ)給條件較為復(fù)雜、水害防治需求緊迫等特點(diǎn)。根據(jù)礦山生產(chǎn)需求，圍繞礦井充水機(jī)理與水害防治進(jìn)行了多處分析研究工作，建立了防治水體系并取得了良好的治水效果(1)山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊(duì))，山東省蘭陵縣會(huì)寶嶺鐵礦-410m中段以深深部勘查報(bào)告，2020年。(2)山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊(duì))，臨沂會(huì)寶嶺鐵礦有限公司會(huì)寶嶺鐵礦水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告，2020年。。

1 礦床基本概況

1.1 礦床概況

會(huì)寶嶺鐵礦床位于山東省蘭陵縣西20km處，隸屬于蘭陵縣尚巖鎮(zhèn)。礦床產(chǎn)于泰山巖群山草峪組變質(zhì)巖中，發(fā)育2條主礦帶，總體走向?yàn)?79°～284°，平行展布，相向而傾[2](圖1)。礦體頂部埋深34.82～298.37m、底部埋深大于800m(尚未控制到底)。設(shè)計(jì)開采標(biāo)高為+60m～-970m，開采方式為地下開采，目前已開采至-410m、即將開采-410m以深，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法和淺孔留礦嗣后充填采礦法采礦工藝開采。會(huì)寶嶺鐵礦山于2009年4月開始基建，2012年開始投產(chǎn)，設(shè)計(jì)服務(wù)年限27年。

1.2 礦床充水分布概況

礦山采用豎井及斜坡道聯(lián)合開拓。自礦床開采以來，目前已建立5個(gè)豎井和1個(gè)斜坡道，形成的主要沿脈坑道系統(tǒng)有-60m中段、-130m中段、-340m中段、-410m中段、-430m中段運(yùn)輸?shù)酪约按┟}坑道系統(tǒng)。該礦山充水主要分布于-410m中段和-430m中段坑道，約占到整個(gè)礦山充水量的70%，其次為東風(fēng)井及斜坡道。由于礦山主要充水點(diǎn)埋深深、排水量大，導(dǎo)致排水成本高，此外，礦山充水對(duì)安全生產(chǎn)也構(gòu)成了一定的威脅。因此，對(duì)礦山進(jìn)行充水來源分析、研究礦井充水機(jī)理以及防治水措施，是保障鐵礦資源安全高效開采的前提[3-4]。

1—礦體位置及編號(hào)；2—角度不整合地質(zhì)界線圖1 會(huì)寶嶺鐵礦礦體聯(lián)合剖面簡圖

2 礦床水文地質(zhì)條件

2.1 含(隔)水層劃分及富水性分級(jí)

通過收集以往資料和近期的多次水文地質(zhì)工作成果，根據(jù)含水介質(zhì)地層巖性組合特征及地下水賦存條件、富水程度[5-6]，將礦區(qū)含水層由上到下主要?jiǎng)澐譃?個(gè)含水層：第四系松散巖類孔隙含水層、李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層、二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙含水層、變質(zhì)巖裂隙含水層；主要隔水層為二青山組頁巖相對(duì)隔水層(圖2)。其中李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙含水層為蓋層含水層。

2.1.1 第四系松散巖類孔隙含水層

分布于礦區(qū)的中部、東北部和東南部，主要成分為砂質(zhì)黏土、亞黏土組成，一般0～12m，厚度較薄。除了豐水期，多處于干燥無水狀態(tài)，民井單位涌水量小于0.1L/(s·m)，為弱富水性的含水層。水文地質(zhì)意義不大。

表1 研究區(qū)內(nèi)主要含水層一覽表

2.1.2 李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層

該含水層大面積出露于丘陵高地。呈近SN向展布，巖性主要為李官組石英砂巖、佟家莊組粉砂巖，巖層傾向E，傾角8°～15°，含水層厚度50～80m，埋深由西向東逐漸變深。該含水層位于蓋層上部，可通過封閉不良鉆孔及斷層破碎帶對(duì)下部二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙含水層及變質(zhì)巖裂隙含水層進(jìn)行補(bǔ)給；礦山開采后，該含水層已形成降落漏斗。根據(jù)其富水性分為弱富水區(qū)和中等富水區(qū)。

(1)中等富水區(qū)。分布于礦區(qū)24勘探線以東，為承壓水，鉆孔單位涌水量0.1748～0.1832L/(s·m)，滲透系數(shù)0.1951～0.2791m/d，富水性、透水性中等。

1—第四系松散巖類孔隙含水層(弱富水)；2—李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層(中等富水)；3—李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層(弱富水)；4—頁巖相對(duì)隔水層；5—二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙含水層(弱富水)；6—變質(zhì)巖裂隙含水層(弱富水)；7—第四系；8—寒武紀(jì)李官組頁巖段；9—寒武紀(jì)李官組砂巖段；10—南華紀(jì)佟家莊組砂巖段；11—南華紀(jì)佟家莊組頁巖段；12—南華紀(jì)二青山組頁巖段；13—南華紀(jì)二青山組灰?guī)r段；14—南華紀(jì)二青山組砂巖段；15—泰山巖群山草裕組；16—勘探線位置及編號(hào)；17—李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙水地下水水位線；18—二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙水地下水水位線；19—會(huì)寶嶺鐵礦采礦權(quán)范圍；20—斷層及編號(hào)；21—抽水試驗(yàn)孔位置；22—單位涌水量；23—滲透系數(shù)；24—礦床深部富水性集中區(qū)；25—礦體位置及編號(hào)圖2 會(huì)寶嶺鐵礦礦區(qū)水文地質(zhì)剖面圖

(2)弱富水區(qū)。分布在礦區(qū)西部、中南部，為潛水―微承壓水，鉆孔單位涌水量0.008827～0.03863L/(s·m)，滲透系數(shù)0.01249～0.0477m/d，富水性、透水性均較弱。

2.1.3 二青山組頁巖相對(duì)隔水層

在縱向上分布在整個(gè)礦區(qū)的中深部，巖性為紫紅色鈣質(zhì)頁巖，地層產(chǎn)狀穩(wěn)定，傾角10°～14°，一般厚52～90m，埋深由西向東逐漸變深。該頁巖巖體完整、厚度大，為良好的隔水層，自然條件下阻隔了李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙水的下滲。

2.1.4 二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙含水層

出露于礦區(qū)的西部，在縱向上分布于整個(gè)礦區(qū)，為礦區(qū)主要含水層。巖性由泥晶灰?guī)r、含海綠石石英砂巖等組成，一般厚度25～40m，巖層走向10°～15°，傾向SEE，傾角10°～14°，埋深由西向東逐漸變深。鉆孔單位涌水量一般為0.01922～0.0447L/(s·m)，滲透系數(shù)0.009～0.1829m/d，富水性弱，透水性弱—中等；總體上富水性由西到東有所增大。礦山開采后，該含水層已形成降落漏斗。

2.1.5 變質(zhì)巖裂隙含水層

該含水層(不包括斷層破碎帶及其附近)在礦區(qū)內(nèi)位于沉積蓋層之下，主要巖性為黑云變粒巖及礦體，鉆孔單位涌水量0.0067～0.0102L/(s·m)，滲透系數(shù)0.00027～0.0067m/d，富水性、透水性微弱，為礦床的直接充水含水層。礦床開采后，該含水層水位大幅度下降。

2.2 構(gòu)造導(dǎo)水特征

礦內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，主要有F1、F2、F3及F3-1斷層。

F1斷層：位于礦區(qū)西北部，走向NE65°～70°，傾向NW，傾角65°。斷層延伸規(guī)模小，延深較淺，斷距較小，且斷層角礫巖膠結(jié)較好，斷層兩側(cè)破碎帶一般為閉合裂隙，透水性十分微弱，無大的出水點(diǎn)，僅局部有滴水現(xiàn)象。水文地質(zhì)條件意義不大。

F2斷層：位于礦區(qū)中東部，走向30°～45°，傾向NW，傾角65°，為高角度正斷層。斷層破碎帶鉆孔單位涌水量0.017L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.0345m/d，具有弱富水性和弱透水性。井下-430m穿脈淋水現(xiàn)象明顯，但淋水量相對(duì)較小，尚未發(fā)生大的出水現(xiàn)象。

F3斷層：出露位于礦區(qū)東南側(cè)、深部位于礦區(qū)內(nèi)傾向NW，傾角45°。深部探水階段探出該斷層破碎帶鉆孔單位涌水量0.038～0.15L/(s·m)、滲透系數(shù)0.26～0.55m/d，富水性、透水性相對(duì)較大，礦床開采時(shí)將在-500m～-670m處揭穿該斷層破碎帶。當(dāng)深處揭露該破碎帶時(shí)，由于埋藏深、水壓大，會(huì)對(duì)礦床充水造成直接影響。

F3-1斷層：為物探控制的小斷層，其水文地質(zhì)意義尚不明確。

3 礦井充水機(jī)理

通過地表及井下水文地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)鉆探、抽水及放水試驗(yàn)、坑道水文地質(zhì)編錄、水化學(xué)成分測(cè)試、水壓測(cè)試等工作，形成了一套礦井充水機(jī)理研究方法。

3.1 充水類型

3.1.1 現(xiàn)有充水類型分析

通過井下大量水文地質(zhì)調(diào)查工作，對(duì)-410m、-430m、-340m等中段充水類型及充水量進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)：斷層水充水量931m3/d(壁后注漿止水后的充水量)、斷層的次生張性裂隙充水量2189m3/d、封閉不良鉆孔充水量3876m3/d(止水前的充水量)。認(rèn)為該礦井主要充水類型有2類：一是F2、F3斷層破碎帶及其次生張性裂隙充水、二是封閉不良鉆孔充水。

3.1.2 深部充水類型分析

在礦山深部探礦及水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探階段共在井下-410m中段向下施工了19個(gè)探水孔(兼探礦孔)，其中9個(gè)孔發(fā)生涌水現(xiàn)象。通過放水試驗(yàn)、水壓測(cè)試等工作，進(jìn)一步查明了礦床深部的充水類型(表2)。有表2可以看出，礦山深部主要地下水類型為斷層破碎帶及其次生張性裂隙水。尤其是28勘探線與32勘探線受F3斷層的影響，為相對(duì)富水區(qū)。

表2 -410m中段施工的超前探水孔水文地質(zhì)成果表

3.2 礦井充水水源及導(dǎo)水通道

3.2.1 通過地下水位分析礦井充水水源

由于蓋層各含水層的富水性遠(yuǎn)大于深部變質(zhì)巖的富水性，本次對(duì)蓋層各含水層(李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙的含水層)進(jìn)行了深入調(diào)查研究。通過蓋層各層地下水位統(tǒng)測(cè)并與礦山開采前各含水層地下水位相比，各含水層水位因礦坑排水均有不同程度的下降。由地下水等水位線可以看出，礦山的充水主要來源于礦區(qū)的東部(圖3)，因此，礦區(qū)東部各含水層及其斷層破碎導(dǎo)水帶是礦山防治水的重要研究方向之一。

1—采礦權(quán)范圍；2—等水位線及水位標(biāo)高(m)；3—地下水流向；4—斷層及編號(hào)圖3 二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙水等水位線圖(2018年)

3.2.2 通過水化學(xué)特征分析礦井充水水源及導(dǎo)水通道

由于各含水層地下水化學(xué)特征主要受地層巖性、循環(huán)條件及補(bǔ)給來源等因素制約，不同含水層的地下水化學(xué)特征不同。一般來說，地下水埋藏由淺到深，由低礦化度的重碳酸鹽淡水逐漸變化為礦化度較高的硫酸鹽水或氯化物水[9-10]：即地下水的TDS由埋藏淺到深會(huì)越來越高，重碳酸鹽含量會(huì)越來越低，通過分析主要出水點(diǎn)的TDS、重碳酸鹽含量等水化學(xué)特征與各含水層的水化學(xué)特征對(duì)比分析，可以準(zhǔn)確地找到各出水點(diǎn)的充水來源[7-8]。

以-410m中段ZK3201封閉不良鉆孔突水點(diǎn)為例進(jìn)行分析，其TDS與重碳酸鹽含量明顯與淺部蓋層的李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙的含水層中TDS與重碳酸鹽含量非常接近(表3)、而與變質(zhì)巖裂隙含水層的水化學(xué)特征TDS與重碳酸鹽含量大相徑庭，說明突水水源來自上部蓋層的李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙的含水層。此外，通過其他離子的濃度，如對(duì)比K+、Na+、Ca2+的濃度(表3)也能分析出ZK3201封閉不良鉆孔的水來源于淺部蓋層的李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙的含水層。

同樣方法對(duì)ZK2803封閉不良鉆孔水、與F3斷層破碎帶水的來源進(jìn)行分析，由表3中的數(shù)據(jù)可以看出：ZK2803封閉不良鉆孔水、與F3斷層破碎帶的水主要來源淺部蓋層的李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙的含水層，少量來源于變質(zhì)巖裂隙含水層。

表3 重要出水點(diǎn)與礦區(qū)各含水層水化學(xué)特征對(duì)比表 單位：mg/L

3.2.3 通過水壓分析礦井充水水源

通過對(duì)ZK3201、ZK2803、ZK2804、ZK1201四個(gè)封閉不良鉆孔進(jìn)行水壓測(cè)試，從水壓上分析，ZK3201、ZK2803的水頭高度-410m中段400多米(表4)，基本與李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層的水位標(biāo)高一致。因此從水壓上分析認(rèn)為ZK3201、ZK2803鉆孔溝通了淺部蓋層各含水層。

表4 封閉不良鉆孔的水壓測(cè)試結(jié)果及水源判斷表

綜合以上，封閉不良鉆孔水與F3斷層破碎帶水主要來源上部蓋層各含水層。由于封閉不良鉆孔與F3斷層破碎帶導(dǎo)通了上部各蓋層水，因此其本身即為礦床充水的重要導(dǎo)水通道。

4 礦山防治水措施

根據(jù)對(duì)本礦山水文地質(zhì)的分析研究與礦山已實(shí)施的防治水措施，建立了一套針對(duì)斷層破碎帶及次生張性裂隙帶、封閉不良鉆孔防治水體系。

4.1 斷層破碎帶及次生張性裂隙帶防治水措施

(1)超前探水。目前工作面超前探水在各類礦山防治水上已有廣泛的應(yīng)用，直接鉆探、地球物理探測(cè)等多種方法[11-17]具有較強(qiáng)的可行性。根據(jù)本礦山的實(shí)際情況采用了直接鉆探法進(jìn)行超前探水，從-410m中段向下施工探水孔，并準(zhǔn)確找到深部充水點(diǎn)的位置及充水類型(表2)，為礦山-410m以深礦段的開采提供了水文地質(zhì)資料。

(2)工作面預(yù)注漿和壁后注漿。工作面預(yù)注漿和壁后注漿是礦井治水的重要措施[18-21]。在礦山生產(chǎn)初期(2014年底)在東風(fēng)井井筒工、主斜坡道及-410m巷道施工過程中，礦山已采取工作面預(yù)注漿和壁后注漿的治水措施進(jìn)行治水，治理后使各出水點(diǎn)的出水量均小于5m3/h，大多數(shù)小于1m3/h。后期又多次在-410m、-430m等中段進(jìn)行了壁后注漿或噴漿止水，并取得一定的止水效果。

建議在-410m以深礦段開采前對(duì)已探明的主要充水段、尤其是F3斷層破碎帶進(jìn)行工作面預(yù)注漿止水、對(duì)于巷道、井筒施工后依然存在次要的出水點(diǎn)采取壁后注漿措施進(jìn)行止水。

(3)補(bǔ)給源疏干排水。補(bǔ)給源疏干排水為礦山防治水的常見措施[22]，也是本礦山的防治水措施之一。礦山生產(chǎn)初期(2014年底)在礦區(qū)中南部施工了一眼深150m貫穿整個(gè)蓋層的疏干排水井(圖3)，該井自從建成后一直處于疏干排水狀態(tài)。排出的地下水一方面用于礦山生活用水，同時(shí)也減少了礦山深部的充水水源。

4.2 封閉不良鉆孔防治水措施

由于井下揭露的封閉不良鉆孔較多，針對(duì)不同封閉不良鉆孔的出水量、水壓不同，分別采取了孔底點(diǎn)注漿、分段泄壓注漿法、截水墻注漿法進(jìn)行注漿止水[23]，并取得良好的止水效果。具體注漿方法及注漿前后的出水量見表5。

表5 不同類型封閉不良鉆孔的注漿方案表

其中對(duì)ZK2803采用分段泄壓注漿措施，注漿設(shè)計(jì)見圖4。由圖4可以看出具體施工方案：由0 孔(孔底)注漿，1淺孔返水泄壓直到1淺孔返漿，此時(shí)停止注漿形成注漿填體 A；待A漿液凝固后由1孔注漿，2淺孔返水泄壓直到2淺孔返漿，此時(shí)停止注漿形成注漿填體B；以上步驟依次進(jìn)行向上泄壓注漿，直到水壓小于4MPa時(shí)直接進(jìn)行鉆孔注漿。

1—注漿填體位置及編號(hào)；2—泄壓注漿孔及編號(hào)；3—礦體位置及編號(hào)圖4 ZK2803分段泄壓注漿設(shè)計(jì)圖

由于ZK3203封閉不良鉆孔不僅水壓高、涌水量也大，漿液易被沖走，采用了截水墻注漿方法并取得良好的治理效果。具體治水措施：在礦房外邊施工2m厚的截水墻(截水墻底部及兩側(cè)嵌入基巖500mm、上部采用錨桿加固、墻體按 300mm×300mm間距綁扎Φ28mm 螺紋鋼加固，墻體留有9個(gè)臨時(shí)放水孔起到臨時(shí)泄壓作用)；待截水墻凝固達(dá)到設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度后進(jìn)行注漿，注漿凝固后關(guān)閉臨時(shí)泄水孔(圖5)。

圖5 截水墻注漿設(shè)計(jì)圖

4.3 防治后的水量變化

礦山從2014年10月以來進(jìn)行了多次工作面預(yù)注漿、壁后注漿、疏干排水等止水工作，2018年對(duì)封閉不良鉆孔進(jìn)行注漿止水，均取得了顯著的治水效果，使礦床深部涌水量由2014年10月的12200m3/d減少到2019年年底的5100m3/d。各階段的防治水效果見表6與圖6。不僅節(jié)約了礦山排水成本，同時(shí)也降低了礦井突水的風(fēng)險(xiǎn)。

表6 治水措施實(shí)施時(shí)間與排水量變化對(duì)應(yīng)關(guān)系表 m3/d

圖6 治水措施實(shí)施時(shí)間與排水量變化對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖

4.4 下一步的防治水方向

(1)礦山現(xiàn)有涌水量尚有5100m3/d，排水量依然較大，應(yīng)對(duì)各中段、斜坡道的出水點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)行壁后注漿或噴漿止水。

(2)進(jìn)一步探查礦區(qū)潛在的封閉不良鉆孔，一旦查出分析其充水來源，并采用注漿方式切斷其補(bǔ)給通道。

(3)礦床東部富水性較強(qiáng)，尤其是在-500m～-670m處F3斷層破碎帶導(dǎo)水通道貫穿礦體，存在突水隱患，建議在該礦段開采前對(duì)F3斷層破碎帶進(jìn)行工作面預(yù)注漿止水。

5 結(jié)語

(1)通過水文地質(zhì)鉆探、抽水及放水試驗(yàn)、水壓測(cè)試等水文地質(zhì)工作，結(jié)合井下各出水點(diǎn)的水化學(xué)特征與水壓，分析了該隱伏礦床的礦井充水機(jī)理。礦床充水類型：一是坑道揭露斷層破碎帶及其次生的張性裂隙帶充水、二是封閉不良鉆孔充水；封閉不良鉆孔與F3等斷層破碎帶也是礦井充水的重要通道；充水水源主要來源于上部蓋層水。

(2)針對(duì)斷層破碎帶及張性裂隙提出了工作面超前探水、工作面預(yù)注漿—壁后注漿相結(jié)合的防治措施；針對(duì)封閉不良鉆孔提出了孔底點(diǎn)注漿、分段泄壓注漿、截水墻注漿以及疏干排水等措施。各措施已應(yīng)用于本礦山并取得較好的治水效果，同樣對(duì)該礦山深部開采及相鄰礦山的生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用。

(3)F3斷層破碎帶是下一步開采的重點(diǎn)防治區(qū)，建議在該礦段開采前對(duì)F3斷層破碎帶進(jìn)行工作面預(yù)注漿止水。