復(fù)雜富水含礦層水文地質(zhì)特征及防治水技術(shù)研究

趙恰 王軍

摘要：以水銀洞金礦深部礦體水文地質(zhì)特征為基礎(chǔ)，參考國(guó)內(nèi)相關(guān)礦山防治水經(jīng)驗(yàn)和科研成果，經(jīng)過(guò)防治水方案比較，設(shè)計(jì)采用井下近礦體帷幕注漿的防治水方案。經(jīng)礦山井下近礦體帷幕注漿試驗(yàn)，井下注漿可有效充填巖溶溶洞及巖溶裂隙過(guò)水通道，并可在礦體下部有效搭接，形成一定厚度的穩(wěn)定人工隔水帷幕體，可為同類(lèi)礦山提供防治水經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：巖溶富水;防治水;井下注漿;近礦體帷幕;水文地質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD745文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2023）04-0024-04doi：10.11792/hj20230406

隨著礦山開(kāi)采深度的增加，擬開(kāi)采含礦層所賦存的水文地質(zhì)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，部分礦山深部含礦層底板為巨厚的灰?guī)r富水含水層，開(kāi)采面臨水害問(wèn)題更加突出，而且受含水強(qiáng)富水地層巖溶發(fā)育不均一性影響，井下突水預(yù)測(cè)困難、準(zhǔn)確性差，突水風(fēng)險(xiǎn)大幅提高^［1-2］。許超等^［3-5］針對(duì)礦山底板巖溶含水層提出了底板注漿加固的治理思路，主要是通過(guò)井下工作面注漿，在礦體底板形成人工隔水帷幕或加固底板隔水層，使其具備抵抗下部承壓水的能力，防止采掘期間突水事故的發(fā)生，如趙固礦區(qū)大采高工作面注漿加固深度一般達(dá)到煤層底板以下80 m，注漿帷幕體為后續(xù)安全高效回采提供了保障。本文通過(guò)分析貴州紫金礦業(yè)股份有限公司水銀洞金礦（下稱(chēng)“水銀洞金礦”）深部含礦層的水文地質(zhì)條件，制定了相應(yīng)的防治水方案，重點(diǎn)對(duì)井下注漿試驗(yàn)情況進(jìn)行了研究，為后續(xù)礦山安全生產(chǎn)及相關(guān)礦山防治水提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

1 深部含礦層水文地質(zhì)特征

水銀洞金礦深部礦體賦存于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面以下。礦山通過(guò)鉆探補(bǔ)勘的方式進(jìn)一步查明深部含礦層的水文地質(zhì)特征，根據(jù)井下補(bǔ)勘資料，補(bǔ)勘鉆孔揭露含礦層時(shí)均出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，單孔涌水量為0.86～2.66 L/s，水壓在0.7 MPa左右，且涌水點(diǎn)附近巖芯破碎，溶蝕孔洞比較發(fā)育，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，含礦層為中等—強(qiáng)富水的水文地質(zhì)特征。礦山水化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示，含礦層及下部茅口組深部含水層的地下水均為低礦化度的HCO₃·SO4-Ca·Mg型水，pH值7.5，總礦化度473.43 mg/L，不含Cl-，水質(zhì)類(lèi)型簡(jiǎn)單，二者為統(tǒng)一的含水體。礦床為底板巖溶裂隙含水層直接充水的水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦床，礦山在深部開(kāi)拓期間曾多次發(fā)生涌水事故，嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)進(jìn)度，含礦層表現(xiàn)出如下水文地質(zhì)特征：

1）含礦層為中等—強(qiáng)富水含水層：在1 120 m中段-5N、-7N、-15N、-21N、-29N、-31N勘探線穿脈以北和-17S勘探線穿脈以南施工的8個(gè)鉆孔，均位于含礦層，單孔涌水量為0.86～2.66 L/s。鉆孔揭露溶洞時(shí)，單孔單點(diǎn)涌水量多為100 m³/h以上，最大單孔單點(diǎn)涌水量達(dá)到了200 m³/h，含礦層表現(xiàn)出中等—強(qiáng)富水的水文地質(zhì)特征。

2）含礦層水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件復(fù)雜：含礦層為龍?zhí)督M與茅口組不整合界面間的構(gòu)造蝕變體，表現(xiàn)為“含礦帶、含水帶、構(gòu)造帶”三帶一體的特征，巖性為深灰色中層強(qiáng)硅化灰?guī)r、角礫狀強(qiáng)硅化灰?guī)r、硅質(zhì)巖及角礫狀黏土巖。礦山開(kāi)拓工程顯示，含礦層巖體松散破碎，溶蝕裂隙發(fā)育，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，斷層破碎帶進(jìn)一步加強(qiáng)了含礦層與茅口組灰?guī)r含水層的水力聯(lián)系，二者具有統(tǒng)一的地下水位，使得水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件復(fù)雜化。

3）底板茅口組灰?guī)r含水層厚大且分布廣泛。茅口組灰?guī)r含水層為含礦層直接底板，是礦坑的主要充水含水層。同時(shí)茅口組灰?guī)r含水層為區(qū)域性厚大含水層，厚度大于400 m，地下水靜儲(chǔ)量豐富，補(bǔ)給源充沛。

4）礦坑涌水量大。礦山開(kāi)拓工程或超前探孔普遍揭露涌水點(diǎn)，且涌水量大。例如：1 093 m中段老水倉(cāng)揭露深部灰?guī)r含水層時(shí)，涌水點(diǎn)水量達(dá)10 800 m³/d，且經(jīng)過(guò)2年的穩(wěn)定排水，礦區(qū)地下水位自標(biāo)高1 187 m下降至1 168 m，僅下降了19 m。根據(jù)井下放水試驗(yàn)，礦山通過(guò)解析法、數(shù)值模擬等方法預(yù)測(cè)礦坑涌水量為85 968 m³/d，礦坑涌水量大。

5）礦區(qū)斷層破碎帶發(fā)育，影響采掘生產(chǎn)安全。礦區(qū)東西向、南北向和北東向褶皺和斷層發(fā)育，在背斜軸部裂隙發(fā)育，為地下水的存儲(chǔ)和運(yùn)移提供了空間。同時(shí)受區(qū)內(nèi)主構(gòu)造應(yīng)力方向影響，南北向張性斷層發(fā)育，破碎帶一般較寬，且以角礫巖為主，探孔揭露單點(diǎn)涌水量一般超過(guò)100 m³/h，富水性、導(dǎo)水性均較強(qiáng)，對(duì)礦山安全生產(chǎn)影響巨大。

2 礦山防治水方案

2.1 深部含礦層特征

深部含礦層主要為碳酸鹽巖型和角礫巖型。礦石以層狀構(gòu)造和塊狀構(gòu)造為主。含礦層在平面上呈長(zhǎng)條狀不規(guī)則多邊形，東西走向長(zhǎng)2 700 m，南北寬200～950 m。礦體傾向北，傾角10°～15°，平均厚度8 m，為緩傾斜薄礦脈。

2.2 礦山防治水方案

水銀洞金礦深部含礦層富水性為中等—強(qiáng)富水，且與下部茅口組灰?guī)r含水層水力聯(lián)系密切，二者具有統(tǒng)一的地下水位。茅口組灰?guī)r為區(qū)域性厚大含水層，在礦區(qū)四周均為補(bǔ)給邊界，地下水靜儲(chǔ)量大、動(dòng)補(bǔ)給強(qiáng)，預(yù)測(cè)礦坑涌水量達(dá)到85 968 m³/d，采用傳統(tǒng)的疏干防治水方案排水費(fèi)用高，疏干周期長(zhǎng)，對(duì)區(qū)域地下水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)巖溶礦區(qū)長(zhǎng)期疏干會(huì)導(dǎo)致地面塌陷，影響礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)峰峰煤礦、焦作煤礦、萊新鐵礦及業(yè)莊鐵礦利用井下注漿技術(shù)加固隔水層底板或改造礦體頂?shù)装搴畬?，使其形成具有一定厚度的穩(wěn)固隔水層，阻止頂?shù)装搴畬拥闹苯映渌绊懀ㄒ?jiàn)圖1）。從各相關(guān)礦山注漿實(shí)施情況來(lái)看，井下注漿加隔水層或注漿人工隔水帷幕的堵水效率一般可以達(dá)到85%及以上，為后續(xù)礦體的安全回采提供了保障^［5-6］，因此選用井下近礦體帷幕注漿方案。

2.2.1 近礦體帷幕注漿工程布設(shè)

近礦體帷幕注漿工程是在中段大巷開(kāi)鑿注漿硐室，注漿硐室間距為30～50 m。在注漿硐室中施工扇形注漿斜孔，注漿孔在平面上需覆蓋含礦層厚度，垂向上需深入含礦層底板一定深度，滿足帷幕體厚度計(jì)算要求。注漿孔采用分序加密的方式施工，一般分為三序。利用注漿斜孔作為注漿通道，高壓注入漿液，漿液在注漿壓力的驅(qū)使下沿著涌水裂隙擴(kuò)散、結(jié)石，最后充填，把含水層中的水“驅(qū)離”，并充填涌水通道，改造局部含水層，使之不含水或弱含水，同時(shí)漿液在注漿壓力作用下，通過(guò)含水層地下水補(bǔ)給通道運(yùn)移、擴(kuò)散、結(jié)石，充塞隔水層的導(dǎo)水裂隙，膠結(jié)強(qiáng)化底板。達(dá)到改造、封源和加固的作用，從而滿足帷幕體上部安全開(kāi)采的目的。底板帷幕注漿工程布設(shè)平面示意圖見(jiàn)圖2。

2.2.2 注漿工藝及材料

注漿孔采用坑道鉆機(jī)施工，傾斜注漿孔終孔孔徑不小于91 mm。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥為強(qiáng)度等級(jí)42.5普通硅酸鹽水泥，速凝劑為42°Bé水玻璃。注漿工藝采用雙液漿注漿模式（見(jiàn)圖3），利用雙液漿注漿泵，在孔口混合，混合比例為水泥∶水玻璃=1∶0.5～1∶1。注漿工程采用下行注漿方式，注漿壓力取3倍水壓。

2.2.3 近礦體帷幕注漿改造深度計(jì)算

人工注漿帷幕體抵抗下部茅口組灰?guī)r承壓含水層水壓破壞，阻止下部茅口組灰?guī)r承壓水進(jìn)入采掘區(qū)域。因此，若底板帷幕體不足以抵抗茅口組灰?guī)r承壓含水層水壓破壞時(shí)，將引發(fā)災(zāi)難性的突水事故。根據(jù)相關(guān)巖溶大水礦床經(jīng)驗(yàn)，一般采用突水系數(shù)法定量評(píng)價(jià)帶壓開(kāi)采條件下底板突水危險(xiǎn)程度，其物理意義就是單位厚度隔水層所能承受的極限水壓，突水系數(shù)越大，礦體底板突水的危險(xiǎn)性越大。根據(jù)相關(guān)巖溶大水礦床在礦井生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)值，以T_S=0.06 MPa/m為臨界值，當(dāng)突水系數(shù)TS時(shí)一般不會(huì)發(fā)生突水，反之底板可能突水^［7-10］，具體見(jiàn)式（1）。

式中：T_S為臨界突水系數(shù)，參考相關(guān)礦山經(jīng)驗(yàn)，取T_S=0.06 MPa/m;p為水壓力，根據(jù)水銀洞金礦實(shí)測(cè)資料，取0.83 MPa;M₀為隔水層或相對(duì)隔水層臨界厚度（m）。

經(jīng)計(jì)算，M₀=13.8 m。

從式（1）可以看出，在底板承壓含水層水壓一定條件下，突水系數(shù)與隔水層或相對(duì)隔水層厚度成反比，即M>M₀時(shí)TS，即帷幕注漿加固體的厚度需大于13.8 m，考慮巖體的不均一性，取15 m。

3 近礦體帷幕注漿試驗(yàn)實(shí)施情況及效果

3.1 工程實(shí)施情況

根據(jù)礦山礦體賦存情況并結(jié)合礦山設(shè)計(jì)，在1 120 m中段選取7勘探線—11勘探線作為井下近礦體帷幕注漿的試驗(yàn)區(qū)域，注漿施工分三序施工。其中，一序注漿孔12個(gè)，二序注漿孔3個(gè)，三序注漿孔5個(gè)，共施工20個(gè)注漿孔，累計(jì)施工孔深962.75 m，累計(jì)注漿量12 184.1 m³，見(jiàn)表1。

3.2 效果分析

從注漿資料和各次序孔涌水情況分析，注漿工程取得了初步效果，為后續(xù)施工積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

3.2.1 不同次序注漿量對(duì)比分析

根據(jù)水銀洞金礦井下注漿試驗(yàn)段統(tǒng)計(jì)資料，一序孔累計(jì)注漿量10 690.1 m³，單位注漿量25.09 m³/m;二序孔累計(jì)注漿量1 424.6 m³，單位注漿量6.69 m³/m;三序孔累計(jì)注漿量69.4 m³，單位注漿量0.21 m³/m。從不同序次單位注漿量分析，隨著注漿次序的逐步推進(jìn)，鉆孔單位注漿量減小明顯，說(shuō)明隨著注漿次序的增加，受注漿加固區(qū)域的過(guò)水通道逐步減小，加固區(qū)域的過(guò)水能力大幅下降（見(jiàn)圖4）。

3.2.2 不同次序鉆孔涌水量對(duì)比分析

根據(jù)水銀洞金礦注漿統(tǒng)計(jì)資料，一序12個(gè)注漿孔，最大單孔涌水量150 m³/h，單孔平均涌水量108 m³/h;二序3個(gè)孔，最大單孔涌水量105 m³/h，單孔平均涌水量65 m³/h;三序5個(gè)孔，最大單孔涌水量50 m³/h，單孔平均涌水量15.9 m³/h。從以上資料可以看出，隨著逐序加密，單孔的終孔最大涌水量和單孔平均涌水量均明顯減小，說(shuō)明注漿加固區(qū)域的富水性和過(guò)水能力大幅下降，加固區(qū)域取得了一定的注漿效果（見(jiàn)圖5）。

4 結(jié) 論

1）水銀洞金礦深部含礦層中等—強(qiáng)富水，其與下部巨厚茅口組灰?guī)r水力聯(lián)系密切，該含礦層為底板茅口組灰?guī)r直接充水的巖溶復(fù)雜富水礦床。

2）以水銀洞金礦水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，參考國(guó)內(nèi)相關(guān)礦山防治水經(jīng)驗(yàn)和科研成果，設(shè)計(jì)采用井下近礦體帷幕注漿的防治水方案。通過(guò)井下近礦體帷幕注漿試驗(yàn)驗(yàn)證：鉆孔涌水量減少了85.3%，說(shuō)明井下注漿可有效充填巖溶溶洞及巖溶裂隙過(guò)水通道，并可在礦體下部有效搭接，形成一定厚度的穩(wěn)定人工隔水帷幕體。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Research of the hydrogeological characteristics and water control technology for complex water-rich ore-hosting layers

Zhao Qia，Wang Jun

（Zijin Mining Group Co.，Ltd.）

Abstract：Based on the hydrogeological characteristics deep in Shuiyindong Gold Mine，references to relevant domestic mine water control experience and scientific achievements，and a comparison of water control schemes，the research designed to use the water control scheme of underground near ore bodies curtain grouting.The test of underground near ore body curtain grouting shows that underground grouting can effectively fill karst caves and karst fissure water paths and effectively connect and form a stable artificial water-isolation curtain body with a certain thickness.The research can provide water control experience for similar mines.

Keywords：water-rich karst;water control;underground grouting;near ore body curtain;hydrogeology