蘭陵縣會寶嶺鐵礦變質(zhì)巖裂隙含水層放水試驗技術(shù)探討

李 軍，張紀(jì)堂，于杜濤，王少杰

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟寧 272100 2.臨沂會寶嶺鐵礦有限公司，山東 蘭陵 277700)

山東蘭陵縣會寶嶺鐵礦為典型的隱伏型大型鐵礦[1-2]，開采設(shè)計標(biāo)高+60m至-970m。礦山投產(chǎn)后一直開采-410m中段以上礦體，現(xiàn)計劃開采標(biāo)高-410m～-760m的礦體。據(jù)礦山已有水文地質(zhì)資料，礦區(qū)內(nèi)東風(fēng)井井筒-410m深部具斷層破碎帶發(fā)育且富水豐富的特征，需要查明-410m～-760m標(biāo)高井筒施工中將遇到的水文地質(zhì)問題，為施工提供合理的防治水建議。

本次井筒水文地質(zhì)勘查位于地面以下460m～810m處(標(biāo)高-410m～-760m)。從-410m中段向下進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探及放水試驗，與地面抽水試驗相比，具有占地面積小、施工周期短、資金投入少等特點[3-4]，且變質(zhì)巖裂隙水具有典型的富水不均勻的特征。井下水文地質(zhì)鉆探及放水試驗可準(zhǔn)確地判斷各含水段位置以及獲取更符合礦井防治水的水文地質(zhì)參數(shù)。

1 水文地質(zhì)背景

1.1 含(隔)水層特征

礦區(qū)含水層由上至下主要有四個含水層：第四系松散巖類孔隙含水層、寒武系中統(tǒng)李官組(∈2l)-震旦系佟家莊組(Z2t)砂巖類裂隙含水層、南華系下統(tǒng)二青山組(Nh1e)灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙含水層、變質(zhì)巖裂隙含水層。各含水層分布及富水性等特征見圖1和表1。主要隔水層有李官組頁巖、佟家莊組頁巖以及二青山組頁巖相對隔水層。

圖1 礦區(qū)東北部水文地質(zhì)剖面示意圖

表1 研究區(qū)內(nèi)主要含水層一覽表

東風(fēng)井井筒延深工程全部位于隱伏沉積蓋層之下變質(zhì)巖裂隙含水層內(nèi)。主要為黑云變粒巖、其次為黑云角閃片巖及磁鐵角閃石英巖(礦體)。富水性極不均勻，微張性裂隙段單位涌水量0.0067L/s·m～0.0102L/s·m，滲透系數(shù)0.00027m/d～0.0067m/d，富水性、透水性微弱。礦區(qū)東部F3斷層破碎帶及下盤張性裂隙段，單位涌水量0.054L/s·m，滲透系數(shù)0.13m/d，透水性中等，富水性雖弱，但遠(yuǎn)大于其他微張性裂隙段，除此，井下坑道靠近F3斷層處巖體較為破碎，張性裂隙發(fā)育，出水點眾多，因此，該含水段為本次水文地質(zhì)工作的主要研究段。

1.2 各含水層間的水力聯(lián)系

各含水層之間主要通過斷層破碎帶及其次生裂隙帶水力聯(lián)系，其次通過封閉不良鉆孔、礦山斜坡道等水力聯(lián)系。F3斷層位于井筒延深部分底部，該斷層破碎帶及其下盤變質(zhì)巖張性裂隙帶為上部蓋層沉積巖地層水與深部變質(zhì)巖裂隙水的導(dǎo)水通道之一。

2 井筒檢查孔放水試驗技術(shù)

2.1 含水段劃分

研究區(qū)巖性為黑云變粒巖，不易通過對巖心的編錄判斷含水層(含水段)位置，準(zhǔn)確快速判斷地下水位置是本次放水試驗的前提工作。本次鉆孔孔口位于-410m中段巷道中，鉆進(jìn)過程中，遇含水段均會發(fā)生涌水現(xiàn)象。當(dāng)再次鉆進(jìn)時遇到新的含水段時提鉆后涌水量自然增大，因此“記錄的每回次提鉆后涌水量動態(tài)成果”是含水段劃分的重要依據(jù)。根據(jù)鉆進(jìn)過程中涌水量變化特征、結(jié)合巖心編錄將鉆孔依次劃分為五個含水段，分別孔深34.30m～50.10m、63.70m～84.20m、164.00m～175.40m、217.90m～228.80m、306.00m～341.00m含水段。

2.2 多層放水試驗止水技術(shù)

該鉆孔鉆進(jìn)過程中共有5個涌水段，采取由上至下順序放水試驗(照片1)，即每揭露一個含水段需進(jìn)行一次放水試驗。以往放水試驗多應(yīng)用于煤礦頂板水害防治，主要針對一孔一個含水層(或含水段)[5]，本次需要實現(xiàn)一孔多含水段放水試驗，因此好的止水效果是放水試驗成功的前提。傳統(tǒng)止水材料粘土、水泥、瀝青、海帶等只適合水流、水壓不大的情況下采用，本次由于施工位置較深，水流、水壓均較大，無法使用[6]。水囊式止水器為一種新型止水器，具有耐磨損、充水管線耐壓較高、止水水囊易于加壓及泄壓(易于放置及撤出)，且能夠多次使用等特征。水囊式止水器(照片2)適合于本次放水試驗的止水需求。

2.3 放水試驗水壓(水位)、水量等測試

(1)水壓(水位)測試：在水文地質(zhì)試驗前后分別需要進(jìn)行地下水位穩(wěn)定觀測和水位恢復(fù)觀測，由于各含水段鉆孔孔口均出現(xiàn)自然涌水，無法進(jìn)行水位觀測，本次采取對孔口水壓進(jìn)行測量，水壓除以重力加速度與水密度(H=P/(ρ·g))計算放水前地下水位穩(wěn)定數(shù)據(jù)及放水后地下水位恢復(fù)數(shù)據(jù)。

在下入水囊式止水器后，在孔口通過橡膠管接上水壓表觀測水壓，每次接水壓時均要求接頭無任何漏水現(xiàn)象，防止漏水導(dǎo)致實測的水壓偏低，觀測精度精確到0.01MPa。放水前水壓測試每半個小時觀測一次，直至水壓穩(wěn)定持續(xù)8個小時以上再放水；放水后水壓觀測時間采用第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60分鐘時間點觀測，以后每半小時觀測一次，直至水壓連續(xù)4小時不發(fā)生變化再停止，并繪制水位(水壓)恢復(fù)曲線圖。

(2)涌水量觀測及水質(zhì)的測試：在水囊式止水器止水的基礎(chǔ)上對各含水段進(jìn)行涌水量觀測、水質(zhì)的測試。本次放水試驗涌水量采用三角堰法進(jìn)行觀測，現(xiàn)場讀數(shù)精確到1mm，通過公式計算出涌水量。流量觀測時間采用第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60分鐘時間點進(jìn)行觀測，以后每半個小時觀測一次，直至流量穩(wěn)定時間大于8小時(圖2)。在放水試驗結(jié)束前對水溫進(jìn)行測試、并采集地下水水樣并送至化驗室進(jìn)行檢測。

圖2 壓水試驗成果圖

3 放水試驗成果

3.1 各含水段地下水類型

通過對鉆進(jìn)過程中每回次涌水量觀測資料、鉆孔巖心水文地質(zhì)編錄情況以及放水試驗時涌水量觀測，孔深34.30m～50.10m和63.70m～84.20m含水段出水類型為變質(zhì)巖裂隙水，巖性為黑云變粒巖，兩個含水段與巖軸夾角為5°、20°～25°微狀性裂隙出水；其他3個含水段均為斷層水。各含水段涌水量見表2。

表2 東出風(fēng)井井檢孔水文地質(zhì)試驗(放水試驗)參數(shù)計算成果表

3.2 含水段水文地質(zhì)參數(shù)

(1)計算公式：由于各含水段地下水位均為承壓水，采用承壓完整井滲透系數(shù)公式

(2)計算參數(shù)確定：Q：各含水段放水試驗測得涌水量；H：承壓水頭高度從各含水段底板標(biāo)高處；M：每回次鉆探提鉆后涌水量變化及編錄確定的各含水段厚度；S：每涌水段放水試驗前測出穩(wěn)定水壓除以重力加速度與水的密度；r：鉆孔半徑。

(3)計算結(jié)果：各含水段的水文地質(zhì)參數(shù)見表2。各含水段透水性中等。

3.3 地下水補給來源及導(dǎo)水通道

表3 井筒檢查孔各含水段與二青山組灰?guī)r-砂巖裂隙巖溶水主要水化學(xué)對比表

3.4 井筒施工涌水量預(yù)測及防治水建議

3.4.1 井筒施工涌水量預(yù)測

(1)計算公式確定：由于變質(zhì)巖裂隙含水層分布廣，周邊無明顯隔水邊界，地下水計算模型可均視為無限邊界承壓水完整井水文地質(zhì)模型。井筒施工時，需要及時對井筒中涌出水量疏干，此時地下水由承壓轉(zhuǎn)為無壓狀態(tài)，選用“大井法”穩(wěn)定流承壓轉(zhuǎn)無壓公式。

(2)計算參數(shù)確定：K：滲透系數(shù)；H：承壓水頭高度根據(jù)井檢孔從含水段底板標(biāo)高處算起的水頭高度；M：預(yù)測井筒施工到各含水段時各含水段厚度；S：疏干排水時S=H；r0：井筒(裸井)設(shè)計直徑為5.2m，r0=2.6m．

(3)涌水量預(yù)測結(jié)果：東出風(fēng)井井筒施工過程中各涌水段正常涌水量見表4。

表4 進(jìn)風(fēng)井井筒施工涌水量預(yù)測結(jié)果表

3.4.2 井筒施工防治水建議

工作面預(yù)注漿是礦井治水的重要措施[9]。大量前人井筒施工經(jīng)驗表明：含水層單層涌水量大于10m3/h，應(yīng)進(jìn)行井筒工作面預(yù)注；含水層單層涌水量小于10m3/h，但含水層層數(shù)較多(兩層以上)，應(yīng)進(jìn)行井筒工作方面預(yù)注漿[10-11]。根據(jù)以上井筒施工涌水量預(yù)測結(jié)果，正?？傆克窟h(yuǎn)大于10m3/h，因此在井筒施工前應(yīng)進(jìn)行工作面預(yù)注漿處理。

4 結(jié) 語

(1)通過井下水文地質(zhì)鉆探、放水試驗工作查明了井筒施工過程中將遇到的各含水段具體位置、水文地質(zhì)參數(shù)，并通過各段地下水化學(xué)特征和水壓特征分析了地下水導(dǎo)水通道和補給來源。為東風(fēng)井井筒延深施工提供了參數(shù)，也對礦山深部開采提供了水文地質(zhì)參數(shù)。

(2)對井筒施工將遇到的各含水段分別進(jìn)行涌水量預(yù)測，預(yù)測結(jié)果遠(yuǎn)大于10m3/h，建議井筒施工前進(jìn)行工作面預(yù)注漿處理。

(3)本次井下水文地質(zhì)鉆探及放水試驗工作，與地面水文地質(zhì)鉆探及抽水試驗相比，具有占地面積小、施工周期短、資金投入少等特點，并能準(zhǔn)確判斷各含水段位置以及獲取更符合礦井防治水的水文地質(zhì)參數(shù)。本次水囊式止水器一孔多層放水試驗為沉積變質(zhì)巖型鐵礦深部探水開辟了先例，對類似礦山深部探水工作具有指導(dǎo)意義。