歐陽仕元

(中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦)

凡口鉛鋅礦巖溶大水防治

歐陽仕元

(中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦)

凡口鉛鋅礦礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦床伏于強巖溶含水層之下，含水層富水性強，補給充足，礦坑充水量大、迅猛。為防止向礦坑涌水，礦山采用淺部截流、排洪疏浚、治塌防滲、引流消殘、注漿帷幕等多種技術(shù)手段進(jìn)行井下和地面綜合防治，確保了安全采礦。

巖溶大水 淺部截流 帷幕注漿

凡口鉛鋅礦屬隱伏巖溶管道流充水的水文地質(zhì)條件復(fù)雜型礦床。礦區(qū)主要含水層因巖溶發(fā)育，富水性強，補給充足，向礦坑充水迅猛，曾發(fā)生多次涌水涌泥事故。為此，該礦運用各種技術(shù)手段綜合防治，有效地消除了地下水對采礦生產(chǎn)的威脅。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件概述

1.1 礦區(qū)含水層和隔水層

1.1.1 含水層及其含水特征

(1)頂部含水層。覆于礦床之上，廣泛分布于礦區(qū)東南部，平均厚149.37 m，巖性為石炭系中上統(tǒng)壺天群白云巖，是礦區(qū)主要含水層，屬巖溶溶洞潛水含水層。該含水層在垂向上分強巖溶帶和弱巖溶帶[1]，-20 m標(biāo)高以上為強巖溶帶，巖溶率10.44%，局部17.52%;-20 m標(biāo)高以下為弱巖溶帶，巖溶率為0.62%。強弱巖溶帶水力聯(lián)系密切，地下水位統(tǒng)一，靜止水位標(biāo)高101.36 m。該含水層富水性強，靜、動儲量大，補給充足，平均滲透系數(shù)2.91 m/d，涌水量1.50～2.8 L/(s·m)，平豐水期動流量2.8萬～3.8萬t/d。

(2)深部含水層。從礦區(qū)西部向南東傾斜潛入深部，與礦體直接接觸，巖性為泥盆系東崗嶺階上亞階和天子嶺組下亞組灰?guī)r，屬裂隙承壓含水層，總厚度約225 m。該含水層在50 m標(biāo)高以上溶洞較發(fā)育，含巖溶溶洞水，含水較豐富；50 m標(biāo)高以下以裂隙發(fā)育為主，含裂隙水，滲透系數(shù)0.000 336～0.282 6 m/d，富水性較弱，靜、動儲量小，是礦區(qū)的次要含水層。

1.1.2 隔水層及分布特征

1.1.2.1 “廠”字型隔水邊界

礦區(qū)北部連續(xù)分布石炭系下統(tǒng)測水段和泥盆系上統(tǒng)帽子峰組，巖性為砂頁巖夾泥灰?guī)r，厚115～145 m，構(gòu)成北部隔水層；礦區(qū)西部大面積分布含泥質(zhì)較高，巖性為花斑狀、瘤狀、條帶狀灰?guī)r，厚達(dá)200 m，并向東南傾入礦區(qū)深部的泥盆系上統(tǒng)天子嶺組雜質(zhì)灰?guī)r，構(gòu)成了西部隔層。北部隔水層和西部相對隔水層構(gòu)成礦區(qū)“廠”字型隔水邊界[1](圖1)。

圖1 礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件示意

1.1.2.2 中部隔水層

在頂部含水層與深部含水層之間，有石炭系下統(tǒng)測水段砂頁巖及泥盆系上統(tǒng)天子嶺組中上亞組泥灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r組成隔水層，阻隔了頂部和深部含水層之間的聯(lián)系，使頂部和深部含水層各成系統(tǒng)(圖2)。

1.1.2.3 構(gòu)造隆起形成相對隔水墻

礦區(qū)發(fā)育的一組北北東向深大構(gòu)造[2](F4、F5等)，將中部隔水地層逆推隆起，在礦床以東局部區(qū)域的構(gòu)成隱伏相對隔水墻[1](圖2、圖3)。F4的東側(cè)隱伏相對隔水墻連續(xù)性好，頂部標(biāo)高在0 m 以上，有效地緩沖了東部及南部向礦坑充水的徑流。

圖2 含水層、隔水層與礦體關(guān)系

圖3 相對隔水墻與疏干工程關(guān)系

1.1.2.4 底部隔水層

伏于深部含水層之下，分布穩(wěn)定、厚度較大的泥盆系中統(tǒng)東崗嶺階下亞階和泥盆系中下統(tǒng)桂頭群砂頁巖構(gòu)成礦區(qū)的隔水底板。頂部含水層和深部含水層沒有明顯的水力聯(lián)系，各成獨立的水文地質(zhì)單元[1]。但兩含水層均與礦床有直接的關(guān)系(見圖2)。

1.2 地下水補給源

1.2.1 大氣降水

礦區(qū)有效匯水面積27.5 km2，年均平均降雨量超過1 600 mm，雨季時段長達(dá)6個月。大氣降雨通過松散的第四系沖洪積層下滲或通過地表塌陷“天窗”下灌[3]，補給地下水，含水層地下水位隨季節(jié)變化明顯。礦坑旱季涌水量平均增加2.8萬m3/d，雨季涌水量平均3.8萬m3/d以上，最大涌水量6.9萬m3/d。

1.2.2 地表水

礦區(qū)分布眾多的地表水，在11 km2的影響范圍內(nèi)有萬畝水田、100多個大小水塘、數(shù)千米的排灌溝及自西向東橫貫礦區(qū)的凡口河。地表水長期緩慢下滲補給地下水，為地下水的又一重要補給源。

1.2.3 含水層水側(cè)向徑流

由于壺天群強巖溶含水層分布面積廣，除大氣降雨及地表水的下滲補給外，還接受側(cè)向徑流補給。原始狀態(tài)下，地下水由北西流向東南。疏干過程中，地下水逆流向開采區(qū)域，在穩(wěn)定疏干漏斗邊緣有長達(dá)5 km的側(cè)向徑流補給。

1.3 礦坑充水特征

頂部含水層地下水向礦坑充水以巖溶管道流為主。疏干初期充水量大，瞬間流量大、迅猛，泥砂含量也較大。降落漏斗穩(wěn)定后，隔水邊界及隱伏相對隔水墻的作用，礦坑充水范圍受到了一定限制，充水通道主要集中在3個方向[3]：①F4～F5的南部進(jìn)水通道，補給量2.2萬～3.3萬m3/d；②西部隔水邊界至F4之間的西南部進(jìn)水通道，補給量1 000～1 500 m3/d； ③東北部進(jìn)水通道，補給量2 500～3 500 m3/d。

深部含水層地下水通過裂隙向礦坑充水。構(gòu)造破碎帶、剪切裂隙、層間脫離等發(fā)育，儲水空間較豐富，充水瞬間流量較大，水壓較高，但補給量少，多以消耗靜儲量為主。深部含水層充水量5 000～7 000 m3/d。

2 礦床巖溶大水防治措施

2.1 地下水防治

根據(jù)巖溶發(fā)育和富水的分帶性，在淺部地段地下水補給通道上布置相應(yīng)的工程，將礦床地下水靜儲量疏干，攔截動流補給量。將專用截流巷道與分中段超前疏干相結(jié)合[1]，在強巖溶帶底部的相應(yīng)中段(0，-40 m中段)礦體分布范圍以外，地下水進(jìn)入采區(qū)的主要方向上設(shè)立永久性專用截流巷道，攔截地下水補給量；在礦床外側(cè)利用隔水邊界建筑地下帷幕墻，封堵巖溶通道，阻隔地下水向礦坑充水；在采區(qū)范圍內(nèi)布置適當(dāng)?shù)奶椒潘こ?，疏干殘留水及弱含水中的地下水?/p>

2.1.1 淺部截流疏干

2.1.1.1 截流疏干工程布置原則

根據(jù)巖溶發(fā)育及富水性的分帶性確定截流巷的垂直位置，根據(jù)隔水層及隱伏相對隔水墻的分布特點確定截流巷的水平位置，根據(jù)地下水補排關(guān)系確定放水硐室及放水孔的施工位置與方向，根據(jù)地下水補給量和泥砂含量確定截流工程規(guī)模，配置排水系統(tǒng)及沉泥系統(tǒng)。

2.1.1.2 截流疏干工程布置

(1)專用截流巷布置。在0 m中段開掘了北部截流巷，主要攔截礦區(qū)北部及東北部地下水；在-40 m 中段布開掘了3條截流巷：南截流巷、獅嶺南截流巷和新南截流巷，主要攔截南部及東部的地下水(圖3)。

(2)放水硐室及放水孔布置。在截流及放水巷道內(nèi)，每隔50～100 m布置1個放水硐室，每個硐室布置叢狀放水孔3～5個。在-40 m截流巷地段，從地表施工了貫通截流巷放水硐室的6個直通式放水孔，用于疏干放水。

(3)排水泵房及沉泥系統(tǒng)。分別于0，-40，-160 m 中段配置排水泵房，截流巷、放水孔攔截的地下水通過泵房排至地表。地下水中含0.1%～1.5%的泥砂，在-40 m截流巷配置了排泥系統(tǒng)，地下水排至地表沉泥庫，沉淀泥砂后排放。

截流系統(tǒng)工程量見表1。

表1 主要截流疏干工程量

2.1.1.3 截流疏干效果

(1)1984年截流工程完成后，1985年礦區(qū)形成了一個半徑3 000 m、體積15 000×104m3的穩(wěn)定疏干降落漏斗，排出水量26 715×104m3。

(2)水位降至強巖溶帶底部，采區(qū)處于疏干狀態(tài)，水位降至-14 m以下，疏干前因突水涌泥而被迫停工的巷道，疏干后順利掘進(jìn)，確保礦體安全開采。

2.1.2 注漿堵水

2.1.2.1 局部地段注漿堵水

在主排灌溝、河床和重要的建構(gòu)筑物地段，因排水引起地基開裂、塌陷，可利用鉆孔注漿堵水，加固治理[4]。從1996—2013年完成尾礦管、充填壩等地段9項注漿工程，共施工鉆孔103個，消耗水泥1 833.34 t，水玻璃12.62 t，輔助劑1.25 t。這些地段經(jīng)處理后，未再發(fā)生坍塌開裂現(xiàn)象，生產(chǎn)設(shè)施穩(wěn)定安全，井下涌水有所減少。

2.1.2.2 帷幕注漿堵水

2007年8月，正式啟動了帷幕注漿堵水工程，其目的：①確保新探明的處于疏干漏斗保護(hù)之外的東礦帶礦體安全開采；②減少礦坑涌水量，節(jié)能減排；③從根本上防治塌陷，修復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

幕址選擇的原則[5]：①在現(xiàn)有截流工程之外，不影響截流工程對采礦安全的保護(hù)；②幕墻處在東礦帶采礦有效安全距離以外，必須圍蔽95%以上的礦體；③充分利用隔水邊界和東部F5、F6斷層隱伏相對隔水墻，因此，在現(xiàn)有疏干工程和東礦帶礦體開采范圍以外，利用隔水邊界(或東北部高水位區(qū))作為幕肩布置帷幕軸向，采用單排孔施工幕墻[6]，攔截東部、東南部和南部的地下水徑流補給(圖1)。

注漿施工歷時6 a，分5期進(jìn)行，于2014年2月全面完成，取得以下成果：①開發(fā)應(yīng)用了改性黏土漿、尾砂漿、改性尾砂漿、空氣包裹砂漿、水泥水玻璃雙液漿和改性黏土雙液漿6種注漿材料；②帷幕總長1 698 m，鉆孔進(jìn)尺45 085 m，注漿量199 402 m3，消耗水泥65 706 t、黏土69 958 t、尾砂12 676 t、水玻璃4 017 t、谷殼稻草8 793袋、砂礫2 452 t，以及其他大量的輔助材料；③堵水率達(dá)到68%，超過了60.7%的設(shè)計值[4]，完成后一個水文年度觀測，平均涌水量由25 430 m3/d減少到7 779 m3/d，每年減少排水量644×104m3；④地表塌陷大幅減少，塌陷減少率達(dá)70%，疏干漏斗大幅回縮，回縮直徑1 500～2 000 m，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境基本恢復(fù)，環(huán)境生態(tài)效應(yīng)顯現(xiàn)；⑤減少對地下水環(huán)境及地表水系的影響，水資源得到有效保護(hù)，每年少排井下水644×104m3，大幅減少排水電費，同時泥砂含量由0.5%～2%減少至0.05%～0.5%，大大減少對地表水系的影響；⑥為淺部數(shù)百萬噸優(yōu)質(zhì)礦體開采創(chuàng)造了安全條件，經(jīng)濟(jì)效益巨大；⑦對強動水條件下帷幕注漿的一些關(guān)鍵技術(shù)，如空洞大裂隙封堵、漿液流失控制等注漿材料和技術(shù)進(jìn)行了探索，積累了經(jīng)驗。

2.1.3 引流消殘

對于井下局部地段的殘余水[3]，適當(dāng)布置探放水工程，疏干殘余靜水，消除涌水涌泥威脅，治理淺部疏干漏斗內(nèi)采區(qū)的殘余水和深部含水層采區(qū)內(nèi)的裂隙水。

2.1.3.1 淺部礦體引流消殘

對-40，-80 m中段頂部礦體殘留水進(jìn)行疏導(dǎo)，施工11個探放水鉆孔，總進(jìn)尺683.5 m，掘進(jìn)巷道511 m3，疏導(dǎo)引流了大量泥砂，消除了安全隱患。

2.1.3.2 溜井引流消殘

溜井建成后，因水量較大，常發(fā)生拉礦事故。地下水主要來自-280～-350 m的裂隙含水層，先后進(jìn)行了4次治理(表2)：第一次采用疏排和堵水的方法，于-160，-200，-240，-280 m 4個中段溜井口附近嚴(yán)重滲水地段施工泄水孔，砌筑導(dǎo)水溝等工程，將溜井周圍積水疏導(dǎo)，在涌水點位置施工鉆孔注漿截流；第二次采用井壁涌水點施工疏水孔的疏排方案，分別于-320和-360 m井筒周圍的巷道施工仰孔導(dǎo)流(圖4)；第三次治理-280 m 5#卸礦槽頂板淋水；第四次在-280，-360 m中段對原疏水孔進(jìn)行掃孔和補打少量疏水孔。通過4次治水，解決了5#溜井因水量大造成的拉礦問題。

表2 5#溜井井筒治水情況

圖4 -320 m 4#、5#溜井疏干孔工程布置

2.2 地面防治

2.2.1 地表治塌防滲

大范圍疏干導(dǎo)致地面產(chǎn)生了不同程度的沉降、開裂、塌陷，其范圍與疏干漏斗范圍基本一致，半徑東2 900 m，南2 700 m，北部到達(dá)隔水邊界，西過凡口河，達(dá)550×104m2。農(nóng)田受損66.7 hm2，建筑搬遷7 000 m2，報廢鐵路4 000 m、公路1 500 m。大氣降雨及地表水通過塌陷開裂回灌井下，導(dǎo)致井下排水量迅猛增加，危及生產(chǎn)。至2013年，塌陷坑累計超過3 000 個。因此，治理塌陷是防治水的重中之重。

2.2.2.1 塌陷活躍性分區(qū)[3]

根據(jù)塌陷活躍程度，將塌陷區(qū)劃分為塌陷高發(fā)區(qū)、塌陷活躍區(qū)、塌陷低發(fā)區(qū)、塌陷趨穩(wěn)區(qū)4個區(qū)域，有針對性地進(jìn)行治理。

2.2.2.2 塌陷治理技術(shù)措施

總治理原則為及時發(fā)現(xiàn)，及時治理[7]，不同區(qū)域的塌陷采用不同的技術(shù)治理。主要有8種塌陷治理措施：①分層回填；②回填固底；③簡易注漿；④注漿加固防滲；⑤疏導(dǎo)引流；⑥圍堤；⑦改田保地；⑧截流改道。

塌陷低發(fā)區(qū)和塌陷趨穩(wěn)區(qū)采用分層回填和回填固底的方法；塌陷活躍區(qū)先用簡易注漿法、快速堵漏法處理溶洞底后進(jìn)行回填，以降低塌陷的復(fù)活頻率；對于發(fā)生在河道、生產(chǎn)生活設(shè)施和主要排灌溝渠等處塌陷或塌陷高發(fā)區(qū)，利用一般注漿法、孔內(nèi)造漿注漿法、旋噴樁局部帷幕法和埋管回填注漿法等技術(shù)進(jìn)行徹底治理。

2.2.2.3 土地復(fù)墾

塌陷低發(fā)區(qū)和塌陷趨穩(wěn)區(qū)經(jīng)治理后直接墾復(fù)；塌陷高發(fā)區(qū)、塌陷活躍區(qū)治理后，觀測其活動情況，沒有穩(wěn)定則保留賠產(chǎn)，基本穩(wěn)定則改水田為旱地，比較穩(wěn)定則復(fù)墾為水田。土地復(fù)墾方法步驟：平整—覆土—造地—筑溝—交地。

礦山從1994年12月開始進(jìn)行大規(guī)?；靥钫嗡?，至2013年共回填塌陷坑2 909個，回填體積達(dá)到121.76萬m3，修復(fù)排水溝3 930.75 m，復(fù)墾農(nóng)田21.235 hm2，年均投入塌陷治理費400萬元。

2.2.2 截洪疏浚

1985—1986年，礦山在疏干降落漏斗穩(wěn)定后，治水重點放在了地面截洪疏浚、防滲處理上[3]。主要進(jìn)行3項工作：修筑截洪工程，凡口河改道加固防滲，疏排低洼區(qū)積水(表3)。

表3 截洪疏浚防滲治理主要工程

2.2.2.1 修筑截洪工程

修筑了斷面約40 m2、長2 100 m的截洪河，分流攔截凡口河上游洪水，匯水面積達(dá)7.25 km2；在礦區(qū)北部山坡底開挖1 800 m排洪溝，雨季坡面流全部進(jìn)入排洪溝渠，匯入凡口河下游排泄，不再進(jìn)入塌陷區(qū)，避免下滲。

2.2.2.2 凡口河改道加固

將蜿蜒于礦區(qū)的凡口河取直改道，使河水在塌陷區(qū)停留的時間縮短，同時疏干漏斗內(nèi)的河道，用鋼筋混泥土輔底加固防滲，河流改道固底總長達(dá)7 200 m，起點從凡口河截洪口到疏干漏斗邊界。

2.2.2.3 引流疏排積水

對于地勢低洼和沉降塌陷區(qū)積水，修筑引流溝疏排，回填整平，防止積水，以減少滲透倒灌。據(jù)測算，經(jīng)過地表塌陷治理和河道防滲處理后，年平均減少下滲和倒灌水量達(dá)12287m3/h。

3 結(jié) 語

凡口鉛鋅礦歷時60余a，運用多種技術(shù)方法防治礦床巖溶大水，取得了顯著效果，確保了礦山安全生產(chǎn)，積累了豐富的治理經(jīng)驗:①查明水文地質(zhì)條件，有效利用水文地質(zhì)邊界及相應(yīng)的隔水(相對隔水)體，科學(xué)合理地選擇防治方法；②標(biāo)本兼治，治本為主，滿足礦山安全生產(chǎn)的實際需要；③依靠科技進(jìn)步，不斷探索和應(yīng)用新技術(shù)新方法。

[1] 潘保琰，林紹標(biāo)，羅良經(jīng)，等.凡口鉛鋅礦巖溶含水層淺部截流疏干研究[R].韶關(guān)：凡口鉛鋅礦，1992.

[2] 翟麗娜，蔡錦輝，劉慎波.廣東凡口鉛鋅礦床成礦地質(zhì)特征及資源預(yù)測[J].華南地質(zhì)與礦產(chǎn)，2009(2)：37-41.

[3] 熊萬勝，曹文生.凡口鉛鋅礦的水文地質(zhì)及災(zāi)害治理[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2008，28(S)：40-43.

[4] 歐陽仕元，樂 應(yīng)，劉 源.鉆孔注漿治理河床塌陷實踐[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2014(9)：161-162.

[5] 歐陽仕元，曹文生，林以齊.凡口鉛鋅礦帷幕注漿截流工程總結(jié)報告[R].韶關(guān)：凡口鉛鋅礦， 2014.

[6] 王伏春，劉 源，樂 應(yīng).強巖溶地質(zhì)動水注漿技術(shù)探討[J].探礦工程，2014，41(2)：78-81.

[7] 張新社.廣東省凡口鉛鋅礦礦區(qū)地下水害防治方案研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2010.

2014-11-17)

歐陽仕元(1964—)，男，副總工程師，高級工程師,512325 廣東省韶關(guān)市仁化縣董塘鎮(zhèn)。