王道山，李文杰

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，河南鄭州450016;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州450001)

礦山透水是指在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中，地表水或地下水通過裂隙、斷層等各種通道涌入礦井內(nèi)，當(dāng)?shù)V井涌水量超過正常排水量時(shí)，所造成的淹沒井巷的事故。由于井下作業(yè)環(huán)境惡劣，巷道狹窄，一旦發(fā)生透水事故，往往造成群死群傷，危害較嚴(yán)重，而且不利于救援。即使成功救援，也是耗資巨大。

礦山多年強(qiáng)烈的采礦工程活動(dòng)，形成的地下采空區(qū)，點(diǎn)多、面廣、層復(fù)雜，地表泉水干枯、地下老窟廢井積水等，使原有的水文地質(zhì)條件發(fā)生了變化。因此，進(jìn)行礦山井巷涌水量預(yù)測(cè)及井巷透水可能性分析是十分必要的。

1 區(qū)域水文地質(zhì)

1.1 礦區(qū)自然概況

1.1.1 氣象水文

本區(qū)屬半濕潤(rùn)的南暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)向濕潤(rùn)的北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)過渡地帶，春暖、夏熱、秋涼、冬寒。多年平均氣溫14.5℃，歷年最高平均38℃，最低平均-10.7℃，極端最高40.3℃，極端最低-13.5℃;多年平均降水量928.01 mm，最高年份1 432.7 mm，最低年份530.7 mm，7～9月為集中降水期;多年平均蒸發(fā)量1 653.9 mm，最高年份2 229.2 mm，最低年份1 303.9 mm;平均絕對(duì)濕度14.0 mb，平均相對(duì)濕度72.6%，平均霜期148 d。

該區(qū)地處桐柏山北麓，山脈多呈北西—南東走向。長(zhǎng)江流域和淮河流域的分水嶺從調(diào)查工作區(qū)通過。區(qū)域地表水有毛集河、鐵山廟河與馬谷田河，分別流向東南和西南，距礦區(qū)較遠(yuǎn)，其中馬谷田河距離礦區(qū)西北約5.0 km，一般流量0.05～1.00 m3/s，屬泌陽河支流，為附近較大溪流。礦區(qū)北2.5 km為王莊水庫，匯水面積6.7 km2。區(qū)域地表水對(duì)礦區(qū)無影響。

1.1.2 地形地貌

工作區(qū)地處桐柏山北麓，山脈多呈北西—南東走向，地勢(shì)西南高、北東低，屬低山丘陵區(qū)，地形較緩。最高點(diǎn)高程390.8 m，最低點(diǎn)高程217.0 m，最大相對(duì)高差173.8 m，坡度20°～35°。區(qū)內(nèi)植被發(fā)育。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)概況

區(qū)域大部分地層出露為下元古界毛集群堡子組，自上而下可分為角閃斜長(zhǎng)片麻巖帶、上混合巖帶、斜長(zhǎng)角閃片巖夾大理巖帶和下混合巖帶。其他左老莊組—銀洞溝組地層在東北部和西南部出露。此套地層由斜長(zhǎng)角閃片巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖、角閃更長(zhǎng)片麻巖、大理巖和條痕狀混合巖以及混合花崗巖組成。上述柔性巖類經(jīng)擠壓和變質(zhì)作用，使巖石致密堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育，含水性和透水性很弱。據(jù)抽水試驗(yàn)資料(地質(zhì)報(bào)告)，單位涌水量0.000 573～0.005 6 L/s·m，滲透系數(shù)0.003 573～0.009 12 m/d。唯有片巖夾大理巖帶的含水性稍強(qiáng)，單位涌水量0.006 17～0.032 30 L/s·m，滲透系數(shù)0.012 13～0.117 3 m/d。

大理巖帶呈北西—南東向展布，全長(zhǎng)20 km左右，均為斷續(xù)出露，且某些地段被北東—南西向斷層錯(cuò)動(dòng)而支離破碎(長(zhǎng)200～2 000 m)，造成大理巖內(nèi)的地下水互不聯(lián)系。

第四系僅在山坡低凹處和河床及兩側(cè)出露，厚度和范圍均很小，由粉質(zhì)粘土和沖積砂層組成，局部賦存孔隙潛水。

左老莊組—銀洞溝組的大理巖距礦區(qū)很遠(yuǎn)，中間又隔著巨厚的透水性弱的片巖類巖石，因此該大理巖內(nèi)的地下水不可能補(bǔ)給礦區(qū)。

區(qū)內(nèi)地表水有毛集河、鐵山廟及馬谷田河，分別流向東南和西南，距礦區(qū)很遠(yuǎn)，對(duì)礦區(qū)無影響。

根據(jù)上述分析，區(qū)域地下水和地表水對(duì)礦區(qū)均無大的影響。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)

2.1 礦區(qū)地層巖性

礦區(qū)出露地層為下古生界二郎坪群劉山巖組(Pz1l)和第四系(Qpel+dl、Qhal)。

2.1.1 下古生界二郎坪群劉山巖組(Pz1l)

該巖組按巖性組合特征劃出四個(gè)巖性帶，從老至新為:(1)下混合巖帶(Pz1l1):主要巖性為條痕狀混合巖及少量的混合花崗巖，厚度大于300 m。(2)斜長(zhǎng)角閃片巖夾大理巖帶(Pz1l2):分布在條山背斜兩翼均有出露，巖性以斜長(zhǎng)角閃片巖夾大理巖為主，并夾有條痕狀混合巖，厚度8～178 m。(3)上混合巖帶(Pz1l3)，該巖帶分布于條山背斜兩翼，南西翼混合巖化強(qiáng)度較弱，多為條痕狀混合巖，并夾有較多的斜長(zhǎng)角閃片巖殘?bào)w，在條山斷層以南拐子溝尚夾有厚度較大的黑云綠泥片巖和白云片巖。北東翼混合巖化較強(qiáng)，以混合花崗巖為主，而斜長(zhǎng)角閃片巖殘?bào)w也較少，厚度180 m。(4)角閃斜長(zhǎng)片麻巖帶(Pz1l4)，分布于礦區(qū)東南部拐子溝，厚度達(dá)數(shù)百米，主要巖性為角閃斜長(zhǎng)片麻巖，巖石多受不同程度混合巖化作用，常夾有薄層的斜長(zhǎng)角閃片巖及條痕狀混合巖。

2.1.2 第四系(Qpel+dl、Qhal)

礦區(qū)北部大約在250 m左右標(biāo)高以下的溝谷中多為殘、坡積兩種成因所形成的粉土和粉質(zhì)粘土，其中含有少量的鈣核，厚度一般5～10 m，局部可達(dá)40 m。在條山溝、陳家溝間歇性河流兩側(cè)分布有少量的沖積砂礫。在250 m標(biāo)高以上地形坡度較陡的山區(qū)，第四系均為殘坡積層，巖性為碎石砂土。

2.2 含水層(組)及隔水層(組)

根據(jù)其礦區(qū)地層巖性、含水層(巖)組富水性、分布位置劃分出以下兩個(gè)類型區(qū)。

2.2.1 大理巖裂隙巖溶承壓含水層(組)

該含水層(組)分布于A礦帶各礦體的頂板，與斜長(zhǎng)角閃片巖互層，呈大小不等的似層狀、透鏡狀，以單斜的形式產(chǎn)出。傾向北東，傾角30°～70°，上陡下緩、上寬下窄，斷續(xù)出露長(zhǎng)約2 000 m，連續(xù)長(zhǎng)度一般200～300 m，地表出露單層厚度4～100 m，一般10～30 m，總厚度150～300 m。

大理巖沿傾向自上而下層數(shù)減少，厚度有逐漸變薄的趨勢(shì)，可能在深部尖滅被片巖類巖石所吞沒。

據(jù)詳勘地質(zhì)報(bào)告鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果:

標(biāo)高240 m以上富水性較差，單位涌水量0.000 020～0.000 091 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 296 ～0.000 302 m/d，水質(zhì)屬HCO3—Ca·Na型水，pH值7.2。按《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》規(guī)定，單位涌水量小于0.001 L/s·m時(shí)可視作隔水層，現(xiàn)狀標(biāo)高240 m以上大部分為采空區(qū)，其地下水基本被疏干。

標(biāo)高240 m以下單位涌水量0.061 7～0.032 3 L/s·m，滲透系數(shù)0.012 13～0.117 3 m/d，為 HCO3—Ca型水，溶解性總固體144～329.77 mg/L，總硬度87.08～217.53 mg/L，pH值7.5，水溫18℃。現(xiàn)狀礦區(qū)Ⅰ號(hào)礦體已被開采至0 m標(biāo)高，其上部地下水也已被部分疏干。

2.2.2 基巖裂隙含水層(組)

該含水層(組)分布在B礦帶三不管到大堰的長(zhǎng)條帶上即背斜軸及其附近，為背斜谷地形。由混合花崗巖、條痕狀混合巖和斜長(zhǎng)角閃片巖及鐵礦層組成。因處于背斜軸部，在張應(yīng)力和外營(yíng)力的作用下，巖石稍有破碎，裂隙寬2～5 cm且不均勻，由于巖性不同，裂隙發(fā)育程度也不同，混合花崗巖＞條痕狀混合巖＞斜長(zhǎng)角閃片巖。據(jù)巖心觀察在水平方向上和垂直方向上即向背斜軸部?jī)蓚?cè)和深部裂隙發(fā)育程度有逐漸減弱的趨勢(shì)，此處裂隙發(fā)育深度約在150 m標(biāo)高左右，因此150 m標(biāo)高以下可視為隔水層。風(fēng)化帶約10～15 m。地下水位埋深2～20 m，一般10 m左右，水位標(biāo)高215～260 m，一般230 m，流向條山溝，受地形控制，水力坡度和地形坡度基本一致，約5°左右。

據(jù)淺井、鉆孔抽水試驗(yàn)資料證明，上部風(fēng)化帶裂隙潛水單位涌水量0.001 320 L/s·m，滲透系數(shù)0.005 191 m/d，水質(zhì)屬HCO3·cl—Ca·Na型水，溶解性總固體486.24 mg/L，總硬度187.32 mg/L，pH值7.20。下部基巖裂隙潛水單位涌水量0.002 3～0.005 6 L/s·m，滲透系數(shù)0.005 103～0.009 12 m/d，水質(zhì)屬 HCO3·SO4—Ca·Na型水，溶解性總固體207～299 mg/L，總硬度106.68～170.02 mg/L，pH值7～7.8。為弱含水層且地下水循環(huán)條件很差。

在A礦帶大理巖頂板以上即上混合巖帶，除15～20 m的風(fēng)化帶外，其余的比較致密，裂隙不發(fā)育，只有個(gè)別部位巖石稍有破碎。據(jù)ZK317孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，水位降深57.55 m，涌水量0.333 L/s，單位涌水量0.000 573 L/s·m(按規(guī)范單位涌水量﹤0.001 L/s·m可視作隔水層)，滲透系數(shù)0.003 57 m/d。

2.3 隔水層(組)

礦區(qū)隔水層(組)分布在A礦帶大理巖之間和礦層的底板(頂板個(gè)別部位也有，但厚度不一)，由斜長(zhǎng)角閃片巖、片麻巖和鐵礦層等組成。巖石致密堅(jiān)硬，以閉合裂隙為主，稍有開放裂隙，但裂隙面均有方解石細(xì)脈和鈣質(zhì)薄膜充填，隔水性能較好。

B礦帶150 m標(biāo)高以下的各類巖石，由于裂隙逐漸減弱，含水性和滲透性也相應(yīng)減弱，可視為隔水層。

2.4 構(gòu)造對(duì)礦坑充水的影響

礦區(qū)構(gòu)造受區(qū)域構(gòu)造的嚴(yán)密控制。除褶皺(條山背斜)外，斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，主要表現(xiàn)為北東向和近東西向兩組斷裂構(gòu)造，對(duì)已知礦體均有不同程度的破壞作用。由于地貌、地表水、巖性、自然地理等條件所決定，構(gòu)造對(duì)礦坑充水無嚴(yán)重影響。構(gòu)造帶充水的強(qiáng)弱主要決定于巖性，即當(dāng)斷裂構(gòu)造帶通過脆性大理巖(可溶巖)時(shí)，形成構(gòu)造破碎帶，加之地下水活動(dòng)和溶蝕作用形成裂隙和巖溶就有富水的可能性;當(dāng)斷裂構(gòu)造帶通過片巖類和混合巖類巖石時(shí)，往往形成糜棱巖和碎裂巖，未給地下水提供儲(chǔ)存和活動(dòng)的空間條件，因此含水性和透水性就差或者形成隔水墻。區(qū)內(nèi)與各礦體有關(guān)的斷裂構(gòu)造有 F6、F7(條山斷層)、F12、F17、F3、F4、F1、F9、F2、F13和F19(大堰斷層)共12條，見圖1?，F(xiàn)將主要斷層對(duì)礦坑充水程度分述如下:

2.4.1 F6、F7(條山)斷層

為兩個(gè)性質(zhì)相同的斷層所集成的斷裂帶，寬10～50 m，傾向近北，傾角60°～80°，走向近東西。東起陳家溝水庫與陳家溝斷層相接，經(jīng)A礦帶l號(hào)礦體的邊部和B礦帶ⅩⅢ號(hào)礦體的邊部插入C礦帶。斷裂帶內(nèi)見有糜棱巖、碎裂巖、斷層角礫巖、擠壓菱體，并伴生有“入”字型分枝。斷裂帶在1號(hào)礦體南端以60°～80°的傾角斜插礦體底板，各坑道在揭穿該斷裂帶時(shí)，只有滴水現(xiàn)象，證明不是充水構(gòu)造，含水性微弱，可視為隔水墻。陳家溝水庫距Ⅰ號(hào)礦體390～470 m，該斷裂帶雖經(jīng)陳家溝水庫但庫底和庫邊有較厚的黃土狀粘土層隔離，其下又是巨厚的透水微弱的片巖類巖石，因此F6、F7斷裂構(gòu)造帶和陳家溝水庫對(duì)Ⅰ號(hào)礦體礦坑充水影響不大。

圖1 礦區(qū)構(gòu)造及平面布置圖

斷裂帶靠近B礦帶XⅢ號(hào)礦體。此礦體最低標(biāo)高250 m，由于斷裂帶含水、導(dǎo)水性微弱對(duì)該礦體礦坑充水影響也不大。

2.4.2 Fl2、Fl7、F3斷層

為通過A礦帶Ⅰ號(hào)礦體較大的斷層，對(duì)礦體均有破壞作用。上述斷層發(fā)育在大理巖內(nèi)，不論是壓扭性或張扭性但在斷層附近的大理巖均比較破碎，裂隙巖溶發(fā)育，給地下水的儲(chǔ)存和活動(dòng)創(chuàng)造了有利條件。據(jù)ZK272孔抽水試驗(yàn)資料水位降深27.13 m，涌水量0.408 L/s，和ZK219孔自然涌水資料，涌水量2.172 L/s，之后逐漸減小為0.186 L/s，證明斷層帶的含水性比非斷層帶的含水性要強(qiáng)。又如270平硐掘進(jìn)到Fl2斷層時(shí)，巷道發(fā)生臨時(shí)性突水，估算突水量300 m3左右。

2.4.3 F4、Fl、F5、F9、Fl3斷層

上述諸斷層分別穿過A礦帶Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅻ、ⅩⅦ、XⅧ諸礦體或從上述礦體的結(jié)合部位通過。但這些礦體均位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面(230 m標(biāo)高)以上，地形有利于自然排水，因此斷裂帶無論充水強(qiáng)弱，均對(duì)采礦影響不大。

F1斷層亦通過B礦帶XⅣ、Ⅵ、V號(hào)礦體的南端，由于巖性、地貌、自然地理?xiàng)l件所決定，巖石的含水性和導(dǎo)水性很弱，因此對(duì)采礦影響不大。

2.4.4 F19(大堰)斷層

為平推斷層，通過A、B礦帶的西北端插入C礦帶。在A、B礦帶內(nèi)，斷層橫穿片巖類巖石，距礦體200余m，故對(duì)礦坑充水影響不大。

表1 Ⅰ號(hào)礦體井巷涌水量預(yù)測(cè)成果表

2.5 地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄條件

礦區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流與排泄條件嚴(yán)格受巖性、構(gòu)造及采礦工程等條件控制。

2.5.1 地下水的補(bǔ)給條件

礦區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水入滲補(bǔ)給。地表大面積為第四系覆蓋，且植被發(fā)育。尤其是近年來礦區(qū)開采大理巖及鐵礦所留下的采坑采井，不利于地表徑流，給大氣降水入滲補(bǔ)給地下水提供了良好的條件。

2.5.2 地下水的徑流條件

A礦帶地下水總的徑流方向自南向北，自山脊向兩側(cè)流動(dòng)。徑流通道為構(gòu)造破碎帶、溶洞、溶隙等。由于A礦帶大面積采空，特別是Ⅰ號(hào)礦體，地下采空區(qū)為地下水徑流提供了良好的條件。

2.5.3 地下水的排泄條件

當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面標(biāo)高230 m，而目前的采空區(qū)已至0 m標(biāo)高，因而，地下水的自流排泄已經(jīng)基本不存在。地下水排泄主要為人工排水。據(jù)調(diào)查，Ⅰ號(hào)礦體目前的人工排水量200 ～450 m3/d。

3 井巷涌水量預(yù)測(cè)

由于礦區(qū)內(nèi)大部分地段礦體被采空，現(xiàn)僅對(duì)Ⅰ號(hào)礦體-30～-120 m標(biāo)高礦體進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算。選擇保有儲(chǔ)量最多的地段Ⅰ號(hào)礦體東北部，依據(jù)地質(zhì)報(bào)告102.5線ZK317孔抽水資料，采用最大一次降深所求參數(shù)，利用地下水動(dòng)力學(xué)“大井法”和“水平渠道法”分別對(duì)-30 m標(biāo)高和-120 m標(biāo)高進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知:-30 m標(biāo)高“大井法”Q=822.2 m3/d，“水平渠道Q:703.9 m3/d;-120 m標(biāo)高“大井法”Q=1 421.7 m3/d，“水平渠道法”:1 275.6 m3/d。總體上涌水量不是太大。

4 井巷突水可能性分析

從理論上來講，隨著礦山采深的不斷加大，影響井巷涌水或突水的地下水系統(tǒng)范圍也不斷擴(kuò)大，所受的水力邊界、補(bǔ)給的水量和分布、地形以及滲透系數(shù)的空間分布等制約因素變量也愈來復(fù)雜(見圖2)。由于特殊的自然地理環(huán)境和巖層巖性及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特點(diǎn)，礦區(qū)分屬于A、B兩個(gè)礦帶不同的地下水系統(tǒng)。A、B兩個(gè)礦帶之間的垂直距離大于50 m，由隔水層阻隔，無水力聯(lián)系。因此只要工程活動(dòng)或地質(zhì)活動(dòng)不破壞隔水層，不導(dǎo)致A、B兩礦帶聯(lián)通，那么影響礦井巷涌水或突水的因素，主要來自A礦帶地下水系統(tǒng)邊界范圍之內(nèi)。

圖2 井巷位置及與其相關(guān)的局部性、過渡性和區(qū)域性的地下水系統(tǒng)示意圖

據(jù)調(diào)查訪問，礦山開采所形成的地下采空區(qū)基本相互連通，但后期由于礦區(qū)內(nèi)無序亂挖濫采現(xiàn)象突出，地下井巷復(fù)雜且積水與否相互情況不明，人為鑿?fù)ɑ蛘叩叵缕较锛安煞糠彭敾蛱斐衫峡邚U井積水串通改變排泄方向，均易形成突發(fā)涌水事故。因此，井巷老窟突水是礦區(qū)開采最大的威脅。據(jù)訪問和瞬變電磁法物探結(jié)果表明，A礦帶采空區(qū)存在積水現(xiàn)象，是構(gòu)成井巷可能突水的潛在隱患。礦井巷突水分析評(píng)價(jià)結(jié)果如表2。

由上述分析認(rèn)為:大氣降水、地表水以及地下裂隙巖溶水對(duì)礦井巷突水的影響程度較小，廢礦井巷(老窟)積水對(duì)礦山井巷突水的影響程度大，是構(gòu)成井巷可能突水的主要因素。

5 結(jié)語

通過對(duì)影響礦井巷突水各種因素的綜合分析研究，為礦山下一步安全開采提供基礎(chǔ)資料，引起礦山高度重視，做好礦井水文及監(jiān)測(cè)工作，編制老窟水、斷層水等防探設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化。

表2 礦井巷突水分析評(píng)價(jià)結(jié)果一覽表

[1]河南省地質(zhì)局地質(zhì)九隊(duì).河南省泌陽縣條山鐵礦區(qū)詳細(xì)勘探地質(zhì)報(bào)告(1:2000).1979.3.

[2]河南省地質(zhì)礦產(chǎn)廳第三水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì).中華人民共和國(guó)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告(1:20萬桐柏幅).1993.9.

[3]河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)工程院.河南省泌陽縣條山鐵礦A礦帶東段鐵礦資源儲(chǔ)量核查報(bào)告.2005.5.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范(GB12719-1991).

[5]中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局.水文地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:地質(zhì)出版社.2012.