邢翔宇　宋愛東　陳彥亭

(河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司)

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司家營鐵礦南區(qū)水文地質(zhì)問題及解決對(duì)策

邢翔宇宋愛東陳彥亭

(河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司)

摘要分析了司家營鐵礦南區(qū)水文地質(zhì)條件，重點(diǎn)闡述了該區(qū)含(隔)水層特征、斷層破碎帶水文地質(zhì)特征、礦床充水因素。總結(jié)了該礦區(qū)當(dāng)前面臨的主要水文地質(zhì)問題，提出了確定合理的礦坑安全頂板厚度、過斷層破碎帶綜合防治水技術(shù)、未封堵老鉆孔處理方案、礦坑頂板監(jiān)測體系等對(duì)策，為礦山開展水文地質(zhì)工作指明了方向，為確保礦山安全開采提供參考。

關(guān)鍵詞水文地質(zhì)條件對(duì)策安全頂板斷層破碎帶防治水

大水金屬礦床是指水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦坑涌水量每日數(shù)萬立方米以上的礦床[1-3]，我國存在著大量該類礦床。該類礦山在開發(fā)過程中受水文地質(zhì)條件影響大，水文地質(zhì)問題突出，在礦山基建及生產(chǎn)過程中易發(fā)生突水事故，突然增加的涌水對(duì)巖石穩(wěn)定性的擾動(dòng)較大。由于大水礦山的水害發(fā)生突然、出水量大、破壞性強(qiáng)，一旦發(fā)生，常帶來嚴(yán)重的人身傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。因此，通過深入分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件，研究其中的水文地質(zhì)問題，有效解決礦山基建及生產(chǎn)中的防治水難題，可對(duì)大水礦山的安全開采起到保駕護(hù)航的作用。司家營鐵礦南區(qū)礦體埋藏較深，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，上覆厚大第四系含水層，屬超大規(guī)模低品位、復(fù)雜大水礦床。該礦區(qū)進(jìn)行了大量的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘探工作，為分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件、礦山基建及開采情況提供了參考資料。本研究以該礦區(qū)為例，對(duì)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)問題進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)相應(yīng)的解決措施進(jìn)行探討。

1礦區(qū)水文地質(zhì)條件

1.1礦區(qū)含(隔)水層

根據(jù)礦區(qū)含水層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征、巖性差異、風(fēng)化程度及透水性強(qiáng)弱，自上而下將礦區(qū)含水層分為第四系松散巖孔隙水含水層(組)，基巖風(fēng)化裂隙水含水層(組)、基巖構(gòu)造裂隙水含水層(帶)等3個(gè)含水層(組)。

(1)第四系松散巖孔隙水含水層(組)。該含水層(組)透水性強(qiáng)、富水性好，可劃分為上部強(qiáng)含水層、中部主隔層、下部中等含水層、底部相對(duì)隔水層。上部強(qiáng)含水層主要分布于一級(jí)階地，厚50～60 m，以砂礫卵石為主，結(jié)構(gòu)松散，滲透系數(shù)300～680 m/d，分布廣、厚度大、透水性強(qiáng)、水量豐富。中部主隔層一般厚5～8 m，最大15 m，除部分缺失外，全區(qū)均有分布，層位較穩(wěn)定，巖性主要為淤泥質(zhì)、粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉土，其次為粉質(zhì)黏土和粉土，為第四系主隔水層。下部中等含水層位于中部主隔層之下，分布尚穩(wěn)定，透水性很不均一，上帶以中—粗砂、中—細(xì)砂為主，厚10～30 m，滲透系數(shù)38～50 m/d，最大140 m/d；下帶以粉—細(xì)砂、含角礫砂土、弱膠結(jié)砂土為主，一般厚20～30 m，滲數(shù)系數(shù)8.84～52.10 m/d，弱膠結(jié)砂土滲數(shù)系數(shù)0.04～2.09 m/d。底部相對(duì)隔水層基巖面之上巖性以砂質(zhì)黏土、含角礫碎石質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉土為主，厚0～93.00 m，平均12.94 m，滲透系數(shù)平均9.40×10-5m/d，分布極不均一，連續(xù)性差，局部缺失形成“天窗”，“天窗”的存在加強(qiáng)了第四系水與基巖裂隙水的水力聯(lián)系。

(2)基巖風(fēng)化裂隙水含水層(組)。該含水層(組)可劃分為強(qiáng)風(fēng)化帶和弱風(fēng)化帶。強(qiáng)風(fēng)化帶直接與第四系接觸，底板埋深64.89～271.57 m，厚度4.03～62.04 m，結(jié)構(gòu)松散，呈塊狀、碎塊狀、碎屑狀，風(fēng)化裂隙多被泥質(zhì)、鈣質(zhì)、砂質(zhì)連續(xù)充填，透水性、富水性差，滲透系數(shù)0.000 4～0.094 m/d。弱風(fēng)化帶位于強(qiáng)風(fēng)化帶底板以下，由中等風(fēng)化巖石組成，底板埋深68.99～286.57 m，厚3.00～56.42 m，結(jié)構(gòu)以塊狀為主，巖石節(jié)理裂隙面大多具泥質(zhì)、鈣質(zhì)薄膜充填，裂隙發(fā)育，透水性、富水性主要受控于礦區(qū)斷裂構(gòu)造。構(gòu)造不發(fā)育地段，滲透系數(shù)0.037 7～0.280 8 m/d；構(gòu)造發(fā)育地段，透水性、富水性較強(qiáng)，滲透系數(shù)0.373 7～0.653 4 m/d，最大22.42 m/d，弱風(fēng)化帶為風(fēng)化裂隙水的主要賦存部位。

(3)基巖構(gòu)造裂隙水含水層(帶)。該含水層(組)由斷層及其影響帶構(gòu)成，包括破碎帶、蝕變帶、裂隙帶，其平面分布及垂向延伸嚴(yán)格受斷層控制。構(gòu)造裂隙水含水層空間分布及其透水性、富水性極不均一，一般是斷層帶附近厚度大，巖石極度破碎，泥化現(xiàn)像明顯，含水較弱，滲透系數(shù)平均0.049 m/d。斷層影響帶巖石破碎程度降低，破碎帶厚度減小，并以各類充填程度較低的構(gòu)造裂隙帶為主，含水較強(qiáng)，特別是多條斷層組成的復(fù)合影響帶透水性、富水性普遍較好，滲透系數(shù)平均0.55 m/d。

1.2斷層水文地質(zhì)特征

礦區(qū)主要斷層有6條，即F9、F10、F11、F12、F13、新河斷裂，平面上沿?cái)嗔褬?gòu)造走向呈帶狀分布于南礦段、大賈莊礦段范圍內(nèi)，在垂向上變化規(guī)律復(fù)雜，主干斷層向上近對(duì)稱分支，顯示基巖淺部破碎范圍大，深部變窄。斷層水文地質(zhì)特征表現(xiàn)在斷層自身含水微弱，斷層影響帶含水相對(duì)豐富，滲透系數(shù)為斷層帶的10～23倍。礦區(qū)斷層特征見表1。

表1　礦區(qū)斷層特征

1.3礦床充因素

地下水是礦床充水的主要水源[4]，礦區(qū)各斷層相互影響，互相溝通，在南礦段與大賈莊礦段間形成近南北展布、北寬南窄、上寬下窄的構(gòu)造裂隙含水帶，開采條件下成為地下的水運(yùn)移通道，是礦床充水的主要影響因素之一。礦床開采初期，以黏性土壓密釋水為主，后期轉(zhuǎn)化為第四系的越流，礦坑用水量的大小取決于第四系底部黏土、強(qiáng)風(fēng)化帶的空間分布及其壓密后的透水性。

2礦區(qū)水文地質(zhì)問題

2.1第四系厚大且無穩(wěn)定隔水層

礦區(qū)上部大面積分布著第四系孔隙含水層，厚100～200 m，滲透性強(qiáng)，且第四系含水層與地表灤河、新灤河、沂河等水力聯(lián)系密切，且直接接受大氣降水補(bǔ)給，補(bǔ)給水源豐富。雖然第四系地層中分布有起隔水作用的黏質(zhì)砂土、黏土層，但其形成的隔水層厚度變化大，有效隔水厚度較小(表2)，且存在著大面積“天窗”。第四系含水層若直接補(bǔ)給基巖含水層，將對(duì)礦山基建及生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患。

表2　第四系隔水層主要特征

2.2斷層破碎帶分布集中且含水較豐富

礦區(qū)斷層集中分布于大賈莊礦段的大N2#～大20#線，斷層互為影響，礦體和圍巖均遭受不同程度的擠壓和拉張破壞，在該地段形成了較大范圍的斷層復(fù)合影響帶。斷層破碎帶附近巖石破碎，富水性中—強(qiáng)，透水性亦較強(qiáng)，斷層附近風(fēng)化作用與構(gòu)造作用相互疊加，基巖風(fēng)化裂隙含水層與構(gòu)造裂隙水含水帶水力聯(lián)系較密切。在天然條件下，該地帶各斷層關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，互為溝通，基巖地下水壓力傳導(dǎo)快。在采礦生產(chǎn)條件下，受采掘、爆破擾動(dòng)，該地帶極易發(fā)生巖石片落、出水等現(xiàn)象，進(jìn)一步增強(qiáng)了斷層破碎帶的導(dǎo)水性。

2.3未封堵老鉆孔的突水隱患

20世紀(jì)70年代施工的鉆孔基于當(dāng)時(shí)的露天開采方案，部分鉆孔未進(jìn)行封孔，大部分鉆孔采用黏土球封孔，封孔質(zhì)量差，井下開采時(shí)，該類老地質(zhì)鉆孔將加強(qiáng)第四系水與采礦坑的水力聯(lián)系，是礦坑突水的重大隱患。據(jù)本研究統(tǒng)計(jì)，礦區(qū)有ZK262、ZK251、ZK19、ZK386、ZK2、ZK1、ZK314B鉆孔未封孔，另外有GD115、CK23、ZK314A、CK5、CK14、CK11鉆孔封孔情況不明。因此，礦區(qū)未封閉的鉆孔至少在7個(gè)以上，另外，對(duì)于使用泥球、黃土和稠泥漿封孔的鉆孔來講，其封孔質(zhì)量差，存在一定的安全隱患。因此，對(duì)于20世紀(jì)70年代施工的鉆孔應(yīng)采取有效措施進(jìn)行治理。

2.4新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)礦坑頂板的影響

礦區(qū)位于唐山—河間地震帶之唐山地震帶，灤縣及周邊地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，礦區(qū)最近一次地震發(fā)生于2015年9月14日18時(shí)10分，說明區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)仍在繼續(xù)。在地震作用下，頂板內(nèi)會(huì)產(chǎn)生新生裂隙，新生裂隙將逐步向強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)部發(fā)展，并延伸至第四系底部黏土層，將導(dǎo)致第四系水沿新生裂隙滲入礦坑，從而改變地下水滲流場，地下水滲流場的變化將引起巖體應(yīng)力場的重新調(diào)整，新生裂隙進(jìn)一步發(fā)展，礦坑安全頂板基巖滲透性進(jìn)一步增加，如此惡性循環(huán)，可造成礦坑頂板的局部失穩(wěn)破壞，喪失保護(hù)功能。

3解決對(duì)策

3.1確定合理的防水安全頂板厚度

由于礦區(qū)第四系水量豐富，隔水層局部缺失，且強(qiáng)風(fēng)化帶與第四系底部的黏性土力學(xué)強(qiáng)度低，無自穩(wěn)能力，其阻水效果主要依靠其下部一定厚度的礦坑安全頂板保護(hù)來實(shí)現(xiàn)。通過綜合分析第四系與強(qiáng)風(fēng)帶的水文地質(zhì)條件，結(jié)合FLAC3D軟件在水巖耦合條件下的數(shù)值模擬結(jié)果，確定了礦區(qū)安全頂板厚度，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算，在頂板斷層破碎帶加固至與圍巖強(qiáng)度基本一致的前提下，弱風(fēng)化底板之下預(yù)留的安全頂板厚度為S38#線及大22#線以北51 m，S38#線及大22#線以南56 m。

3.2斷層破碎帶綜合防治水技術(shù)

首先查清斷層破碎帶的具體位置、厚度、富水性等情況；然后通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使關(guān)鍵井巷、硐室盡可能避開破碎帶位置，對(duì)于無法規(guī)避的位置，采用工作面注漿與地表預(yù)注漿等手段對(duì)破碎帶進(jìn)行加固處理；最后在掘進(jìn)過程中進(jìn)行有效支護(hù)，防止坍塌。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，即物探與鉆探相結(jié)合的地質(zhì)探測預(yù)報(bào)技術(shù)[5-6]，該技術(shù)結(jié)合了物探技術(shù)的探測距離長、成本低、效率高和傳統(tǒng)鉆探技術(shù)精度高的特點(diǎn)，在大水金屬礦山超前探水中已有成功應(yīng)用。司家營南區(qū)采用“TRT6000地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)”[6]與鉆探手段相結(jié)合的探水技術(shù)，當(dāng)物探手段探明掌子面前方有地質(zhì)體異常時(shí)，用鉆探手段加以驗(yàn)證，若出水量大，且?guī)r芯破碎，則預(yù)留完整巖墻作為止?jié){墻進(jìn)行注漿固結(jié)處理。

為降低注漿費(fèi)用、保證施工進(jìn)度，當(dāng)關(guān)鍵工程需穿過厚大破碎帶時(shí)，應(yīng)通過上述探水手段結(jié)合地質(zhì)資料預(yù)判破碎帶發(fā)育的規(guī)模、位置，通過優(yōu)化方案盡可能使該工程不通過或少通過破碎帶。司家營南區(qū)某礦2#副井平巷在掘進(jìn)過程中，3個(gè)水平均遇到同一較大破碎帶含水層，該含水層曾于2013年3月5日在進(jìn)行-450 m石門巷掘進(jìn)時(shí)發(fā)生突水，最大涌水量達(dá)1 080 m3/h，導(dǎo)致2#副井短時(shí)被淹。按原設(shè)計(jì)，-475 m 環(huán)形車場將2次穿過該斷層，其中外環(huán)線斜穿斷層厚度達(dá)71.97 m。經(jīng)反復(fù)優(yōu)化論證，最終采用了環(huán)形車場改道方案(圖1)，節(jié)省工期6個(gè)月以上，節(jié)省投資480余萬元。

圖1　2#副井-475 m水平環(huán)形車場變更方案示意

3.3未封堵老鉆孔治理

由于20世紀(jì)70年代施工的未封閉老鉆孔均己坍塌，終孔后未留設(shè)標(biāo)志，孔內(nèi)充泥或充水，且孔斜測量精度不高，因此，難以再對(duì)原老鉆孔進(jìn)行封孔。老鉆孔的封堵方案有：①采用地表預(yù)注漿進(jìn)行封堵；②采用井下工作面注漿進(jìn)行封堵?？紤]到井下工作面注漿需長時(shí)間占用工作面，并且需開鑿鉆機(jī)硐室，工期及注漿費(fèi)用均較高，因而采用地表預(yù)注漿為主，輔以井下工作面注漿工藝對(duì)未封堵老鉆孔進(jìn)行治理。

采用地表預(yù)注漿工藝[7-9]在鉆孔周圍對(duì)基巖風(fēng)化帶與礦坑基巖預(yù)留頂板處截?cái)辔捶忾]鉆孔的導(dǎo)水通道，如圖2所示。根據(jù)老鉆孔坐標(biāo)定準(zhǔn)鉆孔位置，在鉆孔周圍呈等三角布置注漿孔，鉆孔間距依據(jù)老鉆孔在第四系中的測斜成果確定。單個(gè)注漿孔施工至基巖風(fēng)化帶后，首先在孔底下入偏心楔子，將單個(gè)鉆孔分叉成3個(gè)孔，使分叉孔向3個(gè)方向偏斜，進(jìn)一步擴(kuò)大注漿孔控制范圍；然后向3個(gè)分叉孔中高壓注入水泥漿，達(dá)到封堵老鉆孔的目的。注漿段選擇在基巖風(fēng)化帶與礦坑頂板，是因?yàn)椋孩倩鶐r淺部裂隙具有一定的連通性，注漿效果好；②鉆孔在該部位偏斜距一般不大，便于布孔；③鉆孔深度小、成本較低。

3.4頂板監(jiān)測體系構(gòu)建

受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及采礦活動(dòng)擾動(dòng)的影響，礦區(qū)頂板的狀態(tài)會(huì)發(fā)生一系列的動(dòng)態(tài)變化，為及時(shí)了解采場頂板狀態(tài)，應(yīng)建立有效的頂板監(jiān)測體系。采用頂板位移傳感器與巖音監(jiān)測相結(jié)合的方式，對(duì)采場頂板的下沉位移情況和巖體破壞的聲頻信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，目前，該技術(shù)手段在國內(nèi)的金屬礦山已有成功應(yīng)用。通過長期監(jiān)測，積累監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析頂板位移規(guī)律、巖體破壞聲發(fā)射頻率的變化規(guī)律，可為預(yù)判頂板狀態(tài)提供依據(jù)。同時(shí)，對(duì)于巖體較破碎、裂隙發(fā)育的頂板，雖然經(jīng)過注漿等手段進(jìn)行了加固，仍應(yīng)采用物探手段定期檢查其內(nèi)部富水情況，以防因巖體內(nèi)部裂隙的再次張開或產(chǎn)生新的導(dǎo)水裂隙而造成頂板失穩(wěn)、透水。

圖2　礦區(qū)老鉆孔治理示意

4結(jié)語

以司家營鐵礦南區(qū)為例，詳細(xì)分析了區(qū)內(nèi)存在的水文地質(zhì)問題，并給出了相應(yīng)的解決方案，對(duì)于該礦山水害防治、頂板管理有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]褚洪濤.我國金屬礦山大水礦床的地下開采采礦方法[J].采礦技術(shù),2006(3):49-52.

[2]張勇，張乃寶.大水礦山區(qū)段注漿堵水實(shí)踐[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(2)：199-200.

[3]孔繁軍.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在大水礦山開拓巷道的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(3)：123-125.

[4]沈繼方，于青春，胡章喜.礦床水文地質(zhì)學(xué)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1992.

[5]張德輝，朱帝杰.利用綜合物探法精準(zhǔn)探測弓長嶺露天礦采空區(qū)[J].金屬礦山，2015(10)：163-167.

[6]劉濤.TRT6000在大水礦山水害源定位與超前探測中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(12)：263-264.

[7]焦永富，陳超，常龍新.金屬礦床地表預(yù)注漿漿液的分析與研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(5)：98-100.

[8]李志鵬，賁勇，楊福軍.溜破系統(tǒng)地表預(yù)注漿工程在鐵礦井建中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(6)：57-58.

[9]趙曉明，宋世君,高學(xué)通.某鐵礦溜破系統(tǒng)地表預(yù)注漿效果評(píng)價(jià)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(1)：258-260.

Hydrogeological Problems and Solution Countermeasures in the Southern Area of Sijiaying Iron Mine

Xing XiangyuSong AidongChen Yanting

(Hebei Iron and Steel Group Mining Design Co.,Ltd.)

AbstractThe hydrogeological conditions of the southern area of Sijiaying iron mining area is analyzed,the characteristics of aquifers (aquifuges),hydrogeological characteristics of fault zones,deposit water filling factors are discussed in detail.The hydrogeological problems of the southern area of Sijiaying iron mining area are summarized,the solution countermeasures such as the determination of the reasonable safety roof thickness,comprehensive water control technique of fault zones,treatment scheme of none plugged drillings,monitoring system of the pit roof are proposed.The research results of the paper point out the direction of conducting hydrogeological work in the mining area,besides that,it also provides technical reference for the safety mining of the mining area.

KeywordsHydrogeological conditions, Solution countermeasures, Safety roof, Fault zones,Water control

(收稿日期2015-11-19)

邢翔宇(1988—)，男，助理工程師，063700 河北省唐山市灤縣響嘡鎮(zhèn)。