周 勇，童陽(yáng)春，吳勝斌

(化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410016)

震旦紀(jì)巖層礦石開(kāi)采涌水因素分析與防治對(duì)策

周 勇，童陽(yáng)春，吳勝斌

(化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410016)

礦井涌水是影響宜昌磷礦中深部礦體開(kāi)采的重要和關(guān)鍵因素。重點(diǎn)分析了地層、地質(zhì)構(gòu)造以及導(dǎo)水通道等礦井涌水的主要影響因素，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了勘察、施工及礦山開(kāi)采方面的一些防治水及減少礦井涌水的措施和思路，給礦井涌水防治工作提供參考。

宜昌磷礦區(qū)；中深部開(kāi)采；涌水因素；防治對(duì)策

0 引 言

宜昌地區(qū)磷礦的開(kāi)采深度已逐步進(jìn)入中深部，隨著開(kāi)采深度增加，礦床水文地質(zhì)條件更為復(fù)雜、礦井涌水大，突水事故概率逐漸增多，近期建設(shè)的宜昌磷礦中深部礦體開(kāi)采項(xiàng)目中，已經(jīng)有多個(gè)礦山在建設(shè)施工中出現(xiàn)了突水淹井事故。礦井涌水量過(guò)大會(huì)增加井巷施工難度與投資，增加排水設(shè)施費(fèi)用及生產(chǎn)成本，排水費(fèi)用達(dá)到礦山開(kāi)采直接成本的三分之一或更高，造成建設(shè)投資較大增加、建設(shè)工期較大延長(zhǎng)，嚴(yán)重影響礦山的正常安全生產(chǎn)，嚴(yán)重影響礦山開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益。因此采取綜合措施進(jìn)行有效防治水、避免水災(zāi)事故、降低排水費(fèi)用是宜昌磷礦中深部礦體開(kāi)采迫切需要研究解決的重大問(wèn)題。

1 礦井涌水主要影響因素

中深部礦體一般礦層上部有隔水巖層，由于開(kāi)采礦層厚度有限，開(kāi)采引起的導(dǎo)水裂隙帶影響高度不會(huì)到達(dá)地面或寒武系底部隔水巖層。礦區(qū)地形陡峻，有利于降雨以地表徑流形式排泄，地表水體或降雨量對(duì)礦井涌水量影響相對(duì)較小，因此地表水不是宜昌磷礦中深部礦山涌水的主要影響因素。現(xiàn)以宜昌磷礦的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)影響宜昌磷礦礦井涌水的主要因素進(jìn)行分析。

1.1 地 層

宜昌磷礦為沉積型礦床，主要礦層賦存在震旦系下統(tǒng)陡山沱組中下部，含礦巖系主要為白云巖組，上覆震旦系上統(tǒng)燈影組和寒武系等巖層，底板為南華系南沱組和前震旦系崆嶺群等巖層[1]。礦層和底板可看作為隔水層或相對(duì)隔水層，礦層直接頂板(白云巖)為巖溶裂隙水含水層，其厚度一般為30～60 m，其上為陡山沱組第四段相對(duì)隔水層，其厚度一般為20～30 m，相對(duì)隔水層之上為震旦系上統(tǒng)燈影組巨厚巖溶裂隙含水層，其厚度一般為350～450 m，燈影組上部為寒武系下統(tǒng)石牌組和水井沱組隔水層，其厚度一般為100～120 m，該隔水層具有良好隔水性，可看作是礦床上部的隔水邊界，隔斷其上巨厚寒武系巖溶裂隙水含水層。代表性礦段綜合地層情況見(jiàn)表1。

對(duì)礦井涌水量影響較大的地層主要為燈影組巖層，尤其是其上段和中段地層，目前井巷施工出現(xiàn)突水淹井事故主要在上段地層中，該層水文特性主要體現(xiàn)在：巖層整體上富水性弱～中等，但裂隙、溶蝕較發(fā)育，且發(fā)育不規(guī)則小溶孔或小溶洞；含水巖層巨厚且分布面積極大(許多礦段沒(méi)有隔水邊界)，若遇巖溶裂隙導(dǎo)水通道，則涌水量急增，易發(fā)生巖溶突水事故，如某礦井斜井施工遇突水時(shí)，涌水量達(dá)2000 m3/h或以上，且疏干難度大、時(shí)間長(zhǎng)；地下水承壓且壓力較大，一般可達(dá)3～4 MPa。這些特性導(dǎo)致查明地層水文地質(zhì)條件復(fù)雜，防堵水難度大。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造中對(duì)涌水量影響較大的主要是斷層、裂隙、溶孔、溶洞等，尤其是張性斷層，它們可穿透隔水層、導(dǎo)通含水層，形成導(dǎo)水通道。這需要在地質(zhì)勘查階段采取必要的措施盡量查明，井巷工程布置盡量避開(kāi)或隔離這些構(gòu)造發(fā)育區(qū)段，當(dāng)施工或生產(chǎn)靠近這些構(gòu)造區(qū)段時(shí)，應(yīng)采取充分的預(yù)防措施。

1.3 人為活動(dòng)形成的導(dǎo)水通道

(1)鉆孔。地質(zhì)勘查需施工鉆孔，鉆孔一旦穿透礦層頂板含水層，就會(huì)形成通達(dá)礦層的導(dǎo)水通道。

由于鉆孔深度較大、地下水承壓較大及人為不重視等原因，存在鉆孔封孔質(zhì)量不高甚至沒(méi)封孔等現(xiàn)象。若按完全不封孔考慮，則估算通過(guò)一個(gè)鉆孔的涌水量約為 1000 m3/d，這會(huì)造成嚴(yán)重的井下涌水隱患[2]。

(2)頂板井巷。礦層深埋地下，主要開(kāi)拓井巷工程必須穿越頂板巨厚含水層才能到達(dá)礦層。當(dāng)井巷涌水量不致影響到施工時(shí)，一般主要采取抽水措施而沒(méi)有采取嚴(yán)格的堵水措施，致使穿越頂板的井巷涌水量較大，在部分礦山通過(guò)頂板井巷的涌水量估算可高達(dá)礦坑總水量的一半左右。

(3)跨越導(dǎo)水構(gòu)造的井巷。當(dāng)?shù)V區(qū)構(gòu)造較發(fā)育時(shí)，井巷工程避免不了要穿越部分導(dǎo)水構(gòu)造，若預(yù)防措施不當(dāng)或不及時(shí)，可能較大的增加礦井涌水量，甚至造成突水事故。

(4)開(kāi)采引起的導(dǎo)水裂隙。礦層上部陡山沱組第四段為相對(duì)隔水層，厚度一般為20～30 m，與礦層的垂距一般在60 m以?xún)?nèi)，若采用空?qǐng)龇?，允許頂板垮落，按采高4m、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度25～30倍采高估算，則導(dǎo)水裂隙完全可能穿過(guò)陡山沱組第四段隔水層與上部燈影組含水層溝通。按地層水文地質(zhì)條件(參數(shù))，若開(kāi)采引起的導(dǎo)水裂隙連通了燈影組含水層，設(shè)計(jì)估算礦井涌水量中頂板涌水量(不含井筒涌水)約增加2.5～3倍，由此可知，增加的井下涌水量相當(dāng)大。

中深部礦井涌水主要影響因素見(jiàn)圖1。

表1 宜昌磷礦某礦段綜合地層

圖1 礦井涌水主要影響因素

2 涌水量預(yù)測(cè)

地下水在天然條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于含水層的性質(zhì)、含水層的空隙、裂隙程度以及地形、地貌條件。根據(jù)現(xiàn)階段的研究，地下水在巖層中的運(yùn)動(dòng)，有3種性質(zhì)不同的滲透規(guī)律：層流滲透，紊流滲透及混

合流滲透。

根據(jù)這些分類(lèi)我國(guó)用于預(yù)測(cè)礦坑涌水量的方法很多，例如地下水穩(wěn)定井流解析法，水文地質(zhì)比擬法(單位涌水量法)，Q-s曲線外推法(包括無(wú)時(shí)間變量的相關(guān)分析法)，穩(wěn)定流分段法(塊段法)，單位靜儲(chǔ)量法和水均衡法等等[3]。

以上方法大致可以劃分為解析法和數(shù)值法兩大類(lèi)。上述預(yù)測(cè)方法差不多都是以裘布依穩(wěn)定井流理論為基礎(chǔ)，裘布依穩(wěn)定井流方程(承壓)：

式中：Q——抽水井流量，m3/d；

K——含水層滲透系數(shù)，m/d；

M——含水層厚度，m；

sw——抽水井中水頭降深，m；

R——圓柱形含水層的半徑，m；

rw——抽水井半徑，m。

裘布依在建立方程時(shí)，是針對(duì)圓形定水頭外邊界條件的，這種圓形定水頭外邊界條件在自然界很少見(jiàn)。后來(lái)引入了“影響半徑”概念，衍生出了很多公式，一般可以地質(zhì)報(bào)告提供的礦區(qū)涌水量作為參考，并考慮礦區(qū)周邊礦山開(kāi)采情況，并根據(jù)周邊礦山涌水量及其梯度關(guān)系，綜合計(jì)算考慮[4]。

3 主要對(duì)策措施

礦山防治水措施是多方面的，綜合起來(lái)可概括為“防、堵、疏、排、截”5種?！胺馈敝饕负侠砹粼O(shè)各類(lèi)防隔水礦(巖)柱；“堵”主要指注漿封堵具有突水威脅的含水層；“疏”主要指探放老空水和對(duì)承壓含水層進(jìn)行疏水降壓；“排”主要指完善礦井排水系統(tǒng)；“截”主要指加強(qiáng)地表水的截流治理。對(duì)于礦井涌水而言，抽(排)水措施、地表防治水措施等肯定是必要的，由于單個(gè)礦段或礦區(qū)一般不構(gòu)成獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，即在平面上沒(méi)有嚴(yán)格的隔水邊界，單個(gè)礦山一般不具有注漿帷幕防治水條件，因此常規(guī)防治水及區(qū)域防治水等內(nèi)容不作敘述，本文僅針對(duì)宜昌磷礦中深部礦體開(kāi)采條件和目前沒(méi)太引起重視的方面提出一些措施和思路，目的是有效減少井下涌水量、降低排水費(fèi)用及避免水災(zāi)事故。

3.1 地質(zhì)勘查

宜昌磷礦原多是平硐或淺部開(kāi)采，井下涌水量對(duì)開(kāi)采的影響相對(duì)較小，水文地質(zhì)條件的勘查手段較簡(jiǎn)單、工作也不夠深入，這使得估算井下涌水量和有效采取防治水措施缺乏充分的依據(jù)，但對(duì)中深部礦山開(kāi)采，井下涌水量成為重要和關(guān)鍵的影響因素，因此必須加強(qiáng)勘查工作，尤其是需要查明礦區(qū)的水文地質(zhì)條件和參數(shù)，為礦山設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)提供較充分的依據(jù)。

(1)加大勘查投入。宜昌磷礦中深部礦床水文地質(zhì)條件較復(fù)雜、井下涌水量較大，應(yīng)嚴(yán)格按相應(yīng)的勘查規(guī)范進(jìn)行水文地質(zhì)勘查工作，目前仍存在急功近利、工作不深入的現(xiàn)象，給設(shè)計(jì)與生產(chǎn)帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)與隱患，應(yīng)加大勘查人、財(cái)、物和試驗(yàn)研究的投入，綜合運(yùn)用多種勘查手段和方法，提供較準(zhǔn)確的水文地質(zhì)條件和參數(shù)。

(2)嚴(yán)格鉆孔封堵?？辈殂@孔穿過(guò)頂板巨厚含水層，每個(gè)鉆孔都是一個(gè)導(dǎo)水通道，大量的鉆孔有可能形成一個(gè)導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)，目前存在鉆孔封堵質(zhì)量不高或不封孔現(xiàn)象，這是一個(gè)嚴(yán)重的隱患，將會(huì)較大的增加井下涌水量，必須嚴(yán)格對(duì)鉆孔進(jìn)行封堵并保留記錄備查。

3.2 (頂板)井巷施工

(1)堅(jiān)持先探后掘。頂板含水層水文地質(zhì)特性較復(fù)雜，尤其是燈影組含水層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，且發(fā)育不規(guī)則小溶孔或小溶洞，是突水事故高發(fā)地段，地質(zhì)勘查階段很難完全查明含水層涌水情況，必須是邊掘邊探、有疑必探和先探后掘。

(2)加強(qiáng)注漿帷幕堵水。當(dāng)井筒穿過(guò)含水層可能遇較大涌水時(shí)，應(yīng)先做好注漿帷幕堵水工作，邊注邊掘、先注后掘，切不可冒進(jìn)。要強(qiáng)調(diào)的是，即使井筒已穿過(guò)的地段如果涌水量較大，也應(yīng)及時(shí)補(bǔ)做注漿帷幕堵水，避免因涌水引起的不良后果。

(3)做好應(yīng)急排水預(yù)案。因含水層和構(gòu)造的特殊性、復(fù)雜性，較大涌水或突水的情況隨時(shí)都有可能會(huì)發(fā)生，因此必須有應(yīng)急排水預(yù)案和措施，尤其要重視電力供應(yīng)的保障。

(4)掘進(jìn)排水與生產(chǎn)排水相結(jié)合。當(dāng)頂板井筒斜長(zhǎng)較長(zhǎng)或垂高較高時(shí)，掘進(jìn)排水宜采取臨時(shí)泵站與相對(duì)固定的泵站相結(jié)合方式，相對(duì)固定泵站又宜與生產(chǎn)排水泵站相結(jié)合，作為生產(chǎn)的攔水泵站和接力泵站，避免大量涌水長(zhǎng)距離下放，降低總排水費(fèi)用。

3.3 開(kāi)采技術(shù)措施

開(kāi)采技術(shù)方案必須充分研究礦區(qū)水文地質(zhì)條件特性，在開(kāi)拓運(yùn)輸方案(包括井筒布置、井筒類(lèi)型參

數(shù)等)、排水方案及采礦方法等方面均要采取針對(duì)性的措施，這需要系統(tǒng)性研究、綜合優(yōu)化，下面僅結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐，給出幾點(diǎn)建議。

(1)平硐穿越含水層。根據(jù)地層特性，涌水量或突水性較大地層主要為燈影組上段、中段，在有條件時(shí)宜盡量采用平硐穿越該地層地段再往深部掘斜井或豎井，一方面較大涌水可實(shí)現(xiàn)自流排水，另一方面也可為防堵水施工及應(yīng)急避災(zāi)提供有利條件。

(2)適當(dāng)采取較大的井筒斷面參數(shù)。中深部礦山規(guī)模一般為大型或特大型，一方面較大井巷斷面參數(shù)是生產(chǎn)系統(tǒng)需要，另一方面有較大靈活性和機(jī)動(dòng)性，有利于應(yīng)急、搶險(xiǎn)和應(yīng)對(duì)調(diào)整變化的需要。

(3)適當(dāng)抬高井筒見(jiàn)礦標(biāo)高。宜昌磷礦一般為緩傾斜礦體，傾斜長(zhǎng)度大，而地面山高坡陡，坑口選擇受地形條件制約，適合開(kāi)井口的位置一般為河(溪)岸，中深部礦床較適宜的開(kāi)拓方式為斜井。適當(dāng)抬高井筒見(jiàn)礦標(biāo)高，一般有利于減少礦石綜合提升高度和排水綜合揚(yáng)程，相應(yīng)降低提升和排水費(fèi)用；有利于早形成生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)能力；因可放緩斜井角度，有利于井筒采取快速掘進(jìn)工藝技術(shù)、縮短基建時(shí)間；因可布置在隔水巖層中，有利于井筒往深部延深。

(4)采取多級(jí)接力泵站并適當(dāng)抬高一級(jí)泵站標(biāo)高。礦床埋藏較深、傾斜延深垂高較大、礦坑涌水量較大，采取多級(jí)接力泵站排水方式并適當(dāng)抬高一級(jí)泵站標(biāo)高，抽排水與攔截水相結(jié)合，有利于設(shè)備選擇、降低綜合揚(yáng)程和總排水費(fèi)用。

(5)留設(shè)導(dǎo)水構(gòu)造隔離保安礦柱。導(dǎo)水構(gòu)造可穿透隔水層、連通頂板巨厚含水層，開(kāi)采臨近或井巷穿越導(dǎo)水構(gòu)造，一旦措施不當(dāng)很可能形成大規(guī)模導(dǎo)水通道，急劇增加井下涌水量或造成突水事故，因此導(dǎo)水構(gòu)造兩側(cè)均須留設(shè)隔離保安礦柱，礦柱寬度一般不宜小于20～30 m，若井巷必須穿越導(dǎo)水構(gòu)造，則必須嚴(yán)格做好注漿帷幕堵水措施。

(6)應(yīng)用充填采礦技術(shù)。宜昌磷礦根據(jù)開(kāi)采技術(shù)條件，現(xiàn)一般采用房柱空?qǐng)龇?。如繼續(xù)沿用空?qǐng)龇?、允許頂板垮落，礦坑涌水量會(huì)成倍增加，因此無(wú)論是從開(kāi)采技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，還是從礦井防治水角度，都應(yīng)該采用充填技術(shù)[5]，需加快充填試驗(yàn)研究工作，采礦方法調(diào)整為嗣后充填房柱法。

礦井涌水對(duì)策措施見(jiàn)圖2。

圖2 礦井涌水對(duì)策措施

4 結(jié)束語(yǔ)

宜昌磷礦是我國(guó)較早進(jìn)入中深部開(kāi)采的磷礦區(qū)，但進(jìn)入時(shí)間較短，積累的經(jīng)驗(yàn)不多，對(duì)水文地質(zhì)條件的特殊性、防治水重要性等方面的認(rèn)識(shí)還有待提高。近期多個(gè)礦山井巷施工出現(xiàn)的突水淹井事故，給了我們深刻教訓(xùn)、同時(shí)也敲響了警鐘。礦井涌水防治需要勘查、研究、設(shè)計(jì)、建設(shè)等單位聯(lián)合進(jìn)行綜合研究，在勘查、設(shè)計(jì)、建設(shè)、生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中采取針對(duì)性和綜合性措施，來(lái)確保安全、高效開(kāi)采。筆者所在設(shè)計(jì)院承擔(dān)了宜昌磷礦較多項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)礦井涌水主要因素進(jìn)行初步分析，并提出一些具體對(duì)策、措施和思路，希望能給宜昌磷礦中深部礦體開(kāi)采防治水工作提供參考，同時(shí)希望能起到拋磚引玉的作用。

[1] 劉明忠.宜昌市礦產(chǎn)資源[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2012.

[2] 李雪峰.井下涌水鉆孔封堵工藝[A].2006年全國(guó)金屬礦山地質(zhì)與測(cè)量學(xué)術(shù)研討與技術(shù)交流會(huì)[C]，2010.[3] 孫連發(fā).礦坑涌水量計(jì)算方法研究[M].武漢：武漢地質(zhì)學(xué)院出版社，1983.

[4] 李式锜.在某些礦區(qū)井巷涌水量計(jì)算中如何利用地下水動(dòng)力學(xué)公式[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1957(11).

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2016-06-17)