南晉武

（五礦礦業(yè)控股有限公司，安徽 合肥230000）

龍?zhí)裂罔F礦位于安徽和縣十四聯(lián)圩，聯(lián)圩東、西、南三面分別是長(zhǎng)江、裕溪河、牛屯河，東側(cè)與蕪湖市隔江相距約10 km。礦床賦存于鈉長(zhǎng)石英閃長(zhǎng)巖與三疊系中統(tǒng)徐家山組灰?guī)r接觸帶上，為接觸交代-熱液鐵礦床，地質(zhì)儲(chǔ)量共3 355.84 萬(wàn)噸，平均品位37%左右。主體部位賦存標(biāo)高－228 ～－338 m，處在地下水位以下，礦床頂板及圍巖為徐家山組灰?guī)r，厚度較大，溶孔、溶蝕裂隙較發(fā)育，富水性強(qiáng)，水頭壓力較高，頂?shù)装逯苯舆M(jìn)水，為水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶裂隙直接充水礦床（圖1）。該礦于1988 年開(kāi)始進(jìn)行地質(zhì)勘探，2008 年開(kāi)工建設(shè)，2018 年正式投產(chǎn)，采礦方法為充填法。最近十多年來(lái)，礦山進(jìn)行了多次水文地質(zhì)研究，并采取了近礦體帷幕注漿堵水技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)了首采段的安全開(kāi)采［1］。隨著礦山逐步向深部開(kāi)采，防治水難度逐漸加大，井下突水仍然是困擾該礦山安全生產(chǎn)的一大難題，礦山水文地質(zhì)情況亟待進(jìn)一步研究。本文以龍?zhí)裂罔F礦的防治水實(shí)踐為例，探討礦山水文地質(zhì)特征分析方法及防治水對(duì)策，為工程實(shí)踐提供參考。

1 礦床水文地質(zhì)條件研究

1.1 礦床水文地質(zhì)揭露工作

龍?zhí)裂罔F礦目前已建成投產(chǎn)，施工了5 條井筒（主井、副井、措施井、南風(fēng)井、北風(fēng)井）、5 條巷道（－220 m、－240 m、－260 m、－280 m、－320 m）、150 多個(gè)近礦體帷幕注漿孔及數(shù)百個(gè)超前探水、探礦孔。施工過(guò)程中揭露了以下水文地質(zhì)情況：

1）井筒掘進(jìn)：－80～－230 m 處，閃長(zhǎng)巖裂隙發(fā)育，晶洞、晶孔特別發(fā)育，涌水量較大；在－280 ～－335 m，巖石較破碎，裂隙較發(fā)育，裂隙導(dǎo)水性相對(duì)上部有明顯減弱。

圖1 礦區(qū)地層與礦體分布深度示意

2）巷道施工：徐家山組裂隙巖溶含水地層含有大量溶洞，富水性強(qiáng)，在－120 m 南巷發(fā)生較大突水，掌子面瞬間涌水量高達(dá)1 200 m3／h，并造成淹井事故。

3）探水孔施工：在－120 m 平巷揭露到溶洞或晶洞，單孔涌水量超過(guò)100 m3／h，涌水中含有有毒易燃?xì)怏w，說(shuō)明與地表池塘水體水力聯(lián)系密切；在－240 m、－320 m 分別揭露一條較寬的蝕變破碎帶，單孔瞬間最大涌水量達(dá)到260 m3／h，靜水壓達(dá)3 MPa 以上，6 個(gè)鉆孔總涌水量超過(guò)400 m3／h。

4）探礦孔施工：J9 線～J13 線在－215 ～－300 m 標(biāo)高礦體接觸帶附近，單孔最大涌水量50～65 m3／h。

1.2 礦床充水因素

通過(guò)深入分析探水孔、探礦工施工等揭露的水文地質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)龍?zhí)裂罔F礦礦床的主要充水水源是地表池塘水、第四系孔隙水和三迭系中統(tǒng)徐家山組灰?guī)r含水。對(duì)以上3 個(gè)充水因素詳細(xì)說(shuō)明如下：

1）地表池塘水?，F(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)坑下多處涌水中含有有毒易燃?xì)怏w，工作面有毒易燃?xì)怏w超標(biāo)，這在沒(méi)有煤系地層的金屬礦山是很少見(jiàn)的。研究認(rèn)為，地表池塘產(chǎn)生的有毒易燃?xì)怏w，隨水流沿孔隙、裂隙、溶洞等導(dǎo)水通道帶入坑下，證明地表池塘水可加大礦坑涌水量，并有可能引起突水危害。

2）第四系孔隙水。工程揭露發(fā)現(xiàn)井下各中段大多數(shù)涌水點(diǎn)含泥沙并呈黃褐色，裂隙、溶洞中也有不同程度的泥沙充填。徐家山組灰?guī)r含水層是礦體的直接頂?shù)装?，?gòu)成了開(kāi)采巷道的大部分圍巖。研究認(rèn)為第四系孔隙水主要通過(guò)長(zhǎng)期淋濾形成通道與灰?guī)r破碎帶、裂隙帶溝通對(duì)灰?guī)r地下水進(jìn)行補(bǔ)給。

3）三迭系中統(tǒng)徐家山組灰?guī)r含水層以裂隙或溶蝕裂隙為主，對(duì)礦坑直接充水。近礦體帷幕注漿設(shè)計(jì)的注漿量為0.8 t／m，施工中實(shí)際注漿量最高0.7 t／m，大部分0.21～0.67 t／m，平均0.22 t／m。研究認(rèn)為，該含水層巖溶裂隙發(fā)育和充填程度不均，不同地段礦坑充水程度也有較大差別。

2 龍?zhí)裂罔F礦防治水實(shí)踐

2.1 防治水方法選擇

大水礦山的防治水方法主要有疏干排水和帷幕注漿［2］。①若采取疏干排水為主的防治水方式，需大量排水形成疏干降落漏斗，地下水位下降到安全水頭以下。結(jié)果必將破壞當(dāng)?shù)靥烊凰Y源平衡，引起地面沉降或塌陷，減少供水量和惡化環(huán)境。②若采取地面帷幕注漿防治水方式，由于含水層分布在礦體四周及頂?shù)装?，礦床進(jìn)水通道多而寬闊，勢(shì)必需要采用全封閉帷幕形式，堵水效果難以保證。③若采取近礦體帷幕注漿防治水方式，充填法采礦具備礦體頂板及圍巖不被破壞的先決條件，有相似礦山防治水成功的案例，又能最大限度地保護(hù)天然水資源平衡，可有效減少防治水工程和排水費(fèi)用?；谝陨戏治?，龍?zhí)裂罔F礦最終選用了近礦體帷幕注漿防治水方式。

2.2 龍?zhí)裂罔F礦近礦體帷幕注漿工程實(shí)踐

龍?zhí)裂罔F礦從2017 年4 月開(kāi)始實(shí)施井下近礦體帷幕注漿工程，施工選用普通硅酸鹽42.5 號(hào)水泥，單液水泥漿濃度按水灰比2 ∶1、1.5 ∶1、1 ∶1和0.8 ∶1等4 個(gè)級(jí)別配比，漿液消耗量按0.6 ～1.0 t／m 控制，漿液有效擴(kuò)散半徑按10 m 考慮，注漿終壓根據(jù)實(shí)際情況控制在10～12.5 MPa。在終值壓力下，注漿段吸漿量小于20～35 L／min，持續(xù)30 min 后結(jié)束注漿。如涌水量小于0.02 m3／h，則認(rèn)為合格，否則進(jìn)行直接堵漏注漿，直至達(dá)到要求。至2018 年10 月，J9 ～J13 線范圍內(nèi)井下近礦體帷幕注漿主體工程基本完成，已達(dá)到注漿效果，部分礦房已進(jìn)入試生產(chǎn)階段。

2.2.1 穿脈探水注漿

穿脈探水注漿的主要作用是查清礦床頂板圍巖水文地質(zhì)、工程地質(zhì)特征，減少礦井的涌水量，保證礦山生產(chǎn)安全正常進(jìn)行，同時(shí)為井下近礦體帷幕注漿加密工程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。工程實(shí)施時(shí)，部分地段水文地質(zhì)條件及礦體邊界較預(yù)期發(fā)生變化，有些鉆孔施工與礦山生產(chǎn)出現(xiàn)沖突，所以及時(shí)對(duì)部分鉆孔的開(kāi)孔位置、方位、傾斜角度及孔深等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。在－240 m、－260 m、－280 m 水平施工穿脈探水注漿孔61 個(gè)，總進(jìn)尺2 796 m，單孔揭露最大涌水量140 m3／h，最大水壓2.4 MPa。單孔最大單位注入量3 t／m，部分0.26～0.7 t／m，大部分鉆孔注漿量均低于0.1 t／m，平均注入量0.31 t／m，注漿量877 t。實(shí)踐結(jié)果表明，礦體圍巖裂隙不發(fā)育，連通性差，漿液擴(kuò)散半徑小，可注入性差。

2.2.2 頂板帷幕注漿

在礦房頂板圍巖布置15 m×15 m 網(wǎng)度的注漿孔，通過(guò)注漿形成有效厚度不低于30 m 的近礦體注漿蓋層帷幕，實(shí)現(xiàn)了礦體的安全開(kāi)采。在礦體頂部－220 m、－240 m 水平施工帷幕頂板注漿孔41 個(gè)，總進(jìn)尺2 345 m，單孔揭露最大涌水量72 m3／h，最大水壓2.4 MPa。單孔最大單位注入量0.32 t／m，大部分鉆孔注漿量在0.12 t／m 左右，部分低于0.05 t／m，平均注入量0.11 t／m，注漿量260 t。通過(guò)對(duì)實(shí)踐結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為前期穿脈探水注漿已對(duì)部分圍巖裂隙進(jìn)行了有效封堵，頂板圍巖可注入性進(jìn)一步降低。

2.2.3 加密注漿及檢查孔注漿

根據(jù)帷幕注漿前期工程及巷道掘進(jìn)揭露情況，分析認(rèn)為：4-11 采場(chǎng)頂板圍巖及其附近礦巖接觸破碎帶、4-1 溜井附近頂板圍巖等存在注漿薄弱區(qū)；J9 ～J11線間礦體頂板附近存在探水盲區(qū)（圖2）。為此，進(jìn)行了針對(duì)性加密鉆孔注漿，以便最終形成沒(méi)有薄弱地帶的注漿帷幕。在－220 m、－240 m、－280 m 水平施工加密注漿鉆孔54 個(gè)，累計(jì)孔深2 765 m，平均注入量0.059 t／m，注漿量163 t。檢查孔10 個(gè)，累計(jì)孔深503 m，平均注入量0.037 t／m，注漿量18.5 t。施工中發(fā)現(xiàn)：大部分鉆孔為干孔或涌水量很小（小于2 m3／h），少部分鉆孔出現(xiàn)較大涌水，主要集中在4-11 采場(chǎng)附近礦巖接觸帶及4-1 溜井附近圍巖裂隙以及3-2 采場(chǎng)附近圍巖裂隙，各處單孔最大涌水量分別為70、50 和12 m3／h，水壓均小于1.5 MPa。部分鉆孔揭露巖溶裂隙見(jiàn)到水泥結(jié)石。實(shí)踐結(jié)果表明，前期探水注漿和頂板帷幕注漿，對(duì)礦床充水的主要通道基本封堵充填，加密注漿孔揭露了注漿薄弱區(qū)的含水裂隙和注漿盲區(qū)，通過(guò)加密封堵，對(duì)近礦體帷幕起到補(bǔ)充、完善和檢查的作用。

圖2 坑下－260 m 水平采場(chǎng)布置示意

2.2.4 防治水效果

井下近礦體帷幕注漿的最終目的是在礦體周?chē)纬梢欢ê穸鹊淖{防水蓋層［3］。通過(guò)上述工程的實(shí)施，達(dá)到了防治水的效果，現(xiàn)將龍?zhí)裂罔F礦防治水效果說(shuō)明如下：①?gòu)拈_(kāi)始的穿脈孔到最后的加密檢查孔，鉆孔涌水量、單位注漿量呈現(xiàn)明顯的由大到小的遞減趨勢(shì)，礦床充水通道得到有效封堵。②前期鉆孔涌水水壓在2 ～2.4 MPa 之間，水頭標(biāo)高接近地表，加密鉆孔涌水水壓最大為1.5 MPa，大部分小于1 MPa。研究認(rèn)為，近礦體帷幕基本形成，出現(xiàn)帷幕內(nèi)靜水壓與帷幕外天然靜水壓差。③鉆孔單位平均注漿量0.22 t／m，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值0.8 t／m。實(shí)際揭露發(fā)現(xiàn)，礦巖接觸、構(gòu)造斷裂破碎帶范圍單位注漿量0.7 t／m，其他的遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。分析后可知，圍巖裂隙開(kāi)度小、連通性差且不均一、漿液擴(kuò)散半徑小，是鉆孔單位平均注漿量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值的主要原因。④開(kāi)采的3-4、3-12 及4-11 等采場(chǎng)，除4-11 采場(chǎng)靠近4＃穿脈礦巖接觸帶附近頂板有少量淋水外，其余基本沒(méi)有滲、淋水現(xiàn)象，頂板穩(wěn)固性較好，表明近礦體注漿帷幕起到了一定效果。

3 礦井突水防治補(bǔ)充措施

3.1 堵、排水方式相結(jié)合

龍?zhí)裂罔F礦礦床圍巖裂隙開(kāi)度小，連通性差且不均一，漿液擴(kuò)散半徑小，單位注漿量少，直接影響到近礦體帷幕的有效厚度、強(qiáng)度及堵水效果。部分鉆孔揭露接觸帶、斷裂帶、溶洞等巖溶構(gòu)造時(shí)涌水量大（140 m3／h），水壓高（2.4 MPa），有的直接與地表池塘水溝通（涌水含有毒易燃?xì)怏w），坑下的突水風(fēng)險(xiǎn)較高。研究認(rèn)為，采用堵、排水相結(jié)合的方式，在嚴(yán)控注漿堵水質(zhì)量，提高堵水效果的同時(shí)，必須加大坑下設(shè)防排水能力，及時(shí)排出突發(fā)性、不確定性因素造成的突水，提高安全生產(chǎn)系數(shù)。目前已經(jīng)完成了J9 ～J13 線范圍內(nèi)的帷幕注漿工程，實(shí)現(xiàn)了－260 m 水平3-4、3-12 及4-11等采場(chǎng)的安全采礦。

3.2 加固采空?qǐng)鲰敯遽∧唬皶r(shí)接頂充填

龍?zhí)裂罔F礦礦房頂板一般為灰?guī)r、礦體夾層及礦巖接觸帶，工程地質(zhì)條件較差，往往是近礦體帷幕的薄弱地帶。采礦過(guò)程的爆破擾動(dòng)和采空后圍巖應(yīng)力的失衡，可能會(huì)引起帷幕的沉降變形或裂隙，誘導(dǎo)帷幕透水，設(shè)計(jì)采用了不小于6 m 的長(zhǎng)錨索支護(hù)加固采空?qǐng)鲰敯遽∧?。在灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖和礦體相接的三角地帶，出現(xiàn)了巖石破碎、頂板冒落，故設(shè)計(jì)留置永久礦柱。為避免沉降裂隙誘導(dǎo)突水、減少應(yīng)力沉降，施工時(shí)嚴(yán)格控制爆破空間和空?qǐng)霰┞稌r(shí)間，對(duì)空?qǐng)黾皶r(shí)充填，并進(jìn)行注漿接頂。

3.3 超前探水，“逢掘必探、探注結(jié)合”

近礦體帷幕相對(duì)于地表帷幕、疏干放水等防治水方式，其最大的局限性是后防水，有效帷幕的形成受井巷工程完成限制和礦巖界線準(zhǔn)確度影響較大［4］。龍?zhí)裂罔F礦某些井巷施工滯后，部分地段礦巖界線發(fā)生較大變化，致使相當(dāng)部分注漿孔被動(dòng)調(diào)整，影響到帷幕質(zhì)量和堵水效果。加之礦體圍巖裂隙開(kāi)度小，連通性弱且不均一，漿液擴(kuò)散半徑和注漿量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，造成部分注漿堵水薄弱地帶。所以超前探水、“逢掘必探、探注結(jié)合”是近礦體帷幕防治水方式的有力補(bǔ)充措施。施工時(shí)結(jié)合不同地段圍巖性質(zhì)，適當(dāng)調(diào)整超前探水孔的布置，長(zhǎng)探與短探、探水與注漿相結(jié)合，超前發(fā)現(xiàn)，及時(shí)封堵。

3.4 建立完善地下水觀測(cè)系統(tǒng)

礦區(qū)地下水的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，在礦山防治水中極為重要。龍?zhí)裂罔F礦地表觀測(cè)孔已經(jīng)破壞，坑下水文觀測(cè)站不完善，使得很難掌握地下水動(dòng)態(tài)特征。所以有必要建立完善地下水觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地下水位、坑內(nèi)水壓及礦井涌水量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，掌握地下水位動(dòng)態(tài)變化、涌水量變化規(guī)律，為防治水方案的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）龍?zhí)裂罔F礦礦床的主要充水水源是地表池塘水、第四系孔隙水和三迭系中統(tǒng)徐家山組灰?guī)r水，構(gòu)造裂隙、礦巖接觸帶是礦床的主要充水通道。

2）實(shí)踐結(jié)果表明，龍?zhí)裂罔F礦采用近礦體帷幕防治水的方式達(dá)到了防治水注漿效果，部分礦房已進(jìn)入試生產(chǎn)階段，說(shuō)明該方法適合本礦山實(shí)際，可供其他類(lèi)似礦山工程借鑒。

3）井下近礦體帷幕形成受井巷工程完成限制和礦巖界線準(zhǔn)確度、圍巖裂隙連通度影響較大，存在部分堵水薄弱地帶。研究認(rèn)為，堵排水相結(jié)合、加固采空?qǐng)鲰敯遽∧徊⒓皶r(shí)接頂充填、超前探水、“逢掘必探、探注結(jié)合”、建立觀測(cè)系統(tǒng)是近礦體帷幕防治水方式的有力補(bǔ)充措施。