徐磊

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410083)

1 水文地質(zhì)條件概述

1.1 地層

某礦區(qū)出露的地層自上而下有新生界第四系，新生界第三系官莊組，中生界侏羅系上統(tǒng)蒙陰組，上古生界二疊系上統(tǒng)和中統(tǒng)，上古生界石炭系上統(tǒng)和中統(tǒng)，下古生界奧陶系中、下統(tǒng)及寒武系上統(tǒng)及閃長巖侵入體。寒武系上統(tǒng)分布在塔子至石門官莊東西向斷裂構(gòu)造以南。

1.2 斷裂構(gòu)造

礦區(qū)斷裂構(gòu)造分為北東向、東西向、北西向3組。北東向斷裂西向東有F4、F6、F7、F18、F10、F2、F3、F8、F9 斷裂，為壓扭性斷裂。東西向有F5 斷裂，為張扭性斷裂。

1.3 含、隔水巖層特征

（1）第四系沖、洪積砂礫石含水層。第四系沖、洪積砂礫石層主要沿汶河兩岸分布，礦區(qū)為汶河南岸沖、洪積所形成Ⅱ級階地，礦床地段基本位于Ⅱ階地的后緣。第四系沖、洪積層厚度不大，一般10 m～15 m，含水豐富，呈潛水或局部承壓狀態(tài)。

（2）大理巖（灰?guī)r）含水層。該礦大理巖（灰?guī)r）含水層的巖溶裂隙、溶孔、溶洞發(fā)育，單位涌水量分別為1 L/（s·m）～3 L/（s·m），是礦床的含水層。

（3）蝕變閃長巖及矽卡巖。礦床的矽卡巖和強烈蝕變閃長巖結(jié)構(gòu)松軟，裂隙發(fā)育與其上邊的大理巖構(gòu)成同一個較明顯的含水段。

（4）第三系紅砂巖隔水層。第三系紅砂巖巖性以紅色黏土質(zhì)粉砂巖為主，含水性弱，可視為良好的隔水巖層。

（5）閃長巖。閃長巖位于成礦接觸帶之下部，多為礦層底板，結(jié)構(gòu)比較致密堅硬，裂隙不發(fā)育，是一個較好的隔水巖體。

1.4 邊界條件

（1）南部邊界條件。南部邊界為東西向的塔子—石門官莊斷裂，該斷裂具有明顯的阻水作用，但南部基巖山區(qū)地下水通過這一地段，補給盆地，補給礦區(qū)。

（2）東部邊界條件。東部邊界為F2、F3 斷裂，該斷裂有明顯的阻水作用，但在局部見該斷裂具有導(dǎo)水性能，也是礦區(qū)灰?guī)r含水層接受區(qū)域側(cè)向補給的主要進水邊界，特別是在該斷裂的東北端，是外圍地下水進入礦區(qū)的重要徑流通道。

（3）北部邊界條件。北部邊界為F5 斷裂，該斷裂具有明顯的阻水性，將南部礦區(qū)與北部地段分割成兩個相對獨立的水文地質(zhì)單元，但在F5 斷裂的東、西兩端有導(dǎo)水缺口，使得南北兩側(cè)有水力聯(lián)系。因此，F(xiàn)5 斷裂具有阻水及導(dǎo)水的兩重性，是礦區(qū)北部的弱透水邊界。

（4）西部邊界條件。礦區(qū)西部在自然狀態(tài)下為礦區(qū)的泄水區(qū)，該方向具有一定的過水能力，但與南部比較，并非主要來水方向。

2 井下近礦體帷幕注漿施工概況

井下近礦體是近幾年逐步發(fā)展使用的一種創(chuàng)新型防治水技術(shù)，該項技術(shù)以高堵水率、高效率、環(huán)保等優(yōu)勢被越來越多的大水金屬礦山所采用，并被成功應(yīng)用于治理礦床地下水。

某鐵礦的垂直開采范圍為?205～?305 m，從2006 年開始，結(jié)合礦體圍巖條件，已經(jīng)在?205 m、?219 m、?231 m、?243 m、?255 m、?266 m、?279 m、?293 m 和?305 m 這9 個分段水平分別進行注漿鉆孔布置設(shè)計，布置井下近礦體帷幕注漿工程，通過3 年多的井下注漿鉆孔的施工，在礦體圍巖30 m 厚度范圍內(nèi)形成了連續(xù)穩(wěn)定的注漿帷幕體，該注漿帷幕體改變了原近礦體圍巖的水文地質(zhì)條件，因而水文地質(zhì)參數(shù)也就相應(yīng)的發(fā)生變化，從而使帷幕體堵水率高達80%以上。

3 礦坑涌水量計算

3.1 帷幕前礦坑涌水量計算

（1）K值選取。滲透系數(shù)是解析公式中的主要參數(shù)。我國礦山大多為分布于基巖山區(qū)的裂隙、巖溶充水礦床，充水含水層的滲透性具有明顯不均勻性，根據(jù)解析計算要求，應(yīng)作均值概化，也是保證滲透系數(shù)具有代表性的措施之一。

根據(jù)等水位線圖，可采用閉合等值線法：

式中，L1、L2為任意兩條（上、下游）閉合等水位線的長度；Δr為兩條閉合等水位線的平均距離；Δh為兩條閉合等水位線的平均距離；MCP為含水層的平均厚度；Q為涌水量。

根據(jù)萊新礦西部礦體的水文資料，取礦坑2007年7 月30 日的水文資料Q=26 649.6 m3/d。

選用?120 m 閉合等水位線和?50 m 閉合等水位線資料：Δr=170.2 m，Δh=70 m，L1=284.2 m，L2=1360 m。

根據(jù)地質(zhì)資料，近似取MCP=230 m。

代入式（1）得KCP=0.3424 m/d。

（2）礦坑涌水量。2007 年為該礦區(qū)百年一遇的豐水年，2007 年礦坑放水試驗中，礦坑最大涌水在50 000 m3/d 以上，該礦涌水量預(yù)測中采用Q—P曲線外推礦坑涌水量，在?305 m 水平礦坑最大涌水量約為70 000 m3/d，?305 m 水平礦坑正常涌水量為22 000 m3/d，與礦坑實際比較相符。

3.2 井下近礦體注漿帷幕后礦坑涌水量計算

3.2.1K值選取

該鐵礦因井下實施了帷幕注漿工程，在礦體圍巖形成了一連續(xù)穩(wěn)定的厚度為30 m 的帷幕體，使得近礦體圍巖的水文地質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化，因此，K值的計算和選取成為一個計算的難題，其值的選取也成為礦坑涌水量計算的關(guān)鍵因素。

（1）基于帷幕堵水率算法。根據(jù)礦坑實際堵水效果，帷幕堵水率取90%，按照式（2）可近似估算帷幕滲透系數(shù)為0.062 m/d，帷幕計算參數(shù)見表1，其計算過程如下：

根據(jù)礦山地表觀測孔的水文資料和井下各測壓鉆孔的水頭，繪制地下水等水位曲線圖，確定影響半徑R0約為1600 m。

含水層厚度平均厚度M由地質(zhì)資料加權(quán)平均確定為230 m。原始水頭H0=572 m。計算涌水量Q。取帷幕堵水率取80%，最大涌水量為70 000 m3/d，計算得帷幕后涌水量為14 000 m3/d。

（2）基于“塌落大井”反推K值。2013 年7月30 日，中部?230 m 分段上盤二步礦房?205 m 護頂巷（09#、10#）頂板垮冒形成一走向40 m（由9#護頂巷，擴大到7#～11#護頂巷）、傾向45 m 的“大井”，該大井揭露突水量為400 m3/h，并且持續(xù)穩(wěn)定2.5 個月，直至該冒落處被充填封閉。由此，可將冒落處涌水概化成是一“大井”做抽水實驗，利用數(shù)值解析“大井法”來反推近礦體注漿帷幕體的滲透系數(shù)K值，選用式（2），選用參數(shù)及計算結(jié)果見表1。2013 年7 月30 日井下冒落突水時，地表水文觀測孔中有CK22 孔基本上沒有受到影響，由此可以將CK22 孔中心處推算為降落漏斗的極限邊界位置，由冒落中心到該孔的水平距離為913 m，故取R=913 m。由K值反求可知，K=0.066 m/d。

表1 K 值計算

（3）K值選取。由“塌落大井”反推的K值比帷幕堵水率估算的K值偏大，造成K值偏大的原因有：2013 年采礦基本結(jié)束，距離井下近礦體帷幕工程施工完成已有近5 a 的時間，帷幕層在采礦作用的影響下，導(dǎo)致少量松動出現(xiàn)，其堵水效果有所下降；冒落的位置位于一期工程上盤外圍，直接與頂板帷幕層相接觸，屬于帷幕層的薄弱地帶，其滲透性相比帷幕層其它地帶差很多，造成其涌水量偏大，反求K值也就偏大。盡管反求的K值偏大，但是利用帷幕層滲透性較差的薄弱地帶的滲透系數(shù)來代表整個帷幕層的滲透系數(shù)計算礦床涌水量，具有相當高的安全性和可靠性，因此，本次解析法計算礦坑涌水量時選取K值為0.066 m/d。對比礦體圍巖進行近礦體帷幕注漿前的滲透系數(shù)K=0.3424 m/d 來說，已經(jīng)減小了5 倍多。

3.2.2 大井引用半徑r0的確定

“大井”的引用半徑r0采用式（3）計算：

式中，F(xiàn)為坑道系統(tǒng)分布范圍所圈定的面積。確切地說，近似等于為保證井田設(shè)計生產(chǎn)率所必需的坑道所圈定面積的大小。參照西部二期工程初步設(shè)計的圖紙，圈定水平巷道所圍的面積，根據(jù)上述公式，計算得r0約為100 m。

3.2.3 影響半徑R的確定

根據(jù)地下水等水位曲線圖以及某鐵礦西礦區(qū)實施井下近礦體帷幕注漿后，地表觀測孔的水文資料和井下各測壓鉆孔的水頭，確定影響半徑R約為1400 m。

3.2.4 礦坑涌水量計算

計算根據(jù)萊新礦區(qū)水文地質(zhì)條件，采用承壓－無壓井流公式：

式中，K為滲透系數(shù)，0.066 m/d；M為含水層厚度平均厚度，230 m；H0為原始水頭，572 m；R為影響半徑（根據(jù)西部礦體降落漏斗確定），1400 m；rw為大井引用半徑，100 m。

在?305 m 水平，假設(shè)疏干到?305 m，則hW=95 m，代入式（4）得：

3.3 實際礦坑涌水量驗證

根據(jù)目前礦坑排水數(shù)據(jù)，在實施井下帷幕注漿工程后，帷幕后礦坑正常涌水量為3300 m3/d，與帷幕前的礦坑預(yù)測正常涌水量22 000 m3/d 相比，堵水率為85%。帷幕前預(yù)測礦坑最大涌水量為70 000 m3/d，若為安全考慮取堵水率為80%，則按照堵水率換算，帷幕后最大涌水量約為14 000 m3/d，與解析法計算結(jié)果15 384.9 m3/d 相比差別不大，兩結(jié)果相互驗證都比較符合實際，基于安全考慮，選取采用解析法預(yù)測的涌水量作為預(yù)測結(jié)果。

4 小結(jié)

某鐵礦在實施完井下近礦體帷幕注漿工程以后，其圍巖的水文地質(zhì)條件發(fā)生了巨大改變，水文地質(zhì)參數(shù)K值減小了5 倍，堵水率高達80%以上，為礦山創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。該礦山采用解析法與基于帷幕堵水率法計算預(yù)測礦坑涌水量比較符合實際，且相互驗證其準確性，基于安全考慮，選取采用解析法預(yù)測的涌水量作為預(yù)測結(jié)果，即?305 m 水平礦坑最大涌水量為16 181 m3/d，礦坑正常涌水量為3300 m3/d。