于興社 袁 冰 劉 陽(yáng) 周 濤

（1．河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司；2．河北昕佳工程勘查設(shè)計(jì)有限公司）

某鐵礦位于邯邢百泉泉域地下水強(qiáng)徑流帶，是國(guó)內(nèi)典型的水文地質(zhì)復(fù)雜的巖溶大水礦山，礦山頂板為奧陶系含水層，開(kāi)采前期，礦山實(shí)施了礦體帷幕注漿工程和帷幕內(nèi)疏干排水工程。礦體帷幕堵水率可達(dá)80%以上，但并不能完全阻斷帷幕內(nèi)外奧灰?guī)r溶水的水力聯(lián)系，帷幕內(nèi)巖溶地下水仍具有較大的動(dòng)、靜儲(chǔ)量［1-2］。礦山自2013年10月開(kāi)始進(jìn)行帷幕內(nèi)疏干排水，最初疏干排水量為3 000 m3/d，隨著礦山疏干工程多年排水，礦床附近奧陶系灰?guī)r地下水位雖有下降，但疏干放水效果并不顯著，水位下降緩慢。自2017年10月，礦山疏干排水量較穩(wěn)定，約2.4萬(wàn)m3/d，近3 a礦體內(nèi)奧陶系灰?guī)r水位平均下降僅8.93 m，可見(jiàn)礦山在目前疏干排水狀態(tài)下，礦區(qū)地下水處于一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，現(xiàn)有疏干效果很有限。目前礦體水位高于開(kāi)采中段，導(dǎo)致礦山的生產(chǎn)安全受到重大的水害威脅。在此情況下，礦山防治水策略如何制定等已成為制約礦山安全生產(chǎn)的重要問(wèn)題。鑒于此，礦山開(kāi)展了首采區(qū)采場(chǎng)涌水分析及防治水對(duì)策研究，為礦山安全生產(chǎn)提供保障。

1 工程概況

2008—2010年，礦山實(shí)施帷幕注漿工程，后在-260 m中段布置有主水倉(cāng)，建成永久排水系統(tǒng)。共布置6臺(tái)水泵，每臺(tái)水泵額定流量為1 100 m3/h，根據(jù)線(xiàn)路及管道布置，最多可同時(shí)開(kāi)啟4臺(tái)水泵，排水能力最高達(dá)105 600 m3/d，滿(mǎn)足疏干排水需求。礦山在-170，-230，-245 m中段共施工了13個(gè)放水硐室和46個(gè)放水孔，-260 m以上中段礦坑涌水及泄水孔放水通過(guò)泄水井泄至-260 m主水倉(cāng)，然后通過(guò)水泵排至地表。為確保安全開(kāi)采，礦山基建和開(kāi)采過(guò)程中堅(jiān)持逢掘必探，先探后掘的原則，所以基建過(guò)程中大量使用了注漿堵水。目前礦山已建成投產(chǎn)，并形成主井、副井、北風(fēng)井、南風(fēng)井共4條豎井及-110，-170，-230，-245，-260，-409，-448，-488 m等多個(gè)中段，并在-488 m水平建有輔助排水系統(tǒng)。

隨著礦山基建工程和疏干工程多年排水，礦床附近奧陶系灰?guī)r地下水位已產(chǎn)生了較大幅度的下降。至2020年3月，礦區(qū)觀測(cè)孔最低水位已降至-73 m左右，北部降至-37 m左右，南部降至0 m左右。目前礦山總排水量約為2.4萬(wàn)m3/d，水量較穩(wěn)定，但礦區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r水位下降緩慢，近3 a礦區(qū)內(nèi)觀測(cè)孔水位下降幅度最大為19.99 m，最小為1.43 m，平均下降8.93 m，現(xiàn)有疏干排水工程的疏干效果很有限。

2 礦床充水因素及涌水量預(yù)測(cè)

由分析可知，奧陶系灰?guī)r是礦區(qū)主要含水層，也是與區(qū)域聯(lián)系的主要通道。在天然條件下，該層灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，富水性透水性強(qiáng)，水力坡度極小，與區(qū)域地下水聯(lián)系密切，礦山開(kāi)采時(shí)區(qū)域地下水會(huì)通過(guò)此強(qiáng)含水層大量側(cè)向補(bǔ)給礦坑，影響范圍廣，礦坑涌水量大。1990年開(kāi)始，由于區(qū)域內(nèi)地下水開(kāi)采量的增加，導(dǎo)致地下水位大幅下降，礦山一帶與天然水位相比下降150 m左右。水位大幅下降使得礦區(qū)大量主含水層處于疏干狀態(tài)，礦體頂部含水層厚度變薄，同時(shí)也使礦床與區(qū)域含水層的聯(lián)系變?nèi)酢Ｓ捎诘V山實(shí)施了帷幕注漿工程，在基建過(guò)程中大量使用注漿堵水，使灰?guī)r中部分巖溶裂隙被充填，灰?guī)r的富水性透水性較天然情況有了一定程度的降低。受上述2個(gè)方面的影響，使得礦床地段主要含水層透水性已變得相對(duì)較弱。

2.1 礦床充水因素分析

在帷幕注漿及注漿堵水后，奧灰?guī)r巖溶裂隙部分被堵塞，富水性、透水性降低，礦床地段形成一個(gè)相對(duì)較統(tǒng)一的弱含水體，區(qū)域地下水通過(guò)弱含水體的外圍緩慢滲入內(nèi)部補(bǔ)給礦床地下水。

礦山共施工了13個(gè)放水硐室和46個(gè)放水孔，自2017年10月以來(lái)，礦井疏干排水量較穩(wěn)定，約為2.4萬(wàn)m3/d，各中段涌水量情況見(jiàn)表1。-245 m中段的涌水量最大占總涌水量的44%，其他中段排水量均較小?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，各中段出水點(diǎn)主要為雜亂分布的分散出水點(diǎn)，包括頂板淋水及側(cè)壁滲水等，大流量的集中出水點(diǎn)很少，單點(diǎn)最大流量為62 m3/h。放水孔放出水量有限，總放水量小于5 000 m3/d，占礦山總排水量約20%。表明目前條件下，礦床含水層整體富水性、透水性變?nèi)?，而小口徑放水孔放出水量有限，只有大幅度地加大揭露面積才能較大程度增大礦坑涌水量。

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2.2 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

2.2.1 礦坑涌水量及地下水位相關(guān)關(guān)系

在充分考慮區(qū)域與礦山水文地質(zhì)條件影響因素的基礎(chǔ)上，繪制各觀測(cè)孔水位標(biāo)高與礦山排水量歷時(shí)曲線(xiàn)，選取其中數(shù)據(jù)比較完整、不同位置的觀測(cè)孔，繪制2012年7月——2020年3月觀測(cè)孔水位與其相對(duì)應(yīng)的礦坑涌水曲線(xiàn)，進(jìn)行二者相關(guān)性分析。圖1為CG71觀測(cè)孔礦坑涌水量及地下水位相對(duì)關(guān)系曲線(xiàn)，分為2016年以前及2016年以后2個(gè)階段，分別代表不同區(qū)域地下水環(huán)境下礦山排水量與地下水位的相對(duì)關(guān)系。從圖1中可看出，礦坑涌水量大小與礦床地下水水位變化呈正相關(guān)關(guān)系［3-4］，曲線(xiàn)不同部位的斜率反映了該階段二者之間關(guān)系，即水量不大的情況下，水位下降緩慢或保持不變；隨著水量逐漸增大，水位呈明顯下降趨勢(shì)；水量再增大，水位則會(huì)呈現(xiàn)較陡的幅度下降。

2.2.2 礦坑涌水量與開(kāi)拓工程量相關(guān)關(guān)系

選取2012年至今的礦坑涌水量及開(kāi)拓工程量數(shù)據(jù)建立關(guān)系曲線(xiàn)（圖2）。從圖2可看出，礦坑涌水量隨著工程開(kāi)拓量的增加而不斷加大，呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系［5］，但是增加趨勢(shì)越來(lái)越緩慢，當(dāng)工程開(kāi)拓量增大到一定程度時(shí)，礦坑涌水量隨工程開(kāi)拓量的變化將微乎其微。

2.2.3 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

在假設(shè)區(qū)域各排水點(diǎn)和開(kāi)采量保持穩(wěn)定，水位變化幅度不大的情況下，利用現(xiàn)有礦坑涌水量及地下水位相對(duì)關(guān)系曲線(xiàn)外推，可預(yù)測(cè)礦床地下水水位降至不同水平時(shí)的礦坑涌水量。疏干排水的目的是想把帷幕內(nèi)礦體水位降至開(kāi)采中段-230 m以下，這樣才利于安全開(kāi)采。從圖1中可看出，水位實(shí)際上一直在降低，只是降速較慢。以曲線(xiàn)斜率延長(zhǎng)線(xiàn)與-170和-245 m這2個(gè)預(yù)測(cè)水平相交，其對(duì)應(yīng)值即礦床總體水位降低至該水平時(shí)的礦坑涌水量。圖3為CG71觀測(cè)孔礦坑涌水量及地下水位相對(duì)關(guān)系。分別對(duì)各鉆孔曲線(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果均比較相近，-170 m水平涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果在3.3～3.7萬(wàn)m3/d，-245 m水平涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果在3.8～4.4萬(wàn)m3/d。

2.3 首采段涌水量預(yù)測(cè)

礦山設(shè)計(jì)先開(kāi)采-230 m及以上中段。由圖2可知，礦坑涌水量與開(kāi)拓工程量具有相關(guān)性，利用圖2礦坑涌水量與工程開(kāi)拓量的相對(duì)關(guān)系曲線(xiàn)外推，可求得工程開(kāi)拓量到達(dá)一定程度時(shí)的礦坑涌水量，其預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。在區(qū)域水文地質(zhì)條件基本穩(wěn)定的前提下，隨著開(kāi)采面不斷展開(kāi)，開(kāi)采段涌水量呈緩慢增加的趨勢(shì)，且增加趨勢(shì)越來(lái)越緩，當(dāng)開(kāi)采段總開(kāi)拓量達(dá)47萬(wàn)m3時(shí)，開(kāi)采段涌水量增加0.7萬(wàn)m3/d左右，此時(shí)礦山總涌水量約3.1萬(wàn)m3/d，較目前增加不大。

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2.4 首采段突水因素分析

通過(guò)對(duì)第四系含水層、斷層導(dǎo)水及大型溶洞等突水因素進(jìn)行分析，可知目前礦床地段石灰?guī)r含水層透水性整體較弱，且因疏干排水作用，含水層厚度大幅度縮減，在降落漏斗中心，灰?guī)r含水層厚度僅剩約50 m，F(xiàn)3（礦）斷層面臨無(wú)水可導(dǎo)的局面。通過(guò)對(duì)礦山水文地質(zhì)條件研究和長(zhǎng)期疏干放水驗(yàn)證，認(rèn)為現(xiàn)階段礦山防治水總原則為以疏為主，以堵為輔，可利用開(kāi)采工程繼續(xù)對(duì)礦床進(jìn)行疏干，同時(shí)加強(qiáng)礦山防治水工作。

3 防治水建議

根據(jù)礦山水文地質(zhì)條件和充水因素特點(diǎn)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本，提出礦山防治水措施的制定應(yīng)堅(jiān)持“以疏為主，以堵為輔”的原則，主要內(nèi)容如下：①地下水位以下的開(kāi)采活動(dòng)必須堅(jiān)持“逢掘必探，先探后掘”的原則；②利用已開(kāi)采工程進(jìn)行整體疏干，不再單獨(dú)設(shè)置疏干放水孔，在巷道掘進(jìn)中，加強(qiáng)礦巖接觸面與斷層部位的超前鉆孔探水，當(dāng)鉆孔涌水量較大時(shí)，進(jìn)行放水疏干；③礦山建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中的探水孔或其他工程出水點(diǎn)，在不影響正常生產(chǎn)的前提下，不實(shí)施注漿堵水措施，而是加大放水力度，使礦區(qū)地下水位盡快降至安全水頭，既節(jié)省費(fèi)用又保障安全生產(chǎn)；④結(jié)合實(shí)際制定一礦房一治水方案，加強(qiáng)采場(chǎng)淋水治理，盡量減少采場(chǎng)淋水進(jìn)入溜井；⑤完善地下水水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)加密，同時(shí)在巷道下選擇一部分水量小的疏干放水孔，加裝壓力表，作為觀測(cè)點(diǎn)位，觀測(cè)礦床地下水壓力，及時(shí)掌握地下水位動(dòng)態(tài)變化情況，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)；⑥規(guī)范日常水文地質(zhì)工作。

4 結(jié)論

（1）利用礦坑涌水量與地下水位動(dòng)態(tài)相關(guān)曲線(xiàn)預(yù)測(cè)了礦坑涌水量，主采區(qū)水位標(biāo)高降至-170 m時(shí)，礦坑涌水量為3.7萬(wàn)m3/d，主采區(qū)水位標(biāo)高降至-245 m時(shí)，礦坑涌水量為4.4萬(wàn)m3/d。

（2）運(yùn)用礦山排水量與工程開(kāi)拓量資料建立相關(guān)關(guān)系曲線(xiàn)，預(yù)測(cè)首采段涌水量，當(dāng)開(kāi)采段總開(kāi)拓量達(dá)47萬(wàn)m3時(shí)，開(kāi)采段涌水量增加0.7萬(wàn)m3/d左右，此時(shí)礦山總涌水量約為3.1萬(wàn)m3/d，較目前增加不大，在可控范圍內(nèi)。

（3）巖溶裂隙發(fā)育較弱，且礦體周邊沒(méi)有大的溶洞及采空區(qū)，發(fā)生突水的可能性??；出水點(diǎn)多集中在礦巖接觸帶或斷層周?chē)?，而礦體整體透水性弱；疏干效果有限，可利用已開(kāi)采工程進(jìn)行整體疏干。