陳小兵

(福建馬坑礦業(yè)股份有限公司， 福建 龍巖市 364021)

0 引言

巖溶大水礦山一般存在于水文地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)，在礦山開采的過程中普遍伴隨著涌水量大、開采難度高、排水費(fèi)用高、地面塌陷、地下水資源枯竭及地下水環(huán)境破壞等方面的問題[1]，更有甚者會(huì)發(fā)生突水淹井事故。因此，治理礦山水害成為了大水礦山采礦的頭等大事，需要采用科學(xué)的、行之有效的防治水技術(shù)措施[2]，以此為礦山的安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。傳統(tǒng)疏干技術(shù)存在著工程量大、周期長(zhǎng)、成本高及易引發(fā)地面塌陷等環(huán)境問題?？刂剖韪煞ㄗ鳛閭鹘y(tǒng)疏干技術(shù)的一大發(fā)展，通過控制礦坑內(nèi)水位降落漏斗形狀，可達(dá)到預(yù)防突水淹井、降低排水費(fèi)用、保護(hù)地下水資源等目的[3]。

馬坑鐵礦計(jì)劃完成新增500萬t/a采選工程的基建工作，但作為巖溶大水礦山，礦床地下水位仍處于+100 m以上，對(duì)井下安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。礦山西部0 m以上礦體開采時(shí)，運(yùn)輸巷掘進(jìn)面前方涌水量約6000 m3/d，水壓1.5 MPa，采用探水注漿往前掘進(jìn)施工困難、成本高、工期長(zhǎng)，影響礦山按時(shí)達(dá)產(chǎn)。根據(jù)礦山水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及其設(shè)施布局等特點(diǎn)，并結(jié)合目前國內(nèi)外疏干技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，決定采用控制疏干技術(shù)為防治水措施。通過實(shí)施控制疏干工程，有效降低了礦山突水風(fēng)險(xiǎn)，減少了礦坑涌水量，為礦山增產(chǎn)提供了技術(shù)保障，同時(shí)也創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 礦山概況

馬坑鐵礦礦區(qū)東西長(zhǎng)4000 m，南北寬1000 m，是我國著名的特大型磁鐵礦床，也是有名的大水礦山。本文研究的馬坑鐵礦西部位于71勘探線以西，區(qū)內(nèi)上古生界地層(C1l-P2q)發(fā)育，總體呈北東南西向分布，傾向北西，其中經(jīng)畬組(C2j)為礦體賦存層位，船山組(P1c)和棲霞組(P2q)地層以碳酸鹽巖為主，是本區(qū)巖溶發(fā)育的主要層位。

2 控制疏干工程

控制疏干技術(shù)適用于礦床水文地質(zhì)條件較復(fù)雜、含水層（帶）結(jié)構(gòu)在空間上存在一定差異性的情況，需通過超前探水、降壓疏干、水位監(jiān)測(cè)、注漿堵水及數(shù)值模擬等綜合手段實(shí)現(xiàn)[4]。其中水文地質(zhì)邊界條件，特別是對(duì)隔水層的研究，分析其阻水能力、空間位置、分布范圍及穩(wěn)定程度等問題，對(duì)制定科學(xué)的、行之有效的控制疏干方法是十分重要 的[3]。

2.1 隱伏隔水帶分布規(guī)律及隔水性能研究

2.1.1 隱伏隔水帶分布規(guī)律

馬坑鐵礦+100 m、0 m中段頂板灰?guī)r外側(cè)發(fā)育矽卡巖及輝綠巖類[5]，均為塊狀致密巖石，連續(xù)分布于71線以西的礦體北側(cè)，在0 m中段62～63線之間被礦體侵入，但礦體也是隔水層，隔水帶完整，平均厚度為62.44 m；+100 m中段67線、70線被 礦體侵入，隔水帶完整，平均厚度為101.45 m。0 m中段及+100 m中段隱伏隔水帶相對(duì)完整，其平均厚度為81.94 m。

2.1.2 隱伏隔水帶隔水性能研究

利用井下關(guān)放水，井上、井下同步觀測(cè)查明輝綠巖、矽卡巖隔水帶的隔水性能，0 m中段上盤運(yùn)輸巷68線迎頭探水孔揭露外灰?guī)r關(guān)放水量均為1920 m3/d（80 m3/h）。地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，隱伏隔水帶外灰?guī)r水位（水5孔）歷時(shí)10個(gè)月放水監(jiān)測(cè)，從標(biāo)高+123.27 m下降至+96.61 m，水位下降26.66 m；關(guān)閉0 m中段的涌水量約80 m3/h后，該孔水位從2018年8月開始逐漸上升，到2020年8月上升了19.46 m；與此同時(shí)新增的隱伏隔水帶外灰?guī)r井下觀測(cè)孔zk100-1，從2019年1月至2020年8月，水位沒有下降，反而上升0.3 m，與水5孔一致；同期新增隱伏隔水帶內(nèi)灰?guī)r井下觀測(cè)孔zk100-3水位沒有上升反而下降5 m以上。

圖1 隔水帶內(nèi)外灰?guī)r地下水位變化曲線

通過關(guān)放水試驗(yàn)可知，受F2斷層上盤隱伏隔水帶影響，西部輝綠巖、矽卡巖隱伏隔水帶完整，隔水性能良好，外灰?guī)r水位與內(nèi)灰?guī)r水力聯(lián)系不暢，水位差最大達(dá)101.32 m；深部巖溶富水性變?nèi)酰饣規(guī)r水有一定水壓（1 MPa），但關(guān)水試驗(yàn)僅關(guān)閉約80 m3/h的涌水量，水位回升明顯，呈現(xiàn)“高水壓、弱富水”特征。

2.2 控制疏干方案

控制疏干技術(shù)可分為3類，依據(jù)礦區(qū)含水層在剖面上是否存在多元結(jié)構(gòu)、各含水層（帶）間在局部區(qū)域是否存在相對(duì)獨(dú)立性、礦體與含水層之間是否存在相對(duì)隔水層或礦體厚大且不導(dǎo)水的情況，可分別采用單層（下層）疏干法、區(qū)段疏干法及降壓疏干法[6]。根據(jù)礦區(qū)特點(diǎn)，本次利用輝綠巖脈隱伏隔水墻進(jìn)行控制疏干，為單層疏干法的類型，利用輝綠巖、矽卡巖隱伏隔水帶良好的隔水性，將原設(shè)計(jì)布置在輝綠巖、矽卡巖隔水帶外側(cè)（北側(cè)），0 m水平西部上盤運(yùn)輸巷改為布置在內(nèi)側(cè)（南側(cè)），見圖2。

圖2 0 m水平西部上盤運(yùn)輸巷布置改進(jìn)

采用經(jīng)濟(jì)有效的、井下應(yīng)用最廣泛的疏干方法——叢狀放水孔疏干法，具體布置見圖3，在弱含 水層中布置疏干巷道和疏干硐室（或直接利用采礦巷道）。在疏干硐室中，向礦體旁側(cè)灰?guī)r含水層鉆鑿呈扇形分布的水平疏水孔群，預(yù)先降低地下水 位，為采掘工作創(chuàng)造條件。

圖3 65線控制疏干方案剖面

3 開采穩(wěn)定性分析

3.1 采礦對(duì)隔水層穩(wěn)定性影響分析

矽卡巖和灰綠巖脈為相對(duì)隔水層[2]，分布在西部厚大礦體北側(cè)，可作防治水關(guān)鍵層，而開采過程中其隔水性能受到開采的影響，因此通過解析法和數(shù)值模擬法分析礦體開采條件下的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度，研究開采對(duì)矽卡巖隔水層的穩(wěn)定性影響。

3.1.1 解析法

礦體地質(zhì)條件：主礦體呈似層狀、層狀賦存于碎屑巖與棲霞組灰?guī)r間的假整合面上。礦體走向北東，往SW略有側(cè)伏；礦體傾向NW，西礦段傾斜延伸長(zhǎng)度為 490～1300 m，平均為1016 m；最高為168 m，最低為-344 m；傾角一般為40°左右，局部達(dá)50°～70°。礦體主要集中在59～69線，礦體頂板圍巖以大理巖或大理巖化灰?guī)r以及輝綠巖類為主。

采礦方法：根據(jù)《馬坑鐵礦采礦方法變更設(shè)計(jì)》0 m、-100 m階段的階段高度為100 m，中厚礦體占10%，該部分礦體采用分段礦房階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，采?chǎng)高度約為60 m。首先回采礦房，采用嗣后膠結(jié)充填回采礦柱，礦柱回采后采用非膠結(jié)充填或低灰砂配比膠結(jié)充填，回采單元按照隔二采一或隔一采一的原則進(jìn)行回采。

礦體開采影響的導(dǎo)水裂隙帶高度：采用《煤礦防治水細(xì)則》和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的計(jì)算公式計(jì)算。

冒落帶高度：馬坑鐵礦西部厚大礦體傾角一般為40°，屬于中傾斜地層；采用膠結(jié)充填法開采，一般情況下，頂板不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的冒落性破壞，其頂板圍巖變形破壞主要由于充填接頂率小，充填體沉降產(chǎn)生的殘余空間所致，根據(jù)類似礦山充填經(jīng)驗(yàn)，未接頂充填高度一般小于2.0 m，故本次取最高值2.0 m。垮落帶采用式（1）計(jì)算[7]：

式中，Hm為垮落帶高度，m；M為采空區(qū)高度，m；取2 m；k為冒落巖石碎脹系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取1.2；α為礦層傾角，礦體傾角40°。

通過式（1）計(jì)算，垮落帶高度為13 m。

導(dǎo)水裂隙帶高度：中傾斜礦體，堅(jiān)硬覆巖下開采所形成的導(dǎo)水裂隙帶可采用公式（2）計(jì)算[6]。

式中，H裂為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；其余參數(shù)同公式（1）。經(jīng)計(jì)算可得，導(dǎo)水裂隙帶高度為54 m。

綜上垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算，西部厚大礦體開采時(shí)對(duì)其上部地層的影響高度為67 m。

3.1.2 數(shù)值模擬法

通過phase2軟件模擬分析馬坑鐵礦地下開采時(shí)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。

地質(zhì)模型及范圍：馬坑鐵礦西部厚礦體主要在59～70線之間，走向北東，垂直礦體走向布置采場(chǎng)，地質(zhì)模型見圖4。為確保模擬精度，模型范圍一般 選取采掘影響范圍的2～4倍，即取500 m×500 m（標(biāo)高范圍+300～-200 m）。

圖4 模型范圍及網(wǎng)格剖分

分析模型構(gòu)建：礦山西部厚大礦體的采礦方法為分段礦房階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，盤區(qū)沿礦體走向劃分，長(zhǎng)度為120 m，寬度為礦體的水平厚度，采場(chǎng)垂直礦體走向布置，高約60 m，沿礦體走向每20 m劃分為一個(gè)采場(chǎng)，一步驟和二步驟采場(chǎng)寬度尺寸相同。

模擬結(jié)果分析：開采過程中礦體頂板位移情況見圖5。礦體一步驟開采后頂板最大位移達(dá)9.75 cm，充填后頂板最大位移為3.9 cm，減小5.85 cm；二步驟開采后頂板位移大幅增加，最大位移達(dá)18 cm，充填后頂板變形得到緩解，穩(wěn)定后最大位移為11.2 cm，減小6.8 cm。通過采掘充填過程模擬分析，對(duì)礦體頂板影響最大的是二步驟采掘作業(yè)，最大影響高度可達(dá)62 m。因此采掘作業(yè)對(duì)上部圍巖的影響范圍為62 m。

圖5 西部厚大礦體開采過程中垂直位移云圖

馬坑鐵礦西部主要礦體的間接頂板矽卡巖及輝綠巖脈分布在59～69線之間，由西向東逐漸靠近礦體，其中在59～61線之間距離礦體100～200 m，62～65線之間距離礦體50～100 m，66～69線之間距離礦體10～50 m。矽卡巖的厚度在空間上呈現(xiàn)出兩邊薄中間厚的特征，其中西部（59～61線）最薄厚度在30～60 m，其余部位厚度較均勻，為70 m左右。

通過解析法和數(shù)值模擬法分析，西部礦段采用分段礦房階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，在采掘作業(yè)過程中對(duì)頂板的影響范圍為67 m和62 m。因此在設(shè)計(jì)采礦方法時(shí)，要及時(shí)充填空區(qū)，上部覆巖的最大影響值為67 m，即西部厚大礦體之上安全高度值為67 m。礦體上部的內(nèi)灰?guī)r與矽卡巖厚度之和的最小值為77 m，因此在設(shè)計(jì)采掘條件下，上部矽卡巖穩(wěn)定隔水層厚度最小值為10 m，采掘工作不會(huì)導(dǎo)致外灰?guī)r與內(nèi)灰?guī)r直接溝通。

3.2 安全水頭壓力值

安全水頭壓力值即隔水層臨界水壓，當(dāng)承壓含水層與開采礦層之間的隔水層能夠承受的臨界水頭值P臨＞實(shí)際水頭值P時(shí)，一般情況下（不出現(xiàn)斷裂構(gòu)造情況下）礦層開采時(shí)不影響隔水層的穩(wěn)定，可帶壓開采，反之需疏水降壓開采。安全水頭壓力值采用式（3）計(jì)算[8]。

式中，P臨為底板隔水層能夠承受的安全水壓，MPa；t為隔水層厚度，m，取最小完整厚度10 m；L為采場(chǎng)寬度，取20 m；γ為隔水層的平均重度，取0.029 45 MN/m3；Kp為隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，取4.86 MPa。

通過式（3）計(jì)算隔水層能承受的臨界水頭值P臨=2.72 MPa，根據(jù)礦山最新水位資料，實(shí)際水頭值小于1 MPa。因此，在目前礦山地下水位條件下，隔水巖脈能起到阻水作用。

3.3 防水礦柱留設(shè)

為防止突水事故發(fā)生，須在0 m中段55～58線、61～63線兩個(gè)靠近含水層的礦體區(qū)域留設(shè)防水礦柱。防水礦柱的留設(shè)參照經(jīng)驗(yàn)公式（4）計(jì)算[9]：

式中，L為留設(shè)的隔水礦柱寬度；M為礦體厚度或采高（取大值），60 m；K為安全系數(shù)，取2；P為巖層承受的靜水壓力，3.94 MPa；KP為礦體的抗拉強(qiáng)度，15.26 MPa。

經(jīng)計(jì)算，需留設(shè)的防水礦柱寬為26.83 m，滿足不小于20 m的安全要求，又考慮到礦體抗拉強(qiáng)度的不均勻性，需適當(dāng)增大礦柱的寬度，即設(shè)計(jì)防水礦柱寬度為30 m。

考慮安全高度，本次將55～58線間與灰?guī)r相連的單獨(dú)礦體及61～63線之間的矽卡巖脈內(nèi)礦體均設(shè)置為防水礦柱。

4 結(jié)論

馬坑鐵礦利用礦內(nèi)存在的輝綠巖及矽卡巖隱伏隔水帶，采用控制疏干技術(shù)僅疏干近礦體灰?guī)r地下水即可控制外灰?guī)r水位。同時(shí)據(jù)已貫通巷道情況，除局部揭露破碎帶發(fā)生淋水外，其余均未涌水，巖石較完整，巖性較好。

控制疏干技術(shù)有效降低了礦山突水風(fēng)險(xiǎn)，減少礦坑涌水量約6000 m3/d，年節(jié)約排水電費(fèi)500萬元以上，同時(shí)減少大量疏干工程量、縮短工期，提前釋放西部0～100 m標(biāo)高之間的礦體，為馬坑鐵礦達(dá)產(chǎn)提供了基礎(chǔ)保障，此技術(shù)可供同類礦山防治水工程參考。