廣西大新錳礦巖溶裂隙水形成機(jī)理及力學(xué)性質(zhì)分析與研究

王榮庚

(廣西錫山礦業(yè)有限公司,廣西南寧 530022)

廣西大新錳礦礦區(qū)位于左江流域(珠江水系),西部即為珠江與越南紅河兩水系分水地帶。布康溪發(fā)源于礦區(qū)西北部,屬左江水系分支,自北西向南東流經(jīng)本區(qū),為本區(qū)地下水最大地表補(bǔ)給水體。本區(qū)屬亞熱帶潮濕氣候區(qū),降水量比較豐富,據(jù)資料總結(jié)該區(qū)氣象特征：暴雨次數(shù)最多為9次/a,平均6次/a,最大暴雨量達(dá)到147.7 mm/d,平均年降雨量達(dá)到1 558mm/d,暴雨主要出現(xiàn)在 5-7月,次為 8-9月,10月至次年3月為枯水期?？梢姷V區(qū)地下水的大氣水補(bǔ)給量也很大。

礦區(qū)碳酸鹽巖分布廣,組成區(qū)內(nèi)主要含水層,其中裂隙溶洞含水層有黃龍組(灰?guī)r),大塘階(灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r)與東崗嶺階(灰?guī)r)；溶洞裂隙含水層有榴江組及五指山組灰?guī)r；非碳酸鹽巖在區(qū)內(nèi)分布不廣,為礦內(nèi)隔水層,其層位有巖關(guān)階(硅質(zhì)、泥質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)巖)以及郁江階(粉砂巖、頁巖)[1]。

1 礦區(qū)主要裂隙含水層及巖溶作用機(jī)理

下石炭統(tǒng)巖關(guān)階下段(c1y1)溶洞裂隙含水層。該層為礦層間接頂板含水層,也是礦區(qū)富水性及滲透性較強(qiáng)的含水層。含水層由泥質(zhì)及硅質(zhì)灰?guī)r組成,按其富水性的差異自上而下分3段。上段厚95 m為相對(duì)隔水帶；中段為含水帶,溶洞發(fā)育,鉆孔揭露的溶洞最大值徑可達(dá)26.32 m,并被泥砂充填。該段主要分布在布康洼地及布康溪谷一帶,水文地質(zhì)參數(shù)為：q=2.66 l/sm,T=871.43 m2/d,μ=2.49×10-4；下段為弱裂隙含水帶,厚0～140 m,水文地質(zhì)參數(shù) k=0.029 4 m/d,q=0.011 2 m3/dm。

東崗嶺組溶洞裂隙含水層(D2d)。含水層由灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r組成,上部為裂隙溶洞含水帶,該帶溶洞發(fā)育,在布新洼地可見直徑2～5 m、深10 m的落水洞。布新洼地巖溶發(fā)育深度達(dá)54.19 m。水文地質(zhì)參數(shù) q=0.688 l/sm,T=85.97 m2/d,k=1.705 8 m/d。下部為裂隙含水帶,其富水性和滲透性明顯降低：其水文地質(zhì)參數(shù) q=0.046 6 l/sm,k=0.094 m/d。

1)巖溶產(chǎn)生發(fā)育需具備3個(gè)條件,即：可溶性巖石和地質(zhì)構(gòu)造與地層結(jié)構(gòu)以及地下水和地表水補(bǔ)給、徑流、滲透和循環(huán)[2]。巖溶過程便是可溶性巖石被溶蝕的過程,巖石中的碳酸鹽發(fā)生分解,巖溶的化學(xué)過程如下：

CO2(空氣或水)+H2O→H2CO3→

H++HCO3→H++CaCO3→HCO3-+Ca+

即 CO2+H2O+CaCO3→Ca++2(HCO3)-

2)巖溶水是指存在于可溶性巖石(碳酸鹽巖類)的溶孔、溶洞和溶蝕裂隙中的地下水[3]。它不僅是一種具有特殊性質(zhì)的地下水,而且也是一種活躍的地質(zhì)營力,在它的運(yùn)動(dòng)過程中,不斷與巖石作用,在長期溶蝕過程中不斷改造本身儲(chǔ)存環(huán)境,形成可溶性地層覆蓋區(qū)。在豐富的地表水體及大氣降水補(bǔ)給條件下,礦區(qū)的碳酸鹽巖覆蓋巖層發(fā)育廣泛的巖溶裂隙,隨著水體不斷滲流,在時(shí)間上碳酸鹽巖體便不斷被溶蝕,在空間上地下道水通道不斷地加大,并最終形成穩(wěn)定的地下通道。

2 巖溶裂隙水產(chǎn)生的機(jī)理及力學(xué)分析

巖溶裂隙水始于水流對(duì)原有狹小通道的溶蝕擴(kuò)展,溶蝕下來的巖石成分通過水流循環(huán)作用不斷帶走,水流通道被拓寬,巖體裂隙繼續(xù)發(fā)生擴(kuò)展,連通率增大,從而改變巖體的原始結(jié)構(gòu),滲透性增加,反之又加速了巖溶水的滲流,同時(shí)伴隨侵蝕及泥化等作用。巖溶水對(duì)裂隙巖體具有軟化和溶蝕雙重作用[4],巖溶程度和巖體中的碳酸鹽成分多少有直接關(guān)系,碳酸鹽純度越高巖溶發(fā)育的程度也越廣。

大新錳礦礦區(qū)的可溶性巖石主要為硅質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r,巖溶裂隙發(fā)育最大的為碳酸鹽含量最高的白云質(zhì)灰?guī)r,其次為硅質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r。礦體賦存于晚泥盆系地層中,該段地層多為硅質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r,巖溶裂隙多以小型為主,一般大型的溶洞只有在厚層灰?guī)r地段才會(huì)發(fā)育,340中段左3號(hào)運(yùn)輸巷、膠帶斜井和280排水平洞在施工過程中,工作面涌水便是該類巖溶水。但圍巖的碳酸鹽含量畢竟分布不均,造成巖溶裂隙大小不均,這也控制著巖溶水量的大小,巖溶水量的大小又影響巖溶作用的擴(kuò)散速度,巖溶總是隨著流動(dòng)的水體向周邊巖體溶蝕,直至周邊巖體碳酸鹽成分分解完或地下水位下降,溶蝕才結(jié)束,溶巖裂隙停止生長。

巖溶水對(duì)巖石的作用力表現(xiàn)為效應(yīng)力,包括靜水壓力、動(dòng)水壓力[5],具體體現(xiàn)在巖層中裂隙水的內(nèi)水壓力作用,還有內(nèi)水外滲過程產(chǎn)生的相互作用力。一般的情況下水力與周邊巖體短期內(nèi)是處于一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài),隨著水體的流動(dòng),容水通道的增大,當(dāng)外力作用于圍巖時(shí)即巷道掘進(jìn)施工,開挖巖體造成巖體一側(cè)臨空,內(nèi)水壓力相對(duì)集中于低壓臨空面,力平衡狀態(tài)被打破,水壓傾向于向受力減弱的一方位移,在移動(dòng)過程中,不斷地對(duì)巖體產(chǎn)生應(yīng)力作用,滲入巖體,持續(xù)不斷地產(chǎn)生影響,直至巖體軟化發(fā)生解體,裂隙進(jìn)一步延伸擴(kuò)展,周而復(fù)始。臨空工作面受力隨著掘進(jìn)進(jìn)度而增大,當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí),巷道工作面開始滲水,持續(xù)不斷的內(nèi)水壓力及巖體內(nèi)應(yīng)力使得巷道坍塌并最終發(fā)生突水。

3 井巷巖溶裂隙水突水分析

在巷道施工過程中,由于開挖巖層巖溶裂隙發(fā)育且高壓、富水,常產(chǎn)生巖溶裂隙水突出的災(zāi)變現(xiàn)象。巖溶涌水通常會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖穩(wěn)定性迅速下降,從而坍塌,給巷道帶來不同程度的危害。這其中便涉及到巖溶水—圍巖的相互作用問題。巖溶裂隙水突出實(shí)質(zhì)就是裂隙巖體含水結(jié)構(gòu),水動(dòng)力系統(tǒng)和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)因巷道開挖而發(fā)生急劇變化,巷道巖體開挖破壞了原有水力循環(huán)系統(tǒng)和靜態(tài)水的穩(wěn)定,使得出現(xiàn)突水的可能。

2009年10月21日膠帶斜井發(fā)生突水事故,當(dāng)時(shí)工作面掘進(jìn)至標(biāo)高 274 m,井筒累計(jì)進(jìn)尺為330 m,被淹井筒200 m左右,膠帶斜井井口標(biāo)高為338 m,淹井靜止水位在305 m標(biāo)高,井下從工作面突水到上升至靜止水位高差為31 m,水量非常大。斜井中軸線所穿越的地段地下水類型有松散巖類孔隙水、巖溶溶洞裂隙水、基巖裂隙水3種類型。按其不同巖性把圍巖分成3層：硅質(zhì)灰?guī)r、泥巖夾硅質(zhì)巖、硅質(zhì)巖。井口處覆蓋層為第四系殘坡積層,厚度小于1 m,松散巖類孔隙水賦存空間較小,可忽略不計(jì)。施工工作面現(xiàn)狀標(biāo)高可知,工作面位于泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)上段,由硅質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r、夾硅質(zhì)灰?guī)r組成,地下水類型巖溶溶洞裂隙水,水位標(biāo)高240～510 m,受大氣降水和布康溪水的補(bǔ)給,對(duì)礦井沖水造成了直接影響。巷道正是因?yàn)樨灤┰搶又械娜芏戳严端蚩s小了圍巖與溶巖裂隙之間的安全距離,改變了巖層和裂隙水之間的平衡力,當(dāng)巖溶裂隙水壓達(dá)到巖體斷裂破壞突水的臨界水頭壓力值后,致使裂隙水在高壓水頭壓力作用下發(fā)生擴(kuò)展,向低壓臨空的工作面方向運(yùn)動(dòng),同時(shí)內(nèi)水壓力作用使水流對(duì)突水通道具有沖刷擴(kuò)徑作用,水量不斷增大,于是造成了膠帶斜井突水事故。

主要結(jié)論為：膠帶斜井突水事故系由巖溶裂隙水的內(nèi)水壓力及施工外力共同作用下所誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害,施工外力改變了裂隙巖體含水結(jié)構(gòu),水動(dòng)力系統(tǒng)和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)；水壓力作用使水流對(duì)突水通道具有沖刷擴(kuò)徑作用,隨著時(shí)間的推移,短期內(nèi)涌水量會(huì)隨突水裂隙的機(jī)械破壞而增大,而長期的溶蝕作用將加大裂隙通道的擴(kuò)徑趨勢(shì)；裂隙水作用面與巷道臨空作業(yè)面之間存在一個(gè)最小巖石承壓厚度層,通過對(duì)巖石的性質(zhì)及應(yīng)力分析,可推測(cè)出承壓厚度層的安全距離,為防患災(zāi)害提前預(yù)警。

1)斜井工作面開挖時(shí),必須了解井巷地下水涌水量,根據(jù)涌水量的值,判斷巖溶水裂隙內(nèi)壓力大小,以提前采取防護(hù)措施。涌水量預(yù)測(cè)采用大井法的穩(wěn)定流方法計(jì)算：

Q=(α/2π) ·(πK(2H-S)/(lnR0-lnr0)

式中K——滲透系數(shù)(m/d)；取K=14.51 m/d；

R0——引用影響(m)；R0=2S.SQRT(KH)；

S——水位降深(m)；

H——含水層厚度(m)；

r0——引用大井半徑(m)；r0=SQRT(2 F/α)；

F——含水層底板垮落面積,即井區(qū)面積(m2)；

α——進(jìn)水弧度角(°)。

2)根據(jù)節(jié)理裂隙發(fā)育和巖層破碎程度,對(duì)巷道圍巖進(jìn)行分級(jí),可選用《工程地質(zhì)手冊(cè)》圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的理論方法之塌落理論進(jìn)行圍巖的垂直圍巖壓力及側(cè)向圍巖壓力計(jì)算：

圍巖垂直壓力：q=γ·h1

圍巖的側(cè)向壓力：ps=0.5γh(2 h1+h)tan2(45°-φ/2)

式中h1=(a+h·tan(45°-φ/2))/tanφ；

γ——巖石重度(kN/m3)；

a——斜井開挖寬度之半(m)；

h——斜井開挖高度(m)；

φ——地層內(nèi)摩擦角(°)。

3)按照圍巖分級(jí),根據(jù)圍巖穩(wěn)定性有針對(duì)性進(jìn)行巷道支護(hù),支護(hù)方案可采用參考相關(guān)圍巖級(jí)別對(duì)應(yīng)支護(hù)方式的參考書,確保支護(hù)的合理性和施工的安全性。

4)施工方面可考慮采用坑內(nèi)鉆,進(jìn)行裂隙水導(dǎo)水通道的探測(cè)和圍巖巖性的取樣分析,并且詳細(xì)記錄隨進(jìn)尺推進(jìn)水質(zhì)水量變化情況,鉆孔資料信息推測(cè)巖溶裂隙的大小及離工作面的承壓圍巖厚度層的距離,當(dāng)鉆進(jìn)壓力突然增大時(shí),應(yīng)放緩鉆進(jìn)速度或停止施工,避免進(jìn)一步釋放水壓,造成突水事故。

4 結(jié)語

巖溶裂隙水一直是礦山井下生產(chǎn)經(jīng)常遇到的難題,它涉及到建筑、鐵路、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域,是誘發(fā)水地質(zhì)災(zāi)害的源頭之一。巖溶裂隙水因地而異,因時(shí)而差,在防治過程中,首先應(yīng)從其產(chǎn)生的機(jī)制開始分析,通過現(xiàn)象看本質(zhì),了解其形成機(jī)理及力學(xué)效應(yīng)。

[1]有色勘察設(shè)計(jì)研究院.大新錳礦深部開采膠帶斜井巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告[R].廣西：廣西有色勘察設(shè)計(jì)研究院,2007.

[2]袁道先,蔣忠誠.巖溶作用與碳循環(huán)在中國的研究進(jìn)展[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2000,27(1)：49-51.

[3]區(qū)永和,陳愛光,王恒純.水文地質(zhì)學(xué)概論[M].北京：中國地質(zhì)出版社,1987.

[4]袁道先.中國巖溶動(dòng)力系統(tǒng)[M].北京：地質(zhì)出版社,2008.

[5]袁道先,章程.巖溶動(dòng)力學(xué)理論探索與實(shí)踐[J].地球?qū)W報(bào),2008,29(3)：101-111.