震旦紀(jì)巖層礦石開采涌水因素分析與防治對策

周 勇，童陽春，吳勝斌

(化工部長沙設(shè)計(jì)研究院，湖南長沙 410016)

震旦紀(jì)巖層礦石開采涌水因素分析與防治對策

周 勇，童陽春，吳勝斌

(化工部長沙設(shè)計(jì)研究院，湖南長沙 410016)

礦井涌水是影響宜昌磷礦中深部礦體開采的重要和關(guān)鍵因素。重點(diǎn)分析了地層、地質(zhì)構(gòu)造以及導(dǎo)水通道等礦井涌水的主要影響因素，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了勘察、施工及礦山開采方面的一些防治水及減少礦井涌水的措施和思路，給礦井涌水防治工作提供參考。

宜昌磷礦區(qū)；中深部開采；涌水因素；防治對策

0 引 言

宜昌地區(qū)磷礦的開采深度已逐步進(jìn)入中深部，隨著開采深度增加，礦床水文地質(zhì)條件更為復(fù)雜、礦井涌水大，突水事故概率逐漸增多，近期建設(shè)的宜昌磷礦中深部礦體開采項(xiàng)目中，已經(jīng)有多個(gè)礦山在建設(shè)施工中出現(xiàn)了突水淹井事故。礦井涌水量過大會增加井巷施工難度與投資，增加排水設(shè)施費(fèi)用及生產(chǎn)成本，排水費(fèi)用達(dá)到礦山開采直接成本的三分之一或更高，造成建設(shè)投資較大增加、建設(shè)工期較大延長，嚴(yán)重影響礦山的正常安全生產(chǎn)，嚴(yán)重影響礦山開采的經(jīng)濟(jì)效益。因此采取綜合措施進(jìn)行有效防治水、避免水災(zāi)事故、降低排水費(fèi)用是宜昌磷礦中深部礦體開采迫切需要研究解決的重大問題。

1 礦井涌水主要影響因素

中深部礦體一般礦層上部有隔水巖層，由于開采礦層厚度有限，開采引起的導(dǎo)水裂隙帶影響高度不會到達(dá)地面或寒武系底部隔水巖層。礦區(qū)地形陡峻，有利于降雨以地表徑流形式排泄，地表水體或降雨量對礦井涌水量影響相對較小，因此地表水不是宜昌磷礦中深部礦山涌水的主要影響因素?，F(xiàn)以宜昌磷礦的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，對影響宜昌磷礦礦井涌水的主要因素進(jìn)行分析。

1.1 地 層

宜昌磷礦為沉積型礦床，主要礦層賦存在震旦系下統(tǒng)陡山沱組中下部，含礦巖系主要為白云巖組，上覆震旦系上統(tǒng)燈影組和寒武系等巖層，底板為南華系南沱組和前震旦系崆嶺群等巖層[1]。礦層和底板可看作為隔水層或相對隔水層，礦層直接頂板(白云巖)為巖溶裂隙水含水層，其厚度一般為30～60 m，其上為陡山沱組第四段相對隔水層，其厚度一般為20～30 m，相對隔水層之上為震旦系上統(tǒng)燈影組巨厚巖溶裂隙含水層，其厚度一般為350～450 m，燈影組上部為寒武系下統(tǒng)石牌組和水井沱組隔水層，其厚度一般為100～120 m，該隔水層具有良好隔水性，可看作是礦床上部的隔水邊界，隔斷其上巨厚寒武系巖溶裂隙水含水層。代表性礦段綜合地層情況見表1。

對礦井涌水量影響較大的地層主要為燈影組巖層，尤其是其上段和中段地層，目前井巷施工出現(xiàn)突水淹井事故主要在上段地層中，該層水文特性主要體現(xiàn)在：巖層整體上富水性弱～中等，但裂隙、溶蝕較發(fā)育，且發(fā)育不規(guī)則小溶孔或小溶洞；含水巖層巨厚且分布面積極大(許多礦段沒有隔水邊界)，若遇巖溶裂隙導(dǎo)水通道，則涌水量急增，易發(fā)生巖溶突水事故，如某礦井斜井施工遇突水時(shí)，涌水量達(dá)2000 m3/h或以上，且疏干難度大、時(shí)間長；地下水承壓且壓力較大，一般可達(dá)3～4 MPa。這些特性導(dǎo)致查明地層水文地質(zhì)條件復(fù)雜，防堵水難度大。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造中對涌水量影響較大的主要是斷層、裂隙、溶孔、溶洞等，尤其是張性斷層，它們可穿透隔水層、導(dǎo)通含水層，形成導(dǎo)水通道。這需要在地質(zhì)勘查階段采取必要的措施盡量查明，井巷工程布置盡量避開或隔離這些構(gòu)造發(fā)育區(qū)段，當(dāng)施工或生產(chǎn)靠近這些構(gòu)造區(qū)段時(shí)，應(yīng)采取充分的預(yù)防措施。

1.3 人為活動(dòng)形成的導(dǎo)水通道

(1)鉆孔。地質(zhì)勘查需施工鉆孔，鉆孔一旦穿透礦層頂板含水層，就會形成通達(dá)礦層的導(dǎo)水通道。

由于鉆孔深度較大、地下水承壓較大及人為不重視等原因，存在鉆孔封孔質(zhì)量不高甚至沒封孔等現(xiàn)象。若按完全不封孔考慮，則估算通過一個(gè)鉆孔的涌水量約為 1000 m3/d，這會造成嚴(yán)重的井下涌水隱患[2]。

(2)頂板井巷。礦層深埋地下，主要開拓井巷工程必須穿越頂板巨厚含水層才能到達(dá)礦層。當(dāng)井巷涌水量不致影響到施工時(shí)，一般主要采取抽水措施而沒有采取嚴(yán)格的堵水措施，致使穿越頂板的井巷涌水量較大，在部分礦山通過頂板井巷的涌水量估算可高達(dá)礦坑總水量的一半左右。

(3)跨越導(dǎo)水構(gòu)造的井巷。當(dāng)?shù)V區(qū)構(gòu)造較發(fā)育時(shí)，井巷工程避免不了要穿越部分導(dǎo)水構(gòu)造，若預(yù)防措施不當(dāng)或不及時(shí)，可能較大的增加礦井涌水量，甚至造成突水事故。

(4)開采引起的導(dǎo)水裂隙。礦層上部陡山沱組第四段為相對隔水層，厚度一般為20～30 m，與礦層的垂距一般在60 m以內(nèi)，若采用空場法，允許頂板垮落，按采高4m、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度25～30倍采高估算，則導(dǎo)水裂隙完全可能穿過陡山沱組第四段隔水層與上部燈影組含水層溝通。按地層水文地質(zhì)條件(參數(shù))，若開采引起的導(dǎo)水裂隙連通了燈影組含水層，設(shè)計(jì)估算礦井涌水量中頂板涌水量(不含井筒涌水)約增加2.5～3倍，由此可知，增加的井下涌水量相當(dāng)大。

中深部礦井涌水主要影響因素見圖1。

表1 宜昌磷礦某礦段綜合地層

圖1 礦井涌水主要影響因素

2 涌水量預(yù)測

地下水在天然條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于含水層的性質(zhì)、含水層的空隙、裂隙程度以及地形、地貌條件。根據(jù)現(xiàn)階段的研究，地下水在巖層中的運(yùn)動(dòng)，有3種性質(zhì)不同的滲透規(guī)律：層流滲透，紊流滲透及混

合流滲透。

根據(jù)這些分類我國用于預(yù)測礦坑涌水量的方法很多，例如地下水穩(wěn)定井流解析法，水文地質(zhì)比擬法(單位涌水量法)，Q-s曲線外推法(包括無時(shí)間變量的相關(guān)分析法)，穩(wěn)定流分段法(塊段法)，單位靜儲量法和水均衡法等等[3]。

以上方法大致可以劃分為解析法和數(shù)值法兩大類。上述預(yù)測方法差不多都是以裘布依穩(wěn)定井流理論為基礎(chǔ)，裘布依穩(wěn)定井流方程(承壓)：

式中：Q——抽水井流量，m3/d；

K——含水層滲透系數(shù)，m/d；

M——含水層厚度，m；

sw——抽水井中水頭降深，m；

R——圓柱形含水層的半徑，m；

rw——抽水井半徑，m。

裘布依在建立方程時(shí)，是針對圓形定水頭外邊界條件的，這種圓形定水頭外邊界條件在自然界很少見。后來引入了“影響半徑”概念，衍生出了很多公式，一般可以地質(zhì)報(bào)告提供的礦區(qū)涌水量作為參考，并考慮礦區(qū)周邊礦山開采情況，并根據(jù)周邊礦山涌水量及其梯度關(guān)系，綜合計(jì)算考慮[4]。

3 主要對策措施

礦山防治水措施是多方面的，綜合起來可概括為“防、堵、疏、排、截”5種?！胺馈敝饕负侠砹粼O(shè)各類防隔水礦(巖)柱；“堵”主要指注漿封堵具有突水威脅的含水層；“疏”主要指探放老空水和對承壓含水層進(jìn)行疏水降壓；“排”主要指完善礦井排水系統(tǒng)；“截”主要指加強(qiáng)地表水的截流治理。對于礦井涌水而言，抽(排)水措施、地表防治水措施等肯定是必要的，由于單個(gè)礦段或礦區(qū)一般不構(gòu)成獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，即在平面上沒有嚴(yán)格的隔水邊界，單個(gè)礦山一般不具有注漿帷幕防治水條件，因此常規(guī)防治水及區(qū)域防治水等內(nèi)容不作敘述，本文僅針對宜昌磷礦中深部礦體開采條件和目前沒太引起重視的方面提出一些措施和思路，目的是有效減少井下涌水量、降低排水費(fèi)用及避免水災(zāi)事故。

3.1 地質(zhì)勘查

宜昌磷礦原多是平硐或淺部開采，井下涌水量對開采的影響相對較小，水文地質(zhì)條件的勘查手段較簡單、工作也不夠深入，這使得估算井下涌水量和有效采取防治水措施缺乏充分的依據(jù)，但對中深部礦山開采，井下涌水量成為重要和關(guān)鍵的影響因素，因此必須加強(qiáng)勘查工作，尤其是需要查明礦區(qū)的水文地質(zhì)條件和參數(shù)，為礦山設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)提供較充分的依據(jù)。

(1)加大勘查投入。宜昌磷礦中深部礦床水文地質(zhì)條件較復(fù)雜、井下涌水量較大，應(yīng)嚴(yán)格按相應(yīng)的勘查規(guī)范進(jìn)行水文地質(zhì)勘查工作，目前仍存在急功近利、工作不深入的現(xiàn)象，給設(shè)計(jì)與生產(chǎn)帶來較大風(fēng)險(xiǎn)與隱患，應(yīng)加大勘查人、財(cái)、物和試驗(yàn)研究的投入，綜合運(yùn)用多種勘查手段和方法，提供較準(zhǔn)確的水文地質(zhì)條件和參數(shù)。

(2)嚴(yán)格鉆孔封堵?？辈殂@孔穿過頂板巨厚含水層，每個(gè)鉆孔都是一個(gè)導(dǎo)水通道，大量的鉆孔有可能形成一個(gè)導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)，目前存在鉆孔封堵質(zhì)量不高或不封孔現(xiàn)象，這是一個(gè)嚴(yán)重的隱患，將會較大的增加井下涌水量，必須嚴(yán)格對鉆孔進(jìn)行封堵并保留記錄備查。

3.2 (頂板)井巷施工

(1)堅(jiān)持先探后掘。頂板含水層水文地質(zhì)特性較復(fù)雜，尤其是燈影組含水層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，且發(fā)育不規(guī)則小溶孔或小溶洞，是突水事故高發(fā)地段，地質(zhì)勘查階段很難完全查明含水層涌水情況，必須是邊掘邊探、有疑必探和先探后掘。

(2)加強(qiáng)注漿帷幕堵水。當(dāng)井筒穿過含水層可能遇較大涌水時(shí)，應(yīng)先做好注漿帷幕堵水工作，邊注邊掘、先注后掘，切不可冒進(jìn)。要強(qiáng)調(diào)的是，即使井筒已穿過的地段如果涌水量較大，也應(yīng)及時(shí)補(bǔ)做注漿帷幕堵水，避免因涌水引起的不良后果。

(3)做好應(yīng)急排水預(yù)案。因含水層和構(gòu)造的特殊性、復(fù)雜性，較大涌水或突水的情況隨時(shí)都有可能會發(fā)生，因此必須有應(yīng)急排水預(yù)案和措施，尤其要重視電力供應(yīng)的保障。

(4)掘進(jìn)排水與生產(chǎn)排水相結(jié)合。當(dāng)頂板井筒斜長較長或垂高較高時(shí)，掘進(jìn)排水宜采取臨時(shí)泵站與相對固定的泵站相結(jié)合方式，相對固定泵站又宜與生產(chǎn)排水泵站相結(jié)合，作為生產(chǎn)的攔水泵站和接力泵站，避免大量涌水長距離下放，降低總排水費(fèi)用。

3.3 開采技術(shù)措施

開采技術(shù)方案必須充分研究礦區(qū)水文地質(zhì)條件特性，在開拓運(yùn)輸方案(包括井筒布置、井筒類型參

數(shù)等)、排水方案及采礦方法等方面均要采取針對性的措施，這需要系統(tǒng)性研究、綜合優(yōu)化，下面僅結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐，給出幾點(diǎn)建議。

(1)平硐穿越含水層。根據(jù)地層特性，涌水量或突水性較大地層主要為燈影組上段、中段，在有條件時(shí)宜盡量采用平硐穿越該地層地段再往深部掘斜井或豎井，一方面較大涌水可實(shí)現(xiàn)自流排水，另一方面也可為防堵水施工及應(yīng)急避災(zāi)提供有利條件。

(2)適當(dāng)采取較大的井筒斷面參數(shù)。中深部礦山規(guī)模一般為大型或特大型，一方面較大井巷斷面參數(shù)是生產(chǎn)系統(tǒng)需要，另一方面有較大靈活性和機(jī)動(dòng)性，有利于應(yīng)急、搶險(xiǎn)和應(yīng)對調(diào)整變化的需要。

(3)適當(dāng)抬高井筒見礦標(biāo)高。宜昌磷礦一般為緩傾斜礦體，傾斜長度大，而地面山高坡陡，坑口選擇受地形條件制約，適合開井口的位置一般為河(溪)岸，中深部礦床較適宜的開拓方式為斜井。適當(dāng)抬高井筒見礦標(biāo)高，一般有利于減少礦石綜合提升高度和排水綜合揚(yáng)程，相應(yīng)降低提升和排水費(fèi)用；有利于早形成生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)能力；因可放緩斜井角度，有利于井筒采取快速掘進(jìn)工藝技術(shù)、縮短基建時(shí)間；因可布置在隔水巖層中，有利于井筒往深部延深。

(4)采取多級接力泵站并適當(dāng)抬高一級泵站標(biāo)高。礦床埋藏較深、傾斜延深垂高較大、礦坑涌水量較大，采取多級接力泵站排水方式并適當(dāng)抬高一級泵站標(biāo)高，抽排水與攔截水相結(jié)合，有利于設(shè)備選擇、降低綜合揚(yáng)程和總排水費(fèi)用。

(5)留設(shè)導(dǎo)水構(gòu)造隔離保安礦柱。導(dǎo)水構(gòu)造可穿透隔水層、連通頂板巨厚含水層，開采臨近或井巷穿越導(dǎo)水構(gòu)造，一旦措施不當(dāng)很可能形成大規(guī)模導(dǎo)水通道，急劇增加井下涌水量或造成突水事故，因此導(dǎo)水構(gòu)造兩側(cè)均須留設(shè)隔離保安礦柱，礦柱寬度一般不宜小于20～30 m，若井巷必須穿越導(dǎo)水構(gòu)造，則必須嚴(yán)格做好注漿帷幕堵水措施。

(6)應(yīng)用充填采礦技術(shù)。宜昌磷礦根據(jù)開采技術(shù)條件，現(xiàn)一般采用房柱空場法。如繼續(xù)沿用空場法、允許頂板垮落，礦坑涌水量會成倍增加，因此無論是從開采技術(shù)發(fā)展趨勢，還是從礦井防治水角度，都應(yīng)該采用充填技術(shù)[5]，需加快充填試驗(yàn)研究工作，采礦方法調(diào)整為嗣后充填房柱法。

礦井涌水對策措施見圖2。

圖2 礦井涌水對策措施

4 結(jié)束語

宜昌磷礦是我國較早進(jìn)入中深部開采的磷礦區(qū)，但進(jìn)入時(shí)間較短，積累的經(jīng)驗(yàn)不多，對水文地質(zhì)條件的特殊性、防治水重要性等方面的認(rèn)識還有待提高。近期多個(gè)礦山井巷施工出現(xiàn)的突水淹井事故，給了我們深刻教訓(xùn)、同時(shí)也敲響了警鐘。礦井涌水防治需要勘查、研究、設(shè)計(jì)、建設(shè)等單位聯(lián)合進(jìn)行綜合研究，在勘查、設(shè)計(jì)、建設(shè)、生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中采取針對性和綜合性措施，來確保安全、高效開采。筆者所在設(shè)計(jì)院承擔(dān)了宜昌磷礦較多項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對礦井涌水主要因素進(jìn)行初步分析，并提出一些具體對策、措施和思路，希望能給宜昌磷礦中深部礦體開采防治水工作提供參考，同時(shí)希望能起到拋磚引玉的作用。

[1] 劉明忠.宜昌市礦產(chǎn)資源[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2012.

[2] 李雪峰.井下涌水鉆孔封堵工藝[A].2006年全國金屬礦山地質(zhì)與測量學(xué)術(shù)研討與技術(shù)交流會[C]，2010.[3] 孫連發(fā).礦坑涌水量計(jì)算方法研究[M].武漢：武漢地質(zhì)學(xué)院出版社，1983.

[4] 李式锜.在某些礦區(qū)井巷涌水量計(jì)算中如何利用地下水動(dòng)力學(xué)公式[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1957(11).

[5] 張傳信.綠色開采技術(shù)在金屬礦山開采中的應(yīng)用[A].中國礦業(yè)科技文匯[C].2015.

2016-06-17)