山東平邑“12·25”石膏礦坍塌事故救災(zāi)中的水文地質(zhì)保障

常允新，徐希強(qiáng)，王振濤，楊培杰，劉洪亮，張永偉

(1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 臨沂 276006)

0 前言

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地理、地質(zhì)背景

玉榮石膏礦位于平邑縣保太鎮(zhèn)東南3.5 km的萬莊村與德埠村之間，地處泗水-平邑-費(fèi)縣斷陷盆地中部。盆地南為尼山-四海山單斜山脈，向北東至蒙山斷裂與蒙山山脈相接。區(qū)域地勢南、北高中部低，西高東低，受地勢控制，浚河由盆地北部沿地勢由北而南經(jīng)礦區(qū)西側(cè)流過，匯入祊河。區(qū)域地層自南東向北西依次分布有太古界泰山群，古生界寒武、奧陶系，新生界古近系官莊群卞橋組、常路組，第四系臨沂組。工作區(qū)內(nèi)主要分布第四系臨沂組和古近系官莊群卞橋組(圖1)。

圖1 玉榮石膏礦區(qū)區(qū)域地理、地質(zhì)略圖Fig.1 Yurong gypsum mine geographic and geological map1—第四系；2—寒武、奧陶系；3—古近系；4—太古界泰山群。

1.2 礦區(qū)水文地質(zhì)及采空區(qū)賦存特征

礦區(qū)自上而下依次分布第四系松散巖類孔隙含水巖組，古近系官莊群卞橋組三段膏上灰?guī)r帶裂隙巖溶含水巖組和卞橋組二段含膏巖帶泥巖、砂巖隔水巖組。

1.2.1第四系松散巖類孔隙水含水巖組

分布于礦區(qū)北部，巖性為黏土質(zhì)砂及砂質(zhì)黏土層，厚度0.5～13 m，主要接受大氣降水補(bǔ)給，水位埋深1.52～5.50 m，單位涌水量小于500 m3/d。

1.2.2卞橋組三段膏上灰?guī)r帶裂隙巖溶含水巖組

在礦區(qū)南部出露，北部被第四系覆蓋，巖性為灰-暗灰色中厚層灰?guī)r，為較深湖相沉積，厚度55～165 m。巖溶發(fā)育，有利于接受大氣降水和孔隙水補(bǔ)給。巖溶發(fā)育標(biāo)高+20～-10 m，溶洞揭露最大高度0.10 m，巖溶發(fā)育不均勻，富水性差異較大，單位涌水量500～2 000 m3/d，局部3 000 m3/d。

農(nóng)村的配網(wǎng)升級改造主要分為兩塊，一是對供電方面的要求，二是對電力的綜合管理。對于供電，要重新把握好整體的結(jié)構(gòu)布局，提高落后的電力設(shè)施，改善不同的配電網(wǎng)，加強(qiáng)變壓器的能力大小并保障安全性。對于電力管理方面，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字化管理方式，深化到各家各戶，讓人民用電用的安心，節(jié)電節(jié)的省心。

1.2.3卞橋組二段含膏巖帶泥巖、砂巖隔水巖組

石灰?guī)r巖溶裂隙含水層之下，到石膏開采層之間為厚度90～130 m的隔水層。巖性為紅褐色、灰黃色、紫灰色含膏泥巖、砂巖、泥灰?guī)r，呈互層或夾層狀產(chǎn)出(圖2)，由于泥巖致密，砂巖及膏質(zhì)泥巖膠結(jié)較好，裂隙不發(fā)育，含水性、透水性差，隔水效果良好。

圖2 玉榮石膏礦礦區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of Yurong gypsum mine area1—卞橋組二段(含膏泥巖、砂巖)；2—卞橋組三段(膏上灰?guī)r)；3—第四系黏土質(zhì)砂；4—鉆孔及編號。

1.2.4礦層及采空區(qū)賦存特征

礦體厚度20 m，全區(qū)穩(wěn)定，傾向290°～310°，傾角14°～23°。采礦方法為房柱式開采，采高10 m，采8留7，頂?shù)装辶舻V，護(hù)頂層約1.5 m，采空區(qū)埋深自南向北由180 m增加到325 m。

2 礦難前后水文地質(zhì)分析與預(yù)測

2.1 礦難發(fā)生前正常生產(chǎn)狀態(tài)下充水水源及涌水量

正常生產(chǎn)狀態(tài)下礦山?jīng)]有直接充水水源，間接充水水源為第四系松散巖類孔隙水、膏上灰?guī)r帶石灰?guī)r巖溶裂隙水和礦山南部的達(dá)玉、富饒莊礦等閉坑礦山的老空水。由于礦帶為非含水層，礦層以上有含膏巖帶100 m左右的砂巖、泥巖隔水層，阻止上部灰?guī)r裂隙巖溶水、第四系孔隙水的補(bǔ)給；各豎井均采取了帷幕灌漿、井壁水泥封堵等堵水措施，阻止了膏上灰?guī)r帶巖溶水通過豎井井壁的滲漏補(bǔ)給。玉榮礦與南部達(dá)玉、富饒莊等閉坑礦山老空水之間留設(shè)有礦柱擋水墻，局部還做過注漿處理(圖3)，阻水效果好，所以正常生產(chǎn)條件下礦井涌水量較小，礦井實(shí)際平均涌水量為12 m3/d，最大涌水量為23 m3/d。

圖3 玉榮石膏礦周邊礦山分布圖Fig.3 Distribution of Yurong gypsum mine1—礦界；2—豎井及編號；3—注漿堵水帶；4—采空區(qū)。

2.2 礦難發(fā)生后水文地質(zhì)條件變化及充水水源

礦難發(fā)生后，井下坍塌使礦區(qū)水文地質(zhì)條件發(fā)生劇烈變化，產(chǎn)生以下3類充水水源。

2.2.1膏上灰?guī)r帶泥質(zhì)灰?guī)r巖溶裂隙水

礦難發(fā)生后，礦區(qū)上部巖溶水水位持續(xù)下降，2015年12月30日至2016年1月26日，水位下降6.89 m，下降速率穩(wěn)定在25.5 cm/d左右(圖4)。巖溶水形成較大范圍水位降落漏斗，漏斗中心位于礦區(qū)采空區(qū)(圖5)。分析認(rèn)為，井下巷道和采空區(qū)發(fā)生坍塌，頂板以上隔水層結(jié)構(gòu)受到破壞，冒落裂隙發(fā)育，并向上延伸到地面發(fā)生塌陷、裂縫[5]，砂巖、泥巖的隔水作用受到破壞，導(dǎo)致膏上灰?guī)r帶巖溶水沿裂隙進(jìn)入井下，構(gòu)成充水水源。

圖4 礦區(qū)膏上灰?guī)r帶巖溶水水位動(dòng)態(tài)曲線圖Fig.4 The dynamic carve of karst water level in the limestone belt in the mining area

圖5 萬莊-德埠莊地區(qū)巖溶水等水位線圖(2015.12.30)Fig.5 The contour map of the karst water in the area of Wanzhuang Debuzhuang area(2015.12.30)1—豎井及編號；2—巖溶水監(jiān)測孔3—老空水監(jiān)測孔

2.2.2閉坑礦山老空水

該礦南部相鄰的達(dá)玉等閉坑礦山老空區(qū)水位標(biāo)高144 m，被困礦工所在巷道標(biāo)高-60 m，兩者高差204 m，水頭壓力較大。2015年12月29日至2016年1月26日，老空水水位下降5.34 m，下降速率穩(wěn)定在19 cm/d左右(圖6)。說明坍塌事故導(dǎo)致兩礦之間礦柱擋水墻破壞，老空水滲漏進(jìn)入該礦，構(gòu)成充水水源。

圖6 礦區(qū)南部老空水水位動(dòng)態(tài)曲線圖Fig.6 The dynamic curve of the old water level in the southe of the mining area

2.2.3四號豎井井壁涌水

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，坍塌導(dǎo)致4號豎井井壁注漿隔水層破壞，形成膏上灰?guī)r帶巖溶水涌水通道，巖溶水經(jīng)井壁瀉入豎井。由于井壁坍塌，井內(nèi)坍塌堆積物厚達(dá)80 m，頂部埋深140 m，坍塌堆積物對井筒積水下滲進(jìn)入巷道產(chǎn)生阻隔作用，形成泥水混合物經(jīng)豎井底部馬頭門蠕動(dòng)徑流到2號生命探測孔，厚度達(dá)到1.4 m，待救礦工數(shù)天無法接近2號生命探測孔(圖7、圖8)，無法獲得生存保障物資。

圖7 4號豎井封堵結(jié)構(gòu)圖Fig.7 4 shaft sealing structure

圖8 救援鉆孔分布圖Fig.8 Relief borehole distribution map1—生命探測孔；2—人員提升孔。

3 應(yīng)對措施與成效

3.1 南部閉坑礦山老空水應(yīng)對措施

礦難發(fā)生后，首先采取的救援措施是試圖打通巷道，搜救被困礦工，搜救期間的水害風(fēng)險(xiǎn)之一是南側(cè)閉坑礦山老空水礦柱擋水墻坍塌引發(fā)突水(圖3)，嚴(yán)重威脅井下搜救人員和待救礦工。

防止老空水突水的措施是對老空水水位進(jìn)行監(jiān)測，通過水位降幅和水位下降速率分析滲漏強(qiáng)度，間接分析礦柱擋水墻的坍塌破壞程度及變化趨勢，研判發(fā)生突水的可能性，及時(shí)發(fā)出預(yù)警。巷道搜救期間設(shè)定5 min水位監(jiān)測頻率，適時(shí)計(jì)算小時(shí)水位變幅、小時(shí)變化速率，統(tǒng)計(jì)24 h水位變幅、水位變化速率。連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，老空水水位24 h下降速率19～40 cm/d，小時(shí)下降速率為0.8～1.0 cm/h，5 min下降速率保持穩(wěn)定(圖6)，研判礦柱擋水墻相對穩(wěn)定，老空水處于穩(wěn)定緩慢滲漏狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，對老空水進(jìn)行疏干排放，降低礦柱擋水墻的壓力，降低突水風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 膏上灰?guī)r帶泥質(zhì)灰?guī)r巖溶裂隙水應(yīng)對措施

由于巷道坍塌嚴(yán)重，且坍塌持續(xù)發(fā)生，巷道搜救可行性逐步降低，巷道搜救后期開始考慮同步開展大口徑人員提升鉆孔救援，救援方針的改變，預(yù)示救援時(shí)間將會延長，面臨新的問題是礦區(qū)上部巖溶水通過頂板以上的沉陷、坍塌裂隙和4號豎井井壁大量進(jìn)入采空區(qū)，采空區(qū)長時(shí)間積水、水位持續(xù)上升甚至發(fā)生突水，威脅待救礦工，為克服水害采取以下措施。

3.2.1水位監(jiān)測預(yù)警

對巖溶水水位進(jìn)行高頻率監(jiān)測，最高頻率為每5 min 監(jiān)測一次，及時(shí)掌握巖溶水水位動(dòng)態(tài)特征和水面形態(tài)特征，適時(shí)分析突水風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2疏干排放4號豎井巖溶水

4號豎井井壁坍塌，注漿隔水層被破壞，巖溶水大量匯集井內(nèi)，由于井內(nèi)底部堆積有80 m的坍塌堆積物，形成相對隔水層，阻止井筒積水下滲進(jìn)入巷道，使該井形成了巖溶水積水井。為降低巖溶水水頭壓力，以減輕巖溶水的下滲補(bǔ)給量，對4號豎井進(jìn)行疏干排水，疏干排水量100 m3/h，將水位控制在灰?guī)r底板水平，巖溶水形成了以4號豎井為中心的區(qū)域水位降落漏斗，有效減少井筒內(nèi)巖溶水對采空區(qū)的下滲補(bǔ)給量，同時(shí)減輕附近大口徑人員提升鉆孔鉆探、成井的止水壓力。

3.2.3封堵4號豎井

在持續(xù)疏干排水的情況下，4號井筒仍有積水通過80 m厚的坍塌堆積物以泥水混合物的形式滲漏進(jìn)入巷道，威脅待救礦工安全。為此，在4號豎井坍塌堆積物頂部淤泥層中注入水玻璃和水泥漿混合物，混合物快速凝固，形成10 m厚的人工隔水層，阻止井筒上部巖溶水向下滲漏(圖7)。堵水工程竣工后，井下被困礦工隨即報(bào)告巷道滲水停止，泥水混合物減退，威脅消除，取得立竿見影的效果。

3.2.4地面打井疏干排放膏上灰?guī)r帶泥質(zhì)灰?guī)r巖溶裂隙水

在礦山北部巖溶水下游鉆探成井5眼(圖5)，對巖溶水進(jìn)行疏干排放，降低其水頭壓力，減少下滲補(bǔ)給量。

3.3 排放采空區(qū)積水

利用礦山原有設(shè)備，排水能力約200 m3/h，同時(shí)新增兩臺排水能力共1 100 m3/h的備用水泵，在采空區(qū)下游排水控制水位，防止水位上漲過快淹沒待救礦工，為大口徑鉆孔救援爭取時(shí)間。

4 結(jié)論

自2015年12月25日發(fā)生坍塌事故，到2016年1月29日4名礦工通過大口徑人員提升孔獲救，被困礦工在地下200 m巷道中生存36天免受水害，水文地質(zhì)工作發(fā)揮了重要的保障作用。救援結(jié)束10天后，礦區(qū)巖溶水、采空區(qū)、巷道以及南部閉坑礦山采空區(qū)全部積水，形成統(tǒng)一水位，水位高程約150 m。

礦山采空區(qū)坍塌事故，雖然直接表現(xiàn)為頂板穩(wěn)定問題，但是往往間接造成水文地質(zhì)條件的劇烈變化，產(chǎn)生新的涌水通道，增加新的涌水水源，井下涌水量劇增，形成次生水害。在應(yīng)急救援的非正常狀態(tài)下，高頻率自動(dòng)化水位監(jiān)測工作發(fā)揮了重要作用，快速準(zhǔn)確研判涌水通道和充水水源，有的放矢采取堵排措施保證了救援的成功，礦山水文地質(zhì)應(yīng)急調(diào)查工作發(fā)揮重要作用。

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