巖溶大水礦山暗河型導(dǎo)水通道探查與治理技術(shù)研究

田曉明，張勇，仝永慶，褚志遠(yuǎn)

(1.平邑縣自然資源和規(guī)劃局，山東 平邑 273300；2.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 臨沂 276006)

0 引言

隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)程度的逐步深入，很多礦井轉(zhuǎn)向深部開采，對(duì)于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶大水礦山而言，采掘過程中往往面臨突涌水威脅[1-6]。部分揭露石灰?guī)r或白云巖等可溶巖含水層的礦井，受到地層巖性、產(chǎn)狀及構(gòu)造帶等因素綜合影響，往往發(fā)育向礦坑導(dǎo)水的暗河型導(dǎo)水通道，其規(guī)模較大、連通性好、隱蔽性強(qiáng)，一旦掘進(jìn)過程中揭露會(huì)產(chǎn)生大量涌水，甚者造成淹井和人員傷亡，且在工作面封堵難度較大[7]。因此，對(duì)于很多巖溶大水礦山而言，采取有效的技術(shù)手段查明主要導(dǎo)水通道的分布范圍，利用可行的工程措施進(jìn)行封堵，是避免造成井下突水和保證礦井安全生產(chǎn)的重要措施[8-12]。

本項(xiàng)研究結(jié)合山東某礦坑涌水治理項(xiàng)目，利用地面物探、鉆探勘察、超聲測(cè)井及連通試驗(yàn)等綜合技術(shù)手段查明F4斷層下盤發(fā)育的主要導(dǎo)水通道的分布范圍[13]，同時(shí)利用孔口投料和灌注雙液速凝漿等措施進(jìn)行了封堵，經(jīng)驗(yàn)證明治理效果良好[14]。

1 礦區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省中南部丘陵區(qū)，地勢(shì)南西高北東低，最高山為南部的石榴崮，海拔+417.8m，最低點(diǎn)為北部的浚河河床，海拔+109.0m，相對(duì)高差308.8m。本區(qū)屬北暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候區(qū)，四季分明，據(jù)平邑縣氣象站資料，從2002—2019年間，年平均降水量723.34mm，年最大降水量1236.4mm(2005年)，年最小降水量392.4mm(2002年)，日最大降水量為220.1mm(2005年9月20日)。區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育，北部的浚河為常年性河流，最高洪水位標(biāo)高120m，洪峰流量為2100m3/s，最枯流量0.017m3/s，流向由西至東，其河床為最低侵蝕基準(zhǔn)面，標(biāo)高109.0m。另外，礦區(qū)西側(cè)的龐家村河由南至北注入浚河。區(qū)內(nèi)其他一些小的水體為季節(jié)性河流，一般夏、秋季或大雨時(shí)有水，冬春季節(jié)斷流。

研究區(qū)內(nèi)出露地層主要有寒武紀(jì)九龍群、奧陶紀(jì)馬家溝群及第四紀(jì)地層等(圖1)。地層產(chǎn)狀總體走向NW，傾向NE，傾角7°～33°。其中以古生代寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)地層分布最廣。礦區(qū)內(nèi)主要有NW向、近EW向和NE向3組斷裂。

(1)近EW向構(gòu)造：走向一般為85°～95°，傾向S，傾角一般為45°～73°，為南盤下降的正斷層，主要有歸來莊F1、F2斷層。

(2)NW向斷裂：主要為F3斷裂，走向290°～ 315°，傾角60°～80°，均為傾向SW的高角度正斷層，破碎帶寬度一般為3～20m。走向一般為40°～50°，傾向SE，傾角60°～80°，均為正斷層。

破碎帶寬3～10m，多為碎裂狀二長(zhǎng)斑巖脈充填，高嶺石化發(fā)育，具硅化、褐鐵礦化，局部有螢石化、黃鐵礦化等，金礦化一般較弱，該組斷裂(F4，F(xiàn)5，F(xiàn)6)構(gòu)造進(jìn)一步強(qiáng)化了成礦作用，其與歸來莊F1斷層斜交，其交會(huì)部位礦體肥大，品位較高。

該礦為隱爆角礫巖型金礦床，共圈定有11個(gè)礦體，其中①-1號(hào)礦體規(guī)模最大，主要開采的也為該礦體。礦山+130m～-30m水平標(biāo)高開采方式為露采，采用分期擴(kuò)幫、臺(tái)階式開采，單一汽車開拓運(yùn)輸方案。至2011年4月，礦體露天開采工作結(jié)束，正式轉(zhuǎn)入井下開采。-30m～-150m水平標(biāo)高設(shè)計(jì)采用向水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦工藝，目前-150m以上已開采完，-190m中段、-230m中段、-270m中段正在開拓巷道。

1—第四系；2—奧陶系；3—寒武系；4—二長(zhǎng)閃長(zhǎng)玢巖；5—地質(zhì)界線；6—斷層產(chǎn)狀及編號(hào)；7—金礦體圖1 研究區(qū)構(gòu)造分布簡(jiǎn)圖

礦體圍巖為巨厚的碳酸鹽地層，巖溶裂隙發(fā)育，碳酸鹽巖含水層為區(qū)內(nèi)主要含水層，距礦坑?xùn)|北側(cè)約1.3km處為常年有水地表河流，地下水補(bǔ)給來源充沛[15]。礦山開采過程中，在采坑?xùn)|部露天邊幫和井下F4、F1斷層上下盤附近揭露大量涌水點(diǎn)。目前，最大的單點(diǎn)涌水量達(dá)到1500m3/h，發(fā)育在F4斷層下盤-30m水倉(cāng)附近，一般出水點(diǎn)涌水量約每小時(shí)幾百方不等。近幾年礦坑涌水量逐年增大，對(duì)井下安全生產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)資源礦段開采造成嚴(yán)重影響，同時(shí)破壞了研究區(qū)周邊地下水環(huán)境，必須采取礦坑涌水治理措施[16]。

根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造分布簡(jiǎn)圖并結(jié)合水文地質(zhì)條件分析可知，發(fā)育在礦坑?xùn)|部的F4、F1斷層是影響礦坑涌水補(bǔ)給通道的重要因素[17]，故設(shè)計(jì)采用地表帷幕注漿方案對(duì)東北及東側(cè)潛在的導(dǎo)水通道進(jìn)行揭露和封堵。但由于井下涌水點(diǎn)分布眾多，無法確定斷裂帶附近主要導(dǎo)水通道的準(zhǔn)確范圍，對(duì)于確定治理方案存在諸多不確定性，必須進(jìn)行探查。

2 巖溶通道探查技術(shù)

2.1 地面物探

2018年3月，依據(jù)場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件和地層物性條件差異，設(shè)計(jì)采用淺層地震法和激電測(cè)深法2種方法進(jìn)行隱伏構(gòu)造和透水異常區(qū)的勘察。物探線布置在研究區(qū)東部巖移線外，物探線沿設(shè)計(jì)帷幕線進(jìn)行布置，淺層地震方法布置測(cè)線4條，總長(zhǎng)1.92km，共388個(gè)物理點(diǎn)；激電測(cè)深方法布置測(cè)線4條，測(cè)點(diǎn)距20m，總測(cè)點(diǎn)75點(diǎn)。

根據(jù)淺層地震測(cè)試結(jié)果(圖2)，在研究區(qū)內(nèi)劃定了8條推斷斷層，其中F4斷層平面位置和產(chǎn)狀與地質(zhì)資料基本吻合。通過激電測(cè)深法，在研究區(qū)域內(nèi)劃定了4個(gè)異常區(qū)，其中異常1、異常2、異常3推斷為強(qiáng)透水帶，異常4推斷為中等透水帶，其中異常2與F4斷層深部巖溶導(dǎo)水通道相關(guān)。

圖2 研究區(qū)物探綜合解釋推斷圖

2.2 鉆探勘察

針對(duì)地面物探推斷的異常區(qū)域，結(jié)合帷幕注漿鉆孔設(shè)計(jì)，利用部分Ⅰ序注漿孔對(duì)重點(diǎn)區(qū)段進(jìn)行先期勘察。本工程設(shè)計(jì)注漿孔孔距8m，Ⅰ序孔孔距32m(圖3)。

圖3 注漿孔孔序平面布置示意圖

布置在F4斷層附近的Ⅰ序兼勘察孔為Z45、Z49、Z53和Z57共4個(gè)孔。根據(jù)Z53孔鉆探揭露，F(xiàn)4斷層帶完全被二長(zhǎng)閃長(zhǎng)玢巖充填，厚度達(dá)13m(揭露深度189～202m)，為一阻水構(gòu)造；但在深度280m(標(biāo)高)左右發(fā)生0.2m掉鉆，且沖洗液完全漏失，分析為發(fā)育在F4斷層下盤的暗河型導(dǎo)水構(gòu)造。Z57孔在91～96m深度進(jìn)尺較快，遇溶洞發(fā)育，但多被泥質(zhì)充填，并非主要導(dǎo)水構(gòu)造。以上鉆孔揭露的巖溶發(fā)育部位與物探異常區(qū)基本吻合。

2.3 超聲測(cè)井

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Z53孔揭露的深部巖溶通道的發(fā)育形態(tài)，研究采用了孔內(nèi)超聲成像探測(cè)技術(shù)。通過超聲探測(cè)發(fā)現(xiàn)(圖4)，該孔揭露的巖溶通道豎向發(fā)育深度279.3～280.2m，為一開口向北東方向的大型溶洞，但鉆孔接觸溶洞南西側(cè)洞壁，因此未發(fā)現(xiàn)有明顯大量掉鉆情況。根據(jù)超聲測(cè)試結(jié)果，分析該溶洞規(guī)模較大，應(yīng)該為地下水向礦坑補(bǔ)給的重要導(dǎo)水通道，為了進(jìn)一步揭露該通道，建議向Z53鉆孔北西側(cè)進(jìn)一步布置注漿鉆孔。

圖4 Z53孔279.3～280.2m深度溶洞發(fā)育影像圖(暗色區(qū))

2.4 連通試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上判斷，安排施工Z53北側(cè)Z52注漿孔(圖5)，在鉆進(jìn)至208.50m孔深時(shí)，于-67.39m～-70.64m標(biāo)高位置發(fā)生掉鉆，經(jīng)井下電視及超聲測(cè)井探測(cè)，巖溶裂隙較大，壓水試驗(yàn)單位透水率達(dá)到267.21Lu，透水性極強(qiáng)，推斷為F4斷層帶下盤形成的與Z53相互連通的暗河型巖溶導(dǎo)水通道。研究采用了連通試驗(yàn)以確定Z52注漿孔揭露的導(dǎo)水通道與礦坑主要涌水點(diǎn)之間的水力聯(lián)系，既在Z52孔內(nèi)投放示蹤劑(NaCl)1.5t，在井下多個(gè)主要涌水點(diǎn)進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)。根據(jù)測(cè)試成果(圖6)，井下只有-30m水平最大涌水點(diǎn)和-70m水平盲礦體涌水點(diǎn)與之有關(guān)聯(lián)[18]。

1—注漿孔；2—?jiǎng)討B(tài)孔；3—監(jiān)查孔；4—異常范圍及編號(hào)；5—帷幕線；6—斷層產(chǎn)狀及編號(hào)圖5 注漿工程平面布置示意圖

圖6 監(jiān)測(cè)涌水點(diǎn)地下水電導(dǎo)率歷時(shí)曲線

根據(jù)圖6可知，-30m水平相對(duì)于-70m水平水樣電導(dǎo)率增大起始時(shí)間較早，峰值大，恢復(fù)至背景值用時(shí)長(zhǎng)，說明Z52孔揭露的巖溶通道與-30m水平涌水點(diǎn)連通性較好，通道規(guī)模大，溶于該通道水體中的示蹤劑需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完全消散。該通道與-70m涌水點(diǎn)也存在一定的聯(lián)系，其中有少部分示蹤劑運(yùn)移至該處，同時(shí)由2個(gè)涌水點(diǎn)水樣電導(dǎo)率背景值存在差異，說明-70m涌水點(diǎn)還有其他地下水補(bǔ)給通道，但規(guī)模較小，總量有限。通過電導(dǎo)率計(jì)算，-30m水平涌水點(diǎn)示蹤劑回收率達(dá)到88.45%，分析認(rèn)為該通道為地下水向礦坑補(bǔ)給的主要導(dǎo)水通道，必須采取相關(guān)治理措施。

3 巖溶通道治理技術(shù)

通過上述綜合技術(shù)手段，查明了F4斷層下盤與礦坑-30m水平最大涌水點(diǎn)密切聯(lián)系的暗河型導(dǎo)水通道的分布范圍。但是，由于受礦坑長(zhǎng)期排水影響，該通道內(nèi)充填物已基本沖蝕干凈，地下水流速快、水量大，分析受礦坑?xùn)|北部河流滲水的直接補(bǔ)給。對(duì)于動(dòng)水條件導(dǎo)水通道的封堵，必須采取以“投料為主、注漿為輔”的治理技術(shù)和措施。

3.1 孔口投料

對(duì)于水動(dòng)力條件比較強(qiáng)的動(dòng)水巖溶通道而言，任何漿液類材料均存在留存率低、浪費(fèi)嚴(yán)重、封堵效果差等缺點(diǎn)，一般采取投放骨料充填通道空間，減緩地下水流速后再采取注漿封堵的治理措施。針對(duì)本項(xiàng)目揭露的導(dǎo)水巖溶通道及地下水動(dòng)力條件，對(duì)不同骨料的動(dòng)水沖刷留存性能和提升投料效率的因素進(jìn)行了研究改進(jìn)。

(1)骨料抗沖刷性能。為研究骨料在動(dòng)水高流速管道流沖刷條件下的運(yùn)移規(guī)律及留存情況，在充分考慮骨料自身性質(zhì)并分析巖溶管道流特點(diǎn)后，建立可模擬不同流速管道流骨料運(yùn)移狀態(tài)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)現(xiàn)了地面動(dòng)水管道流骨料抗沖刷模擬。

通過表1試驗(yàn)結(jié)果可知，粗粒徑的骨料在相同流速動(dòng)水條件下留存率要高于細(xì)粒徑的骨料；隨著流速的增加，各種骨料的留存率不斷降低。通過測(cè)定導(dǎo)水通道內(nèi)地下水流速，選定留存率高的骨料種類和粒徑[11]。

表1 骨料抗沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

(2)孔口投料工藝。由于投料鉆孔孔徑小、深度大，加之孔壁粗糙，骨料下落困難，易發(fā)生堆積堵孔，故投料時(shí)需綜合考慮骨料粒徑、投料速率、投料攜帶液體及投料過程連續(xù)性等相關(guān)參數(shù)及措施，所以投料方式及裝置的科學(xué)設(shè)計(jì)直接影響投料的順暢性及其效率。傳統(tǒng)人工投料是在孔口管上安裝料斗，在料斗內(nèi)放入水管沖刷骨料，提高骨料下落動(dòng)能。此種方法因投料效率低、投料過程不連續(xù)導(dǎo)致投料效果不佳，前期投入的骨料易被動(dòng)水沖走，且無法探知孔內(nèi)骨料運(yùn)移及留存情況，易發(fā)生堵孔事故。人工填投還存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率不均勻、成本高的弊端。

針對(duì)上述問題，研究開發(fā)負(fù)壓流體攜帶式投料方式和沖攜式投料裝置，該裝置利用液體流動(dòng)及下落時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能將骨料攜帶至巖溶通道內(nèi)，包括儲(chǔ)料漏斗、下料閥門、溜料溝槽、供水管等。其特點(diǎn)在于簡(jiǎn)便、高效、可實(shí)施性強(qiáng)，在填投過程中可以監(jiān)測(cè)孔內(nèi)負(fù)壓和吃料情況，根據(jù)孔內(nèi)情況實(shí)時(shí)調(diào)整下料速度，以防堵孔。該投料裝置投放石料粒徑0.5～2cm，投料速度0.2～3m3/h，投料用水流量50～150m3/h。

3.2 雙液速凝漿

雖然通過投放骨料可以充填導(dǎo)水通道內(nèi)主要空間，降低地下水流速，但是水動(dòng)力條件依然較強(qiáng)，依靠單一的水泥漿液難以完全封堵。

在礦山涌水封堵中，水泥—水玻璃雙液漿具有凝結(jié)時(shí)間可控，材料來源廣泛，價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是業(yè)內(nèi)缺乏深孔雙液速凝漿灌注方面的完善工藝與設(shè)備[6]。結(jié)合實(shí)際工況條件和漿液性能研究，在現(xiàn)有雙液漿常規(guī)灌注工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深孔灌漿裝置和工藝優(yōu)化，將孔口混合工藝變?yōu)榭變?nèi)定點(diǎn)混合，針對(duì)雙液漿混合灌注止?jié){塞和孔內(nèi)混合器進(jìn)行了研發(fā)和改進(jìn)，形成了雙液速凝漿“孔內(nèi)封閉、定點(diǎn)灌注”高壓注漿工藝。水泥漿水灰比0.8∶1～1.0∶1，水玻璃與水泥漿比例為50%～80%，雙液漿初凝時(shí)間為5～25min，注漿壓力6～25MPa。通過應(yīng)用上述工藝和裝置，明顯提升了漿液灌注效果，降低了地面冒漿事故，對(duì)于動(dòng)水條件巖溶裂隙的灌漿封堵起到了良好應(yīng)用效果[19]。

本次注漿工作主要安排在針對(duì)F4斷層的異常區(qū)2，帷幕長(zhǎng)度40m；涉及施工鉆孔11個(gè)全部揭露F4斷層，其中6個(gè)鉆孔在F4斷層位置發(fā)生掉鉆，共投料3000m3，雙液漿800m3。施工檢查孔2個(gè)均在F4斷層位置揭露水泥漿結(jié)石體，結(jié)石體充填密實(shí)，檢查孔壓水試驗(yàn)透水率小于0.5Lu[20]。

施工完成后F4出水點(diǎn)出水量從1500m3/h降至20m3/h，堵水率高達(dá)98.67%。

4 結(jié)論

(1)綜合采用地面物探、鉆探勘察、超聲測(cè)井和連通試驗(yàn)探查技術(shù)，有效查明巖溶大水礦山暗河型導(dǎo)水通道的分布范圍及其與礦坑主要涌水點(diǎn)之間的水力聯(lián)系，為確定治理方案提供技術(shù)依據(jù)。

(2)研究改進(jìn)孔口投料裝置，有效提升骨料投放效率，減少人為原因造成的堵孔；在常規(guī)雙液漿灌注工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)形成“孔內(nèi)封閉、定點(diǎn)灌注”高壓注漿工藝，對(duì)于投料充填后導(dǎo)水通道內(nèi)骨料膠結(jié)和滲水完全封堵具有重要作用。

(3)通過采取上述技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了集中導(dǎo)水通道的完全封堵。有效查明暗河型巖溶通道分布范圍并采取具有針對(duì)性的治理措施，是成功治理類似礦坑涌水值得借鑒的技術(shù)手段。