某大水礦山采場涌水分析及防治水對策研究

于興社 袁 冰 劉 陽 周 濤

（1．河北鋼鐵集團沙河中關(guān)鐵礦有限公司；2．河北昕佳工程勘查設(shè)計有限公司）

某鐵礦位于邯邢百泉泉域地下水強徑流帶，是國內(nèi)典型的水文地質(zhì)復(fù)雜的巖溶大水礦山，礦山頂板為奧陶系含水層，開采前期，礦山實施了礦體帷幕注漿工程和帷幕內(nèi)疏干排水工程。礦體帷幕堵水率可達80%以上，但并不能完全阻斷帷幕內(nèi)外奧灰?guī)r溶水的水力聯(lián)系，帷幕內(nèi)巖溶地下水仍具有較大的動、靜儲量［1-2］。礦山自2013年10月開始進行帷幕內(nèi)疏干排水，最初疏干排水量為3 000 m3/d，隨著礦山疏干工程多年排水，礦床附近奧陶系灰?guī)r地下水位雖有下降，但疏干放水效果并不顯著，水位下降緩慢。自2017年10月，礦山疏干排水量較穩(wěn)定，約2.4萬m3/d，近3 a礦體內(nèi)奧陶系灰?guī)r水位平均下降僅8.93 m，可見礦山在目前疏干排水狀態(tài)下，礦區(qū)地下水處于一個相對平衡的狀態(tài)，現(xiàn)有疏干效果很有限。目前礦體水位高于開采中段，導(dǎo)致礦山的生產(chǎn)安全受到重大的水害威脅。在此情況下，礦山防治水策略如何制定等已成為制約礦山安全生產(chǎn)的重要問題。鑒于此，礦山開展了首采區(qū)采場涌水分析及防治水對策研究，為礦山安全生產(chǎn)提供保障。

1 工程概況

2008—2010年，礦山實施帷幕注漿工程，后在-260 m中段布置有主水倉，建成永久排水系統(tǒng)。共布置6臺水泵，每臺水泵額定流量為1 100 m3/h，根據(jù)線路及管道布置，最多可同時開啟4臺水泵，排水能力最高達105 600 m3/d，滿足疏干排水需求。礦山在-170，-230，-245 m中段共施工了13個放水硐室和46個放水孔，-260 m以上中段礦坑涌水及泄水孔放水通過泄水井泄至-260 m主水倉，然后通過水泵排至地表。為確保安全開采，礦山基建和開采過程中堅持逢掘必探，先探后掘的原則，所以基建過程中大量使用了注漿堵水。目前礦山已建成投產(chǎn)，并形成主井、副井、北風(fēng)井、南風(fēng)井共4條豎井及-110，-170，-230，-245，-260，-409，-448，-488 m等多個中段，并在-488 m水平建有輔助排水系統(tǒng)。

隨著礦山基建工程和疏干工程多年排水，礦床附近奧陶系灰?guī)r地下水位已產(chǎn)生了較大幅度的下降。至2020年3月，礦區(qū)觀測孔最低水位已降至-73 m左右，北部降至-37 m左右，南部降至0 m左右。目前礦山總排水量約為2.4萬m3/d，水量較穩(wěn)定，但礦區(qū)內(nèi)奧灰?guī)r水位下降緩慢，近3 a礦區(qū)內(nèi)觀測孔水位下降幅度最大為19.99 m，最小為1.43 m，平均下降8.93 m，現(xiàn)有疏干排水工程的疏干效果很有限。

2 礦床充水因素及涌水量預(yù)測

由分析可知，奧陶系灰?guī)r是礦區(qū)主要含水層，也是與區(qū)域聯(lián)系的主要通道。在天然條件下，該層灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，富水性透水性強，水力坡度極小，與區(qū)域地下水聯(lián)系密切，礦山開采時區(qū)域地下水會通過此強含水層大量側(cè)向補給礦坑，影響范圍廣，礦坑涌水量大。1990年開始，由于區(qū)域內(nèi)地下水開采量的增加，導(dǎo)致地下水位大幅下降，礦山一帶與天然水位相比下降150 m左右。水位大幅下降使得礦區(qū)大量主含水層處于疏干狀態(tài)，礦體頂部含水層厚度變薄，同時也使礦床與區(qū)域含水層的聯(lián)系變?nèi)?。由于礦山實施了帷幕注漿工程，在基建過程中大量使用注漿堵水，使灰?guī)r中部分巖溶裂隙被充填，灰?guī)r的富水性透水性較天然情況有了一定程度的降低。受上述2個方面的影響，使得礦床地段主要含水層透水性已變得相對較弱。

2.1 礦床充水因素分析

在帷幕注漿及注漿堵水后，奧灰?guī)r巖溶裂隙部分被堵塞，富水性、透水性降低，礦床地段形成一個相對較統(tǒng)一的弱含水體，區(qū)域地下水通過弱含水體的外圍緩慢滲入內(nèi)部補給礦床地下水。

礦山共施工了13個放水硐室和46個放水孔，自2017年10月以來，礦井疏干排水量較穩(wěn)定，約為2.4萬m3/d，各中段涌水量情況見表1。-245 m中段的涌水量最大占總涌水量的44%，其他中段排水量均較小?，F(xiàn)場調(diào)研可知，各中段出水點主要為雜亂分布的分散出水點，包括頂板淋水及側(cè)壁滲水等，大流量的集中出水點很少，單點最大流量為62 m3/h。放水孔放出水量有限，總放水量小于5 000 m3/d，占礦山總排水量約20%。表明目前條件下，礦床含水層整體富水性、透水性變?nèi)酰】趶椒潘追懦鏊坑邢?，只有大幅度地加大揭露面積才能較大程度增大礦坑涌水量。

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2.2 礦坑涌水量預(yù)測

2.2.1 礦坑涌水量及地下水位相關(guān)關(guān)系

在充分考慮區(qū)域與礦山水文地質(zhì)條件影響因素的基礎(chǔ)上，繪制各觀測孔水位標高與礦山排水量歷時曲線，選取其中數(shù)據(jù)比較完整、不同位置的觀測孔，繪制2012年7月——2020年3月觀測孔水位與其相對應(yīng)的礦坑涌水曲線，進行二者相關(guān)性分析。圖1為CG71觀測孔礦坑涌水量及地下水位相對關(guān)系曲線，分為2016年以前及2016年以后2個階段，分別代表不同區(qū)域地下水環(huán)境下礦山排水量與地下水位的相對關(guān)系。從圖1中可看出，礦坑涌水量大小與礦床地下水水位變化呈正相關(guān)關(guān)系［3-4］，曲線不同部位的斜率反映了該階段二者之間關(guān)系，即水量不大的情況下，水位下降緩慢或保持不變；隨著水量逐漸增大，水位呈明顯下降趨勢；水量再增大，水位則會呈現(xiàn)較陡的幅度下降。

2.2.2 礦坑涌水量與開拓工程量相關(guān)關(guān)系

選取2012年至今的礦坑涌水量及開拓工程量數(shù)據(jù)建立關(guān)系曲線（圖2）。從圖2可看出，礦坑涌水量隨著工程開拓量的增加而不斷加大，呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系［5］，但是增加趨勢越來越緩慢，當工程開拓量增大到一定程度時，礦坑涌水量隨工程開拓量的變化將微乎其微。

2.2.3 礦坑涌水量預(yù)測

在假設(shè)區(qū)域各排水點和開采量保持穩(wěn)定，水位變化幅度不大的情況下，利用現(xiàn)有礦坑涌水量及地下水位相對關(guān)系曲線外推，可預(yù)測礦床地下水水位降至不同水平時的礦坑涌水量。疏干排水的目的是想把帷幕內(nèi)礦體水位降至開采中段-230 m以下，這樣才利于安全開采。從圖1中可看出，水位實際上一直在降低，只是降速較慢。以曲線斜率延長線與-170和-245 m這2個預(yù)測水平相交，其對應(yīng)值即礦床總體水位降低至該水平時的礦坑涌水量。圖3為CG71觀測孔礦坑涌水量及地下水位相對關(guān)系。分別對各鉆孔曲線進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果均比較相近，-170 m水平涌水量預(yù)測結(jié)果在3.3～3.7萬m3/d，-245 m水平涌水量預(yù)測結(jié)果在3.8～4.4萬m3/d。

2.3 首采段涌水量預(yù)測

礦山設(shè)計先開采-230 m及以上中段。由圖2可知，礦坑涌水量與開拓工程量具有相關(guān)性，利用圖2礦坑涌水量與工程開拓量的相對關(guān)系曲線外推，可求得工程開拓量到達一定程度時的礦坑涌水量，其預(yù)測結(jié)果見表2。在區(qū)域水文地質(zhì)條件基本穩(wěn)定的前提下，隨著開采面不斷展開，開采段涌水量呈緩慢增加的趨勢，且增加趨勢越來越緩，當開采段總開拓量達47萬m3時，開采段涌水量增加0.7萬m3/d左右，此時礦山總涌水量約3.1萬m3/d，較目前增加不大。

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2.4 首采段突水因素分析

通過對第四系含水層、斷層導(dǎo)水及大型溶洞等突水因素進行分析，可知目前礦床地段石灰?guī)r含水層透水性整體較弱，且因疏干排水作用，含水層厚度大幅度縮減，在降落漏斗中心，灰?guī)r含水層厚度僅剩約50 m，F(xiàn)3（礦）斷層面臨無水可導(dǎo)的局面。通過對礦山水文地質(zhì)條件研究和長期疏干放水驗證，認為現(xiàn)階段礦山防治水總原則為以疏為主，以堵為輔，可利用開采工程繼續(xù)對礦床進行疏干，同時加強礦山防治水工作。

3 防治水建議

根據(jù)礦山水文地質(zhì)條件和充水因素特點，結(jié)合經(jīng)濟成本，提出礦山防治水措施的制定應(yīng)堅持“以疏為主，以堵為輔”的原則，主要內(nèi)容如下：①地下水位以下的開采活動必須堅持“逢掘必探，先探后掘”的原則；②利用已開采工程進行整體疏干，不再單獨設(shè)置疏干放水孔，在巷道掘進中，加強礦巖接觸面與斷層部位的超前鉆孔探水，當鉆孔涌水量較大時，進行放水疏干；③礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中的探水孔或其他工程出水點，在不影響正常生產(chǎn)的前提下，不實施注漿堵水措施，而是加大放水力度，使礦區(qū)地下水位盡快降至安全水頭，既節(jié)省費用又保障安全生產(chǎn)；④結(jié)合實際制定一礦房一治水方案，加強采場淋水治理，盡量減少采場淋水進入溜井；⑤完善地下水水位動態(tài)觀測系統(tǒng)，對現(xiàn)有地下水位動態(tài)觀測系統(tǒng)進行檢測點加密，同時在巷道下選擇一部分水量小的疏干放水孔，加裝壓力表，作為觀測點位，觀測礦床地下水壓力，及時掌握地下水位動態(tài)變化情況，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)；⑥規(guī)范日常水文地質(zhì)工作。

4 結(jié)論

（1）利用礦坑涌水量與地下水位動態(tài)相關(guān)曲線預(yù)測了礦坑涌水量，主采區(qū)水位標高降至-170 m時，礦坑涌水量為3.7萬m3/d，主采區(qū)水位標高降至-245 m時，礦坑涌水量為4.4萬m3/d。

（2）運用礦山排水量與工程開拓量資料建立相關(guān)關(guān)系曲線，預(yù)測首采段涌水量，當開采段總開拓量達47萬m3時，開采段涌水量增加0.7萬m3/d左右，此時礦山總涌水量約為3.1萬m3/d，較目前增加不大，在可控范圍內(nèi)。

（3）巖溶裂隙發(fā)育較弱，且礦體周邊沒有大的溶洞及采空區(qū)，發(fā)生突水的可能性小；出水點多集中在礦巖接觸帶或斷層周圍，而礦體整體透水性弱；疏干效果有限，可利用已開采工程進行整體疏干。