广西大新锰矿岩溶裂隙水形成机理及力学性质分析与研究

王荣庚

(广西锡山矿业有限公司,广西南宁 530022)

广西大新锰矿矿区位于左江流域(珠江水系),西部即为珠江与越南红河两水系分水地带。布康溪发源于矿区西北部,属左江水系分支,自北西向南东流经本区,为本区地下水最大地表补给水体。本区属亚热带潮湿气候区,降水量比较丰富,据资料总结该区气象特征：暴雨次数最多为9次/a,平均6次/a,最大暴雨量达到147.7 mm/d,平均年降雨量达到1 558mm/d,暴雨主要出现在 5-7月,次为 8-9月,10月至次年3月为枯水期。可见矿区地下水的大气水补给量也很大。

矿区碳酸盐岩分布广,组成区内主要含水层,其中裂隙溶洞含水层有黄龙组(灰岩),大塘阶(灰岩、硅质灰岩)与东岗岭阶(灰岩)；溶洞裂隙含水层有榴江组及五指山组灰岩；非碳酸盐岩在区内分布不广,为矿内隔水层,其层位有岩关阶(硅质、泥质灰岩夹硅质岩)以及郁江阶(粉砂岩、页岩)[1]。

1 矿区主要裂隙含水层及岩溶作用机理

下石炭统岩关阶下段(c1y1)溶洞裂隙含水层。该层为矿层间接顶板含水层,也是矿区富水性及渗透性较强的含水层。含水层由泥质及硅质灰岩组成,按其富水性的差异自上而下分3段。上段厚95 m为相对隔水带；中段为含水带,溶洞发育,钻孔揭露的溶洞最大值径可达26.32 m,并被泥砂充填。该段主要分布在布康洼地及布康溪谷一带,水文地质参数为：q=2.66 l/sm,T=871.43 m2/d,μ=2.49×10-4；下段为弱裂隙含水带,厚0～140 m,水文地质参数 k=0.029 4 m/d,q=0.011 2 m3/dm。

东岗岭组溶洞裂隙含水层(D2d)。含水层由灰岩及白云质灰岩组成,上部为裂隙溶洞含水带,该带溶洞发育,在布新洼地可见直径2～5 m、深10 m的落水洞。布新洼地岩溶发育深度达54.19 m。水文地质参数 q=0.688 l/sm,T=85.97 m2/d,k=1.705 8 m/d。下部为裂隙含水带,其富水性和渗透性明显降低：其水文地质参数 q=0.046 6 l/sm,k=0.094 m/d。

1)岩溶产生发育需具备3个条件,即：可溶性岩石和地质构造与地层结构以及地下水和地表水补给、径流、渗透和循环[2]。岩溶过程便是可溶性岩石被溶蚀的过程,岩石中的碳酸盐发生分解,岩溶的化学过程如下：

CO2(空气或水)+H2O→H2CO3→

H++HCO3→H++CaCO3→HCO3-+Ca+

即 CO2+H2O+CaCO3→Ca++2(HCO3)-

2)岩溶水是指存在于可溶性岩石(碳酸盐岩类)的溶孔、溶洞和溶蚀裂隙中的地下水[3]。它不仅是一种具有特殊性质的地下水,而且也是一种活跃的地质营力,在它的运动过程中,不断与岩石作用,在长期溶蚀过程中不断改造本身储存环境,形成可溶性地层覆盖区。在丰富的地表水体及大气降水补给条件下,矿区的碳酸盐岩覆盖岩层发育广泛的岩溶裂隙,随着水体不断渗流,在时间上碳酸盐岩体便不断被溶蚀,在空间上地下道水通道不断地加大,并最终形成稳定的地下通道。

2 岩溶裂隙水产生的机理及力学分析

岩溶裂隙水始于水流对原有狭小通道的溶蚀扩展,溶蚀下来的岩石成分通过水流循环作用不断带走,水流通道被拓宽,岩体裂隙继续发生扩展,连通率增大,从而改变岩体的原始结构,渗透性增加,反之又加速了岩溶水的渗流,同时伴随侵蚀及泥化等作用。岩溶水对裂隙岩体具有软化和溶蚀双重作用[4],岩溶程度和岩体中的碳酸盐成分多少有直接关系,碳酸盐纯度越高岩溶发育的程度也越广。

大新锰矿矿区的可溶性岩石主要为硅质灰岩、泥质灰岩和白云质灰岩,岩溶裂隙发育最大的为碳酸盐含量最高的白云质灰岩,其次为硅质灰岩和泥质灰岩。矿体赋存于晚泥盆系地层中,该段地层多为硅质灰岩和泥质灰岩,岩溶裂隙多以小型为主,一般大型的溶洞只有在厚层灰岩地段才会发育,340中段左3号运输巷、胶带斜井和280排水平洞在施工过程中,工作面涌水便是该类岩溶水。但围岩的碳酸盐含量毕竟分布不均,造成岩溶裂隙大小不均,这也控制着岩溶水量的大小,岩溶水量的大小又影响岩溶作用的扩散速度,岩溶总是随着流动的水体向周边岩体溶蚀,直至周边岩体碳酸盐成分分解完或地下水位下降,溶蚀才结束,溶岩裂隙停止生长。

岩溶水对岩石的作用力表现为效应力,包括静水压力、动水压力[5],具体体现在岩层中裂隙水的内水压力作用,还有内水外渗过程产生的相互作用力。一般的情况下水力与周边岩体短期内是处于一个相对平衡的状态,随着水体的流动,容水通道的增大,当外力作用于围岩时即巷道掘进施工,开挖岩体造成岩体一侧临空,内水压力相对集中于低压临空面,力平衡状态被打破,水压倾向于向受力减弱的一方位移,在移动过程中,不断地对岩体产生应力作用,渗入岩体,持续不断地产生影响,直至岩体软化发生解体,裂隙进一步延伸扩展,周而复始。临空工作面受力随着掘进进度而增大,当达到某个临界点时,巷道工作面开始渗水,持续不断的内水压力及岩体内应力使得巷道坍塌并最终发生突水。

3 井巷岩溶裂隙水突水分析

在巷道施工过程中,由于开挖岩层岩溶裂隙发育且高压、富水,常产生岩溶裂隙水突出的灾变现象。岩溶涌水通常会导致巷道围岩稳定性迅速下降,从而坍塌,给巷道带来不同程度的危害。这其中便涉及到岩溶水—围岩的相互作用问题。岩溶裂隙水突出实质就是裂隙岩体含水结构,水动力系统和围岩力学平衡状态因巷道开挖而发生急剧变化,巷道岩体开挖破坏了原有水力循环系统和静态水的稳定,使得出现突水的可能。

2009年10月21日胶带斜井发生突水事故,当时工作面掘进至标高 274 m,井筒累计进尺为330 m,被淹井筒200 m左右,胶带斜井井口标高为338 m,淹井静止水位在305 m标高,井下从工作面突水到上升至静止水位高差为31 m,水量非常大。斜井中轴线所穿越的地段地下水类型有松散岩类孔隙水、岩溶溶洞裂隙水、基岩裂隙水3种类型。按其不同岩性把围岩分成3层：硅质灰岩、泥岩夹硅质岩、硅质岩。井口处覆盖层为第四系残坡积层,厚度小于1 m,松散岩类孔隙水赋存空间较小,可忽略不计。施工工作面现状标高可知,工作面位于泥盆系上统榴江组(D3l)上段,由硅质泥质灰岩、夹硅质灰岩组成,地下水类型岩溶溶洞裂隙水,水位标高240～510 m,受大气降水和布康溪水的补给,对矿井冲水造成了直接影响。巷道正是因为贯穿该层中的溶洞裂隙水或缩小了围岩与溶岩裂隙之间的安全距离,改变了岩层和裂隙水之间的平衡力,当岩溶裂隙水压达到岩体断裂破坏突水的临界水头压力值后,致使裂隙水在高压水头压力作用下发生扩展,向低压临空的工作面方向运动,同时内水压力作用使水流对突水通道具有冲刷扩径作用,水量不断增大,于是造成了胶带斜井突水事故。

主要结论为：胶带斜井突水事故系由岩溶裂隙水的内水压力及施工外力共同作用下所诱发的地质灾害,施工外力改变了裂隙岩体含水结构,水动力系统和围岩力学平衡状态；水压力作用使水流对突水通道具有冲刷扩径作用,随着时间的推移,短期内涌水量会随突水裂隙的机械破坏而增大,而长期的溶蚀作用将加大裂隙通道的扩径趋势；裂隙水作用面与巷道临空作业面之间存在一个最小岩石承压厚度层,通过对岩石的性质及应力分析,可推测出承压厚度层的安全距离,为防患灾害提前预警。

1)斜井工作面开挖时,必须了解井巷地下水涌水量,根据涌水量的值,判断岩溶水裂隙内压力大小,以提前采取防护措施。涌水量预测采用大井法的稳定流方法计算：

Q=(α/2π) ·(πK(2H-S)/(lnR0-lnr0)

式中K——渗透系数(m/d)；取K=14.51 m/d；

R0——引用影响(m)；R0=2S.SQRT(KH)；

S——水位降深(m)；

H——含水层厚度(m)；

r0——引用大井半径(m)；r0=SQRT(2 F/α)；

F——含水层底板垮落面积,即井区面积(m2)；

α——进水弧度角(°)。

2)根据节理裂隙发育和岩层破碎程度,对巷道围岩进行分级,可选用《工程地质手册》围岩稳定性评价的理论方法之塌落理论进行围岩的垂直围岩压力及侧向围岩压力计算：

围岩垂直压力：q=γ·h1

围岩的侧向压力：ps=0.5γh(2 h1+h)tan2(45°-φ/2)

式中h1=(a+h·tan(45°-φ/2))/tanφ；

γ——岩石重度(kN/m3)；

a——斜井开挖宽度之半(m)；

h——斜井开挖高度(m)；

φ——地层内摩擦角(°)。

3)按照围岩分级,根据围岩稳定性有针对性进行巷道支护,支护方案可采用参考相关围岩级别对应支护方式的参考书,确保支护的合理性和施工的安全性。

4)施工方面可考虑采用坑内钻,进行裂隙水导水通道的探测和围岩岩性的取样分析,并且详细记录随进尺推进水质水量变化情况,钻孔资料信息推测岩溶裂隙的大小及离工作面的承压围岩厚度层的距离,当钻进压力突然增大时,应放缓钻进速度或停止施工,避免进一步释放水压,造成突水事故。

4 结语

岩溶裂隙水一直是矿山井下生产经常遇到的难题,它涉及到建筑、铁路、交通运输等领域,是诱发水地质灾害的源头之一。岩溶裂隙水因地而异,因时而差,在防治过程中,首先应从其产生的机制开始分析,通过现象看本质,了解其形成机理及力学效应。

[1]有色勘察设计研究院.大新锰矿深部开采胶带斜井岩土工程详细勘察报告[R].广西：广西有色勘察设计研究院,2007.

[2]袁道先,蒋忠诚.岩溶作用与碳循环在中国的研究进展[J].水文地质工程地质,2000,27(1)：49-51.

[3]区永和,陈爱光,王恒纯.水文地质学概论[M].北京：中国地质出版社,1987.

[4]袁道先.中国岩溶动力系统[M].北京：地质出版社,2008.

[5]袁道先,章程.岩溶动力学理论探索与实践[J].地球学报,2008,29(3)：101-111.