马坑铁矿深部开采地下水疏干若干问题及解决方案

陈小兵

(福建省第八地质大队，龙岩，364000)

福建马坑铁矿属于水文地质条件复杂的岩溶充水矿床，断裂构造十分发育，地下水力联系较为密切,主要矿体埋藏深，矿坑涌水量大。由于开采持续进行，开采标高不断降低，矿山开拓过程中地质及水文地质条件变得更加复杂,矿床的水文地质条件决定了深部开采前必须进行大量地下水疏干工作。而矿区岩溶水系统补给量增大、岩溶水系统非均质性强烈和岩溶管道含水系统之间水力联系不密切，增加了地下水疏干的难度，致使矿区地下水疏干进程缓慢。为有效、全面进行矿区地下水疏干，确保矿山安全生产，针对这些疏干问题提出了相应的解决方案。

1 矿区概况

马坑铁矿区位于龙岩市东南120°方向，平距13 km马坑村的东南侧,分布总面积约为4.85 km2。矿区降雨量丰富，多年平均年降雨量为1 693 mm(最大年降雨量2 496 mm，最小1 189 mm)，每年3～9月为雨季，约占全年降雨量的75%，雨量比较集中且强度大，是地下水的主要补给来源。区内除第四系少量分布外，主要是一套古生界沉积地层，自东南向西北呈单向倾斜，依次为石炭系林地组、经畲组、船山组和二叠系棲霞组、文笔山组与加福组(童子岩组)。矿区矿体主要埋藏在最低侵蚀基准面(标高420 m)以下,主矿体贮存于晚石炭世经畲组砂岩中，以厚度巨大、岩溶发育、富水性强的棲霞组石灰岩含水层为其顶板充水岩层，属水文地质条件复杂的半隐伏岩溶充水矿床*福建省第八地质大队，福建省龙岩市马坑铁矿区西矿段详细勘探地质报告，1983。。

目前，矿区岩溶水已基本由承压转为无压状态。随着岩溶水位的大幅下降，侧向补给量增加，主要补给源也发生了变化，原来作为矿区排泄通道的溪沟及河流，已成为矿区岩溶水的重要补给来源(图1)。

图1 马坑矿区水文地质平面剖面图Fig.1 Hydrogeology flat section in Makeng deposit1—天然及现状岩溶水位；2—加福组第二段泥岩隔水层；3—文笔山组泥岩隔水层； 4—矽卡岩隔水层；5—辉绿岩隔水层；6—铁矿体；7—花岗岩裂隙弱含水层；8—泉；9—水文钻孔；10—天然及现状岩溶水流线；11—奥陶至志留系砂岩裂隙弱含水层；12—第四系孔隙水弱含水层；13—船山组至棲霞组岩溶裂隙强含水层；14—加福组第一段粉砂岩裂隙弱含水层；15—加福组第三段粉砂岩裂隙弱含水层；16—石炭系林地组石英砂岩弱含水层；17—剖面线及编号；18—断层及编号

根据马坑铁矿矿床特点、矿体贮存条件、矿石资源情况，进行马坑铁矿深部开采。目前开采范围为71～85线标高+420～+300 m，矿山总采矿规模为150万t/a。深部开采范围为57～83线(中、西矿段)标高+300～-200 m的铁矿体，深部开采使矿山新增500万t/a采矿规模。

2 岩层含水性特征

矿区地层多属含水性较弱或相对隔水岩层，船山组、棲霞组为可溶性的碳酸盐岩沉积，厚度大、岩溶化强烈、含水量丰富，为矿区主要充水岩层。

(1)第四系孔隙水含水层。仅在溪马河沿岸和1号沟谷有零星分布，多数呈连续性差、分布不均匀、厚度变化较大的砂土或砂砾石层透镜体，由于分布零星、范围较小，对矿区充水影响不大。

(2)碎屑岩类裂隙水含水层。主要包括含水性中等的加福组粉砂岩和富水性较弱的林地组石英砂岩，以风化裂隙水为主。其中加福组粉砂岩位于岩溶含水层上部，林地组石英砂岩位于岩溶含水层下部并与其直接接触，与岩溶含水层存在一定的水力联系。

(3)岩溶裂隙水含水层。船山组、棲霞组在矿区内均有分布，是区内磁铁矿体直接顶板。其东、南、西向分别被天山凹断层、F1断层和溪马河断层断失。由东南向西北呈单斜倾伏于加福组与文笔山组之下，林地组之上，构成矿区独立的岩溶储水构造单元。由于其厚度巨大(总厚度400 m以上)，岩溶化强烈，含水介质以溶洞裂隙为主，属岩溶裂隙水，是矿区主要含水岩层和矿坑直接充水岩层。

(4)花岗岩类风化裂隙水含水层。燕山早期花岗岩广泛分布于矿区东、南、西边界外，风化作用较为强烈，呈砂土状，最大风化深度约70 m。透水性较好，其富水性与岩溶水比较相差悬殊。因其所处位置较高，分布面积较大，风化带孔隙裂隙水是地下水侧向补给来源。但风化裂隙发育弱，未风化花岗岩为隔水层[1]。

(5)断层、溶洞为矿区地下水运移储存通道[2，3]。地下水主要储存在断层破碎带中，井巷开拓过程揭露的砂岩、泥岩、石灰岩、花岗岩区均有涌水情况，小型断层破碎带突(涌)水多，石灰岩的岩溶水使矿区水文地质条件变得更复杂。

3 岩溶水系统特征

3.1 岩溶水系统的边界

矿区岩溶含水系统是由溪马河断层、F1断层、天山凹断层、马坑—观音座莲断层北段、陈坑—新厝断层及陈坑—崎濑断层等构成边界，从而使得矿区内岩溶含水层成为一个基本独立的岩溶含水系统，矿区岩溶含水系统的分布面积为8.9 km2。

3.2 岩溶水系统的内部结构

在矿区东、中矿段的岩溶随走向北东的马坑背斜轴的抬高而裸露在地表，出露标高+500 m以上。因此，在裸露区地表发育有溶蚀洼地、岩溶漏斗。西矿段则随背斜轴的倾伏而成为隐伏岩溶，北部由于岩层倾向北西且断层错动而深埋，底板标高-200～-300 m。岩溶厚度变化较大，平均总厚度346 m，沿走向往57线以南厚度明显变薄，沿倾向具有中心厚、两边薄的趋势。各组段石灰岩的厚度变化具一定的规律，59线以北F2断层下盘常缺失棲霞组部分层位，船山组石灰岩厚度增大，棲霞组和船山组岩性有明显差异。棲霞组顶部为硅质岩、硅质灰岩，上部以燧石灰岩为主夹生物灰岩、泥质灰岩，底部以泥质灰岩为主夹生物灰岩、含燧石灰岩，厚184.12 m。船山组以灰白色质纯石灰岩为主，局部夹泥质灰岩和白云质灰岩，平均厚度65.30 m。由于辉绿岩、矽卡岩、硅质带等不可溶岩的侵入，加剧了岩溶发育和含水性的差异。如西矿段发育的起阻水作用的硅化带，下部发育的火成岩将岩溶含水层隔成两部分。

根据勘探揭露资料统计结果，马坑矿区岩溶率达6.08%，矿区岩溶充填十分普遍，充填率为92%，浅部与断层带附近的溶洞充填率高，大型溶洞充填率一般也较高。矿区岩溶水系统岩溶发育明显受制于埋藏条件和构造断裂。一般具有由浅到深，发育由强变弱的规律，即浅部岩溶发育强，深部岩溶发育较弱。一般在标高+200 m以上的岩溶比较发育，在断层带附近，岩溶发育规模与发育的深度显著增加[4，5]。

3.3 岩溶水系统的补、径、排条件

受矿坑疏干降水等因素影响，矿区岩溶水补、径、排条件发生较大变化。目前岩溶水主要通过井巷揭露的涌(突)水点排泄，天然条件下的岩溶泉除崎濑泉外均已干涸；矿区岩溶水位大幅下降，已由标高+434～+564 m降至目前的+150～+350 m；受地表开采褐铁矿、石灰石及采空区塌陷的影响，矿区大气降水入渗补给量增大；随着岩溶水位的下降，岩溶水与周边砂岩裂隙水的水力梯度增大，周边砂岩裂隙水渗流补给岩溶水，溪马河及3号沟等水系原为矿区岩溶水排泄点，目前岩溶水位已降至地表水系之下，溪马河等地表水通过断层破碎带渗漏补给岩溶水。

4 构造及水文地质

矿区主要断裂构造有F1～F3、F10、F14、F20以及溪马河断层、天山凹断层，其中F14断层和溪马河断层为缓倾断层，其余都是陡倾断层，矿区主要断裂特征(表1)。

表1 矿区主要断层特征Table 1 Main fault features of the deposit

续表1

5 地下水疏干问题及解决方案

5.1 岩溶水系统补给量增大

随着马坑矿区开采规模与采掘深度的不断加大，矿坑涌水量也不断加大。2007年7月1日至10月25日，矿区各井巷涌水量(412平硐+水5孔抽水)一般在4 850 m3/d，雨季为9 200 m3/d左右；2008年10月，增加了西回风井、东回风井、专用进风井、副井2号、3号胶带斜井、钼矿主井、钼矿风井等井巷系统后，矿坑总涌水量达到25 000 m3/d；2008年8月至2010年6月，矿坑岩溶水位下降迅速；2010年6月后，矿区岩溶水位下降缓慢，雨季水位甚至不降反升，矿区岩溶水补给量明显增大。详勘阶段预测+300 m水平的矿坑总涌水量约11 301 m3/d，说明目前矿坑实际涌水量是详勘阶段预测涌水量的2倍多。

矿区内主要的地表水系溪马河横切矿区南部，经矿区西缘由南向北流过矿区，汇水面积约为80 km2。溪马河在矿区内多与断层相交，且溪马河与断层交会地段河床岩性较为破碎。天然条件下，溪马河附近岩溶水均高于溪马河水位，岩溶水通过溪马河微弱排泄。在长期疏干降水的条件下，岩溶水将远远低于河水水位。据20世纪80年代详勘资料，F1断层溪马河段渗漏推断溪马河与F1断层交会处存在渗透补给地下水(表2)。

表2 F1断层溪马河段河水渗漏及地下水侧向补给推测与分析Table 2 Analysis of river leakage andgroundwater lateral recharge in F1 fault Ximahe section

随着开采深度增加及范围的扩展，目前矿床开拓至0 m水平的矿坑总涌水量继续增高到30 000～35 000 m3/d。表明矿区地下水补给来源十分充足，矿区地下水短期内难以疏干，否定了“矿区地下水贮存量丰富，而补给量相对不足的特点”的结论。

矿坑涌水量的增大使原设计排水系统排水能力不足，增加了矿区的排水成本，更重要的是使得岩溶水疏干难度增大，水位下降缓慢。大量采掘工程面临涌突水的危险，影响矿区采掘进度。矿区地下水补给来源充足，地下水的防治除了进一步完善井巷系统排水能力建设，坚持超前探放水和疏干降压等措施外，应进一步查明补给岩溶水系统的集中补给通道。根据充水水源途径的特点，对直接与矿体接触的岩溶充水岩层，可进行预先疏干，对非直接充水水源(溪马河地表水)，可通过防渗或帷幕注浆等工程措施堵截充水水源，做到“疏、堵、截、排、防”相结合，尽可能减少进入矿坑的水量，加快岩溶水疏干进度，减轻疏干压力，降低矿山开采成本。

5.2 岩溶水系统非均质性强烈

构造、岩溶、火成岩带造成马坑矿区岩溶水系统强烈的非均质性，是矿区岩溶水难以预测和防治的主要因素，也控制着岩溶水流动系统的演化。随着矿区岩溶水位的下降，岩溶水系统非均质性表现的更加强烈，水动力场表现出一定的不统一性。具体表现为F10断层东部岩溶水与西部岩溶水之间水力联系较差。2008年至2012年6月，F10断层东部出现多个出水点，如202穿脉与上盘运输巷交会点(W200-17)，2009年2月29日，副井-40 m水平出水点(W-40-1)，2个出水点出水后，F10断层西部岩溶水位无明显变化；措施竖井附近沿F2断层带分布的岩溶水与周围岩溶水水力联系较差，措施竖井南巷突水后(W242-2)，仅附近ZK76水位大幅下降，其它水文孔水位变幅不明显。随着岩溶水位的下降，沿F2断层分布的火成岩隔水带的隔水作用逐渐明显，隔水带两侧岩溶水水位差逐渐增大，无法有效、全面进行矿区地下水疏干，加剧了地下水疏干的难度。

岩溶水子系统之间的相对独立性使岩溶水疏干难度增大，但也给岩溶水分区防治带来了契机，局部隔水带可作为分期防治的依据[6]。作为顶板直接充水的大水矿区，在矿体开采前必须将岩溶水位降至开采水平之下，以保证矿体的安全开采。局部隔水带的存在，使岩溶水系统不统一性增加，加大了全面疏干岩溶水的难度。但为矿区分期开采、分期防治提供了契机，既可减少矿区前期的资金投入，又可保证安全生产。我国著名的岩溶大水金属矿山—凡口铅锌矿，正是利用矿区内部的隐伏隔水带，优先疏干金狮岭含水盆地的岩溶水，开采下部矿体，保证了矿区的安全生产。

马坑矿区的3个局部隔水带中，中东部的火成岩隔水带目前已不具备隔水效果，但F3断层、西部火成岩隔水带使矿区岩溶水形成3个水位台阶。随着岩溶水位的下降，西部火成岩带隔水作用将越来越明显。马坑矿区处于深部开采的基建投资阶段，矿区稳定涌水量达31 200 m3/d，直接对矿区展开全面疏干，或进行大规模堵水、截水工程投入资金巨大。且基建井巷大都分布在矿体的南端(F1断层附近)，不具备利用井下放水孔对整个矿区岩溶水进行全面疏干的条件，利用矿区局部隔水带进行分期疏干非常必要。

根据2个局部隔水带及基建井巷分布特征，可首先疏干火成岩隔水带南部，即火成岩隔水带至F1断层的岩溶水，开采该区的矿体。同时在该隐伏隔水带北部施工少量的放水孔进行截水，防止北部岩溶水通过隐伏隔水层进入南部岩溶水子系统。在保证安全的条件下增加矿区产量，减小资金压力后，再投入堵水、截水工程，减少矿区涌水量，疏干F3断层至西部隔水带间的岩溶水，开采西矿段的矿体。而F3断层北部的岩溶水，则可考虑通过查明对F3断层附近岩溶水集中径流通道，然后再进行堵截，以减小矿区疏干排水对地质环境及地下水水资源的破坏范围(图2)。

图2 +200 m水平隔水带分布图Fig.2 +200m horizontal vibration water distribution

5.3 岩溶管道含水系统之间水力联系不密切

从矿区疏干降落漏斗及多次突水水动态资料可知，矿区岩溶水位虽有大幅降低，但降幅严重不均。2009年2月20日副井突水后，仅在矿区东部形成一小型降落漏斗，对西部水位影响不大；2009年10月18日措施竖井+242 m水平突水后也仅在突水点附近形成了一降落漏斗，距离突水点较远的监测孔水位并无明显降低；西回风井持续一年多近200 m3/h的排水影响范围大都仅限于63～65线的强径流带范围内。说明矿区岩溶水并非是以“层”的形式储存，而是相对集中在不同的岩溶水管道系统，系统之间彼此的水力联系不密切，很难形成统一的水动力场，因而增加了矿区地下水疏干的难度。

矿区岩溶发育不均匀，岩溶水储存分布在相对独立的岩溶水系统之间缺乏紧密的水力联系，单孔疏干效果不甚理想，往往仅形成局部的小型水位降落漏斗。岩溶水不能出现统一的下降态势，需要增加疏干放水孔以达到降水目的[7，8]。因此，疏干工程应根据断层构造和岩溶发育程度采用非均匀布置的方法，以揭露导水断裂构造及富水岩溶发育带为目的,尽可能加强放水孔的泄水能力。另外，疏干工程的布局受限于现有矿山基建巷道的分布地段，许多可能有效集中疏干的富水地段，因缺乏必要的巷道和排水系统布局，影响了有效疏干地下水，可能需要在部分地段设计增加专用疏干巷道，保证彻底降低岩溶水水位。

6 结论与建议

(1)针对矿区岩溶水系统补给量增大，疏干问题主要解决方案是对直接与矿体接触的岩溶充水岩层进行预先疏干。对非直接充水水源，如溪马河地表水，应进一步查明溪马河渗漏的具体位置及侧向补给通道，通过防渗或帷幕注浆等工程措施堵截充水水源。

(2)针对矿区岩溶水系统非均质性强烈疏干问题，主要解决方案是利用矿区局部隔水带进行分期疏干。首先疏干火成岩隔水带至F1断层的岩溶水，同时在该隐伏隔水带北部施工少量的放水孔进行截水，防止北部岩溶水通过隐伏隔水层进入南部岩溶水子系统。在保证安全的条件下，再投入堵水、截水工程，减少矿区涌水量，疏干F3断层至西部隔水带间的岩溶水；而F3断层北部的岩溶水，则可考虑通过查明对F3断层附近岩溶水集中径流通道，然后再进行堵截，以减小矿区疏干排水对地质环境及地下水水资源的破坏范围。

(3)针对矿区岩溶管道含水系统之间的水力联系不密切，疏干问题的主要解决方案是采用非均匀布置的方法，以揭露导水断裂构造及富水岩溶发育带为目的，对部分受井巷布置限制无法有效疏干的区域，结合采掘实际需要，适当增加一定量的疏干孔或疏干巷道等专门疏干工程。

(4)重视矿区水文地质条件的持续研究，针对水文地质条件的变化，开展控制性疏干的前期研究工作，通过对水文地质条件的新认识，优化矿区水文地质概念模型和数值模型，预测开采条件下的矿区涌水量，指导后期疏干工程的布置, 积极采取“探、防、堵、截、排”等综合防治工程措施来减少地下水补给水量。

承蒙福建省地质工程勘察院赖树钦教授级高级工程师审阅，并提出了宝贵的修改意见，特此致谢!

1 陈植华,王涛,陈彦美,等.福建马坑铁矿二期工程水文地质条件深入研究报告.武汉:中国地质大学(武汉)，2013.

2 王大纯,张人权，史毅虹，等.水文地质学基础.北京：地质出版社，1995.

3 国家地质总局水文地质工程地质局.岩溶类型矿床水文地质选辑.北京:地质出版社 , 1979.

4 中国矿业大学.矿井水灾害防治(A类).北京：中国矿业大学出版社, 2002.

5 李金凯.矿井岩溶水防治.北京：煤炭工业出版社,1990.

6 徐京苑,周贵斌.赞比亚谦比西铜矿水文地质条件和疏干方案研究.工程地质学报, 2000, 8 (2).

7 国家地质总局水文地质工程地质局.岩溶类型矿床水文地质选辑.北京：地质出版社, 1979.

8 王儒军,田文明,肖石,等.元宝山露天矿基岩含水层可疏性和疏干方法研究.露天采煤技术, 2002，(5).