某矿山井巷涌水量预测及井巷透水可能性分析

2015-12-15王道山李文杰

地下水 2015年4期

王道山，李文杰

(1.河南省有色金属地质矿产局第二地质大队，河南郑州450016;2.河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南郑州450001)

矿山透水是指在矿井建设和生产过程中，地表水或地下水通过裂隙、断层等各种通道涌入矿井内，当矿井涌水量超过正常排水量时，所造成的淹没井巷的事故。由于井下作业环境恶劣，巷道狭窄，一旦发生透水事故，往往造成群死群伤，危害较严重，而且不利于救援。即使成功救援，也是耗资巨大。

矿山多年强烈的采矿工程活动，形成的地下采空区，点多、面广、层复杂，地表泉水干枯、地下老窟废井积水等，使原有的水文地质条件发生了变化。因此，进行矿山井巷涌水量预测及井巷透水可能性分析是十分必要的。

1 区域水文地质

1.1 矿区自然概况

1.1.1 气象水文

本区属半湿润的南暖温带季风气候区向湿润的北亚热带季风气候区过渡地带，春暖、夏热、秋凉、冬寒。多年平均气温14.5℃，历年最高平均38℃，最低平均-10.7℃，极端最高40.3℃，极端最低-13.5℃;多年平均降水量928.01 mm，最高年份1 432.7 mm，最低年份530.7 mm，7～9月为集中降水期;多年平均蒸发量1 653.9 mm，最高年份2 229.2 mm，最低年份1 303.9 mm;平均绝对湿度14.0 mb，平均相对湿度72.6%，平均霜期148 d。

该区地处桐柏山北麓，山脉多呈北西—南东走向。长江流域和淮河流域的分水岭从调查工作区通过。区域地表水有毛集河、铁山庙河与马谷田河，分别流向东南和西南，距矿区较远，其中马谷田河距离矿区西北约5.0 km，一般流量0.05～1.00 m3/s，属泌阳河支流，为附近较大溪流。矿区北2.5 km为王庄水库，汇水面积6.7 km2。区域地表水对矿区无影响。

1.1.2 地形地貌

工作区地处桐柏山北麓，山脉多呈北西—南东走向，地势西南高、北东低，属低山丘陵区，地形较缓。最高点高程390.8 m，最低点高程217.0 m，最大相对高差173.8 m，坡度20°～35°。区内植被发育。

1.2 区域水文地质概况

区域大部分地层出露为下元古界毛集群堡子组，自上而下可分为角闪斜长片麻岩带、上混合岩带、斜长角闪片岩夹大理岩带和下混合岩带。其他左老庄组—银洞沟组地层在东北部和西南部出露。此套地层由斜长角闪片岩、斜长角闪片麻岩、角闪更长片麻岩、大理岩和条痕状混合岩以及混合花岗岩组成。上述柔性岩类经挤压和变质作用，使岩石致密坚硬，裂隙不发育，含水性和透水性很弱。据抽水试验资料(地质报告)，单位涌水量0.000 573～0.005 6 L/s·m，渗透系数0.003 573～0.009 12 m/d。唯有片岩夹大理岩带的含水性稍强，单位涌水量0.006 17～0.032 30 L/s·m，渗透系数0.012 13～0.117 3 m/d。

大理岩带呈北西—南东向展布，全长20 km左右，均为断续出露，且某些地段被北东—南西向断层错动而支离破碎(长200～2 000 m)，造成大理岩内的地下水互不联系。

第四系仅在山坡低凹处和河床及两侧出露，厚度和范围均很小，由粉质粘土和冲积砂层组成，局部赋存孔隙潜水。

左老庄组—银洞沟组的大理岩距矿区很远，中间又隔着巨厚的透水性弱的片岩类岩石，因此该大理岩内的地下水不可能补给矿区。

区内地表水有毛集河、铁山庙及马谷田河，分别流向东南和西南，距矿区很远，对矿区无影响。

根据上述分析，区域地下水和地表水对矿区均无大的影响。

2 矿区水文地质

2.1 矿区地层岩性

矿区出露地层为下古生界二郎坪群刘山岩组(Pz1l)和第四系(Qpel+dl、Qhal)。

2.1.1 下古生界二郎坪群刘山岩组(Pz1l)

该岩组按岩性组合特征划出四个岩性带，从老至新为:(1)下混合岩带(Pz1l1):主要岩性为条痕状混合岩及少量的混合花岗岩，厚度大于300 m。(2)斜长角闪片岩夹大理岩带(Pz1l2):分布在条山背斜两翼均有出露，岩性以斜长角闪片岩夹大理岩为主，并夹有条痕状混合岩，厚度8～178 m。(3)上混合岩带(Pz1l3)，该岩带分布于条山背斜两翼，南西翼混合岩化强度较弱，多为条痕状混合岩，并夹有较多的斜长角闪片岩残体，在条山断层以南拐子沟尚夹有厚度较大的黑云绿泥片岩和白云片岩。北东翼混合岩化较强，以混合花岗岩为主，而斜长角闪片岩残体也较少，厚度180 m。(4)角闪斜长片麻岩带(Pz1l4)，分布于矿区东南部拐子沟，厚度达数百米，主要岩性为角闪斜长片麻岩，岩石多受不同程度混合岩化作用，常夹有薄层的斜长角闪片岩及条痕状混合岩。

2.1.2 第四系(Qpel+dl、Qhal)

矿区北部大约在250 m左右标高以下的沟谷中多为残、坡积两种成因所形成的粉土和粉质粘土，其中含有少量的钙核，厚度一般5～10 m，局部可达40 m。在条山沟、陈家沟间歇性河流两侧分布有少量的冲积砂砾。在250 m标高以上地形坡度较陡的山区，第四系均为残坡积层，岩性为碎石砂土。

2.2 含水层(组)及隔水层(组)

根据其矿区地层岩性、含水层(岩)组富水性、分布位置划分出以下两个类型区。

2.2.1 大理岩裂隙岩溶承压含水层(组)

该含水层(组)分布于A矿带各矿体的顶板，与斜长角闪片岩互层，呈大小不等的似层状、透镜状，以单斜的形式产出。倾向北东，倾角30°～70°，上陡下缓、上宽下窄，断续出露长约2 000 m，连续长度一般200～300 m，地表出露单层厚度4～100 m，一般10～30 m，总厚度150～300 m。

大理岩沿倾向自上而下层数减少，厚度有逐渐变薄的趋势，可能在深部尖灭被片岩类岩石所吞没。

据详勘地质报告钻孔抽水试验结果:

标高240 m以上富水性较差，单位涌水量0.000 020～0.000 091 L/s·m，渗透系数0.000 296 ～0.000 302 m/d，水质属HCO3—Ca·Na型水，pH值7.2。按《矿区水文地质工程地质勘探规范》规定，单位涌水量小于0.001 L/s·m时可视作隔水层，现状标高240 m以上大部分为采空区，其地下水基本被疏干。

标高240 m以下单位涌水量0.061 7～0.032 3 L/s·m，渗透系数0.012 13～0.117 3 m/d，为 HCO3—Ca型水，溶解性总固体144～329.77 mg/L，总硬度87.08～217.53 mg/L，pH值7.5，水温18℃。现状矿区Ⅰ号矿体已被开采至0 m标高，其上部地下水也已被部分疏干。

2.2.2 基岩裂隙含水层(组)

该含水层(组)分布在B矿带三不管到大堰的长条带上即背斜轴及其附近，为背斜谷地形。由混合花岗岩、条痕状混合岩和斜长角闪片岩及铁矿层组成。因处于背斜轴部，在张应力和外营力的作用下，岩石稍有破碎，裂隙宽2～5 cm且不均匀，由于岩性不同，裂隙发育程度也不同，混合花岗岩＞条痕状混合岩＞斜长角闪片岩。据岩心观察在水平方向上和垂直方向上即向背斜轴部两侧和深部裂隙发育程度有逐渐减弱的趋势，此处裂隙发育深度约在150 m标高左右，因此150 m标高以下可视为隔水层。风化带约10～15 m。地下水位埋深2～20 m，一般10 m左右，水位标高215～260 m，一般230 m，流向条山沟，受地形控制，水力坡度和地形坡度基本一致，约5°左右。

据浅井、钻孔抽水试验资料证明，上部风化带裂隙潜水单位涌水量0.001 320 L/s·m，渗透系数0.005 191 m/d，水质属HCO3·cl—Ca·Na型水，溶解性总固体486.24 mg/L，总硬度187.32 mg/L，pH值7.20。下部基岩裂隙潜水单位涌水量0.002 3～0.005 6 L/s·m，渗透系数0.005 103～0.009 12 m/d，水质属 HCO3·SO4—Ca·Na型水，溶解性总固体207～299 mg/L，总硬度106.68～170.02 mg/L，pH值7～7.8。为弱含水层且地下水循环条件很差。

在A矿带大理岩顶板以上即上混合岩带，除15～20 m的风化带外，其余的比较致密，裂隙不发育，只有个别部位岩石稍有破碎。据ZK317孔抽水试验结果，水位降深57.55 m，涌水量0.333 L/s，单位涌水量0.000 573 L/s·m(按规范单位涌水量﹤0.001 L/s·m可视作隔水层)，渗透系数0.003 57 m/d。

2.3 隔水层(组)

矿区隔水层(组)分布在A矿带大理岩之间和矿层的底板(顶板个别部位也有，但厚度不一)，由斜长角闪片岩、片麻岩和铁矿层等组成。岩石致密坚硬，以闭合裂隙为主，稍有开放裂隙，但裂隙面均有方解石细脉和钙质薄膜充填，隔水性能较好。

B矿带150 m标高以下的各类岩石，由于裂隙逐渐减弱，含水性和渗透性也相应减弱，可视为隔水层。

2.4 构造对矿坑充水的影响

矿区构造受区域构造的严密控制。除褶皱(条山背斜)外，断裂构造比较发育，主要表现为北东向和近东西向两组断裂构造，对已知矿体均有不同程度的破坏作用。由于地貌、地表水、岩性、自然地理等条件所决定，构造对矿坑充水无严重影响。构造带充水的强弱主要决定于岩性，即当断裂构造带通过脆性大理岩(可溶岩)时，形成构造破碎带，加之地下水活动和溶蚀作用形成裂隙和岩溶就有富水的可能性;当断裂构造带通过片岩类和混合岩类岩石时，往往形成糜棱岩和碎裂岩，未给地下水提供储存和活动的空间条件，因此含水性和透水性就差或者形成隔水墙。区内与各矿体有关的断裂构造有 F6、F7(条山断层)、F12、F17、F3、F4、F1、F9、F2、F13和F19(大堰断层)共12条，见图1。现将主要断层对矿坑充水程度分述如下:

2.4.1 F6、F7(条山)断层

为两个性质相同的断层所集成的断裂带，宽10～50 m，倾向近北，倾角60°～80°，走向近东西。东起陈家沟水库与陈家沟断层相接，经A矿带l号矿体的边部和B矿带ⅩⅢ号矿体的边部插入C矿带。断裂带内见有糜棱岩、碎裂岩、断层角砾岩、挤压菱体，并伴生有“入”字型分枝。断裂带在1号矿体南端以60°～80°的倾角斜插矿体底板，各坑道在揭穿该断裂带时，只有滴水现象，证明不是充水构造，含水性微弱，可视为隔水墙。陈家沟水库距Ⅰ号矿体390～470 m，该断裂带虽经陈家沟水库但库底和库边有较厚的黄土状粘土层隔离，其下又是巨厚的透水微弱的片岩类岩石，因此F6、F7断裂构造带和陈家沟水库对Ⅰ号矿体矿坑充水影响不大。

图1 矿区构造及平面布置图

断裂带靠近B矿带XⅢ号矿体。此矿体最低标高250 m，由于断裂带含水、导水性微弱对该矿体矿坑充水影响也不大。

2.4.2 Fl2、Fl7、F3断层

为通过A矿带Ⅰ号矿体较大的断层，对矿体均有破坏作用。上述断层发育在大理岩内，不论是压扭性或张扭性但在断层附近的大理岩均比较破碎，裂隙岩溶发育，给地下水的储存和活动创造了有利条件。据ZK272孔抽水试验资料水位降深27.13 m，涌水量0.408 L/s，和ZK219孔自然涌水资料，涌水量2.172 L/s，之后逐渐减小为0.186 L/s，证明断层带的含水性比非断层带的含水性要强。又如270平硐掘进到Fl2断层时，巷道发生临时性突水，估算突水量300 m3左右。

2.4.3 F4、Fl、F5、F9、Fl3断层

上述诸断层分别穿过A矿带Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅻ、ⅩⅦ、XⅧ诸矿体或从上述矿体的结合部位通过。但这些矿体均位于当地侵蚀基准面(230 m标高)以上，地形有利于自然排水，因此断裂带无论充水强弱，均对采矿影响不大。

F1断层亦通过B矿带XⅣ、Ⅵ、V号矿体的南端，由于岩性、地貌、自然地理条件所决定，岩石的含水性和导水性很弱，因此对采矿影响不大。

2.4.4 F19(大堰)断层

为平推断层，通过A、B矿带的西北端插入C矿带。在A、B矿带内，断层横穿片岩类岩石，距矿体200余m，故对矿坑充水影响不大。

表1 Ⅰ号矿体井巷涌水量预测成果表

2.5 地下水的补给、径流与排泄条件

矿区地下水补给、径流与排泄条件严格受岩性、构造及采矿工程等条件控制。

2.5.1 地下水的补给条件

矿区地下水主要补给来源为大气降水入渗补给。地表大面积为第四系覆盖，且植被发育。尤其是近年来矿区开采大理岩及铁矿所留下的采坑采井，不利于地表径流，给大气降水入渗补给地下水提供了良好的条件。

2.5.2 地下水的径流条件

A矿带地下水总的径流方向自南向北，自山脊向两侧流动。径流通道为构造破碎带、溶洞、溶隙等。由于A矿带大面积采空，特别是Ⅰ号矿体，地下采空区为地下水径流提供了良好的条件。

2.5.3 地下水的排泄条件

当地侵蚀基准面标高230 m，而目前的采空区已至0 m标高，因而，地下水的自流排泄已经基本不存在。地下水排泄主要为人工排水。据调查，Ⅰ号矿体目前的人工排水量200 ～450 m3/d。

3 井巷涌水量预测

由于矿区内大部分地段矿体被采空，现仅对Ⅰ号矿体-30～-120 m标高矿体进行涌水量预测计算。选择保有储量最多的地段Ⅰ号矿体东北部，依据地质报告102.5线ZK317孔抽水资料，采用最大一次降深所求参数，利用地下水动力学“大井法”和“水平渠道法”分别对-30 m标高和-120 m标高进行涌水量预测计算，计算结果见表1。

由表1可知:-30 m标高“大井法”Q=822.2 m3/d，“水平渠道Q:703.9 m3/d;-120 m标高“大井法”Q=1 421.7 m3/d，“水平渠道法”:1 275.6 m3/d。总体上涌水量不是太大。

4 井巷突水可能性分析

从理论上来讲，随着矿山采深的不断加大，影响井巷涌水或突水的地下水系统范围也不断扩大，所受的水力边界、补给的水量和分布、地形以及渗透系数的空间分布等制约因素变量也愈来复杂(见图2)。由于特殊的自然地理环境和岩层岩性及结构构造等特点，矿区分属于A、B两个矿带不同的地下水系统。A、B两个矿带之间的垂直距离大于50 m，由隔水层阻隔，无水力联系。因此只要工程活动或地质活动不破坏隔水层，不导致A、B两矿带联通，那么影响矿井巷涌水或突水的因素，主要来自A矿带地下水系统边界范围之内。

图2 井巷位置及与其相关的局部性、过渡性和区域性的地下水系统示意图

据调查访问，矿山开采所形成的地下采空区基本相互连通，但后期由于矿区内无序乱挖滥采现象突出，地下井巷复杂且积水与否相互情况不明，人为凿通或者地下平巷及采房放顶或坍塌造成老窟废井积水串通改变排泄方向，均易形成突发涌水事故。因此，井巷老窟突水是矿区开采最大的威胁。据访问和瞬变电磁法物探结果表明，A矿带采空区存在积水现象，是构成井巷可能突水的潜在隐患。矿井巷突水分析评价结果如表2。

由上述分析认为:大气降水、地表水以及地下裂隙岩溶水对矿井巷突水的影响程度较小，废矿井巷(老窟)积水对矿山井巷突水的影响程度大，是构成井巷可能突水的主要因素。