司家营铁矿南区水文地质问题及解决对策

邢翔宇　宋爱东　陈彦亭

(河北钢铁集团矿山设计有限公司)



司家营铁矿南区水文地质问题及解决对策

邢翔宇宋爱东陈彦亭

(河北钢铁集团矿山设计有限公司)

摘要分析了司家营铁矿南区水文地质条件，重点阐述了该区含(隔)水层特征、断层破碎带水文地质特征、矿床充水因素。总结了该矿区当前面临的主要水文地质问题，提出了确定合理的矿坑安全顶板厚度、过断层破碎带综合防治水技术、未封堵老钻孔处理方案、矿坑顶板监测体系等对策，为矿山开展水文地质工作指明了方向，为确保矿山安全开采提供参考。

关键词水文地质条件对策安全顶板断层破碎带防治水

大水金属矿床是指水文地质条件复杂，矿坑涌水量每日数万立方米以上的矿床[1-3]，我国存在着大量该类矿床。该类矿山在开发过程中受水文地质条件影响大，水文地质问题突出，在矿山基建及生产过程中易发生突水事故，突然增加的涌水对岩石稳定性的扰动较大。由于大水矿山的水害发生突然、出水量大、破坏性强，一旦发生，常带来严重的人身伤亡及财产损失，对矿山的安全生产造成了严重威胁。因此，通过深入分析矿区水文地质条件，研究其中的水文地质问题，有效解决矿山基建及生产中的防治水难题，可对大水矿山的安全开采起到保驾护航的作用。司家营铁矿南区矿体埋藏较深，水文地质条件复杂，上覆厚大第四系含水层，属超大规模低品位、复杂大水矿床。该矿区进行了大量的水文地质、工程地质勘探工作，为分析矿区水文地质条件、矿山基建及开采情况提供了参考资料。本研究以该矿区为例，对区内水文地质问题进行详细分析，并对相应的解决措施进行探讨。

1矿区水文地质条件

1.1矿区含(隔)水层

根据矿区含水层结构、构造特征、岩性差异、风化程度及透水性强弱，自上而下将矿区含水层分为第四系松散岩孔隙水含水层(组)，基岩风化裂隙水含水层(组)、基岩构造裂隙水含水层(带)等3个含水层(组)。

(1)第四系松散岩孔隙水含水层(组)。该含水层(组)透水性强、富水性好，可划分为上部强含水层、中部主隔层、下部中等含水层、底部相对隔水层。上部强含水层主要分布于一级阶地，厚50～60 m，以砂砾卵石为主，结构松散，渗透系数300～680 m/d，分布广、厚度大、透水性强、水量丰富。中部主隔层一般厚5～8 m，最大15 m，除部分缺失外，全区均有分布，层位较稳定，岩性主要为淤泥质、粉质黏土和淤泥质粉土，其次为粉质黏土和粉土，为第四系主隔水层。下部中等含水层位于中部主隔层之下，分布尚稳定，透水性很不均一，上带以中—粗砂、中—细砂为主，厚10～30 m，渗透系数38～50 m/d，最大140 m/d；下带以粉—细砂、含角砾砂土、弱胶结砂土为主，一般厚20～30 m，渗数系数8.84～52.10 m/d，弱胶结砂土渗数系数0.04～2.09 m/d。底部相对隔水层基岩面之上岩性以砂质黏土、含角砾碎石质黏土、粉质黏土、淤泥质黏土、黏土、粉土为主，厚0～93.00 m，平均12.94 m，渗透系数平均9.40×10-5m/d，分布极不均一，连续性差，局部缺失形成“天窗”，“天窗”的存在加强了第四系水与基岩裂隙水的水力联系。

(2)基岩风化裂隙水含水层(组)。该含水层(组)可划分为强风化带和弱风化带。强风化带直接与第四系接触，底板埋深64.89～271.57 m，厚度4.03～62.04 m，结构松散，呈块状、碎块状、碎屑状，风化裂隙多被泥质、钙质、砂质连续充填，透水性、富水性差，渗透系数0.000 4～0.094 m/d。弱风化带位于强风化带底板以下，由中等风化岩石组成，底板埋深68.99～286.57 m，厚3.00～56.42 m，结构以块状为主，岩石节理裂隙面大多具泥质、钙质薄膜充填，裂隙发育，透水性、富水性主要受控于矿区断裂构造。构造不发育地段，渗透系数0.037 7～0.280 8 m/d；构造发育地段，透水性、富水性较强，渗透系数0.373 7～0.653 4 m/d，最大22.42 m/d，弱风化带为风化裂隙水的主要赋存部位。

(3)基岩构造裂隙水含水层(带)。该含水层(组)由断层及其影响带构成，包括破碎带、蚀变带、裂隙带，其平面分布及垂向延伸严格受断层控制。构造裂隙水含水层空间分布及其透水性、富水性极不均一，一般是断层带附近厚度大，岩石极度破碎，泥化现像明显，含水较弱，渗透系数平均0.049 m/d。断层影响带岩石破碎程度降低，破碎带厚度减小，并以各类充填程度较低的构造裂隙带为主，含水较强，特别是多条断层组成的复合影响带透水性、富水性普遍较好，渗透系数平均0.55 m/d。

1.2断层水文地质特征

矿区主要断层有6条，即F9、F10、F11、F12、F13、新河断裂，平面上沿断裂构造走向呈带状分布于南矿段、大贾庄矿段范围内，在垂向上变化规律复杂，主干断层向上近对称分支，显示基岩浅部破碎范围大，深部变窄。断层水文地质特征表现在断层自身含水微弱，断层影响带含水相对丰富，渗透系数为断层带的10～23倍。矿区断层特征见表1。

表1　矿区断层特征

1.3矿床充因素

地下水是矿床充水的主要水源[4]，矿区各断层相互影响，互相沟通，在南矿段与大贾庄矿段间形成近南北展布、北宽南窄、上宽下窄的构造裂隙含水带，开采条件下成为地下的水运移通道，是矿床充水的主要影响因素之一。矿床开采初期，以黏性土压密释水为主，后期转化为第四系的越流，矿坑用水量的大小取决于第四系底部黏土、强风化带的空间分布及其压密后的透水性。

2矿区水文地质问题

2.1第四系厚大且无稳定隔水层

矿区上部大面积分布着第四系孔隙含水层，厚100～200 m，渗透性强，且第四系含水层与地表滦河、新滦河、沂河等水力联系密切，且直接接受大气降水补给，补给水源丰富。虽然第四系地层中分布有起隔水作用的黏质砂土、黏土层，但其形成的隔水层厚度变化大，有效隔水厚度较小(表2)，且存在着大面积“天窗”。第四系含水层若直接补给基岩含水层，将对矿山基建及生产带来巨大的安全隐患。

表2　第四系隔水层主要特征

2.2断层破碎带分布集中且含水较丰富

矿区断层集中分布于大贾庄矿段的大N2#～大20#线，断层互为影响，矿体和围岩均遭受不同程度的挤压和拉张破坏，在该地段形成了较大范围的断层复合影响带。断层破碎带附近岩石破碎，富水性中—强，透水性亦较强，断层附近风化作用与构造作用相互叠加，基岩风化裂隙含水层与构造裂隙水含水带水力联系较密切。在天然条件下，该地带各断层关联性较强，互为沟通，基岩地下水压力传导快。在采矿生产条件下，受采掘、爆破扰动，该地带极易发生岩石片落、出水等现象，进一步增强了断层破碎带的导水性。

2.3未封堵老钻孔的突水隐患

20世纪70年代施工的钻孔基于当时的露天开采方案，部分钻孔未进行封孔，大部分钻孔采用黏土球封孔，封孔质量差，井下开采时，该类老地质钻孔将加强第四系水与采矿坑的水力联系，是矿坑突水的重大隐患。据本研究统计，矿区有ZK262、ZK251、ZK19、ZK386、ZK2、ZK1、ZK314B钻孔未封孔，另外有GD115、CK23、ZK314A、CK5、CK14、CK11钻孔封孔情况不明。因此，矿区未封闭的钻孔至少在7个以上，另外，对于使用泥球、黄土和稠泥浆封孔的钻孔来讲，其封孔质量差，存在一定的安全隐患。因此，对于20世纪70年代施工的钻孔应采取有效措施进行治理。

2.4新构造运动对矿坑顶板的影响

矿区位于唐山—河间地震带之唐山地震带，滦县及周边地区新构造运动活跃，矿区最近一次地震发生于2015年9月14日18时10分，说明区内新构造运动仍在继续。在地震作用下，顶板内会产生新生裂隙，新生裂隙将逐步向强风化带内部发展，并延伸至第四系底部黏土层，将导致第四系水沿新生裂隙渗入矿坑，从而改变地下水渗流场，地下水渗流场的变化将引起岩体应力场的重新调整，新生裂隙进一步发展，矿坑安全顶板基岩渗透性进一步增加，如此恶性循环，可造成矿坑顶板的局部失稳破坏，丧失保护功能。

3解决对策

3.1确定合理的防水安全顶板厚度

由于矿区第四系水量丰富，隔水层局部缺失，且强风化带与第四系底部的黏性土力学强度低，无自稳能力，其阻水效果主要依靠其下部一定厚度的矿坑安全顶板保护来实现。通过综合分析第四系与强风带的水文地质条件，结合FLAC3D软件在水岩耦合条件下的数值模拟结果，确定了矿区安全顶板厚度，经反复验算，在顶板断层破碎带加固至与围岩强度基本一致的前提下，弱风化底板之下预留的安全顶板厚度为S38#线及大22#线以北51 m，S38#线及大22#线以南56 m。

3.2断层破碎带综合防治水技术

首先查清断层破碎带的具体位置、厚度、富水性等情况；然后通过优化设计，使关键井巷、硐室尽可能避开破碎带位置，对于无法规避的位置，采用工作面注浆与地表预注浆等手段对破碎带进行加固处理；最后在掘进过程中进行有效支护，防止坍塌。

综合超前地质预报技术，即物探与钻探相结合的地质探测预报技术[5-6]，该技术结合了物探技术的探测距离长、成本低、效率高和传统钻探技术精度高的特点，在大水金属矿山超前探水中已有成功应用。司家营南区采用“TRT6000地质超前预报系统”[6]与钻探手段相结合的探水技术，当物探手段探明掌子面前方有地质体异常时，用钻探手段加以验证，若出水量大，且岩芯破碎，则预留完整岩墙作为止浆墙进行注浆固结处理。

为降低注浆费用、保证施工进度，当关键工程需穿过厚大破碎带时，应通过上述探水手段结合地质资料预判破碎带发育的规模、位置，通过优化方案尽可能使该工程不通过或少通过破碎带。司家营南区某矿2#副井平巷在掘进过程中，3个水平均遇到同一较大破碎带含水层，该含水层曾于2013年3月5日在进行-450 m石门巷掘进时发生突水，最大涌水量达1 080 m3/h，导致2#副井短时被淹。按原设计，-475 m 环形车场将2次穿过该断层，其中外环线斜穿断层厚度达71.97 m。经反复优化论证，最终采用了环形车场改道方案(图1)，节省工期6个月以上，节省投资480余万元。

图1　2#副井-475 m水平环形车场变更方案示意

3.3未封堵老钻孔治理

由于20世纪70年代施工的未封闭老钻孔均己坍塌，终孔后未留设标志，孔内充泥或充水，且孔斜测量精度不高，因此，难以再对原老钻孔进行封孔。老钻孔的封堵方案有：①采用地表预注浆进行封堵；②采用井下工作面注浆进行封堵。考虑到井下工作面注浆需长时间占用工作面，并且需开凿钻机硐室，工期及注浆费用均较高，因而采用地表预注浆为主，辅以井下工作面注浆工艺对未封堵老钻孔进行治理。

采用地表预注浆工艺[7-9]在钻孔周围对基岩风化带与矿坑基岩预留顶板处截断未封闭钻孔的导水通道，如图2所示。根据老钻孔坐标定准钻孔位置，在钻孔周围呈等三角布置注浆孔，钻孔间距依据老钻孔在第四系中的测斜成果确定。单个注浆孔施工至基岩风化带后，首先在孔底下入偏心楔子，将单个钻孔分叉成3个孔，使分叉孔向3个方向偏斜，进一步扩大注浆孔控制范围；然后向3个分叉孔中高压注入水泥浆，达到封堵老钻孔的目的。注浆段选择在基岩风化带与矿坑顶板，是因为：①基岩浅部裂隙具有一定的连通性，注浆效果好；②钻孔在该部位偏斜距一般不大，便于布孔；③钻孔深度小、成本较低。

3.4顶板监测体系构建

受新构造运动及采矿活动扰动的影响，矿区顶板的状态会发生一系列的动态变化，为及时了解采场顶板状态，应建立有效的顶板监测体系。采用顶板位移传感器与岩音监测相结合的方式，对采场顶板的下沉位移情况和岩体破坏的声频信号进行监测，目前，该技术手段在国内的金属矿山已有成功应用。通过长期监测，积累监测数据，分析顶板位移规律、岩体破坏声发射频率的变化规律，可为预判顶板状态提供依据。同时，对于岩体较破碎、裂隙发育的顶板，虽然经过注浆等手段进行了加固，仍应采用物探手段定期检查其内部富水情况，以防因岩体内部裂隙的再次张开或产生新的导水裂隙而造成顶板失稳、透水。

图2　矿区老钻孔治理示意

4结语

以司家营铁矿南区为例，详细分析了区内存在的水文地质问题，并给出了相应的解决方案，对于该矿山水害防治、顶板管理有一定的参考价值。

参考文献

[1]褚洪涛.我国金属矿山大水矿床的地下开采采矿方法[J].采矿技术,2006(3):49-52.

[2]张勇，张乃宝.大水矿山区段注浆堵水实践[J].现代矿业，2015(2)：199-200.

[3]孔繁军.综合超前地质预报技术在大水矿山开拓巷道的应用研究[J].现代矿业，2015(3)：123-125.

[4]沈继方，于青春，胡章喜.矿床水文地质学[M].武汉：中国地质大学出版社，1992.

[5]张德辉，朱帝杰.利用综合物探法精准探测弓长岭露天矿采空区[J].金属矿山，2015(10)：163-167.

[6]刘涛.TRT6000在大水矿山水害源定位与超前探测中的应用[J].现代矿业，2015(12)：263-264.

[7]焦永富，陈超，常龙新.金属矿床地表预注浆浆液的分析与研究[J].现代矿业，2014(5)：98-100.

[8]李志鹏，贲勇，杨福军.溜破系统地表预注浆工程在铁矿井建中的应用[J].现代矿业，2015(6)：57-58.

[9]赵晓明，宋世君,高学通.某铁矿溜破系统地表预注浆效果评价[J].现代矿业，2016(1)：258-260.

Hydrogeological Problems and Solution Countermeasures in the Southern Area of Sijiaying Iron Mine

Xing XiangyuSong AidongChen Yanting

(Hebei Iron and Steel Group Mining Design Co.,Ltd.)

AbstractThe hydrogeological conditions of the southern area of Sijiaying iron mining area is analyzed,the characteristics of aquifers (aquifuges),hydrogeological characteristics of fault zones,deposit water filling factors are discussed in detail.The hydrogeological problems of the southern area of Sijiaying iron mining area are summarized,the solution countermeasures such as the determination of the reasonable safety roof thickness,comprehensive water control technique of fault zones,treatment scheme of none plugged drillings,monitoring system of the pit roof are proposed.The research results of the paper point out the direction of conducting hydrogeological work in the mining area,besides that,it also provides technical reference for the safety mining of the mining area.

KeywordsHydrogeological conditions, Solution countermeasures, Safety roof, Fault zones,Water control

(收稿日期2015-11-19)

邢翔宇(1988—)，男，助理工程师，063700 河北省唐山市滦县响嘡镇。