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山东平邑“12·25”石膏矿坍塌事故救灾中的水文地质保障

2018-08-02常允新徐希强王振涛杨培杰刘洪亮张永伟

中国地质灾害与防治学报 2018年1期
关键词:竖井灰岩岩溶

常允新,徐希强,王振涛,杨培杰,刘洪亮,张永伟

(1.山东省地质环境监测总站,山东 济南 250014;2.山东省第七地质矿产勘查院,山东 临沂 276006)

0 前言

1 地质背景

1.1 区域地理、地质背景

玉荣石膏矿位于平邑县保太镇东南3.5 km的万庄村与德埠村之间,地处泗水-平邑-费县断陷盆地中部。盆地南为尼山-四海山单斜山脉,向北东至蒙山断裂与蒙山山脉相接。区域地势南、北高中部低,西高东低,受地势控制,浚河由盆地北部沿地势由北而南经矿区西侧流过,汇入祊河。区域地层自南东向北西依次分布有太古界泰山群,古生界寒武、奥陶系,新生界古近系官庄群卞桥组、常路组,第四系临沂组。工作区内主要分布第四系临沂组和古近系官庄群卞桥组(图1)。

图1 玉荣石膏矿区区域地理、地质略图Fig.1 Yurong gypsum mine geographic and geological map1—第四系;2—寒武、奥陶系;3—古近系;4—太古界泰山群。

1.2 矿区水文地质及采空区赋存特征

矿区自上而下依次分布第四系松散岩类孔隙含水岩组,古近系官庄群卞桥组三段膏上灰岩带裂隙岩溶含水岩组和卞桥组二段含膏岩带泥岩、砂岩隔水岩组。

1.2.1第四系松散岩类孔隙水含水岩组

分布于矿区北部,岩性为黏土质砂及砂质黏土层,厚度0.5~13 m,主要接受大气降水补给,水位埋深1.52~5.50 m,单位涌水量小于500 m3/d。

1.2.2卞桥组三段膏上灰岩带裂隙岩溶含水岩组

在矿区南部出露,北部被第四系覆盖,岩性为灰-暗灰色中厚层灰岩,为较深湖相沉积,厚度55~165 m。岩溶发育,有利于接受大气降水和孔隙水补给。岩溶发育标高+20~-10 m,溶洞揭露最大高度0.10 m,岩溶发育不均匀,富水性差异较大,单位涌水量500~2 000 m3/d,局部3 000 m3/d。

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1.2.3卞桥组二段含膏岩带泥岩、砂岩隔水岩组

石灰岩岩溶裂隙含水层之下,到石膏开采层之间为厚度90~130 m的隔水层。岩性为红褐色、灰黄色、紫灰色含膏泥岩、砂岩、泥灰岩,呈互层或夹层状产出(图2),由于泥岩致密,砂岩及膏质泥岩胶结较好,裂隙不发育,含水性、透水性差,隔水效果良好。

图2 玉荣石膏矿矿区地质剖面图Fig.2 Geological profile of Yurong gypsum mine area1—卞桥组二段(含膏泥岩、砂岩);2—卞桥组三段(膏上灰岩);3—第四系黏土质砂;4—钻孔及编号。

1.2.4矿层及采空区赋存特征

矿体厚度20 m,全区稳定,倾向290°~310°,倾角14°~23°。采矿方法为房柱式开采,采高10 m,采8留7,顶底板留矿,护顶层约1.5 m,采空区埋深自南向北由180 m增加到325 m。

2 矿难前后水文地质分析与预测

2.1 矿难发生前正常生产状态下充水水源及涌水量

正常生产状态下矿山没有直接充水水源,间接充水水源为第四系松散岩类孔隙水、膏上灰岩带石灰岩岩溶裂隙水和矿山南部的达玉、富饶庄矿等闭坑矿山的老空水。由于矿带为非含水层,矿层以上有含膏岩带100 m左右的砂岩、泥岩隔水层,阻止上部灰岩裂隙岩溶水、第四系孔隙水的补给;各竖井均采取了帷幕灌浆、井壁水泥封堵等堵水措施,阻止了膏上灰岩带岩溶水通过竖井井壁的渗漏补给。玉荣矿与南部达玉、富饶庄等闭坑矿山老空水之间留设有矿柱挡水墙,局部还做过注浆处理(图3),阻水效果好,所以正常生产条件下矿井涌水量较小,矿井实际平均涌水量为12 m3/d,最大涌水量为23 m3/d。

图3 玉荣石膏矿周边矿山分布图Fig.3 Distribution of Yurong gypsum mine1—矿界;2—竖井及编号;3—注浆堵水带;4—采空区。

2.2 矿难发生后水文地质条件变化及充水水源

矿难发生后,井下坍塌使矿区水文地质条件发生剧烈变化,产生以下3类充水水源。

2.2.1膏上灰岩带泥质灰岩岩溶裂隙水

矿难发生后,矿区上部岩溶水水位持续下降,2015年12月30日至2016年1月26日,水位下降6.89 m,下降速率稳定在25.5 cm/d左右(图4)。岩溶水形成较大范围水位降落漏斗,漏斗中心位于矿区采空区(图5)。分析认为,井下巷道和采空区发生坍塌,顶板以上隔水层结构受到破坏,冒落裂隙发育,并向上延伸到地面发生塌陷、裂缝[5],砂岩、泥岩的隔水作用受到破坏,导致膏上灰岩带岩溶水沿裂隙进入井下,构成充水水源。

图4 矿区膏上灰岩带岩溶水水位动态曲线图Fig.4 The dynamic carve of karst water level in the limestone belt in the mining area

图5 万庄-德埠庄地区岩溶水等水位线图(2015.12.30)Fig.5 The contour map of the karst water in the area of Wanzhuang Debuzhuang area(2015.12.30)1—竖井及编号;2—岩溶水监测孔3—老空水监测孔

2.2.2闭坑矿山老空水

该矿南部相邻的达玉等闭坑矿山老空区水位标高144 m,被困矿工所在巷道标高-60 m,两者高差204 m,水头压力较大。2015年12月29日至2016年1月26日,老空水水位下降5.34 m,下降速率稳定在19 cm/d左右(图6)。说明坍塌事故导致两矿之间矿柱挡水墙破坏,老空水渗漏进入该矿,构成充水水源。

图6 矿区南部老空水水位动态曲线图Fig.6 The dynamic curve of the old water level in the southe of the mining area

2.2.3四号竖井井壁涌水

现场调查发现,坍塌导致4号竖井井壁注浆隔水层破坏,形成膏上灰岩带岩溶水涌水通道,岩溶水经井壁泻入竖井。由于井壁坍塌,井内坍塌堆积物厚达80 m,顶部埋深140 m,坍塌堆积物对井筒积水下渗进入巷道产生阻隔作用,形成泥水混合物经竖井底部马头门蠕动径流到2号生命探测孔,厚度达到1.4 m,待救矿工数天无法接近2号生命探测孔(图7、图8),无法获得生存保障物资。

图7 4号竖井封堵结构图Fig.7 4 shaft sealing structure

图8 救援钻孔分布图Fig.8 Relief borehole distribution map1—生命探测孔;2—人员提升孔。

3 应对措施与成效

3.1 南部闭坑矿山老空水应对措施

矿难发生后,首先采取的救援措施是试图打通巷道,搜救被困矿工,搜救期间的水害风险之一是南侧闭坑矿山老空水矿柱挡水墙坍塌引发突水(图3),严重威胁井下搜救人员和待救矿工。

防止老空水突水的措施是对老空水水位进行监测,通过水位降幅和水位下降速率分析渗漏强度,间接分析矿柱挡水墙的坍塌破坏程度及变化趋势,研判发生突水的可能性,及时发出预警。巷道搜救期间设定5 min水位监测频率,适时计算小时水位变幅、小时变化速率,统计24 h水位变幅、水位变化速率。连续监测数据显示,老空水水位24 h下降速率19~40 cm/d,小时下降速率为0.8~1.0 cm/h,5 min下降速率保持稳定(图6),研判矿柱挡水墙相对稳定,老空水处于稳定缓慢渗漏状态。在此基础上,对老空水进行疏干排放,降低矿柱挡水墙的压力,降低突水风险。

3.2 膏上灰岩带泥质灰岩岩溶裂隙水应对措施

由于巷道坍塌严重,且坍塌持续发生,巷道搜救可行性逐步降低,巷道搜救后期开始考虑同步开展大口径人员提升钻孔救援,救援方针的改变,预示救援时间将会延长,面临新的问题是矿区上部岩溶水通过顶板以上的沉陷、坍塌裂隙和4号竖井井壁大量进入采空区,采空区长时间积水、水位持续上升甚至发生突水,威胁待救矿工,为克服水害采取以下措施。

3.2.1水位监测预警

对岩溶水水位进行高频率监测,最高频率为每5 min 监测一次,及时掌握岩溶水水位动态特征和水面形态特征,适时分析突水风险。

3.2.2疏干排放4号竖井岩溶水

4号竖井井壁坍塌,注浆隔水层被破坏,岩溶水大量汇集井内,由于井内底部堆积有80 m的坍塌堆积物,形成相对隔水层,阻止井筒积水下渗进入巷道,使该井形成了岩溶水积水井。为降低岩溶水水头压力,以减轻岩溶水的下渗补给量,对4号竖井进行疏干排水,疏干排水量100 m3/h,将水位控制在灰岩底板水平,岩溶水形成了以4号竖井为中心的区域水位降落漏斗,有效减少井筒内岩溶水对采空区的下渗补给量,同时减轻附近大口径人员提升钻孔钻探、成井的止水压力。

3.2.3封堵4号竖井

在持续疏干排水的情况下,4号井筒仍有积水通过80 m厚的坍塌堆积物以泥水混合物的形式渗漏进入巷道,威胁待救矿工安全。为此,在4号竖井坍塌堆积物顶部淤泥层中注入水玻璃和水泥浆混合物,混合物快速凝固,形成10 m厚的人工隔水层,阻止井筒上部岩溶水向下渗漏(图7)。堵水工程竣工后,井下被困矿工随即报告巷道渗水停止,泥水混合物减退,威胁消除,取得立竿见影的效果。

3.2.4地面打井疏干排放膏上灰岩带泥质灰岩岩溶裂隙水

在矿山北部岩溶水下游钻探成井5眼(图5),对岩溶水进行疏干排放,降低其水头压力,减少下渗补给量。

3.3 排放采空区积水

利用矿山原有设备,排水能力约200 m3/h,同时新增两台排水能力共1 100 m3/h的备用水泵,在采空区下游排水控制水位,防止水位上涨过快淹没待救矿工,为大口径钻孔救援争取时间。

4 结论

自2015年12月25日发生坍塌事故,到2016年1月29日4名矿工通过大口径人员提升孔获救,被困矿工在地下200 m巷道中生存36天免受水害,水文地质工作发挥了重要的保障作用。救援结束10天后,矿区岩溶水、采空区、巷道以及南部闭坑矿山采空区全部积水,形成统一水位,水位高程约150 m。

矿山采空区坍塌事故,虽然直接表现为顶板稳定问题,但是往往间接造成水文地质条件的剧烈变化,产生新的涌水通道,增加新的涌水水源,井下涌水量剧增,形成次生水害。在应急救援的非正常状态下,高频率自动化水位监测工作发挥了重要作用,快速准确研判涌水通道和充水水源,有的放矢采取堵排措施保证了救援的成功,矿山水文地质应急调查工作发挥重要作用。

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