龙塘沿铁矿水文地质研究及防治水措施①

2020-03-25南晋武

矿冶工程 2020年1期

南晋武

（五矿矿业控股有限公司，安徽合肥230000）

龙塘沿铁矿位于安徽和县十四联圩，联圩东、西、南三面分别是长江、裕溪河、牛屯河，东侧与芜湖市隔江相距约10 km。矿床赋存于钠长石英闪长岩与三叠系中统徐家山组灰岩接触带上，为接触交代-热液铁矿床，地质储量共3 355.84 万吨，平均品位37%左右。主体部位赋存标高－228 ～－338 m，处在地下水位以下，矿床顶板及围岩为徐家山组灰岩，厚度较大，溶孔、溶蚀裂隙较发育，富水性强，水头压力较高，顶底板直接进水，为水文地质条件复杂的岩溶裂隙直接充水矿床（图1）。该矿于1988 年开始进行地质勘探，2008 年开工建设，2018 年正式投产，采矿方法为充填法。最近十多年来，矿山进行了多次水文地质研究，并采取了近矿体帷幕注浆堵水技术，基本实现了首采段的安全开采［1］。随着矿山逐步向深部开采，防治水难度逐渐加大，井下突水仍然是困扰该矿山安全生产的一大难题，矿山水文地质情况亟待进一步研究。本文以龙塘沿铁矿的防治水实践为例，探讨矿山水文地质特征分析方法及防治水对策，为工程实践提供参考。

1 矿床水文地质条件研究

1.1 矿床水文地质揭露工作

龙塘沿铁矿目前已建成投产，施工了5 条井筒（主井、副井、措施井、南风井、北风井）、5 条巷道（－220 m、－240 m、－260 m、－280 m、－320 m）、150 多个近矿体帷幕注浆孔及数百个超前探水、探矿孔。施工过程中揭露了以下水文地质情况：

1）井筒掘进：－80～－230 m 处，闪长岩裂隙发育，晶洞、晶孔特别发育，涌水量较大；在－280 ～－335 m，岩石较破碎，裂隙较发育，裂隙导水性相对上部有明显减弱。

图1 矿区地层与矿体分布深度示意

2）巷道施工：徐家山组裂隙岩溶含水地层含有大量溶洞，富水性强，在－120 m 南巷发生较大突水，掌子面瞬间涌水量高达1 200 m3／h，并造成淹井事故。

3）探水孔施工：在－120 m 平巷揭露到溶洞或晶洞，单孔涌水量超过100 m3／h，涌水中含有有毒易燃气体，说明与地表池塘水体水力联系密切；在－240 m、－320 m 分别揭露一条较宽的蚀变破碎带，单孔瞬间最大涌水量达到260 m3／h，静水压达3 MPa 以上，6 个钻孔总涌水量超过400 m3／h。

4）探矿孔施工：J9 线～J13 线在－215 ～－300 m 标高矿体接触带附近，单孔最大涌水量50～65 m3／h。

1.2 矿床充水因素

通过深入分析探水孔、探矿工施工等揭露的水文地质情况，发现龙塘沿铁矿矿床的主要充水水源是地表池塘水、第四系孔隙水和三迭系中统徐家山组灰岩含水。对以上3 个充水因素详细说明如下：

1）地表池塘水。现场施工发现坑下多处涌水中含有有毒易燃气体，工作面有毒易燃气体超标，这在没有煤系地层的金属矿山是很少见的。研究认为，地表池塘产生的有毒易燃气体，随水流沿孔隙、裂隙、溶洞等导水通道带入坑下，证明地表池塘水可加大矿坑涌水量，并有可能引起突水危害。

2）第四系孔隙水。工程揭露发现井下各中段大多数涌水点含泥沙并呈黄褐色，裂隙、溶洞中也有不同程度的泥沙充填。徐家山组灰岩含水层是矿体的直接顶底板，构成了开采巷道的大部分围岩。研究认为第四系孔隙水主要通过长期淋滤形成通道与灰岩破碎带、裂隙带沟通对灰岩地下水进行补给。

3）三迭系中统徐家山组灰岩含水层以裂隙或溶蚀裂隙为主，对矿坑直接充水。近矿体帷幕注浆设计的注浆量为0.8 t／m，施工中实际注浆量最高0.7 t／m，大部分0.21～0.67 t／m，平均0.22 t／m。研究认为，该含水层岩溶裂隙发育和充填程度不均，不同地段矿坑充水程度也有较大差别。

2 龙塘沿铁矿防治水实践

2.1 防治水方法选择

大水矿山的防治水方法主要有疏干排水和帷幕注浆［2］。①若采取疏干排水为主的防治水方式，需大量排水形成疏干降落漏斗，地下水位下降到安全水头以下。结果必将破坏当地天然水资源平衡，引起地面沉降或塌陷，减少供水量和恶化环境。②若采取地面帷幕注浆防治水方式，由于含水层分布在矿体四周及顶底板，矿床进水通道多而宽阔，势必需要采用全封闭帷幕形式，堵水效果难以保证。③若采取近矿体帷幕注浆防治水方式，充填法采矿具备矿体顶板及围岩不被破坏的先决条件，有相似矿山防治水成功的案例，又能最大限度地保护天然水资源平衡，可有效减少防治水工程和排水费用。基于以上分析，龙塘沿铁矿最终选用了近矿体帷幕注浆防治水方式。

2.2 龙塘沿铁矿近矿体帷幕注浆工程实践

龙塘沿铁矿从2017 年4 月开始实施井下近矿体帷幕注浆工程，施工选用普通硅酸盐42.5 号水泥，单液水泥浆浓度按水灰比2 ∶1、1.5 ∶1、1 ∶1和0.8 ∶1等4 个级别配比，浆液消耗量按0.6 ～1.0 t／m 控制，浆液有效扩散半径按10 m 考虑，注浆终压根据实际情况控制在10～12.5 MPa。在终值压力下，注浆段吸浆量小于20～35 L／min，持续30 min 后结束注浆。如涌水量小于0.02 m3／h，则认为合格，否则进行直接堵漏注浆，直至达到要求。至2018 年10 月，J9 ～J13 线范围内井下近矿体帷幕注浆主体工程基本完成，已达到注浆效果，部分矿房已进入试生产阶段。

2.2.1 穿脉探水注浆

穿脉探水注浆的主要作用是查清矿床顶板围岩水文地质、工程地质特征，减少矿井的涌水量，保证矿山生产安全正常进行，同时为井下近矿体帷幕注浆加密工程打下坚实的基础。工程实施时，部分地段水文地质条件及矿体边界较预期发生变化，有些钻孔施工与矿山生产出现冲突，所以及时对部分钻孔的开孔位置、方位、倾斜角度及孔深等相关设计参数进行了调整。在－240 m、－260 m、－280 m 水平施工穿脉探水注浆孔61 个，总进尺2 796 m，单孔揭露最大涌水量140 m3／h，最大水压2.4 MPa。单孔最大单位注入量3 t／m，部分0.26～0.7 t／m，大部分钻孔注浆量均低于0.1 t／m，平均注入量0.31 t／m，注浆量877 t。实践结果表明，矿体围岩裂隙不发育，连通性差，浆液扩散半径小，可注入性差。

2.2.2 顶板帷幕注浆

在矿房顶板围岩布置15 m×15 m 网度的注浆孔，通过注浆形成有效厚度不低于30 m 的近矿体注浆盖层帷幕，实现了矿体的安全开采。在矿体顶部－220 m、－240 m 水平施工帷幕顶板注浆孔41 个，总进尺2 345 m，单孔揭露最大涌水量72 m3／h，最大水压2.4 MPa。单孔最大单位注入量0.32 t／m，大部分钻孔注浆量在0.12 t／m 左右，部分低于0.05 t／m，平均注入量0.11 t／m，注浆量260 t。通过对实践结果进行分析，认为前期穿脉探水注浆已对部分围岩裂隙进行了有效封堵，顶板围岩可注入性进一步降低。

2.2.3 加密注浆及检查孔注浆

根据帷幕注浆前期工程及巷道掘进揭露情况，分析认为：4-11 采场顶板围岩及其附近矿岩接触破碎带、4-1 溜井附近顶板围岩等存在注浆薄弱区；J9 ～J11线间矿体顶板附近存在探水盲区（图2）。为此，进行了针对性加密钻孔注浆，以便最终形成没有薄弱地带的注浆帷幕。在－220 m、－240 m、－280 m 水平施工加密注浆钻孔54 个，累计孔深2 765 m，平均注入量0.059 t／m，注浆量163 t。检查孔10 个，累计孔深503 m，平均注入量0.037 t／m，注浆量18.5 t。施工中发现：大部分钻孔为干孔或涌水量很小（小于2 m3／h），少部分钻孔出现较大涌水，主要集中在4-11 采场附近矿岩接触带及4-1 溜井附近围岩裂隙以及3-2 采场附近围岩裂隙，各处单孔最大涌水量分别为70、50 和12 m3／h，水压均小于1.5 MPa。部分钻孔揭露岩溶裂隙见到水泥结石。实践结果表明，前期探水注浆和顶板帷幕注浆，对矿床充水的主要通道基本封堵充填，加密注浆孔揭露了注浆薄弱区的含水裂隙和注浆盲区，通过加密封堵，对近矿体帷幕起到补充、完善和检查的作用。

图2 坑下－260 m 水平采场布置示意

2.2.4 防治水效果

井下近矿体帷幕注浆的最终目的是在矿体周围形成一定厚度的注浆防水盖层［3］。通过上述工程的实施，达到了防治水的效果，现将龙塘沿铁矿防治水效果说明如下：①从开始的穿脉孔到最后的加密检查孔，钻孔涌水量、单位注浆量呈现明显的由大到小的递减趋势，矿床充水通道得到有效封堵。②前期钻孔涌水水压在2 ～2.4 MPa 之间，水头标高接近地表，加密钻孔涌水水压最大为1.5 MPa，大部分小于1 MPa。研究认为，近矿体帷幕基本形成，出现帷幕内静水压与帷幕外天然静水压差。③钻孔单位平均注浆量0.22 t／m，远小于设计值0.8 t／m。实际揭露发现，矿岩接触、构造断裂破碎带范围单位注浆量0.7 t／m，其他的远小于设计值。分析后可知，围岩裂隙开度小、连通性差且不均一、浆液扩散半径小，是钻孔单位平均注浆量远低于设计值的主要原因。④开采的3-4、3-12 及4-11 等采场，除4-11 采场靠近4＃穿脉矿岩接触带附近顶板有少量淋水外，其余基本没有渗、淋水现象，顶板稳固性较好，表明近矿体注浆帷幕起到了一定效果。

3 矿井突水防治补充措施

3.1 堵、排水方式相结合

龙塘沿铁矿矿床围岩裂隙开度小，连通性差且不均一，浆液扩散半径小，单位注浆量少，直接影响到近矿体帷幕的有效厚度、强度及堵水效果。部分钻孔揭露接触带、断裂带、溶洞等岩溶构造时涌水量大（140 m3／h），水压高（2.4 MPa），有的直接与地表池塘水沟通（涌水含有毒易燃气体），坑下的突水风险较高。研究认为，采用堵、排水相结合的方式，在严控注浆堵水质量，提高堵水效果的同时，必须加大坑下设防排水能力，及时排出突发性、不确定性因素造成的突水，提高安全生产系数。目前已经完成了J9 ～J13 线范围内的帷幕注浆工程，实现了－260 m 水平3-4、3-12 及4-11等采场的安全采矿。

3.2 加固采空场顶板帷幕，及时接顶充填

龙塘沿铁矿矿房顶板一般为灰岩、矿体夹层及矿岩接触带，工程地质条件较差，往往是近矿体帷幕的薄弱地带。采矿过程的爆破扰动和采空后围岩应力的失衡，可能会引起帷幕的沉降变形或裂隙，诱导帷幕透水，设计采用了不小于6 m 的长锚索支护加固采空场顶板帷幕。在灰岩、闪长岩和矿体相接的三角地带，出现了岩石破碎、顶板冒落，故设计留置永久矿柱。为避免沉降裂隙诱导突水、减少应力沉降，施工时严格控制爆破空间和空场暴露时间，对空场及时充填，并进行注浆接顶。

3.3 超前探水，“逢掘必探、探注结合”

近矿体帷幕相对于地表帷幕、疏干放水等防治水方式，其最大的局限性是后防水，有效帷幕的形成受井巷工程完成限制和矿岩界线准确度影响较大［4］。龙塘沿铁矿某些井巷施工滞后，部分地段矿岩界线发生较大变化，致使相当部分注浆孔被动调整，影响到帷幕质量和堵水效果。加之矿体围岩裂隙开度小，连通性弱且不均一，浆液扩散半径和注浆量远小于设计值，造成部分注浆堵水薄弱地带。所以超前探水、“逢掘必探、探注结合”是近矿体帷幕防治水方式的有力补充措施。施工时结合不同地段围岩性质，适当调整超前探水孔的布置，长探与短探、探水与注浆相结合，超前发现，及时封堵。