隐伏铁矿矿井充水机理分析与防治水措施

李军，朱世芳，安茂国，韩双元，韩文撑，孟祥超，何平，宋月梅

(山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)，山东 济宁 272100)

0 引言

兰陵县会宝岭铁矿(王埝沟铁矿)位于苍峄铁矿带的东段，赋存于新太古代泰山岩群变质地层中，为典型的隐伏BIF型大型铁矿[1]。矿山于2012年采用地下开采方式投产。矿床顶部上覆南华系-寒武系多个盖层含水层，基底含矿岩系和盖层含水岩组受多期次断裂构造改造破坏，存在构造导水隐患。矿山投产初期，-410m及-430m中段矿井正常涌水量492.8 m3/ h，最大涌水量630.8 m3/h，井下单点最大突水量256.6m3/h，随着井下采掘面积的增长，矿山涌水量有着增大的趋势。该类隐伏型矿山普遍具有涌水量大、排水成本高、充水补给条件较为复杂、水害防治需求紧迫等特点。根据矿山生产需求，围绕矿井充水机理与水害防治进行了多处分析研究工作，建立了防治水体系并取得了良好的治水效果(1)山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，山东省兰陵县会宝岭铁矿-410m中段以深深部勘查报告，2020年。(2)山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，临沂会宝岭铁矿有限公司会宝岭铁矿水文地质补充勘探报告，2020年。。

1 矿床基本概况

1.1 矿床概况

会宝岭铁矿床位于山东省兰陵县西20km处，隶属于兰陵县尚岩镇。矿床产于泰山岩群山草峪组变质岩中，发育2条主矿带，总体走向为279°～284°，平行展布，相向而倾[2](图1)。矿体顶部埋深34.82～298.37m、底部埋深大于800m(尚未控制到底)。设计开采标高为+60m～-970m，开采方式为地下开采，目前已开采至-410m、即将开采-410m以深，采用分段空场嗣后充填采矿法和浅孔留矿嗣后充填采矿法采矿工艺开采。会宝岭铁矿山于2009年4月开始基建，2012年开始投产，设计服务年限27年。

1.2 矿床充水分布概况

矿山采用竖井及斜坡道联合开拓。自矿床开采以来，目前已建立5个竖井和1个斜坡道，形成的主要沿脉坑道系统有-60m中段、-130m中段、-340m中段、-410m中段、-430m中段运输道以及穿脉坑道系统。该矿山充水主要分布于-410m中段和-430m中段坑道，约占到整个矿山充水量的70%，其次为东风井及斜坡道。由于矿山主要充水点埋深深、排水量大，导致排水成本高，此外，矿山充水对安全生产也构成了一定的威胁。因此，对矿山进行充水来源分析、研究矿井充水机理以及防治水措施，是保障铁矿资源安全高效开采的前提[3-4]。

1—矿体位置及编号；2—角度不整合地质界线图1 会宝岭铁矿矿体联合剖面简图

2 矿床水文地质条件

2.1 含(隔)水层划分及富水性分级

通过收集以往资料和近期的多次水文地质工作成果，根据含水介质地层岩性组合特征及地下水赋存条件、富水程度[5-6]，将矿区含水层由上到下主要划分为4个含水层：第四系松散岩类孔隙含水层、李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层、二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙含水层、变质岩裂隙含水层；主要隔水层为二青山组页岩相对隔水层(图2)。其中李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层和二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙含水层为盖层含水层。

2.1.1 第四系松散岩类孔隙含水层

分布于矿区的中部、东北部和东南部，主要成分为砂质黏土、亚黏土组成，一般0～12m，厚度较薄。除了丰水期，多处于干燥无水状态，民井单位涌水量小于0.1L/(s·m)，为弱富水性的含水层。水文地质意义不大。

表1 研究区内主要含水层一览表

2.1.2 李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层

该含水层大面积出露于丘陵高地。呈近SN向展布，岩性主要为李官组石英砂岩、佟家庄组粉砂岩，岩层倾向E，倾角8°～15°，含水层厚度50～80m，埋深由西向东逐渐变深。该含水层位于盖层上部，可通过封闭不良钻孔及断层破碎带对下部二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙含水层及变质岩裂隙含水层进行补给；矿山开采后，该含水层已形成降落漏斗。根据其富水性分为弱富水区和中等富水区。

(1)中等富水区。分布于矿区24勘探线以东，为承压水，钻孔单位涌水量0.1748～0.1832L/(s·m)，渗透系数0.1951～0.2791m/d，富水性、透水性中等。

1—第四系松散岩类孔隙含水层(弱富水)；2—李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层(中等富水)；3—李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层(弱富水)；4—页岩相对隔水层；5—二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙含水层(弱富水)；6—变质岩裂隙含水层(弱富水)；7—第四系；8—寒武纪李官组页岩段；9—寒武纪李官组砂岩段；10—南华纪佟家庄组砂岩段；11—南华纪佟家庄组页岩段；12—南华纪二青山组页岩段；13—南华纪二青山组灰岩段；14—南华纪二青山组砂岩段；15—泰山岩群山草裕组；16—勘探线位置及编号；17—李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙水地下水水位线；18—二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙水地下水水位线；19—会宝岭铁矿采矿权范围；20—断层及编号；21—抽水试验孔位置；22—单位涌水量；23—渗透系数；24—矿床深部富水性集中区；25—矿体位置及编号图2 会宝岭铁矿矿区水文地质剖面图

(2)弱富水区。分布在矿区西部、中南部，为潜水―微承压水，钻孔单位涌水量0.008827～0.03863L/(s·m)，渗透系数0.01249～0.0477m/d，富水性、透水性均较弱。

2.1.3 二青山组页岩相对隔水层

在纵向上分布在整个矿区的中深部，岩性为紫红色钙质页岩，地层产状稳定，倾角10°～14°，一般厚52～90m，埋深由西向东逐渐变深。该页岩岩体完整、厚度大，为良好的隔水层，自然条件下阻隔了李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙水的下渗。

2.1.4 二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙含水层

出露于矿区的西部，在纵向上分布于整个矿区，为矿区主要含水层。岩性由泥晶灰岩、含海绿石石英砂岩等组成，一般厚度25～40m，岩层走向10°～15°，倾向SEE，倾角10°～14°，埋深由西向东逐渐变深。钻孔单位涌水量一般为0.01922～0.0447L/(s·m)，渗透系数0.009～0.1829m/d，富水性弱，透水性弱—中等；总体上富水性由西到东有所增大。矿山开采后，该含水层已形成降落漏斗。

2.1.5 变质岩裂隙含水层

该含水层(不包括断层破碎带及其附近)在矿区内位于沉积盖层之下，主要岩性为黑云变粒岩及矿体，钻孔单位涌水量0.0067～0.0102L/(s·m)，渗透系数0.00027～0.0067m/d，富水性、透水性微弱，为矿床的直接充水含水层。矿床开采后，该含水层水位大幅度下降。

2.2 构造导水特征

矿内断裂构造较发育，主要有F1、F2、F3及F3-1断层。

F1断层：位于矿区西北部，走向NE65°～70°，倾向NW，倾角65°。断层延伸规模小，延深较浅，断距较小，且断层角砾岩胶结较好，断层两侧破碎带一般为闭合裂隙，透水性十分微弱，无大的出水点，仅局部有滴水现象。水文地质条件意义不大。

F2断层：位于矿区中东部，走向30°～45°，倾向NW，倾角65°，为高角度正断层。断层破碎带钻孔单位涌水量0.017L/(s·m)，渗透系数为0.0345m/d，具有弱富水性和弱透水性。井下-430m穿脉淋水现象明显，但淋水量相对较小，尚未发生大的出水现象。

F3断层：出露位于矿区东南侧、深部位于矿区内倾向NW，倾角45°。深部探水阶段探出该断层破碎带钻孔单位涌水量0.038～0.15L/(s·m)、渗透系数0.26～0.55m/d，富水性、透水性相对较大，矿床开采时将在-500m～-670m处揭穿该断层破碎带。当深处揭露该破碎带时，由于埋藏深、水压大，会对矿床充水造成直接影响。

F3-1断层：为物探控制的小断层，其水文地质意义尚不明确。

3 矿井充水机理

通过地表及井下水文地质调查、水文地质钻探、抽水及放水试验、坑道水文地质编录、水化学成分测试、水压测试等工作，形成了一套矿井充水机理研究方法。

3.1 充水类型

3.1.1 现有充水类型分析

通过井下大量水文地质调查工作，对-410m、-430m、-340m等中段充水类型及充水量进行了分析统计：断层水充水量931m3/d(壁后注浆止水后的充水量)、断层的次生张性裂隙充水量2189m3/d、封闭不良钻孔充水量3876m3/d(止水前的充水量)。认为该矿井主要充水类型有2类：一是F2、F3断层破碎带及其次生张性裂隙充水、二是封闭不良钻孔充水。

3.1.2 深部充水类型分析

在矿山深部探矿及水文地质补充勘探阶段共在井下-410m中段向下施工了19个探水孔(兼探矿孔)，其中9个孔发生涌水现象。通过放水试验、水压测试等工作，进一步查明了矿床深部的充水类型(表2)。有表2可以看出，矿山深部主要地下水类型为断层破碎带及其次生张性裂隙水。尤其是28勘探线与32勘探线受F3断层的影响，为相对富水区。

表2 -410m中段施工的超前探水孔水文地质成果表

3.2 矿井充水水源及导水通道

3.2.1 通过地下水位分析矿井充水水源

由于盖层各含水层的富水性远大于深部变质岩的富水性，本次对盖层各含水层(李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层和二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙的含水层)进行了深入调查研究。通过盖层各层地下水位统测并与矿山开采前各含水层地下水位相比，各含水层水位因矿坑排水均有不同程度的下降。由地下水等水位线可以看出，矿山的充水主要来源于矿区的东部(图3)，因此，矿区东部各含水层及其断层破碎导水带是矿山防治水的重要研究方向之一。

1—采矿权范围；2—等水位线及水位标高(m)；3—地下水流向；4—断层及编号图3 二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙水等水位线图(2018年)

3.2.2 通过水化学特征分析矿井充水水源及导水通道

由于各含水层地下水化学特征主要受地层岩性、循环条件及补给来源等因素制约，不同含水层的地下水化学特征不同。一般来说，地下水埋藏由浅到深，由低矿化度的重碳酸盐淡水逐渐变化为矿化度较高的硫酸盐水或氯化物水[9-10]：即地下水的TDS由埋藏浅到深会越来越高，重碳酸盐含量会越来越低，通过分析主要出水点的TDS、重碳酸盐含量等水化学特征与各含水层的水化学特征对比分析，可以准确地找到各出水点的充水来源[7-8]。

以-410m中段ZK3201封闭不良钻孔突水点为例进行分析，其TDS与重碳酸盐含量明显与浅部盖层的李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层和二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙的含水层中TDS与重碳酸盐含量非常接近(表3)、而与变质岩裂隙含水层的水化学特征TDS与重碳酸盐含量大相径庭，说明突水水源来自上部盖层的李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层和二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙的含水层。此外，通过其他离子的浓度，如对比K+、Na+、Ca2+的浓度(表3)也能分析出ZK3201封闭不良钻孔的水来源于浅部盖层的李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层和二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙的含水层。

同样方法对ZK2803封闭不良钻孔水、与F3断层破碎带水的来源进行分析，由表3中的数据可以看出：ZK2803封闭不良钻孔水、与F3断层破碎带的水主要来源浅部盖层的李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层和二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙的含水层，少量来源于变质岩裂隙含水层。

表3 重要出水点与矿区各含水层水化学特征对比表 单位：mg/L

3.2.3 通过水压分析矿井充水水源

通过对ZK3201、ZK2803、ZK2804、ZK1201四个封闭不良钻孔进行水压测试，从水压上分析，ZK3201、ZK2803的水头高度-410m中段400多米(表4)，基本与李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层的水位标高一致。因此从水压上分析认为ZK3201、ZK2803钻孔沟通了浅部盖层各含水层。

表4 封闭不良钻孔的水压测试结果及水源判断表

综合以上，封闭不良钻孔水与F3断层破碎带水主要来源上部盖层各含水层。由于封闭不良钻孔与F3断层破碎带导通了上部各盖层水，因此其本身即为矿床充水的重要导水通道。

4 矿山防治水措施

根据对本矿山水文地质的分析研究与矿山已实施的防治水措施，建立了一套针对断层破碎带及次生张性裂隙带、封闭不良钻孔防治水体系。

4.1 断层破碎带及次生张性裂隙带防治水措施

(1)超前探水。目前工作面超前探水在各类矿山防治水上已有广泛的应用，直接钻探、地球物理探测等多种方法[11-17]具有较强的可行性。根据本矿山的实际情况采用了直接钻探法进行超前探水，从-410m中段向下施工探水孔，并准确找到深部充水点的位置及充水类型(表2)，为矿山-410m以深矿段的开采提供了水文地质资料。

(2)工作面预注浆和壁后注浆。工作面预注浆和壁后注浆是矿井治水的重要措施[18-21]。在矿山生产初期(2014年底)在东风井井筒工、主斜坡道及-410m巷道施工过程中，矿山已采取工作面预注浆和壁后注浆的治水措施进行治水，治理后使各出水点的出水量均小于5m3/h，大多数小于1m3/h。后期又多次在-410m、-430m等中段进行了壁后注浆或喷浆止水，并取得一定的止水效果。

建议在-410m以深矿段开采前对已探明的主要充水段、尤其是F3断层破碎带进行工作面预注浆止水、对于巷道、井筒施工后依然存在次要的出水点采取壁后注浆措施进行止水。

(3)补给源疏干排水。补给源疏干排水为矿山防治水的常见措施[22]，也是本矿山的防治水措施之一。矿山生产初期(2014年底)在矿区中南部施工了一眼深150m贯穿整个盖层的疏干排水井(图3)，该井自从建成后一直处于疏干排水状态。排出的地下水一方面用于矿山生活用水，同时也减少了矿山深部的充水水源。

4.2 封闭不良钻孔防治水措施

由于井下揭露的封闭不良钻孔较多，针对不同封闭不良钻孔的出水量、水压不同，分别采取了孔底点注浆、分段泄压注浆法、截水墙注浆法进行注浆止水[23]，并取得良好的止水效果。具体注浆方法及注浆前后的出水量见表5。

表5 不同类型封闭不良钻孔的注浆方案表

其中对ZK2803采用分段泄压注浆措施，注浆设计见图4。由图4可以看出具体施工方案：由0 孔(孔底)注浆，1浅孔返水泄压直到1浅孔返浆，此时停止注浆形成注浆填体 A；待A浆液凝固后由1孔注浆，2浅孔返水泄压直到2浅孔返浆，此时停止注浆形成注浆填体B；以上步骤依次进行向上泄压注浆，直到水压小于4MPa时直接进行钻孔注浆。

1—注浆填体位置及编号；2—泄压注浆孔及编号；3—矿体位置及编号图4 ZK2803分段泄压注浆设计图

由于ZK3203封闭不良钻孔不仅水压高、涌水量也大，浆液易被冲走，采用了截水墙注浆方法并取得良好的治理效果。具体治水措施：在矿房外边施工2m厚的截水墙(截水墙底部及两侧嵌入基岩500mm、上部采用锚杆加固、墙体按 300mm×300mm间距绑扎Φ28mm 螺纹钢加固，墙体留有9个临时放水孔起到临时泄压作用)；待截水墙凝固达到设计抗压强度后进行注浆，注浆凝固后关闭临时泄水孔(图5)。

图5 截水墙注浆设计图

4.3 防治后的水量变化

矿山从2014年10月以来进行了多次工作面预注浆、壁后注浆、疏干排水等止水工作，2018年对封闭不良钻孔进行注浆止水，均取得了显著的治水效果，使矿床深部涌水量由2014年10月的12200m3/d减少到2019年年底的5100m3/d。各阶段的防治水效果见表6与图6。不仅节约了矿山排水成本，同时也降低了矿井突水的风险。

表6 治水措施实施时间与排水量变化对应关系表 m3/d

图6 治水措施实施时间与排水量变化对应关系曲线图

4.4 下一步的防治水方向

(1)矿山现有涌水量尚有5100m3/d，排水量依然较大，应对各中段、斜坡道的出水点进一步进行壁后注浆或喷浆止水。

(2)进一步探查矿区潜在的封闭不良钻孔，一旦查出分析其充水来源，并采用注浆方式切断其补给通道。

(3)矿床东部富水性较强，尤其是在-500m～-670m处F3断层破碎带导水通道贯穿矿体，存在突水隐患，建议在该矿段开采前对F3断层破碎带进行工作面预注浆止水。

5 结语

(1)通过水文地质钻探、抽水及放水试验、水压测试等水文地质工作，结合井下各出水点的水化学特征与水压，分析了该隐伏矿床的矿井充水机理。矿床充水类型：一是坑道揭露断层破碎带及其次生的张性裂隙带充水、二是封闭不良钻孔充水；封闭不良钻孔与F3等断层破碎带也是矿井充水的重要通道；充水水源主要来源于上部盖层水。

(2)针对断层破碎带及张性裂隙提出了工作面超前探水、工作面预注浆—壁后注浆相结合的防治措施；针对封闭不良钻孔提出了孔底点注浆、分段泄压注浆、截水墙注浆以及疏干排水等措施。各措施已应用于本矿山并取得较好的治水效果，同样对该矿山深部开采及相邻矿山的生产起到一定的指导作用。

(3)F3断层破碎带是下一步开采的重点防治区，建议在该矿段开采前对F3断层破碎带进行工作面预注浆止水。