某矿山深部涌水现状调查及防水治水措施研究*

2022-07-02郭晓康

云南冶金 2022年3期

郭晓康

（玉溪矿业有限公司，云南玉溪 653100）

矿区地处构造侵蚀高中山地貌区域，矿区附近山高坡陡、河谷深切，海拔标高（610.8～1 630.5） m，切割深度大于1 000 m。矿区内旱、雨季节分明，年降雨量平均930.8 mm，60%雨量集中于（6～9）月份，降雨多为阵雨（暴雨、大雨）形式。矿区的主干河流是曼岗河，支流有老厂河及肥味河。河流具有山区河流特点，河床坡度大，河流流量受降雨控制，暴雨骤涨，雨停速退，动态变化大。矿区基建时间较早，随着矿山基建和生产采切工程的施工，在矿床范围内揭露到大量的断层构造，它们将矿床范围内的矿体切错成块体，在走向上将矿体分割成一个个大小不等的地质块段；在倾向上成阶梯状排列，形成堑、垒式构造，破坏了层状矿体的完整性；断层均为张性正断层或张扭性平移正断层，属充水断层，对矿床开采有较大的影响。矿山生产后，西部坑道揭露出水点较东部多，水量亦比东部大。证实了勘探时期总结的矿床水文地质特征：西部比东部富水性强，由浅入深富水性减弱的规律符合客观实际。二期基建时期，在进行坑道原始地质编录的同时开展了简易水文地质观测，共观测井下出水点25处，从观测结果看：整体水量较小，对矿床开采影响不大。

1 水文地质调查

1.1 水文地质工作开展情况

开展地面水文地质调查、坑道水文地质调查、措施竖井水文地质编录等工作；对流经矿区的涌水地段进行水文长期观测，水量观测视水量大小分别采用流速仪法、容积法、堰板法，观测周期（15～30） d观测一次；坑道水文地质测绘、钻探和钻探水文地质编录，用1∶100地质素描图为底图，重点调查突水点和渗水段的裂隙特征、水量。

1.2 钻孔抽水试验

从钻孔抽水试验情况看，单位涌水量较小，不同的地层层位涌水量略有差异，但变化较小。在靠近断层区域单位涌水量、渗透系数增大，表面断层是地下水的主要通道。

表1 钻孔抽水试验成果统计表Tab.1 Statistical table of drill-hole water pumping test results

2 主要构造对矿床充水的影响

2.1 区域构造情况

1）底巴都倾伏背斜：背斜轴向呈南西西—北东东，向南西倾伏，倾伏角近于25°，轴面近乎直立略向北西倾斜，两翼基本对称。据初勘资料反映，该地段钻孔ZK605、ZK601的单位涌水量q=（0.04～0.174） L/（s·m），而背斜南翼东部的ZK157、ZK165、ZK43、ZK196-1等钻孔单位涌水量（q）大都在（0.001～0.006） L/（s·m），二者相差10倍以上。这证实了位于背斜南西倾伏的西部矿段属地下水相对富集块段和底巴都背斜有控水作用；

2）F3断层：断裂带的富水性和导水性受断裂带胶结程度、侵入岩体及两盘岩层富水性控制，各地段尚有差异。断裂带在大红山群曼岗河组（Ptdm4、Ptdm3）脆性白云石大理岩段，断层角砾胶结较疏松，两盘岩层富水性相对较强。F3断裂在干海子组（T3g）泥岩盖层中透水性极弱，老厂河河水不会通过断层破碎带对矿坑进行充水；F3断裂破碎带在大红山群（Ptd）含矿层中赋水性较强，附近岩层的富水性也较强，为一充水断层，具较强的导水性，对矿坑充水影响较大；

3）F5断层：该断层为逆掩断层，主要发育在盖层上三叠统地层。断层破碎带宽约2 m，破碎带由含炭泥质的角砾构成，为泥质紧密胶结。坑道中断层面呈缓波状，有拖曳和揉皱现象，擦痕清楚，未见断层破碎带出水现象，断裂带不导水或导水极弱，不会沟通老厂河地表水和曼岗河组（Ptdm4、Ptdm3）含水层发生水力联系，对矿坑充水无影响。

2.2 矿床内断层

根据目前的综合资料研究分析，矿产内断层较发育，按性质主要分为两组：第一组走向NNW～NWW向，倾向S～SW，局部倒转倾向N～NE，倾角一般>60°。断层间隔一般（30～80） m。该断层组沿倾斜方向切错块体，使矿体成阶梯状断块排列。第二组走向NE～NEE向，以横向平移为主要特征，倾角一般60°～80°，断层间隔一般>150 m。断层组沿横向和斜向切错矿体，将矿体分隔成一个个大小不等的地质块段，在两个断层组的共同作用下，形成堑、垒式构造。除上述断层外，西部大红山群（Ptd）含矿地层中，岩层裂隙较发育。裂隙走向主要呈NNW和NE向，裂隙倾角一般较陡（见表2）。

表2 断面断层特征统计表Tab. 2 Statistical table of cross-sectional fault features

除上述断层外，大红山群（Ptd）含矿地层中，岩层裂隙较发育。裂隙走向主要呈NNW和NE向，裂隙倾角一般较陡（如图1）。平面上看，裂隙发育程度受区域断层（F3）控制明显，F3断裂附近裂隙相对较发育；从垂向上看，裂隙宽度具有自上而下逐渐减小的趋势；从岩性上看，白云石大理岩层中裂隙相对发育。从已有工程揭露的情况看，在180 m标高以上，矿区岩层裂隙较发育，裂隙透水性和赋水性较强，工程揭露时，裂隙渗（突）水较普片；180 m标高以下，岩层裂隙发育程度相对较弱，裂隙透水性和含水性弱，一般坑道仅有少量渗水或淋水；即便偶遇裂隙突水，其水量亦较小，突水时间短，水量衰减快，表现为储水量小和补给水源有限。

图1 探矿坑道（穿、沿脉）裂隙统计图Fig.1 Statistical diagram of cracks in prospecting tunnels

3 涌水量测算对比

3.1 水平廊道法预测矿坑涌水量

表3 水平廊道法预测矿坑涌水量Tab.3 The water inflow amount of mine pit predicated by horizontal corridor method

3.2 比拟法预测计算矿坑涌水量

矿坑涌水预测，矿区水文地质边界条件较清楚，矿坑充水含水层的划分较为合理。矿山充水含水层总体上为脉状裂隙水，兼有层间裂隙水的性质，赋水性极不均匀，由此，矿山充水含水层的渗透系数也极不均匀，其值变化极大、离散性大；为增加含水层渗透系数的代表性和可靠性，矿坑涌水量预测计算中，充水含水层的渗透系数取值，采用本次钻孔抽水试验所得渗透系数值和前人勘查钻孔试验渗透系数的平均值。总体而言，采用水平廊道法预测矿坑涌水量，计算条件清楚，基础资料可信，预测参数取值较为科学和合理，代表性较强。从已有矿山开拓工程的坑道涌水量、坑道揭露含水层和断层破碎带的水文地质情况看，水平廊道法计算所得的坑道涌水量值较为可靠。

表4 比拟法预测计算矿坑涌水量一览表Tab.4 The list of water inflow amount calculated by forecast calculations

3.3 比拟法计算成果评价

斜坡道长度大，穿越了矿区的大部分地层和构造，这对赋水性差异较大的矿区来说，涌水量具有较强代表性的一面。但是，用斜坡道迎头处的标高作为计算中段的基础标高值，则所采用的基础涌水量显然偏小，加之观测时间短暂，施工影响较大，因此，采用比拟法进行的矿坑涌水量预测显然不够严谨，其值仅供对比参考。

3.4 地下水补水特性分析

矿区内各含水层的补给源主要是大气降水和地表径流。矿床大部分工业储量位于当地侵蚀基准面和地下水面以下，地形不利于自然排水，地下水和地表水的水力联系较弱，局部河段地表水对矿坑充水有一定影响。断裂带是地下水向下渗透的主要通道，由于矿区所处气候环境条件，当垂向渗透的地下水到达下伏侵入岩体风化壳裂隙含水层下界附近时，可形成大致统一的地下水潜水面，继续往侵蚀基准面处运移，各矿段处于地下水的径流、排泄区，地下水主要通过开采裂隙、构造破碎带、侵入岩接触带进入矿坑，最终生产中的涌水可采用集中疏干的方法处理。坑道中，三叠系干海子组相对隔水层的断层及节理、裂隙带出水量，约占井下总出水量的80%，曼岗河组弱裂隙含水层的出水量约占20%，说明矿床地下水主要补给源是大气降水。

矿区地下水类型为典型的脉状裂隙水，总体上看，富水性很弱，但局部存在较强的富水带。富水带受岩性和构造的控制明显，白云石大理岩和硅质大理岩较厚的地段往往赋水性较强，富水带走向与岩层走向基本一致。地下水靠地下径流补给，条件较差，以静储量为主，动储量不大。断层富水性不强，局部地段可能沟通地下水与地表水的联系。矿段地质构造较简单，多数矿体顶板岩层完整稳固。断层带岩芯破碎，泥质成分高，较松软，岩芯采取率低。主要含水层水压大，存在突水可能性。次要含水层为舍资组砂岩裂隙含水层，为潜水性质，主要靠降雨补给，与地下水有联系，但与主要含水层地下水联系不密切。

3.5 本次涌水量预测

矿区地形陡峻，切割剧烈，有利于降雨的排泄。岩层含微弱的裂隙水，风化裂隙发育段为相对富水带。矿区分布的二条河流，主要矿体赋存于当地侵蚀基准面之下，河水将为矿坑主要充水水源，但围岩富水性、导水性弱，在自然条件下，河水对矿坑充水不可能密切。矿体及顶底板无软的和破碎的夹层，普氏硬度系数4.0～14.4，属中等坚硬-非常坚硬的岩矿石。矿层底板静水压力较大，可达（600～700）m，但深部岩层几乎不含水，以及岩层坚硬稳定，水头压力虽大，但水量很小，水头压力不可能对开采造成危害。

由于矿区充水含水层为深埋型，上覆厚度较大的隔水顶板，矿坑充水含水层主要接受老厂河和曼岗河河水的补给，受大气降雨渗入补给的分量相对很小。矿山充水含水层总体上为脉状裂隙水，兼有层间裂隙水的性质，赋水性极不均匀，由此，矿山充水含水层的渗透系数也极不均匀，其值变化极大、离散性大；矿井揭穿某隔水岩层后，将会出现突水现象，突水开端可达10 L/s（2～3）d后可成倍的或数倍退减，矿区岩层富水性随埋深而显著减弱，下山储量基本处于渐趋无水带间，河水对其补给的可能性极小。

此次项目的调查结合抽排水记录和生产实际情况进行了系统分析，目前井下涌水的来源主要为充填水、生产用水、坑道涌水等几个方面组成，结合矿山抽排水记录，井下排水当日最小为5 000 m3左右，最大在9 000 m3左右。根据抽排水统计报表结合现场实际情况，预计东部生产过程中地下水涌水量为（2 000～3 000） m3/d，西部坑内正常涌水量（3 000～4 000） m3/d，平均每天产生充填水约1 000 m3/d，产生生产水约500 m3/d。

4 矿井涌水的危害预测

4.1 突出表现形式

1）在采掘工作面出现淋水，使空气温度明显增加，顶板破碎，对劳动条件及生产效率影响很大；

2）由于矿井水的存在，在生产中必须进行排水，水量越大，排水费用越高，势必增加矿山生产成本；

3）矿井水对各种金属设备、钢轨和金属支架等，均存在微腐蚀作用，缩短了生产设备的使用寿命；

4）当井下突然涌水或其水量超过矿井排水能力时，则会给生产带来严重影响，轻者可造成矿井局部停产，重者则可造成坑道被淹。

4.2 目前存在的问题

1）由于本区矿体赋存空间距曼岗河河床较近，今后对该工作面的开采过程中，需对采矿充填盘区定期监测，并注意监测顶板应力、埋设收敛点的地压活动等。在受断层影响严重的盘区，特别是多条断裂交汇处，在施工至断层附近，需加强观察，及时采取支护措施；

2）今后开采盘区揭露FI-014、FI-015断层等几条走向上直接延伸至曼岗河河床下部的断裂构造时，需达到盘区采、充平衡和及时采取支护措施，以降低冒落（垮落）带形成的高度；

3）工作区内沟谷、河流由于流域发育规模控制，无各级水文站，因此无法收集到矿区范围内各地表水体的历年水位、流量以及洪峰等参数。

5 防治水措施

根据以上水文地质工作成果结合矿山的生产实际，矿床水文地质类型属于以弱裂隙含水层充水为主，直接进水、水文地质条伯简单的裂隙充水矿床，地下水对矿床开采影响不大，生产中少量的涌水可采用集中疏干的方法处理，随着开采深度的不断下降，揭露的出水点将增多，矿坑涌水量也会适当增大，可采用集中疏干、分级泵送的方法解决涌水问题。目前矿山供、排水系统基础资料齐全，设计符合规范、设备设施运行正常，能满足安全环保需求。井下排水系统是按原一、二期4 800 t/d的生产能力设计建设。现在公司井下排水由本部和西部排水两部分构成，主要有5个正式水仓。535水仓通过两趟φ377无缝管分别经东措井和补勘井排到二选厂6 000 m3回水池，供二选厂和二制备站生产用水，多余部分泵至二号泵站3 000 m3水池或泵到尾矿库。535水仓为公司井下排水总水仓，安装有D280-43×9水泵6台，通过两趟趟φ377无缝管分别经东措井和补勘井排到二选厂6 000 m3回水池。水仓供电系统为6650回路主供，6611、6629、6605回路备用，泵水设计排水能力为15 600 m3/d，该水仓目前最大泵水量为12 000 m3/d可满足排水要求。

1）公司所有的生产排水，均进入矿区污水处理系统，井下生产用水采取循环利用，选厂生产用水排至尾矿库采用封闭循环回收利用；

2）矿区生活污水处理系统已于2012年6月重新改造，目前改造工作已基本结束，每天最大供水能力为500 m3，平均日供水能力为400 m3/d，满足生活矿区污水处理能力；

3）开拓工程严格按照矿山探放水管理规定，严格执行“有掘必探，有采必探”，如遇突发涌水事故，发现异常情况，立即停止相关作业，及时上报公司相关部门解决；

4）继续加大矿山水文地质工作的研究，加强收集各类水文地质资料，注重提前预测预报工作；

5）制定各类突发涌水的预防、治理及排放管理考核办法，加强制度建设，查缺补漏；

6）优化井下供排水系统的建设，加强设备的维护和保养，确保设备设施运行正常；

7）在受断层影响严重的盘区，特别是多条断裂交汇处，在施工至断层附近时，需要加强观察，及时采取支护措施；

8）考虑曼岗河方向矿体开采时矿坑涌水量会增加较多，根据涌水量实测增加数据，实时增加泵房排水能力并留有余地，确保矿山安全生产；

9）矿区面积较大，矿床充水含水层的赋水性极不均匀，且北部和西部尚有一些工程控制盲点区，施工中应持续不断地对矿坑涌水量进行监测，及时掌握坑道附近的地下水动态变化情况，从而便于分析和判断生产过程中发生坑道突水的规模，并为日后矿山的扩大生产提供宝贵的水文资料。