复杂富水含矿层水文地质特征及防治水技术研究
2023-06-05赵恰王军
赵恰 王军
摘要：以水银洞金矿深部矿体水文地质特征为基础，参考国内相关矿山防治水经验和科研成果，经过防治水方案比较，设计采用井下近矿体帷幕注浆的防治水方案。经矿山井下近矿体帷幕注浆试验，井下注浆可有效充填岩溶溶洞及岩溶裂隙过水通道，并可在矿体下部有效搭接，形成一定厚度的穩定人工隔水帷幕体，可为同类矿山提供防治水经验。
关键词：岩溶富水;防治水;井下注浆;近矿体帷幕;水文地质
中图分类号：TD745文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
文章编号：1001-1277（2023）04-0024-04doi：10.11792/hj20230406
随着矿山开采深度的增加，拟开采含矿层所赋存的水文地质环境越来越复杂，部分矿山深部含矿层底板为巨厚的灰岩富水含水层，开采面临水害问题更加突出，而且受含水强富水地层岩溶发育不均一性影响，井下突水预测困难、准确性差，突水风险大幅提高［1-2］。许超等［3-5］针对矿山底板岩溶含水层提出了底板注浆加固的治理思路，主要是通过井下工作面注浆，在矿体底板形成人工隔水帷幕或加固底板隔水层，使其具备抵抗下部承压水的能力，防止采掘期间突水事故的发生，如赵固矿区大采高工作面注浆加固深度一般达到煤层底板以下80 m，注浆帷幕体为后续安全高效回采提供了保障。本文通过分析贵州紫金矿业股份有限公司水银洞金矿（下称“水银洞金矿”）深部含矿层的水文地质条件，制定了相应的防治水方案，重点对井下注浆试验情况进行了研究，为后续矿山安全生产及相关矿山防治水提供了参考经验。
1 深部含矿层水文地质特征
水银洞金矿深部矿体赋存于当地最低侵蚀基准面以下。矿山通过钻探补勘的方式进一步查明深部含矿层的水文地质特征，根据井下补勘资料，补勘钻孔揭露含矿层时均出现涌水现象，单孔涌水量为0.86～2.66 L/s，水压在0.7 MPa左右，且涌水点附近岩芯破碎，溶蚀孔洞比较发育，地下水活动强烈，含矿层为中等—强富水的水文地质特征。矿山水化学测试结果显示，含矿层及下部茅口组深部含水层的地下水均为低矿化度的HCO3·SO4-Ca·Mg型水，pH值7.5，总矿化度473.43 mg/L，不含Cl-，水质类型简单，二者为统一的含水体。矿床为底板岩溶裂隙含水层直接充水的水文地质条件复杂矿床，矿山在深部开拓期间曾多次发生涌水事故，严重影响矿山生产进度，含矿层表现出如下水文地质特征：
1）含矿层为中等—强富水含水层：在1 120 m中段-5N、-7N、-15N、-21N、-29N、-31N勘探线穿脉以北和-17S勘探线穿脉以南施工的8个钻孔，均位于含矿层，单孔涌水量为0.86～2.66 L/s。钻孔揭露溶洞时，单孔单点涌水量多为100 m3/h以上，最大单孔单点涌水量达到了200 m3/h，含矿层表现出中等—强富水的水文地质特征。
2）含矿层水文地质条件、工程地质条件复杂：含矿层为龙潭组与茅口组不整合界面间的构造蚀变体，表现为“含矿带、含水带、构造带”三带一体的特征，岩性为深灰色中层强硅化灰岩、角砾状强硅化灰岩、硅质岩及角砾状黏土岩。矿山开拓工程显示，含矿层岩体松散破碎，溶蚀裂隙发育，地下水活动强烈，断层破碎带进一步加强了含矿层与茅口组灰岩含水层的水力联系，二者具有统一的地下水位，使得水文地质条件、工程地质条件复杂化。
3）底板茅口组灰岩含水层厚大且分布广泛。茅口组灰岩含水层为含矿层直接底板，是矿坑的主要充水含水层。同时茅口组灰岩含水层为区域性厚大含水层，厚度大于400 m，地下水静储量丰富，补给源充沛。
4）矿坑涌水量大。矿山开拓工程或超前探孔普遍揭露涌水点，且涌水量大。例如：1 093 m中段老水仓揭露深部灰岩含水层时，涌水点水量达10 800 m3/d，且经过2年的稳定排水，矿区地下水位自标高1 187 m下降至1 168 m，仅下降了19 m。根据井下放水试验，矿山通过解析法、数值模拟等方法预测矿坑涌水量为85 968 m3/d，矿坑涌水量大。
5）矿区断层破碎带发育，影响采掘生产安全。矿区东西向、南北向和北东向褶皱和断层发育，在背斜轴部裂隙发育，为地下水的存储和运移提供了空间。同时受区内主构造应力方向影响，南北向张性断层发育，破碎带一般较宽，且以角砾岩为主，探孔揭露单点涌水量一般超过100 m3/h，富水性、导水性均较强，对矿山安全生产影响巨大。
2 矿山防治水方案
2.1 深部含矿层特征
深部含矿层主要为碳酸盐岩型和角砾岩型。矿石以层状构造和块状构造为主。含矿层在平面上呈长条状不规则多边形，东西走向长2 700 m，南北宽200～950 m。矿体倾向北，倾角10°～15°，平均厚度8 m，为缓倾斜薄矿脉。
2.2 矿山防治水方案
水银洞金矿深部含矿层富水性为中等—强富水，且与下部茅口组灰岩含水层水力联系密切，二者具有统一的地下水位。茅口组灰岩为区域性厚大含水层，在矿区四周均为补给边界，地下水静储量大、动补给强，预测矿坑涌水量达到85 968 m3/d，采用传统的疏干防治水方案排水费用高，疏干周期长，对区域地下水资源浪费严重，同时岩溶矿区长期疏干会导致地面塌陷，影响矿区环境地质。近年来，国内峰峰煤矿、焦作煤矿、莱新铁矿及业庄铁矿利用井下注浆技术加固隔水层底板或改造矿体顶底板含水层，使其形成具有一定厚度的稳固隔水层，阻止顶底板含水层的直接充水影响（见图1）。从各相关矿山注浆实施情况来看，井下注浆加隔水层或注浆人工隔水帷幕的堵水效率一般可以达到85%及以上，为后续矿体的安全回采提供了保障［5-6］，因此选用井下近矿体帷幕注浆方案。
2.2.1 近矿体帷幕注浆工程布设
近矿体帷幕注浆工程是在中段大巷开凿注浆硐室，注浆硐室间距为30～50 m。在注浆硐室中施工扇形注浆斜孔，注浆孔在平面上需覆盖含矿层厚度，垂向上需深入含矿层底板一定深度，满足帷幕体厚度计算要求。注浆孔采用分序加密的方式施工，一般分为三序。利用注浆斜孔作为注浆通道，高压注入浆液，浆液在注浆压力的驱使下沿着涌水裂隙扩散、结石，最后充填，把含水层中的水“驱离”，并充填涌水通道，改造局部含水层，使之不含水或弱含水，同时浆液在注浆压力作用下，通过含水层地下水补给通道运移、扩散、结石，充塞隔水层的导水裂隙，胶结强化底板。达到改造、封源和加固的作用，从而满足帷幕体上部安全开采的目的。底板帷幕注浆工程布设平面示意图见图2。
2.2.2 注浆工艺及材料
注浆孔采用坑道钻机施工，倾斜注浆孔终孔孔径不小于91 mm。注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥为强度等级42.5普通硅酸盐水泥，速凝剂为42°Bé水玻璃。注浆工艺采用双液浆注浆模式（见图3），利用双液浆注浆泵，在孔口混合，混合比例为水泥∶水玻璃=1∶0.5～1∶1。注浆工程采用下行注浆方式，注浆压力取3倍水压。
2.2.3 近礦体帷幕注浆改造深度计算
人工注浆帷幕体抵抗下部茅口组灰岩承压含水层水压破坏，阻止下部茅口组灰岩承压水进入采掘区域。因此，若底板帷幕体不足以抵抗茅口组灰岩承压含水层水压破坏时，将引发灾难性的突水事故。根据相关岩溶大水矿床经验，一般采用突水系数法定量评价带压开采条件下底板突水危险程度，其物理意义就是单位厚度隔水层所能承受的极限水压，突水系数越大，矿体底板突水的危险性越大。根据相关岩溶大水矿床在矿井生产中积累的经验值，以TS=0.06 MPa/m为临界值，当突水系数T
式中：TS为临界突水系数，参考相关矿山经验，取TS=0.06 MPa/m;p为水压力，根据水银洞金矿实测资料，取0.83 MPa;M0为隔水层或相对隔水层临界厚度（m）。
经计算，M0=13.8 m。
从式（1）可以看出，在底板承压含水层水压一定条件下，突水系数与隔水层或相对隔水层厚度成反比，即M>M0时T
3 近矿体帷幕注浆试验实施情况及效果
3.1 工程实施情况
根据矿山矿体赋存情况并结合矿山设计，在1 120 m中段选取7勘探线—11勘探线作为井下近矿体帷幕注浆的试验区域，注浆施工分三序施工。其中，一序注浆孔12个，二序注浆孔3个，三序注浆孔5个，共施工20个注浆孔，累计施工孔深962.75 m，累计注浆量12 184.1 m3，见表1。
3.2 效果分析
从注浆资料和各次序孔涌水情况分析，注浆工程取得了初步效果，为后续施工积累了一定的经验。
3.2.1 不同次序注浆量对比分析
根据水银洞金矿井下注浆试验段统计资料，一序孔累计注浆量10 690.1 m3，单位注浆量25.09 m3/m;二序孔累计注浆量1 424.6 m3，单位注浆量6.69 m3/m;三序孔累计注浆量69.4 m3，单位注浆量0.21 m3/m。从不同序次单位注浆量分析，随着注浆次序的逐步推进，钻孔单位注浆量减小明显，说明随着注浆次序的增加，受注浆加固区域的过水通道逐步减小，加固区域的过水能力大幅下降（见图4）。
3.2.2 不同次序钻孔涌水量对比分析
根据水银洞金矿注浆统计资料，一序12个注浆孔，最大单孔涌水量150 m3/h，单孔平均涌水量108 m3/h;二序3个孔，最大单孔涌水量105 m3/h，单孔平均涌水量65 m3/h;三序5个孔，最大单孔涌水量50 m3/h，单孔平均涌水量15.9 m3/h。从以上资料可以看出，随着逐序加密，单孔的终孔最大涌水量和单孔平均涌水量均明显减小，说明注浆加固区域的富水性和过水能力大幅下降，加固区域取得了一定的注浆效果（见图5）。
4 结 论
1）水银洞金矿深部含矿层中等—强富水，其与下部巨厚茅口组灰岩水力联系密切，该含矿层为底板茅口组灰岩直接充水的岩溶复杂富水矿床。
2）以水银洞金矿水文地质条件为基础，参考国内相关矿山防治水经验和科研成果，设计采用井下近矿体帷幕注浆的防治水方案。通过井下近矿体帷幕注浆试验验证：钻孔涌水量减少了85.3%，说明井下注浆可有效充填岩溶溶洞及岩溶裂隙过水通道，并可在矿体下部有效搭接，形成一定厚度的稳定人工隔水帷幕体。
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Research of the hydrogeological characteristics and water control technology for complex water-rich ore-hosting layers
Zhao Qia，Wang Jun
（Zijin Mining Group Co.，Ltd.）
Abstract：Based on the hydrogeological characteristics deep in Shuiyindong Gold Mine，references to relevant domestic mine water control experience and scientific achievements，and a comparison of water control schemes，the research designed to use the water control scheme of underground near ore bodies curtain grouting.The test of underground near ore body curtain grouting shows that underground grouting can effectively fill karst caves and karst fissure water paths and effectively connect and form a stable artificial water-isolation curtain body with a certain thickness.The research can provide water control experience for similar mines.
Keywords：water-rich karst;water control;underground grouting;near ore body curtain;hydrogeology
