白象山铁矿近矿体富水断层破碎带防治水技术研究

2023-09-14张发亮

现代矿业 2023年8期

张发亮

（安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司）

白象山铁矿设计生产能力为200万t/a，采用机械化上向分层充填采矿法采矿，矿山水文地质条件属极其复杂类型矿床，基建及采矿过程中井下揭露出未查明断裂的富水性及产状分布，矿层富水性划定难度大［1］，地下水害严重制约矿山生产能力及采矿进程。

本文结合白象山铁矿含矿层富水、近矿体破碎带富水性研究［2］及“三下开采”［3］中地表水体下采矿存在的主要问题，通过含矿层控制疏干、局部堵水和避水矿柱留设及采场残余水量截流等手段进行防治水，达到井下安全高效采矿的目的，为其他金属非金属大水矿山防治水提供参考。

1 矿区充水因素分析

1.1 矿区水文地质条件

白象山铁矿地下水主要接受降水垂直渗透补给，裸露地表的基岩与地表第四系松散层直接受降水渗透补给。根据白象山铁矿地质报告，其含矿层为中等富水区，矿区含水层自上而下主要有3层，分别为第四系全新统砂砾卵石强含水层Q41al—I1、黄马青组杂色粉细砂岩强富水带T3h—I l、含矿层中等富水带Fe-I2。白象山铁矿存在F1～F10共10条主要断层，F1～F3为成矿前张性断裂；F4～F7为成矿后张性断裂（其中F4～F6穿过-390 m、-470 m水平大巷），对矿体破坏，未发生位移；F8～F10为局部平移断层，未对矿体造成影响。

1.2 矿区含矿层富水性分区

根据《矿区水文地质工程地质勘查规范》（GB/T 12719—2021）［4］中富水性划分标准，将白象山含矿层（-500 m、-470 m、-390 m）的富水性划分为4个等级：弱富水性，Q＜10 m3/h；中等富水性，10 m3/h＜Q≤50 m3/h；强富水性，50 m3/h＜Q≤100 m3/h；极强富水性，Q＞100 m3/h。

1.2.1 -500 m中段含矿层富水性的划分

2盘区、4盘区根据地质报告资料及2个盘区开采的实际情况，该区域没有揭露大的涌水点，且不存在大的导水构造，将该区域划分为弱含水区。

8盘区北部的矿体远离F5、F6断层，已展开的采矿开拓作业没有出现大的水点，相应划分为弱富水区。8盘区南部矿体被F5、F6断层切割，F6断层富水性不均，连续性差，根据-470 m中段开采揭露的资料推测，该断层可能没有进入矿体，所以该部位矿体划分为中等富水区。而靠近F5断层的矿体因受其导水性、富水性强的影响，划分为极强富水区。

1.2.2 -470 m中段含矿层富水性的划分

2盘区和8盘区为东部矿体，位于17线以北，采矿作业面已全部展开，根据采矿过程基本没有揭露大的水点，据此2盘区和8盘区为弱富水带。

1.2.3 -390 m中段含矿层富水性的划分

4盘区联络道内有F6断层自北东向南西穿过矿体，且钻孔在孔深9 m处见断层时涌水量达100 m3/h，F5断层、F6断层附近区域划分为极强含水层；其余部位根据采矿巷道揭露，均无大的涌水点，故划分为弱富水区。

1.3 断层破碎带富水性

白象山铁矿自建矿以来3次最大的突水均是直接或间接揭露大的断层破碎带导水所致。因此，断层破碎带对白象山铁矿的前期采矿构成了严重威胁，断层破碎带不仅是导水通道，而且还起到贮水和集水廊道的作用，特别是F2、F5、F6其上部与黄马青组杂色粉细砂岩强含水层沟通，下部延伸到-500 m、-470 m、-390 m中段，对采矿作业的影响较为明显。

2 矿山防治水方案的确定

2.1 白象山地下水防治方法的选择

根据分析可知，矿坑涌水主要来自富水性复杂的含矿层，F2、F4、F5、F6这4条大的断层富水性强，与含矿层直接相关。由于上述4条断层与上部黄马青组杂色粉细砂岩强含水层直接导通，向含矿层充水，基建期巷道穿过上述断层表明断层内注浆堵水难度大，所以要在含矿层与强含水层之间形成可靠的相对隔水层，工程量大、防治水工期长、破碎带内注浆困难、效果难以保证。据此，避水采矿方案不宜单独采用。

目前矿坑实际涌水量约为20 000 m3/d，矿区地表分布有大量的居民住宅、农田、青山河和公路、电力等重要工业民用设施，若采用完全疏干方案，势必要通过疏干工程将上部黄马青组杂色粉细砂岩的强水层，矿坑涌水量大增，且大流量疏干可能引发大断层内充填物和第四系土颗粒的流失，引发地面塌陷和大的沉降，特别是矿区地表青山河河床一旦发生塌陷和大的变形沉降，破坏河床下部的第四系隔水层，出现河水灌入矿坑引发突水淹井事故。因此，完全疏干方案不宜单独采用。

矿区破碎带内泥化现象严重、注浆量大，地面注浆成孔困难，所投入的工程量浩大、工期长，难以形成有效的隔水帷幕，因此，矿区不具备实施注浆防渗帷幕的边界条件，地层可注性差，难以形成隔水帷幕，因此不宜单独采用。

综合考虑矿区水文地质条件、矿坑的排水能力、防治水工程的性价比及可操作性，在确保井下不突水、地面不塌陷、河流不改道的前提下，确定白象山铁矿采用含矿层控制疏干、局部堵水和避水相结合的综合防治水方案。

2.2 白象山地下水防治方案

2.2.1 含矿层控制疏干方案

白象山铁矿利用控制疏干工程，降低地下水位，结合采掘工程，使采矿在少水或无水的情况下进行，以-500 m水平含矿层控制疏干工程为例，该分层含矿层富水区主要分布在东部矿体8盘区F5、F6断层破碎带之间的含矿层疏干片区。

疏干控制钻孔布设在探水探矿巷道内，按盘区设计3个疏干孔，疏干孔1（孔深56 m）、疏干孔2（孔深40 m）和疏干孔3（孔深60 m），深入含矿富水区域，拦截含矿破碎富水带对于矿体的补给，减弱采场疏干压力；1号、2号钻孔最大疏水量为190 m3/h；3号最大疏干水量150 m3/h。该工程自2014—2018年，1、2、3号疏干孔平均水量分别下降至55、53和43 m3/h，总控制疏干日排水量平均下降了69.7%。2014—2018年疏干排水情况如图1所示。

2.2.2 工作面采矿局部注浆堵水方案

在含矿层系统疏干的基础上，根据采矿需要，结合现场和经济效益，对工作面实施帷幕注浆，以满足采掘生产的安全、经济需求。以-500 m水平8盘区上盘某巷道进路为工作面，对其开展局部注浆堵水，具体方案：工作面布设6个钻孔，钻孔开孔采用ϕ133 mm冲击器钻头开孔，埋设ϕ108 mm×5 m孔口管，一头焊接高压法兰盘，采用ϕ90 mm冲击器配ϕ90 mm冲击钻头钻进，钻孔向外围偏斜5°～10°，孔口管的长度为5 m，安装高压球阀以防钻孔突水，探水孔的深度初定为40 m，掘进安全水量控制在10 m3/h。工作面局部注浆钻孔布置见图2。

本次工作面局部注浆总计：孔深240 m，孔口管6个共30m，注浆消耗水泥167 t，水玻璃0.3 t。采取工作面采矿局部注浆堵水措施后，14 d内的效果为1#～6#孔的最大用水水量分别由80、50、40、60、50、40 m3/h下降至15、5、8、9、7、12 m3/h（图3、图4）。注浆终孔压力下降至0.256、0.36、0.136、0.236、0.266、0.126 MPa（图5、图6）。有效平均堵水率提高了82.6%。该工程施工后，根据《金属非金属地下矿山防治水安全技术规范》，满足掘进条件，可实施采矿工程。局部注浆大大缩短了采掘施工周期，排水系统工程量小、投资少、见效快、对采掘影响小，从安全性看，注浆压力迅速降低，突水危险系数得到保证。

2.2.3 避水矿柱的留设

-500 m中段避水矿柱的分布分为2片，第一片为东部矿体8盘区附近的F5断层破碎带下盘，为防止采矿揭露F5断层引发突水而设置；第二片区为21线～4线的整个西部矿体，该部位矿体薄，富水性强，赋存标高底，紧邻西运输大巷，为减少井下开采涌水量，该部位矿体暂作为避水矿柱，待矿区地下水位降到-400 m以下，再来回收此部分矿体。

根据防治水相关规定，采用经验公式对断层防水矿柱留设厚度进行验算：

式中，L为矿柱留设宽度，m；K为安全系数，一般取2～5 m；M为分层采高，m；P为水头压力，MPa；KP为矿体的抗拉强度，MPa。

目前，白象山铁矿-500 m东部矿体8盘区附近的F5断层破碎带下盘矿体的静水压力为4.5 MPa，上向进路分层采高为7 m，矿体的抗拉强度4.41 MPa。计算得到防水矿柱留设厚度为12 m。

2.2.4 采场残余水量的截流及封堵

含矿层内控制疏干防治水方案地下水头远没有降到目前的采矿中段以下，因此，不可避免在采矿作业过程中采场内会出现局部涌水，采场出水不仅影响采矿作业的效率，而且还影响充填体质量，特别是局部水量大于20 m3/h的地段，因水流造成充填体无法接顶；同时，出现大量的充填体固结前随水流流失，进入水沟和水仓，影响排水系统的正常运行。因此，在采场内一些残余水量大、且相对集中的部位，必须设置一些截水、引流或堵水工程，尽可能地降低残余水量对采矿和充填作业的影响。

由于矿体裂隙发育的不均匀性，采场内残余水的涌水形式多种多样，难以采用单一的处理方法进行治理，对于集中涌水点或涌水通道拟采用引流或注浆封堵方案；对于大面积淋水采用钻孔截水后引流或注浆封堵。

-500 m分层在集中涌水点注浆封堵治理共7处，通过下入ϕ32 mm孔口管进行高压注浆，封堵集中涌水点水，改善作业环境，防止采空区充填体的流失。在中段西部巷道掘进至矿岩接触带时，为确保巷道的安全贯通，共实施了长度10 m的巷道预注浆工程，共消耗水泥30 t，累计治理涌水量77 m3/h，注浆治理后残余水基本消除。