磷矿山竖井地质勘察及施工防治措施

王春江

中化地质矿山总局贵州地质勘查院，贵州 贵阳 550002

中国地大物博，蕴藏丰富的磷矿资源，但随着工业发展需求的增加，加之新能源行业对磷矿的需求突然增大，导致中国磷矿资源产量也日益紧张，磷矿开采质量及产能受到国家高度重视[1-2]。深部矿山开采施工过程中，竖井施工十分关键，关系到磷矿开采产能和施工安全。在竖井施工前，需通过专项勘察后再选择合适的施工方法，制定合理的施工方案，并结合工程所在区域水文地质条件制定防治措施，确保施工安全，为磷矿开采质量提供保障。

1 项目矿区概况

矿区位于贵州省瓮安县白岩背斜东翼，为深部隐伏矿床，地层总体呈向东陡倾斜的单斜构造，倾向110°～135°，倾角50°～80°，局部岩层直立、倒转，周边存在多个正在开采的矿山。场地主要地貌为峰丛沟谷与缓丘沟谷地貌，局部碎屑岩出露地区为侵蚀构造低中山地貌，场地地貌类型属构造剥蚀低中山。发育F19 与F27 两条逆断层，规模较大但未破坏矿体，且属相对阻水断层。矿区地表水不发育，仅发育三条季节性冲沟，在冲沟源头有小泉（0.1L/s）发育；地下水为岩溶裂隙（溶洞）水，赋存于灯影组白云岩中，以+210 标高为界，以下富水性弱，为弹性释水层，以上富水性好，为直接充水含水层，流向为南南西向北北东径流。

区内矿体赋存于陡山沱组，呈隐伏单斜层状产出，矿体延展规模属于大型，发育a、b 两层矿。b 矿层赋存于陡山沱组上部，控制标高+1037.37～+275.12m，倾角50°～65°，矿层厚11.97～36.75m，平均19.83m，P2O5含量19.44%～33.72%，平均26.58%；a 矿层赋存于陡山沱组中下部，控制标高+976.72～+216.80m，倾角70°～87°（局部倒转），厚 16.38～56.46m，平均 32.00m，P2O5含量21.16%～27.01%，平均23.69%。

开采方案为大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法；充填工艺为结充填法，充填材料选择尾矿、废石。

选择+210～+260 标高水平（埋深约为1070～1020m）为首采区范围，开采顺序为至下而上。为达到高效开采目的，综合考虑矿山井巷工程布置的合理性，确定运输方案为竖井开拓运输。拟在首采区北部建设竖井，用于矿石提升，该竖井具体特征参数见表1。

表1 竖井设计概况表Table 1 Profile of mineshaft design

2 磷矿山竖井水文、工程地质勘察

2.1 水文、工程地质勘察主要内容及工作流程

为拟建竖井工程开拓掘及设计提供所需的工程地质和水文地质资料，以及为后续的水害防治提供地质依据[3]，对磷矿山竖井进行专项水文、工程地质勘察工作。勘察的主要内容为地层结构、岩土物理力学性能、水文地质与工程地质条件、地质构造、地温、地应力等。预测井筒内的涌水量及评价地下水对混凝土及钢材等侵蚀性；提供地温、地应力及岩爆资料。

具体工作流程为：施工前的资料收集与分析→地质调查→工程钻探（采样测试）→地球物理测井、地温及地应力测量→抽水试验→对场地进行综合评价。

2.2 勘察工作布置及成果

2.2.1 钻探工程

本次勘察设计在竖井中心布置1 个勘察孔，但由于场地限制，该勘察孔向西南方向偏移约16m（满足规范及设计任务书要求偏离钻孔中心不大于25m 的要求），通过实测获取孔口坐标及高程。根据井筒底标高为+210m 确定勘察孔底标高为+200m，即钻孔深度不小于1045m；要求钻孔施工全孔取芯，终孔口径不小于φ98mm，后续进行扩孔开展抽水试验，扩孔后口径不小于φ110mm，且满足抽水试验工艺及设备要求[4]。钻孔布置详见图1。

图1 钻孔施工位置图Fig.1 Location map of drilling construction

通过钻探工程，详细查明了竖井范围内的地层厚度、岩土结构、地质构造、岩溶裂隙、静止水位等情况，为后续工作提供了基础依据。

2.2.2 采样测试

本次工作从孔口至孔底采取不同深度代表性物理力学实验样48 组/240 件（单件长度0.2 米），其中白云岩30 组，同生角砾状白云岩18 组。主要测试项目：饱和单轴压强度、块体密度、岩块波速、内摩擦角、泊松比、弹性模量、弹性抗力系数等（表2），并单独取岩样做硬度（f）试验。

表2 岩石主要参数统计表Table 2 Statistical table of main parameters of rock

通过以上采样测试工作，详细查明了竖井各岩组的物理力学参数，结合钻探水文地质编录，为竖井围岩类别综合评定及等级划分提供了参数，为竖井支护设计及后期堆渣场的规模提供了相应依据[5]。另外，本次工作抽水试验时最后一个降深取两件水样做水质全分析[6]。分析成果为：地下水类型为HCO3-Ca·Mg 型硬水，地下水水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿交替条件下具微腐蚀性，在长期浸水条件下具微腐蚀性。

2.2.3 地球物理测井

本次测井项目为三侧向电阻率、人工盐化电阻率、自然电位、自然伽玛、伽玛-伽玛、井斜等测井。本次地球物理测井工作，通过物性分析划分了竖井地层、岩性、构造破碎带；通过水文地质分析，划分含水层出水点位置（人工盐化测井曲线解译的地层中含水层的出水点位置见图2）；通过配套资料处理系统软件，对采集到的数据进行处理计算，利用多种参数对全孔进行综合分析，做出测井剖面解释，编制“全孔解释成果图”。

图2 井含水层曲线图Fig.2 Curve diagram of aquifer of the well

2.2.4 地温及地应力测量

井温是采矿环境及竖井施工环境的重要指标，是工程设计重要参数，本次按20m/次间距测量井温，孔底温度为26.5℃，井温偏低，结合周围矿山井巷开采温度，建议井底温度按37℃，为Ⅰ级热害。

地应力是工程岩体稳定性分析及工程设计的重要参数，为了解本次竖井施工的围岩稳定性以及分析岩爆的可能性，本次勘察进行地应力测试及岩爆分析.主要采用交叉偶极子阵列声波方法进行测量[7]。地应力及井温参数如表3 所示。

表3 其它参数统计表Table 3 Statistical table of other parameters

2.2.5 抽水试验

抽水试验的目的是查明地下水类型、含水层含水性、水质等指标参数，继而预测井筒内的涌水量、涌水的水质分析与评价（水对混凝土钢材腐蚀性）。本文工程抽水试验场地为单一含水层，进行一层次三降深的稳定流抽水试验，并在抽水试验最后一个降深采取水样。抽水试验相关曲线见图3。

图3 Q-f（S）、q-f（S）曲线图Fig.3 Q-f（S）、q-f（S）curve graphs

通过抽水试验计算，建议渗透系数取值0.01864（表4）。

表4 抽水试验计算统计表Table 4 Statistical table of pumping test calculation

2.2.6 竖井涌水量预测

施工场地域岩层产状倾角大于80°，计算模型时按垂直岩层考虑合理。通过钻孔岩芯水文地质编录结果及测井数据成果，白云岩在纵向上除+200m 高程以内见较大溶洞外，其余主要是细小溶孔和溶隙，岩溶程度（富水性）随深度减弱，在+200m 高程以下，富水性很弱，可视为相对隔水层，仅弹性释水。建立计算模型时，将灯影组岩溶含水层合理的视为有限厚度的含水层；相关参数均为本次抽水试验取得，数值合理可信[8]。对带状含水层两条平行边界的处理，采用映射原理，最终按均质无限含水层潜水完整井稳定流计算[9]。

通过对三次不同分段结算结果分析可知，深度越深，渗透系数值越小，渗透系数也位于0.01864～0.03583m/d，涌水量值也位于1843.96～5270.42 m3/d，变化较大。

最终按均质无限含水层潜水完整井稳定流计算，最终建议竖井施工至+585.5m 标高，竖井涌水量取值1843.96m3/d；竖井施工至+346.85m 标高，竖井涌水量取值2537.05m3/d；竖井施工至+200m 标高，竖井涌水量取平均值4404.92m3/d。

3 磷矿山竖井施工注意事项及防治措施

3.1 防止水注意事项及防治措施

通过以上水文地质勘察工作，查明本次勘探区位于条带状地下水系统之中，与竖井充水有关的含水岩组为灯影组白云岩岩溶含水层，但富水性以+210m 标高为界，上部富水性强为主要充水层，下部为富水性弱为弹性释水层；+210m 标高上下含水层地下水的补给、径流和排泄等特征差异较大，可根据实际情况制定有针对性的防治策略。具体如下：

（1）根据前期探查结果获知的富水区域导水通道的位置（+200m 标高以上），并结合力学原理和岩层厚度的基本规律进行性能测试。通过测试分析，将短时间内水压无法下降的区域定为堵水段，在确定堵水段后，可以在水害事故发生前就开展堵水工作，从源头上消除水害隐患。对于较浅的岩层，在进行开采时需要事先布设全面的排水设施，在回采作业面旁挖出截水巷，将上部水拦腰截断，有效改善竖井的涌水现象。这样不仅可以减小回采面的承载压力，还能在排水上节约成本，减轻排水压力[10]。

（2）本勘察区地势较高且无地表水体通过，含水层富水性整体较弱，可不做疏水工作。但若勘察区地势低洼且有地表水体通过，区域富水性强的情况，建议为了减少地表水的水量和汇水面积，要对地表水区域加大疏水力度，避免地表水向竖井地下作业面区域持续下渗。竖井作业前，就要先在富水区钻设多个疏水孔，经过长时间的疏排完成疏水工作，从而对承压水头实施降压操作。

（3）根据测井曲线分析，竖井建设可能遇到少量不了解具体情况的出水点（深度410m位置），对于此类出水点突水位置，就要合理应用探放水手段。在区域内布设探水孔，获得区域内积水量、积水范围、水压等相关信息，最后通过探测得到的信息有针对性地制定排水方案[11]。

（4）根据涌水量分段预测结果，建议竖井设计中，科学合理地选择抽排水位置，并配置与之对应的抽排水设备。

综上，竖井施工当井筒穿过含水地层时，必须坚持“有疑必探，先探后掘”的原则，其次为提高工程质量，确保施工安全，改善作业环境，对井筒施工中可能出现的涌水，实施“封、堵、截、导”等综合治水措施，为实施打“干井”创造条件。具体措施根据实际涌水情况另行上报专门治水方案。

3.2 其它注意事项及防治措施

由于井筒较深，受到地质构造的影响，工程地质条件复杂。井筒施工将遇到破碎带或不良岩层。应在冻结段施工末期，提前认真研究钻孔地质报告，找出断层、破碎带及不良岩层所处位置，并针对不同的情况预先制定防治措施。具体内容如下：

首先，采用短掘短砌、多打眼少装药、多次多段位起爆的方式，尽可能提高光面爆破指标，尽量减小开挖爆破对围岩的扰动影响，以此来保障围岩完整性和稳定性，充分利用其自身的抵抗能力；

其次，采用管缝锚杆及时喷浆挂网支护，掘进开挖后立即进行第一层锚杆喷射混凝土支护，充分体现喷射混凝土的密贴性，封闭围岩裂隙和防止围岩松动，提高围岩自承能力，并利用喷锚网支护释放地应力，让围岩适当变形放压；

最后，当井筒变形稳定时，迅速进行第二层钢筋混凝土支护，增加支护强度，保证结构安全稳定，以此对竖井施工断层、破碎带采取有针对性的处理措施。

4 结束语

综上所述，目前浅部资源开发利用已经较深，加之受到复杂地质环境及更高环保要求的制约，矿山逐渐由露天向地下、浅部向深部开采，竖井将越来越重要。但竖井施工面临较多挑战，而先进的地质测量技术和科学的地质勘察能够为竖井施工提供科学的参考依据，对于保障矿产开采质量具有重要意义。在矿山竖井施工前工作人员要加强对水文地质、工程地质条件的全面勘察，全面分析引发事故的具体因素。根据水害、不良地质作用特点，结合对其来源、贮存方式等方面的综合分析，提出针对性防治方案，开展具体的矿山竖井水害、不良地质防治工作，并在此过程中加强监督管理，确保施工安全。此探讨竖井水文、工程地质勘察及竖井施工注意事项及防治措施对矿山竖井勘察与施工提供经验和参考。