司家營鐵礦南區水文地質問題及解決對策

邢翔宇　宋愛東　陳彥亭

(河北鋼鐵集團礦山設計有限公司)

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司家營鐵礦南區水文地質問題及解決對策

邢翔宇宋愛東陳彥亭

(河北鋼鐵集團礦山設計有限公司)

摘要分析了司家營鐵礦南區水文地質條件，重點闡述了該區含(隔)水層特征、斷層破碎帶水文地質特征、礦床充水因素。總結了該礦區當前面臨的主要水文地質問題，提出了確定合理的礦坑安全頂板厚度、過斷層破碎帶綜合防治水技術、未封堵老鉆孔處理方案、礦坑頂板監測體系等對策，為礦山開展水文地質工作指明了方向，為確保礦山安全開采提供參考。

關鍵詞水文地質條件對策安全頂板斷層破碎帶防治水

大水金屬礦床是指水文地質條件復雜，礦坑涌水量每日數萬立方米以上的礦床[1-3]，我國存在著大量該類礦床。該類礦山在開發過程中受水文地質條件影響大，水文地質問題突出，在礦山基建及生產過程中易發生突水事故，突然增加的涌水對巖石穩定性的擾動較大。由于大水礦山的水害發生突然、出水量大、破壞性強，一旦發生，常帶來嚴重的人身傷亡及財產損失，對礦山的安全生產造成了嚴重威脅。因此，通過深入分析礦區水文地質條件，研究其中的水文地質問題，有效解決礦山基建及生產中的防治水難題，可對大水礦山的安全開采起到保駕護航的作用。司家營鐵礦南區礦體埋藏較深，水文地質條件復雜，上覆厚大第四系含水層，屬超大規模低品位、復雜大水礦床。該礦區進行了大量的水文地質、工程地質勘探工作，為分析礦區水文地質條件、礦山基建及開采情況提供了參考資料。本研究以該礦區為例，對區內水文地質問題進行詳細分析，并對相應的解決措施進行探討。

1礦區水文地質條件

1.1礦區含(隔)水層

根據礦區含水層結構、構造特征、巖性差異、風化程度及透水性強弱，自上而下將礦區含水層分為第四系松散巖孔隙水含水層(組)，基巖風化裂隙水含水層(組)、基巖構造裂隙水含水層(帶)等3個含水層(組)。

(1)第四系松散巖孔隙水含水層(組)。該含水層(組)透水性強、富水性好，可劃分為上部強含水層、中部主隔層、下部中等含水層、底部相對隔水層。上部強含水層主要分布于一級階地，厚50～60 m，以砂礫卵石為主，結構松散，滲透系數300～680 m/d，分布廣、厚度大、透水性強、水量豐富。中部主隔層一般厚5～8 m，最大15 m，除部分缺失外，全區均有分布，層位較穩定，巖性主要為淤泥質、粉質黏土和淤泥質粉土，其次為粉質黏土和粉土，為第四系主隔水層。下部中等含水層位于中部主隔層之下，分布尚穩定，透水性很不均一，上帶以中—粗砂、中—細砂為主，厚10～30 m，滲透系數38～50 m/d，最大140 m/d；下帶以粉—細砂、含角礫砂土、弱膠結砂土為主，一般厚20～30 m，滲數系數8.84～52.10 m/d，弱膠結砂土滲數系數0.04～2.09 m/d。底部相對隔水層基巖面之上巖性以砂質黏土、含角礫碎石質黏土、粉質黏土、淤泥質黏土、黏土、粉土為主，厚0～93.00 m，平均12.94 m，滲透系數平均9.40×10-5m/d，分布極不均一，連續性差，局部缺失形成“天窗”，“天窗”的存在加強了第四系水與基巖裂隙水的水力聯系。

(2)基巖風化裂隙水含水層(組)。該含水層(組)可劃分為強風化帶和弱風化帶。強風化帶直接與第四系接觸，底板埋深64.89～271.57 m，厚度4.03～62.04 m，結構松散，呈塊狀、碎塊狀、碎屑狀，風化裂隙多被泥質、鈣質、砂質連續充填，透水性、富水性差，滲透系數0.000 4～0.094 m/d。弱風化帶位于強風化帶底板以下，由中等風化巖石組成，底板埋深68.99～286.57 m，厚3.00～56.42 m，結構以塊狀為主，巖石節理裂隙面大多具泥質、鈣質薄膜充填，裂隙發育，透水性、富水性主要受控于礦區斷裂構造。構造不發育地段，滲透系數0.037 7～0.280 8 m/d；構造發育地段，透水性、富水性較強，滲透系數0.373 7～0.653 4 m/d，最大22.42 m/d，弱風化帶為風化裂隙水的主要賦存部位。

(3)基巖構造裂隙水含水層(帶)。該含水層(組)由斷層及其影響帶構成，包括破碎帶、蝕變帶、裂隙帶，其平面分布及垂向延伸嚴格受斷層控制。構造裂隙水含水層空間分布及其透水性、富水性極不均一，一般是斷層帶附近厚度大，巖石極度破碎，泥化現像明顯，含水較弱，滲透系數平均0.049 m/d。斷層影響帶巖石破碎程度降低，破碎帶厚度減小，并以各類充填程度較低的構造裂隙帶為主，含水較強，特別是多條斷層組成的復合影響帶透水性、富水性普遍較好，滲透系數平均0.55 m/d。

1.2斷層水文地質特征

礦區主要斷層有6條，即F9、F10、F11、F12、F13、新河斷裂，平面上沿斷裂構造走向呈帶狀分布于南礦段、大賈莊礦段范圍內，在垂向上變化規律復雜，主干斷層向上近對稱分支，顯示基巖淺部破碎范圍大，深部變窄。斷層水文地質特征表現在斷層自身含水微弱，斷層影響帶含水相對豐富，滲透系數為斷層帶的10～23倍。礦區斷層特征見表1。

表1　礦區斷層特征

1.3礦床充因素

地下水是礦床充水的主要水源[4]，礦區各斷層相互影響，互相溝通，在南礦段與大賈莊礦段間形成近南北展布、北寬南窄、上寬下窄的構造裂隙含水帶，開采條件下成為地下的水運移通道，是礦床充水的主要影響因素之一。礦床開采初期，以黏性土壓密釋水為主，后期轉化為第四系的越流，礦坑用水量的大小取決于第四系底部黏土、強風化帶的空間分布及其壓密后的透水性。

2礦區水文地質問題

2.1第四系厚大且無穩定隔水層

礦區上部大面積分布著第四系孔隙含水層，厚100～200 m，滲透性強，且第四系含水層與地表灤河、新灤河、沂河等水力聯系密切，且直接接受大氣降水補給，補給水源豐富。雖然第四系地層中分布有起隔水作用的黏質砂土、黏土層，但其形成的隔水層厚度變化大，有效隔水厚度較小(表2)，且存在著大面積“天窗”。第四系含水層若直接補給基巖含水層，將對礦山基建及生產帶來巨大的安全隱患。

表2　第四系隔水層主要特征

2.2斷層破碎帶分布集中且含水較豐富

礦區斷層集中分布于大賈莊礦段的大N2#～大20#線，斷層互為影響，礦體和圍巖均遭受不同程度的擠壓和拉張破壞，在該地段形成了較大范圍的斷層復合影響帶。斷層破碎帶附近巖石破碎，富水性中—強，透水性亦較強，斷層附近風化作用與構造作用相互疊加，基巖風化裂隙含水層與構造裂隙水含水帶水力聯系較密切。在天然條件下，該地帶各斷層關聯性較強，互為溝通，基巖地下水壓力傳導快。在采礦生產條件下，受采掘、爆破擾動，該地帶極易發生巖石片落、出水等現象，進一步增強了斷層破碎帶的導水性。

2.3未封堵老鉆孔的突水隱患

20世紀70年代施工的鉆孔基于當時的露天開采方案，部分鉆孔未進行封孔，大部分鉆孔采用黏土球封孔，封孔質量差，井下開采時，該類老地質鉆孔將加強第四系水與采礦坑的水力聯系，是礦坑突水的重大隱患。據本研究統計，礦區有ZK262、ZK251、ZK19、ZK386、ZK2、ZK1、ZK314B鉆孔未封孔，另外有GD115、CK23、ZK314A、CK5、CK14、CK11鉆孔封孔情況不明。因此，礦區未封閉的鉆孔至少在7個以上，另外，對于使用泥球、黃土和稠泥漿封孔的鉆孔來講，其封孔質量差，存在一定的安全隱患。因此，對于20世紀70年代施工的鉆孔應采取有效措施進行治理。

2.4新構造運動對礦坑頂板的影響

礦區位于唐山—河間地震帶之唐山地震帶，灤縣及周邊地區新構造運動活躍，礦區最近一次地震發生于2015年9月14日18時10分，說明區內新構造運動仍在繼續。在地震作用下，頂板內會產生新生裂隙，新生裂隙將逐步向強風化帶內部發展，并延伸至第四系底部黏土層，將導致第四系水沿新生裂隙滲入礦坑，從而改變地下水滲流場，地下水滲流場的變化將引起巖體應力場的重新調整，新生裂隙進一步發展，礦坑安全頂板基巖滲透性進一步增加，如此惡性循環，可造成礦坑頂板的局部失穩破壞，喪失保護功能。

3解決對策

3.1確定合理的防水安全頂板厚度

由于礦區第四系水量豐富，隔水層局部缺失，且強風化帶與第四系底部的黏性土力學強度低，無自穩能力，其阻水效果主要依靠其下部一定厚度的礦坑安全頂板保護來實現。通過綜合分析第四系與強風帶的水文地質條件，結合FLAC3D軟件在水巖耦合條件下的數值模擬結果，確定了礦區安全頂板厚度，經反復驗算，在頂板斷層破碎帶加固至與圍巖強度基本一致的前提下，弱風化底板之下預留的安全頂板厚度為S38#線及大22#線以北51 m，S38#線及大22#線以南56 m。

3.2斷層破碎帶綜合防治水技術

首先查清斷層破碎帶的具體位置、厚度、富水性等情況；然后通過優化設計，使關鍵井巷、硐室盡可能避開破碎帶位置，對于無法規避的位置，采用工作面注漿與地表預注漿等手段對破碎帶進行加固處理；最后在掘進過程中進行有效支護，防止坍塌。

綜合超前地質預報技術，即物探與鉆探相結合的地質探測預報技術[5-6]，該技術結合了物探技術的探測距離長、成本低、效率高和傳統鉆探技術精度高的特點，在大水金屬礦山超前探水中已有成功應用。司家營南區采用“TRT6000地質超前預報系統”[6]與鉆探手段相結合的探水技術，當物探手段探明掌子面前方有地質體異常時，用鉆探手段加以驗證，若出水量大，且巖芯破碎，則預留完整巖墻作為止漿墻進行注漿固結處理。

為降低注漿費用、保證施工進度，當關鍵工程需穿過厚大破碎帶時，應通過上述探水手段結合地質資料預判破碎帶發育的規模、位置，通過優化方案盡可能使該工程不通過或少通過破碎帶。司家營南區某礦2#副井平巷在掘進過程中，3個水平均遇到同一較大破碎帶含水層，該含水層曾于2013年3月5日在進行-450 m石門巷掘進時發生突水，最大涌水量達1 080 m3/h，導致2#副井短時被淹。按原設計，-475 m 環形車場將2次穿過該斷層，其中外環線斜穿斷層厚度達71.97 m。經反復優化論證，最終采用了環形車場改道方案(圖1)，節省工期6個月以上，節省投資480余萬元。

圖1　2#副井-475 m水平環形車場變更方案示意

3.3未封堵老鉆孔治理

由于20世紀70年代施工的未封閉老鉆孔均己坍塌，終孔后未留設標志，孔內充泥或充水，且孔斜測量精度不高，因此，難以再對原老鉆孔進行封孔。老鉆孔的封堵方案有：①采用地表預注漿進行封堵；②采用井下工作面注漿進行封堵。考慮到井下工作面注漿需長時間占用工作面，并且需開鑿鉆機硐室，工期及注漿費用均較高，因而采用地表預注漿為主，輔以井下工作面注漿工藝對未封堵老鉆孔進行治理。

采用地表預注漿工藝[7-9]在鉆孔周圍對基巖風化帶與礦坑基巖預留頂板處截斷未封閉鉆孔的導水通道，如圖2所示。根據老鉆孔坐標定準鉆孔位置，在鉆孔周圍呈等三角布置注漿孔，鉆孔間距依據老鉆孔在第四系中的測斜成果確定。單個注漿孔施工至基巖風化帶后，首先在孔底下入偏心楔子，將單個鉆孔分叉成3個孔，使分叉孔向3個方向偏斜，進一步擴大注漿孔控制范圍；然后向3個分叉孔中高壓注入水泥漿，達到封堵老鉆孔的目的。注漿段選擇在基巖風化帶與礦坑頂板，是因為：①基巖淺部裂隙具有一定的連通性，注漿效果好；②鉆孔在該部位偏斜距一般不大，便于布孔；③鉆孔深度小、成本較低。

3.4頂板監測體系構建

受新構造運動及采礦活動擾動的影響，礦區頂板的狀態會發生一系列的動態變化，為及時了解采場頂板狀態，應建立有效的頂板監測體系。采用頂板位移傳感器與巖音監測相結合的方式，對采場頂板的下沉位移情況和巖體破壞的聲頻信號進行監測，目前，該技術手段在國內的金屬礦山已有成功應用。通過長期監測，積累監測數據，分析頂板位移規律、巖體破壞聲發射頻率的變化規律，可為預判頂板狀態提供依據。同時，對于巖體較破碎、裂隙發育的頂板，雖然經過注漿等手段進行了加固，仍應采用物探手段定期檢查其內部富水情況，以防因巖體內部裂隙的再次張開或產生新的導水裂隙而造成頂板失穩、透水。

圖2　礦區老鉆孔治理示意

4結語

以司家營鐵礦南區為例，詳細分析了區內存在的水文地質問題，并給出了相應的解決方案，對于該礦山水害防治、頂板管理有一定的參考價值。

參考文獻

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Hydrogeological Problems and Solution Countermeasures in the Southern Area of Sijiaying Iron Mine

Xing XiangyuSong AidongChen Yanting

(Hebei Iron and Steel Group Mining Design Co.,Ltd.)

AbstractThe hydrogeological conditions of the southern area of Sijiaying iron mining area is analyzed,the characteristics of aquifers (aquifuges),hydrogeological characteristics of fault zones,deposit water filling factors are discussed in detail.The hydrogeological problems of the southern area of Sijiaying iron mining area are summarized,the solution countermeasures such as the determination of the reasonable safety roof thickness,comprehensive water control technique of fault zones,treatment scheme of none plugged drillings,monitoring system of the pit roof are proposed.The research results of the paper point out the direction of conducting hydrogeological work in the mining area,besides that,it also provides technical reference for the safety mining of the mining area.

KeywordsHydrogeological conditions, Solution countermeasures, Safety roof, Fault zones,Water control

(收稿日期2015-11-19)

邢翔宇(1988—)，男，助理工程師，063700 河北省唐山市灤縣響嘡鎮。