震旦紀巖層礦石開采涌水因素分析與防治對策

周 勇，童陽春，吳勝斌

(化工部長沙設計研究院，湖南長沙 410016)

震旦紀巖層礦石開采涌水因素分析與防治對策

周 勇，童陽春，吳勝斌

(化工部長沙設計研究院，湖南長沙 410016)

礦井涌水是影響宜昌磷礦中深部礦體開采的重要和關鍵因素。重點分析了地層、地質構造以及導水通道等礦井涌水的主要影響因素，并結合實踐經驗提出了勘察、施工及礦山開采方面的一些防治水及減少礦井涌水的措施和思路，給礦井涌水防治工作提供參考。

宜昌磷礦區；中深部開采；涌水因素；防治對策

0 引 言

宜昌地區磷礦的開采深度已逐步進入中深部，隨著開采深度增加，礦床水文地質條件更為復雜、礦井涌水大，突水事故概率逐漸增多，近期建設的宜昌磷礦中深部礦體開采項目中，已經有多個礦山在建設施工中出現了突水淹井事故。礦井涌水量過大會增加井巷施工難度與投資，增加排水設施費用及生產成本，排水費用達到礦山開采直接成本的三分之一或更高，造成建設投資較大增加、建設工期較大延長，嚴重影響礦山的正常安全生產，嚴重影響礦山開采的經濟效益。因此采取綜合措施進行有效防治水、避免水災事故、降低排水費用是宜昌磷礦中深部礦體開采迫切需要研究解決的重大問題。

1 礦井涌水主要影響因素

中深部礦體一般礦層上部有隔水巖層，由于開采礦層厚度有限，開采引起的導水裂隙帶影響高度不會到達地面或寒武系底部隔水巖層。礦區地形陡峻，有利于降雨以地表徑流形式排泄，地表水體或降雨量對礦井涌水量影響相對較小，因此地表水不是宜昌磷礦中深部礦山涌水的主要影響因素?，F以宜昌磷礦的生產實踐經驗為依據，對影響宜昌磷礦礦井涌水的主要因素進行分析。

1.1 地 層

宜昌磷礦為沉積型礦床，主要礦層賦存在震旦系下統陡山沱組中下部，含礦巖系主要為白云巖組，上覆震旦系上統燈影組和寒武系等巖層，底板為南華系南沱組和前震旦系崆嶺群等巖層[1]。礦層和底板可看作為隔水層或相對隔水層，礦層直接頂板(白云巖)為巖溶裂隙水含水層，其厚度一般為30～60 m，其上為陡山沱組第四段相對隔水層，其厚度一般為20～30 m，相對隔水層之上為震旦系上統燈影組巨厚巖溶裂隙含水層，其厚度一般為350～450 m，燈影組上部為寒武系下統石牌組和水井沱組隔水層，其厚度一般為100～120 m，該隔水層具有良好隔水性，可看作是礦床上部的隔水邊界，隔斷其上巨厚寒武系巖溶裂隙水含水層。代表性礦段綜合地層情況見表1。

對礦井涌水量影響較大的地層主要為燈影組巖層，尤其是其上段和中段地層，目前井巷施工出現突水淹井事故主要在上段地層中，該層水文特性主要體現在：巖層整體上富水性弱～中等，但裂隙、溶蝕較發育，且發育不規則小溶孔或小溶洞；含水巖層巨厚且分布面積極大(許多礦段沒有隔水邊界)，若遇巖溶裂隙導水通道，則涌水量急增，易發生巖溶突水事故，如某礦井斜井施工遇突水時，涌水量達2000 m3/h或以上，且疏干難度大、時間長；地下水承壓且壓力較大，一般可達3～4 MPa。這些特性導致查明地層水文地質條件復雜，防堵水難度大。

1.2 地質構造

地質構造中對涌水量影響較大的主要是斷層、裂隙、溶孔、溶洞等，尤其是張性斷層，它們可穿透隔水層、導通含水層，形成導水通道。這需要在地質勘查階段采取必要的措施盡量查明，井巷工程布置盡量避開或隔離這些構造發育區段，當施工或生產靠近這些構造區段時，應采取充分的預防措施。

1.3 人為活動形成的導水通道

(1)鉆孔。地質勘查需施工鉆孔，鉆孔一旦穿透礦層頂板含水層，就會形成通達礦層的導水通道。

由于鉆孔深度較大、地下水承壓較大及人為不重視等原因，存在鉆孔封孔質量不高甚至沒封孔等現象。若按完全不封孔考慮，則估算通過一個鉆孔的涌水量約為 1000 m3/d，這會造成嚴重的井下涌水隱患[2]。

(2)頂板井巷。礦層深埋地下，主要開拓井巷工程必須穿越頂板巨厚含水層才能到達礦層。當井巷涌水量不致影響到施工時，一般主要采取抽水措施而沒有采取嚴格的堵水措施，致使穿越頂板的井巷涌水量較大，在部分礦山通過頂板井巷的涌水量估算可高達礦坑總水量的一半左右。

(3)跨越導水構造的井巷。當礦區構造較發育時，井巷工程避免不了要穿越部分導水構造，若預防措施不當或不及時，可能較大的增加礦井涌水量，甚至造成突水事故。

(4)開采引起的導水裂隙。礦層上部陡山沱組第四段為相對隔水層，厚度一般為20～30 m，與礦層的垂距一般在60 m以內，若采用空場法，允許頂板垮落，按采高4m、導水裂隙帶發育高度25～30倍采高估算，則導水裂隙完全可能穿過陡山沱組第四段隔水層與上部燈影組含水層溝通。按地層水文地質條件(參數)，若開采引起的導水裂隙連通了燈影組含水層，設計估算礦井涌水量中頂板涌水量(不含井筒涌水)約增加2.5～3倍，由此可知，增加的井下涌水量相當大。

中深部礦井涌水主要影響因素見圖1。

表1 宜昌磷礦某礦段綜合地層

圖1 礦井涌水主要影響因素

2 涌水量預測

地下水在天然條件下的運動規律取決于含水層的性質、含水層的空隙、裂隙程度以及地形、地貌條件。根據現階段的研究，地下水在巖層中的運動，有3種性質不同的滲透規律：層流滲透，紊流滲透及混

合流滲透。

根據這些分類我國用于預測礦坑涌水量的方法很多，例如地下水穩定井流解析法，水文地質比擬法(單位涌水量法)，Q-s曲線外推法(包括無時間變量的相關分析法)，穩定流分段法(塊段法)，單位靜儲量法和水均衡法等等[3]。

以上方法大致可以劃分為解析法和數值法兩大類。上述預測方法差不多都是以裘布依穩定井流理論為基礎，裘布依穩定井流方程(承壓)：

式中：Q——抽水井流量，m3/d；

K——含水層滲透系數，m/d；

M——含水層厚度，m；

sw——抽水井中水頭降深，m；

R——圓柱形含水層的半徑，m；

rw——抽水井半徑，m。

裘布依在建立方程時，是針對圓形定水頭外邊界條件的，這種圓形定水頭外邊界條件在自然界很少見。后來引入了“影響半徑”概念，衍生出了很多公式，一般可以地質報告提供的礦區涌水量作為參考，并考慮礦區周邊礦山開采情況，并根據周邊礦山涌水量及其梯度關系，綜合計算考慮[4]。

3 主要對策措施

礦山防治水措施是多方面的，綜合起來可概括為“防、堵、疏、排、截”5種?！胺馈敝饕负侠砹粼O各類防隔水礦(巖)柱；“堵”主要指注漿封堵具有突水威脅的含水層；“疏”主要指探放老空水和對承壓含水層進行疏水降壓；“排”主要指完善礦井排水系統；“截”主要指加強地表水的截流治理。對于礦井涌水而言，抽(排)水措施、地表防治水措施等肯定是必要的，由于單個礦段或礦區一般不構成獨立的水文地質單元，即在平面上沒有嚴格的隔水邊界，單個礦山一般不具有注漿帷幕防治水條件，因此常規防治水及區域防治水等內容不作敘述，本文僅針對宜昌磷礦中深部礦體開采條件和目前沒太引起重視的方面提出一些措施和思路，目的是有效減少井下涌水量、降低排水費用及避免水災事故。

3.1 地質勘查

宜昌磷礦原多是平硐或淺部開采，井下涌水量對開采的影響相對較小，水文地質條件的勘查手段較簡單、工作也不夠深入，這使得估算井下涌水量和有效采取防治水措施缺乏充分的依據，但對中深部礦山開采，井下涌水量成為重要和關鍵的影響因素，因此必須加強勘查工作，尤其是需要查明礦區的水文地質條件和參數，為礦山設計、施工、生產提供較充分的依據。

(1)加大勘查投入。宜昌磷礦中深部礦床水文地質條件較復雜、井下涌水量較大，應嚴格按相應的勘查規范進行水文地質勘查工作，目前仍存在急功近利、工作不深入的現象，給設計與生產帶來較大風險與隱患，應加大勘查人、財、物和試驗研究的投入，綜合運用多種勘查手段和方法，提供較準確的水文地質條件和參數。

(2)嚴格鉆孔封堵?？辈殂@孔穿過頂板巨厚含水層，每個鉆孔都是一個導水通道，大量的鉆孔有可能形成一個導水網絡，目前存在鉆孔封堵質量不高或不封孔現象，這是一個嚴重的隱患，將會較大的增加井下涌水量，必須嚴格對鉆孔進行封堵并保留記錄備查。

3.2 (頂板)井巷施工

(1)堅持先探后掘。頂板含水層水文地質特性較復雜，尤其是燈影組含水層，節理裂隙較發育，且發育不規則小溶孔或小溶洞，是突水事故高發地段，地質勘查階段很難完全查明含水層涌水情況，必須是邊掘邊探、有疑必探和先探后掘。

(2)加強注漿帷幕堵水。當井筒穿過含水層可能遇較大涌水時，應先做好注漿帷幕堵水工作，邊注邊掘、先注后掘，切不可冒進。要強調的是，即使井筒已穿過的地段如果涌水量較大，也應及時補做注漿帷幕堵水，避免因涌水引起的不良后果。

(3)做好應急排水預案。因含水層和構造的特殊性、復雜性，較大涌水或突水的情況隨時都有可能會發生，因此必須有應急排水預案和措施，尤其要重視電力供應的保障。

(4)掘進排水與生產排水相結合。當頂板井筒斜長較長或垂高較高時，掘進排水宜采取臨時泵站與相對固定的泵站相結合方式，相對固定泵站又宜與生產排水泵站相結合，作為生產的攔水泵站和接力泵站，避免大量涌水長距離下放，降低總排水費用。

3.3 開采技術措施

開采技術方案必須充分研究礦區水文地質條件特性，在開拓運輸方案(包括井筒布置、井筒類型參

數等)、排水方案及采礦方法等方面均要采取針對性的措施，這需要系統性研究、綜合優化，下面僅結合設計實踐，給出幾點建議。

(1)平硐穿越含水層。根據地層特性，涌水量或突水性較大地層主要為燈影組上段、中段，在有條件時宜盡量采用平硐穿越該地層地段再往深部掘斜井或豎井，一方面較大涌水可實現自流排水，另一方面也可為防堵水施工及應急避災提供有利條件。

(2)適當采取較大的井筒斷面參數。中深部礦山規模一般為大型或特大型，一方面較大井巷斷面參數是生產系統需要，另一方面有較大靈活性和機動性，有利于應急、搶險和應對調整變化的需要。

(3)適當抬高井筒見礦標高。宜昌磷礦一般為緩傾斜礦體，傾斜長度大，而地面山高坡陡，坑口選擇受地形條件制約，適合開井口的位置一般為河(溪)岸，中深部礦床較適宜的開拓方式為斜井。適當抬高井筒見礦標高，一般有利于減少礦石綜合提升高度和排水綜合揚程，相應降低提升和排水費用；有利于早形成生產系統和生產能力；因可放緩斜井角度，有利于井筒采取快速掘進工藝技術、縮短基建時間；因可布置在隔水巖層中，有利于井筒往深部延深。

(4)采取多級接力泵站并適當抬高一級泵站標高。礦床埋藏較深、傾斜延深垂高較大、礦坑涌水量較大，采取多級接力泵站排水方式并適當抬高一級泵站標高，抽排水與攔截水相結合，有利于設備選擇、降低綜合揚程和總排水費用。

(5)留設導水構造隔離保安礦柱。導水構造可穿透隔水層、連通頂板巨厚含水層，開采臨近或井巷穿越導水構造，一旦措施不當很可能形成大規模導水通道，急劇增加井下涌水量或造成突水事故，因此導水構造兩側均須留設隔離保安礦柱，礦柱寬度一般不宜小于20～30 m，若井巷必須穿越導水構造，則必須嚴格做好注漿帷幕堵水措施。

(6)應用充填采礦技術。宜昌磷礦根據開采技術條件，現一般采用房柱空場法。如繼續沿用空場法、允許頂板垮落，礦坑涌水量會成倍增加，因此無論是從開采技術發展趨勢，還是從礦井防治水角度，都應該采用充填技術[5]，需加快充填試驗研究工作，采礦方法調整為嗣后充填房柱法。

礦井涌水對策措施見圖2。

圖2 礦井涌水對策措施

4 結束語

宜昌磷礦是我國較早進入中深部開采的磷礦區，但進入時間較短，積累的經驗不多，對水文地質條件的特殊性、防治水重要性等方面的認識還有待提高。近期多個礦山井巷施工出現的突水淹井事故，給了我們深刻教訓、同時也敲響了警鐘。礦井涌水防治需要勘查、研究、設計、建設等單位聯合進行綜合研究，在勘查、設計、建設、生產各環節中采取針對性和綜合性措施，來確保安全、高效開采。筆者所在設計院承擔了宜昌磷礦較多項目的設計工作，結合設計實踐經驗，對礦井涌水主要因素進行初步分析，并提出一些具體對策、措施和思路，希望能給宜昌磷礦中深部礦體開采防治水工作提供參考，同時希望能起到拋磚引玉的作用。

[1] 劉明忠.宜昌市礦產資源[M].武漢：中國地質大學出版社，2012.

[2] 李雪峰.井下涌水鉆孔封堵工藝[A].2006年全國金屬礦山地質與測量學術研討與技術交流會[C]，2010.[3] 孫連發.礦坑涌水量計算方法研究[M].武漢：武漢地質學院出版社，1983.

[4] 李式锜.在某些礦區井巷涌水量計算中如何利用地下水動力學公式[J].水文地質工程地質，1957(11).

[5] 張傳信.綠色開采技術在金屬礦山開采中的應用[A].中國礦業科技文匯[C].2015.

2016-06-17)