龍塘沿鐵礦水文地質研究及防治水措施①

南晉武

（五礦礦業控股有限公司，安徽 合肥230000）

龍塘沿鐵礦位于安徽和縣十四聯圩，聯圩東、西、南三面分別是長江、裕溪河、牛屯河，東側與蕪湖市隔江相距約10 km。礦床賦存于鈉長石英閃長巖與三疊系中統徐家山組灰巖接觸帶上，為接觸交代-熱液鐵礦床，地質儲量共3 355.84 萬噸，平均品位37%左右。主體部位賦存標高－228 ～－338 m，處在地下水位以下，礦床頂板及圍巖為徐家山組灰巖，厚度較大，溶孔、溶蝕裂隙較發育，富水性強，水頭壓力較高，頂底板直接進水，為水文地質條件復雜的巖溶裂隙直接充水礦床（圖1）。該礦于1988 年開始進行地質勘探，2008 年開工建設，2018 年正式投產，采礦方法為充填法。最近十多年來，礦山進行了多次水文地質研究，并采取了近礦體帷幕注漿堵水技術，基本實現了首采段的安全開采［1］。隨著礦山逐步向深部開采，防治水難度逐漸加大，井下突水仍然是困擾該礦山安全生產的一大難題，礦山水文地質情況亟待進一步研究。本文以龍塘沿鐵礦的防治水實踐為例，探討礦山水文地質特征分析方法及防治水對策，為工程實踐提供參考。

1 礦床水文地質條件研究

1.1 礦床水文地質揭露工作

龍塘沿鐵礦目前已建成投產，施工了5 條井筒（主井、副井、措施井、南風井、北風井）、5 條巷道（－220 m、－240 m、－260 m、－280 m、－320 m）、150 多個近礦體帷幕注漿孔及數百個超前探水、探礦孔。施工過程中揭露了以下水文地質情況：

1）井筒掘進：－80～－230 m 處，閃長巖裂隙發育，晶洞、晶孔特別發育，涌水量較大；在－280 ～－335 m，巖石較破碎，裂隙較發育，裂隙導水性相對上部有明顯減弱。

圖1 礦區地層與礦體分布深度示意

2）巷道施工：徐家山組裂隙巖溶含水地層含有大量溶洞，富水性強，在－120 m 南巷發生較大突水，掌子面瞬間涌水量高達1 200 m3／h，并造成淹井事故。

3）探水孔施工：在－120 m 平巷揭露到溶洞或晶洞，單孔涌水量超過100 m3／h，涌水中含有有毒易燃氣體，說明與地表池塘水體水力聯系密切；在－240 m、－320 m 分別揭露一條較寬的蝕變破碎帶，單孔瞬間最大涌水量達到260 m3／h，靜水壓達3 MPa 以上，6 個鉆孔總涌水量超過400 m3／h。

4）探礦孔施工：J9 線～J13 線在－215 ～－300 m 標高礦體接觸帶附近，單孔最大涌水量50～65 m3／h。

1.2 礦床充水因素

通過深入分析探水孔、探礦工施工等揭露的水文地質情況，發現龍塘沿鐵礦礦床的主要充水水源是地表池塘水、第四系孔隙水和三迭系中統徐家山組灰巖含水。對以上3 個充水因素詳細說明如下：

1）地表池塘水。現場施工發現坑下多處涌水中含有有毒易燃氣體，工作面有毒易燃氣體超標，這在沒有煤系地層的金屬礦山是很少見的。研究認為，地表池塘產生的有毒易燃氣體，隨水流沿孔隙、裂隙、溶洞等導水通道帶入坑下，證明地表池塘水可加大礦坑涌水量，并有可能引起突水危害。

2）第四系孔隙水。工程揭露發現井下各中段大多數涌水點含泥沙并呈黃褐色，裂隙、溶洞中也有不同程度的泥沙充填。徐家山組灰巖含水層是礦體的直接頂底板，構成了開采巷道的大部分圍巖。研究認為第四系孔隙水主要通過長期淋濾形成通道與灰巖破碎帶、裂隙帶溝通對灰巖地下水進行補給。

3）三迭系中統徐家山組灰巖含水層以裂隙或溶蝕裂隙為主，對礦坑直接充水。近礦體帷幕注漿設計的注漿量為0.8 t／m，施工中實際注漿量最高0.7 t／m，大部分0.21～0.67 t／m，平均0.22 t／m。研究認為，該含水層巖溶裂隙發育和充填程度不均，不同地段礦坑充水程度也有較大差別。

2 龍塘沿鐵礦防治水實踐

2.1 防治水方法選擇

大水礦山的防治水方法主要有疏干排水和帷幕注漿［2］。①若采取疏干排水為主的防治水方式，需大量排水形成疏干降落漏斗，地下水位下降到安全水頭以下。結果必將破壞當地天然水資源平衡，引起地面沉降或塌陷，減少供水量和惡化環境。②若采取地面帷幕注漿防治水方式，由于含水層分布在礦體四周及頂底板，礦床進水通道多而寬闊，勢必需要采用全封閉帷幕形式，堵水效果難以保證。③若采取近礦體帷幕注漿防治水方式，充填法采礦具備礦體頂板及圍巖不被破壞的先決條件，有相似礦山防治水成功的案例，又能最大限度地保護天然水資源平衡，可有效減少防治水工程和排水費用。基于以上分析，龍塘沿鐵礦最終選用了近礦體帷幕注漿防治水方式。

2.2 龍塘沿鐵礦近礦體帷幕注漿工程實踐

龍塘沿鐵礦從2017 年4 月開始實施井下近礦體帷幕注漿工程，施工選用普通硅酸鹽42.5 號水泥，單液水泥漿濃度按水灰比2 ∶1、1.5 ∶1、1 ∶1和0.8 ∶1等4 個級別配比，漿液消耗量按0.6 ～1.0 t／m 控制，漿液有效擴散半徑按10 m 考慮，注漿終壓根據實際情況控制在10～12.5 MPa。在終值壓力下，注漿段吸漿量小于20～35 L／min，持續30 min 后結束注漿。如涌水量小于0.02 m3／h，則認為合格，否則進行直接堵漏注漿，直至達到要求。至2018 年10 月，J9 ～J13 線范圍內井下近礦體帷幕注漿主體工程基本完成，已達到注漿效果，部分礦房已進入試生產階段。

2.2.1 穿脈探水注漿

穿脈探水注漿的主要作用是查清礦床頂板圍巖水文地質、工程地質特征，減少礦井的涌水量，保證礦山生產安全正常進行，同時為井下近礦體帷幕注漿加密工程打下堅實的基礎。工程實施時，部分地段水文地質條件及礦體邊界較預期發生變化，有些鉆孔施工與礦山生產出現沖突，所以及時對部分鉆孔的開孔位置、方位、傾斜角度及孔深等相關設計參數進行了調整。在－240 m、－260 m、－280 m 水平施工穿脈探水注漿孔61 個，總進尺2 796 m，單孔揭露最大涌水量140 m3／h，最大水壓2.4 MPa。單孔最大單位注入量3 t／m，部分0.26～0.7 t／m，大部分鉆孔注漿量均低于0.1 t／m，平均注入量0.31 t／m，注漿量877 t。實踐結果表明，礦體圍巖裂隙不發育，連通性差，漿液擴散半徑小，可注入性差。

2.2.2 頂板帷幕注漿

在礦房頂板圍巖布置15 m×15 m 網度的注漿孔，通過注漿形成有效厚度不低于30 m 的近礦體注漿蓋層帷幕，實現了礦體的安全開采。在礦體頂部－220 m、－240 m 水平施工帷幕頂板注漿孔41 個，總進尺2 345 m，單孔揭露最大涌水量72 m3／h，最大水壓2.4 MPa。單孔最大單位注入量0.32 t／m，大部分鉆孔注漿量在0.12 t／m 左右，部分低于0.05 t／m，平均注入量0.11 t／m，注漿量260 t。通過對實踐結果進行分析，認為前期穿脈探水注漿已對部分圍巖裂隙進行了有效封堵，頂板圍巖可注入性進一步降低。

2.2.3 加密注漿及檢查孔注漿

根據帷幕注漿前期工程及巷道掘進揭露情況，分析認為：4-11 采場頂板圍巖及其附近礦巖接觸破碎帶、4-1 溜井附近頂板圍巖等存在注漿薄弱區；J9 ～J11線間礦體頂板附近存在探水盲區（圖2）。為此，進行了針對性加密鉆孔注漿，以便最終形成沒有薄弱地帶的注漿帷幕。在－220 m、－240 m、－280 m 水平施工加密注漿鉆孔54 個，累計孔深2 765 m，平均注入量0.059 t／m，注漿量163 t。檢查孔10 個，累計孔深503 m，平均注入量0.037 t／m，注漿量18.5 t。施工中發現：大部分鉆孔為干孔或涌水量很小（小于2 m3／h），少部分鉆孔出現較大涌水，主要集中在4-11 采場附近礦巖接觸帶及4-1 溜井附近圍巖裂隙以及3-2 采場附近圍巖裂隙，各處單孔最大涌水量分別為70、50 和12 m3／h，水壓均小于1.5 MPa。部分鉆孔揭露巖溶裂隙見到水泥結石。實踐結果表明，前期探水注漿和頂板帷幕注漿，對礦床充水的主要通道基本封堵充填，加密注漿孔揭露了注漿薄弱區的含水裂隙和注漿盲區，通過加密封堵，對近礦體帷幕起到補充、完善和檢查的作用。

圖2 坑下－260 m 水平采場布置示意

2.2.4 防治水效果

井下近礦體帷幕注漿的最終目的是在礦體周圍形成一定厚度的注漿防水蓋層［3］。通過上述工程的實施，達到了防治水的效果，現將龍塘沿鐵礦防治水效果說明如下：①從開始的穿脈孔到最后的加密檢查孔，鉆孔涌水量、單位注漿量呈現明顯的由大到小的遞減趨勢，礦床充水通道得到有效封堵。②前期鉆孔涌水水壓在2 ～2.4 MPa 之間，水頭標高接近地表，加密鉆孔涌水水壓最大為1.5 MPa，大部分小于1 MPa。研究認為，近礦體帷幕基本形成，出現帷幕內靜水壓與帷幕外天然靜水壓差。③鉆孔單位平均注漿量0.22 t／m，遠小于設計值0.8 t／m。實際揭露發現，礦巖接觸、構造斷裂破碎帶范圍單位注漿量0.7 t／m，其他的遠小于設計值。分析后可知，圍巖裂隙開度小、連通性差且不均一、漿液擴散半徑小，是鉆孔單位平均注漿量遠低于設計值的主要原因。④開采的3-4、3-12 及4-11 等采場，除4-11 采場靠近4＃穿脈礦巖接觸帶附近頂板有少量淋水外，其余基本沒有滲、淋水現象，頂板穩固性較好，表明近礦體注漿帷幕起到了一定效果。

3 礦井突水防治補充措施

3.1 堵、排水方式相結合

龍塘沿鐵礦礦床圍巖裂隙開度小，連通性差且不均一，漿液擴散半徑小，單位注漿量少，直接影響到近礦體帷幕的有效厚度、強度及堵水效果。部分鉆孔揭露接觸帶、斷裂帶、溶洞等巖溶構造時涌水量大（140 m3／h），水壓高（2.4 MPa），有的直接與地表池塘水溝通（涌水含有毒易燃氣體），坑下的突水風險較高。研究認為，采用堵、排水相結合的方式，在嚴控注漿堵水質量，提高堵水效果的同時，必須加大坑下設防排水能力，及時排出突發性、不確定性因素造成的突水，提高安全生產系數。目前已經完成了J9 ～J13 線范圍內的帷幕注漿工程，實現了－260 m 水平3-4、3-12 及4-11等采場的安全采礦。

3.2 加固采空場頂板帷幕，及時接頂充填

龍塘沿鐵礦礦房頂板一般為灰巖、礦體夾層及礦巖接觸帶，工程地質條件較差，往往是近礦體帷幕的薄弱地帶。采礦過程的爆破擾動和采空后圍巖應力的失衡，可能會引起帷幕的沉降變形或裂隙，誘導帷幕透水，設計采用了不小于6 m 的長錨索支護加固采空場頂板帷幕。在灰巖、閃長巖和礦體相接的三角地帶，出現了巖石破碎、頂板冒落，故設計留置永久礦柱。為避免沉降裂隙誘導突水、減少應力沉降，施工時嚴格控制爆破空間和空場暴露時間，對空場及時充填，并進行注漿接頂。

3.3 超前探水，“逢掘必探、探注結合”

近礦體帷幕相對于地表帷幕、疏干放水等防治水方式，其最大的局限性是后防水，有效帷幕的形成受井巷工程完成限制和礦巖界線準確度影響較大［4］。龍塘沿鐵礦某些井巷施工滯后，部分地段礦巖界線發生較大變化，致使相當部分注漿孔被動調整，影響到帷幕質量和堵水效果。加之礦體圍巖裂隙開度小，連通性弱且不均一，漿液擴散半徑和注漿量遠小于設計值，造成部分注漿堵水薄弱地帶。所以超前探水、“逢掘必探、探注結合”是近礦體帷幕防治水方式的有力補充措施。施工時結合不同地段圍巖性質，適當調整超前探水孔的布置，長探與短探、探水與注漿相結合，超前發現，及時封堵。

3.4 建立完善地下水觀測系統

礦區地下水的動態觀測，在礦山防治水中極為重要。龍塘沿鐵礦地表觀測孔已經破壞，坑下水文觀測站不完善，使得很難掌握地下水動態特征。所以有必要建立完善地下水觀測系統，對地下水位、坑內水壓及礦井涌水量進行持續監測，掌握地下水位動態變化、涌水量變化規律，為防治水方案的制定提供基礎數據。

4 結 語

1）龍塘沿鐵礦礦床的主要充水水源是地表池塘水、第四系孔隙水和三迭系中統徐家山組灰巖水，構造裂隙、礦巖接觸帶是礦床的主要充水通道。

2）實踐結果表明，龍塘沿鐵礦采用近礦體帷幕防治水的方式達到了防治水注漿效果，部分礦房已進入試生產階段，說明該方法適合本礦山實際，可供其他類似礦山工程借鑒。

3）井下近礦體帷幕形成受井巷工程完成限制和礦巖界線準確度、圍巖裂隙連通度影響較大，存在部分堵水薄弱地帶。研究認為，堵排水相結合、加固采空場頂板帷幕并及時接頂充填、超前探水、“逢掘必探、探注結合”、建立觀測系統是近礦體帷幕防治水方式的有力補充措施。