大型富水礦山水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)及井下涌水位置預(yù)測(cè)

高 超

（河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司）

司家營(yíng)南區(qū)礦山分公司隸屬于河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，有田興鐵礦和大賈莊鐵礦2 座基建礦山，田興鐵礦基建期在豎井開(kāi)拓時(shí)常遇突發(fā)涌水［1-3］，進(jìn)入平巷施工后多遇斷層破碎帶［4-5］，礦區(qū)的富水環(huán)境為后續(xù)基建施工及礦體采切帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。司家營(yíng)南區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告顯示，基巖地下水水位在基建過(guò)程中呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，隔水層間的天窗溝通第四系各含水層，多個(gè)斷層復(fù)合帶處形成了降落漏斗，長(zhǎng)期的基建開(kāi)拓致使司家營(yíng)南區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境比勘測(cè)的水文地質(zhì)報(bào)告更加復(fù)雜。現(xiàn)階段，預(yù)測(cè)巷道涌水位置是司家營(yíng)南區(qū)平巷施工的重點(diǎn)項(xiàng)目。

1 司家營(yíng)南區(qū)礦區(qū)概況

1.1 工程地質(zhì)

司家營(yíng)南區(qū)的田興鐵礦和大賈莊鐵礦各豎井地理位置比較分散，橫跨田疃村、李興莊村、小王莊子等村莊，灤河、新灤河等部分河流都穿越礦區(qū)。田興鐵礦主、副井區(qū)受灤河影響，豎井施工時(shí)基巖段透水現(xiàn)象嚴(yán)重，多次因涌水過(guò)大造成工程延期或中斷。司家營(yíng)南區(qū)礦體穿越多個(gè)斷層，礦體及圍巖裂隙發(fā)育，透水性、富水性較強(qiáng)，礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育。南北向褶皺構(gòu)造為緊密同斜褶皺，東西向褶皺構(gòu)造為舒緩褶皺，斷層構(gòu)造則以F9～F13斷層和新河斷層的壓扭性斷裂構(gòu)造為主。

1.2 水文地質(zhì)

根據(jù)其賦存條件、水動(dòng)力特征、滲透性等因素，將司家營(yíng)南區(qū)區(qū)域含水層劃分為第四系松散巖孔隙水含水層、基巖風(fēng)化裂隙水含水層和基巖構(gòu)造裂隙水含水層3種類型［6］。

第四系松散巖孔隙水含水層在地表廣泛分布，且頂部滲透性強(qiáng)，底部滲透性弱。上部主要由礫石、卵石組成，透水性強(qiáng)，出水量大，與灤河關(guān)系密切；下部由粗中砂和各類砂土組成，滲透性和出水量適中；中部有一層連續(xù)性良好的粉砂黏土層，為極弱透水層，削弱了第四系上含水層與下含水層的水力聯(lián)系，但第四系含水層仍構(gòu)成統(tǒng)一含水體（圖1）。

基巖風(fēng)化裂隙含水層位于第四系底部，連續(xù)性好，含水層厚度比較均勻。該含水層透水性強(qiáng)弱不一、分布不均，富水性空間分布凌亂，為弱透水層；部分弱風(fēng)化帶結(jié)構(gòu)遭到不同程度破壞，使得透水性、富水性增強(qiáng)。弱風(fēng)化帶是風(fēng)化裂隙水的主要賦存部位。

基巖構(gòu)造裂隙含水層主要賦存于斷層及其影響帶內(nèi)，由F9～F13斷層相互作用形成的復(fù)合影響帶構(gòu)成，因F9～F13斷層在垂向上有合攏的趨勢(shì)，多條斷層組成的復(fù)合影響帶在基巖深部寬度變窄，屬中等富水性含水層。

上述各含水層之間存在水力通道，含水層之間相互聯(lián)系，組合成統(tǒng)一的地下含水系統(tǒng)。礦體上覆風(fēng)化帶分布面積大，透水性不強(qiáng)，連續(xù)性較好，很大程度減弱了第四系水與礦床之間的水力聯(lián)系，風(fēng)化帶成為控制第四系水進(jìn)入礦床的關(guān)鍵層位。風(fēng)化帶之上的第四系含水層分布范圍大、厚度大、透水性和富水性強(qiáng)，且與灤河水力聯(lián)系密切，為礦坑水的最終來(lái)源。

2 多孔抽水試驗(yàn)

司家營(yíng)南區(qū)水文地質(zhì)勘查完成了CK01、CK02、CK03、CK04 共4 個(gè)大孔的多孔抽水試驗(yàn)［7］，各抽水大孔均布置在斷層及其影響范圍內(nèi)。每個(gè)抽水主孔附帶10～16個(gè)觀測(cè)孔，共設(shè)監(jiān)測(cè)孔63個(gè)。

2.1 CK01多孔抽水試驗(yàn)

CK01 抽水孔布置在田興鐵礦S30 線南礦段上盤新河斷裂影響帶上，周圍共布設(shè)20個(gè)觀測(cè)孔，抽水試驗(yàn)持續(xù)了72 h。3#主井出水量為175.36 m3/h，靜水位降低45.97 m，主井旁管外孔NK05 靜水位降低4.79 m，主井旁第四系底部觀測(cè)孔QCK07 靜水位降低0.18 m，東部觀測(cè)孔CGK01 靜水位降低1.72 m，南部觀測(cè)孔NK09 靜水位降低3.30 m，北部觀測(cè)孔NK04靜水位降低1.16 m，西部觀測(cè)孔NK08 靜水位降低1.18 m。

2.2 CK02多孔抽水試驗(yàn)

CK02 抽水孔布置在田興鐵礦大賈莊礦段F9～F13斷層帶上，周圍共布設(shè)13個(gè)觀測(cè)孔，抽水試驗(yàn)持續(xù)了72 h。2#主井出水量為27.63 m3/h，靜水位降低23.62 m，主井旁管外孔GK02 靜水位降低4.89 m，主井旁第四系底部觀測(cè)孔QCK02 靜水位降低0.22 m，東北部觀測(cè)孔NK03靜水位降低2.02 m，東南部觀測(cè)孔NK05靜水位降低0.27 m。

2.3 CK03多孔抽水試驗(yàn)

CK03 抽水孔布置在大賈莊鐵礦S54 線南礦段上盤，周圍共布設(shè)14 個(gè)觀測(cè)孔，抽水試驗(yàn)持續(xù)了72 h。1#主井出水量為229.30 m3/h，靜水位降低12.17 m，主井旁管外孔GK03 靜水位降低7.87 m，東南部觀測(cè)孔NK12靜水位降低0.48 m，西南部基巖觀測(cè)孔GK04靜水位降低2.06 m，第四系底部觀測(cè)孔QCK04 靜水位降低0.22 m，北部觀測(cè)孔CGK03靜水位降低0.48 m。

2.4 CK04多孔抽水試驗(yàn)

大賈莊鐵礦大46 線與大42 線大賈莊礦段下盤布置CK04 抽水孔，周圍共布設(shè)16 個(gè)觀測(cè)孔，抽水試驗(yàn)持續(xù)了96 h。1#主井出水量93.80 m3/h，靜水位降低71.03 m，主井旁管外孔GK04 靜水位降低3.04 m，第四系底部觀測(cè)孔QCK04 靜水位降低0.22 m，北部觀測(cè)孔CGK04 靜水位降低2.68 m，西北部觀測(cè)孔NK18靜水位降低2.03 m。

2.5 多孔抽水試驗(yàn)分析

在整個(gè)抽水試驗(yàn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)期間內(nèi)，地下水位均有不同程度的下降，停泵60 h 后每一個(gè)觀測(cè)孔的水位均有回升，這表明多孔抽水試驗(yàn)有廣泛的影響力，基巖地下水位的壓力傳播很遠(yuǎn)，基巖斷層斷裂帶附近的水頭下降更多，構(gòu)造不發(fā)育地段基巖水頭下降少。說(shuō)明礦區(qū)各斷層及構(gòu)造破碎帶相互聯(lián)通，構(gòu)成脈絡(luò)狀的地下導(dǎo)水通道。巷道一旦揭露這些地方，瞬間突水量均較大，極易淹井。

3 司家營(yíng)南區(qū)放水試驗(yàn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)

在進(jìn)行抽水試驗(yàn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)期間，田興鐵礦大賈莊回風(fēng)井-375 m 水平聯(lián)絡(luò)道76.0 m 處掌子面發(fā)生突水，瞬間突水量達(dá)1 000 m3/h 以上，涌水迅速灌滿整個(gè)聯(lián)絡(luò)道，一天內(nèi)漲至豎井靜水位。由于本次巷道排水量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，影響范圍大。利用現(xiàn)有觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)大賈莊回風(fēng)井-375 m 水平巷道進(jìn)行了放水試驗(yàn)觀測(cè)，歷時(shí)近一個(gè)月。

巷道最初排水量為18 000～23 760 m3/d，主要以消耗巷道內(nèi)積水為主，豎井水位急劇下降。4 h后，南礦段西部觀測(cè)孔水位開(kāi)始下降，東側(cè)觀測(cè)孔水位基本未變，排水2 d 后，豎井水位降至-375 m 水平底板，維持巷道正常排水量9 240 m3/d，所有觀測(cè)孔水位均有不同程度下降，其中北部最遠(yuǎn)觀測(cè)孔NK14 水位降深2.46 m，日降幅維持在1.80 m 左右，東北方向最遠(yuǎn)觀測(cè)孔GK02下降2.59 m，日降幅維持在1.07 m左右，東部最遠(yuǎn)觀測(cè)孔水位下降0.21 m，所有觀測(cè)孔水位仍保持下降的趨勢(shì)。

在經(jīng)過(guò)豎井強(qiáng)排水及恢復(fù)平巷排水系統(tǒng)后，涌水量逐漸減小并趨于穩(wěn)定，現(xiàn)階段實(shí)測(cè)涌水量為185 m3/h。該涌水位置發(fā)現(xiàn)一條近南北向的老斷層F15，該斷層后期被巖漿巖侵入充填，形成南北展布、斷續(xù)分布的輝綠巖脈，輝綠巖脈本身堅(jiān)硬完整，但巖脈兩側(cè)存在一定寬度的斷層影響帶，斷層早期活動(dòng)過(guò)程中，離斷層較遠(yuǎn)的巖體亦受到一定程度的擠壓或拉張破壞，在斷層帶兩側(cè)形成一系列規(guī)模較小、斷續(xù)分布的構(gòu)造裂隙帶，輝綠巖侵入充填時(shí)，這些構(gòu)造裂隙充填程度較低，成為基巖裂隙水的主要賦存場(chǎng)所，亦是巷道突水的主要充水通道。

4 司家營(yíng)南區(qū)采區(qū)巷道涌水位置預(yù)測(cè)

在開(kāi)采條件下，第四系水為礦坑充水主要水源，構(gòu)造裂隙帶為礦坑充水主要通道，構(gòu)造裂隙帶之上的第四系底部黏性土與強(qiáng)風(fēng)化帶弱透水層很大程度減弱了第四系水與基巖裂隙水間的水力聯(lián)系，是控制第四系進(jìn)入礦坑的關(guān)健層位。礦坑排水首先消耗基巖地下水靜儲(chǔ)量，隨著采礦的進(jìn)行，基巖地下水降落漏斗不斷擴(kuò)展，第四系與基巖間的水頭差不斷增加，第四系越流補(bǔ)給總量增加，待礦坑排水量等于漏斗范圍內(nèi)的第四系越流量和弱風(fēng)化裂隙含水層側(cè)向補(bǔ)給量時(shí)，即為礦坑正常涌水量。

4.1 采區(qū)巷道涌水位置統(tǒng)計(jì)

在礦區(qū)水文地質(zhì)及抽水試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工中統(tǒng)計(jì)的多中段巷道涌水位置，采取回歸分析的方法對(duì)采區(qū)同一斷層不同巷道涌水點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。以田興鐵礦大賈莊副井3 個(gè)中段的探水注漿參數(shù)資料為基礎(chǔ)，根據(jù)施工中不同巷道中段遇到的斷層破碎帶，統(tǒng)計(jì)分析該斷層延伸走向，利用回歸分析法預(yù)測(cè)-475 m 中段巷道沿脈巷涌水點(diǎn)位置。表1為田興鐵礦大賈莊副井遇到同一斷層時(shí)不同中段的涌水位置統(tǒng)計(jì)。

4.2 采區(qū)巷道涌水位置預(yù)測(cè)

線性回歸分析就是測(cè)量變量之間的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制其相關(guān)關(guān)系散點(diǎn)圖，擬合出變量之間的線性回歸方程。其方程的表達(dá)形式主要為一元線性回歸方程和對(duì)數(shù)線性回歸方程。

線性回歸方程擬合優(yōu)度R2＞0.95時(shí)，說(shuō)明所得到的回歸方程擬合度較好；當(dāng)R2＜0.85 時(shí)，說(shuō)明回歸方程不能表示變量之間的相關(guān)性［8-9］。

4.2.1 一元線性回歸方程

根據(jù)表1中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制散點(diǎn)圖確定一元線性回歸方程，計(jì)算回歸方程的相關(guān)系數(shù)（圖2）。

其一元線性回歸方程為

回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.965 9。將-475 m 水平中段帶入公式（1）中，計(jì)算得涌水點(diǎn)為沿脈巷218.5 m處。

4.2.2 對(duì)數(shù)線性回歸方程

根據(jù)表1中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制散點(diǎn)圖確定對(duì)數(shù)線性回歸方程，計(jì)算回歸方程的相關(guān)系數(shù)（圖3）。

其對(duì)數(shù)線性回歸方程為

回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.987 5。將-475 m 水平中段帶入公式（2）中，計(jì)算得涌水點(diǎn)為沿脈巷219.4 m處。

4.3 線性回歸分析方程的應(yīng)用

根據(jù)回歸分析方程預(yù)測(cè)-475 m 中段沿脈巷涌水位置分別為沿脈巷218.5 m 處和219.4 m 處。為驗(yàn)證回歸分析方程的準(zhǔn)確性，在巷道施工至215 m 處左右預(yù)留注漿巖帽，進(jìn)行巷道探水工作，探水至巖脈巷225 m 處發(fā)現(xiàn)破碎帶涌水位置。回歸分析方程預(yù)測(cè)巷道涌水位置與實(shí)際揭露的破碎帶位置誤差分別為6.5 m 和5.6 m。考慮到實(shí)際探水注漿時(shí)均會(huì)預(yù)留注漿巖帽，其誤差范圍在注漿巖帽厚度范圍內(nèi)，說(shuō)明此次涌水位置預(yù)測(cè)是比較成功的，運(yùn)用回歸分析法進(jìn)行巷道涌水位置預(yù)測(cè)是可行且準(zhǔn)確的。

對(duì)數(shù)線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)大于一元線性回歸方程式，說(shuō)明利用對(duì)數(shù)線性回歸方程預(yù)測(cè)的涌水點(diǎn)位置比利用一元線性回歸方程預(yù)測(cè)的涌水點(diǎn)位置更為準(zhǔn)確些。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭露的破碎帶位置也證實(shí)了這一點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）研究了司家營(yíng)南區(qū)的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，多維度的多孔抽水試驗(yàn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)和巷道放水試驗(yàn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，司家營(yíng)南區(qū)地下水相互導(dǎo)通，第四系水為礦坑充水主要水源，構(gòu)造裂隙帶為礦坑充水主要通道。

（2）依據(jù)各巷道涌水位置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的線性回歸方程相關(guān)系數(shù)較高，方程擬合度較好，根據(jù)回歸方程預(yù)測(cè)的涌水位置與實(shí)際揭露的破碎帶位置誤差較小，其預(yù)測(cè)方程的準(zhǔn)確性得到了證實(shí)。

（3）以礦區(qū)水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)建立“涌水位置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)+涌水位置預(yù)測(cè)方程”的礦山巷道涌水位置預(yù)測(cè)體系尚屬首例，具有深入研究的必要。