馬坑鐵礦控制疏干法治理水害實踐

陳小兵

(福建馬坑礦業股份有限公司， 福建 龍巖市 364021)

0 引言

巖溶大水礦山一般存在于水文地質條件復雜地區，在礦山開采的過程中普遍伴隨著涌水量大、開采難度高、排水費用高、地面塌陷、地下水資源枯竭及地下水環境破壞等方面的問題[1]，更有甚者會發生突水淹井事故。因此，治理礦山水害成為了大水礦山采礦的頭等大事，需要采用科學的、行之有效的防治水技術措施[2]，以此為礦山的安全生產提供技術保障。傳統疏干技術存在著工程量大、周期長、成本高及易引發地面塌陷等環境問題。控制疏干法作為傳統疏干技術的一大發展，通過控制礦坑內水位降落漏斗形狀，可達到預防突水淹井、降低排水費用、保護地下水資源等目的[3]。

馬坑鐵礦計劃完成新增500萬t/a采選工程的基建工作，但作為巖溶大水礦山，礦床地下水位仍處于+100 m以上，對井下安全生產構成威脅。礦山西部0 m以上礦體開采時，運輸巷掘進面前方涌水量約6000 m3/d，水壓1.5 MPa，采用探水注漿往前掘進施工困難、成本高、工期長，影響礦山按時達產。根據礦山水文地質、工程地質及其設施布局等特點，并結合目前國內外疏干技術應用現狀，決定采用控制疏干技術為防治水措施。通過實施控制疏干工程，有效降低了礦山突水風險，減少了礦坑涌水量，為礦山增產提供了技術保障，同時也創造了經濟和社會效益。

1 礦山概況

馬坑鐵礦礦區東西長4000 m，南北寬1000 m，是我國著名的特大型磁鐵礦床，也是有名的大水礦山。本文研究的馬坑鐵礦西部位于71勘探線以西，區內上古生界地層(C1l-P2q)發育，總體呈北東南西向分布，傾向北西，其中經畬組(C2j)為礦體賦存層位，船山組(P1c)和棲霞組(P2q)地層以碳酸鹽巖為主，是本區巖溶發育的主要層位。

2 控制疏干工程

控制疏干技術適用于礦床水文地質條件較復雜、含水層（帶）結構在空間上存在一定差異性的情況，需通過超前探水、降壓疏干、水位監測、注漿堵水及數值模擬等綜合手段實現[4]。其中水文地質邊界條件，特別是對隔水層的研究，分析其阻水能力、空間位置、分布范圍及穩定程度等問題，對制定科學的、行之有效的控制疏干方法是十分重要 的[3]。

2.1 隱伏隔水帶分布規律及隔水性能研究

2.1.1 隱伏隔水帶分布規律

馬坑鐵礦+100 m、0 m中段頂板灰巖外側發育矽卡巖及輝綠巖類[5]，均為塊狀致密巖石，連續分布于71線以西的礦體北側，在0 m中段62～63線之間被礦體侵入，但礦體也是隔水層，隔水帶完整，平均厚度為62.44 m；+100 m中段67線、70線被 礦體侵入，隔水帶完整，平均厚度為101.45 m。0 m中段及+100 m中段隱伏隔水帶相對完整，其平均厚度為81.94 m。

2.1.2 隱伏隔水帶隔水性能研究

利用井下關放水，井上、井下同步觀測查明輝綠巖、矽卡巖隔水帶的隔水性能，0 m中段上盤運輸巷68線迎頭探水孔揭露外灰巖關放水量均為1920 m3/d（80 m3/h）。地下水位監測結果如圖1所示。由圖1可知，隱伏隔水帶外灰巖水位（水5孔）歷時10個月放水監測，從標高+123.27 m下降至+96.61 m，水位下降26.66 m；關閉0 m中段的涌水量約80 m3/h后，該孔水位從2018年8月開始逐漸上升，到2020年8月上升了19.46 m；與此同時新增的隱伏隔水帶外灰巖井下觀測孔zk100-1，從2019年1月至2020年8月，水位沒有下降，反而上升0.3 m，與水5孔一致；同期新增隱伏隔水帶內灰巖井下觀測孔zk100-3水位沒有上升反而下降5 m以上。

圖1 隔水帶內外灰巖地下水位變化曲線

通過關放水試驗可知，受F2斷層上盤隱伏隔水帶影響，西部輝綠巖、矽卡巖隱伏隔水帶完整，隔水性能良好，外灰巖水位與內灰巖水力聯系不暢，水位差最大達101.32 m；深部巖溶富水性變弱，外灰巖水有一定水壓（1 MPa），但關水試驗僅關閉約80 m3/h的涌水量，水位回升明顯，呈現“高水壓、弱富水”特征。

2.2 控制疏干方案

控制疏干技術可分為3類，依據礦區含水層在剖面上是否存在多元結構、各含水層（帶）間在局部區域是否存在相對獨立性、礦體與含水層之間是否存在相對隔水層或礦體厚大且不導水的情況，可分別采用單層（下層）疏干法、區段疏干法及降壓疏干法[6]。根據礦區特點，本次利用輝綠巖脈隱伏隔水墻進行控制疏干，為單層疏干法的類型，利用輝綠巖、矽卡巖隱伏隔水帶良好的隔水性，將原設計布置在輝綠巖、矽卡巖隔水帶外側（北側），0 m水平西部上盤運輸巷改為布置在內側（南側），見圖2。

圖2 0 m水平西部上盤運輸巷布置改進

采用經濟有效的、井下應用最廣泛的疏干方法——叢狀放水孔疏干法，具體布置見圖3，在弱含 水層中布置疏干巷道和疏干硐室（或直接利用采礦巷道）。在疏干硐室中，向礦體旁側灰巖含水層鉆鑿呈扇形分布的水平疏水孔群，預先降低地下水 位，為采掘工作創造條件。

圖3 65線控制疏干方案剖面

3 開采穩定性分析

3.1 采礦對隔水層穩定性影響分析

矽卡巖和灰綠巖脈為相對隔水層[2]，分布在西部厚大礦體北側，可作防治水關鍵層，而開采過程中其隔水性能受到開采的影響，因此通過解析法和數值模擬法分析礦體開采條件下的導水裂隙發育高度，研究開采對矽卡巖隔水層的穩定性影響。

3.1.1 解析法

礦體地質條件：主礦體呈似層狀、層狀賦存于碎屑巖與棲霞組灰巖間的假整合面上。礦體走向北東，往SW略有側伏；礦體傾向NW，西礦段傾斜延伸長度為 490～1300 m，平均為1016 m；最高為168 m，最低為-344 m；傾角一般為40°左右，局部達50°～70°。礦體主要集中在59～69線，礦體頂板圍巖以大理巖或大理巖化灰巖以及輝綠巖類為主。

采礦方法：根據《馬坑鐵礦采礦方法變更設計》0 m、-100 m階段的階段高度為100 m，中厚礦體占10%，該部分礦體采用分段礦房階段空場嗣后充填法，采場高度約為60 m。首先回采礦房，采用嗣后膠結充填回采礦柱，礦柱回采后采用非膠結充填或低灰砂配比膠結充填，回采單元按照隔二采一或隔一采一的原則進行回采。

礦體開采影響的導水裂隙帶高度：采用《煤礦防治水細則》和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中垮落帶和導水裂隙帶的計算公式計算。

冒落帶高度：馬坑鐵礦西部厚大礦體傾角一般為40°，屬于中傾斜地層；采用膠結充填法開采，一般情況下，頂板不會發生嚴重的冒落性破壞，其頂板圍巖變形破壞主要由于充填接頂率小，充填體沉降產生的殘余空間所致，根據類似礦山充填經驗，未接頂充填高度一般小于2.0 m，故本次取最高值2.0 m。垮落帶采用式（1）計算[7]：

式中，Hm為垮落帶高度，m；M為采空區高度，m；取2 m；k為冒落巖石碎脹系數，依據經驗值取1.2；α為礦層傾角，礦體傾角40°。

通過式（1）計算，垮落帶高度為13 m。

導水裂隙帶高度：中傾斜礦體，堅硬覆巖下開采所形成的導水裂隙帶可采用公式（2）計算[6]。

式中，H裂為導水裂隙帶高度，m；其余參數同公式（1）。經計算可得，導水裂隙帶高度為54 m。

綜上垮落帶和導水裂隙帶高度計算，西部厚大礦體開采時對其上部地層的影響高度為67 m。

3.1.2 數值模擬法

通過phase2軟件模擬分析馬坑鐵礦地下開采時的導水裂隙帶發育高度。

地質模型及范圍：馬坑鐵礦西部厚礦體主要在59～70線之間，走向北東，垂直礦體走向布置采場，地質模型見圖4。為確保模擬精度，模型范圍一般 選取采掘影響范圍的2～4倍，即取500 m×500 m（標高范圍+300～-200 m）。

圖4 模型范圍及網格剖分

分析模型構建：礦山西部厚大礦體的采礦方法為分段礦房階段空場嗣后充填采礦法，盤區沿礦體走向劃分，長度為120 m，寬度為礦體的水平厚度，采場垂直礦體走向布置，高約60 m，沿礦體走向每20 m劃分為一個采場，一步驟和二步驟采場寬度尺寸相同。

模擬結果分析：開采過程中礦體頂板位移情況見圖5。礦體一步驟開采后頂板最大位移達9.75 cm，充填后頂板最大位移為3.9 cm，減小5.85 cm；二步驟開采后頂板位移大幅增加，最大位移達18 cm，充填后頂板變形得到緩解，穩定后最大位移為11.2 cm，減小6.8 cm。通過采掘充填過程模擬分析，對礦體頂板影響最大的是二步驟采掘作業，最大影響高度可達62 m。因此采掘作業對上部圍巖的影響范圍為62 m。

圖5 西部厚大礦體開采過程中垂直位移云圖

馬坑鐵礦西部主要礦體的間接頂板矽卡巖及輝綠巖脈分布在59～69線之間，由西向東逐漸靠近礦體，其中在59～61線之間距離礦體100～200 m，62～65線之間距離礦體50～100 m，66～69線之間距離礦體10～50 m。矽卡巖的厚度在空間上呈現出兩邊薄中間厚的特征，其中西部（59～61線）最薄厚度在30～60 m，其余部位厚度較均勻，為70 m左右。

通過解析法和數值模擬法分析，西部礦段采用分段礦房階段空場嗣后充填采礦法，在采掘作業過程中對頂板的影響范圍為67 m和62 m。因此在設計采礦方法時，要及時充填空區，上部覆巖的最大影響值為67 m，即西部厚大礦體之上安全高度值為67 m。礦體上部的內灰巖與矽卡巖厚度之和的最小值為77 m，因此在設計采掘條件下，上部矽卡巖穩定隔水層厚度最小值為10 m，采掘工作不會導致外灰巖與內灰巖直接溝通。

3.2 安全水頭壓力值

安全水頭壓力值即隔水層臨界水壓，當承壓含水層與開采礦層之間的隔水層能夠承受的臨界水頭值P臨＞實際水頭值P時，一般情況下（不出現斷裂構造情況下）礦層開采時不影響隔水層的穩定，可帶壓開采，反之需疏水降壓開采。安全水頭壓力值采用式（3）計算[8]。

式中，P臨為底板隔水層能夠承受的安全水壓，MPa；t為隔水層厚度，m，取最小完整厚度10 m；L為采場寬度，取20 m；γ為隔水層的平均重度，取0.029 45 MN/m3；Kp為隔水層的平均抗拉強度，取4.86 MPa。

通過式（3）計算隔水層能承受的臨界水頭值P臨=2.72 MPa，根據礦山最新水位資料，實際水頭值小于1 MPa。因此，在目前礦山地下水位條件下，隔水巖脈能起到阻水作用。

3.3 防水礦柱留設

為防止突水事故發生，須在0 m中段55～58線、61～63線兩個靠近含水層的礦體區域留設防水礦柱。防水礦柱的留設參照經驗公式（4）計算[9]：

式中，L為留設的隔水礦柱寬度；M為礦體厚度或采高（取大值），60 m；K為安全系數，取2；P為巖層承受的靜水壓力，3.94 MPa；KP為礦體的抗拉強度，15.26 MPa。

經計算，需留設的防水礦柱寬為26.83 m，滿足不小于20 m的安全要求，又考慮到礦體抗拉強度的不均勻性，需適當增大礦柱的寬度，即設計防水礦柱寬度為30 m。

考慮安全高度，本次將55～58線間與灰巖相連的單獨礦體及61～63線之間的矽卡巖脈內礦體均設置為防水礦柱。

4 結論

馬坑鐵礦利用礦內存在的輝綠巖及矽卡巖隱伏隔水帶，采用控制疏干技術僅疏干近礦體灰巖地下水即可控制外灰巖水位。同時據已貫通巷道情況，除局部揭露破碎帶發生淋水外，其余均未涌水，巖石較完整，巖性較好。

控制疏干技術有效降低了礦山突水風險，減少礦坑涌水量約6000 m3/d，年節約排水電費500萬元以上，同時減少大量疏干工程量、縮短工期，提前釋放西部0～100 m標高之間的礦體，為馬坑鐵礦達產提供了基礎保障，此技術可供同類礦山防治水工程參考。