昆陽磷礦二礦水文地質特征及斜井工程防治水探討

申大元， 寧國軍

(中國華冶科工集團有限公司， 北京 100176)

1 前言

昆陽磷礦自20世紀60年代初露天開采生產以來，生產規(guī)模不斷擴大。昆陽磷礦二礦是露天轉地下的首座礦山，設計規(guī)模200萬t/年。采用斜井膠帶提升、輔助斜坡道及豎井聯(lián)合開拓方式，上向分層充填采礦法，采用尾砂碎石混合充填工藝。

膠帶斜井主體工程要從巖礦頂盤按設計-14°坡度大致垂直穿過巖(礦)層下盤，再從下盤沿海口組白云巖巖層走向掘進膠帶平巷，因此工程必須要穿過多層含水層及相對隔水層，直到下盤寒武系魚戶村組含水層中。中段開拓巷基本處在中等- 富含水層中，斜井是礦山施工的第一條豎向開拓工程，也是礦山防治水工作的重要組成部分，通過實踐選用探地雷達超前工程預測、鉆孔驗證以及頂底盤富水地層采用鉆孔探水和排水的方案是可行的、有效的。

昆陽磷礦二礦區(qū)域大地構造處于揚子準地臺南西緣，康滇古陸與牛首山古陸之間昆明前緣凹陷的西南部分，屬川滇早寒武世成礦帶所形成兩隆三洼的古地理構造格局的華寧- 澄江沉積中心西緣，所涉及的區(qū)域地質背景為北起富民，南至昆陽，處滇池聚磷區(qū)南西，東鄰昆陽磷礦一至四采區(qū)，西接待云寺磷礦區(qū)，北部為海口磷礦，位于晉寧縣二街鎮(zhèn)境內。

礦區(qū)地處分水嶺- 緩坡地帶，礦區(qū)地形北高南低，北東高，南西低，地形有利于自然排水。礦區(qū)位于香條村背斜南翼，地層為向南傾覆的單斜構造，地表依次出露震旦系、寒武系、泥盆、石炭系及第四系地層，地質構造簡單，地表巖溶裂隙淺部發(fā)育，深部不發(fā)育。礦區(qū)巖層傾角較緩，一般為15°左右，巖體局部破碎，礦坑邊坡較穩(wěn)定，上部礦體與下部礦體之間存在不連續(xù)軟弱夾層。

寒武系、震旦系白云巖概化為統(tǒng)一含水層，是礦床直接充水含水層，空間富水性分布不均一，垂向上呈現上弱下強趨勢，平面上由北自南富水性逐漸減弱；間接頂板含水層為大塘組、宰格組及威寧組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，富水性弱～中等，與直接充水含水層間有海口組、滄浪鋪組及筇竹寺組砂頁巖地層，為穩(wěn)定礦層頂板隔水層，斜井掘進過程中將穿過碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層及砂巖裂隙含水層形成的潛水，寒武系、震旦系白云巖概化統(tǒng)一含水層形成的承壓水。地下水屬巖溶裂隙水，礦床水文地質類型屬中等偏復雜型。

礦區(qū)地層由老至新有震旦系燈影組(Z2dn)、寒武系下統(tǒng)漁戶村組(1y)、中誼村組(1z)、筇竹寺組(1q)、滄浪鋪組(1c)、泥盆系中統(tǒng)海口組(D2h)、上統(tǒng)宰格組(D3z)、石炭系下統(tǒng)大塘組(C1d)、中統(tǒng)威寧組(C2W)、二疊系下統(tǒng)倒石頭組(P1d)及第四系(Q)。

礦區(qū)構造簡單。斷層構造不發(fā)育，僅發(fā)育兩條且規(guī)模小的斷裂構造，均為正斷層，走向為南東- 北西向，傾角70°左右，對礦體影響不大，礦床類型為寒武紀早期形成的沉積型磷塊巖礦床。

礦區(qū)位于二街河流域中部，屬于地下水補給徑流區(qū)。礦區(qū)所處水文地質單元內最低侵蝕基準面1 880 m，也是首采地段標高，范圍礦體基本處于當地最低侵蝕基準面之下。寒武系震旦系白云巖概化為統(tǒng)一含水層，為礦床直接充水含水層，空間富水性分布不均一，垂向上呈現上弱下強趨勢，平面上由北自南富水性逐漸減弱；間接頂板含水層為大塘組、宰格組及威寧組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，富水性弱～中等，與直接充水含水層間有海口組、滄浪鋪組及筇竹寺組砂頁巖地層，為穩(wěn)定礦層頂板隔水層。礦區(qū)內構造不發(fā)育，僅有兩條小的正斷層，斷層上下盤水力聯(lián)系較差，后期近斷層開采時可能增強礦體下部含水層之間的水力聯(lián)系。

2 斜井工程場地水文地質條件

礦區(qū)氣候溫和，多年平均氣溫15.1 ℃，年平均降雨量900.4 mm，每年5～10月為雨季，多年平均蒸發(fā)量1 892.8 mm，年平均風速2.6 m/s，最多風向南風，年平均相對濕度72.7%，區(qū)域氣候屬北亞熱帶高原季風氣候。

膠帶斜井地層主要由人工填積層、第四系坡殘積層、泥盆系上統(tǒng)宰格組、泥盆系中統(tǒng)海口組、寒武系下統(tǒng)滄浪鋪組、寒武系下統(tǒng)筇竹寺組一至四段、寒武系下統(tǒng)中誼村組、寒武系下統(tǒng)漁戶村組，巖性主要由白云巖、砂巖、頁巖、白云質粉砂巖、粉砂質泥巖、磷塊巖等構成，其中宰格組、海口組、滄浪鋪組、筇竹寺組及中誼村組為相對隔水層，其余為含水層。地下水為巖溶裂隙水類型，以潛水和承壓水形式存在，潛水標高約2 040 m，承壓水水頭標高2 002.36 m；斜井潛水段正常涌水量301 m3/d，承壓水段正常涌水量591 m3/d，斜井正常總涌水量892 m3/d。潛水段涌水量受地形影響，地下水補給條件有限，場地位置較高，地下有利于地下水徑流排泄，井巷掘進初期水量較大，后期因地下水補給條件有限可能涌水量變小。斜井為巖溶裸露區(qū)，雨季受降雨下滲會增大井巷涌水量；斜坡道西測地表水體(山心塘)水面標高2 050.28 m，高于設計的井巷道，地表水體周邊為白云巖，地表水存在沿著巖溶裂隙通道影響井巷，尤其雨季匯集水體水位升高，加大井巷涌水量，威脅井巷安全。

礦坑水主要補給來源為大氣降水補給、露天采坑入滲補給、二街河滲漏補給和地下水的側向補給。潛水段涌水量受地形影響，地下水補給條件有限，加上場地位置較高，地下有力地下水徑流排泄，井巷掘進初期水量較大，后期因地下水補給條件有限可能涌水量變小。

3 探水方法選擇

昆陽磷礦二礦水文地質條件中等，礦床開采技術條件為中等型復合問題礦床。工程主體要從巖礦頂盤-14°坡度大致垂直穿過巖(礦)層下盤，再從下盤沿海口組白云巖巖層走向掘進膠帶平巷，所以工程要穿過多層含水層及相對隔水層，直到下盤寒武系魚戶村組含水層中，且大部分工程處在中等- 富含水層中，探水方法選擇的主要依據有以下三方面原因。

(1)斜井工程掘進必須穿過13層地層，其中5層含水層大致相間分布，中間分布2層頁巖及砂巖相對隔水層，各含水層之間通過裂隙等構造存在水力聯(lián)系。

(2)隨著工程掘進及時分段進行探水和排水，有利于形成降水漏斗，緩解深部承壓水壓力，防止工程突水。

(3)礦體頂底盤厚大白云巖是礦床頂底盤直接富水含水層補給，開拓、采切落礦之前必須排水疏干。

因此，礦床防治水宜“疏”不而宜“堵”，必須有針對性地進行預判，選用適宜的探水方法，使其技術上可行、經濟上合理、安全上可靠，最終達到探水、放水、疏干降壓的效果。

在膠帶斜井淺部，工程雖處在礦體頂板簡接含水層中，但所處位置較高，時下處旱季，大氣降水補給有限，可不需專項探水工作。工程中部處在穩(wěn)定的礦體頂板相對隔水層，一般巖性為砂巖、頁巖等，為防止構造導水及附近鉆孔等不確定導水因素，采用探地雷達進行探水和探不良地質體，在雷達成果反應異常地段采用單孔鉆孔驗證。在工程下部直到斜井終端，巷道處在礦體頂底板直接富含水層中，適合采用鉆孔探水方法。

4 探地雷達探水探溶洞

探地雷達是利用超高頻脈沖電磁波探測地下介質分布的一種地球物理勘探方法，它可以分辨地下0.1 m尺度的介質分布，為預防膠帶斜井及1 890 m中段膠帶平巷掘進過程中水患和溶洞對工程的危害，采用ProEx 型探地雷達進行跟蹤超前探測指導工程施工。

斜井地質雷達探水特別注意了它的適宜性，只選擇了斜井井頸段244～605 m范圍內，巖性為砂巖- 炭質頁巖- 粉砂巖互層地段，為相對隔水層，通過探地雷達解決構造裂隙水和人為勘察工程等造成導水涌水問題。通過雷達探測發(fā)現，工程出現兩處異常現象，探測時異常介質與圍巖介質有明顯的電性差異，圖像分析及地質解譯為富水地段，并采用鉆探驗證和巷道揭露真實，為張性構造裂隙涌水，其中第二段532 m處涌水量較大為23 m3/d。

實踐證明，通過采用探地雷達方法探水，操作簡單高效、成本低廉，適應性強，尤其是不良地質體與其周圍介質之間存在的物性差異較大時，二者之間的物性差異更明顯。孔隙度和含水率對介質的μ和ε(導電率和介電常數)均有較大影響[1]，造成接觸帶兩側存在一定的電性差異，電磁波在界面附近波形幅值有所增大，反射波能量增強，易于分析判斷。

5 鉆孔探水工程實踐

鉆探探水(溶洞)適宜斜井工程502 m以下的富含水層中。依據斜井工程施工工藝，探水鉆孔采用3孔，3孔平行巷道腰線扇形布置，能夠滿足探水要求。開孔位置選在斜井巷道中心線上，機高距離地板1.2 m處，2號、3號孔終孔距巷道幫3 m為宜，具體鉆孔布置如圖1所示，鉆孔參數見表1。

圖1 鉆孔布置扇形斷面示意圖(斜坡段)

表1 鉆孔參數

首先對孔口管進行壓水試驗。開孔鉆進孔深5 m(φ115鉆孔)，預埋φ93 mm套管，空口管外露300～500 mm，孔口管外安裝高壓閘閥，接通注高壓水閥進行壓水試驗。孔口管能承受2 MPa壓力，延續(xù)時間不少于10 min且不漏水時方可合格，試壓過程詳細記錄，有專人檢查孔口管外及鉆場附近的情況，如發(fā)現鉆場及鉆孔周圍有滲水、跑水等現象要停止試壓，繼續(xù)加固孔口管，直至試壓合格。鉆進時應以清水為主，成孔后用清水沖洗孔壁、裂隙和孔底巖粉，沖洗時間不得少于30 min[2]。

鉆進過程中隨時注意水壓或水量變化，有突水征兆或鉆孔涌水量達20 m3/h時，立即退出鉆桿，關閉孔口閥門采取措施，根據礦坑排系統(tǒng)能力控制放水量。鉆進過程中如果不涌水，則一直鉆進設計孔深為止。對出水量、出水位置和回水顏色以及巖石破碎、掉鉆、溶洞的位置與距離進行詳細記錄。對每段鉆進出現的反常現象均應詳細記錄，交接班時必須仔細交底。每鉆進3口孔為1個單循環(huán)，單孔鉆進深度100 m，每鉆探100 m后掘井90 m，預留10 m安全距離巖帽，再進行下一循環(huán)探掘。

探水鉆孔技術、施工安裝要求：

①探水孔孔位偏移允許誤差正負100 mm；

②鉆孔偏斜率≤1.5%；

③孔深誤差≤200 mm；

④巖礦心采取率≤25%；

⑤鉆孔的孔徑和深度應符合設計要求，每段結束后孔內殘留巖粉不應超過50 cm。

對孔口管進行壓水試驗。開孔鉆進孔深5 m，孔口管外安裝高壓閘閥，接通注高壓水閥進行壓水試驗。孔口管能承受2 MPa壓力(隨工程逐步遞增)，延續(xù)時間不少于10 min且不漏水時方可合格。

6 排水

6.1 工程及涌水量預測

斜井施工過程中從井口至斜坡道聯(lián)絡道381.5 m為第一段，再到水泵房管子聯(lián)絡道303.6 m為第二段，剩余斜坡段94.06 m到達平直段為第三段，平直段76 m。

6.2 排水設備的選擇與計算

1)正常涌水量時水泵必須的排水能力

QB=1.2Q=1.2×37.17=44.60 m3/h

式中：QB——正常涌水量時水泵必須的排水能力，m3/h；

Q——單臺水泵排量。

2)水泵揚程HB的估算

HB=(Hp+Hx)/Ny=(151+5)/0.75=208 m

式中：Hp——排水高度，取151 m；

Hx——吸水高度(潛水泵不需核算在內)，取5 m；

Ny——管路效率(對于傾斜衍射的管路)，取0.75。

3)排水設備初選

根據礦井涌水量必須排水能力為44.60 m3/h，選擇型號5DA- 8×5水泵4臺(2組水泵二級接力),流量60 m3，揚程208 m滿足排水需求。

4)驗算排水時間

正常涌水期每天必須的排水時間T

T=24QB/nQ=24×44.60/1×60 =17.84 h

式中：QB——正常涌水量時水泵必須的排水能力，m3/h；

Q——5DA- 8×5水泵單臺水泵排量，取60 m3；

n——幾臺水泵。

5)排水管路直徑D

式中：Q——5DA- 8×5水泵單臺水泵排量，取60 m3；

v——最有利的排水管流速，取1.5 m/s。

因此，選用排水標準管徑120 mm。

6)臨時水倉設置

臨時排水采用2組水泵共四臺(一備一用)，二級接力的方式進行。在距井口605 m附近設置臨時水倉，容積150 m3，用來儲存礦體頂板直接含水層及其斜井深部涌水；第二段水倉設在1 890 m中段2號膠帶斜井聯(lián)巷，負責深部各工程施工排水。

6.3 工程實際涌水量及對比：

至此斜井工程已掘至底部及平直段附近，總體而言淺部基本沒有地下水，只是工程含水層低盤有零星滴水；中部相對隔水層出現二次裂隙水涌水，其中第二段涌水較大23 m3/d；底部涌水較大，超出預期。斜井工程地質預測和工程揭露涌水量見表2。

表2 斜井工程地質預測和工程揭露涌水量比較表

鑒于此，臨時排水系統(tǒng)采用2組水泵二級接力的方式，深部涌水量大于預期，但排水設備及管路安裝滿足了預期要求。

7 結論

在地質綜合分析研判的基礎上，通過探地雷達預測工程不良地質體，雷達成果顯示異常時采用鉆探驗證，中等- 富含水層地段選用鉆探手段進行探水(溶洞)，經過工程開挖排水系統(tǒng)的設置達到預期，取得了良好效果。主要總結為：

(1)在工程承壓水水位以淺的部位，盡管處于潛水地帶，因工程相對處在較高地段，施工初期為當地旱季季節(jié)，沒有地下水補給來源，不建議專門探水，為工程施工贏得了時間。

(2)探地雷達及驗證鉆孔相結合的方法適宜工程中部相對隔水層中，探地雷達便于施工、探地效果好、探測周期短等優(yōu)點，并采用鉆孔驗證異常的方法，確保探水效果和工程施工。

(3)斜井深部只采用鉆孔探水，其目的是準確探明富水含水層中涌水位置及水量、水壓的大小，并通過鉆孔及輔助工程施工達到了探水、放水、降壓的目的。

綜上所述，依據工程水文地質特征，因地制宜選用探水手段進行工程探水(溶洞)，合理設置排水系統(tǒng)，并經過工程掘進揭露驗證，達到了預期目標，可在同類或相似巖溶地區(qū)礦山工程得以借鑒。