復雜富水含礦層水文地質特征及防治水技術研究

趙恰 王軍

摘要：以水銀洞金礦深部礦體水文地質特征為基礎，參考國內相關礦山防治水經驗和科研成果，經過防治水方案比較，設計采用井下近礦體帷幕注漿的防治水方案。經礦山井下近礦體帷幕注漿試驗，井下注漿可有效充填巖溶溶洞及巖溶裂隙過水通道，并可在礦體下部有效搭接，形成一定厚度的穩定人工隔水帷幕體，可為同類礦山提供防治水經驗。

關鍵詞：巖溶富水;防治水;井下注漿;近礦體帷幕;水文地質

中圖分類號：TD745文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）04-0024-04doi：10.11792/hj20230406

隨著礦山開采深度的增加，擬開采含礦層所賦存的水文地質環境越來越復雜，部分礦山深部含礦層底板為巨厚的灰巖富水含水層，開采面臨水害問題更加突出，而且受含水強富水地層巖溶發育不均一性影響，井下突水預測困難、準確性差，突水風險大幅提高^［1-2］。許超等^［3-5］針對礦山底板巖溶含水層提出了底板注漿加固的治理思路，主要是通過井下工作面注漿，在礦體底板形成人工隔水帷幕或加固底板隔水層，使其具備抵抗下部承壓水的能力，防止采掘期間突水事故的發生，如趙固礦區大采高工作面注漿加固深度一般達到煤層底板以下80 m，注漿帷幕體為后續安全高效回采提供了保障。本文通過分析貴州紫金礦業股份有限公司水銀洞金礦（下稱“水銀洞金礦”）深部含礦層的水文地質條件，制定了相應的防治水方案，重點對井下注漿試驗情況進行了研究，為后續礦山安全生產及相關礦山防治水提供了參考經驗。

1 深部含礦層水文地質特征

水銀洞金礦深部礦體賦存于當地最低侵蝕基準面以下。礦山通過鉆探補勘的方式進一步查明深部含礦層的水文地質特征，根據井下補勘資料，補勘鉆孔揭露含礦層時均出現涌水現象，單孔涌水量為0.86～2.66 L/s，水壓在0.7 MPa左右，且涌水點附近巖芯破碎，溶蝕孔洞比較發育，地下水活動強烈，含礦層為中等—強富水的水文地質特征。礦山水化學測試結果顯示，含礦層及下部茅口組深部含水層的地下水均為低礦化度的HCO₃·SO4-Ca·Mg型水，pH值7.5，總礦化度473.43 mg/L，不含Cl-，水質類型簡單，二者為統一的含水體。礦床為底板巖溶裂隙含水層直接充水的水文地質條件復雜礦床，礦山在深部開拓期間曾多次發生涌水事故，嚴重影響礦山生產進度，含礦層表現出如下水文地質特征：

1）含礦層為中等—強富水含水層：在1 120 m中段-5N、-7N、-15N、-21N、-29N、-31N勘探線穿脈以北和-17S勘探線穿脈以南施工的8個鉆孔，均位于含礦層，單孔涌水量為0.86～2.66 L/s。鉆孔揭露溶洞時，單孔單點涌水量多為100 m³/h以上，最大單孔單點涌水量達到了200 m³/h，含礦層表現出中等—強富水的水文地質特征。

2）含礦層水文地質條件、工程地質條件復雜：含礦層為龍潭組與茅口組不整合界面間的構造蝕變體，表現為“含礦帶、含水帶、構造帶”三帶一體的特征，巖性為深灰色中層強硅化灰巖、角礫狀強硅化灰巖、硅質巖及角礫狀黏土巖。礦山開拓工程顯示，含礦層巖體松散破碎，溶蝕裂隙發育，地下水活動強烈，斷層破碎帶進一步加強了含礦層與茅口組灰巖含水層的水力聯系，二者具有統一的地下水位，使得水文地質條件、工程地質條件復雜化。

3）底板茅口組灰巖含水層厚大且分布廣泛。茅口組灰巖含水層為含礦層直接底板，是礦坑的主要充水含水層。同時茅口組灰巖含水層為區域性厚大含水層，厚度大于400 m，地下水靜儲量豐富，補給源充沛。

4）礦坑涌水量大。礦山開拓工程或超前探孔普遍揭露涌水點，且涌水量大。例如：1 093 m中段老水倉揭露深部灰巖含水層時，涌水點水量達10 800 m³/d，且經過2年的穩定排水，礦區地下水位自標高1 187 m下降至1 168 m，僅下降了19 m。根據井下放水試驗，礦山通過解析法、數值模擬等方法預測礦坑涌水量為85 968 m³/d，礦坑涌水量大。

5）礦區斷層破碎帶發育，影響采掘生產安全。礦區東西向、南北向和北東向褶皺和斷層發育，在背斜軸部裂隙發育，為地下水的存儲和運移提供了空間。同時受區內主構造應力方向影響，南北向張性斷層發育，破碎帶一般較寬，且以角礫巖為主，探孔揭露單點涌水量一般超過100 m³/h，富水性、導水性均較強，對礦山安全生產影響巨大。

2 礦山防治水方案

2.1 深部含礦層特征

深部含礦層主要為碳酸鹽巖型和角礫巖型。礦石以層狀構造和塊狀構造為主。含礦層在平面上呈長條狀不規則多邊形，東西走向長2 700 m，南北寬200～950 m。礦體傾向北，傾角10°～15°，平均厚度8 m，為緩傾斜薄礦脈。

2.2 礦山防治水方案

水銀洞金礦深部含礦層富水性為中等—強富水，且與下部茅口組灰巖含水層水力聯系密切，二者具有統一的地下水位。茅口組灰巖為區域性厚大含水層，在礦區四周均為補給邊界，地下水靜儲量大、動補給強，預測礦坑涌水量達到85 968 m³/d，采用傳統的疏干防治水方案排水費用高，疏干周期長，對區域地下水資源浪費嚴重，同時巖溶礦區長期疏干會導致地面塌陷，影響礦區環境地質。近年來，國內峰峰煤礦、焦作煤礦、萊新鐵礦及業莊鐵礦利用井下注漿技術加固隔水層底板或改造礦體頂底板含水層，使其形成具有一定厚度的穩固隔水層，阻止頂底板含水層的直接充水影響（見圖1）。從各相關礦山注漿實施情況來看，井下注漿加隔水層或注漿人工隔水帷幕的堵水效率一般可以達到85%及以上，為后續礦體的安全回采提供了保障^［5-6］，因此選用井下近礦體帷幕注漿方案。

2.2.1 近礦體帷幕注漿工程布設

近礦體帷幕注漿工程是在中段大巷開鑿注漿硐室，注漿硐室間距為30～50 m。在注漿硐室中施工扇形注漿斜孔，注漿孔在平面上需覆蓋含礦層厚度，垂向上需深入含礦層底板一定深度，滿足帷幕體厚度計算要求。注漿孔采用分序加密的方式施工，一般分為三序。利用注漿斜孔作為注漿通道，高壓注入漿液，漿液在注漿壓力的驅使下沿著涌水裂隙擴散、結石，最后充填，把含水層中的水“驅離”，并充填涌水通道，改造局部含水層，使之不含水或弱含水，同時漿液在注漿壓力作用下，通過含水層地下水補給通道運移、擴散、結石，充塞隔水層的導水裂隙，膠結強化底板。達到改造、封源和加固的作用，從而滿足帷幕體上部安全開采的目的。底板帷幕注漿工程布設平面示意圖見圖2。

2.2.2 注漿工藝及材料

注漿孔采用坑道鉆機施工，傾斜注漿孔終孔孔徑不小于91 mm。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥為強度等級42.5普通硅酸鹽水泥，速凝劑為42°Bé水玻璃。注漿工藝采用雙液漿注漿模式（見圖3），利用雙液漿注漿泵，在孔口混合，混合比例為水泥∶水玻璃=1∶0.5～1∶1。注漿工程采用下行注漿方式，注漿壓力取3倍水壓。

2.2.3 近礦體帷幕注漿改造深度計算

人工注漿帷幕體抵抗下部茅口組灰巖承壓含水層水壓破壞，阻止下部茅口組灰巖承壓水進入采掘區域。因此，若底板帷幕體不足以抵抗茅口組灰巖承壓含水層水壓破壞時，將引發災難性的突水事故。根據相關巖溶大水礦床經驗，一般采用突水系數法定量評價帶壓開采條件下底板突水危險程度，其物理意義就是單位厚度隔水層所能承受的極限水壓，突水系數越大，礦體底板突水的危險性越大。根據相關巖溶大水礦床在礦井生產中積累的經驗值，以T_S=0.06 MPa/m為臨界值，當突水系數TS時一般不會發生突水，反之底板可能突水^［7-10］，具體見式（1）。

式中：T_S為臨界突水系數，參考相關礦山經驗，取T_S=0.06 MPa/m;p為水壓力，根據水銀洞金礦實測資料，取0.83 MPa;M₀為隔水層或相對隔水層臨界厚度（m）。

經計算，M₀=13.8 m。

從式（1）可以看出，在底板承壓含水層水壓一定條件下，突水系數與隔水層或相對隔水層厚度成反比，即M>M₀時TS，即帷幕注漿加固體的厚度需大于13.8 m，考慮巖體的不均一性，取15 m。

3 近礦體帷幕注漿試驗實施情況及效果

3.1 工程實施情況

根據礦山礦體賦存情況并結合礦山設計，在1 120 m中段選取7勘探線—11勘探線作為井下近礦體帷幕注漿的試驗區域，注漿施工分三序施工。其中，一序注漿孔12個，二序注漿孔3個，三序注漿孔5個，共施工20個注漿孔，累計施工孔深962.75 m，累計注漿量12 184.1 m³，見表1。

3.2 效果分析

從注漿資料和各次序孔涌水情況分析，注漿工程取得了初步效果，為后續施工積累了一定的經驗。

3.2.1 不同次序注漿量對比分析

根據水銀洞金礦井下注漿試驗段統計資料，一序孔累計注漿量10 690.1 m³，單位注漿量25.09 m³/m;二序孔累計注漿量1 424.6 m³，單位注漿量6.69 m³/m;三序孔累計注漿量69.4 m³，單位注漿量0.21 m³/m。從不同序次單位注漿量分析，隨著注漿次序的逐步推進，鉆孔單位注漿量減小明顯，說明隨著注漿次序的增加，受注漿加固區域的過水通道逐步減小，加固區域的過水能力大幅下降（見圖4）。

3.2.2 不同次序鉆孔涌水量對比分析

根據水銀洞金礦注漿統計資料，一序12個注漿孔，最大單孔涌水量150 m³/h，單孔平均涌水量108 m³/h;二序3個孔，最大單孔涌水量105 m³/h，單孔平均涌水量65 m³/h;三序5個孔，最大單孔涌水量50 m³/h，單孔平均涌水量15.9 m³/h。從以上資料可以看出，隨著逐序加密，單孔的終孔最大涌水量和單孔平均涌水量均明顯減小，說明注漿加固區域的富水性和過水能力大幅下降，加固區域取得了一定的注漿效果（見圖5）。

4 結 論

1）水銀洞金礦深部含礦層中等—強富水，其與下部巨厚茅口組灰巖水力聯系密切，該含礦層為底板茅口組灰巖直接充水的巖溶復雜富水礦床。

2）以水銀洞金礦水文地質條件為基礎，參考國內相關礦山防治水經驗和科研成果，設計采用井下近礦體帷幕注漿的防治水方案。通過井下近礦體帷幕注漿試驗驗證：鉆孔涌水量減少了85.3%，說明井下注漿可有效充填巖溶溶洞及巖溶裂隙過水通道，并可在礦體下部有效搭接，形成一定厚度的穩定人工隔水帷幕體。

［參 考 文 獻］

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Research of the hydrogeological characteristics and water control technology for complex water-rich ore-hosting layers

Zhao Qia，Wang Jun

（Zijin Mining Group Co.，Ltd.）

Abstract：Based on the hydrogeological characteristics deep in Shuiyindong Gold Mine，references to relevant domestic mine water control experience and scientific achievements，and a comparison of water control schemes，the research designed to use the water control scheme of underground near ore bodies curtain grouting.The test of underground near ore body curtain grouting shows that underground grouting can effectively fill karst caves and karst fissure water paths and effectively connect and form a stable artificial water-isolation curtain body with a certain thickness.The research can provide water control experience for similar mines.

Keywords：water-rich karst;water control;underground grouting;near ore body curtain;hydrogeology