白象山鐵礦近礦體富水斷層破碎帶防治水技術研究

張發亮

（安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司）

白象山鐵礦設計生產能力為200萬t/a，采用機械化上向分層充填采礦法采礦，礦山水文地質條件屬極其復雜類型礦床，基建及采礦過程中井下揭露出未查明斷裂的富水性及產狀分布，礦層富水性劃定難度大［1］，地下水害嚴重制約礦山生產能力及采礦進程。

本文結合白象山鐵礦含礦層富水、近礦體破碎帶富水性研究［2］及“三下開采”［3］中地表水體下采礦存在的主要問題，通過含礦層控制疏干、局部堵水和避水礦柱留設及采場殘余水量截流等手段進行防治水，達到井下安全高效采礦的目的，為其他金屬非金屬大水礦山防治水提供參考。

1 礦區充水因素分析

1.1 礦區水文地質條件

白象山鐵礦地下水主要接受降水垂直滲透補給，裸露地表的基巖與地表第四系松散層直接受降水滲透補給。根據白象山鐵礦地質報告，其含礦層為中等富水區，礦區含水層自上而下主要有3層，分別為第四系全新統砂礫卵石強含水層Q41al—I1、黃馬青組雜色粉細砂巖強富水帶T3h—I l、含礦層中等富水帶Fe-I2。白象山鐵礦存在F1～F10共10條主要斷層，F1～F3為成礦前張性斷裂；F4～F7為成礦后張性斷裂（其中F4～F6穿過-390 m、-470 m水平大巷），對礦體破壞，未發生位移；F8～F10為局部平移斷層，未對礦體造成影響。

1.2 礦區含礦層富水性分區

根據《礦區水文地質工程地質勘查規范》（GB/T 12719—2021）［4］中富水性劃分標準，將白象山含礦層（-500 m、-470 m、-390 m）的富水性劃分為4個等級：弱富水性，Q＜10 m3/h；中等富水性，10 m3/h＜Q≤50 m3/h；強富水性，50 m3/h＜Q≤100 m3/h；極強富水性，Q＞100 m3/h。

1.2.1 -500 m中段含礦層富水性的劃分

2盤區、4盤區根據地質報告資料及2個盤區開采的實際情況，該區域沒有揭露大的涌水點，且不存在大的導水構造，將該區域劃分為弱含水區。

8盤區北部的礦體遠離F5、F6斷層，已展開的采礦開拓作業沒有出現大的水點，相應劃分為弱富水區。8盤區南部礦體被F5、F6斷層切割，F6斷層富水性不均，連續性差，根據-470 m中段開采揭露的資料推測，該斷層可能沒有進入礦體，所以該部位礦體劃分為中等富水區。而靠近F5斷層的礦體因受其導水性、富水性強的影響，劃分為極強富水區。

1.2.2 -470 m中段含礦層富水性的劃分

2盤區和8盤區為東部礦體，位于17線以北，采礦作業面已全部展開，根據采礦過程基本沒有揭露大的水點，據此2盤區和8盤區為弱富水帶。

1.2.3 -390 m中段含礦層富水性的劃分

4盤區聯絡道內有F6斷層自北東向南西穿過礦體，且鉆孔在孔深9 m處見斷層時涌水量達100 m3/h，F5斷層、F6斷層附近區域劃分為極強含水層；其余部位根據采礦巷道揭露，均無大的涌水點，故劃分為弱富水區。

1.3 斷層破碎帶富水性

白象山鐵礦自建礦以來3次最大的突水均是直接或間接揭露大的斷層破碎帶導水所致。因此，斷層破碎帶對白象山鐵礦的前期采礦構成了嚴重威脅，斷層破碎帶不僅是導水通道，而且還起到貯水和集水廊道的作用，特別是F2、F5、F6其上部與黃馬青組雜色粉細砂巖強含水層溝通，下部延伸到-500 m、-470 m、-390 m中段，對采礦作業的影響較為明顯。

2 礦山防治水方案的確定

2.1 白象山地下水防治方法的選擇

根據分析可知，礦坑涌水主要來自富水性復雜的含礦層，F2、F4、F5、F6這4條大的斷層富水性強，與含礦層直接相關。由于上述4條斷層與上部黃馬青組雜色粉細砂巖強含水層直接導通，向含礦層充水，基建期巷道穿過上述斷層表明斷層內注漿堵水難度大，所以要在含礦層與強含水層之間形成可靠的相對隔水層，工程量大、防治水工期長、破碎帶內注漿困難、效果難以保證。據此，避水采礦方案不宜單獨采用。

目前礦坑實際涌水量約為20 000 m3/d，礦區地表分布有大量的居民住宅、農田、青山河和公路、電力等重要工業民用設施，若采用完全疏干方案，勢必要通過疏干工程將上部黃馬青組雜色粉細砂巖的強水層，礦坑涌水量大增，且大流量疏干可能引發大斷層內充填物和第四系土顆粒的流失，引發地面塌陷和大的沉降，特別是礦區地表青山河河床一旦發生塌陷和大的變形沉降，破壞河床下部的第四系隔水層，出現河水灌入礦坑引發突水淹井事故。因此，完全疏干方案不宜單獨采用。

礦區破碎帶內泥化現象嚴重、注漿量大，地面注漿成孔困難，所投入的工程量浩大、工期長，難以形成有效的隔水帷幕，因此，礦區不具備實施注漿防滲帷幕的邊界條件，地層可注性差，難以形成隔水帷幕，因此不宜單獨采用。

綜合考慮礦區水文地質條件、礦坑的排水能力、防治水工程的性價比及可操作性，在確保井下不突水、地面不塌陷、河流不改道的前提下，確定白象山鐵礦采用含礦層控制疏干、局部堵水和避水相結合的綜合防治水方案。

2.2 白象山地下水防治方案

2.2.1 含礦層控制疏干方案

白象山鐵礦利用控制疏干工程，降低地下水位，結合采掘工程，使采礦在少水或無水的情況下進行，以-500 m水平含礦層控制疏干工程為例，該分層含礦層富水區主要分布在東部礦體8盤區F5、F6斷層破碎帶之間的含礦層疏干片區。

疏干控制鉆孔布設在探水探礦巷道內，按盤區設計3個疏干孔，疏干孔1（孔深56 m）、疏干孔2（孔深40 m）和疏干孔3（孔深60 m），深入含礦富水區域，攔截含礦破碎富水帶對于礦體的補給，減弱采場疏干壓力；1號、2號鉆孔最大疏水量為190 m3/h；3號最大疏干水量150 m3/h。該工程自2014—2018年，1、2、3號疏干孔平均水量分別下降至55、53和43 m3/h，總控制疏干日排水量平均下降了69.7%。2014—2018年疏干排水情況如圖1所示。

2.2.2 工作面采礦局部注漿堵水方案

在含礦層系統疏干的基礎上，根據采礦需要，結合現場和經濟效益，對工作面實施帷幕注漿，以滿足采掘生產的安全、經濟需求。以-500 m水平8盤區上盤某巷道進路為工作面，對其開展局部注漿堵水，具體方案：工作面布設6個鉆孔，鉆孔開孔采用?133 mm沖擊器鉆頭開孔，埋設?108 mm×5 m孔口管，一頭焊接高壓法蘭盤，采用?90 mm沖擊器配?90 mm沖擊鉆頭鉆進，鉆孔向外圍偏斜5°～10°，孔口管的長度為5 m，安裝高壓球閥以防鉆孔突水，探水孔的深度初定為40 m，掘進安全水量控制在10 m3/h。工作面局部注漿鉆孔布置見圖2。

本次工作面局部注漿總計：孔深240 m，孔口管6個共30m，注漿消耗水泥167 t，水玻璃0.3 t。采取工作面采礦局部注漿堵水措施后，14 d內的效果為1#～6#孔的最大用水水量分別由80、50、40、60、50、40 m3/h下降至15、5、8、9、7、12 m3/h（圖3、圖4）。注漿終孔壓力下降至0.256、0.36、0.136、0.236、0.266、0.126 MPa（圖5、圖6）。有效平均堵水率提高了82.6%。該工程施工后，根據《金屬非金屬地下礦山防治水安全技術規范》，滿足掘進條件，可實施采礦工程。局部注漿大大縮短了采掘施工周期，排水系統工程量小、投資少、見效快、對采掘影響小，從安全性看，注漿壓力迅速降低，突水危險系數得到保證。

2.2.3 避水礦柱的留設

-500 m中段避水礦柱的分布分為2片，第一片為東部礦體8盤區附近的F5斷層破碎帶下盤，為防止采礦揭露F5斷層引發突水而設置；第二片區為21線～4線的整個西部礦體，該部位礦體薄，富水性強，賦存標高底，緊鄰西運輸大巷，為減少井下開采涌水量，該部位礦體暫作為避水礦柱，待礦區地下水位降到-400 m以下，再來回收此部分礦體。

根據防治水相關規定，采用經驗公式對斷層防水礦柱留設厚度進行驗算：

式中，L為礦柱留設寬度，m；K為安全系數，一般取2～5 m；M為分層采高，m；P為水頭壓力，MPa；KP為礦體的抗拉強度，MPa。

目前，白象山鐵礦-500 m東部礦體8盤區附近的F5斷層破碎帶下盤礦體的靜水壓力為4.5 MPa，上向進路分層采高為7 m，礦體的抗拉強度4.41 MPa。計算得到防水礦柱留設厚度為12 m。

2.2.4 采場殘余水量的截流及封堵

含礦層內控制疏干防治水方案地下水頭遠沒有降到目前的采礦中段以下，因此，不可避免在采礦作業過程中采場內會出現局部涌水，采場出水不僅影響采礦作業的效率，而且還影響充填體質量，特別是局部水量大于20 m3/h的地段，因水流造成充填體無法接頂；同時，出現大量的充填體固結前隨水流流失，進入水溝和水倉，影響排水系統的正常運行。因此，在采場內一些殘余水量大、且相對集中的部位，必須設置一些截水、引流或堵水工程，盡可能地降低殘余水量對采礦和充填作業的影響。

由于礦體裂隙發育的不均勻性，采場內殘余水的涌水形式多種多樣，難以采用單一的處理方法進行治理，對于集中涌水點或涌水通道擬采用引流或注漿封堵方案；對于大面積淋水采用鉆孔截水后引流或注漿封堵。

-500 m分層在集中涌水點注漿封堵治理共7處，通過下入?32 mm孔口管進行高壓注漿，封堵集中涌水點水，改善作業環境，防止采空區充填體的流失。在中段西部巷道掘進至礦巖接觸帶時，為確保巷道的安全貫通，共實施了長度10 m的巷道預注漿工程，共消耗水泥30 t，累計治理涌水量77 m3/h，注漿治理后殘余水基本消除。

3 結論

（1）根據斷層內注漿堵水難度大、礦坑涌水量大、大流量疏干引發地面塌陷等特征，采取含礦層控制疏干、采場工作面局部堵水、避水礦柱留設與殘水治理相結合的綜合防治水方案，既能滿足采掘生產的安全、經濟需求，也確保采礦作業的進行，降低了疏干工程成本。

（2）工作面局部注漿技術，可大大縮短采掘施工周期，排水系統工程量小、投資少、見效快、對采掘影響小，從安全性看，注漿壓力迅速降低，突水危險系數得到保證。

（3）防治水避水礦柱留設時，在地下水位下降到一定程度后，可根據各中段的防治水具體情況逐步進行回收，并將當前的采礦方案與后期礦柱回采方案通盤考慮。

（4）對礦區長期連續排水地下水位下降幅度大的特點，建議對地面重要建（構）筑物、河流靠近礦區段的兩岸設置沉降長期觀測點，并定期監測，形成礦山開采期的地面沉降數據庫。