隱伏鐵礦礦井充水機理分析與防治水措施

李軍，朱世芳，安茂國，韓雙元，韓文撐，孟祥超，何平，宋月梅

(山東省魯南地質工程勘察院(山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊)，山東 濟寧 272100)

0 引言

蘭陵縣會寶嶺鐵礦(王埝溝鐵礦)位于蒼嶧鐵礦帶的東段，賦存于新太古代泰山巖群變質地層中，為典型的隱伏BIF型大型鐵礦[1]。礦山于2012年采用地下開采方式投產。礦床頂部上覆南華系-寒武系多個蓋層含水層，基底含礦巖系和蓋層含水巖組受多期次斷裂構造改造破壞，存在構造導水隱患。礦山投產初期，-410m及-430m中段礦井正常涌水量492.8 m3/ h，最大涌水量630.8 m3/h，井下單點最大突水量256.6m3/h，隨著井下采掘面積的增長，礦山涌水量有著增大的趨勢。該類隱伏型礦山普遍具有涌水量大、排水成本高、充水補給條件較為復雜、水害防治需求緊迫等特點。根據礦山生產需求，圍繞礦井充水機理與水害防治進行了多處分析研究工作，建立了防治水體系并取得了良好的治水效果(1)山東省魯南地質工程勘察院(山東省地勘局第二地質大隊)，山東省蘭陵縣會寶嶺鐵礦-410m中段以深深部勘查報告，2020年。(2)山東省魯南地質工程勘察院(山東省地勘局第二地質大隊)，臨沂會寶嶺鐵礦有限公司會寶嶺鐵礦水文地質補充勘探報告，2020年。。

1 礦床基本概況

1.1 礦床概況

會寶嶺鐵礦床位于山東省蘭陵縣西20km處，隸屬于蘭陵縣尚巖鎮。礦床產于泰山巖群山草峪組變質巖中，發育2條主礦帶，總體走向為279°～284°，平行展布，相向而傾[2](圖1)。礦體頂部埋深34.82～298.37m、底部埋深大于800m(尚未控制到底)。設計開采標高為+60m～-970m，開采方式為地下開采，目前已開采至-410m、即將開采-410m以深，采用分段空場嗣后充填采礦法和淺孔留礦嗣后充填采礦法采礦工藝開采。會寶嶺鐵礦山于2009年4月開始基建，2012年開始投產，設計服務年限27年。

1.2 礦床充水分布概況

礦山采用豎井及斜坡道聯合開拓。自礦床開采以來，目前已建立5個豎井和1個斜坡道，形成的主要沿脈坑道系統有-60m中段、-130m中段、-340m中段、-410m中段、-430m中段運輸道以及穿脈坑道系統。該礦山充水主要分布于-410m中段和-430m中段坑道，約占到整個礦山充水量的70%，其次為東風井及斜坡道。由于礦山主要充水點埋深深、排水量大，導致排水成本高，此外，礦山充水對安全生產也構成了一定的威脅。因此，對礦山進行充水來源分析、研究礦井充水機理以及防治水措施，是保障鐵礦資源安全高效開采的前提[3-4]。

1—礦體位置及編號；2—角度不整合地質界線圖1 會寶嶺鐵礦礦體聯合剖面簡圖

2 礦床水文地質條件

2.1 含(隔)水層劃分及富水性分級

通過收集以往資料和近期的多次水文地質工作成果，根據含水介質地層巖性組合特征及地下水賦存條件、富水程度[5-6]，將礦區含水層由上到下主要劃分為4個含水層：第四系松散巖類孔隙含水層、李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層、二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙含水層、變質巖裂隙含水層；主要隔水層為二青山組頁巖相對隔水層(圖2)。其中李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙含水層為蓋層含水層。

2.1.1 第四系松散巖類孔隙含水層

分布于礦區的中部、東北部和東南部，主要成分為砂質黏土、亞黏土組成，一般0～12m，厚度較薄。除了豐水期，多處于干燥無水狀態，民井單位涌水量小于0.1L/(s·m)，為弱富水性的含水層。水文地質意義不大。

表1 研究區內主要含水層一覽表

2.1.2 李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層

該含水層大面積出露于丘陵高地。呈近SN向展布，巖性主要為李官組石英砂巖、佟家莊組粉砂巖，巖層傾向E，傾角8°～15°，含水層厚度50～80m，埋深由西向東逐漸變深。該含水層位于蓋層上部，可通過封閉不良鉆孔及斷層破碎帶對下部二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙含水層及變質巖裂隙含水層進行補給；礦山開采后，該含水層已形成降落漏斗。根據其富水性分為弱富水區和中等富水區。

(1)中等富水區。分布于礦區24勘探線以東，為承壓水，鉆孔單位涌水量0.1748～0.1832L/(s·m)，滲透系數0.1951～0.2791m/d，富水性、透水性中等。

1—第四系松散巖類孔隙含水層(弱富水)；2—李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層(中等富水)；3—李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層(弱富水)；4—頁巖相對隔水層；5—二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙含水層(弱富水)；6—變質巖裂隙含水層(弱富水)；7—第四系；8—寒武紀李官組頁巖段；9—寒武紀李官組砂巖段；10—南華紀佟家莊組砂巖段；11—南華紀佟家莊組頁巖段；12—南華紀二青山組頁巖段；13—南華紀二青山組灰巖段；14—南華紀二青山組砂巖段；15—泰山巖群山草裕組；16—勘探線位置及編號；17—李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙水地下水水位線；18—二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙水地下水水位線；19—會寶嶺鐵礦采礦權范圍；20—斷層及編號；21—抽水試驗孔位置；22—單位涌水量；23—滲透系數；24—礦床深部富水性集中區；25—礦體位置及編號圖2 會寶嶺鐵礦礦區水文地質剖面圖

(2)弱富水區。分布在礦區西部、中南部，為潛水―微承壓水，鉆孔單位涌水量0.008827～0.03863L/(s·m)，滲透系數0.01249～0.0477m/d，富水性、透水性均較弱。

2.1.3 二青山組頁巖相對隔水層

在縱向上分布在整個礦區的中深部，巖性為紫紅色鈣質頁巖，地層產狀穩定，傾角10°～14°，一般厚52～90m，埋深由西向東逐漸變深。該頁巖巖體完整、厚度大，為良好的隔水層，自然條件下阻隔了李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙水的下滲。

2.1.4 二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙含水層

出露于礦區的西部，在縱向上分布于整個礦區，為礦區主要含水層。巖性由泥晶灰巖、含海綠石石英砂巖等組成，一般厚度25～40m，巖層走向10°～15°，傾向SEE，傾角10°～14°，埋深由西向東逐漸變深。鉆孔單位涌水量一般為0.01922～0.0447L/(s·m)，滲透系數0.009～0.1829m/d，富水性弱，透水性弱—中等；總體上富水性由西到東有所增大。礦山開采后，該含水層已形成降落漏斗。

2.1.5 變質巖裂隙含水層

該含水層(不包括斷層破碎帶及其附近)在礦區內位于沉積蓋層之下，主要巖性為黑云變粒巖及礦體，鉆孔單位涌水量0.0067～0.0102L/(s·m)，滲透系數0.00027～0.0067m/d，富水性、透水性微弱，為礦床的直接充水含水層。礦床開采后，該含水層水位大幅度下降。

2.2 構造導水特征

礦內斷裂構造較發育，主要有F1、F2、F3及F3-1斷層。

F1斷層：位于礦區西北部，走向NE65°～70°，傾向NW，傾角65°。斷層延伸規模小，延深較淺，斷距較小，且斷層角礫巖膠結較好，斷層兩側破碎帶一般為閉合裂隙，透水性十分微弱，無大的出水點，僅局部有滴水現象。水文地質條件意義不大。

F2斷層：位于礦區中東部，走向30°～45°，傾向NW，傾角65°，為高角度正斷層。斷層破碎帶鉆孔單位涌水量0.017L/(s·m)，滲透系數為0.0345m/d，具有弱富水性和弱透水性。井下-430m穿脈淋水現象明顯，但淋水量相對較小，尚未發生大的出水現象。

F3斷層：出露位于礦區東南側、深部位于礦區內傾向NW，傾角45°。深部探水階段探出該斷層破碎帶鉆孔單位涌水量0.038～0.15L/(s·m)、滲透系數0.26～0.55m/d，富水性、透水性相對較大，礦床開采時將在-500m～-670m處揭穿該斷層破碎帶。當深處揭露該破碎帶時，由于埋藏深、水壓大，會對礦床充水造成直接影響。

F3-1斷層：為物探控制的小斷層，其水文地質意義尚不明確。

3 礦井充水機理

通過地表及井下水文地質調查、水文地質鉆探、抽水及放水試驗、坑道水文地質編錄、水化學成分測試、水壓測試等工作，形成了一套礦井充水機理研究方法。

3.1 充水類型

3.1.1 現有充水類型分析

通過井下大量水文地質調查工作，對-410m、-430m、-340m等中段充水類型及充水量進行了分析統計：斷層水充水量931m3/d(壁后注漿止水后的充水量)、斷層的次生張性裂隙充水量2189m3/d、封閉不良鉆孔充水量3876m3/d(止水前的充水量)。認為該礦井主要充水類型有2類：一是F2、F3斷層破碎帶及其次生張性裂隙充水、二是封閉不良鉆孔充水。

3.1.2 深部充水類型分析

在礦山深部探礦及水文地質補充勘探階段共在井下-410m中段向下施工了19個探水孔(兼探礦孔)，其中9個孔發生涌水現象。通過放水試驗、水壓測試等工作，進一步查明了礦床深部的充水類型(表2)。有表2可以看出，礦山深部主要地下水類型為斷層破碎帶及其次生張性裂隙水。尤其是28勘探線與32勘探線受F3斷層的影響，為相對富水區。

表2 -410m中段施工的超前探水孔水文地質成果表

3.2 礦井充水水源及導水通道

3.2.1 通過地下水位分析礦井充水水源

由于蓋層各含水層的富水性遠大于深部變質巖的富水性，本次對蓋層各含水層(李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙的含水層)進行了深入調查研究。通過蓋層各層地下水位統測并與礦山開采前各含水層地下水位相比，各含水層水位因礦坑排水均有不同程度的下降。由地下水等水位線可以看出，礦山的充水主要來源于礦區的東部(圖3)，因此，礦區東部各含水層及其斷層破碎導水帶是礦山防治水的重要研究方向之一。

1—采礦權范圍；2—等水位線及水位標高(m)；3—地下水流向；4—斷層及編號圖3 二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙水等水位線圖(2018年)

3.2.2 通過水化學特征分析礦井充水水源及導水通道

由于各含水層地下水化學特征主要受地層巖性、循環條件及補給來源等因素制約，不同含水層的地下水化學特征不同。一般來說，地下水埋藏由淺到深，由低礦化度的重碳酸鹽淡水逐漸變化為礦化度較高的硫酸鹽水或氯化物水[9-10]：即地下水的TDS由埋藏淺到深會越來越高，重碳酸鹽含量會越來越低，通過分析主要出水點的TDS、重碳酸鹽含量等水化學特征與各含水層的水化學特征對比分析，可以準確地找到各出水點的充水來源[7-8]。

以-410m中段ZK3201封閉不良鉆孔突水點為例進行分析，其TDS與重碳酸鹽含量明顯與淺部蓋層的李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙的含水層中TDS與重碳酸鹽含量非常接近(表3)、而與變質巖裂隙含水層的水化學特征TDS與重碳酸鹽含量大相徑庭，說明突水水源來自上部蓋層的李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙的含水層。此外，通過其他離子的濃度，如對比K+、Na+、Ca2+的濃度(表3)也能分析出ZK3201封閉不良鉆孔的水來源于淺部蓋層的李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙的含水層。

同樣方法對ZK2803封閉不良鉆孔水、與F3斷層破碎帶水的來源進行分析，由表3中的數據可以看出：ZK2803封閉不良鉆孔水、與F3斷層破碎帶的水主要來源淺部蓋層的李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙的含水層，少量來源于變質巖裂隙含水層。

表3 重要出水點與礦區各含水層水化學特征對比表 單位：mg/L

3.2.3 通過水壓分析礦井充水水源

通過對ZK3201、ZK2803、ZK2804、ZK1201四個封閉不良鉆孔進行水壓測試，從水壓上分析，ZK3201、ZK2803的水頭高度-410m中段400多米(表4)，基本與李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層的水位標高一致。因此從水壓上分析認為ZK3201、ZK2803鉆孔溝通了淺部蓋層各含水層。

表4 封閉不良鉆孔的水壓測試結果及水源判斷表

綜合以上，封閉不良鉆孔水與F3斷層破碎帶水主要來源上部蓋層各含水層。由于封閉不良鉆孔與F3斷層破碎帶導通了上部各蓋層水，因此其本身即為礦床充水的重要導水通道。

4 礦山防治水措施

根據對本礦山水文地質的分析研究與礦山已實施的防治水措施，建立了一套針對斷層破碎帶及次生張性裂隙帶、封閉不良鉆孔防治水體系。

4.1 斷層破碎帶及次生張性裂隙帶防治水措施

(1)超前探水。目前工作面超前探水在各類礦山防治水上已有廣泛的應用，直接鉆探、地球物理探測等多種方法[11-17]具有較強的可行性。根據本礦山的實際情況采用了直接鉆探法進行超前探水，從-410m中段向下施工探水孔，并準確找到深部充水點的位置及充水類型(表2)，為礦山-410m以深礦段的開采提供了水文地質資料。

(2)工作面預注漿和壁后注漿。工作面預注漿和壁后注漿是礦井治水的重要措施[18-21]。在礦山生產初期(2014年底)在東風井井筒工、主斜坡道及-410m巷道施工過程中，礦山已采取工作面預注漿和壁后注漿的治水措施進行治水，治理后使各出水點的出水量均小于5m3/h，大多數小于1m3/h。后期又多次在-410m、-430m等中段進行了壁后注漿或噴漿止水，并取得一定的止水效果。

建議在-410m以深礦段開采前對已探明的主要充水段、尤其是F3斷層破碎帶進行工作面預注漿止水、對于巷道、井筒施工后依然存在次要的出水點采取壁后注漿措施進行止水。

(3)補給源疏干排水。補給源疏干排水為礦山防治水的常見措施[22]，也是本礦山的防治水措施之一。礦山生產初期(2014年底)在礦區中南部施工了一眼深150m貫穿整個蓋層的疏干排水井(圖3)，該井自從建成后一直處于疏干排水狀態。排出的地下水一方面用于礦山生活用水，同時也減少了礦山深部的充水水源。

4.2 封閉不良鉆孔防治水措施

由于井下揭露的封閉不良鉆孔較多，針對不同封閉不良鉆孔的出水量、水壓不同，分別采取了孔底點注漿、分段泄壓注漿法、截水墻注漿法進行注漿止水[23]，并取得良好的止水效果。具體注漿方法及注漿前后的出水量見表5。

表5 不同類型封閉不良鉆孔的注漿方案表

其中對ZK2803采用分段泄壓注漿措施，注漿設計見圖4。由圖4可以看出具體施工方案：由0 孔(孔底)注漿，1淺孔返水泄壓直到1淺孔返漿，此時停止注漿形成注漿填體 A；待A漿液凝固后由1孔注漿，2淺孔返水泄壓直到2淺孔返漿，此時停止注漿形成注漿填體B；以上步驟依次進行向上泄壓注漿，直到水壓小于4MPa時直接進行鉆孔注漿。

1—注漿填體位置及編號；2—泄壓注漿孔及編號；3—礦體位置及編號圖4 ZK2803分段泄壓注漿設計圖

由于ZK3203封閉不良鉆孔不僅水壓高、涌水量也大，漿液易被沖走，采用了截水墻注漿方法并取得良好的治理效果。具體治水措施：在礦房外邊施工2m厚的截水墻(截水墻底部及兩側嵌入基巖500mm、上部采用錨桿加固、墻體按 300mm×300mm間距綁扎Φ28mm 螺紋鋼加固，墻體留有9個臨時放水孔起到臨時泄壓作用)；待截水墻凝固達到設計抗壓強度后進行注漿，注漿凝固后關閉臨時泄水孔(圖5)。

圖5 截水墻注漿設計圖

4.3 防治后的水量變化

礦山從2014年10月以來進行了多次工作面預注漿、壁后注漿、疏干排水等止水工作，2018年對封閉不良鉆孔進行注漿止水，均取得了顯著的治水效果，使礦床深部涌水量由2014年10月的12200m3/d減少到2019年年底的5100m3/d。各階段的防治水效果見表6與圖6。不僅節約了礦山排水成本，同時也降低了礦井突水的風險。

表6 治水措施實施時間與排水量變化對應關系表 m3/d

圖6 治水措施實施時間與排水量變化對應關系曲線圖

4.4 下一步的防治水方向

(1)礦山現有涌水量尚有5100m3/d，排水量依然較大，應對各中段、斜坡道的出水點進一步進行壁后注漿或噴漿止水。

(2)進一步探查礦區潛在的封閉不良鉆孔，一旦查出分析其充水來源，并采用注漿方式切斷其補給通道。

(3)礦床東部富水性較強，尤其是在-500m～-670m處F3斷層破碎帶導水通道貫穿礦體，存在突水隱患，建議在該礦段開采前對F3斷層破碎帶進行工作面預注漿止水。

5 結語

(1)通過水文地質鉆探、抽水及放水試驗、水壓測試等水文地質工作，結合井下各出水點的水化學特征與水壓，分析了該隱伏礦床的礦井充水機理。礦床充水類型：一是坑道揭露斷層破碎帶及其次生的張性裂隙帶充水、二是封閉不良鉆孔充水；封閉不良鉆孔與F3等斷層破碎帶也是礦井充水的重要通道；充水水源主要來源于上部蓋層水。

(2)針對斷層破碎帶及張性裂隙提出了工作面超前探水、工作面預注漿—壁后注漿相結合的防治措施；針對封閉不良鉆孔提出了孔底點注漿、分段泄壓注漿、截水墻注漿以及疏干排水等措施。各措施已應用于本礦山并取得較好的治水效果，同樣對該礦山深部開采及相鄰礦山的生產起到一定的指導作用。

(3)F3斷層破碎帶是下一步開采的重點防治區，建議在該礦段開采前對F3斷層破碎帶進行工作面預注漿止水。