龙塘沿铁矿水文地质研究及防治水措施.pdf

龙塘沿铁矿水文地质研究及防治水措施 ① 南晋武（五矿矿业控股有限公司，安徽合肥２３００００）摘要结合龙塘沿铁矿探水孔、探矿孔等的施工揭露情况，研究了该矿水文地质条件，指出了其充水原因；通过矿山防治水实践，找出了影响井下近矿体帷幕防治水效果的主要因素，提出了矿井突水防治的补充措施。实践结果表明，龙塘沿铁矿防治水效果良好，达到了有效保护矿区周边地下水资源及绿色、安全开采的目的，防治水对策可供其他类似矿山工程借鉴。关键词龙塘沿铁矿；水文地质；防治水；突水防治；帷幕注浆中图分类号Ｐ６４１文献标识码Ａｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０１．００７文章编号０２５３－６０９９（２０２０）０１－００３３－０３ＨｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＷａｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌＭｅａｓｕｒｅｓｆｏｒＬｏｎｇｔａｎｇｙａｎＩｒｏｎＭｉｎｅＮＡＮＪｉｎ⁃ｗｕ（ＭｉｎｍｅｔａｌｓＭｉｎｉｎｇＨｏｌｄｉｎｇｓＬｉｍｉｔｅｄ，Ｈｅｆｅｉ２３００００，Ａｎｈｕｉ，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆＬｏｎｇｔａｎｇｙａｎＩｒｏｎＭｉｎｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅｂｙｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｈｏｌｅｆｏｒｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇａｎｄｗａｔｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｉｎｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎＬｏｎｇｔａｎｇｙａｎＩｒｏｎＭｉｎｅ，ａｎｄｔｈｅｃａｕｓｅｆｏｒｔｈｅｗａｔｅｒｆｉｌｌｉｎｇｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｗａｔｅｒｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｈｅｍｉｎｅ，ｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｂｙｃｕｒｔａｉｎｇｒｏｕｔｉｎｇｎｅａｒｔｈｅｏｒｅｂｏｄｙｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗａｓｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ，ａｎｄｓｏｍｅｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈ．Ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｏｓｅｍｅａｓｕｒｅｓ，ＬｏｎｇｔａｎｇｙａｎＩｒｏｎＭｉｎｅｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｇｏａｌｏｆｍｉｎｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｇｒｅｅｎａｎｄｓａｆｅｗａｙｗｉｔｈｔｈｅｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｒｏｕｎｄｔｈｅｍｉｎｉｎｇａｒｅａｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｐｒｏｔｅｃｔｅｄ．Ｓｕｃｈｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｓｃａｎｂｅｔａｋｅｎａｓｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｏｔｈｅｒｓｉｍｉｌａｒｍｉｎｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔｓ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＬｏｎｇｔａｎｇｙａｎＩｒｏｎＭｉｎｅ；ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙ；ｗａｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ；ｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ；ｃｕｒｔａｉｎｇｒｏｕｔｉｎｇ龙塘沿铁矿位于安徽和县十四联圩，联圩东、西、南三面分别是长江、裕溪河、牛屯河，东侧与芜湖市隔江相距约１０ｋｍ。矿床赋存于钠长石英闪长岩与三叠系中统徐家山组灰岩接触带上，为接触交代⁃热液铁矿床，地质储量共３３５５．８４万吨，平均品位３７％左右。主体部位赋存标高－２２８～－３３８ｍ，处在地下水位以下，矿床顶板及围岩为徐家山组灰岩，厚度较大，溶孔、溶蚀裂隙较发育，富水性强，水头压力较高，顶底板直接进水，为水文地质条件复杂的岩溶裂隙直接充水矿床（图１）。该矿于１９８８年开始进行地质勘探，２００８年开工建设，２０１８年正式投产，采矿方法为充填法。最近十多年来，矿山进行了多次水文地质研究，并采取了近矿体帷幕注浆堵水技术，基本实现了首采段的安全开采［１］。随着矿山逐步向深部开采，防治水难度逐渐加大，井下突水仍然是困扰该矿山安全生产的一大难题，矿山水文地质情况亟待进一步研究。本文以龙塘沿铁矿的防治水实践为例，探讨矿山水文地质特征分析方法及防治水对策，为工程实践提供参考。１矿床水文地质条件研究１．１矿床水文地质揭露工作龙塘沿铁矿目前已建成投产，施工了５条井筒（主井、副井、措施井、南风井、北风井）、５条巷道（－２２０ｍ、－２４０ｍ、－２６０ｍ、－２８０ｍ、－３２０ｍ）、１５０多个近矿体帷幕注浆孔及数百个超前探水、探矿孔。施工过程中揭露了以下水文地质情况１）井筒掘进－８０～－２３０ｍ处，闪长岩裂隙发育，晶洞、晶孔特别发育，涌水量较大；在－２８０～－３３５ｍ，岩石较破碎，裂隙较发育，裂隙导水性相对上部有明显减弱。 ①收稿日期２０１９－０８－１３作者简介南晋武（１９７４－），男，甘肃会宁人，高级工程师，主要从事矿山水文地质工程地质环境地质等工作。第４０卷第１期２０２０年０２月矿矿冶冶工工程程ＭＩＮＩＮＧＡＮＤＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．４０ №１Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０２０万方数据图１矿区地层与矿体分布深度示意２）巷道施工徐家山组裂隙岩溶含水地层含有大量溶洞，富水性强，在－１２０ｍ南巷发生较大突水，掌子面瞬间涌水量高达１２００ｍ３／ｈ，并造成淹井事故。３）探水孔施工在－１２０ｍ平巷揭露到溶洞或晶洞，单孔涌水量超过１００ｍ３／ｈ，涌水中含有有毒易燃气体，说明与地表池塘水体水力联系密切；在－２４０ｍ、－３２０ｍ分别揭露一条较宽的蚀变破碎带，单孔瞬间最大涌水量达到２６０ｍ３／ｈ，静水压达３ＭＰａ以上，６个钻孔总涌水量超过４００ｍ３／ｈ。４）探矿孔施工Ｊ９线～Ｊ１３线在－２１５～－３００ｍ标高矿体接触带附近，单孔最大涌水量５０～６５ｍ３／ｈ。１．２矿床充水因素通过深入分析探水孔、探矿工施工等揭露的水文地质情况，发现龙塘沿铁矿矿床的主要充水水源是地表池塘水、第四系孔隙水和三迭系中统徐家山组灰岩含水。对以上３个充水因素详细说明如下１）地表池塘水。现场施工发现坑下多处涌水中含有有毒易燃气体，工作面有毒易燃气体超标，这在没有煤系地层的金属矿山是很少见的。研究认为，地表池塘产生的有毒易燃气体，随水流沿孔隙、裂隙、溶洞等导水通道带入坑下，证明地表池塘水可加大矿坑涌水量，并有可能引起突水危害。２）第四系孔隙水。工程揭露发现井下各中段大多数涌水点含泥沙并呈黄褐色，裂隙、溶洞中也有不同程度的泥沙充填。徐家山组灰岩含水层是矿体的直接顶底板，构成了开采巷道的大部分围岩。研究认为第四系孔隙水主要通过长期淋滤形成通道与灰岩破碎带、裂隙带沟通对灰岩地下水进行补给。３）三迭系中统徐家山组灰岩含水层以裂隙或溶蚀裂隙为主，对矿坑直接充水。近矿体帷幕注浆设计的注浆量为０．８ｔ／ｍ，施工中实际注浆量最高０．７ｔ／ｍ，大部分０．２１～０．６７ｔ／ｍ，平均０．２２ｔ／ｍ。研究认为，该含水层岩溶裂隙发育和充填程度不均，不同地段矿坑充水程度也有较大差别。２龙塘沿铁矿防治水实践２．１防治水方法选择大水矿山的防治水方法主要有疏干排水和帷幕注浆［２］。 ① 若采取疏干排水为主的防治水方式，需大量排水形成疏干降落漏斗，地下水位下降到安全水头以下。结果必将破坏当地天然水资源平衡，引起地面沉降或塌陷，减少供水量和恶化环境。 ② 若采取地面帷幕注浆防治水方式，由于含水层分布在矿体四周及顶底板，矿床进水通道多而宽阔，势必需要采用全封闭帷幕形式，堵水效果难以保证。 ③ 若采取近矿体帷幕注浆防治水方式，充填法采矿具备矿体顶板及围岩不被破坏的先决条件，有相似矿山防治水成功的案例，又能最大限度地保护天然水资源平衡，可有效减少防治水工程和排水费用。基于以上分析，龙塘沿铁矿最终选用了近矿体帷幕注浆防治水方式。２．２龙塘沿铁矿近矿体帷幕注浆工程实践龙塘沿铁矿从２０１７年４月开始实施井下近矿体帷幕注浆工程，施工选用普通硅酸盐４２．５号水泥，单液水泥浆浓度按水灰比２∶１、１．５∶１、１∶１和０．８∶１等４个级别配比，浆液消耗量按０．６～１．０ｔ／ｍ控制，浆液有效扩散半径按１０ｍ考虑，注浆终压根据实际情况控制在１０～１２．５ＭＰａ。在终值压力下，注浆段吸浆量小于２０～３５Ｌ／ｍｉｎ，持续３０ｍｉｎ后结束注浆。如涌水量小于０．０２ｍ３／ｈ，则认为合格，否则进行直接堵漏注浆，直至达到要求。至２０１８年１０月，Ｊ９～Ｊ１３线范围内井下近矿体帷幕注浆主体工程基本完成，已达到注浆效果，部分矿房已进入试生产阶段。２．２．１穿脉探水注浆穿脉探水注浆的主要作用是查清矿床顶板围岩水文地质、工程地质特征，减少矿井的涌水量，保证矿山生产安全正常进行，同时为井下近矿体帷幕注浆加密工程打下坚实的基础。工程实施时，部分地段水文地质条件及矿体边界较预期发生变化，有些钻孔施工与矿山生产出现冲突，所以及时对部分钻孔的开孔位置、４３矿冶工程第４０卷万方数据方位、倾斜角度及孔深等相关设计参数进行了调整。在－２４０ｍ、－２６０ｍ、－２８０ｍ水平施工穿脉探水注浆孔６１个，总进尺２７９６ｍ，单孔揭露最大涌水量１４０ｍ３／ｈ，最大水压２．４ＭＰａ。单孔最大单位注入量３ｔ／ｍ，部分０．２６～０．７ｔ／ｍ，大部分钻孔注浆量均低于０．１ｔ／ｍ，平均注入量０．３１ｔ／ｍ，注浆量８７７ｔ。实践结果表明，矿体围岩裂隙不发育，连通性差，浆液扩散半径小，可注入性差。２．２．２顶板帷幕注浆在矿房顶板围岩布置１５ｍ１５ｍ网度的注浆孔，通过注浆形成有效厚度不低于３０ｍ的近矿体注浆盖层帷幕，实现了矿体的安全开采。在矿体顶部－２２０ｍ、－２４０ｍ水平施工帷幕顶板注浆孔４１个，总进尺２３４５ｍ，单孔揭露最大涌水量７２ｍ３／ｈ，最大水压２．４ＭＰａ。单孔最大单位注入量０．３２ｔ／ｍ，大部分钻孔注浆量在０．１２ｔ／ｍ左右，部分低于０．０５ｔ／ｍ，平均注入量０．１１ｔ／ｍ，注浆量２６０ｔ。通过对实践结果进行分析，认为前期穿脉探水注浆已对部分围岩裂隙进行了有效封堵，顶板围岩可注入性进一步降低。２．２．３加密注浆及检查孔注浆根据帷幕注浆前期工程及巷道掘进揭露情况，分析认为４⁃１１采场顶板围岩及其附近矿岩接触破碎带、４⁃１溜井附近顶板围岩等存在注浆薄弱区；Ｊ９～Ｊ１１线间矿体顶板附近存在探水盲区（图２）。为此，进行了针对性加密钻孔注浆，以便最终形成没有薄弱地带的注浆帷幕。在－２２０ｍ、－２４０ｍ、－２８０ｍ水平施工加密注浆钻孔５４个，累计孔深２７６５ｍ，平均注入量０．０５９ｔ／ｍ，注浆量１６３ｔ。检查孔１０个，累计孔深５０３ｍ，平均注入量０．０３７ｔ／ｍ，注浆量１８．５ｔ。施工中发现大部分钻孔为干孔或涌水量很小（小于２ｍ３／ｈ），少部分钻孔出现较大涌水，主要集中在４⁃１１采场附近矿岩接触带及４⁃１溜井附近围岩裂隙以及３⁃２采场附近围岩裂隙，各处单孔最大涌水量分别为７０、５０和１２ｍ３／ｈ，水压均小于１．５ＭＰａ。部分钻孔揭露岩溶裂隙见到水图２坑下－２６０ｍ水平采场布置示意泥结石。实践结果表明，前期探水注浆和顶板帷幕注浆，对矿床充水的主要通道基本封堵充填，加密注浆孔揭露了注浆薄弱区的含水裂隙和注浆盲区，通过加密封堵，对近矿体帷幕起到补充、完善和检查的作用。２．２．４防治水效果井下近矿体帷幕注浆的最终目的是在矿体周围形成一定厚度的注浆防水盖层［３］。通过上述工程的实施，达到了防治水的效果，现将龙塘沿铁矿防治水效果说明如下① 从开始的穿脉孔到最后的加密检查孔，钻孔涌水量、单位注浆量呈现明显的由大到小的递减趋势，矿床充水通道得到有效封堵。 ② 前期钻孔涌水水压在２～２．４ＭＰａ之间，水头标高接近地表，加密钻孔涌水水压最大为１．５ＭＰａ，大部分小于１ＭＰａ。研究认为，近矿体帷幕基本形成，出现帷幕内静水压与帷幕外天然静水压差。 ③ 钻孔单位平均注浆量０．２２ｔ／ｍ，远小于设计值０．８ｔ／ｍ。实际揭露发现，矿岩接触、构造断裂破碎带范围单位注浆量０．７ｔ／ｍ，其他的远小于设计值。分析后可知，围岩裂隙开度小、连通性差且不均一、浆液扩散半径小，是钻孔单位平均注浆量远低于设计值的主要原因。 ④ 开采的３⁃４、３⁃１２及４⁃１１等采场，除４⁃１１采场靠近４＃穿脉矿岩接触带附近顶板有少量淋水外，其余基本没有渗、淋水现象，顶板稳固性较好，表明近矿体注浆帷幕起到了一定效果。３矿井突水防治补充措施３．１堵、排水方式相结合龙塘沿铁矿矿床围岩裂隙开度小，连通性差且不均一，浆液扩散半径小，单位注浆量少，直接影响到近矿体帷幕的有效厚度、强度及堵水效果。部分钻孔揭露接触带、断裂带、溶洞等岩溶构造时涌水量大（１４０ｍ３／ｈ），水压高（２．４ＭＰａ），有的直接与地表池塘水沟通（涌水含有毒易燃气体），坑下的突水风险较高。研究认为，采用堵、排水相结合的方式，在严控注浆堵水质量，提高堵水效果的同时，必须加大坑下设防排水能力，及时排出突发性、不确定性因素造成的突水，提高安全生产系数。目前已经完成了Ｊ９～Ｊ１３线范围内的帷幕注浆工程，实现了－２６０ｍ水平３⁃４、３⁃１２及４⁃１１等采场的安全采矿。３．２加固采空场顶板帷幕，及时接顶充填龙塘沿铁矿矿房顶板一般为灰岩、矿体夹层及矿岩接触带，工程地质条件较差，往往是近矿体帷幕的薄弱地带。采矿过程的爆破扰动和采空后围岩应力的失衡，可能会引起帷幕的沉降变形或裂隙，诱导帷幕透水，设计采用了不小于６ｍ的长锚索支护加固采空场（下转第４０页）５３第１期南晋武龙塘沿铁矿水文地质研究及防治水措施万方数据５环境和社会效益分析１）本项目的实施，利用了选矿厂的全部尾砂，实现废物综合利用，污染物消减量大。胶结尾砂中不掺入任何有害化学制剂，也不会产生二次污染。２）本项目运行将减少尾矿地表堆存占地和扬尘污染，杜绝尾矿外排造成的安全隐患和环境污染，甚至可以取消尾矿库，可从根本上解决地表尾矿库带来的安全隐患。同时又能改善塌陷区带来的安全隐患，使区域生态得到一定补偿和恢复，对生态环境产生有利影响。３）本项目将突破性地解决选矿尾矿库和地下采矿塌陷区两个重大危险源，为地下开采空区治理提供新路径和技术支撑。该项目若成功实施，对于国内外同类矿山具有良好的推广应用价值，对我国金属矿山尾矿处理和地下采矿技术进步将产生有力推动作用。因此，该项目的建设具有良好的环境效益和社会效益。６结语通过对北洺河铁矿塌陷区的稳定性分析以及对全尾砂膏体制备、输送、胶结充填技术的可行性试验研究，并结合经济估算、环境和社会效益等综合分析，认为北洺河铁矿全尾砂胶结充填治理塌陷区的项目完全可行。参考文献［１］河北冀拓应急科技有限公司．五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿塌陷区稳定性分析研究报告［Ｒ］．２０１９．［２］长沙矿冶研究院有限责任公司．五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿尾矿塌陷区堆存技术研究报告［Ｒ］．２０１８．［３］曾建红．尾矿膏体形成机理浅析［Ｊ］．矿冶工程，２０１９，３９（４）７５－７８．［４］郭春攀，胡乃联，程海勇，等．膏体深锥浓密系统可靠性分析及系统优化研究［Ｊ］．矿冶，２０１６（２）５－８．引用本文汪光德，原明亮，曾建红，等．北洺河铁矿全尾砂胶结充填治理塌陷区的可行性研究［Ｊ］．矿冶工程，２０２０，４０（１）３６－４０． 􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎 （上接第３５页）顶板帷幕。在灰岩、闪长岩和矿体相接的三角地带，出现了岩石破碎、顶板冒落，故设计留置永久矿柱。为避免沉降裂隙诱导突水、减少应力沉降，施工时严格控制爆破空间和空场暴露时间，对空场及时充填，并进行注浆接顶。３．３超前探水，“逢掘必探、探注结合” 近矿体帷幕相对于地表帷幕、疏干放水等防治水方式，其最大的局限性是后防水，有效帷幕的形成受井巷工程完成限制和矿岩界线准确度影响较大［４］。龙塘沿铁矿某些井巷施工滞后，部分地段矿岩界线发生较大变化，致使相当部分注浆孔被动调整，影响到帷幕质量和堵水效果。加之矿体围岩裂隙开度小，连通性弱且不均一，浆液扩散半径和注浆量远小于设计值，造成部分注浆堵水薄弱地带。所以超前探水、“逢掘必探、探注结合”是近矿体帷幕防治水方式的有力补充措施。施工时结合不同地段围岩性质，适当调整超前探水孔的布置，长探与短探、探水与注浆相结合，超前发现，及时封堵。３．４建立完善地下水观测系统矿区地下水的动态观测，在矿山防治水中极为重要。龙塘沿铁矿地表观测孔已经破坏，坑下水文观测站不完善，使得很难掌握地下水动态特征。所以有必要建立完善地下水观测系统，对地下水位、坑内水压及矿井涌水量进行持续监测，掌握地下水位动态变化、涌水量变化规律，为防治水方案的制定提供基础数据。４结语１）龙塘沿铁矿矿床的主要充水水源是地表池塘水、第四系孔隙水和三迭系中统徐家山组灰岩水，构造裂隙、矿岩接触带是矿床的主要充水通道。２）实践结果表明，龙塘沿铁矿采用近矿体帷幕防治水的方式达到了防治水注浆效果，部分矿房已进入试生产阶段，说明该方法适合本矿山实际，可供其他类似矿山工程借鉴。３）井下近矿体帷幕形成受井巷工程完成限制和矿岩界线准确度、围岩裂隙连通度影响较大，存在部分堵水薄弱地带。研究认为，堵排水相结合、加固采空场顶板帷幕并及时接顶充填、超前探水、“逢掘必探、探注结合”、建立观测系统是近矿体帷幕防治水方式的有力补充措施。参考文献［１］辛小毛，谢世平，徐磊，等．龙塘沿铁矿首采矿段防治水综合技术研究报告［Ｒ］．长沙长沙矿山研究院有限责任公司，２０１９．［２］孙翠华，曾先贵．某铁矿井下近矿体帷幕注浆堵水及其效果评价［Ｊ］．采矿技术，２０１１，１１（４）９５－９６．［３］徐磊，李飞，辛小毛．近矿体帷幕注浆在某大水矿山的应用［Ｊ］．矿业研究与开发，２０１５，３５（３）６８－７１．［４］徐加夫．铁矿床开采井下近矿体帷幕注浆技术及应用［Ｊ］．中国矿业，２０１２，２１（１２）７８－８１．引用本文南晋武．龙塘沿铁矿水文地质研究及防治水措施［Ｊ］．矿冶工程，２０２０，４０（１）３３－３５．０４矿冶工程第４０卷万方数据

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