湖南界牌岭矿构造控水机理及其防治对策.pdf

2 0 0 9 年第1 期勘察科学技术 3 3 湖南界牌岭矿构造控水机理及其防治对策 周念清董文烨 江思珉 同济大学水利工程系上海市2 0 0 0 9 2 提要界牌岭矿是典型的构造控水矿床．根据矿区地质构造、水文地质条件及抽水试验资料，并结合矿井排水诱发 的河流严重漏失和差异性地面塌陷等问题，该文重点分析了矿区范围内的构造控水特征，对矿区导水构造进行了 重新判别，认为F 4 断层是矿区的主要控水和导水构造。并探讨了界牌岭矿地F 水的主要来水方向及可能的最大 涌水量，提出了地下水防治措施，为矿山安全开采提供了依据。 关键词界牌岭构造控水导水构造最大涌水量防治对策 W a t e rS t r u c t u r a lC o n t r o l l i n gM e c h a n i s ma n dP r e v e n t i o nC o u n t e r m e a s u r e s i nH u n a nJ i e p a i l i n gD e p o s i t Z h o uN i a n q i n g D o n gW e n y eJ i a n gS i m i n D e p a r t m e n to fH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g ，T o n g j iU n i v e r s i t y A b s t r a c t J i e p a i l i n gd e p o s i ti st h et y p i c a lw a t e rc o n t r o l l e dd e p o s i tb yg e o l o g i cs t r u c t u r e ．A c c o r d i n gt ot h ed e - p o s i tg e o l o g i cs t r u c t u r e ，h y d r o g e o l o g i cc o n d i t i o na n dp u m p i n gt e s td a t a ，c o m b i n i n gw i t hs e r i o u sf i v e rl e a k a g e a n dd i f f e r e n c es u r f a c ec o l l a p s ei n d u c e db ym i n ed r a i n a g e ，t h ew a t e r - c o n t r o l l i n gs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa r e m a i n l ya n a l 删i nd e p o s i t 搠，w a t e rc o n d u c t i v es t r u c t u r ei sa n c f f 6 d i s t i n g u i s h e d ，f a u l tF 4i st h em a i nw a t e r - c o n t r o l l i n ga n dw a t e rc o n d u c t i v es t r u c t u r e ，t h em a i ng r o u n d w a t e rf l o wd i r e c t i o na n dt h ep o s s i b l em a x i l n U n li n f l o wo fw a t e ra r es t u d i e d ，t h ep r e v e n t i o ne o t m t e 栅u r e sa r ep m p o s e d ．T h eb a s i si ss u p p l i e df o rs a f e t ym i n i n g ． K e y w o r d sJ i e p a i l i n g ；w a t e r - c o n t r o l l i n gs t r u c t u r e ；w a t e rc o n d u c t i v es t r u c t u r e ；m a x i m u mh y d r a u l i cd i s c h a r g e ； c o u n t e 栅u r e s 1 引言 地下水问题一直是矿山开采过程中需要重点防 范和解决的问题，特别是大水矿山。这类矿山开采 过程中的大量排水既会增加开采成本，又会诱发周 围的环境问题，还可能危及人身安全。国内外矿山 突水或涌水事件时有发生，主要有两个方面的因素 一是矿区水文地质条件没有完全查清，二是未按设 计要求违规开采。有关矿山地下水突水和防治的研 究成果比较多，已从突水评价【l 以1 上升到突水机理 分析【4 】，并通过监测系统实现信息系统管理，对矿山 安全开采进行预报’6 1 。 本文以湖南郴州南部界牌岭矿为研究对象。该 矿区面积6 肼，矿区内最高处标高5 5 0 m ，矿体埋藏 作者简介周念清 1 9 6 4 一 ，男．博士、教授 博士生导师 ，主要从事 地下水资源与水环境方匝的研究。 收稿日期2 0 0 8 一1 1 2 0 浅，揭开表土即见矿体。标高2 9 5 m 以上为含铍萤 石矿，下部为锡铜矿，拟开采标高为一8 0 m 。按照 1 9 9 8 年矿产评估，界牌岭矿价值约9 4 亿元。该矿具 有典型的构造控水特征，矿山排水已造成穿越矿山 的河流严重漏水，岩溶塌陷明显，并引起附近村庄房 屋开裂等问题。地下水问题已成为制约矿山开采的 重要因素，因此有必要通过分析矿山地质构造及水 文地质条件，提出切实可行的矿山防治水措施。 2 矿山地质构造及水文地质条件 2 ．1 矿区地层及地质构造 界牌岭矿区为一倾伏短轴背斜，属官余复式向 斜中的次一级褶皱，它由更次一级的三个小背斜和 三个小向斜组成，主背斜轴向N E 2 3 0 ，轴面向S E 倾 斜，该背斜以1 5 。～酬顷伏角向N N E 倾伏于良田坪。 矿区主要出露的地层为上古生界石炭系下统的石磴 子组 C ，出 、测水组 C 。。 、梓门桥组 C ，。 和中上统壶 万方数据 勘察科学技术 2 0 0 9 年第1 期 天群 c 2 妯 ，并零星分布有白垩系 K 地层。石磴 子组下段岩性为白云岩、白云质灰岩、灰岩，上段为 中薄层状灰岩、含炭质泥质生物碎屑灰岩；测水组岩 性为中一厚层细砾石英砂岩、石英粉砂岩、砂质页 岩、含砾石英砂岩、砂砾岩、炭质页岩及劣质煤层；梓 门桥组岩性为海相碳酸盐岩沉积层；壶天群为白云 岩；白垩系地层为紫红色砂岩、砂砾岩、钙质砂页岩 等。 矿区断裂构造较为发育【7 ’8 】，如图l 所示。按其 产状可分为三组1 近S N 向断裂，主要有4 条F I 、 F 3 、F 4 、F s ，走向一般N E l 5 。, 其中F l 、F 3 、F 4 为正断层， 产状1 1 0 0 么5 0 。一8 0 0 ；R 为走向逆断层，产状2 8 0 。一 2 9 0 0 么6 0 0 。其中断层F 4 规模较大，走向长3 4 k m ， 分布于倾伏背斜轴部，该断层有多期活动，早期表现 为张性特征，而后期又表现为压扭性特征，破碎带宽 度为5 0 7 0 m 。2 N W 向断裂主要有4 条，分别为 ‰、‰、F 舳l 、k ，走向2 9 5 03 2 0 0 ，产状3 5 。一5 0 。 L 4 0 “ 一7 护，均为张扭性横断层。3 N E 向断裂包 括氏。、k ，为压扭性横断层，走向N F _ Y 3 W ，倾向N W ， 倾角7 妒．8 0 。。 [ 刁 水文地质界线 圆 断层及稿号 囡 上升泉及流量 L ／s 困 涌水钻孔及编号 回地面塌陷 圆坑道编号 囫地袤水及流向‘ c 。一澍水缉隅水层 。。一石磴子组含水层 c 。，c 。一壹天群、梓门桥组含水层 省道1 8 0 6 线 图l 矿区地质构造及水文地质图 根据参考文献[ 8 ] 插图结刽7 1 报告修改 2 ．2 矿区构造水文地质特征与水文地质单元划分 根据矿区分布地层的含水特征和隔水性能，可 分为两个含水岩组和两个隔水岩组1 上部含水岩 组由壶天群白云岩和梓门桥组白云岩组成，具有统 一的含水系统，矿区中等富水；下部含水岩组由石磴 子组灰岩和盂公坳组灰岩组成；2 隔水层主要有测 水组砂页岩和锡矿山组上段砂页岩，测水组砂页岩 是矿区主要的隔水层。 矿区近s N 向的四条断层中，F 1 、F 3 、B 断层多闭 合，破碎带不甚发育，结构面紧密，胶结性良好，一般 不含水，导水性差【8 】。根据注水试验结果，断层F 1 单 位吸水量为0 ．1 5 3 4k0 ．2 0It s m ；F 3 单位吸水量为 0 ．0 3 8 8 L ／s m ；F 4 断层位于背斜轴部，破碎带宽度5 0 。 7 0 m ，断层两侧裂隙及岩溶较发育，导水性能强，单位 、吸水量为1 ．8 0 6 ～3 ．3 1 0 L ／s m ；P D 3 7 5 坑道穿越F 4 断 层，揭露地段有较多的流水点，其流量为1 ．4 I ．／s 左右。 N W 向的四条主要断层‰、‰、％、k 均为张扭性 横断层，该组断层常表现为错断S N 向断层，一般规模 较小，但破碎带较发育，与北东向断裂交错，有较好的 导水性能，且沟通良田溪地表水体，在相交部位有较 大流量的泉水出露，可形成地下水渗流通道。 矿区北部倾伏背斜倾没端上覆测水组砂页岩隔 水层作为隔水边界，矿区东面存在测水组砂页岩隔 水边界和F 3 走向断层隔水边界，矿区的西面测水组 砂页岩和F l 走向断层作为隔水边晃。矿区为一倾 伏背斜构造，东、西、北三面为隔水性能良好的测水 组砂页岩形成隔水边界。矿区石瞪子组含水层与壶 天群、梓门桥组含水层地下水发生水力联系的通道 是矿区内发育的近s N 向断层和N W 向断层，这两组 断层破坏了测水组砂页岩隔水边界的完整性【8 ] 。 2 ．3 区域地下水的补给、径流、排泄条件 区域地下水的主要补给来源为大气降水渗入补 万方数据 2 0 0 9 年第1 期勘察科学技术 3 5 给，其次是地表水沿途渗漏补给地下水，大气降水经 地表岩溶陆地、漏斗、落水洞和松散堆积物汇集渗 入，注入地下，然后沿浅部岩溶管道或断裂破碎带、 接触破碎带、风化破碎带径流。地下水的总体运动 方向是由南向北、北东方向径流，在北端良田村一带 以泉水的形式溢出地表，泉水最大流量2 ．6 L ／s 。 3 构造控水机理分析 3 ．1 断裂构造与矿化活动的关系 断裂构造与矿化活动密切相关，矿体与围岩的 接触关系也决定了地下水的赋存和活动规律。根据 矿产勘探报告，断裂构造与矿化活动分为三期 1 成矿前断裂，包括F I 、F 3 、F 4 走向断层，F I 位 于主背斜西翼，F 3 位于背斜东部，F I 、F 3 控矿不明 显，位于背斜轴部，产状近乎直立； 2 成矿后断裂，它包括F 5 走向断裂及‰、 k 、‰、‰等横断层，它们错动成矿后断裂，对矿 体起破坏作用； ． 3 “愈合”断裂，它是热液矿液沿早先形成的断 裂上升，同围岩发生充分的交代，使原先断裂两盘的 岩石从整体上保持连续，无明显断层面。其中，F 4 在成矿前、成矿期和成矿后均有活动，F 4 断层是界 牌岭矿区最主要的导岩、导矿和控岩、控矿断裂。 3 ．2 矿区导水、控水构造分析 归纳前人的研究成果，矿区主要断层性质及规 模如表1 所示。 表1 矿区内主要断裂的几何特征及规模 矿区断层纵横交错，其中F 4 断层是矿区导水性 能最好的断层，其破碎带宽度达5 0 ～7 0 m ，它位于倾 伏背斜的轴部，裂隙发育，构成降水下渗的良好通 道，从而导致该地段岩溶也发育，富水性增强，因此， F 4 断层是矿坑充水的主要因素，是本矿区的主要控 水构造。同时，F 4 断层被‰、F 犯、F ‰和F 妞断层错 断，构造相互贯通，具有一定的导水性，特别是与F 4 断层切割的‰断层，对矿区导水起明显的控制作 用。 界牌岭矿自2 0 0 0 年6 月至今，已开掘一条明斜 井、三条盲斜井 如图1 所示 。其中明斜井 X J S 0 0 延伸至2 4 0 m 中段；从2 4 0 m 中段分别向N E 及N N E 掘进l 。、2 ’盲斜井，已分别掘进至标高6 7 ．0 m 和 1 6 5 ．0 m ；3 。盲斜井由2 4 0 m 中段向N W 延伸与P D 3 7 5 平巷相连接。矿山从2 0 0 0 年9 月2 6 日掘进斜井和 平巷等坑道设施以来，自2 0 0 1 年6 月8 日至2 0 0 3 年 7 月1 0 日，有十余处遇裂隙和溶洞突水，突水标高 在8 0 3 1 6 m 之间，涌水量4 0 ～1 8 0 m 3 ／h ，一般为 1 0 0 m 3 ／h ；2 0 0 1 年6 月8 日和2 0 0 3 年7 月1 0E l 出现 二处遇溶洞突水，流量分别是2 0 0 0 m 3 ／h 和5 1 9 2 m 3 ，h 。矿山于2 0 0 3 年1 1 月3 日停止掘进，矿坑水位 控制稳定在2 4 0 m 标高，排水量为1 0 0 0 m 3 ／d 。 根据巷道掘进过程中出现的突水问题分析，‰ 断层的倾向是N Ⅳ，3 ’盲斜井由2 4 0 m 中段向N W 延 伸与P D 3 7 5 平巷相连接过程中，正好遇上了k 。断 层与F 4 断层交汇部位，发生突水是不可避免的。这 在原有的勘探报告和已有的研究成果中被忽视了， 而事实则完全证实在k 。断层切割F 4 断层后，F 4 断 层和如。断层是矿区的主控导水构造这一观点的正 确性。 3 ．3 矿区裂隙和岩溶发育特征 矿区节理非常发育，尤其在F 4 断层两侧的磴子 组灰岩中节理成带出现，按其产状可分为三组第一 组倾向1 1 0 0 ～1 2 0 0 ，倾角6 0 。～7 5 0 ，该组节理最为发 育，在背斜轴部密集带达4 0 条／m ；第二组倾向1 3 0 。 ～1 4 0 。，倾角5 0 。左右，与其共轭的另一组节理倾向 3 5 0 0 ，倾角4 3 0 ，该组节理不甚发育，一般密度为3 5 条／m ；第三组为层间裂隙，倾向2 8 0 。，倾角2 6 0 ，但发 育差，密度一般为2 ～3 条／m 。以上三组节理裂隙均 被后期热液矿物所充填，形成锂云母、萤石细脉等矿 化，对于矿区控水和导水意义不大。 壶天群与梓门桥组白云质灰岩岩溶裂隙发育， 岩层呈N N E 向分布于官余向斜核部，岩溶受s N 向、 E W 向断层和节理构造的控制，地表岩溶形态多为 溶沟、石芽，地下以竖向发育的溶蚀裂隙和溶洞为 主，富水性强，泉水出露较多。 万方数据 勘察科学技术 2 0 0 9 年第1 期 4 矿坑涌水量的确定 根据原有的研究报告‘7 | ，认为界牌岭倾伏背斜 是一个封闭的独立水文地质单元，测水组形成的隔 部，而背斜两翼及南端均为弱富水地带，相当于一条 辅助的隔水边界，所以矿区在一般情况下侧向补给 是有限的，矿坑涌水量的预测采用均衡法较为合适， 同时采用相关比拟法进行验证。引用研究报告中矿 水边界完整，赋存主矿体的I s 强富水带位于背斜轴山地下水储量计算结果，见表2 和表3 所示。 表2 矿坑充水有效储量计算结果 表3 动储量计算结果矗，d 矿井排水至今，按照计算结果，矿山的地下水 静储量应该已近疏干，但水量依然较大。早期丰水 期涌水量为1 2 0 0 0 m 3 ／d 左右，现在平水期5 0 0 0 m 3 ／d 左右。分析其原因在于原有的计算中将南部边界作 为隔水边界处理，将矿区当作一个封闭的水文地质 单元处理。而事实上在南部边界存在由南向北的侧 向补给，主要是通过断裂构造导水。要准确计算矿 区的侧向补给量尚需要做进一步的工作。 5 构造水防治对策 矿山经过近年的疏干排水后，位于矿区边沿西南 部的何家和塔下山两个村庄因地下水位下降，发生不 均匀沉陷导致房屋开裂、周围岩溶塌陷明显，流经矿区 的溪流漏水情况严重，并在矿区的东北部良田村也出 现了不均匀沉降现象。鉴于出现的上述环境地质问 题，已对开裂的危房实施了加固或撤除搬迁安置，对矿 区上部河流进行了整治，采用混凝土铺设河底等处理， 但没有从根本上解决矿山地下水问题。 针对界牌岭矿构造控水特征，需要对导水地质 构造进行帷幕灌浆处理，重点处理F 4 断层，在矿区 南部边沿打2 排钻孔对F 4 断层实施4 6 M P a 高压 注浆，对P D 3 7 5 平巷穿越‰断层部位两侧进行帷 幕灌浆，同时为了防止降水时降落漏斗向北东方向 延伸，引起良田村的房屋开裂及差异性沉降的发生， 在矿区北部良田村以南的F 4 断层也需要进行帷幕 灌浆处理。同时，在巷道内封堵与地表水连通的落 水洞，防止矿区河流通过基岩裂隙或溶洞灌人地下， 从而减少地下水的疏排量，节约疏干及矿山开采成 本。 另外，尚需对矿山分布范围内的岩溶塌陷进行 调查，彻底查清矿区内岩溶的发育状况，有针对性的 对岩溶进行处理。 6 结论 1 根据界牌岭矿区的水文地质条件及地质构 造的分布，认为界牌岭矿是典型的构造控水矿床，F 4 和‰，是主要的控水和导水构造；丰水期矿区的最 大涌水量可达1 2 0 0 0 m 3 ／d 以上，平水期涌水量在 5 0 0 0 矗／d 左右，但随着长期的持续排水，矿区地下水 静储量逐渐被疏干； 2 为了防止南部地下水不断对矿区充水造成 影响，对F 4 断层在矿区南部和北部采用帷幕灌浆处 理；对于P D 3 7 5 平巷穿越k 。断层采用帷幕注浆的 办法在巷道左右两侧灌浆处理； 3 对于与地表河流贯通的岩溶漏水点采取井 下封堵措施，不宜采用大面积处理，节省资金投入； 4 矿区的南部边界条件及矿区的岩溶发育情 况需要做进一步的调查和研究工作。 参考文献 1 武强，张志龙，马积福．煤层底板突水评价的新型实用方 法I 一主控指标体系的建设．煤炭学报，2 0 0 7 ，3 2 1 4 2 4 7 2 武强，解淑寒，裴振江，等．煤层底板突水评价的新型实用 方法Ⅲ一基于G I S 的A N N 型脆弱性指数法应用．煤炭学 报，2 0 0 7 ，3 2 1 2 1 3 0 1 。1 3 0 6 下转第6 l 页 万方数据 2 0 0 9 年第1 期勘察科学技术 6 1 界面比较多，且反射界面基本均匀地分布于整个预 测区段，这是因为整个预测区段内围岩完整、稳定， 无较大断层，地震波在其间传播能量衰减较小，其中 的反射信号主要来源于节理 或裂隙 。 T S P 二维处理结果图 见图l o 中各参数的变化 比较复杂，主要是由于节理 或裂隙 间充填粘土或 石英等，致使岩石的含水性、密度等参数变化较大。 对比开挖后的地质情况与表3 中的推断结果， 本次T S P 的预测结果基本是准确的。 5 结论 根据T S P 2 0 3 在上 海 一瑞 丽 高速公路隧道 超前探测的应用效果可得如下结论 1 当岩石完整性很好，预测区段内无断层存在 时，地震波反射信号主要来源于层间节理 或裂隙 ； 由于此时地震波衰减相对比较弱，能量传播相对较 远，能预测的距离也相对大一些 一般 2 0 0 m ，远 离掌子面处的节理面上也有明显的反射信号，这也 使得T S P 二维处理结果曲线图显得异常复杂； 2 当掌子面附近存在明显断层时，地震波在穿 过断层构造时能量衰减较大，因而预测的距离也短 一些 一般 1 5 0 m ； 3 比较上述三个应用实例可知，受节理、裂隙、 海水和断层的综合影响，T S P 反演的速度和密度结 果存在问题，有时还会反演出与实际相反的结果，从 而直接导致了对断层位置预测不准确； 4 在今后的实践应用中，应对T S P 资料进行多 次的反复反馈分析，从中吸取经验教训，提高对资料 的解译水平； 一 5 在御的应用中，目前完全依赖于仪器本身 及其所带的处理软件，反演参数的正确与否，处理结 果是否正确，应用者很难对其进行判断。所以，研制 和开发国产的T S P 系统与反演软件是我国今后超前 地质预报技术发展的必由之路。 参考文献 1 祁长青，许人平，叶勇，等．地质雷达在岩质隧道施工超 前预报中的应用．勘察科学技术，2 0 0 7 ， 4 6 2 6 4 2Y ．C , u o ，X ．J i na n dJ ．D i ．g ．P a r a l l e ln 加坝i 曲ls i m u l a t i o nw i t h d o m a i nd e c o m p o s i t i o nf o rs e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i s o 幽e k L t m a n e l ．A d v a n c e si nE n 画嘲S o f t w a r e ，2 0 0 6 ，3 7 7 4 5 0 4 5 6 3 匡文龙．T S P 2 0 3 系统在炉坪隧道超前预报中的应用．勘察 科学技术，2 0 0 8 ， 1 6 2 ～6 4 4C h r i s t i a nDK l o s e ．F u z z yr u l e b a s e de x p e r ts y s t e mf o rs h o r t r a n g es e i s m i cp r e d i c t i o n ，C o m p u t e r s ＆C l , e o o o i 咖，2 0 0 2 ，2 8 3 3 7 7 3 8 6 5 赵永贵．隧道围岩含水性预报技术．地球与环境，2 0 0 5 ，3 3 3 2 9 3 5 上接第3 6 页 3 尹会永，魏久传，刘同彬，等．基于多源信息复合的煤层底 板突水评价．山东科技大学学报 自然科学版 ，2 0 0 8 ，2 7 2 6 ～9 4 景继东，施龙青，李子林，等．华丰煤矿顶板突水机理研 究．中国矿业大学学报，2 0 0 6 ，3 5 5 6 4 2 7 4 7 5 李丽，程久龙．基于信息融合的矿井底板突水预测．煤炭 学报，2 0 0 6 ，3 1 5 6 2 3 ～6 2 6 6 张海荣，周荣福，郭达志，等．基于G I S 复合分析的煤矿顶 板水害预测研究．中国矿业大学学报，2 0 0 5 ，3 4 1 1 1 2 1 1 6 7 朱天林．湖南省界牌岭矿区水文地质条件的认识．矿产 与地质，2 0 0 6 ，加 1 6 7 6 9 万方数据 湖南界牌岭矿构造控水机理及其防治对策湖南界牌岭矿构造控水机理及其防治对策 作者周念清， 董文烨， 江思珉， Zhou Nianqing， Dong Wenye， Jiang Simin 作者单位同济大学水利工程系,上海市,200092 刊名 勘察科学技术 英文刊名SITE INVESTIGATION SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷期2009，1 引用次数0次 参考文献7条参考文献7条 1.武强.张志龙.马积福 煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅰ主控指标体系的建设[期刊论文]-勘察科学技术 20071 2.武强.解淑寒.裴振江.马积福 煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅲ基于GIS的ANN型脆弱性指数法应用[期刊 论文]-勘察科学技术 200712 3.尹会永.魏久传.刘同彬.郭建斌 基于多源信息复合的煤层底板突水评价[期刊论文]-勘察科学技术 20082 4.景继东.施龙青.李子林.刘同彬.魏久传.李术才 华丰煤矿顶板突水机理研究[期刊论文]-勘察科学技术 20065 5.李丽.程久龙 基于信息融合的矿井底板突水预测[期刊论文]-勘察科学技术 20065 6.张海荣.周荣福.郭达志.杜培军 基于GIS复合分析的煤矿顶板水害预测研究[期刊论文]-勘察科学技术 20051 7.朱天林 湖南省界牌岭矿区水文地质条件的认识[期刊论文]-勘察科学技术 20061 本文链接 下载时间2009年9月7日