凡口铅锌矿岩溶大水防治

欧阳仕元

(中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿)

凡口铅锌矿岩溶大水防治

欧阳仕元

(中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿)

凡口铅锌矿矿区水文地质条件复杂，矿床伏于强岩溶含水层之下，含水层富水性强，补给充足，矿坑充水量大、迅猛。为防止向矿坑涌水，矿山采用浅部截流、排洪疏浚、治塌防渗、引流消残、注浆帷幕等多种技术手段进行井下和地面综合防治，确保了安全采矿。

岩溶大水 浅部截流 帷幕注浆

凡口铅锌矿属隐伏岩溶管道流充水的水文地质条件复杂型矿床。矿区主要含水层因岩溶发育，富水性强，补给充足，向矿坑充水迅猛，曾发生多次涌水涌泥事故。为此，该矿运用各种技术手段综合防治，有效地消除了地下水对采矿生产的威胁。

1 矿区水文地质条件概述

1.1 矿区含水层和隔水层

1.1.1 含水层及其含水特征

(1)顶部含水层。覆于矿床之上，广泛分布于矿区东南部，平均厚149.37 m，岩性为石炭系中上统壶天群白云岩，是矿区主要含水层，属岩溶溶洞潜水含水层。该含水层在垂向上分强岩溶带和弱岩溶带[1]，-20 m标高以上为强岩溶带，岩溶率10.44%，局部17.52%;-20 m标高以下为弱岩溶带，岩溶率为0.62%。强弱岩溶带水力联系密切，地下水位统一，静止水位标高101.36 m。该含水层富水性强，静、动储量大，补给充足，平均渗透系数2.91 m/d，涌水量1.50～2.8 L/(s·m)，平丰水期动流量2.8万～3.8万t/d。

(2)深部含水层。从矿区西部向南东倾斜潜入深部，与矿体直接接触，岩性为泥盆系东岗岭阶上亚阶和天子岭组下亚组灰岩，属裂隙承压含水层，总厚度约225 m。该含水层在50 m标高以上溶洞较发育，含岩溶溶洞水，含水较丰富；50 m标高以下以裂隙发育为主，含裂隙水，渗透系数0.000 336～0.282 6 m/d，富水性较弱，静、动储量小，是矿区的次要含水层。

1.1.2 隔水层及分布特征

1.1.2.1 “厂”字型隔水边界

矿区北部连续分布石炭系下统测水段和泥盆系上统帽子峰组，岩性为砂页岩夹泥灰岩，厚115～145 m，构成北部隔水层；矿区西部大面积分布含泥质较高，岩性为花斑状、瘤状、条带状灰岩，厚达200 m，并向东南倾入矿区深部的泥盆系上统天子岭组杂质灰岩，构成了西部隔层。北部隔水层和西部相对隔水层构成矿区“厂”字型隔水边界[1](图1)。

图1 矿区水文地质边界条件示意

1.1.2.2 中部隔水层

在顶部含水层与深部含水层之间，有石炭系下统测水段砂页岩及泥盆系上统天子岭组中上亚组泥灰岩、条带状灰岩组成隔水层，阻隔了顶部和深部含水层之间的联系，使顶部和深部含水层各成系统(图2)。

1.1.2.3 构造隆起形成相对隔水墙

矿区发育的一组北北东向深大构造[2](F4、F5等)，将中部隔水地层逆推隆起，在矿床以东局部区域的构成隐伏相对隔水墙[1](图2、图3)。F4的东侧隐伏相对隔水墙连续性好，顶部标高在0 m 以上，有效地缓冲了东部及南部向矿坑充水的径流。

图2 含水层、隔水层与矿体关系

图3 相对隔水墙与疏干工程关系

1.1.2.4 底部隔水层

伏于深部含水层之下，分布稳定、厚度较大的泥盆系中统东岗岭阶下亚阶和泥盆系中下统桂头群砂页岩构成矿区的隔水底板。顶部含水层和深部含水层没有明显的水力联系，各成独立的水文地质单元[1]。但两含水层均与矿床有直接的关系(见图2)。

1.2 地下水补给源

1.2.1 大气降水

矿区有效汇水面积27.5 km2，年均平均降雨量超过1 600 mm，雨季时段长达6个月。大气降雨通过松散的第四系冲洪积层下渗或通过地表塌陷“天窗”下灌[3]，补给地下水，含水层地下水位随季节变化明显。矿坑旱季涌水量平均增加2.8万m3/d，雨季涌水量平均3.8万m3/d以上，最大涌水量6.9万m3/d。

1.2.2 地表水

矿区分布众多的地表水，在11 km2的影响范围内有万亩水田、100多个大小水塘、数千米的排灌沟及自西向东横贯矿区的凡口河。地表水长期缓慢下渗补给地下水，为地下水的又一重要补给源。

1.2.3 含水层水侧向径流

由于壶天群强岩溶含水层分布面积广，除大气降雨及地表水的下渗补给外，还接受侧向径流补给。原始状态下，地下水由北西流向东南。疏干过程中，地下水逆流向开采区域，在稳定疏干漏斗边缘有长达5 km的侧向径流补给。

1.3 矿坑充水特征

顶部含水层地下水向矿坑充水以岩溶管道流为主。疏干初期充水量大，瞬间流量大、迅猛，泥砂含量也较大。降落漏斗稳定后，隔水边界及隐伏相对隔水墙的作用，矿坑充水范围受到了一定限制，充水通道主要集中在3个方向[3]：①F4～F5的南部进水通道，补给量2.2万～3.3万m3/d；②西部隔水边界至F4之间的西南部进水通道，补给量1 000～1 500 m3/d； ③东北部进水通道，补给量2 500～3 500 m3/d。

深部含水层地下水通过裂隙向矿坑充水。构造破碎带、剪切裂隙、层间脱离等发育，储水空间较丰富，充水瞬间流量较大，水压较高，但补给量少，多以消耗静储量为主。深部含水层充水量5 000～7 000 m3/d。

2 矿床岩溶大水防治措施

2.1 地下水防治

根据岩溶发育和富水的分带性，在浅部地段地下水补给通道上布置相应的工程，将矿床地下水静储量疏干，拦截动流补给量。将专用截流巷道与分中段超前疏干相结合[1]，在强岩溶带底部的相应中段(0，-40 m中段)矿体分布范围以外，地下水进入采区的主要方向上设立永久性专用截流巷道，拦截地下水补给量；在矿床外侧利用隔水边界建筑地下帷幕墙，封堵岩溶通道，阻隔地下水向矿坑充水；在采区范围内布置适当的探放水工程，疏干残留水及弱含水中的地下水。

2.1.1 浅部截流疏干

2.1.1.1 截流疏干工程布置原则

根据岩溶发育及富水性的分带性确定截流巷的垂直位置，根据隔水层及隐伏相对隔水墙的分布特点确定截流巷的水平位置，根据地下水补排关系确定放水硐室及放水孔的施工位置与方向，根据地下水补给量和泥砂含量确定截流工程规模，配置排水系统及沉泥系统。

2.1.1.2 截流疏干工程布置

(1)专用截流巷布置。在0 m中段开掘了北部截流巷，主要拦截矿区北部及东北部地下水；在-40 m 中段布开掘了3条截流巷：南截流巷、狮岭南截流巷和新南截流巷，主要拦截南部及东部的地下水(图3)。

(2)放水硐室及放水孔布置。在截流及放水巷道内，每隔50～100 m布置1个放水硐室，每个硐室布置丛状放水孔3～5个。在-40 m截流巷地段，从地表施工了贯通截流巷放水硐室的6个直通式放水孔，用于疏干放水。

(3)排水泵房及沉泥系统。分别于0，-40，-160 m 中段配置排水泵房，截流巷、放水孔拦截的地下水通过泵房排至地表。地下水中含0.1%～1.5%的泥砂，在-40 m截流巷配置了排泥系统，地下水排至地表沉泥库，沉淀泥砂后排放。

截流系统工程量见表1。

表1 主要截流疏干工程量

2.1.1.3 截流疏干效果

(1)1984年截流工程完成后，1985年矿区形成了一个半径3 000 m、体积15 000×104m3的稳定疏干降落漏斗，排出水量26 715×104m3。

(2)水位降至强岩溶带底部，采区处于疏干状态，水位降至-14 m以下，疏干前因突水涌泥而被迫停工的巷道，疏干后顺利掘进，确保矿体安全开采。

2.1.2 注浆堵水

2.1.2.1 局部地段注浆堵水

在主排灌沟、河床和重要的建构筑物地段，因排水引起地基开裂、塌陷，可利用钻孔注浆堵水，加固治理[4]。从1996—2013年完成尾矿管、充填坝等地段9项注浆工程，共施工钻孔103个，消耗水泥1 833.34 t，水玻璃12.62 t，辅助剂1.25 t。这些地段经处理后，未再发生坍塌开裂现象，生产设施稳定安全，井下涌水有所减少。

2.1.2.2 帷幕注浆堵水

2007年8月，正式启动了帷幕注浆堵水工程，其目的：①确保新探明的处于疏干漏斗保护之外的东矿带矿体安全开采；②减少矿坑涌水量，节能减排；③从根本上防治塌陷，修复矿区生态环境。

幕址选择的原则[5]：①在现有截流工程之外，不影响截流工程对采矿安全的保护；②幕墙处在东矿带采矿有效安全距离以外，必须围蔽95%以上的矿体；③充分利用隔水边界和东部F5、F6断层隐伏相对隔水墙，因此，在现有疏干工程和东矿带矿体开采范围以外，利用隔水边界(或东北部高水位区)作为幕肩布置帷幕轴向，采用单排孔施工幕墙[6]，拦截东部、东南部和南部的地下水径流补给(图1)。

注浆施工历时6 a，分5期进行，于2014年2月全面完成，取得以下成果：①开发应用了改性黏土浆、尾砂浆、改性尾砂浆、空气包裹砂浆、水泥水玻璃双液浆和改性黏土双液浆6种注浆材料；②帷幕总长1 698 m，钻孔进尺45 085 m，注浆量199 402 m3，消耗水泥65 706 t、黏土69 958 t、尾砂12 676 t、水玻璃4 017 t、谷壳稻草8 793袋、砂砾2 452 t，以及其他大量的辅助材料；③堵水率达到68%，超过了60.7%的设计值[4]，完成后一个水文年度观测，平均涌水量由25 430 m3/d减少到7 779 m3/d，每年减少排水量644×104m3；④地表塌陷大幅减少，塌陷减少率达70%，疏干漏斗大幅回缩，回缩直径1 500～2 000 m，矿区生态环境基本恢复，环境生态效应显现；⑤减少对地下水环境及地表水系的影响，水资源得到有效保护，每年少排井下水644×104m3，大幅减少排水电费，同时泥砂含量由0.5%～2%减少至0.05%～0.5%，大大减少对地表水系的影响；⑥为浅部数百万吨优质矿体开采创造了安全条件，经济效益巨大；⑦对强动水条件下帷幕注浆的一些关键技术，如空洞大裂隙封堵、浆液流失控制等注浆材料和技术进行了探索，积累了经验。

2.1.3 引流消残

对于井下局部地段的残余水[3]，适当布置探放水工程，疏干残余静水，消除涌水涌泥威胁，治理浅部疏干漏斗内采区的残余水和深部含水层采区内的裂隙水。

2.1.3.1 浅部矿体引流消残

对-40，-80 m中段顶部矿体残留水进行疏导，施工11个探放水钻孔，总进尺683.5 m，掘进巷道511 m3，疏导引流了大量泥砂，消除了安全隐患。

2.1.3.2 溜井引流消残

溜井建成后，因水量较大，常发生拉矿事故。地下水主要来自-280～-350 m的裂隙含水层，先后进行了4次治理(表2)：第一次采用疏排和堵水的方法，于-160，-200，-240，-280 m 4个中段溜井口附近严重渗水地段施工泄水孔，砌筑导水沟等工程，将溜井周围积水疏导，在涌水点位置施工钻孔注浆截流；第二次采用井壁涌水点施工疏水孔的疏排方案，分别于-320和-360 m井筒周围的巷道施工仰孔导流(图4)；第三次治理-280 m 5#卸矿槽顶板淋水；第四次在-280，-360 m中段对原疏水孔进行扫孔和补打少量疏水孔。通过4次治水，解决了5#溜井因水量大造成的拉矿问题。

表2 5#溜井井筒治水情况

图4 -320 m 4#、5#溜井疏干孔工程布置

2.2 地面防治

2.2.1 地表治塌防渗

大范围疏干导致地面产生了不同程度的沉降、开裂、塌陷，其范围与疏干漏斗范围基本一致，半径东2 900 m，南2 700 m，北部到达隔水边界，西过凡口河，达550×104m2。农田受损66.7 hm2，建筑搬迁7 000 m2，报废铁路4 000 m、公路1 500 m。大气降雨及地表水通过塌陷开裂回灌井下，导致井下排水量迅猛增加，危及生产。至2013年，塌陷坑累计超过3 000 个。因此，治理塌陷是防治水的重中之重。

2.2.2.1 塌陷活跃性分区[3]

根据塌陷活跃程度，将塌陷区划分为塌陷高发区、塌陷活跃区、塌陷低发区、塌陷趋稳区4个区域，有针对性地进行治理。

2.2.2.2 塌陷治理技术措施

总治理原则为及时发现，及时治理[7]，不同区域的塌陷采用不同的技术治理。主要有8种塌陷治理措施：①分层回填；②回填固底；③简易注浆；④注浆加固防渗；⑤疏导引流；⑥围堤；⑦改田保地；⑧截流改道。

塌陷低发区和塌陷趋稳区采用分层回填和回填固底的方法；塌陷活跃区先用简易注浆法、快速堵漏法处理溶洞底后进行回填，以降低塌陷的复活频率；对于发生在河道、生产生活设施和主要排灌沟渠等处塌陷或塌陷高发区，利用一般注浆法、孔内造浆注浆法、旋喷桩局部帷幕法和埋管回填注浆法等技术进行彻底治理。

2.2.2.3 土地复垦

塌陷低发区和塌陷趋稳区经治理后直接垦复；塌陷高发区、塌陷活跃区治理后，观测其活动情况，没有稳定则保留赔产，基本稳定则改水田为旱地，比较稳定则复垦为水田。土地复垦方法步骤：平整—覆土—造地—筑沟—交地。

矿山从1994年12月开始进行大规模回填整治塌陷，至2013年共回填塌陷坑2 909个，回填体积达到121.76万m3，修复排水沟3 930.75 m，复垦农田21.235 hm2，年均投入塌陷治理费400万元。

2.2.2 截洪疏浚

1985—1986年，矿山在疏干降落漏斗稳定后，治水重点放在了地面截洪疏浚、防渗处理上[3]。主要进行3项工作：修筑截洪工程，凡口河改道加固防渗，疏排低洼区积水(表3)。

表3 截洪疏浚防渗治理主要工程

2.2.2.1 修筑截洪工程

修筑了断面约40 m2、长2 100 m的截洪河，分流拦截凡口河上游洪水，汇水面积达7.25 km2；在矿区北部山坡底开挖1 800 m排洪沟，雨季坡面流全部进入排洪沟渠，汇入凡口河下游排泄，不再进入塌陷区，避免下渗。

2.2.2.2 凡口河改道加固

将蜿蜒于矿区的凡口河取直改道，使河水在塌陷区停留的时间缩短，同时疏干漏斗内的河道，用钢筋混泥土辅底加固防渗，河流改道固底总长达7 200 m，起点从凡口河截洪口到疏干漏斗边界。

2.2.2.3 引流疏排积水

对于地势低洼和沉降塌陷区积水，修筑引流沟疏排，回填整平，防止积水，以减少渗透倒灌。据测算，经过地表塌陷治理和河道防渗处理后，年平均减少下渗和倒灌水量达12287m3/h。

3 结 语

凡口铅锌矿历时60余a，运用多种技术方法防治矿床岩溶大水，取得了显著效果，确保了矿山安全生产，积累了丰富的治理经验:①查明水文地质条件，有效利用水文地质边界及相应的隔水(相对隔水)体，科学合理地选择防治方法；②标本兼治，治本为主，满足矿山安全生产的实际需要；③依靠科技进步，不断探索和应用新技术新方法。

[1] 潘保琰，林绍标，罗良经，等.凡口铅锌矿岩溶含水层浅部截流疏干研究[R].韶关：凡口铅锌矿，1992.

[2] 翟丽娜，蔡锦辉，刘慎波.广东凡口铅锌矿床成矿地质特征及资源预测[J].华南地质与矿产，2009(2)：37-41.

[3] 熊万胜，曹文生.凡口铅锌矿的水文地质及灾害治理[J].矿业研究与开发，2008，28(S)：40-43.

[4] 欧阳仕元，乐 应，刘 源.钻孔注浆治理河床塌陷实践[J].建筑工程技术与设计，2014(9)：161-162.

[5] 欧阳仕元，曹文生，林以齐.凡口铅锌矿帷幕注浆截流工程总结报告[R].韶关：凡口铅锌矿， 2014.

[6] 王伏春，刘 源，乐 应.强岩溶地质动水注浆技术探讨[J].探矿工程，2014，41(2)：78-81.

[7] 张新社.广东省凡口铅锌矿矿区地下水害防治方案研究[D].北京：中国地质大学，2010.

2014-11-17)

欧阳仕元(1964—)，男，副总工程师，高级工程师,512325 广东省韶关市仁化县董塘镇。