震旦纪岩层矿石开采涌水因素分析与防治对策

周 勇，童阳春，吴胜斌

(化工部长沙设计研究院，湖南长沙 410016)

震旦纪岩层矿石开采涌水因素分析与防治对策

周 勇，童阳春，吴胜斌

(化工部长沙设计研究院，湖南长沙 410016)

矿井涌水是影响宜昌磷矿中深部矿体开采的重要和关键因素。重点分析了地层、地质构造以及导水通道等矿井涌水的主要影响因素，并结合实践经验提出了勘察、施工及矿山开采方面的一些防治水及减少矿井涌水的措施和思路，给矿井涌水防治工作提供参考。

宜昌磷矿区；中深部开采；涌水因素；防治对策

0 引 言

宜昌地区磷矿的开采深度已逐步进入中深部，随着开采深度增加，矿床水文地质条件更为复杂、矿井涌水大，突水事故概率逐渐增多，近期建设的宜昌磷矿中深部矿体开采项目中，已经有多个矿山在建设施工中出现了突水淹井事故。矿井涌水量过大会增加井巷施工难度与投资，增加排水设施费用及生产成本，排水费用达到矿山开采直接成本的三分之一或更高，造成建设投资较大增加、建设工期较大延长，严重影响矿山的正常安全生产，严重影响矿山开采的经济效益。因此采取综合措施进行有效防治水、避免水灾事故、降低排水费用是宜昌磷矿中深部矿体开采迫切需要研究解决的重大问题。

1 矿井涌水主要影响因素

中深部矿体一般矿层上部有隔水岩层，由于开采矿层厚度有限，开采引起的导水裂隙带影响高度不会到达地面或寒武系底部隔水岩层。矿区地形陡峻，有利于降雨以地表径流形式排泄，地表水体或降雨量对矿井涌水量影响相对较小，因此地表水不是宜昌磷矿中深部矿山涌水的主要影响因素。现以宜昌磷矿的生产实践经验为依据，对影响宜昌磷矿矿井涌水的主要因素进行分析。

1.1 地 层

宜昌磷矿为沉积型矿床，主要矿层赋存在震旦系下统陡山沱组中下部，含矿岩系主要为白云岩组，上覆震旦系上统灯影组和寒武系等岩层，底板为南华系南沱组和前震旦系崆岭群等岩层[1]。矿层和底板可看作为隔水层或相对隔水层，矿层直接顶板(白云岩)为岩溶裂隙水含水层，其厚度一般为30～60 m，其上为陡山沱组第四段相对隔水层，其厚度一般为20～30 m，相对隔水层之上为震旦系上统灯影组巨厚岩溶裂隙含水层，其厚度一般为350～450 m，灯影组上部为寒武系下统石牌组和水井沱组隔水层，其厚度一般为100～120 m，该隔水层具有良好隔水性，可看作是矿床上部的隔水边界，隔断其上巨厚寒武系岩溶裂隙水含水层。代表性矿段综合地层情况见表1。

对矿井涌水量影响较大的地层主要为灯影组岩层，尤其是其上段和中段地层，目前井巷施工出现突水淹井事故主要在上段地层中，该层水文特性主要体现在：岩层整体上富水性弱～中等，但裂隙、溶蚀较发育，且发育不规则小溶孔或小溶洞；含水岩层巨厚且分布面积极大(许多矿段没有隔水边界)，若遇岩溶裂隙导水通道，则涌水量急增，易发生岩溶突水事故，如某矿井斜井施工遇突水时，涌水量达2000 m3/h或以上，且疏干难度大、时间长；地下水承压且压力较大，一般可达3～4 MPa。这些特性导致查明地层水文地质条件复杂，防堵水难度大。

1.2 地质构造

地质构造中对涌水量影响较大的主要是断层、裂隙、溶孔、溶洞等，尤其是张性断层，它们可穿透隔水层、导通含水层，形成导水通道。这需要在地质勘查阶段采取必要的措施尽量查明，井巷工程布置尽量避开或隔离这些构造发育区段，当施工或生产靠近这些构造区段时，应采取充分的预防措施。

1.3 人为活动形成的导水通道

(1)钻孔。地质勘查需施工钻孔，钻孔一旦穿透矿层顶板含水层，就会形成通达矿层的导水通道。

由于钻孔深度较大、地下水承压较大及人为不重视等原因，存在钻孔封孔质量不高甚至没封孔等现象。若按完全不封孔考虑，则估算通过一个钻孔的涌水量约为 1000 m3/d，这会造成严重的井下涌水隐患[2]。

(2)顶板井巷。矿层深埋地下，主要开拓井巷工程必须穿越顶板巨厚含水层才能到达矿层。当井巷涌水量不致影响到施工时，一般主要采取抽水措施而没有采取严格的堵水措施，致使穿越顶板的井巷涌水量较大，在部分矿山通过顶板井巷的涌水量估算可高达矿坑总水量的一半左右。

(3)跨越导水构造的井巷。当矿区构造较发育时，井巷工程避免不了要穿越部分导水构造，若预防措施不当或不及时，可能较大的增加矿井涌水量，甚至造成突水事故。

(4)开采引起的导水裂隙。矿层上部陡山沱组第四段为相对隔水层，厚度一般为20～30 m，与矿层的垂距一般在60 m以内，若采用空场法，允许顶板垮落，按采高4m、导水裂隙带发育高度25～30倍采高估算，则导水裂隙完全可能穿过陡山沱组第四段隔水层与上部灯影组含水层沟通。按地层水文地质条件(参数)，若开采引起的导水裂隙连通了灯影组含水层，设计估算矿井涌水量中顶板涌水量(不含井筒涌水)约增加2.5～3倍，由此可知，增加的井下涌水量相当大。

中深部矿井涌水主要影响因素见图1。

表1 宜昌磷矿某矿段综合地层

图1 矿井涌水主要影响因素

2 涌水量预测

地下水在天然条件下的运动规律取决于含水层的性质、含水层的空隙、裂隙程度以及地形、地貌条件。根据现阶段的研究，地下水在岩层中的运动，有3种性质不同的渗透规律：层流渗透，紊流渗透及混

合流渗透。

根据这些分类我国用于预测矿坑涌水量的方法很多，例如地下水稳定井流解析法，水文地质比拟法(单位涌水量法)，Q-s曲线外推法(包括无时间变量的相关分析法)，稳定流分段法(块段法)，单位静储量法和水均衡法等等[3]。

以上方法大致可以划分为解析法和数值法两大类。上述预测方法差不多都是以裘布依稳定井流理论为基础，裘布依稳定井流方程(承压)：

式中：Q——抽水井流量，m3/d；

K——含水层渗透系数，m/d；

M——含水层厚度，m；

sw——抽水井中水头降深，m；

R——圆柱形含水层的半径，m；

rw——抽水井半径，m。

裘布依在建立方程时，是针对圆形定水头外边界条件的，这种圆形定水头外边界条件在自然界很少见。后来引入了“影响半径”概念，衍生出了很多公式，一般可以地质报告提供的矿区涌水量作为参考，并考虑矿区周边矿山开采情况，并根据周边矿山涌水量及其梯度关系，综合计算考虑[4]。

3 主要对策措施

矿山防治水措施是多方面的，综合起来可概括为“防、堵、疏、排、截”5种。“防”主要指合理留设各类防隔水矿(岩)柱；“堵”主要指注浆封堵具有突水威胁的含水层；“疏”主要指探放老空水和对承压含水层进行疏水降压；“排”主要指完善矿井排水系统；“截”主要指加强地表水的截流治理。对于矿井涌水而言，抽(排)水措施、地表防治水措施等肯定是必要的，由于单个矿段或矿区一般不构成独立的水文地质单元，即在平面上没有严格的隔水边界，单个矿山一般不具有注浆帷幕防治水条件，因此常规防治水及区域防治水等内容不作叙述，本文仅针对宜昌磷矿中深部矿体开采条件和目前没太引起重视的方面提出一些措施和思路，目的是有效减少井下涌水量、降低排水费用及避免水灾事故。

3.1 地质勘查

宜昌磷矿原多是平硐或浅部开采，井下涌水量对开采的影响相对较小，水文地质条件的勘查手段较简单、工作也不够深入，这使得估算井下涌水量和有效采取防治水措施缺乏充分的依据，但对中深部矿山开采，井下涌水量成为重要和关键的影响因素，因此必须加强勘查工作，尤其是需要查明矿区的水文地质条件和参数，为矿山设计、施工、生产提供较充分的依据。

(1)加大勘查投入。宜昌磷矿中深部矿床水文地质条件较复杂、井下涌水量较大，应严格按相应的勘查规范进行水文地质勘查工作，目前仍存在急功近利、工作不深入的现象，给设计与生产带来较大风险与隐患，应加大勘查人、财、物和试验研究的投入，综合运用多种勘查手段和方法，提供较准确的水文地质条件和参数。

(2)严格钻孔封堵。勘查钻孔穿过顶板巨厚含水层，每个钻孔都是一个导水通道，大量的钻孔有可能形成一个导水网络，目前存在钻孔封堵质量不高或不封孔现象，这是一个严重的隐患，将会较大的增加井下涌水量，必须严格对钻孔进行封堵并保留记录备查。

3.2 (顶板)井巷施工

(1)坚持先探后掘。顶板含水层水文地质特性较复杂，尤其是灯影组含水层，节理裂隙较发育，且发育不规则小溶孔或小溶洞，是突水事故高发地段，地质勘查阶段很难完全查明含水层涌水情况，必须是边掘边探、有疑必探和先探后掘。

(2)加强注浆帷幕堵水。当井筒穿过含水层可能遇较大涌水时，应先做好注浆帷幕堵水工作，边注边掘、先注后掘，切不可冒进。要强调的是，即使井筒已穿过的地段如果涌水量较大，也应及时补做注浆帷幕堵水，避免因涌水引起的不良后果。

(3)做好应急排水预案。因含水层和构造的特殊性、复杂性，较大涌水或突水的情况随时都有可能会发生，因此必须有应急排水预案和措施，尤其要重视电力供应的保障。

(4)掘进排水与生产排水相结合。当顶板井筒斜长较长或垂高较高时，掘进排水宜采取临时泵站与相对固定的泵站相结合方式，相对固定泵站又宜与生产排水泵站相结合，作为生产的拦水泵站和接力泵站，避免大量涌水长距离下放，降低总排水费用。

3.3 开采技术措施

开采技术方案必须充分研究矿区水文地质条件特性，在开拓运输方案(包括井筒布置、井筒类型参

数等)、排水方案及采矿方法等方面均要采取针对性的措施，这需要系统性研究、综合优化，下面仅结合设计实践，给出几点建议。

(1)平硐穿越含水层。根据地层特性，涌水量或突水性较大地层主要为灯影组上段、中段，在有条件时宜尽量采用平硐穿越该地层地段再往深部掘斜井或竖井，一方面较大涌水可实现自流排水，另一方面也可为防堵水施工及应急避灾提供有利条件。

(2)适当采取较大的井筒断面参数。中深部矿山规模一般为大型或特大型，一方面较大井巷断面参数是生产系统需要，另一方面有较大灵活性和机动性，有利于应急、抢险和应对调整变化的需要。

(3)适当抬高井筒见矿标高。宜昌磷矿一般为缓倾斜矿体，倾斜长度大，而地面山高坡陡，坑口选择受地形条件制约，适合开井口的位置一般为河(溪)岸，中深部矿床较适宜的开拓方式为斜井。适当抬高井筒见矿标高，一般有利于减少矿石综合提升高度和排水综合扬程，相应降低提升和排水费用；有利于早形成生产系统和生产能力；因可放缓斜井角度，有利于井筒采取快速掘进工艺技术、缩短基建时间；因可布置在隔水岩层中，有利于井筒往深部延深。

(4)采取多级接力泵站并适当抬高一级泵站标高。矿床埋藏较深、倾斜延深垂高较大、矿坑涌水量较大，采取多级接力泵站排水方式并适当抬高一级泵站标高，抽排水与拦截水相结合，有利于设备选择、降低综合扬程和总排水费用。

(5)留设导水构造隔离保安矿柱。导水构造可穿透隔水层、连通顶板巨厚含水层，开采临近或井巷穿越导水构造，一旦措施不当很可能形成大规模导水通道，急剧增加井下涌水量或造成突水事故，因此导水构造两侧均须留设隔离保安矿柱，矿柱宽度一般不宜小于20～30 m，若井巷必须穿越导水构造，则必须严格做好注浆帷幕堵水措施。

(6)应用充填采矿技术。宜昌磷矿根据开采技术条件，现一般采用房柱空场法。如继续沿用空场法、允许顶板垮落，矿坑涌水量会成倍增加，因此无论是从开采技术发展趋势，还是从矿井防治水角度，都应该采用充填技术[5]，需加快充填试验研究工作，采矿方法调整为嗣后充填房柱法。

矿井涌水对策措施见图2。

图2 矿井涌水对策措施

4 结束语

宜昌磷矿是我国较早进入中深部开采的磷矿区，但进入时间较短，积累的经验不多，对水文地质条件的特殊性、防治水重要性等方面的认识还有待提高。近期多个矿山井巷施工出现的突水淹井事故，给了我们深刻教训、同时也敲响了警钟。矿井涌水防治需要勘查、研究、设计、建设等单位联合进行综合研究，在勘查、设计、建设、生产各环节中采取针对性和综合性措施，来确保安全、高效开采。笔者所在设计院承担了宜昌磷矿较多项目的设计工作，结合设计实践经验，对矿井涌水主要因素进行初步分析，并提出一些具体对策、措施和思路，希望能给宜昌磷矿中深部矿体开采防治水工作提供参考，同时希望能起到抛砖引玉的作用。

[1] 刘明忠.宜昌市矿产资源[M].武汉：中国地质大学出版社，2012.

[2] 李雪峰.井下涌水钻孔封堵工艺[A].2006年全国金属矿山地质与测量学术研讨与技术交流会[C]，2010.[3] 孙连发.矿坑涌水量计算方法研究[M].武汉：武汉地质学院出版社，1983.

[4] 李式锜.在某些矿区井巷涌水量计算中如何利用地下水动力学公式[J].水文地质工程地质，1957(11).

[5] 张传信.绿色开采技术在金属矿山开采中的应用[A].中国矿业科技文汇[C].2015.

2016-06-17)