三山岛金矿矿坑突水条件分析及防治

王元魁

(山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿运营管理部，山东 莱州 261442)

0 引言

目前，三山岛金矿属于海底采矿，水文地质条件复杂，矿山采矿受水害影响严重。从矿区突水条件、主要导水构造等多个方面进行分析，根据水文地质条件情况划分出不同区域，制定出合理的防治水措施，为生产提供安全保障。

1 矿区地质情况简介

1.1 地层

矿区位于三山岛-仓上断裂带的北东段，全部被第四系覆盖。区内出露地层主要为第四系，其次为荆山群禄格庄组(Pt1Htl)的包体[1]。

1.2 构造

矿区区内构造主要为断裂构造，根据生成关系分为控矿断裂及矿后断裂，前者为新立-三山岛断裂带。

1.3 岩浆岩

区内岩浆岩广布，主要为新太古代五台-阜平期马连庄序列栾家寨单元(Ar3νMl)、栖霞序列新庄单元(Ar3γδοQx)和中生代燕山早期玲珑序列崔召单元(J3ηγLc)。

栾家寨单元(Ar3νMl)：主要分布于王河以南的三山岛-仓上断裂带上盘，主要岩性为中细粒变辉长岩，岩石由基体和脉体两部分组成，脉体为长英质，基体为中细粒变辉长岩。

新庄单元(Ar3γδοQx)：主要分布于新立断裂带上盘，岩性为片麻状中细粒黑云角闪英云闪长岩,岩石呈深灰-灰色，中细粒花岗结构，片麻状构造。矿物由斜长石38%、石英38%、绢云母21%、黑云母2%及少量褐铁矿、磷灰石及微量绿帘石组成崔召单元(J3ηγLc)。岩性为弱片麻状中粒二长花岗岩。浅肉红色，中粒花岗结构，交代结构，块状构造。矿物由斜长石40%、钾长石23%、石英28%、黑云母5%及少量绿帘石、绿泥石、磁铁矿、磷灰石、榍石、绢云母和白云母组成。后者有北西向断裂。

2 矿坑突水条件分析

2.1 分矿区突水条件分析

三山岛分矿区和新立分矿区均开采多年，目前均开采至-600 m标高，各分矿区矿体在走向上已完全控制，但因水文地质条件不同，矿坑涌水量相差较大。2018年三山岛分矿区年平均矿坑涌水量约为1.41 万m3/d，而新立分矿区矿坑涌水量仅为2 600 m3/d。造成矿坑涌水量不同的原因为三山岛分矿区矿坑水主要来自于F3断裂强富水含水带和F1下盘剪张裂隙强富水含水带，而新立分矿区巷道未揭露矿后断裂和剪张含水裂隙，直接充水含水层为上下盘弱含水带。因此，三山岛分矿区存在矿坑突水的可能，而新立分矿区发生突水的水文地质条件不充分[2]。

2.2 矿坑突水层(部)位分析

2.2.1 F3断裂强富水含水带

三山岛金矿属基岩裂隙充水矿床，根据矿坑多年开采资料，三山岛分矿区可能形成突水的部位为F3断裂强富水含水带和F1断裂下盘剪张裂隙发育带。

F3断裂为三山岛分矿区北西向构造的代表性断裂，是一区域性构造，切割含矿蚀变带，并向北西延伸入海。F3断裂发育宽度15～36 m，具有多期活动的特征见图1、2，由于后期活动所形成的破碎带未胶结好，因此，不仅赋存较为丰富的地下水，而且具有强导水能力。巷道揭露初期最大突水量231 m后期活，突水时以静储量(卤水)的释放为主；预注浆时，单孔(Φ90)涌水量达70 m3/h。该断裂带地下水接受海水的越流补给，与剪张构造裂隙含水带(A2、B1、B2区)有直接或间接的水力联系，是矿区地下水(卤水)进入矿坑的主要径流通道，并接受少量的第四系孔隙水越流补给。

F3断裂含水带突水时常伴随着涌泥现象，排水治理难度较大。根据矿坑揭露，随着深度增加，F3断裂含水带出水涌泥数量逐渐减少，且断裂带岩石破碎程度有减低的趋势。

1—花岗岩；2—断裂带；3—黄铁绢英岩化花岗岩；4—裂隙；5—辉绿岩图1 三山岛份矿区F3断裂带剖面图

1—断层；2—F3中的断层泥；3—黄铁绢英岩；4—黄铁绢英岩化花岗岩；5—辉绿岩图2 -135 m中段大巷F3断层泥破碎带实测剖面

三山岛金矿几起比较大的涌水事件均发生在揭露F3断裂带含水带过程中，见表1，造成了较大的经济损失，影响了矿山生产。

表1 F3断裂带主要危害一览表

2.2.2 F1断裂下盘剪张裂隙发育区

1)F1下盘构造裂隙密集强富水区(A2区)：位于S38至S44勘探线的F1断裂下盘区段，与F3断裂走向基本相同的剪张性裂隙发育，倾角大于75°，且裂隙规模较大，延深也较大，含水性较强。各剪张裂隙之间发育WEE向的构造裂隙使剪张裂隙中的地下水发生水力联系，发育巷道揭露最大涌水量194 m3/h。剪张裂隙北西端入海，接受海水越流补给，西南方向与F3断裂含水带沟通，接受区域卤水的补给。该区深部仍存在突水的可能。

2)下盘构造裂隙中等发育中等富水区(B1、B2区)：该两个区段分别位于F3断裂强富水含水带(A1区)与F1下盘构造裂隙密集强富水区(A2区)两侧，剪张裂隙规模小、密度稀疏，该区的地下水主要接受F3断裂含水带的补给，多为卤水。B1区坑道揭露时最大突水量50 m3/h，B2区最大涌水量70 m3/h。矿坑深部开采仍存在突水的可能。

3 矿井突水的防治

3.1 预防保护措施

3.1.1 预留保安矿柱

三山岛分矿区浅部-60 m标高以上、新立分矿区-165 m标高以上(距海床距离为160 m)作为保安矿柱(护顶矿柱)未进行开采，并对采空区进行了尾砂胶结充填，有效地保护了矿区顶板的安全，避免了采空塌陷地质灾害可能造成的上部海水和第四系地下水的溃入的危险。

3.1.2 增大矿坑排水能力

1)新立分矿区。设计采用二段接力排水方式排水，一段泵房设在-1 320 m中段，水仓2 000 m3，设计安装D360-9560型多级离心泵3台，单台水泵流量360 m3/h，扬程732 m。正常涌水时，一台工作，一台备用，一台检修，可在16.78小时内排出一昼夜正常涌水量；最大涌水时两台同时工作，可在9.13小时内排出一昼夜最大涌水量，另一台备用。排水管选用Φ273×12无缝钢管两条，沿盲副井敷设，一条工作，一条备用。二段排水设在-600 m中段，现安装D280-65/84×10水泵3台，单泵排水能力280 m3/h；D155-67×10一台，单泵排水能力155 m3/h。新立分矿区排水能力不仅能满足分矿区排水需要，而且可起到通过贯通巷道输送排放三山岛分矿区矿坑水的调度要求。

2)三山岛分矿区。设计采用三段接力排水方式排水，设计一段泵房设在-1 400 m中段，水仓5 000 m3，设D500-5700型多级离心泵4台，单台水泵流量500 m3/h，扬程342 m。正常涌水时，两台工作，一台备用，一台检修；最大涌水时3台同时工作，另一台备用。排水管选用Φ325×13无缝钢管3条，沿管缆井敷设，两条工作，一条备用。二段泵房设计在-1 140 m中段，水仓5 000 m3，设DF450-95×9型多级离心泵五台、PDF280-95×9型水泵一台，DF450-95×9型水泵流量515 m3/h，扬程787 m，配套电机功率N=1 600 kW；DF280-95×9型水泵流量335 m3/h，扬程800 m，配套电机功率N=1 000 kW。正常涌水时，两台DF450-95×9(P)型水泵同时工作，3台备用，一台检修；最大涌水时，4台DF450-95×9型水泵同时工作，另两台备用或处于检修状态。排水管选用Φ377×16无缝钢管3条，沿盲回风井、管缆井敷设，两条工作，一条备用。三段排水设在-435 m中段，利用原有排水设施可满足排水要求。

3.2 突水防治技术研究

3.2.1 开展矿井水文地质及防治水科学研究

为查清矿井水文地质条件，不断提高防治水工作技术水平，联合院校、中国科学院地质和地球物理研究所进行三方面研究：1)矿坑涌水动态监测与突水规律研究。2)矿山水文地质条件的深入研究。3)矿山探水注浆及破碎带注浆技术研究。研究成果有针对性强的解决了矿山生产中预警预报及矿井突水防治中的关键方法及工艺。

3.2.2 地表沉降观测

为防止井下采矿作业对护顶矿柱，造成影响，矿山不断优化地表沉降观测系统并开展相关研究，掌握地表沉降规律，及时指导井下的采矿作业，防止第四系孔隙水及海水的入侵。

3.3 矿山突水的防治措施

3.3.1 建立完善的地下水防控体系

建立较为完善的地下水检监测系统，由专人负责矿山水文地质资料的搜集、整理和分析，依据最新的水文地质资料优化防治水设计工作。

3.3.2 完善矿山的排水系统

随基建工程的进展在深部各中段建立各种临时、半永久排水泵房，以满足矿山基建需要。

3.3.3 严格按采矿设计施工

矿山在采矿过程中严格按设计施工，制定了严格的考核办法，从上到下保证了间柱、点柱的完整，从而保证了整个矿区的稳定，防止了第四系孔隙水和海水的溃入。

3.3.4 坚持“有疑必探，先探后掘”的原则

“有疑必探，先探后掘”是保证矿山安全的根本性防水原则。目前无论是三山岛分矿区还是新立分矿区都在向两翼进行探矿，均已进入海底。掘进巷道前首先要进行探水，并依据探水钻孔获得的水文地质及工程地质资料，对可能构成威胁的突水部位进行预注浆等措施处理并确认安全后方可进行开凿工程的施工。

1)每60 m作为一次探水(注浆)轮回，设计探水孔3个，每一个孔深60 m，分别位于两帮腰线位置和掌子面中间位置。

2)探水孔施工：选用ZK-150钻机一台，潜孔锤两台套。钻孔开孔孔径Φ110 mm，钻进长度1.8 m埋设Φ108 mm孔口管。孔口管一端使用高压法兰盘连接，一段车出1.6 m马牙扣，缠紧麻线，刷上铅油后，打进孔内，埋入岩壁深度1.8 m，外壁用快凝胶泥封闭，然后用单液水泥浆加固，加固压力要达到最大注浆终压。正常钻进段孔径Φ90 mm，终孔孔径Φ80～90 mm。施工前根据孔位的要求，使用方木和大板搭设钻机平台，确保钻探施工作业要求。探水钻孔施工顺序为上、中、下。

3)两次探水间要预留5 m的防水墙，以确保探水安全。根据探水情况决定是否进行注浆堵水，掘进施工时必须进行3～4 m钎杆探水，确认无水后，方可掘进。

3.3.5 重点地段突水的防治措施

新立分矿区西南部及三山岛分矿区深部北翼探矿工程，由于位于海底部位均需进行探水注浆作业，北翼为水文地质条件复杂区域，特别是北巷需要过F3断层，除探水注浆外，需确定是否需要进行支护，以保证矿山安全。

3.3.6 注浆方案

1)注浆设备：BW-250型注浆泵一台，J-600型搅拌机一台。

2)注浆标准：探水过程中如发现钻孔涌水量大于10 m3/h时需进行注浆作业。

3)压水试验：当钻孔钻进到位，测流量结束后，既可安设注浆器向孔内压注清水，确保钻孔的吸水率，并确定浆液起始浓度，压水试验一般为10～20分钟，如遇破碎带岩层或较大出水可缩短压水时间，如压水时通道不畅可采用予处理方法，以增加可注性。

4)注浆：选择以单液水泥浆为主，水泥-水玻璃浆为辅的注浆材料。水泥选用龙口水泥厂生产的普通425#硅酸盐水泥，选用模数2.8～3.4、浓度40～45 Be的水玻璃；单液水泥浆的水灰比控制在1 ∶1～0.6 ∶1，凝胶时间控制在2～10分钟；浆液浓度由稀到浓逐级调配，原则上注入一级浆液两个小时无明显压力和流量无变化可调浓一级，至到达到最大设计浓度；注浆终压要超过静水压力的3～4倍，一般4～5 MPa。小流量稳定10～20分钟后可结束钻孔注浆。

5)扫孔及复注：注入单液水泥浆必须养护5小时方可进行扫孔钻进，注浆过程中如出现中断事故等意外情况，必须进行扫孔复注，直至到达设计终压和流量。

6)注浆结束标准：各分段注浆达到设计压力，进浆量小于25 L/min,并维持10～20分钟。

7)其他：为防止突水及注浆的需要，每个钻孔必须安装孔口管，孔口管直径Φ108 mm。孔口管一端使用高压法兰盘接连，一端车出1.6 m马牙扣，外壁用快凝胶泥封闭，然后用单液水泥浆加固，加固压力要达到最大注浆终压。

4 矿坑突水防治的合理化建议

1)坚持预防为主，防治结合的原则。矿坑巷道开拓时，要超前探水并做好注浆堵水的准备。如探水钻孔揭露含水带且涌水量大于10 m3/h时应进行注浆。将“有疑必探，先探后掘”的原则贯穿巷道开拓的整个过程。

2)做好对F3断裂强富水含水带注浆堵水工作。F3断裂带地下水是矿坑的主要充水来源的来源，也存在较为严重的工程地质问题。巷道揭露前，应打探水孔防水疏干，并注水泥浆堵水。

3)辅助采矿设施应避开F3断裂。斜坡道等矿坑开采辅助设施等应避免反复穿越F3断裂带；开采立井等应尽量放在远离F3断裂带等水文地质条件复杂区段，避免其所带来的突水隐患。

4)加强新方法新技术的研究。F3断裂宽度大，含水丰富，透水性强，且地下水属高矿化度的卤水，具较强的腐蚀性。建议矿山加强充填技术的研究及充填新材料的开发应用。

5 结语

从矿区突水条件分析，突水防治措施等多个方面进行分析研究，积极开展科学研究，制定探放水制度等，有效的做好了三山岛金矿的防治水，避免了事故的发生，为安全生产提供保障。