庐江龙桥铁矿矿床水文地质条件及防治水方案研究

易伟功，杨海峰，蔡永生

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.安徽省庐江龙桥矿业有限公司，安徽 合肥 231500)

庐江龙桥铁矿东部紧邻马鞭山大水矿山，再往东为黄屯硫铁矿大水矿山[1]，随着龙桥铁矿井下往东部开采的延伸，尤其是在东部7 线以东的区域，巷道掘进过程中单个钻孔揭露的最大涌水量达400 m3/h，最大水压达2.1 MPa，巷道继续往东开拓存在突水的危险，给矿山开拓与开采安全带来威胁，本文主要运用井下巷道实际调查、涌水点、涌水量、钻孔注浆量、地下水水质和水温等资料，对龙桥铁矿矿床水文地质条件进行了综合研究分析，基本查明了地下水的充水水源、充水通道和充水强度等矿床水文地质特征，在此基础上，通过防治水方案比较，推荐采用井下近矿体帷幕注浆方案防治矿区地下水。

1 矿床水文地质条件研究与分析

1.1 井下巷道水文地质调查情况分析

通过井下实际调查发现，龙桥铁矿井下−420 m水平以上7 线以西、−420 m 以下1 线以西巷道掘进和矿体开采过程中基本未见大的涌水，而从3 线往东，尤其是7 线以东巷道揭露的涌水点较多，有些涌水点在完成探水注浆、巷道掘进通过之后还有部分涌水。

1.2 涌水点分布及其水力联系特征

（1） 涌水点的分布特征。综合研究分析−370 m水平至−420 m 水平7 线以东区域的超前探水涌水点分布情况，可知涌水点可以大致分为构造破碎带涌水、矿岩接触带涌水、岩岩接触带和小构造裂隙涌水，详见图1 和图2。

图1 −395 m 水平钻孔涌水量点分布

图2 −407.5 m 水平钻孔涌水量点分布

（2）涌水点之间的水力联系特征。通过两次井下关放水试验并结合巷道实际揭露情况，综合研究分析表明：首先，龙桥铁矿东部7 线以东区域存在一组北西向和北东向的共轭导水构造，北东向的导水构造往南部延伸时构造基本无涌水，往东北部延伸构造涌水较大，而北西向导水构造可能是将东南方向地下水外围水源导入矿体内部的主要导水构造（详见图3）；其次，井下关水试验时，除了−420 m 水平以下的钻孔外，其余大部分涌水钻孔的压力均有不同程度的上升，表明东部井下−420 m 水平及以上水平的地下水之间水力联系较为密切；最后，第1 次在−395 m 水平关水约10 h 后，−370 m 水平观测点出现涌水现象，第2 次在−420 m 水平关水约6 h 后，−395 m 水平观测点出现涌水现象，表明确实存在一组北西向的导水构造裂隙，但其地下水补给来源有限或者还未揭露大的补给通道。

图3 北西向和北东向共轭导水构造分布

综上所述，宏观上龙桥铁矿东部矿床安全开采有威胁的地下水大致可分为3 类：第1 类为北西向和北东向共轭型的大断裂构造地下水，其特征为径流通道畅通，充水强度较大，但地下水补给量有限；第2 类为矿岩接触带地下水，其特征为径流通道较畅通，涌水量较大；第3 类为岩岩接触带和围岩内小构造裂隙地下水，其特征为导水裂隙较小，涌水量相对较小，巷道掘进后仍有淋水。

1.3 日均排水量研究分析

统计分析了2017 年11 月至2020 年11 月的日平均排水量，日均最大排水量为6770 m3/d，基本可将水文地质条件研究工作划分为4 个阶段：第1 阶段为井下探水工作开始阶段，该阶段未出现大的涌水，其日平均排水量约为5000 m3/d；第1 阶段为探水波动阶段，该阶段包括−382.5 m 水平9 线穿脉超前探水钻孔（单孔涌水量约200 m3/d，水压约2.1 MPa，钻孔采用闸阀关闭）在内的探水钻孔涌水增多，此时日均排水量有所增加，但增加的量不大，主要原因是关闭了钻孔涌水；第3 阶段为井下有序放水和井下大量注浆阶段，该阶段前期日均涌水量明显上升，但在放水时间的延续和注浆堵水的双重作用下，后期日均涌水量明显下降；第4 阶段为日均排水量基本稳定阶段，该阶段日均排水量约为6000 m3/d，其日均排水量较第1 阶段明显增大了约1000 m3/d，该阶段日均排水量是在没有出现新大涌水点情况下的一个相对稳定阶段，后期随着巷道继续往东开拓，涌水点增多，其涌水量会相应增加，详见图4。

图4 龙桥铁矿井下日均排水量

目前龙桥铁矿矿床日均总排水量约为6000 m3/d，暂未达到大水矿山正常排水量10 000 m3/d 的标准[2]，但井下钻孔揭露的瞬间涌水量最大达400 m3/h，表明井下巷道掘进过程中仍然存在突水隐患，在巷道掘进时应继续实施超前探水注浆方案。另外，钻孔涌水量和水压的变化情况表明，东部地下水之间的水力联系比较密切，径流通道比较畅通，充水强度较大，但补给量有限。

1.4 钻孔注浆量研究分析

井下钻孔总注浆量约为1082 t，其中在−395 m水平11 线单个掌子面注浆约700 t，其它钻孔总注浆量约382 t。−395 m 水平11 线单个掌子面钻孔最大涌水量约为170 m3/h，该处钻孔涌水量较大，且在注浆时由于客观原因并不是连续注浆，总注浆时间持续了近4 个月时间，但该处注浆量仍约占总注浆量的70%，表明在该矿岩接触带附近裂隙非常发育。

1.5 地下水水质研究分析

通过对龙桥铁矿东部井下涌水点的水样进行水质分析，基本可以−420 m 水平为界，−420 m 水平及其以上地下水水化学类型为Ca·Na-HCO3，−420 m 水平以下地下水水化学类型为 Ca·Na-HCO3·SO4，表明东部地下水至少存在两种充水水源，分别为−420 m 水平及其以上地下水，及−420 m水平以下地下水，详见表1。

表1 地下水水质分析统计

1.6 地下水水温研究分析析

通过对龙桥铁矿东部井下涌水点的水样进行水温测量，基本可以−420 m 水平为界，−420 m 水平及其以上地下水水温约为24℃，−420 m 水平以下地下水水温约为31℃，一般情况下地温梯度为3℃/100 m，显然龙桥铁矿东部井下地下水水温变化不符合正常的地温梯度变化，表明东部地下水存在两种充水水源，分别为−420 m 水平及其以上地下水，及−420 m 水平以下地下水。

2 防治水方案研究

根据龙桥铁矿井下水文地质条件实际情况，其东部受水患威胁的矿体开采整体上可以分为两个阶段分步实施：第1 个阶段是针对−420 m 水平至−370 m 水平7 线以东矿体开采过程中的水患治理方案，第2 个阶段是针对−420 m 水平至−490 m 水平矿体开采过程中的水患治理方案。由于−420 m 水平至−490 m 水平巷道开拓工程有限，目前暂时不具备开采条件，且水文地质条件也有待进一步查明，因此，本次仅针对−420 m 水平至−370 m 水平7 线以东矿体开采制定初步防治水方案。主要从技术、经济和效果分析3 个方面进行比较，推荐最优的防治水方案。

2.1 技术比较

（1）疏干排水技术。首先，本矿区的东部为马鞭山大水矿山，随着本矿长期排水，地下水水力梯度极有可能变大，从而改变区域地下水径流场的边界条件，导通马鞭山矿地下水；其次，疏干排水工程与含水层自身之间的水力联系有密切关系，这就可能导致疏干钻孔没有水，或者涌水量较小，达不到降低地下水水位的效果；最后，长期疏干排水会改变矿区天然的水文地质条件，破坏地下水资源，同时会引起地面沉降、开裂和塌陷等严重后果[3−4]。

（2）井下近矿体帷幕注浆技术。井下近矿体帷幕注浆堵水技术对区域和矿区水文地质条件要求相对较低，其主要是对矿床水文地质特征进行研究，重点是对矿床充水水源、充水通道和充水强度方面的研究，通过前期对龙桥铁矿矿床水文地质条件的研究，认为其基本已经具备井下近矿体帷幕注浆工程在井下施工的条件。对井下安全生产影响少，几乎可以与生产平行作业，钻孔针对性强、堵水率高，实际堵水率基本达到90%左右，一方面整个工程费用相对较少，同时可以大大减少矿山的排水费用；另一方面该技术实施不会造成因疏干排水引起的地面沉降、开裂和塌陷，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。更重要的是该技术实施可以切断与马鞭山大水矿山的水力联系，并且该技术已经在多个类似矿山得到成功应用，并取得良好的效果[5−8]。

2.2 工程费用比较

（1）疏干排水工程费用概算。疏干排水技术方案中的工程费用主要包含排水费用和相关配套工程费用。首先，静储量约13 000 000 m3，排水费用按2 元/m3，其排水费用约为2600 万元，在考虑动态补给的条件下，疏干漏斗的半径也将扩大，其需要疏干地下水动、静储量要明显增大，排水费用远大于2600 万元；其次，配套工程费用约为740万元。因此，采用疏干排水方案总工程费用要大于3300 万元。

（2）井下近矿体帷幕注浆工程费用概算。龙桥铁矿东部井下7 线以东−370 m 水平至−420 m 水平已经开拓了大部分巷道，基本具备实施井下近矿体帷幕注浆堵水技术的条件，帷幕平均网度取10 m×10 m，帷幕厚度取30 m，钻孔孔深按70 m 或90 m 计算，钻孔个数约为518 个，钻孔总工程量约为39 860 m，钻孔按280 元/m 计算，钻孔施工总费用约为1100 万元，注浆费用和相关费用与钻孔费用基本相同，则工程总费用约为2200 万元。

2.3 效果比较分析

（1）疏干排水技术效果分析。采用疏干排水技术的优点在于地下水降至矿体开采水平以下，其开采过程相对安全，开采效率较高；其缺点在于除了前期排水费用和工程费用较多以外，后期维护成本也较大，更重要是在长期排水的情况下，地表塌陷等地质环境问题会越来越突出，另外可能会导通马鞭山矿地下水，增加矿床开采的难度。

（2）井下近矿体帷幕注浆技术效果分析。采用井下近矿体帷幕注浆堵水技术的优点在于工程费用相对较低，除了前期工程投入以外，后期基本没有维护费用，帷幕工程实施后可确保矿床的安全高效开采，更重要的是其可以阻隔马鞭山矿地下水进入矿床的可能，基本上可以达到一劳永逸的效果。其不足之处是技术要求高，需要专业的技术和施工队伍，矿床开采过程中属于带压开采，具有一定的风险。

综上所述，建议第1 阶段对−420 m 水平以上7线以东的矿体采用以井下近矿体帷幕注浆为主，疏干排水为辅的防治水方案。

3 结论及建议

（1）龙桥铁矿矿床水文地质特征表现为整体相对简单，从3 线往东局部偏复杂，尤其是东部−370 m 水平以下7 线以东区域更复杂。

（2）宏观上龙桥铁矿地下水充水通道可以大致分为3 类：第1 类为北西向和北东向共轭型的大断裂构造地下水径流通道，其特征为径流通道畅通，充水强度较大，但地下水补给量有限；第2 类为矿岩接触带地下水径流通道，其特征为径流通道较畅通，涌水量较大；第3 类为岩岩接触带和围岩内小构造裂隙地下水径流通道，其特征为导水裂隙较小，涌水量相对较小。

（3）空间上龙桥铁矿井下存在两种不同充水水源，一种为−420 m 水平以上−370 m 水平以下的地下水，该地下水具有涌水量大、水压较大、水温较低和充水强度大等特征，其水化学类型以Ca·Na-HCO3为主，另一种为−420 m 水平以下的地下水，该地下水具有涌水量较小、水压较小、水温较高和充水强度较小等特征，其水化学类型以Ca·Na-HCO3·SO4为主。

（4）根据龙桥铁矿选矿对高品位矿量迫切需求的现实情况，经防治水初步方案的综合比较，建议东部地下水水患治理以−420 m 水平为界，分两步实施，首先对第1 阶段−420 m 水平以上矿床水患进行治理，采用井下近矿体帷幕注浆堵水为主，排水为辅的防治水方案。

（5）建议加强地下水动态监测与信息化建设。