大型富水矿山水文动态观测及井下涌水位置预测

高 超

（河钢集团矿业有限公司）

司家营南区矿山分公司隶属于河钢集团矿业有限公司，有田兴铁矿和大贾庄铁矿2 座基建矿山，田兴铁矿基建期在竖井开拓时常遇突发涌水［1-3］，进入平巷施工后多遇断层破碎带［4-5］，矿区的富水环境为后续基建施工及矿体采切带来了巨大挑战。司家营南区水文地质补勘报告显示，基岩地下水水位在基建过程中呈现下降的趋势，隔水层间的天窗沟通第四系各含水层，多个断层复合带处形成了降落漏斗，长期的基建开拓致使司家营南区的水文地质环境比勘测的水文地质报告更加复杂。现阶段，预测巷道涌水位置是司家营南区平巷施工的重点项目。

1 司家营南区矿区概况

1.1 工程地质

司家营南区的田兴铁矿和大贾庄铁矿各竖井地理位置比较分散，横跨田疃村、李兴庄村、小王庄子等村庄，滦河、新滦河等部分河流都穿越矿区。田兴铁矿主、副井区受滦河影响，竖井施工时基岩段透水现象严重，多次因涌水过大造成工程延期或中断。司家营南区矿体穿越多个断层，矿体及围岩裂隙发育，透水性、富水性较强，矿区断裂构造发育。南北向褶皱构造为紧密同斜褶皱，东西向褶皱构造为舒缓褶皱，断层构造则以F9～F13断层和新河断层的压扭性断裂构造为主。

1.2 水文地质

根据其赋存条件、水动力特征、渗透性等因素，将司家营南区区域含水层划分为第四系松散岩孔隙水含水层、基岩风化裂隙水含水层和基岩构造裂隙水含水层3种类型［6］。

第四系松散岩孔隙水含水层在地表广泛分布，且顶部渗透性强，底部渗透性弱。上部主要由砾石、卵石组成，透水性强，出水量大，与滦河关系密切；下部由粗中砂和各类砂土组成，渗透性和出水量适中；中部有一层连续性良好的粉砂黏土层，为极弱透水层，削弱了第四系上含水层与下含水层的水力联系，但第四系含水层仍构成统一含水体（图1）。

基岩风化裂隙含水层位于第四系底部，连续性好，含水层厚度比较均匀。该含水层透水性强弱不一、分布不均，富水性空间分布凌乱，为弱透水层；部分弱风化带结构遭到不同程度破坏，使得透水性、富水性增强。弱风化带是风化裂隙水的主要赋存部位。

基岩构造裂隙含水层主要赋存于断层及其影响带内，由F9～F13断层相互作用形成的复合影响带构成，因F9～F13断层在垂向上有合拢的趋势，多条断层组成的复合影响带在基岩深部宽度变窄，属中等富水性含水层。

上述各含水层之间存在水力通道，含水层之间相互联系，组合成统一的地下含水系统。矿体上覆风化带分布面积大，透水性不强，连续性较好，很大程度减弱了第四系水与矿床之间的水力联系，风化带成为控制第四系水进入矿床的关键层位。风化带之上的第四系含水层分布范围大、厚度大、透水性和富水性强，且与滦河水力联系密切，为矿坑水的最终来源。

2 多孔抽水试验

司家营南区水文地质勘查完成了CK01、CK02、CK03、CK04 共4 个大孔的多孔抽水试验［7］，各抽水大孔均布置在断层及其影响范围内。每个抽水主孔附带10～16个观测孔，共设监测孔63个。

2.1 CK01多孔抽水试验

CK01 抽水孔布置在田兴铁矿S30 线南矿段上盘新河断裂影响带上，周围共布设20个观测孔，抽水试验持续了72 h。3#主井出水量为175.36 m3/h，静水位降低45.97 m，主井旁管外孔NK05 静水位降低4.79 m，主井旁第四系底部观测孔QCK07 静水位降低0.18 m，东部观测孔CGK01 静水位降低1.72 m，南部观测孔NK09 静水位降低3.30 m，北部观测孔NK04静水位降低1.16 m，西部观测孔NK08 静水位降低1.18 m。

2.2 CK02多孔抽水试验

CK02 抽水孔布置在田兴铁矿大贾庄矿段F9～F13断层带上，周围共布设13个观测孔，抽水试验持续了72 h。2#主井出水量为27.63 m3/h，静水位降低23.62 m，主井旁管外孔GK02 静水位降低4.89 m，主井旁第四系底部观测孔QCK02 静水位降低0.22 m，东北部观测孔NK03静水位降低2.02 m，东南部观测孔NK05静水位降低0.27 m。

2.3 CK03多孔抽水试验

CK03 抽水孔布置在大贾庄铁矿S54 线南矿段上盘，周围共布设14 个观测孔，抽水试验持续了72 h。1#主井出水量为229.30 m3/h，静水位降低12.17 m，主井旁管外孔GK03 静水位降低7.87 m，东南部观测孔NK12静水位降低0.48 m，西南部基岩观测孔GK04静水位降低2.06 m，第四系底部观测孔QCK04 静水位降低0.22 m，北部观测孔CGK03静水位降低0.48 m。

2.4 CK04多孔抽水试验

大贾庄铁矿大46 线与大42 线大贾庄矿段下盘布置CK04 抽水孔，周围共布设16 个观测孔，抽水试验持续了96 h。1#主井出水量93.80 m3/h，静水位降低71.03 m，主井旁管外孔GK04 静水位降低3.04 m，第四系底部观测孔QCK04 静水位降低0.22 m，北部观测孔CGK04 静水位降低2.68 m，西北部观测孔NK18静水位降低2.03 m。

2.5 多孔抽水试验分析

在整个抽水试验动态观测期间内，地下水位均有不同程度的下降，停泵60 h 后每一个观测孔的水位均有回升，这表明多孔抽水试验有广泛的影响力，基岩地下水位的压力传播很远，基岩断层断裂带附近的水头下降更多，构造不发育地段基岩水头下降少。说明矿区各断层及构造破碎带相互联通，构成脉络状的地下导水通道。巷道一旦揭露这些地方，瞬间突水量均较大，极易淹井。

3 司家营南区放水试验动态观测

在进行抽水试验动态观测期间，田兴铁矿大贾庄回风井-375 m 水平联络道76.0 m 处掌子面发生突水，瞬间突水量达1 000 m3/h 以上，涌水迅速灌满整个联络道，一天内涨至竖井静水位。由于本次巷道排水量大，持续时间长，影响范围大。利用现有观测系统对大贾庄回风井-375 m 水平巷道进行了放水试验观测，历时近一个月。

巷道最初排水量为18 000～23 760 m3/d，主要以消耗巷道内积水为主，竖井水位急剧下降。4 h后，南矿段西部观测孔水位开始下降，东侧观测孔水位基本未变，排水2 d 后，竖井水位降至-375 m 水平底板，维持巷道正常排水量9 240 m3/d，所有观测孔水位均有不同程度下降，其中北部最远观测孔NK14 水位降深2.46 m，日降幅维持在1.80 m 左右，东北方向最远观测孔GK02下降2.59 m，日降幅维持在1.07 m左右，东部最远观测孔水位下降0.21 m，所有观测孔水位仍保持下降的趋势。

在经过竖井强排水及恢复平巷排水系统后，涌水量逐渐减小并趋于稳定，现阶段实测涌水量为185 m3/h。该涌水位置发现一条近南北向的老断层F15，该断层后期被岩浆岩侵入充填，形成南北展布、断续分布的辉绿岩脉，辉绿岩脉本身坚硬完整，但岩脉两侧存在一定宽度的断层影响带，断层早期活动过程中，离断层较远的岩体亦受到一定程度的挤压或拉张破坏，在断层带两侧形成一系列规模较小、断续分布的构造裂隙带，辉绿岩侵入充填时，这些构造裂隙充填程度较低，成为基岩裂隙水的主要赋存场所，亦是巷道突水的主要充水通道。

4 司家营南区采区巷道涌水位置预测

在开采条件下，第四系水为矿坑充水主要水源，构造裂隙带为矿坑充水主要通道，构造裂隙带之上的第四系底部黏性土与强风化带弱透水层很大程度减弱了第四系水与基岩裂隙水间的水力联系，是控制第四系进入矿坑的关健层位。矿坑排水首先消耗基岩地下水静储量，随着采矿的进行，基岩地下水降落漏斗不断扩展，第四系与基岩间的水头差不断增加，第四系越流补给总量增加，待矿坑排水量等于漏斗范围内的第四系越流量和弱风化裂隙含水层侧向补给量时，即为矿坑正常涌水量。

4.1 采区巷道涌水位置统计

在矿区水文地质及抽水试验观测数据的基础上，结合施工中统计的多中段巷道涌水位置，采取回归分析的方法对采区同一断层不同巷道涌水点进行预测。以田兴铁矿大贾庄副井3 个中段的探水注浆参数资料为基础，根据施工中不同巷道中段遇到的断层破碎带，统计分析该断层延伸走向，利用回归分析法预测-475 m 中段巷道沿脉巷涌水点位置。表1为田兴铁矿大贾庄副井遇到同一断层时不同中段的涌水位置统计。

4.2 采区巷道涌水位置预测

线性回归分析就是测量变量之间的关系，通过实验数据绘制其相关关系散点图，拟合出变量之间的线性回归方程。其方程的表达形式主要为一元线性回归方程和对数线性回归方程。

线性回归方程拟合优度R2＞0.95时，说明所得到的回归方程拟合度较好；当R2＜0.85 时，说明回归方程不能表示变量之间的相关性［8-9］。

4.2.1 一元线性回归方程

根据表1中的统计数据，绘制散点图确定一元线性回归方程，计算回归方程的相关系数（图2）。

其一元线性回归方程为

回归方程的相关系数R2=0.965 9。将-475 m 水平中段带入公式（1）中，计算得涌水点为沿脉巷218.5 m处。

4.2.2 对数线性回归方程

根据表1中的统计数据，绘制散点图确定对数线性回归方程，计算回归方程的相关系数（图3）。

其对数线性回归方程为

回归方程的相关系数R2=0.987 5。将-475 m 水平中段带入公式（2）中，计算得涌水点为沿脉巷219.4 m处。

4.3 线性回归分析方程的应用

根据回归分析方程预测-475 m 中段沿脉巷涌水位置分别为沿脉巷218.5 m 处和219.4 m 处。为验证回归分析方程的准确性，在巷道施工至215 m 处左右预留注浆岩帽，进行巷道探水工作，探水至岩脉巷225 m 处发现破碎带涌水位置。回归分析方程预测巷道涌水位置与实际揭露的破碎带位置误差分别为6.5 m 和5.6 m。考虑到实际探水注浆时均会预留注浆岩帽，其误差范围在注浆岩帽厚度范围内，说明此次涌水位置预测是比较成功的，运用回归分析法进行巷道涌水位置预测是可行且准确的。

对数线性回归方程的相关系数大于一元线性回归方程式，说明利用对数线性回归方程预测的涌水点位置比利用一元线性回归方程预测的涌水点位置更为准确些。现场实际揭露的破碎带位置也证实了这一点。

5 结论

（1）研究了司家营南区的水文地质与工程地质，多维度的多孔抽水试验动态观测和巷道放水试验动态观测数据显示，司家营南区地下水相互导通，第四系水为矿坑充水主要水源，构造裂隙带为矿坑充水主要通道。

（2）依据各巷道涌水位置统计数据得出的线性回归方程相关系数较高，方程拟合度较好，根据回归方程预测的涌水位置与实际揭露的破碎带位置误差较小，其预测方程的准确性得到了证实。

（3）以矿区水文地质条件为基础建立“涌水位置统计数据+涌水位置预测方程”的矿山巷道涌水位置预测体系尚属首例，具有深入研究的必要。