矿山竖井水文地质勘察的实例分析研究

刘 雨

（湖南省国土空间调查监测所，湖南 长沙 410129）

1 工程概况

某公司矿区现地下矿产开采最低标高为1031米中段，目前已探明1031米中段以下尚有储量丰富的矿藏，以开发深部矿藏为目的的深部资源持续接替工程系该公司战略发展规划的重点，该深部资源接替工程配套建设的矿山竖井又是该工程的重中之重。

拟建某竖井工程拟采用盲竖井，井口设于现1031m水平巷道内，设计井筒深度971m（井底标高60m），净直径5.5m，提升机硐室标高1097m～1031m。该竖井将作为采矿人员﹑设备﹑材料及矿石等运输的主要通道[1]。

拟建盲竖井钻孔孔口标高约1034.76m。设计孔底标高55.0m，设计预定钻深980m。实际完成钻探工作量733.1m，对应标高1034.76m～301.66m。

2 竖井场地地层岩性

根据本次勘察结果,结合业主提供的矿区地质资料，拟建竖井标高1097m至钻孔深度所揭露地层的岩性特征按揭露顺序自上而下描述如下：

（1）上泥盆统宰格组（D3zg）：白云岩﹑硅质白云岩﹑微-粉晶白云岩，泥晶灰岩。在区内可分为上﹑中﹑下三段，本次勘探钻孔揭露视厚度456.9m，真厚度约287.54m。

宰格组第3段（D3zg3）①：细-微晶结构，厚层状白云岩为主，岩芯多呈短柱状﹑大块状﹑块状，少量柱状﹑碎块状。该层分布标高为1097m～1013.76m，其中标高1097m～1034.76m,系根据业主提供的矿区地层资料结合下部钻探资料综合描述；标高1034.76m～1013.76m段,孔深0.0～21.0m，为本次钻孔揭露,揭露视厚度为21.0m，真厚度约13.22m。

宰格组第2段（D3zg2）②：细-微晶结构，厚层状白云岩为主，岩芯多呈碎块状﹑大块状，少量短柱状﹑柱状。在孔深21.0m～155.1m揭露，揭露视厚度134.1m，真厚度约84.39m。

宰格组第1段（D3zg1）③：岩性主要以白云岩为主，岩芯呈碎块状，大块状﹑短柱状。在孔深155.1m～456.9m揭露，揭露视厚度301.8m，真厚度约189.93m。

（2）中泥盆统海口组（D2h）④：灰黑色﹑黑色粉砂岩为主，岩芯多呈饼状﹑短柱状﹑长柱状﹑碎块状。在钻孔456.9m～479.3m揭露，揭露视厚度22.4m，真厚度约14.10m。

（3）下寒武统筇竹寺组（∈1q）⑤：灰黑色﹑黑色炭质页岩为主，岩芯多呈短柱状﹑柱状﹑碎块状。位于孔深479.3m～495.2m，揭露视厚度15.9m，真厚度约10.01m。

（4）上震旦统灯影组（Zz2dn）⑥：灰色﹑浅灰色﹑硅质﹑细-微晶结构﹑厚层状白云岩为主，岩芯呈碎块状﹑角砾状，少量大块状﹑短柱状。在孔深495.2m～692.9m揭露，揭露视厚度197.7m，真厚度约124.42m。

（5）上震旦统陡山沱组（Zz2d）⑦：灰黑色﹑细-微晶结构﹑厚层状白云岩，岩芯多呈短柱状﹑大块状﹑碎块状。在钻孔692.9m到终孔深度733.1m，均为该组地层，揭露视厚度40.2m，真厚度约25.30m。

3 竖井场地水文地质条件

3.1 地表水

拟建竖井场地地表水C江为区内主要河流，纵贯全区，为当地最大和切割最深的地表水体。C江河床标高约1554.9m，矿区目前开拓的最低坑道为1031m中段。根据本次勘察，拟建竖井提升机硐室部分（标高1097m～1031m段）及勘探钻孔0.00～96.40m深度范围地下水基本被疏干，C江水可能沿构造裂隙补给该段地下水，但补给量小，补给有限，易于疏干。

3.2 地下水

拟建场地位于山体深部，地下水类型主要表现为构造裂隙水，赋存于各层内的构造裂隙及破碎带中。

根据区域水文资料及钻探结果，各含水层的赋水特征如下：

（1）泥盆系宰格组（D3zg）岩溶裂隙含水层：层内断层构造裂隙及破碎带发育，裂隙连通性一般～好，未见大的岩溶现象，涌水量相对较小，为中等富水性含水层。

（2）中泥盆统海口组﹑下寒武统筇竹寺组（D2h+∈1q）砂岩﹑页岩隔水层：含少量裂隙水，径流模量0.52～1.47 l/s.km2，隔水性能良好。

（3）震旦系（Zz2dn+Zz2d）岩溶裂隙含水层：钻探时未见大的岩溶现象，但层内断层构造裂隙及破碎带发育，裂隙连通性一般～好，为强富水性含水层[2-4]。

3.3 地层渗透性

为了解场地内基岩的节理裂隙的渗透性能，本次勘察在泥盆系宰格组岩溶裂隙含水层（D3zg3）及震旦系岩溶裂隙含水层（Zz2dn+Zz2d）中进行了单孔放水试验。根据试验结果，泥盆系宰格组岩溶裂隙含水层（D3zg3）的渗透系数为0.025m/d；震旦系岩溶裂隙含水层（Zz2dn+Zz2d）的渗透系数为0.0252m/d。

4 地下水涌水量预测

计算公式如下：

方法一（大井法）：

（1）各含水层（分段）预算井筒涌水量采用承压过滤器进水公式，计算公式如下：

式中：Q—井筒涌水量，m3/d；

K—含水层渗透系数，m/d；

S—水位降低值，m；

M—含水层厚度，m；

R—影响半径，m；

R0—引用半径，m；

r—井筒半径，取井筒半径2.75+超挖厚度0.5=3.25m；

ζ0—不完整井阻力系数；供水水文地质手册附表8确定；

l—过滤器长度，m。

H—水头高度，取值初始水头高差H0+M。

（2）各含水层（不分段）预算该含水层总的井筒涌水量采用承压转无压完整井公式，计算公式如下：

式中：Q—涌水量，m3/d；

R—影响半径，m；

K—渗透系数，m/d

r—竖井半径，取井筒半径2.75+超挖厚度0.5=3.25m；

H—水头高度，取值初始水头高差H0+M；

M—计算含水层厚度，m。

方法二（比拟法）：涌水点采用比拟法预算井筒涌水量，计算公式如下：

式中：R钻—钻孔影响半径；泥盆系宰格组含水层取值218.93m；震旦系含水层取值856.20m。

r钻—钻孔半径；取值0.048m。

R井—井筒影响半径；R井=R钻+r井，泥盆系宰格组含水层取值218.93+3.25=222.18m；震旦系含水层取值856.20+3.25=859.45m。

r井—井筒半径。取值井筒半径2.75+超挖厚度0.5=3.25m；

根据方法一﹑方法二上述公式，计算过程及涌水量成果如表1。

表1 涌水量分段预算表

5 竖井施工防治水措施建议

（1）拟建竖井施工，针对各段预测涌水量大小，其防治水原则分述如下：

对各突发涌水点，岩层透水性好，涌水量大，必须采用工作面预注浆或其他止水措施，对地下水进行封堵，防止施工涌水或降低施工涌水量，预注浆每段帷幕注浆深度应穿越突涌水构造裂隙一定深度,进入相对隔水层不小于10m，掘进施工前，应采用超前探水措施，以便确认帷幕注浆效果，确保施工安全；开挖施工时，应配合采用壁后注浆法，对出水点进行封堵。

对岩体较破碎-破碎，透水性相对较好，涌水量较大地段，采用工作面预注浆为主的注浆法，对地下水封堵，降低施工时井筒涌水量，预注浆每段帷幕注浆深度应穿越含水构造裂隙一定深度，当内衬砌施工仍发现有较大淋﹑滴水时，配合采用壁后注浆法,对壁后出水点进行封堵。

对岩体较完整，透水性相对一般，涌水量较小地段，宜采取壁后注浆法为主，对掘进段内衬砌施工后出现淋﹑滴水地段进行注浆封堵。

（2）拟建竖井开挖施工，采取短段掘砌,开挖支护深度宜预留一定深度的注浆帷幕，支护施工完毕后再进行下一段帷幕注浆及降水工作。

（3）开挖施工过程中应建立完善的抽排水系统，及时抽排地下水，并观测地下水位变化及涌水量变化情况，防止地下水从帷幕底部或帷幕注浆堵水不完全时涌入施工井筒内而造成不利影响，当开挖深度超过水泵扬程时，增设加压装置施行分级抽水，确保地下水能够顺利分级抽排出施工场地，确保施工安全及正常进行。

6 对本案例的分析研究

拟建竖井设计深度约971m，井筒底设计标高为60m，标高311.50m～301.66m处涌水点上部泥盆系宰格组岩溶裂隙含水层总的涌水量约3469.80m3/d，防治难度相对一般，拟建场地适宜性为基本适宜，可进行该段井筒的施工，根据涌水量预测成果，采用工作面分段预注浆止水，实际涌水量视注浆效果而定，采用壁后注浆法堵水。下部震旦系岩溶裂隙含水层总的涌水量约7017.17m3/d～11068.42m3/d，当井筒深度穿越标高311.50m～301.66m处涌水点时，预测涌水量巨大，达2597.20m3/d，防治难度巨大，施工难度大，安全风险高，拟建场地适宜性为适宜性差，不宜进行311.50m～301.66m处涌水点以下井筒部分的施工，建议对设计井筒深度适当调整或者拟建竖井另行选址重新勘察，若对设计井筒深度进行调整，其底标高宜不低于320m。如竖井确需穿越该段，竖井在掘进至标高320m左右时，停止施工并进行补充勘探，根据勘探结果制定下一步工作方案。

7 对矿山竖井水文地质勘察及竖井施工防治水措施的结论建议

（1）竖井水文地质勘察主要目的是为查明拟建竖井场地的水文地质条件，为拟建竖井工程提供设计所需的水文地质资料，预测井筒的涌水量，对场地建井适宜性进行评价，提出拟建竖井施工防治水措施。

（2）勘察过程中须对主要含水层提出岩层的渗透系数﹑涌水量及水质分析等水文资料，地下水补给水源及与地表水的关系，并预测井筒的涌水量；提出竖井建设超前探水及防治水措施。

（3）帷幕注浆止水及支护应进行专项设计和相关试验工作后方可实施。同时应制定有效的施工应急预案，以防止涌水对施工产生的不利影响，确保拟建竖井的正常施工及安全使用。

（4）竖井施工时如采用爆破作业，应注意爆破作业可能对止水帷幕造成不利影响。因此,爆破施工作业前应进行专项设计和试验，选择适当的爆破工艺，确保施工安全。

（5）拟建竖井开挖深度大，为确保正常施工及安全使用，建议从施工开挖开始至投入使用的一定时期内布置适当的水文观测点，对竖井场地地下水变化情况进行长期观测工作。

8 结语

地下矿山竖井是整个矿井的出入口，地位十分重要。竖井井筒的特点是深度大，断面积大，水文地质条件复杂，竖井水文地质勘察和施工防治水是一项复杂的系统工程。在实践中，应根据现场地质调查﹑钻探揭露情况﹑原位测试等，对工程地质﹑水文地质基础资料进行研究分析，详细查明矿山竖井的工程地质与水文地质情况，分析岩体稳定性，预测井筒的涌水量，对场地建井适宜性进行评价，提出拟建竖井施工防治水措施，满足竖井掘砌的技术需要。