兰陵县会宝岭铁矿变质岩裂隙含水层放水试验技术探讨

李 军，张纪堂，于杜涛，王少杰

(1.山东省鲁南地质工程勘察院，山东 济宁 272100 2.临沂会宝岭铁矿有限公司，山东 兰陵 277700)

山东兰陵县会宝岭铁矿为典型的隐伏型大型铁矿[1-2]，开采设计标高+60m至-970m。矿山投产后一直开采-410m中段以上矿体，现计划开采标高-410m～-760m的矿体。据矿山已有水文地质资料，矿区内东风井井筒-410m深部具断层破碎带发育且富水丰富的特征，需要查明-410m～-760m标高井筒施工中将遇到的水文地质问题，为施工提供合理的防治水建议。

本次井筒水文地质勘查位于地面以下460m～810m处(标高-410m～-760m)。从-410m中段向下进行水文地质钻探及放水试验，与地面抽水试验相比，具有占地面积小、施工周期短、资金投入少等特点[3-4]，且变质岩裂隙水具有典型的富水不均匀的特征。井下水文地质钻探及放水试验可准确地判断各含水段位置以及获取更符合矿井防治水的水文地质参数。

1 水文地质背景

1.1 含(隔)水层特征

矿区含水层由上至下主要有四个含水层：第四系松散岩类孔隙含水层、寒武系中统李官组(∈2l)-震旦系佟家庄组(Z2t)砂岩类裂隙含水层、南华系下统二青山组(Nh1e)灰岩-砂岩岩溶裂隙含水层、变质岩裂隙含水层。各含水层分布及富水性等特征见图1和表1。主要隔水层有李官组页岩、佟家庄组页岩以及二青山组页岩相对隔水层。

图1 矿区东北部水文地质剖面示意图

表1 研究区内主要含水层一览表

东风井井筒延深工程全部位于隐伏沉积盖层之下变质岩裂隙含水层内。主要为黑云变粒岩、其次为黑云角闪片岩及磁铁角闪石英岩(矿体)。富水性极不均匀，微张性裂隙段单位涌水量0.0067L/s·m～0.0102L/s·m，渗透系数0.00027m/d～0.0067m/d，富水性、透水性微弱。矿区东部F3断层破碎带及下盘张性裂隙段，单位涌水量0.054L/s·m，渗透系数0.13m/d，透水性中等，富水性虽弱，但远大于其他微张性裂隙段，除此，井下坑道靠近F3断层处岩体较为破碎，张性裂隙发育，出水点众多，因此，该含水段为本次水文地质工作的主要研究段。

1.2 各含水层间的水力联系

各含水层之间主要通过断层破碎带及其次生裂隙带水力联系，其次通过封闭不良钻孔、矿山斜坡道等水力联系。F3断层位于井筒延深部分底部，该断层破碎带及其下盘变质岩张性裂隙带为上部盖层沉积岩地层水与深部变质岩裂隙水的导水通道之一。

2 井筒检查孔放水试验技术

2.1 含水段划分

研究区岩性为黑云变粒岩，不易通过对岩心的编录判断含水层(含水段)位置，准确快速判断地下水位置是本次放水试验的前提工作。本次钻孔孔口位于-410m中段巷道中，钻进过程中，遇含水段均会发生涌水现象。当再次钻进时遇到新的含水段时提钻后涌水量自然增大，因此“记录的每回次提钻后涌水量动态成果”是含水段划分的重要依据。根据钻进过程中涌水量变化特征、结合岩心编录将钻孔依次划分为五个含水段，分别孔深34.30m～50.10m、63.70m～84.20m、164.00m～175.40m、217.90m～228.80m、306.00m～341.00m含水段。

2.2 多层放水试验止水技术

该钻孔钻进过程中共有5个涌水段，采取由上至下顺序放水试验(照片1)，即每揭露一个含水段需进行一次放水试验。以往放水试验多应用于煤矿顶板水害防治，主要针对一孔一个含水层(或含水段)[5]，本次需要实现一孔多含水段放水试验，因此好的止水效果是放水试验成功的前提。传统止水材料粘土、水泥、沥青、海带等只适合水流、水压不大的情况下采用，本次由于施工位置较深，水流、水压均较大，无法使用[6]。水囊式止水器为一种新型止水器，具有耐磨损、充水管线耐压较高、止水水囊易于加压及泄压(易于放置及撤出)，且能够多次使用等特征。水囊式止水器(照片2)适合于本次放水试验的止水需求。

2.3 放水试验水压(水位)、水量等测试

(1)水压(水位)测试：在水文地质试验前后分别需要进行地下水位稳定观测和水位恢复观测，由于各含水段钻孔孔口均出现自然涌水，无法进行水位观测，本次采取对孔口水压进行测量，水压除以重力加速度与水密度(H=P/(ρ·g))计算放水前地下水位稳定数据及放水后地下水位恢复数据。

在下入水囊式止水器后，在孔口通过橡胶管接上水压表观测水压，每次接水压时均要求接头无任何漏水现象，防止漏水导致实测的水压偏低，观测精度精确到0.01MPa。放水前水压测试每半个小时观测一次，直至水压稳定持续8个小时以上再放水；放水后水压观测时间采用第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60分钟时间点观测，以后每半小时观测一次，直至水压连续4小时不发生变化再停止，并绘制水位(水压)恢复曲线图。

(2)涌水量观测及水质的测试：在水囊式止水器止水的基础上对各含水段进行涌水量观测、水质的测试。本次放水试验涌水量采用三角堰法进行观测，现场读数精确到1mm，通过公式计算出涌水量。流量观测时间采用第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60分钟时间点进行观测，以后每半个小时观测一次，直至流量稳定时间大于8小时(图2)。在放水试验结束前对水温进行测试、并采集地下水水样并送至化验室进行检测。

图2 压水试验成果图

3 放水试验成果

3.1 各含水段地下水类型

通过对钻进过程中每回次涌水量观测资料、钻孔岩心水文地质编录情况以及放水试验时涌水量观测，孔深34.30m～50.10m和63.70m～84.20m含水段出水类型为变质岩裂隙水，岩性为黑云变粒岩，两个含水段与岩轴夹角为5°、20°～25°微状性裂隙出水；其他3个含水段均为断层水。各含水段涌水量见表2。

表2 东出风井井检孔水文地质试验(放水试验)参数计算成果表

3.2 含水段水文地质参数

(1)计算公式：由于各含水段地下水位均为承压水，采用承压完整井渗透系数公式

(2)计算参数确定：Q：各含水段放水试验测得涌水量；H：承压水头高度从各含水段底板标高处；M：每回次钻探提钻后涌水量变化及编录确定的各含水段厚度；S：每涌水段放水试验前测出稳定水压除以重力加速度与水的密度；r：钻孔半径。

(3)计算结果：各含水段的水文地质参数见表2。各含水段透水性中等。

3.3 地下水补给来源及导水通道

表3 井筒检查孔各含水段与二青山组灰岩-砂岩裂隙岩溶水主要水化学对比表

3.4 井筒施工涌水量预测及防治水建议

3.4.1 井筒施工涌水量预测

(1)计算公式确定：由于变质岩裂隙含水层分布广，周边无明显隔水边界，地下水计算模型可均视为无限边界承压水完整井水文地质模型。井筒施工时，需要及时对井筒中涌出水量疏干，此时地下水由承压转为无压状态，选用“大井法”稳定流承压转无压公式。

(2)计算参数确定：K：渗透系数；H：承压水头高度根据井检孔从含水段底板标高处算起的水头高度；M：预测井筒施工到各含水段时各含水段厚度；S：疏干排水时S=H；r0：井筒(裸井)设计直径为5.2m，r0=2.6m．

(3)涌水量预测结果：东出风井井筒施工过程中各涌水段正常涌水量见表4。

表4 进风井井筒施工涌水量预测结果表

3.4.2 井筒施工防治水建议

工作面预注浆是矿井治水的重要措施[9]。大量前人井筒施工经验表明：含水层单层涌水量大于10m3/h，应进行井筒工作面预注；含水层单层涌水量小于10m3/h，但含水层层数较多(两层以上)，应进行井筒工作方面预注浆[10-11]。根据以上井筒施工涌水量预测结果，正常总涌水量远大于10m3/h，因此在井筒施工前应进行工作面预注浆处理。

4 结 语

(1)通过井下水文地质钻探、放水试验工作查明了井筒施工过程中将遇到的各含水段具体位置、水文地质参数，并通过各段地下水化学特征和水压特征分析了地下水导水通道和补给来源。为东风井井筒延深施工提供了参数，也对矿山深部开采提供了水文地质参数。

(2)对井筒施工将遇到的各含水段分别进行涌水量预测，预测结果远大于10m3/h，建议井筒施工前进行工作面预注浆处理。

(3)本次井下水文地质钻探及放水试验工作，与地面水文地质钻探及抽水试验相比，具有占地面积小、施工周期短、资金投入少等特点，并能准确判断各含水段位置以及获取更符合矿井防治水的水文地质参数。本次水囊式止水器一孔多层放水试验为沉积变质岩型铁矿深部探水开辟了先例，对类似矿山深部探水工作具有指导意义。