某大水矿山采场涌水分析及防治水对策研究

于兴社 袁 冰 刘 阳 周 涛

（1．河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司；2．河北昕佳工程勘查设计有限公司）

某铁矿位于邯邢百泉泉域地下水强径流带，是国内典型的水文地质复杂的岩溶大水矿山，矿山顶板为奥陶系含水层，开采前期，矿山实施了矿体帷幕注浆工程和帷幕内疏干排水工程。矿体帷幕堵水率可达80%以上，但并不能完全阻断帷幕内外奥灰岩溶水的水力联系，帷幕内岩溶地下水仍具有较大的动、静储量［1-2］。矿山自2013年10月开始进行帷幕内疏干排水，最初疏干排水量为3 000 m3/d，随着矿山疏干工程多年排水，矿床附近奥陶系灰岩地下水位虽有下降，但疏干放水效果并不显著，水位下降缓慢。自2017年10月，矿山疏干排水量较稳定，约2.4万m3/d，近3 a矿体内奥陶系灰岩水位平均下降仅8.93 m，可见矿山在目前疏干排水状态下，矿区地下水处于一个相对平衡的状态，现有疏干效果很有限。目前矿体水位高于开采中段，导致矿山的生产安全受到重大的水害威胁。在此情况下，矿山防治水策略如何制定等已成为制约矿山安全生产的重要问题。鉴于此，矿山开展了首采区采场涌水分析及防治水对策研究，为矿山安全生产提供保障。

1 工程概况

2008—2010年，矿山实施帷幕注浆工程，后在-260 m中段布置有主水仓，建成永久排水系统。共布置6台水泵，每台水泵额定流量为1 100 m3/h，根据线路及管道布置，最多可同时开启4台水泵，排水能力最高达105 600 m3/d，满足疏干排水需求。矿山在-170，-230，-245 m中段共施工了13个放水硐室和46个放水孔，-260 m以上中段矿坑涌水及泄水孔放水通过泄水井泄至-260 m主水仓，然后通过水泵排至地表。为确保安全开采，矿山基建和开采过程中坚持逢掘必探，先探后掘的原则，所以基建过程中大量使用了注浆堵水。目前矿山已建成投产，并形成主井、副井、北风井、南风井共4条竖井及-110，-170，-230，-245，-260，-409，-448，-488 m等多个中段，并在-488 m水平建有辅助排水系统。

随着矿山基建工程和疏干工程多年排水，矿床附近奥陶系灰岩地下水位已产生了较大幅度的下降。至2020年3月，矿区观测孔最低水位已降至-73 m左右，北部降至-37 m左右，南部降至0 m左右。目前矿山总排水量约为2.4万m3/d，水量较稳定，但矿区内奥灰岩水位下降缓慢，近3 a矿区内观测孔水位下降幅度最大为19.99 m，最小为1.43 m，平均下降8.93 m，现有疏干排水工程的疏干效果很有限。

2 矿床充水因素及涌水量预测

由分析可知，奥陶系灰岩是矿区主要含水层，也是与区域联系的主要通道。在天然条件下，该层灰岩岩溶裂隙发育，富水性透水性强，水力坡度极小，与区域地下水联系密切，矿山开采时区域地下水会通过此强含水层大量侧向补给矿坑，影响范围广，矿坑涌水量大。1990年开始，由于区域内地下水开采量的增加，导致地下水位大幅下降，矿山一带与天然水位相比下降150 m左右。水位大幅下降使得矿区大量主含水层处于疏干状态，矿体顶部含水层厚度变薄，同时也使矿床与区域含水层的联系变弱。由于矿山实施了帷幕注浆工程，在基建过程中大量使用注浆堵水，使灰岩中部分岩溶裂隙被充填，灰岩的富水性透水性较天然情况有了一定程度的降低。受上述2个方面的影响，使得矿床地段主要含水层透水性已变得相对较弱。

2.1 矿床充水因素分析

在帷幕注浆及注浆堵水后，奥灰岩岩溶裂隙部分被堵塞，富水性、透水性降低，矿床地段形成一个相对较统一的弱含水体，区域地下水通过弱含水体的外围缓慢渗入内部补给矿床地下水。

矿山共施工了13个放水硐室和46个放水孔，自2017年10月以来，矿井疏干排水量较稳定，约为2.4万m3/d，各中段涌水量情况见表1。-245 m中段的涌水量最大占总涌水量的44%，其他中段排水量均较小。现场调研可知，各中段出水点主要为杂乱分布的分散出水点，包括顶板淋水及侧壁渗水等，大流量的集中出水点很少，单点最大流量为62 m3/h。放水孔放出水量有限，总放水量小于5 000 m3/d，占矿山总排水量约20%。表明目前条件下，矿床含水层整体富水性、透水性变弱，而小口径放水孔放出水量有限，只有大幅度地加大揭露面积才能较大程度增大矿坑涌水量。

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2.2 矿坑涌水量预测

2.2.1 矿坑涌水量及地下水位相关关系

在充分考虑区域与矿山水文地质条件影响因素的基础上，绘制各观测孔水位标高与矿山排水量历时曲线，选取其中数据比较完整、不同位置的观测孔，绘制2012年7月——2020年3月观测孔水位与其相对应的矿坑涌水曲线，进行二者相关性分析。图1为CG71观测孔矿坑涌水量及地下水位相对关系曲线，分为2016年以前及2016年以后2个阶段，分别代表不同区域地下水环境下矿山排水量与地下水位的相对关系。从图1中可看出，矿坑涌水量大小与矿床地下水水位变化呈正相关关系［3-4］，曲线不同部位的斜率反映了该阶段二者之间关系，即水量不大的情况下，水位下降缓慢或保持不变；随着水量逐渐增大，水位呈明显下降趋势；水量再增大，水位则会呈现较陡的幅度下降。

2.2.2 矿坑涌水量与开拓工程量相关关系

选取2012年至今的矿坑涌水量及开拓工程量数据建立关系曲线（图2）。从图2可看出，矿坑涌水量随着工程开拓量的增加而不断加大，呈现正相关的关系［5］，但是增加趋势越来越缓慢，当工程开拓量增大到一定程度时，矿坑涌水量随工程开拓量的变化将微乎其微。

2.2.3 矿坑涌水量预测

在假设区域各排水点和开采量保持稳定，水位变化幅度不大的情况下，利用现有矿坑涌水量及地下水位相对关系曲线外推，可预测矿床地下水水位降至不同水平时的矿坑涌水量。疏干排水的目的是想把帷幕内矿体水位降至开采中段-230 m以下，这样才利于安全开采。从图1中可看出，水位实际上一直在降低，只是降速较慢。以曲线斜率延长线与-170和-245 m这2个预测水平相交，其对应值即矿床总体水位降低至该水平时的矿坑涌水量。图3为CG71观测孔矿坑涌水量及地下水位相对关系。分别对各钻孔曲线进行预测，预测结果均比较相近，-170 m水平涌水量预测结果在3.3～3.7万m3/d，-245 m水平涌水量预测结果在3.8～4.4万m3/d。

2.3 首采段涌水量预测

矿山设计先开采-230 m及以上中段。由图2可知，矿坑涌水量与开拓工程量具有相关性，利用图2矿坑涌水量与工程开拓量的相对关系曲线外推，可求得工程开拓量到达一定程度时的矿坑涌水量，其预测结果见表2。在区域水文地质条件基本稳定的前提下，随着开采面不断展开，开采段涌水量呈缓慢增加的趋势，且增加趋势越来越缓，当开采段总开拓量达47万m3时，开采段涌水量增加0.7万m3/d左右，此时矿山总涌水量约3.1万m3/d，较目前增加不大。

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2.4 首采段突水因素分析

通过对第四系含水层、断层导水及大型溶洞等突水因素进行分析，可知目前矿床地段石灰岩含水层透水性整体较弱，且因疏干排水作用，含水层厚度大幅度缩减，在降落漏斗中心，灰岩含水层厚度仅剩约50 m，F3（矿）断层面临无水可导的局面。通过对矿山水文地质条件研究和长期疏干放水验证，认为现阶段矿山防治水总原则为以疏为主，以堵为辅，可利用开采工程继续对矿床进行疏干，同时加强矿山防治水工作。

3 防治水建议

根据矿山水文地质条件和充水因素特点，结合经济成本，提出矿山防治水措施的制定应坚持“以疏为主，以堵为辅”的原则，主要内容如下：①地下水位以下的开采活动必须坚持“逢掘必探，先探后掘”的原则；②利用已开采工程进行整体疏干，不再单独设置疏干放水孔，在巷道掘进中，加强矿岩接触面与断层部位的超前钻孔探水，当钻孔涌水量较大时，进行放水疏干；③矿山建设和生产过程中的探水孔或其他工程出水点，在不影响正常生产的前提下，不实施注浆堵水措施，而是加大放水力度，使矿区地下水位尽快降至安全水头，既节省费用又保障安全生产；④结合实际制定一矿房一治水方案，加强采场淋水治理，尽量减少采场淋水进入溜井；⑤完善地下水水位动态观测系统，对现有地下水位动态观测系统进行检测点加密，同时在巷道下选择一部分水量小的疏干放水孔，加装压力表，作为观测点位，观测矿床地下水压力，及时掌握地下水位动态变化情况，指导矿山安全生产；⑥规范日常水文地质工作。

4 结论

（1）利用矿坑涌水量与地下水位动态相关曲线预测了矿坑涌水量，主采区水位标高降至-170 m时，矿坑涌水量为3.7万m3/d，主采区水位标高降至-245 m时，矿坑涌水量为4.4万m3/d。

（2）运用矿山排水量与工程开拓量资料建立相关关系曲线，预测首采段涌水量，当开采段总开拓量达47万m3时，开采段涌水量增加0.7万m3/d左右，此时矿山总涌水量约为3.1万m3/d，较目前增加不大，在可控范围内。

（3）岩溶裂隙发育较弱，且矿体周边没有大的溶洞及采空区，发生突水的可能性小；出水点多集中在矿岩接触带或断层周围，而矿体整体透水性弱；疏干效果有限，可利用已开采工程进行整体疏干。