王元魁

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦運(yùn)營(yíng)管理部，山東 萊州 261442)

0 引言

目前，三山島金礦屬于海底采礦，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦山采礦受水害影響嚴(yán)重。從礦區(qū)突水條件、主要導(dǎo)水構(gòu)造等多個(gè)方面進(jìn)行分析，根據(jù)水文地質(zhì)條件情況劃分出不同區(qū)域，制定出合理的防治水措施，為生產(chǎn)提供安全保障。

1 礦區(qū)地質(zhì)情況簡(jiǎn)介

1.1 地層

礦區(qū)位于三山島-倉(cāng)上斷裂帶的北東段，全部被第四系覆蓋。區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四系，其次為荊山群祿格莊組(Pt1Htl)的包體[1]。

1.2 構(gòu)造

礦區(qū)區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為斷裂構(gòu)造，根據(jù)生成關(guān)系分為控礦斷裂及礦后斷裂，前者為新立-三山島斷裂帶。

1.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿巖廣布，主要為新太古代五臺(tái)-阜平期馬連莊序列欒家寨單元(Ar3νMl)、棲霞序列新莊單元(Ar3γδοQx)和中生代燕山早期玲瓏序列崔召單元(J3ηγLc)。

欒家寨單元(Ar3νMl)：主要分布于王河以南的三山島-倉(cāng)上斷裂帶上盤，主要巖性為中細(xì)粒變輝長(zhǎng)巖，巖石由基體和脈體兩部分組成，脈體為長(zhǎng)英質(zhì)，基體為中細(xì)粒變輝長(zhǎng)巖。

新莊單元(Ar3γδοQx)：主要分布于新立斷裂帶上盤，巖性為片麻狀中細(xì)粒黑云角閃英云閃長(zhǎng)巖,巖石呈深灰-灰色，中細(xì)粒花崗結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。礦物由斜長(zhǎng)石38%、石英38%、絹云母21%、黑云母2%及少量褐鐵礦、磷灰石及微量綠簾石組成崔召單元(J3ηγLc)。巖性為弱片麻狀中粒二長(zhǎng)花崗巖。淺肉紅色，中?；◢徑Y(jié)構(gòu)，交代結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦物由斜長(zhǎng)石40%、鉀長(zhǎng)石23%、石英28%、黑云母5%及少量綠簾石、綠泥石、磁鐵礦、磷灰石、榍石、絹云母和白云母組成。后者有北西向斷裂。

2 礦坑突水條件分析

2.1 分礦區(qū)突水條件分析

三山島分礦區(qū)和新立分礦區(qū)均開采多年，目前均開采至-600 m標(biāo)高，各分礦區(qū)礦體在走向上已完全控制，但因水文地質(zhì)條件不同，礦坑涌水量相差較大。2018年三山島分礦區(qū)年平均礦坑涌水量約為1.41 萬m3/d，而新立分礦區(qū)礦坑涌水量?jī)H為2 600 m3/d。造成礦坑涌水量不同的原因?yàn)槿綅u分礦區(qū)礦坑水主要來自于F3斷裂強(qiáng)富水含水帶和F1下盤剪張裂隙強(qiáng)富水含水帶，而新立分礦區(qū)巷道未揭露礦后斷裂和剪張含水裂隙，直接充水含水層為上下盤弱含水帶。因此，三山島分礦區(qū)存在礦坑突水的可能，而新立分礦區(qū)發(fā)生突水的水文地質(zhì)條件不充分[2]。

2.2 礦坑突水層(部)位分析

2.2.1 F3斷裂強(qiáng)富水含水帶

三山島金礦屬基巖裂隙充水礦床，根據(jù)礦坑多年開采資料，三山島分礦區(qū)可能形成突水的部位為F3斷裂強(qiáng)富水含水帶和F1斷裂下盤剪張裂隙發(fā)育帶。

F3斷裂為三山島分礦區(qū)北西向構(gòu)造的代表性斷裂，是一區(qū)域性構(gòu)造，切割含礦蝕變帶，并向北西延伸入海。F3斷裂發(fā)育寬度15～36 m，具有多期活動(dòng)的特征見圖1、2，由于后期活動(dòng)所形成的破碎帶未膠結(jié)好，因此，不僅賦存較為豐富的地下水，而且具有強(qiáng)導(dǎo)水能力。巷道揭露初期最大突水量231 m后期活，突水時(shí)以靜儲(chǔ)量(鹵水)的釋放為主；預(yù)注漿時(shí)，單孔(Φ90)涌水量達(dá)70 m3/h。該斷裂帶地下水接受海水的越流補(bǔ)給，與剪張構(gòu)造裂隙含水帶(A2、B1、B2區(qū))有直接或間接的水力聯(lián)系，是礦區(qū)地下水(鹵水)進(jìn)入礦坑的主要徑流通道，并接受少量的第四系孔隙水越流補(bǔ)給。

F3斷裂含水帶突水時(shí)常伴隨著涌泥現(xiàn)象，排水治理難度較大。根據(jù)礦坑揭露，隨著深度增加，F(xiàn)3斷裂含水帶出水涌泥數(shù)量逐漸減少，且斷裂帶巖石破碎程度有減低的趨勢(shì)。

1—花崗巖；2—斷裂帶；3—黃鐵絹英巖化花崗巖；4—裂隙；5—輝綠巖圖1 三山島份礦區(qū)F3斷裂帶剖面圖

1—斷層；2—F3中的斷層泥；3—黃鐵絹英巖；4—黃鐵絹英巖化花崗巖；5—輝綠巖圖2 -135 m中段大巷F3斷層泥破碎帶實(shí)測(cè)剖面

三山島金礦幾起比較大的涌水事件均發(fā)生在揭露F3斷裂帶含水帶過程中，見表1，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，影響了礦山生產(chǎn)。

表1 F3斷裂帶主要危害一覽表

2.2.2 F1斷裂下盤剪張裂隙發(fā)育區(qū)

1)F1下盤構(gòu)造裂隙密集強(qiáng)富水區(qū)(A2區(qū))：位于S38至S44勘探線的F1斷裂下盤區(qū)段，與F3斷裂走向基本相同的剪張性裂隙發(fā)育，傾角大于75°，且裂隙規(guī)模較大，延深也較大，含水性較強(qiáng)。各剪張裂隙之間發(fā)育WEE向的構(gòu)造裂隙使剪張裂隙中的地下水發(fā)生水力聯(lián)系，發(fā)育巷道揭露最大涌水量194 m3/h。剪張裂隙北西端入海，接受海水越流補(bǔ)給，西南方向與F3斷裂含水帶溝通，接受區(qū)域鹵水的補(bǔ)給。該區(qū)深部仍存在突水的可能。

2)下盤構(gòu)造裂隙中等發(fā)育中等富水區(qū)(B1、B2區(qū))：該兩個(gè)區(qū)段分別位于F3斷裂強(qiáng)富水含水帶(A1區(qū))與F1下盤構(gòu)造裂隙密集強(qiáng)富水區(qū)(A2區(qū))兩側(cè)，剪張裂隙規(guī)模小、密度稀疏，該區(qū)的地下水主要接受F3斷裂含水帶的補(bǔ)給，多為鹵水。B1區(qū)坑道揭露時(shí)最大突水量50 m3/h，B2區(qū)最大涌水量70 m3/h。礦坑深部開采仍存在突水的可能。

3 礦井突水的防治

3.1 預(yù)防保護(hù)措施

3.1.1 預(yù)留保安礦柱

三山島分礦區(qū)淺部-60 m標(biāo)高以上、新立分礦區(qū)-165 m標(biāo)高以上(距海床距離為160 m)作為保安礦柱(護(hù)頂?shù)V柱)未進(jìn)行開采，并對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了尾砂膠結(jié)充填，有效地保護(hù)了礦區(qū)頂板的安全，避免了采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害可能造成的上部海水和第四系地下水的潰入的危險(xiǎn)。

3.1.2 增大礦坑排水能力

1)新立分礦區(qū)。設(shè)計(jì)采用二段接力排水方式排水，一段泵房設(shè)在-1 320 m中段，水倉(cāng)2 000 m3，設(shè)計(jì)安裝D360-9560型多級(jí)離心泵3臺(tái)，單臺(tái)水泵流量360 m3/h，揚(yáng)程732 m。正常涌水時(shí)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，一臺(tái)檢修，可在16.78小時(shí)內(nèi)排出一晝夜正常涌水量；最大涌水時(shí)兩臺(tái)同時(shí)工作，可在9.13小時(shí)內(nèi)排出一晝夜最大涌水量，另一臺(tái)備用。排水管選用Φ273×12無縫鋼管兩條，沿盲副井敷設(shè)，一條工作，一條備用。二段排水設(shè)在-600 m中段，現(xiàn)安裝D280-65/84×10水泵3臺(tái)，單泵排水能力280 m3/h；D155-67×10一臺(tái)，單泵排水能力155 m3/h。新立分礦區(qū)排水能力不僅能滿足分礦區(qū)排水需要，而且可起到通過貫通巷道輸送排放三山島分礦區(qū)礦坑水的調(diào)度要求。

2)三山島分礦區(qū)。設(shè)計(jì)采用三段接力排水方式排水，設(shè)計(jì)一段泵房設(shè)在-1 400 m中段，水倉(cāng)5 000 m3，設(shè)D500-5700型多級(jí)離心泵4臺(tái)，單臺(tái)水泵流量500 m3/h，揚(yáng)程342 m。正常涌水時(shí)，兩臺(tái)工作，一臺(tái)備用，一臺(tái)檢修；最大涌水時(shí)3臺(tái)同時(shí)工作，另一臺(tái)備用。排水管選用Φ325×13無縫鋼管3條，沿管纜井敷設(shè)，兩條工作，一條備用。二段泵房設(shè)計(jì)在-1 140 m中段，水倉(cāng)5 000 m3，設(shè)DF450-95×9型多級(jí)離心泵五臺(tái)、PDF280-95×9型水泵一臺(tái)，DF450-95×9型水泵流量515 m3/h，揚(yáng)程787 m，配套電機(jī)功率N=1 600 kW；DF280-95×9型水泵流量335 m3/h，揚(yáng)程800 m，配套電機(jī)功率N=1 000 kW。正常涌水時(shí)，兩臺(tái)DF450-95×9(P)型水泵同時(shí)工作，3臺(tái)備用，一臺(tái)檢修；最大涌水時(shí)，4臺(tái)DF450-95×9型水泵同時(shí)工作，另兩臺(tái)備用或處于檢修狀態(tài)。排水管選用Φ377×16無縫鋼管3條，沿盲回風(fēng)井、管纜井敷設(shè)，兩條工作，一條備用。三段排水設(shè)在-435 m中段，利用原有排水設(shè)施可滿足排水要求。

3.2 突水防治技術(shù)研究

3.2.1 開展礦井水文地質(zhì)及防治水科學(xué)研究

為查清礦井水文地質(zhì)條件，不斷提高防治水工作技術(shù)水平，聯(lián)合院校、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)和地球物理研究所進(jìn)行三方面研究：1)礦坑涌水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與突水規(guī)律研究。2)礦山水文地質(zhì)條件的深入研究。3)礦山探水注漿及破碎帶注漿技術(shù)研究。研究成果有針對(duì)性強(qiáng)的解決了礦山生產(chǎn)中預(yù)警預(yù)報(bào)及礦井突水防治中的關(guān)鍵方法及工藝。

3.2.2 地表沉降觀測(cè)

為防止井下采礦作業(yè)對(duì)護(hù)頂?shù)V柱，造成影響，礦山不斷優(yōu)化地表沉降觀測(cè)系統(tǒng)并開展相關(guān)研究，掌握地表沉降規(guī)律，及時(shí)指導(dǎo)井下的采礦作業(yè)，防止第四系孔隙水及海水的入侵。

3.3 礦山突水的防治措施

3.3.1 建立完善的地下水防控體系

建立較為完善的地下水檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由專人負(fù)責(zé)礦山水文地質(zhì)資料的搜集、整理和分析，依據(jù)最新的水文地質(zhì)資料優(yōu)化防治水設(shè)計(jì)工作。

3.3.2 完善礦山的排水系統(tǒng)

隨基建工程的進(jìn)展在深部各中段建立各種臨時(shí)、半永久排水泵房，以滿足礦山基建需要。

3.3.3 嚴(yán)格按采礦設(shè)計(jì)施工

礦山在采礦過程中嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工，制定了嚴(yán)格的考核辦法，從上到下保證了間柱、點(diǎn)柱的完整，從而保證了整個(gè)礦區(qū)的穩(wěn)定，防止了第四系孔隙水和海水的潰入。

3.3.4 堅(jiān)持“有疑必探，先探后掘”的原則

“有疑必探，先探后掘”是保證礦山安全的根本性防水原則。目前無論是三山島分礦區(qū)還是新立分礦區(qū)都在向兩翼進(jìn)行探礦，均已進(jìn)入海底。掘進(jìn)巷道前首先要進(jìn)行探水，并依據(jù)探水鉆孔獲得的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)資料，對(duì)可能構(gòu)成威脅的突水部位進(jìn)行預(yù)注漿等措施處理并確認(rèn)安全后方可進(jìn)行開鑿工程的施工。

1)每60 m作為一次探水(注漿)輪回，設(shè)計(jì)探水孔3個(gè)，每一個(gè)孔深60 m，分別位于兩幫腰線位置和掌子面中間位置。

2)探水孔施工：選用ZK-150鉆機(jī)一臺(tái)，潛孔錘兩臺(tái)套。鉆孔開孔孔徑Φ110 mm，鉆進(jìn)長(zhǎng)度1.8 m埋設(shè)Φ108 mm孔口管?？卓诠芤欢耸褂酶邏悍ㄌm盤連接，一段車出1.6 m馬牙扣，纏緊麻線，刷上鉛油后，打進(jìn)孔內(nèi)，埋入巖壁深度1.8 m，外壁用快凝膠泥封閉，然后用單液水泥漿加固，加固壓力要達(dá)到最大注漿終壓。正常鉆進(jìn)段孔徑Φ90 mm，終孔孔徑Φ80～90 mm。施工前根據(jù)孔位的要求，使用方木和大板搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái)，確保鉆探施工作業(yè)要求。探水鉆孔施工順序?yàn)樯?、中、下?/p>

3)兩次探水間要預(yù)留5 m的防水墻，以確保探水安全。根據(jù)探水情況決定是否進(jìn)行注漿堵水，掘進(jìn)施工時(shí)必須進(jìn)行3～4 m釬桿探水，確認(rèn)無水后，方可掘進(jìn)。

3.3.5 重點(diǎn)地段突水的防治措施

新立分礦區(qū)西南部及三山島分礦區(qū)深部北翼探礦工程，由于位于海底部位均需進(jìn)行探水注漿作業(yè)，北翼為水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，特別是北巷需要過F3斷層，除探水注漿外，需確定是否需要進(jìn)行支護(hù)，以保證礦山安全。

3.3.6 注漿方案

1)注漿設(shè)備：BW-250型注漿泵一臺(tái)，J-600型攪拌機(jī)一臺(tái)。

2)注漿標(biāo)準(zhǔn)：探水過程中如發(fā)現(xiàn)鉆孔涌水量大于10 m3/h時(shí)需進(jìn)行注漿作業(yè)。

3)壓水試驗(yàn)：當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)到位，測(cè)流量結(jié)束后，既可安設(shè)注漿器向孔內(nèi)壓注清水，確保鉆孔的吸水率，并確定漿液起始濃度，壓水試驗(yàn)一般為10～20分鐘，如遇破碎帶巖層或較大出水可縮短壓水時(shí)間，如壓水時(shí)通道不暢可采用予處理方法，以增加可注性。

4)注漿：選擇以單液水泥漿為主，水泥-水玻璃漿為輔的注漿材料。水泥選用龍口水泥廠生產(chǎn)的普通425#硅酸鹽水泥，選用模數(shù)2.8～3.4、濃度40～45 Be的水玻璃；單液水泥漿的水灰比控制在1 ∶1～0.6 ∶1，凝膠時(shí)間控制在2～10分鐘；漿液濃度由稀到濃逐級(jí)調(diào)配，原則上注入一級(jí)漿液兩個(gè)小時(shí)無明顯壓力和流量無變化可調(diào)濃一級(jí)，至到達(dá)到最大設(shè)計(jì)濃度；注漿終壓要超過靜水壓力的3～4倍，一般4～5 MPa。小流量穩(wěn)定10～20分鐘后可結(jié)束鉆孔注漿。

5)掃孔及復(fù)注：注入單液水泥漿必須養(yǎng)護(hù)5小時(shí)方可進(jìn)行掃孔鉆進(jìn)，注漿過程中如出現(xiàn)中斷事故等意外情況，必須進(jìn)行掃孔復(fù)注，直至到達(dá)設(shè)計(jì)終壓和流量。

6)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：各分段注漿達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，進(jìn)漿量小于25 L/min,并維持10～20分鐘。

7)其他：為防止突水及注漿的需要，每個(gè)鉆孔必須安裝孔口管，孔口管直徑Φ108 mm?？卓诠芤欢耸褂酶邏悍ㄌm盤接連，一端車出1.6 m馬牙扣，外壁用快凝膠泥封閉，然后用單液水泥漿加固，加固壓力要達(dá)到最大注漿終壓。

4 礦坑突水防治的合理化建議

1)堅(jiān)持預(yù)防為主，防治結(jié)合的原則。礦坑巷道開拓時(shí)，要超前探水并做好注漿堵水的準(zhǔn)備。如探水鉆孔揭露含水帶且涌水量大于10 m3/h時(shí)應(yīng)進(jìn)行注漿。將“有疑必探，先探后掘”的原則貫穿巷道開拓的整個(gè)過程。

2)做好對(duì)F3斷裂強(qiáng)富水含水帶注漿堵水工作。F3斷裂帶地下水是礦坑的主要充水來源的來源，也存在較為嚴(yán)重的工程地質(zhì)問題。巷道揭露前，應(yīng)打探水孔防水疏干，并注水泥漿堵水。

3)輔助采礦設(shè)施應(yīng)避開F3斷裂。斜坡道等礦坑開采輔助設(shè)施等應(yīng)避免反復(fù)穿越F3斷裂帶；開采立井等應(yīng)盡量放在遠(yuǎn)離F3斷裂帶等水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)段，避免其所帶來的突水隱患。

4)加強(qiáng)新方法新技術(shù)的研究。F3斷裂寬度大，含水豐富，透水性強(qiáng)，且地下水屬高礦化度的鹵水，具較強(qiáng)的腐蝕性。建議礦山加強(qiáng)充填技術(shù)的研究及充填新材料的開發(fā)應(yīng)用。

5 結(jié)語

從礦區(qū)突水條件分析，突水防治措施等多個(gè)方面進(jìn)行分析研究，積極開展科學(xué)研究，制定探放水制度等，有效的做好了三山島金礦的防治水，避免了事故的發(fā)生，為安全生產(chǎn)提供保障。