蒲開興， 蒲慶隆， 曾凡祥， 蔡健龍， 任永林

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，貴州 貴陽 550005; 2.貴州綠能星新能源開發(fā)有限公司，貴州 貴陽 550005； 3.甕福集團甕福磷礦，貴州 福泉 550500)

0 引言

地下水對礦山開采有著非常巨大的影響。隨著礦山開采深度的增加，水文地質(zhì)條件也會變得更加復(fù)雜，水文地質(zhì)事故頻發(fā)，尤其是礦井突水事故。礦井突水是因井巷、工作面與地表水或含水層的含水裂隙帶、構(gòu)造破碎帶等接近或貫通而突然發(fā)生的突水事故[1]。地下水大量涌入礦山坑道，會使采掘工程施工復(fù)雜化，采礦成本大大增加，威脅采掘工程和人員安全[1]。1990—1992年，耿洪州等[2]在楊莊、朱莊煤礦開采過程中利用6口大口徑鉆孔成功實現(xiàn)了對地下水豐富地段的抽排，減少了施工過程中發(fā)生突水災(zāi)害的機率。2018年，福泉市英坪礦段轉(zhuǎn)入地下開采階段，在施工至靜水位之下后，靜水壓力變得越來越大，特別是遇到巖石較破碎或斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育的地段時，突水量會更大。當(dāng)靜水壓力超過3 MPa時[3]，便會對采掘工程施工人員的人身安全產(chǎn)生威脅。在此背景下，本文進行了礦區(qū)水文地質(zhì)特征分析，查明了礦區(qū)地下水補徑排規(guī)律，并開展了突水災(zāi)害防治措施研究，旨在為礦山深部開采活動提供安全支持和保障。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

礦區(qū)位于高坪背斜南段東翼[4]，地貌受構(gòu)造、巖性及新構(gòu)造運動等作用的影響，總體山脈走向及溝谷展布與主體構(gòu)造線一致，呈NNE向。區(qū)域上，英坪磷礦區(qū)位于高坪背斜軸部東翼南段背斜蓄水構(gòu)造內(nèi)。礦區(qū)小壩后寨一帶是次一級地下分水嶺，將礦區(qū)分為南、北兩個地下水單元，地下水分別向南、北兩個方向徑流運動(圖1)。

1.玄武巖； 2.二疊系梁山組； 3.寒武系石冷水組和高臺組； 4.寒武系清虛洞組； 5.寒武系金頂山組； 6.寒武系牛蹄塘組—明心寺組； 7.震旦系-寒武系燈影組； 8.青白口系清水江組； 9.相對隔水層(碎屑巖)； 10.相對隔水層(淺變質(zhì)巖)； 11.中等碳酸鹽巖巖溶水； 12.強碳酸鹽巖巖溶水； 13.泉點及其編號； 14.英坪磷礦段深部礦區(qū)； 15. 地名； 16.河流； 17.地表水分水嶺； 18.地質(zhì)界線； 19.背斜軸； 20.逆斷層； 21.正斷層； 22.走滑斷層； 23.性質(zhì)不明斷層； 24.斷層編號； 25.地下水流向

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 礦區(qū)含水地層、隔水地層巖性特征

燈影組由一套灰色中厚層—厚層狀白云巖組成。下伏地層陡山沱組為礦區(qū)磷礦賦礦層位，為一套由白云巖、硅質(zhì)巖及磷塊巖組成的含磷巖組。礦層直接頂板為燈影組白云巖，直接底板為陡山沱組一段含硅質(zhì)團塊狀白云巖[5]，形成一個區(qū)域整體大含水層。

2.2 斷裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征

礦區(qū)地處揚子陸塊黔北隆起區(qū)的鳳岡SN向隔槽式褶皺變形區(qū)與黔南凹陷區(qū)的都勻SN向隔槽式褶皺變形區(qū)的交匯部位[6]，位于NNE-SSW向高坪背斜東翼南部，礦區(qū)范圍以單斜構(gòu)造為主。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育(圖1)，斷裂構(gòu)造形跡呈SN向，次為NNE向、NNW向與近EW向，與礦床水文地質(zhì)條件相關(guān)的斷層主要有F1、F102、F104、F351、F116、F106等，主要斷層的水文地質(zhì)特征見表1。

表1 礦區(qū)主要斷層水文地質(zhì)特征

2.3 燈影組、陡山沱組巖溶發(fā)育分布規(guī)律

2.3.1 巖溶分布與地層巖性的關(guān)系

礦區(qū)內(nèi)未見地表巖溶發(fā)育，但在鉆孔中遇溶洞率為51.52%，礦區(qū)深部巖溶主要發(fā)育于燈影組一段和陡山沱組三段的藻白云巖、硅質(zhì)白云巖、泥晶-細(xì)晶白云巖、硅質(zhì)巖及團塊狀磷塊巖中。陡山沱組三段為礦區(qū)開采對象。這說明在受地層巖性、構(gòu)造影響下，礦區(qū)地下水不是相對平衡的，是動態(tài)的。地下巖溶發(fā)育特征見表2。

表2 礦區(qū)溶巖層組巖溶發(fā)育特征

2.3.2 巖溶分布與構(gòu)造的關(guān)系

區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，巖溶具有順層走向及沿近于垂直巖層走向的張扭性裂隙帶發(fā)育特點，壓扭性斷裂破碎帶為膠結(jié)緊密的斷層角礫巖，巖溶不發(fā)育，偶見零星溶孔發(fā)育。

2.4 地下水的補徑排特征

地下水的補給主要為大氣降水，其次為河水。大氣降水和河水主要通過落水洞、巖溶漏斗、巖溶裂隙、構(gòu)造裂隙及第四系等入滲，進入地下循環(huán)形成地下水，之后通過鉆孔進行靜止水文觀測及抽水試驗。礦區(qū)地下水水位位于明心寺組和牛蹄塘組隔水層中，燈影組和陡山沱組白云巖為承壓含水層，地下水類型為承壓水。地下水主要以巖溶孔洞裂隙水的形式存在，主要沿溶蝕裂隙、溶孔分散徑流，局部地段沿裂隙密集帶、溶蝕裂隙、溶孔集中發(fā)育帶、構(gòu)造裂隙帶等運移。地下水分水嶺以北在地勢較低的地區(qū)通過井泉分散排泄； 地下水分水嶺以南通過落水洞、巖溶漏斗、巖溶裂隙、構(gòu)造裂隙等途徑注入下伏含水層，在地勢較低的陡崖腳或高坪河附近一帶通過泉點分散排泄。

2.5 礦床開采活動對水文地質(zhì)條件的影響

2.5.1 露天開采活動的影響

礦區(qū)已形成4個露采區(qū)，均已接近尾聲，其中英坪磷礦Ⅰ、Ⅱ露采區(qū)已回填復(fù)墾。大氣降水經(jīng)采坑積蓄直接向礦層或燈影組含水層補給，是礦床充水的重要因素之一，大大增加了深部采掘工程施工中抽排水的壓力，特別是雨季尤其明顯。

2.5.2 鄰近礦山地下開采活動的影響

鄰近礦山主要為福泉市磷礦小壩Ⅰ號井和英坪磷礦3號井，礦井生產(chǎn)水倉標(biāo)高分別為1 000 m、1 050 m。采礦區(qū)域與英坪磷礦緊鄰，其采礦方式為爆破作業(yè)，其震動可能導(dǎo)致礦區(qū)含水層巖石的完整性及節(jié)理、構(gòu)造的原始力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，加大了地下水的水力聯(lián)系和相互貫通。

2.5.3 礦區(qū)開采活動的影響

(1)深部采掘工程主要位于燈影組、陡山沱組巖溶孔洞裂隙水區(qū)域。礦井、采礦工程施工過程中，礦坑水的疏排會造成礦區(qū)附近地下水水位的下降，且隨著采場標(biāo)高的下降，地下水水位將逐年下降，以采礦場為中心形成水位降落漏斗。隨著采礦的向下推進，水位降落漏斗隨之?dāng)U大，自然形成的巖溶系統(tǒng)的底板會受到破壞，將改變局部地下水的徑流、排泄途徑。同時，形成的導(dǎo)水裂隙帶在近采區(qū)段溝通采空區(qū)裂隙，采區(qū)內(nèi)的地下水將通過這些裂隙對礦坑間接充水。豐水期，在距采區(qū)較近地段開采時，由于采坑中的地下水儲量大，靜水壓力增強，裂隙帶將可能被進一步疏通，形成大裂隙，并對礦坑間接充水，造成突水危害，對地下開采影響較大。

(2)由于礦區(qū)南北兩個相對水文地質(zhì)單元內(nèi)SN向、NW向、近EW向等斷裂極其發(fā)育，存在水力聯(lián)系，深部地下開采抽排地下水，可能造成北部水文地質(zhì)單元地下水向南部水文地質(zhì)單元方向徑流，地下水儲量增大，靜水壓力增強，裂隙帶將可能被進一步疏通，形成大裂隙，并對礦坑間接充水，造成突水危害。

3 突水災(zāi)害防治措施

通過分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件，對深部工程主要展布地段開展進一步專項水文地質(zhì)調(diào)查和物探測量，選擇典型地下工程附近的主要富水帶或?qū)畼?gòu)造帶實行大口徑抽排水實踐，視其效果再對突水災(zāi)害嚴(yán)重的地下工程分布區(qū)推廣本防治措施。本著這一原則，對礦區(qū)南風(fēng)豎井的地下水防治措施進行了專項研究。

3.1 思路與方法選擇

首先，在豎井區(qū)域開展高密度電法和EH4組合物探測量，查明其深部地質(zhì)構(gòu)造情況； 其次，開展豎井工程區(qū)域水文地質(zhì)條件分析。對采用直徑為大口徑(大于311 mm)的抽排疏干鉆孔的疏干降深、影響漏斗半徑以及抽排疏干鉆孔深度、口徑大小、水泵抽排能力等進行論證[7]。經(jīng)論證確定后，在地下水豐富、巖石完整性較差、物探推測構(gòu)造發(fā)育的地段，使抽排疏干鉆孔抽排形成的影響漏斗底部更接近豎井掘進的最終深度，不影響礦山地下開拓工程建設(shè)，進而布置抽排疏干鉆孔[8]。

3.2 大口徑抽排鉆孔參數(shù)選擇分析

通過在南風(fēng)豎井附近開展小口徑水文地質(zhì)鉆孔抽水試驗及物探測量，獲取地層巖性含水性、斷裂及節(jié)理構(gòu)造含導(dǎo)水性、巖性滲透系數(shù)、含水層厚度、巖溶、富水帶等相關(guān)數(shù)據(jù)。結(jié)合水文地質(zhì)及物探測量推斷解譯成果，認(rèn)為南風(fēng)豎井區(qū)域的井筒涌水量來自NW向節(jié)理組(破碎帶)補給，其他方向巖石相對完整且補給相對較弱。其相對補給方向和涌水值范圍是有規(guī)律的，利用就近抽水試驗鉆孔取得的水文地質(zhì)參數(shù)，并結(jié)合水文地質(zhì)單元內(nèi)水文地質(zhì)條件，可對抽排疏干鉆孔的涌水量進行預(yù)測。

南風(fēng)豎井從第四系開始掘進，穿越震旦系燈影組白云巖和陡山沱組地層，止于青白口系清水江組淺變質(zhì)巖地層，總掘進深度383 m。利用裘布依公式法對南風(fēng)豎井涌水量進行預(yù)測，承壓-無承壓水公式[9]為

。

(1)

式中：Q為豎井涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；H為含水層厚度，m；S為疏干降深，m；R為潛水大井影響半徑，m；r為大井引用半徑，m。

根據(jù)地質(zhì)剖面和抽水試驗鉆孔獲取如下水文地質(zhì)參數(shù): 含水層厚度H=246.06 m； 靜水位埋深52.33 m； 疏干排水從靜水位至含水層底板，含水層底板埋深為266.06 m； 疏干降深S=213.73 m； 滲透系數(shù)K=0.154 9 m/d; 區(qū)域影響半徑R=2 639 m。計算結(jié)果為Q=2 977 m3/d。

為使深部抽水漏斗對南風(fēng)豎井的影響效果最大化，又不對南風(fēng)豎井井筒施工造成影響，建議抽排水鉆孔布置在距南風(fēng)豎井30～50 m的環(huán)帶范圍內(nèi)(圖2)，要求排水鉆孔設(shè)計抽水量要達到120～130 m3/h，才可達到抽排目的。

1.第四系； 2.寒武系明心寺組； 3.寒武系牛蹄塘組； 4.震旦系-寒武系燈影組三段； 5.震旦系-寒武系燈影組二段； 6.震旦系-寒武系燈影組一段； 7.逆斷層及其傾角； 8.斷層或節(jié)理； 9.斷層編號； 10.地質(zhì)界線； 11.人工填土范圍； 12.物探推斷解譯節(jié)理帶； 13.物探推斷解譯富水區(qū)域； 14.南風(fēng)豎井位置； 15.大口徑抽排鉆孔位置及其編號； 16.抽水試驗鉆孔位置及其編號; 17.地下水徑流方向； 18.地層產(chǎn)狀； 19.剖面線及其起始點符號

3.3 南風(fēng)豎井工程大口徑鉆孔抽排效果分析

根據(jù)論證結(jié)果，在南風(fēng)豎井SE向30 m處施工了一口抽排水鉆孔(圖2、圖3)，鉆孔口徑360 mm，施工至283 m深度處進入青白口系清水江組，繼續(xù)施工了50 m沉砂段，下泵位置280 m，水泵抽排能力為120 m3/h，實際抽排能力為122～130 m3/h，平均125 m3/h，抽排量為3 000 m3/d，實際抽排量大于平均涌水量(2 977 m3/d)[10]。2018年12月中旬，南風(fēng)豎井內(nèi)地下水水位開始下降，且涌入南風(fēng)豎井內(nèi)的水量大大減少，地下水水位以1～2.5 m/d的速度下降，基本卸去水壓。至2019年9月南風(fēng)豎井順利施工至383 m處，未出現(xiàn)地下水突水影響[11]。之后，在本礦區(qū)北風(fēng)豎井施工兩口抽排水鉆孔，效果更佳，地下水水位以4～5 m/d的速度下降[12]。

1.第四系； 2.震旦系-寒武系燈影組三段； 3.震旦系-寒武系燈影組二段； 4.震旦系-寒武系燈影組一段； 5.震旦系陡山沱組四段； 6.震旦系陡山沱組三段； 7.震旦系陡山沱組一段至二段； 8.南華系南沱組； 9.青白口系清水江組； 10.含碎石黏土； 11.白云巖； 12.地質(zhì)界線; 13.推測地質(zhì)界線； 14.斷層或節(jié)理； 15.斷層編號； 16.地層產(chǎn)狀； 17.抽水試驗鉆孔位置(ZK704為鉆孔編號，1 191.06 m為孔口標(biāo)高，234.82 m為終孔深度)； 18.南風(fēng)豎井位置(1 196 m為井口標(biāo)高，403.00 m為豎井深度)； 19.地下水靜水位線； 20.抽水漏斗理想影響線； 21.大口徑抽排鉆孔位置(ZK01為鉆孔編號，1 202.12 m為孔口標(biāo)高，302.00 m為終孔深度)； 22.地下水靜水位線(1 144.21 m為鉆孔內(nèi)24 h靜水位標(biāo)高)

事實證明，對采掘工程分布區(qū)域進行水文地質(zhì)研究，查明地層巖性含水性、斷裂及節(jié)理構(gòu)造含水和導(dǎo)水性、巖性滲透系數(shù)及含水層厚度，做好抽排疏干論證，在礦區(qū)采掘工程附近以抽排疏干鉆孔方式干預(yù)地下水，技術(shù)方法可行。

4 結(jié)論與建議

(1)福泉市英坪磷礦段水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，震旦系-寒武系燈影組與賦礦地層陡山沱組為一特殊的“大含水層”，地下水豐富，富水性強，同時受褶皺、斷裂及節(jié)理破壞影響，巖石破碎，地下水水力聯(lián)系強，以斷裂及節(jié)理裂隙構(gòu)造為主要水力聯(lián)系通道。采掘工程施工過程中，施工至富水區(qū)域受構(gòu)造影響的富水薄弱帶，往往形成突水災(zāi)害，無法施工，危及人員安全。

(2)通過對采掘工程分布區(qū)域的水文地質(zhì)條件進行分析研究，查明了地層巖性含水性、斷裂及節(jié)理構(gòu)造含水和導(dǎo)水性、巖性滲透系數(shù)以及含水層厚度，進行了抽排疏干論證。在礦區(qū)采掘工程附近富水帶采用大口徑鉆孔抽排地下水，利用其形成的漏斗抽排疏干，從而干預(yù)地下水，突水災(zāi)害防治措施取得了實際效果，證明該技術(shù)方法可有效解決或防治礦區(qū)深部工程突水災(zāi)害，是較為經(jīng)濟、用時較短的防治措施。

(3)建議進一步加強礦區(qū)水文地質(zhì)研究，查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件，在礦區(qū)的富水地段或首采地段進行大口徑鉆孔多孔聯(lián)排試驗與研究，減少礦山生產(chǎn)過程中地下水突水災(zāi)害的發(fā)生。