孫茂貴 朱承敏

（1.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團姑山礦業(yè)有限公司；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室；4.湖南省礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境再造工程技術(shù)研究中心）

水文地質(zhì)條件復(fù)雜的基建礦山在平巷開拓時，揭露強富水圍巖后，常需要采用帷幕注漿堵水和疏干放水方法來保證掘進的施工安全［1-2］。例如姑山露天轉(zhuǎn)地下礦山-300，-350 m 中段平巷揭露圍巖主要為凝灰?guī)r、安山巖及蝕變閃長巖，裂隙十分發(fā)育，平巷開拓期間采用工作面帷幕注漿，探水注漿循環(huán)段為50 m，平均循環(huán)段注漿消耗水泥量大于1 000 t，探注工期最長達90 d，頻繁的注漿使礦山基建開拓進度嚴重滯后，建設(shè)成本大幅增加，同時還面臨較大的高壓突水風(fēng)險。而傳統(tǒng)疏干方法一般在礦山基建尾期開始實施，如近礦體控制疏干［3-4］、富水巖層鉆孔超前疏干方法［5］只適用于采礦期快速疏干擬采礦區(qū)或礦房中礦體的地下水，無法在礦山基建開拓期整體降低礦山地下水位，更無法緩解巷道開拓時地下水威脅。

為提高礦山建設(shè)效率，降低注漿費用，防止基建過程中發(fā)生礦井突水事故，提出了礦山基建期超前截流疏干技術(shù)，在礦山正常排水能力允許條件下，利用平巷超前截流疏干孔分階段對強富水層進行疏干放水，一方面通過截水疏干鉆孔放水減輕巷道掘進突水的壓力；另一方面增加井下的疏排放水量，在開拓采準(zhǔn)巷道掘進期間逐步降低礦區(qū)地下水位，為開拓系統(tǒng)形成后的采礦作業(yè)創(chuàng)造條件。通過礦山基建期大范圍內(nèi)富水巖層的快速超前疏干，以期保障礦山開拓工程安全建設(shè)，實現(xiàn)礦山基建期與采礦期無縫銜接。

1 礦山概況

姑山露天轉(zhuǎn)地下礦山位于安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣年陡鎮(zhèn)境內(nèi)，北距馬鞍山市23 km、南京市75 km，南距蕪湖市23 km。礦區(qū)中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)118°30'52.1″，北緯31°26'8.6″。姑山露轉(zhuǎn)井工程項目計劃投資3.37 億元，建設(shè)規(guī)模為鐵礦石開采能力70 萬t/a。開拓系統(tǒng)包括主井、副井、充填井、風(fēng)井、-350 m 中段、-300 m 中段、-250 m 中段平巷。姑山露轉(zhuǎn)井工程于2017年開工建設(shè)。

礦山主要擬開采露采坑西部地下礦體，礦床主要充水水源為構(gòu)造裂隙水和風(fēng)化裂隙水，上覆砂卵礫石層孔隙水通過構(gòu)造裂隙補給礦坑。露采期間，采用第四系局部帷幕截流和疏干排水的防治水方案，最低地下水位已降至露天坑底-140 m 標(biāo)高。目前第四系帷幕基本失去作用，礦山若采用修復(fù)或重建第四系帷幕防治水方案，存在成本大、施工困難、堵水效果差、工期長等問題，綜合礦山露天疏干現(xiàn)狀以及水文地質(zhì)條件，礦山轉(zhuǎn)地下建設(shè)完成后，將繼續(xù)采用疏干排水［6-8］的防治水方案來實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)。

隨著礦山露天轉(zhuǎn)地下建設(shè)，-300 和-350 m 中段平巷揭露圍巖主要為凝灰?guī)r、安山巖及蝕變閃長巖，礦區(qū)該類巖層尤其是礦巖接觸帶裂隙十分發(fā)育、富水性強、掘進工作面出現(xiàn)涌水頻繁、水量大、注漿堵水難度大、費用高，嚴重制約了礦山的基建進度。

2 技術(shù)可行性分析

2.1 礦山水文地質(zhì)條件

礦山含水層類型主要有以下3類：

（1）第四系孔隙水。由上至下依次為上部為粉質(zhì)黏土與粉細砂互層相對隔水層，其中0～2 m 厚為黏土硬殼層；中下部為棕黃色硬質(zhì)黏土相對隔水層，在相對隔水層作用下，阻止了地表水與地下水的聯(lián)系；底部為砂礫卵石強富水層，該層直接覆蓋礦區(qū)基巖之上，為礦區(qū)姑山組火山碎裂巖組主要補給水源。另外，在露天坑開挖邊界范圍分布（原姑山山腳范圍）一層坡積土，延展分布寬度為0～360 m，北部范圍有缺失，不連續(xù)，位于砂礫卵石層下部，具有一定隔水性，為相對隔水層。

（2）基巖裂隙水主要為白堊系姑山組火山碎屑巖，由安山巖、凝灰?guī)r等組成，弱—強富水。受蒼穹構(gòu)造作用，核部巖層張拉裂隙發(fā)育、透水性強、富水性強，構(gòu)造兩翼巖層裂隙發(fā)育程度逐漸減弱，富水性弱。

（3）構(gòu)造裂隙水。礦區(qū)位于鐘姑背斜南端東翼，區(qū)內(nèi)受巖漿侵入上拱的影響，整個礦區(qū)表現(xiàn)為輝石閃長玢巖侵入穹窿構(gòu)造（短軸背斜或鐘狀構(gòu)造）。穹窿核部為輝石閃長巖體，四周為向外傾斜的黃馬青組和姑山組地層。穹隆的長軸方向為北東東70°左右，短軸方向北北西340°左右，長軸長約1 100 m，短軸長約830 m。軸部的巖石受構(gòu)造作用發(fā)生剛性破碎，裂隙非常發(fā)育、透水性強，形成了邊界明顯的儲水構(gòu)造單元。一般單位涌水量Q=1.8493～4.105 L/（s·m），滲透系數(shù)k=1.833～9.91 m/d，最大單位涌水量Q=8.204 L/（s·m），滲透系數(shù)k=10.89 m/d。兩翼巖層透水性逐漸減弱。

礦區(qū)地表水與地下水聯(lián)系不密切，礦床地下水補給主要來源為區(qū)域地下水徑流以及露天采坑范圍的大氣降水。受采坑長期排水影響，礦區(qū)砂礫卵石孔隙水側(cè)向徑流至露天坑，再由坑底水泵排至地面，垂向徑流直接補給姑山組火山碎裂巖后，經(jīng)構(gòu)造裂隙間接補給閃長巖體及礦體；孔隙水為礦床地下水主要補給來源，其次為基巖裂隙水。礦床地下水排泄方式為地下水徑流和礦坑降排水。

綜上，礦體上下盤圍巖裂隙發(fā)育，富水性中—強，屬于疏干效果較好的巖層。

2.2 礦山排水現(xiàn)狀分析

礦山中央水泵房設(shè)在-350 m 中段，配備離心泵5臺，流量500 m3/h，潛水泵1 臺，流量550 m3/h，正常排水量為30 000 m3/d；最大排水量為50 000 m3/d。目前-300和-350 m 2個中段總涌水量約10 000 m3/d，礦山排水能力仍富余20 000 m3/d。另外根據(jù)礦山水文觀測孔數(shù)據(jù)以及井下巷道涌水點水壓特征，隨著礦山井下開拓工程的施工，礦區(qū)的地下水降落漏斗中心水位由-140 m 降至了-150 m。綜上說明，只要進一步增加井下疏排水量，能夠進一步降低礦區(qū)地下水位，即礦區(qū)地下水可被疏干。

2.3 技術(shù)可行性前提條件

綜上所述，基建礦山可采用巷道超前截流疏干技術(shù)的前提：

（1）礦區(qū)含水巖組富水性好、可疏性強。

（2）礦山永久排水系統(tǒng)已形成，且其富余排水能力充足。

（3）平巷掘進前頻繁采用帷幕注漿進行工作面堵水，注漿工期和投資大，極大延緩了礦山開拓工程建設(shè)進度。

（4）礦山采礦防治水方案基本確定為疏干排水。

滿足上述條件時，采用超前疏干截流技術(shù)既減輕巷道掘進突水的壓力，又能在開拓采準(zhǔn)巷道掘進期間逐步降低礦區(qū)地下水位，為巷道貫通后的采礦作業(yè)創(chuàng)造條件，基本實現(xiàn)基建和采礦無縫銜接，節(jié)約礦山建設(shè)整體工期。

3 超前截流疏干技術(shù)實施案例

3.1 疏干中段設(shè)置

以某露天轉(zhuǎn)地下礦山為例，其疏干中段應(yīng)設(shè)置在主要的開拓中段，即-300，-350 m 中段，且疏干中段與開拓中段一致。通過在兩中段設(shè)置泄水井，使-300 m 中段疏干水量經(jīng)泄水井排至-350 m 中段后流入水倉，再由中央水泵房排至地面。

3.2 疏干總水量與鉆孔放水量

疏干總水量受礦山的正常排水能力控制，疏干總水量與礦井現(xiàn)階段總涌水量之和應(yīng)不超過礦山正常排水能力。根據(jù)前文所述，本礦的超前截流疏干總水量［9］確定為20 000 m3/d，單孔疏水量控制在60～100 m3/h，通過控制疏干放水孔數(shù)量與排水量控制總疏干水量。疏干孔應(yīng)安裝孔口管，便于連接安裝高壓閥門和壓力計。通過高壓閥門控制疏放水量，壓力計用于觀測礦區(qū)地下水位的變化情況。每次測量讀數(shù)前，應(yīng)關(guān)閉高壓閥門10～30 min后再讀取水壓數(shù)值。

3.3 疏干孔的布置

超前截流疏干工序在巷道掘進工序之前，平巷由掘進轉(zhuǎn)為探放水工序時，如圖1 所示，在掌子面退后5～10 m位置巷道的兩幫各布置1個超前截流疏干孔，鉆孔均向巷道外側(cè)偏斜30°布置，鉆孔傾角為水平上傾斜10°～15°，便于鉆孔涌水自流排出。鉆孔深度應(yīng)與巷道探水深度一致，一般不小于50 m。通過鉆孔放水疏干后，經(jīng)孔口壓力表檢測，前方擬掘進含水巖層水降低至安全水頭后，平巷采用短探掘進施工。

3.4 超前截流疏干應(yīng)用效果

礦山采用超前巷道截流疏干技術(shù)，共施工疏干孔40 個，其中長期放水的疏干孔12 個，其余疏干孔在開拓工程推進過程中逐步關(guān)閉?？刂品潘偭考s18 000 m3/d。礦山平巷年掘進量由800 m 提升至1 500 m，掘進效率提升88%；探水注漿循環(huán)段水泥平均消耗量由1 000 t 降低至500 t，降低了50%；探注工期平均為20 d，降低了55%。超前截流疏干技術(shù)實施1 a 后，礦區(qū)地下水位由-150 m 標(biāo)高降低至-200 m 標(biāo)高，年降低量為50 m，極大緩解了礦山的基建壓力和水害威脅［10］。

4 結(jié) 語

通過合理布置掘進工作面數(shù)量與施工作業(yè)班組，超前截流疏干技術(shù)的實施幾乎不影響基建礦山的建設(shè)工期，在礦山具備一定排水能力條件下，能將礦床疏干任務(wù)的完成時間節(jié)點大幅提前，減輕礦山基建期防治水壓力，降低基建防治水成本，以及縮短礦山工程建設(shè)周期。另外，為實現(xiàn)礦山基建期與采礦期無縫連接的目標(biāo)，在接下來2 a基建時期，充分利用措施井功能，在措施井增加排水泵，提高礦山正常排水能力至40 000 m3/d，預(yù)計在22 個月內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)礦區(qū)地下水位降至-350 m最低開采標(biāo)高。