白象山铁矿近矿体富水断层破碎带防治水技术研究.pdf

张发亮（1985），男，工程师，243000 安徽省马鞍山市。白象山铁矿近矿体富水断层破碎带防治水技术研究张发亮（安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司）摘要防治水技术是金属非金属矿山采矿的重要安全保障。基于白象山铁矿水文地质特点、含矿层富水性、近矿体破碎带富水性动态规律，探究矿山井下防治水技术。研究结果表明，白象山铁矿岩体以粉砂岩、闪长岩为主，10条主要断层对采矿影响较明显；含矿层为中等富水区，矿坑涌水主要来自含矿层，因内部受采动影响，导致地下水通透性和渗透性增加，促进地下水涌入。针对断层内注浆堵水难度大、矿坑涌水量大、大流量疏干引发地面塌陷等特征，提出了含矿层控制疏干、采场工作面局部堵水、避水矿柱留设与残水治理相结合的综合防治水方案。实际应用表明，该方案能确保井下不突水、地面不塌陷、河流不改道的前提下，缩短施工周期，满足采矿生产的安全、经济需求。关键词矿山防治水 含矿层 富水性 疏水 堵水DOI：10.3969/j.issn.1674-6082.2023.08.044Study on Water Prevention and Control Technology of Water-rich Fault Fracture Zone NearOrebody in Baixiangshan Iron MineZHANG Faliang（Gushan Mining Co.，Ltd.，Anhui Masteel Mining Resources Group）AbstractWater control technology is an important safety guarantee for mining in metal and non-metal mines.Based on the hydrogeological characteristics of Baixiangshan Iron Mine，the water-richness of ore-bearing strata and the dynamic law of water-richness in the fracture zone near the ore body，the underground water prevention and control technology of the mine is explored.The results show that the rock massof Baixiangshan iron mine is mainly siltstone and diorite，and the 10 main faults have obvious influence onmining.The ore-bearing layer is a medium water-rich area，and the mine water mainly comes from the ore-bearing layer.Due to the influence of internal mining，the permeability and permeability of groundwater increase，which promotes the influx of groundwater.In view of the characteristics of difficult grouting and water plugging in faults，large water inflow in mines，and ground collapse caused by large flow dewatering，acomprehensive water prevention and control scheme combining controlled dewatering of ore-bearing strata，partial water plugging in stope working face，water-avoiding pillar retention and residual water treatment isproposed.The practical application shows that the scheme can shorten the construction period and meet thesafety and economic needs of mining production under the premise of ensuring no water inrush，no groundcollapse and no river diversion.Keywordswater prevention and control of mine，ore-bearing strata，water-richness，water drainage，exclusion of water总第 652 期2023 年 8 月第 8 期现代矿业MODERN MININGSerial No.652August.2023白象山铁矿设计生产能力为200万t/a，采用机械化上向分层充填采矿法采矿，矿山水文地质条件属极其复杂类型矿床，基建及采矿过程中井下揭露出未查明断裂的富水性及产状分布，矿层富水性划定难度大1，地下水害严重制约矿山生产能力及采矿进程。185现代矿业2023 年 8 月第 8 期总第 652 期本文结合白象山铁矿含矿层富水、近矿体破碎带富水性研究2及“三下开采”3中地表水体下采矿存在的主要问题，通过含矿层控制疏干、局部堵水和避水矿柱留设及采场残余水量截流等手段进行防治水，达到井下安全高效采矿的目的，为其他金属非金属大水矿山防治水提供参考。1矿区充水因素分析1.1矿区水文地质条件白象山铁矿地下水主要接受降水垂直渗透补给，裸露地表的基岩与地表第四系松散层直接受降水渗透补给。根据白象山铁矿地质报告，其含矿层为中等富水区，矿区含水层自上而下主要有3层，分别为第四系全新统砂砾卵石强含水层Q41alI1、黄马青组杂色粉细砂岩强富水带T3hI l、含矿层中等富水带Fe-I2。白象山铁矿存在F1F10共10条主要断层，F1F3为成矿前张性断裂；F4F7为成矿后张性断裂（其中F4F6穿过-390 m、-470 m水平大巷），对矿体破坏，未发生位移；F8F10为局部平移断层，未对矿体造成影响。1.2矿区含矿层富水性分区根据 矿区水文地质工程地质勘查规范（GB/T127192021）4中富水性划分标准，将白象山含矿层（-500 m、-470 m、-390 m）的富水性划分为4个等级：弱富水性，Q10 m3/h；中等富水性，10 m3/hQ50 m3/h；强富水性，50 m3/h100 m3/h。1.2.1-500 m中段含矿层富水性的划分2盘区、4盘区根据地质报告资料及2个盘区开采的实际情况，该区域没有揭露大的涌水点，且不存在大的导水构造，将该区域划分为弱含水区。8盘区北部的矿体远离F5、F6断层，已展开的采矿开拓作业没有出现大的水点，相应划分为弱富水区。8盘区南部矿体被F5、F6断层切割，F6断层富水性不均，连续性差，根据-470 m中段开采揭露的资料推测，该断层可能没有进入矿体，所以该部位矿体划分为中等富水区。而靠近F5断层的矿体因受其导水性、富水性强的影响，划分为极强富水区。1.2.2-470 m中段含矿层富水性的划分2盘区和8盘区为东部矿体，位于17线以北，采矿作业面已全部展开，根据采矿过程基本没有揭露大的水点，据此2盘区和8盘区为弱富水带。1.2.3-390 m中段含矿层富水性的划分4盘区联络道内有F6断层自北东向南西穿过矿体，且钻孔在孔深9 m处见断层时涌水量达100 m3/h，F5断层、F6断层附近区域划分为极强含水层；其余部位根据采矿巷道揭露，均无大的涌水点，故划分为弱富水区。1.3断层破碎带富水性白象山铁矿自建矿以来3次最大的突水均是直接或间接揭露大的断层破碎带导水所致。因此，断层破碎带对白象山铁矿的前期采矿构成了严重威胁，断层破碎带不仅是导水通道，而且还起到贮水和集水廊道的作用，特别是F2、F5、F6其上部与黄马青组杂色粉细砂岩强含水层沟通，下部延伸到-500 m、-470m、-390 m中段，对采矿作业的影响较为明显。2矿山防治水方案的确定2.1白象山地下水防治方法的选择根据分析可知，矿坑涌水主要来自富水性复杂的含矿层，F2、F4、F5、F6这4条大的断层富水性强，与含矿层直接相关。由于上述4条断层与上部黄马青组杂色粉细砂岩强含水层直接导通，向含矿层充水，基建期巷道穿过上述断层表明断层内注浆堵水难度大，所以要在含矿层与强含水层之间形成可靠的相对隔水层，工程量大、防治水工期长、破碎带内注浆困难、效果难以保证。据此，避水采矿方案不宜单独采用。目前矿坑实际涌水量约为20 000 m3/d，矿区地表分布有大量的居民住宅、农田、青山河和公路、电力等重要工业民用设施，若采用完全疏干方案，势必要通过疏干工程将上部黄马青组杂色粉细砂岩的强水层，矿坑涌水量大增，且大流量疏干可能引发大断层内充填物和第四系土颗粒的流失，引发地面塌陷和大的沉降，特别是矿区地表青山河河床一旦发生塌陷和大的变形沉降，破坏河床下部的第四系隔水层，出现河水灌入矿坑引发突水淹井事故。因此，完全疏干方案不宜单独采用。矿区破碎带内泥化现象严重、注浆量大，地面注浆成孔困难，所投入的工程量浩大、工期长，难以形成有效的隔水帷幕，因此，矿区不具备实施注浆防渗帷幕的边界条件，地层可注性差，难以形成隔水帷幕，因此不宜单独采用。综合考虑矿区水文地质条件、矿坑的排水能力、防治水工程的性价比及可操作性，在确保井下不突水、地面不塌陷、河流不改道的前提下，确定白象山铁矿采用含矿层控制疏干、局部堵水和避水相结合的综合防治水方案。2.2白象山地下水防治方案2.2.1含矿层控制疏干方案白象山铁矿利用控制疏干工程，降低地下水位，结合采掘工程，使采矿在少水或无水的情况下进行，186张发亮：白象山铁矿近矿体富水断层破碎带防治水技术研究2023 年 8 月第 8 期以-500 m水平含矿层控制疏干工程为例，该分层含矿层富水区主要分布在东部矿体8盘区F5、F6断层破碎带之间的含矿层疏干片区。疏干控制钻孔布设在探水探矿巷道内，按盘区设计3个疏干孔，疏干孔1（孔深56 m）、疏干孔2（孔深40 m）和疏干孔3（孔深60 m），深入含矿富水区域，拦截含矿破碎富水带对于矿体的补给，减弱采场疏干压力；1号、2号钻孔最大疏水量为190 m/h；3号最大疏干水量150 m/h。该工程自20142018年，1、2、3号疏干孔平均水量分别下降至55、53和43 m/h，总控制疏干日排水量平均下降了 69.7%。20142018年疏干排水情况如图1所示。2.2.2工作面采矿局部注浆堵水方案在含矿层系统疏干的基础上，根据采矿需要，结合现场和经济效益，对工作面实施帷幕注浆，以满足采掘生产的安全、经济需求。以-500 m水平8盘区上盘某巷道进路为工作面，对其开展局部注浆堵水，具体方案：工作面布设 6 个钻孔，钻孔开孔采用133mm冲击器钻头开孔，埋设108 mm5 m孔口管，一头焊接高压法兰盘，采用90 mm冲击器配90 mm冲击钻头钻进，钻孔向外围偏斜510，孔口管的长度为5 m，安装高压球阀以防钻孔突水，探水孔的深度初定为40 m，掘进安全水量控制在10 m/h。工作面局部注浆钻孔布置见图2。本次工作面局部注浆总计：孔深240 m，孔口管6个共30m，注浆消耗水泥167 t，水玻璃0.3 t。采取工作面采矿局部注浆堵水措施后，14 d内的效果为1#6#孔的最大用水水量分别由80、50、40、60、50、40 m/h下降至15、5、8、9、7、12 m/h（图3、图4）。注浆终孔压力下降至0.256、0.36、0.136、