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司家营铁矿南区防治水措施初探

宋爱东1，郭献章2，刘大金3

( 1． 河北钢铁集团 矿山设计有限公司，河北 唐山 063700; 2． 东北大学秦皇岛分校，河北 秦皇岛066004; 3． 华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 051500)

摘 要: 通过对司家营铁矿南区复杂的水文地质条件进行分析，鉴于矿山在竖井开拓过程中的多次水害事故的威胁，参照国内外众多矿山的防治水经验，针对该矿采用的大规模地下充填采矿方法的特点，建立了矿坑渗透水模型，提出了矿山生产期间的防治水措施建议，以利矿山生产安全。

关 键 词: 复杂水文地质条件; 矿山; 水; 措施

1 前言

司家营铁矿南区位于河北滦县城东南 8 km，矿保有铁矿石资源储量145 639． 65 万 t，平均品位 TFe30． 83% ，为我国少有的特大型铁矿床。司家营铁矿南区分为南矿段和大贾庄矿段，拟建成生产规模2 000 万 t / 年的地下开采矿山，主要采矿方法为阶段矿房嗣后充填采矿法。矿山设计两个采区进行开采( 一采区 1 500 万 t/年，二采区 500 万 t/年) ，一采区开采南矿段 S6 ～ S38 勘探线间和大贾庄矿段 N6～ 大贾庄 20 勘探线间的矿体; 二采区开采南矿段S38 以南、大贾庄矿段 20 线以南的矿体。

司家营铁矿目前处于基建阶段，由于矿区水文地质、工程地质条件复杂，特别是断裂构造比较发育，前期的水文地质勘探均未对矿区各主要断裂带进行专门研究，其透水性、富水性对矿床开采的影响均不清楚，致使多条竖井受出水影响，造成工程延期或中断。如 1#副井在井深 225． 5 m 处涌水量达到224． 5 m3/ h，瞬时涌水量达 300 ～ 400 m3/ h，竖井被淹; 3#主井在 210 m 处出现涌水，水量 80 m3/ h。而且该井深部的另一次涌水量为 102 m3/ h，严重影响

竖井施工，分析认为涌水的出现可能和断裂带有关。2 矿区水文地质条件司家营铁矿南区位于滦河冲洪积扇中上部，处于滦河Ⅰ级阶地分布区，矿体埋藏于第四系松散沉积层之下，贮存于太古界单塔子群白庙子组变质岩中，位于区内最低侵蚀基准面下。矿区地下水的主要补给来源为大气降水，第四系砂砾卵石含水层为矿区的主要含水层，具有颗砾粗、厚度大、分布广、水量丰富等特点，是矿床充水的主要补给源。古老基岩透水性较弱，水量不大。矿区断裂构造发育，主要发育有 F1、F3、F9、F10、F11、F12、F13，基岩断裂带岩体破碎，透水性强，是第四系水进入采矿坑道的主要通道，矿区水文地质条件复杂。根据矿区主要含水层的空间分布、地层岩性、透水性及赋存条件，将矿区内划分两个含水层组。一是第四系含水层; 二是基岩裂隙含水层。

2． 1 第四系含水层

由于岩性及物质颗粒组分的不同，第四系含水层分上、下两部分，透水性和富水性相差悬殊( 见图1) 。上部砂砾卵石含水层，水量丰富，透水性极强，为区内最主要含水层，根据多个孔群联合抽水试验，一般渗透系数为 300 ～500 m /d，最大可达 1 000 m /d。下部粉质粘土与含角砾砂土互层段，水量较丰富，透水性中等至强，根据多孔抽水试验资料，一般渗透系数为 30 ～50 m /d，最大可达 140 m /d。宏观第四系孔隙水含水层( 段) ，虽然有几个粘性土相对隔水层，但层位和厚度变化很大，横向相变剧烈，在不少地段尖灭缺失，形成“天窗”，构不成完整的隔水层，所以第四系孔隙水为统一的含水系统。

2． 2 基岩裂隙含水层

深埋于第四系松散沉积层之下，包括基岩风化裂隙含水层和构造裂隙含水带。根据矿区钻孔资料，基岩风化带厚度一般 40 ～60 m，裂隙发育，裂隙率 1% ～2%，岩石破碎，岩芯多呈碎块状，局部碎屑状或砂状。风化带裂隙中多被泥质或钙质充填，透水性较弱。司家营南区钻孔抽水资料，渗透系数一般为 0． 01 ～0． 37 m /d，透水性差。

构造裂隙水呈带状贮存于断裂破碎带中，其透水性和富水性完全受控于断层的性质、规模和岩体破碎程度。断层带因岩石大量破碎为地下水的赋存和运移提供了空间，据矿区部分地质钻孔资料显示，矿区范围内断层本身含水微弱，但断层影响带含水较强。

在开采条件下，第四系水为矿坑充水水源，断层及构造破碎带为矿坑充水通道，第四系水通过基岩风化带垂向越流补给矿坑，由于基岩风化带弱透水层的控制作用，第四系与矿坑之间必然形成高水头差，即基岩含水层地下水头降低大，第四系地下水头降低小。在高水头差作用下，矿区断层及构造破碎带汇聚第四系水的垂向越流补给，并沿断层及构造破碎带导入矿坑。由于矿区第四系分布面积广、厚度大，水量极其丰富，为矿坑水提供了足够的物质来源，因此，矿坑排水不可能预先疏干。

矿坑排水首先消耗地下水静储量及弹性释水为主，随着时间的推移，地下水头降落漏斗将不断扩展，第四系与矿坑之间的水头差不断增加，地下水静储量逐渐减少，第四系越流补给总量增加，当矿坑排水量等于区域地下水对矿坑水的补给量时，此水量即矿坑正常涌水量。

3 防治措施

矿山生产只能采取带水作业，矿山治水总体原则是以疏为主、排水降压，边排水边采矿，力争低压作业，降低临时突水可能性。

3． 1 预留安全矿柱

矿床开床条件下，因基岩风化带的控制阻水作用，很大程度减弱了第四系强含水体与矿坑之间水力联系，但基岩风化带岩石力学强度底，易坍塌，岩体稳定性极差。如基岩风化带下部预留矿柱不合适，变形太大，新生裂隙逐步向基岩风化带内部发展，新生裂隙的增加，将导致第四系水沿着新生裂隙渗入矿坑，从而改变地下水渗流场，地下水渗流场的变化将导致岩体应力场的重新调整，新生裂隙进一步发展，预留矿柱与基岩风化带渗透性进一步增加，如此恶性循环，直至矿坑顶板坍塌，第四系水将直接涌入矿坑，造成淹井［1 ～3］。

基岩风化带的控制阻水作用主要依靠其下部一定厚度较完整基岩( 预留安全矿柱) 的支撑保护作用来实现，因此，预留合理的安全矿柱显得尤为重要［4］( 见图 2) 。除此之外，在采坑接近设计预留顶板附近时，务必加强矿坑顶板变形及渗水情况监测，绝不允许盲目开采。

3． 2 顶板注浆

通过工程勘察，矿区 3 ～ 24 线之间的基岩中等富水区为矿床充水的主要通道。该区域由受多条断层共同作用所形成的复合影响，F1、F3 对矿区中部矿体有穿插破坏作用，具有分布面积广、岩石较破碎、透水性较强、富含基岩构造裂隙水等特点，特别是新构造运动使断层及其影响带导水性增强，成为矿床开采的主要影响因素。

矿床开采条件下，该区域可大量接受第四系水的越流补给。在该区域采矿，矿坑涌水量明显要增加。因此，建议对该区域的矿坑预留顶板进行注浆和加固处理，从垂向上最大程度截断第四系水进入矿坑的通道。除此之外，建议在中等富水区两端帷幕注浆，同时从侧向截断来水通道。

3． 3 加大探水孔深度

司家营南区地质构造条件复杂，矿床上覆厚度的第四系强含水体，矿床开采条件下，巷道上部至少负担 150 m 的高水头压力，掘进过程当中如遇导水断层或破碎带，将不可避免地出现突水事故。为防止突水危害，巷道掘进过程当中，需用超前钻孔查明巷道周围水体、含水构造等的具体位置、产状和水量，预先将水放出来，这样可以减小水头压力，为生产创造较好的安全条件。采掘中必须坚持“有疑必探，先探后掘”的原则，做到万无一失，确保矿山开采安全［5］。

3． 4 采取有效措施加强治理未封闭老钻孔

据《河北省马城铁矿地质详查报告》，20 世纪70 年代施工钻孔未要求封孔，全区以往共计未封钻孔 18 个，已封钻孔 16 个，见表 1。以往钻孔的封孔位置基本为第四系之下 5 ～10 m 范围内，少量矿层顶底围岩10 m 范围内用水泥灰浆封孔，但未做封孔检查，封孔质量难以评述。据中国冶金地质总局第一地质勘查院资料，2008 ～2011 年施工的全部钻孔( 包括详查和工程勘探施工钻孔) 均从基岩面以上5m 至井底全程水泥封孔，水灰比 0． 5 ∶ 1，用钻杆送到井底由下向上封。其中 ZK4 － 2、ZK39 － 7、ZK0－ 4、ZK31 － 13 钻孔因故终孔，无法将水泥直接送至井底，封孔方法采取靠自然压力向下封孔。综合考虑，包括报废钻孔在内，以往未封钻孔总数达 20 个以上，这些未封钻孔，在未来井下开采时，将加强第四系水与采矿坑之间的水力联系，是矿坑突水的重大隐患。因此，矿山生产过程中，应收集所有未封闭钻孔坐标，根据未封闭钻孔位置进行超前探水和治水工作。

由于 20 世纪 70 年代未封闭老钻孔均已坍塌，终孔后未留设标志，孔内充泥或充水，且孔斜测量精度不高，因此，很难再对原老钻孔进行封孔。建议在钻孔周围对基岩风化带与矿坑预留顶板采用地面预注浆方法截断未封闭钻孔导水通道，考虑到 －300 m标高以下基岩裂隙不发育，连通性较差，水泥浆辐射范围小，－ 300 m 标高以上，基岩裂隙较发育，裂隙具一定连通性，水泥浆辐射范围较大，并且该深度基本处于基岩风化带与预留顶板，因此选择注浆深度为基岩风化带与预留顶板。

3． 5 重要井巷工程避开富水地段

对于要求岩石条件较好的溜破系统、主采区、破碎硐室等地下工程应避开构造较发育地段，如 3 ～24 线之间因发育有 F1、F3 断层，岩石较破碎，地下水较丰富，易突水、坍塌。特别是破碎硐室，硐室跨度较大，硐室内设备较多，对岩石条件要求较高。因此，不建议在该区域内修建重要井巷工程。

3． 6 矿山基建适当堵水，矿山生产不宜堵水

矿坑最大涌水量包括部分地下水静储量，巷道开拓进度的不同，最大涌水量也不一样。一般来说，开拓期越长，涌水量越趋于平稳，最大峰值就较小;开拓期越短，涌水量大小相差较大，最大峰值就比较突出。从技术、经济角度考虑，在矿山基建阶段为了坑道掘进尽快的展开，对于较大涌水的地方可适当堵水，以便使开拓期的涌水量保持平稳排放。但在矿山开采阶段不宜堵水。

3． 7 设置防水闸门

防水闸门是隔离突水区段采取的一种应急有效的措施。对于司家营南区而言，在断裂构造不发育部位采矿，矿坑水量不是很大。但是，在 3 ～24 线之间，断裂构造较发育，巷道掘进过程当中，如遇到大构造带、破碎带等，可能导致突水发生。因此，在该3 ～ 24 线之间，建议设置防水闸门。同时，在一些装有重要设备的采区或巷道，如主采区、溜破系统等，也应设置防水闸门，并备有水仓。为了保证防水闸门备而能用，需有专人负责，做到平时经常维修，用时发挥效能。

3． 8 加强矿坑排水设防能力，确保开矿安全

巷道突水具有很大的不确定性和随机性，危害极大。基建期，因基岩水含有一定的静储量，且水压较高，各竖井、巷道施工时，特别是在平巷施工之前，应提前对井下水仓、井下变电所和水泵房进行施工，安装足够的排水设施，防止发生突水造成淹井事故［6］。

4 结语

分析了司家营南区水文条件的复杂性，提出了防治水措施的初步建议，但仅靠目前的勘察程度与勘察手段，还不足以保证矿山开采的安全。矿山在建设和生产过程中，除了一定要坚持“有疑必探、先探后掘”的原则，注意观察断层、破碎带岩性、水量大小和变化情况及与本文所述各项建议措施外，还要针对重点部位加密勘察程度，采取更加先进有效的技术手段，加强预测预报，从中摸索、总结规律，提前进行预防，防止安全事故的发生。

参 考 文 献

［1］   黄平路，陈从新，肖国峰，等． 复杂地质条件下矿山地下开采地表变形规律的研究［J］． 岩土力学，2009，30( 10) : 3020 ～3024．

［2］   朱国辉，肖建新． 复杂水文地质条件的矿山安全开采技术研究与实践［J］． 金属矿山． 2009，400( 10) : 21 ～26．

［3］   向文远，王福祥，徐有光，等． 鸡冠嘴金铜矿矿山充水地质条件及综合防治措施［J］． 四川地质学报． 2011，( 31) : 21 ～26．

［4］   Huang Guizhen，Wang Yetian，Zhou Dong． THE EXPERT SYSTEM OF MINE HYDROGEOLOGY［J］． JOURNAL OF GUILININSTITUTE OF TECHNOLOGY． 2000，( 20) : 180 ～ 185．

［5］   姜仁义，苏建军，史艳辉，等． 中关铁矿的防排水方案［J］． 金属矿山，2010，增刊 259 ～261．

［6］   胡杏保，刘海林． 井下大水矿山应急水仓建议探衬［J］． 金属矿山． 2010，增刊: 771 ～774．