矿山深部开采区的水文地质条件分析与评价

2022-08-10郭晋

世界有色金属 2022年10期

关键词：含水含水层裂隙

矿山深部资源开发与利用受深部采空区水文地质条件影响较大，查明深部采空区水文地质条件是保障安全生产及提高资源利用率的有效措施

。深部水文地质条件引发的灾害主要有突水、涌水、地面塌陷、岩爆等，因此查明矿山深部水文地质条件至关重要

。鉴于此，本文以某矿山深部采空区及周边水文地质调查为研究对象，评价其深部水文地质条件，为提高矿山安全生产及减少资源浪费提供参考。

1 地表水系特征

研究区属于河流冲积平原区域，地形地貌较为平坦，一般水位标高介于+17m～+18m之间，地面高程一般介于+19m～+24m之间，雨季河流水位上升容易形成内涝。此外，研究区水系发育，总体上为辫状水系。

2 矿山深部水文地质条件

2.1 矿井含水岩组划分

根据矿井内岩石组合以及分布规律等，结合不同岩石类型的富水性等特征，可将矿井内的含水岩组划分为新生界松散含水岩组、含矿层砂岩裂隙含水岩组以及灰岩岩溶裂隙含水岩组三大类型。

2.1.1 新生界松散含水岩组

②工程耐久性。治理工程应该具备一定的耐久抗老化功能，耐水耐气侵蚀，避免治理工程实施后进行重复性维修工作。

断裂破碎带：根据井下地质调查结果钻孔编录成果等，矿井内断裂破碎带的富水性弱、导水性差，且断裂破碎带含水层具有不均一特征。综上所述，断裂破碎带不会成为矿井的主要充水通道。

第四系含水层与隔水层：含水层以灰黄色、褐色，粉、细砂及粘土质砂为主，呈疏松状，属潜水，主要接受大气降水补给；隔水层以灰黄夹灰绿色砂质粘土为主，隔水性能较好。

新近系含水层与隔水层：含水层以浅灰绿色中砂为主，细砂及粗砂岩次之，径流模数为0.398L/(s.m)，水量较小；隔水层以浅灰绿夹棕黄色粘土及砂质粘土为主，具有较好的膨胀性，隔水性能较好。

2.5.2 充水通道分析

●If the reserved grass and those in summer meadow both is eaten up, herdsmen may pasture goats or sheep in mountain, and let them graze “chai” (transliteration of Tibetan word, one kind of plant).

2.5.1 充水水源分析

根据沿线地貌、工程地质、水文地质等条件，本项目所在区域为风积沙漠区，本段位于研究区域的中部，位于古尔班通古特沙漠的中部，该区域的沙丘多数为固定、半固定沙丘，固定沙丘上植被覆盖度40～50%，半固定沙丘达15～25%，植被主要为梭梭、蛇麻黄、花棒等。地层主要为第四系风积相的细砂、中砂、粉土等，松散～稍密。本合同段主要位于中部准噶尔盆地（古尔班通古特沙漠），为风积沙漠区。项目地理位置见图1。

灰岩岩溶裂隙含水层分布较为广泛，根据钻孔资料以及矿井深部水文地质勘查结果显示，该含水岩组中的裂隙发育具有明显的不均匀性，导致该含水岩组的富水性具有较大的差异性。同时，根据抽水试验结果等显示，该含水岩组中的水位恢复较为缓慢，且恢复后的水位低于抽水试验之前的静止水位，充分说明该含水岩组的径流不畅，含水量主要以存储量为主。同时，由于前期资源开发利用，导致该含水岩组中的水位下降较深。

2.2 断层导（含）水特征

矿区内构造较为发育，以断层为主（图1）。深部矿井中发现的断层破碎带均以泥质岩屑充填为主，且在钻孔中未发现较为明显的泥浆漏失现象等，同时根据抽水试验结果等显示，断层中的径流模数介于0.0187～0.171L/(s·m)之间，说明研究区深部断裂破碎带的富水性为弱至中等。同时，在抽水试验过程中断裂破碎带中的水位恢复较缓慢，说明断裂破碎带的径流不畅，导水性较差。同时，在深部不同区域调查发现，断裂破碎带不同部位的富水性存在较为明显的差异性，显示出矿井深部断裂破碎带富水性具有差异的特征。

该层为主要的含矿层位，含水砂岩主要分布在矿层与泥岩、泥质砂岩之间，且砂岩中的原始裂隙以及后生裂隙不发育，渗透系数为0.0389m/d，流量具有衰减变化趋势。

此外，在井下巷道开拓过程中，穿过不同断裂破碎带达43处，其中仅1处断裂破碎带出水，初始水量为8.50m

/h，现阶段无涌水现象。上述统计数据说明研究区矿井深部断裂破碎带总体的富水性弱，其导水性差。

2.3 陷落柱导（含）水特征

陷落柱构造是资源开发与利用过程中逐渐形成的塌陷，研究区内初步识别出陷落柱构造1处，疑似陷落柱1处。其中，陷落柱位于12813工作面内，陷落柱形态呈椭圆状，长轴展布方向呈近东西向，与深部的采空区展布形态基本一致，在垂向上该陷落柱为一上大下小的不规则状锥体。结合三维地震、大深度瞬变电磁探测和天然场源SYT电磁测深等方法成果，陷落柱外侧的矿层与灰岩之间不存在明显的水力联系，且灰岩中岩溶裂隙不发育，总体上富水性弱。此外，在该区域开拓过程中，各个工作面在回采过程中未发现明显异常。因此，总体上该陷落柱的导水性较差。

2.4 地下水的补径排条件

2.4.1 新生界松散含水岩组

金属空气电池是燃料电池的一种，是以金属为燃料，与空气中的氧气发生反应产生电能的一种装置，是新一代绿色电池的代表之一。金属空气电池与一般电池的不同之处，在于其只有一个电极储存能量，另一个电极依靠呼吸空气中的氧气来提供能量。金属空气电池就像大部分生物一样，要正常工作，就得呼吸新鲜空气。

新生松散界含水岩组一般位于地浅表区域，主要接受大气降水以及地表水的垂直下渗补给，同时在雨季河流水位上升过程中接受河流的侧向补给，导致新生界松散含水岩组中的水位随季节变化较为明显。新生界含水岩组的排泄途径主要为蒸发和人工开采，在干旱的季节补给河流。同时，人工采矿活动过程中的排水设施也是主要的排泄方式。

卡尔曼滤波用状态方程和递推方法进行估计,根据前一个估计值和最近一个测量数据来估计信号的当前值,其解以估计值的形式给出。卡尔曼滤波算法如下[8]。

2.4.2 含矿层砂岩裂隙含水岩组

含矿层砂岩裂隙含水岩组位于泥岩以及砂岩之间，导致在正常情况下与新生界松散含水岩组之间不存在较为明显的水力联系。同时，由于泥质岩类的阻隔作用，导致与下伏的灰岩岩溶裂隙含水岩组之间也不存在明显的水力联系。但是，由于上覆的新生界松散含水岩组底部一般具有砂砾含水层，且风化较为明显，导致该组可以通过风化带向含矿层砂岩含水岩组进行补给。排泄方式主要通过人工采矿活动排泄。

2.4.3 灰岩岩溶裂隙含水岩组

研究区灰岩岩溶裂隙含水岩组在2018年12月的水位分别为-40.116m～+51.49m、-153.220m～-37.622m和-43.774m～+50.270m。与初始的原始水位相比，经过抽水试验后的水位明显下降，说明该含水岩组的径流不畅。同时，根据深部资源开采过程中所揭露的地下水类型可知，深部主要以含矿层砂岩含水岩组中的地下水为主，而未见灰岩岩溶裂隙含水岩组中的地下水，主要原因在深部井巷内灰岩距离相对较远，导致该含水岩组中的地下水无法径流排泄，同时由于在资源开采过程中对顶底板的泥浆加固、疏水降压等措施，导致灰岩岩溶裂隙含水岩组中地下水的水位明显下降。总体上，灰岩岩溶裂隙含水层主要接受新生界松散含水岩组底部砂砾岩层补给，形成了较弱的水力联系，主要铜导水通道补给矿井，在开采浅部矿层时，通过含矿层砂岩裂隙造成水位明显下降。

2.5 矿井充水因素

2.1.3 灰岩岩溶裂隙含水岩组

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根据上文对矿井地下水的补径排条件研究，矿井深部充水的水源主要来源于以下几种类型：

大气降水、地表水及新生界松散含水岩组上部水：研究区的矿层主要赋存在厚层的新生界松散层之下，导致在矿层之上普遍具有大气降水、地表水及新生界松散含水岩组上部水。由于有隔水性能良好的松散层中部隔水层的存在，与含矿层砂岩水无水力联系，故对矿井开采无影响，不是矿井的充水水源。

新生界松散含水岩组下部水：新生界松散含水岩组下部水应属于孔隙承压含水层，是矿井主要的间接充水水源。研究区矿井一般设计预留80m的防水矿柱，能够有效地阻隔新生界松散含水岩组下部水充入至矿井中。同时，未来5年矿井采场距基岩面最小105m，该含水层对矿井的安全生产没有影响。

含矿层砂岩裂隙水：含矿层砂岩裂隙水是矿井开拓过程中最为直接的充水水源，该地下水的初始涌水量一般较大，但在短时间内可衰减，直至疏干。同时，结合矿井内该层的抽水试验结果等显示含矿层砂岩裂隙含水岩组的富水性弱、渗透性较差，地下水主要以静储量为主，对矿井生产不会构成水患威胁。

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老空水：研究区深部矿井及周边无小井开采记录。未来5年初步计划开采13-1、11-2矿层，无其它开采计划。因此，在13-1、11-2矿层开采后的采空区内可形成一定的积水，但积水位置、范围以及积水量等清楚，可实现有效地的超前分析、探放等，进而防止老空水害的威胁。总体上，研究区内的老空水对矿井生产不构成威胁。

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2.1.2 含矿层砂岩裂隙含水岩组

矿井内的充水通道是矿床充水因素分析的主要途径，常见的有断裂破碎带、原生裂隙、采动裂隙、陷落柱以及封闭不良钻孔等。

查询概率矩阵，可以预测出下一个可能出现的状态，得到灰色马尔科夫预测模型计算值分别为0.501、0.474 7、0.482 2、0.508 1、0.531 8、0.560 9、0.569 7、0.540 7、0.529 4。

该组根据岩石在垂向上的分布规律可进一步分为2个含水岩组和2个隔水岩组。

原生裂隙：矿井内的基岩以砂岩、泥岩、泥质砂岩和灰岩等为主，岩石中的基岩裂隙较发育，且根据采掘工作面出水统计发现，以顶、底板砂岩滴水、淋水为主；基岩中裂隙发育具有不均匀性，导致基岩中的裂隙连通性较差。综上所述，基岩原生裂隙不是矿井的主要充水通道。

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采动裂隙：资源在开发利用过程中会在开采工作面底板区域形成底板破坏带，在顶板区域会形成垮落带和裂缝带，均属于采动裂隙。采动裂隙可以成为主要的导水构造。研究区矿井内预留了80m的防水矿柱，可有效地组织新生界松散含水岩组中的地下水进入矿井。同时，在未来5年的采矿计划中，矿井采场距离基岩面最小距离为105m，故采动裂隙不是本矿未来5年开采下含水的充水通道。

岩溶陷落柱：根据上文论述可知，研究区矿井内已识别出陷落柱构造1处，疑似陷落柱构造1处。未来5年内开采时应加强防范陷落柱充（导）水，1号陷落柱要严格按照划设的7-1～4-1矿层的暂缓开采区，未来5年没有采掘活动。

封闭不良钻孔：根据已有资料显示，矿井内现阶段存在封闭不良钻孔9个，导致钻孔本省可能含水，进而沟通钻孔所穿过的各个含水层，最终引起矿井充水，对深部资源采掘构造较大的潜在威胁，尤其是沟通矿层底部的灰岩岩溶裂隙含水层。综上所述，封闭不良钻孔可能是造成矿井充水的主要通道之一。

2.5.3 充水强度

新生界松散含水层水：自矿山投产以来，新生界松散含水岩组中共出现5次突水事故，均是在投产初期，且突水量极小。目前，矿山全部井筒采用冻结法施工工艺，双层井壁，质量可靠，不会引发松散含水层突水

。同时，矿井内预留了80m的防水矿柱，未来5年采矿计划中采场距离基岩最小距离为105m，故新生界松散含水层下部水对矿井未来5年的生产无充水影响。

含矿层砂岩水：未来5年初步计划开采13-1、11-2矿层，无其它开采计划。随着工作面的推进，出水量逐渐减小，稳定在10m

/h。

灰岩岩溶裂隙水：矿层开采受底板灰岩岩溶裂隙水影响，需采取井上和井下下相结合的水文地质补勘，同时实施区域治理和疏水降压工程，其水害防治工程量大，难度高。

老空水：矿井采空区积水以静储量为主，其位置、范围、积水量已经查明；生产过程中对老空区积水采取超前分析、预报和探放后，不会产生老空水害。