孙茂贵，殷登才

(安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司， 安徽 马鞍山市 243181)

0 引言

在我国，随着越来越多的水文地质复杂矿床被开发，矿山水害问题已成为威胁矿山安全开采的主要问题之一，特别是井建期间受制于工作条件及矿山排水能力，矿井水害易造成淹井事故。近年来诸多专家针对井巷掘进水害问题进行了研究，并取得了丰硕的研究成果，如张海波等提出了多种钻孔联合注浆治理技术，解决了高压富水破碎带水害问题[1-4]；王小坡等提出了深浅孔联合注浆治理手段，张光德，姜志海，马新平等[5-7]提出了采用瞬变电磁超前探测技术，超前探测巷道拟掘进区的富水段，提前制定针对性的治理措施，避免突水事故发生。但是，各个矿山的水文地质特征千差万别，如何针对特定矿山水文地质条件制定有效的防治水方案，并分析其实施效果，以指导防治水方案的实施，仍是各个矿山井巷掘进防治水工作中面临的重要问题[8-9]。

1 矿山概况

姑山铁矿位于安徽省马鞍山市当涂县，青山河紧靠矿区东侧穿过，并与长江相连。自1954年开始，矿区采用露天开采，主要开采27线至16线的矿体，到2016年，露天采场已开采至设计最低标高-148 m，形成一个东西宽约750 m，南北宽约1000 m的露天坑，露天坑东部边缘距青山河最近处不足80 m。露天采坑的长期疏干排水使得矿区已形成以采坑为中心的疏干漏斗，漏斗中心水位标高约-165 m。矿山目前已转入井下开采，地下开采部分设计开采规模为 70万 t/a，设计利用资源量为4797.69万 t。设计采用竖井开拓（设置主副井、充填井及回风井），井下共设5个中段：-148 m（回风）中段、-200 m中段、-250 m中段、-300 m中段、350 m中段，其中首采中段为-350 m中段，预测正常涌水量为12 900 m3/d（537.5 m3/h），最大涌水量为36 700 m3/d（1529 m3/h）。在井下-300 m平巷掘进过程中多次出现60 m3/h及以上突水事故，严重影响巷道的安全掘进。

2 水文地质条件

2.1 含水层

（1）第四系孔隙含水层。上部为粉质黏土层，下部为砂卵石层，分布于矿床四周，一般厚40～60 m，含水层的富水性随深度而递增，地下水水位一般在地面以下1～2 m，标高7 m左右。

（2）火山岩裂隙含水层。岩性为凝灰岩及安山岩类，分布于矿区7线以西，总体北西倾向为主，为矿体的顶板或间接顶板，岩体裂隙发育，渗透系数K=0.083 m/d，单位涌水量q=0.046 L/（s·m），水质类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型水。

（3）砂页岩含水层。该含水层呈楔形不整合于火山岩裂隙含水层之下，分布于矿区北东端，尖灭于矿山7线附近，为构造尖灭。含水岩性为紫色、灰紫、白色粉砂质页岩、中粗粒石英砂岩等，裂隙发育一般，裂隙多充填方解石，其次为硅质、铁质、泥质等。渗透系数K=0.10～0.16 m/d，单位涌水量q=0.11～0.16 L/（s·m），局部裂隙发育区的渗透系数可达 3.1 m/d，为富水岩层，水质类型为HCO3-Ca·Mg 型水。

2.2 隔水层

侵入岩隔水层岩性为辉长闪长岩、闪长岩，似钟状普遍分布于整个采场，远离矿体蚀变逐渐减弱，岩体新鲜而完整，裂隙不发育，单位涌水量q=0.004～0.012 L/（s·m），渗透系数K=0.004～0.0086 m/d，为隔水层，水质类型为HCO3-Ca·Mg型水。

2.3 矿坑充水因素

矿山为露天转井下开采，主要充水水源为大气降水、地表水体和地下水径流，青山河等地表沟渠补给量小；充水通道主要有构造破碎带和结构面裂隙发育区，具体分述如下。

（1）露天采场的影响。姑山露天采场经过多年的疏干排水，在矿区形成了一定范围的降落漏斗。在其降落漏斗范围内，地下水运移畅通。现阶段对本矿山的影响主要为降低矿山开采排水量。若矿坑积水，可能形成地下矿山开采排水的补给源。

（2）断裂构造的影响。根据各含水层的性质、矿体及围岩的富水性较弱，断裂构造具导水性质，沟通上部含水层，增加了矿体及围岩的给水性。特别是这些断裂构造均为成矿后断层，断层具张性，如F8断层破碎带就沟通了黄马青组裂隙含水岩组。

（3）结构面的影响。矿体与围岩之间形成结构面，受成矿后断裂构造的影响，围岩内部也形成了不易勘查的软弱结构面，辉长岩体上侵过程中冷凝收缩形成了放射状裂隙，不同结构面之间的贯通，会对矿山开采排水产生一定的影响。

2.4 开拓巷道突水因素

（1）水文地质条件因素影响。矿山-300 m中段巷道主要位于火山岩裂隙含水层中，该含水层裂隙发育，工作面掘进时多次揭露60 m3/h及以上涌水，最大揭露涌水量超过了100 m3/h，同时巷道掘进期间面临的水压高达2 MPa，富水破碎岩体在高水压条件下极易发生突水垮塌事故。

（2）工作环境因素影响。基建巷道多为独头掘进，巷道整体排水系统尚未形成，排水能力有限，不具备较强的抗突水能力，结合国内相关矿山基建开拓工程防治水经验，在工作面涌水量超过20 m3/h较难组织施工，工作面面临被淹的风险。

综上所述，受制于矿山水文地质条件因素和基建工程防、排水特点影响，巷道开拓工作面揭露较大涌水时将严重限制矿山基建工作，同时给后期治理带来较大困难，因此必须采用适宜的防治水治理方案，从而避免突水事故的发生，同时改善作业条件，提高作业安全掘进效率。

3 方案简述

根据矿山水文地质条件和基建工程防治水的特点，结合国内相关基建开拓工程的防治水经验，采用工作面超前探水和帷幕注浆的方案，对拟掘进区域进行超前探查和针对性的注浆封堵，大幅减少工作面涌水量，方案简述如下。

（1）在工作面布设 5个超前探水孔，其中顶板1个，侧帮2个，底板2个，钻孔长度为100 m，外偏3°，如图1所示。

图1 注浆探查孔剖面（单位：mm）

（2）钻孔开孔Φ130 mm，下6 m长的Φ108 mm套管并固管。凝固24 h后进行扫孔耐压试验，耐压试验压力不低于8 MPa，持续时间不低于20 min。

（3）注浆材料采用单液水泥浆，水灰比为1.5:1，1:1，0.8:1三种，注浆终压取静水压力的3倍，目前井下中段静水压力在2 MPa左右，注浆终压为6 MPa。

4 方案模拟及治理效果预测

4.1 模拟分析原理

地下水渗流一般符合达西（Darcy）定律，在稳定流条件下通过岩土体的渗透量是渗透系数、水力坡降以及横断面积之间的乘积，如式（1）所示。

式中，q为单位面积的渗流量；k为渗透系数；i为水力坡降。

为便于模拟分析，将岩体简化为连续介质，在不考虑水的密度变化条件下，基于达西定律的非均质各向同性中三维非稳定流数学表达式可表示为：

式中，H为总水头；k为渗透系数；Q为源汇项；θ为体积含水率；t为时间。

4.2 模型建立

依据矿山水文地质及采掘设计构建符合矿山实际情况的数值模型，因此选取-300 m中段开拓巷道作为研究对象，巷道断面尺寸为4.5 m×3.9 m。根据类似矿山井巷工作注浆经验，一般注浆扩散半径为2～3 m，结合矿山水文地质条件，取巷道工作面帷幕注浆厚度为 2 m[10]。模型尺寸为 24 m×20 m× 1 m，采用混合四边形网格剖分，如图2所示。-300 m中段开拓工程位于火山岩裂隙含水层，渗透系数K=0.083 m/d。地下水水压为2 MPa，故模型两侧的总水头边界取200 m。

图2 模型概化与网格剖分

模拟分为两步进行，第一步分析原始条件下开挖单位长度巷道的涌水量（工况1），第二步分析注浆后开挖单位长度巷道的涌水量（工况2），然后对比分析工作面帷幕注浆的效果。

4.3 模型预测分析

如图3所示，巷道开挖后在巷道周边形成一个地下水的泄压区，地下水自巷道周边向巷道汇流，巷道成为了含水层中地下水排泄点。泄压区呈椭圆形，主要向顶部发展，说明受重力影响，地下水主要从巷道拱顶部分涌出。帷幕注浆后巷道周边形成2 m厚的稳定帷幕体，封堵了地下水通道，相比于直接开挖，其因巷道开挖而形成的地下水泄压区主要集中在帷幕体内部区域，范围大幅减小，说明帷幕体的堵水效果明显。

图3 不同工况开挖后的地下水云图

两种工况分别计算巷道开挖时的涌水量为24.8 m3/d和0.5 m3/d，在工况1的条件下100 m巷道的涌水量将达到2480 m3/d，大量涌水将导致基建开拓工程无法正常掘进，而帷幕注浆后堵水率达到了98%，100 m巷道的涌水量将大幅减小到50 m3/d，有效地保障了基建开拓工程的安全掘进。

5 效果

矿山在-300 m中段巷道开展了工作面帷幕注浆试验，试验段参数如上文所示，施工中5个注浆兼探查孔的涌水量多分布在20～60 m3/h之间，最大涌水量达到了120 m3/h左右，水压2 MPa。工作面帷幕注浆后巷道安全掘进90 m（留设10 m岩帽）时的总涌水量约 50 m3/d，有效地保障了基建巷道工程的安全掘进，避免了突水事故的发生。同时巷道掘进期间的实测涌水量与预测涌水量基本相符，说明模型基本反映了巷道掘进期间的水文地质状况，可有效地指导工作面帷幕注浆工程。

6 结论

（1）在高压富水的水文地质条件复杂矿山，涌水量大，且受工作条件限制，排水能力有限，直接开挖极易出现突水事故，严重影响安全生产工作。

（2）采用工作面探注结合的帷幕注浆方案能有效地封堵巷道周边的过水通道，大幅缩小巷道开挖而引起的含水层泄压区影响范围，巷道涌水量减小97.98%，提高了基建期井下防排水系统的抗风险能力，有效地保障了基建巷道的安全掘进。

（3）依据矿山开拓巷道水文地质条件构建基建开拓工程数值模型，能较准确地预测不同工况条件下巷道开挖后的地下水流场变化情况和涌水量，可指导方案对比和工程实施。