王榮庚

(廣西錫山礦業(yè)有限公司,廣西南寧 530022)

廣西大新錳礦礦區(qū)位于左江流域(珠江水系),西部即為珠江與越南紅河兩水系分水地帶。布康溪發(fā)源于礦區(qū)西北部,屬左江水系分支,自北西向南東流經(jīng)本區(qū),為本區(qū)地下水最大地表補給水體。本區(qū)屬亞熱帶潮濕氣候區(qū),降水量比較豐富,據(jù)資料總結(jié)該區(qū)氣象特征：暴雨次數(shù)最多為9次/a,平均6次/a,最大暴雨量達到147.7 mm/d,平均年降雨量達到1 558mm/d,暴雨主要出現(xiàn)在 5-7月,次為 8-9月,10月至次年3月為枯水期?？梢姷V區(qū)地下水的大氣水補給量也很大。

礦區(qū)碳酸鹽巖分布廣,組成區(qū)內(nèi)主要含水層,其中裂隙溶洞含水層有黃龍組(灰?guī)r),大塘階(灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r)與東崗嶺階(灰?guī)r)；溶洞裂隙含水層有榴江組及五指山組灰?guī)r；非碳酸鹽巖在區(qū)內(nèi)分布不廣,為礦內(nèi)隔水層,其層位有巖關(guān)階(硅質(zhì)、泥質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)巖)以及郁江階(粉砂巖、頁巖)[1]。

1 礦區(qū)主要裂隙含水層及巖溶作用機理

下石炭統(tǒng)巖關(guān)階下段(c1y1)溶洞裂隙含水層。該層為礦層間接頂板含水層,也是礦區(qū)富水性及滲透性較強的含水層。含水層由泥質(zhì)及硅質(zhì)灰?guī)r組成,按其富水性的差異自上而下分3段。上段厚95 m為相對隔水帶；中段為含水帶,溶洞發(fā)育,鉆孔揭露的溶洞最大值徑可達26.32 m,并被泥砂充填。該段主要分布在布康洼地及布康溪谷一帶,水文地質(zhì)參數(shù)為：q=2.66 l/sm,T=871.43 m2/d,μ=2.49×10-4；下段為弱裂隙含水帶,厚0～140 m,水文地質(zhì)參數(shù) k=0.029 4 m/d,q=0.011 2 m3/dm。

東崗嶺組溶洞裂隙含水層(D2d)。含水層由灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r組成,上部為裂隙溶洞含水帶,該帶溶洞發(fā)育,在布新洼地可見直徑2～5 m、深10 m的落水洞。布新洼地巖溶發(fā)育深度達54.19 m。水文地質(zhì)參數(shù) q=0.688 l/sm,T=85.97 m2/d,k=1.705 8 m/d。下部為裂隙含水帶,其富水性和滲透性明顯降低：其水文地質(zhì)參數(shù) q=0.046 6 l/sm,k=0.094 m/d。

1)巖溶產(chǎn)生發(fā)育需具備3個條件,即：可溶性巖石和地質(zhì)構(gòu)造與地層結(jié)構(gòu)以及地下水和地表水補給、徑流、滲透和循環(huán)[2]。巖溶過程便是可溶性巖石被溶蝕的過程,巖石中的碳酸鹽發(fā)生分解,巖溶的化學(xué)過程如下：

CO2(空氣或水)+H2O→H2CO3→

H++HCO3→H++CaCO3→HCO3-+Ca+

即 CO2+H2O+CaCO3→Ca++2(HCO3)-

2)巖溶水是指存在于可溶性巖石(碳酸鹽巖類)的溶孔、溶洞和溶蝕裂隙中的地下水[3]。它不僅是一種具有特殊性質(zhì)的地下水,而且也是一種活躍的地質(zhì)營力,在它的運動過程中,不斷與巖石作用,在長期溶蝕過程中不斷改造本身儲存環(huán)境,形成可溶性地層覆蓋區(qū)。在豐富的地表水體及大氣降水補給條件下,礦區(qū)的碳酸鹽巖覆蓋巖層發(fā)育廣泛的巖溶裂隙,隨著水體不斷滲流,在時間上碳酸鹽巖體便不斷被溶蝕,在空間上地下道水通道不斷地加大,并最終形成穩(wěn)定的地下通道。

2 巖溶裂隙水產(chǎn)生的機理及力學(xué)分析

巖溶裂隙水始于水流對原有狹小通道的溶蝕擴展,溶蝕下來的巖石成分通過水流循環(huán)作用不斷帶走,水流通道被拓寬,巖體裂隙繼續(xù)發(fā)生擴展,連通率增大,從而改變巖體的原始結(jié)構(gòu),滲透性增加,反之又加速了巖溶水的滲流,同時伴隨侵蝕及泥化等作用。巖溶水對裂隙巖體具有軟化和溶蝕雙重作用[4],巖溶程度和巖體中的碳酸鹽成分多少有直接關(guān)系,碳酸鹽純度越高巖溶發(fā)育的程度也越廣。

大新錳礦礦區(qū)的可溶性巖石主要為硅質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r,巖溶裂隙發(fā)育最大的為碳酸鹽含量最高的白云質(zhì)灰?guī)r,其次為硅質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r。礦體賦存于晚泥盆系地層中,該段地層多為硅質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r,巖溶裂隙多以小型為主,一般大型的溶洞只有在厚層灰?guī)r地段才會發(fā)育,340中段左3號運輸巷、膠帶斜井和280排水平洞在施工過程中,工作面涌水便是該類巖溶水。但圍巖的碳酸鹽含量畢竟分布不均,造成巖溶裂隙大小不均,這也控制著巖溶水量的大小,巖溶水量的大小又影響巖溶作用的擴散速度,巖溶總是隨著流動的水體向周邊巖體溶蝕,直至周邊巖體碳酸鹽成分分解完或地下水位下降,溶蝕才結(jié)束,溶巖裂隙停止生長。

巖溶水對巖石的作用力表現(xiàn)為效應(yīng)力,包括靜水壓力、動水壓力[5],具體體現(xiàn)在巖層中裂隙水的內(nèi)水壓力作用,還有內(nèi)水外滲過程產(chǎn)生的相互作用力。一般的情況下水力與周邊巖體短期內(nèi)是處于一個相對平衡的狀態(tài),隨著水體的流動,容水通道的增大,當(dāng)外力作用于圍巖時即巷道掘進施工,開挖巖體造成巖體一側(cè)臨空,內(nèi)水壓力相對集中于低壓臨空面,力平衡狀態(tài)被打破,水壓傾向于向受力減弱的一方位移,在移動過程中,不斷地對巖體產(chǎn)生應(yīng)力作用,滲入巖體,持續(xù)不斷地產(chǎn)生影響,直至巖體軟化發(fā)生解體,裂隙進一步延伸擴展,周而復(fù)始。臨空工作面受力隨著掘進進度而增大,當(dāng)達到某個臨界點時,巷道工作面開始滲水,持續(xù)不斷的內(nèi)水壓力及巖體內(nèi)應(yīng)力使得巷道坍塌并最終發(fā)生突水。

3 井巷巖溶裂隙水突水分析

在巷道施工過程中,由于開挖巖層巖溶裂隙發(fā)育且高壓、富水,常產(chǎn)生巖溶裂隙水突出的災(zāi)變現(xiàn)象。巖溶涌水通常會導(dǎo)致巷道圍巖穩(wěn)定性迅速下降,從而坍塌,給巷道帶來不同程度的危害。這其中便涉及到巖溶水—圍巖的相互作用問題。巖溶裂隙水突出實質(zhì)就是裂隙巖體含水結(jié)構(gòu),水動力系統(tǒng)和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)因巷道開挖而發(fā)生急劇變化,巷道巖體開挖破壞了原有水力循環(huán)系統(tǒng)和靜態(tài)水的穩(wěn)定,使得出現(xiàn)突水的可能。

2009年10月21日膠帶斜井發(fā)生突水事故,當(dāng)時工作面掘進至標高 274 m,井筒累計進尺為330 m,被淹井筒200 m左右,膠帶斜井井口標高為338 m,淹井靜止水位在305 m標高,井下從工作面突水到上升至靜止水位高差為31 m,水量非常大。斜井中軸線所穿越的地段地下水類型有松散巖類孔隙水、巖溶溶洞裂隙水、基巖裂隙水3種類型。按其不同巖性把圍巖分成3層：硅質(zhì)灰?guī)r、泥巖夾硅質(zhì)巖、硅質(zhì)巖。井口處覆蓋層為第四系殘坡積層,厚度小于1 m,松散巖類孔隙水賦存空間較小,可忽略不計。施工工作面現(xiàn)狀標高可知,工作面位于泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)上段,由硅質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r、夾硅質(zhì)灰?guī)r組成,地下水類型巖溶溶洞裂隙水,水位標高240～510 m,受大氣降水和布康溪水的補給,對礦井沖水造成了直接影響。巷道正是因為貫穿該層中的溶洞裂隙水或縮小了圍巖與溶巖裂隙之間的安全距離,改變了巖層和裂隙水之間的平衡力,當(dāng)巖溶裂隙水壓達到巖體斷裂破壞突水的臨界水頭壓力值后,致使裂隙水在高壓水頭壓力作用下發(fā)生擴展,向低壓臨空的工作面方向運動,同時內(nèi)水壓力作用使水流對突水通道具有沖刷擴徑作用,水量不斷增大,于是造成了膠帶斜井突水事故。

主要結(jié)論為：膠帶斜井突水事故系由巖溶裂隙水的內(nèi)水壓力及施工外力共同作用下所誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害,施工外力改變了裂隙巖體含水結(jié)構(gòu),水動力系統(tǒng)和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)；水壓力作用使水流對突水通道具有沖刷擴徑作用,隨著時間的推移,短期內(nèi)涌水量會隨突水裂隙的機械破壞而增大,而長期的溶蝕作用將加大裂隙通道的擴徑趨勢；裂隙水作用面與巷道臨空作業(yè)面之間存在一個最小巖石承壓厚度層,通過對巖石的性質(zhì)及應(yīng)力分析,可推測出承壓厚度層的安全距離,為防患災(zāi)害提前預(yù)警。

1)斜井工作面開挖時,必須了解井巷地下水涌水量,根據(jù)涌水量的值,判斷巖溶水裂隙內(nèi)壓力大小,以提前采取防護措施。涌水量預(yù)測采用大井法的穩(wěn)定流方法計算：

Q=(α/2π) ·(πK(2H-S)/(lnR0-lnr0)

式中K——滲透系數(shù)(m/d)；取K=14.51 m/d；

R0——引用影響(m)；R0=2S.SQRT(KH)；

S——水位降深(m)；

H——含水層厚度(m)；

r0——引用大井半徑(m)；r0=SQRT(2 F/α)；

F——含水層底板垮落面積,即井區(qū)面積(m2)；

α——進水弧度角(°)。

2)根據(jù)節(jié)理裂隙發(fā)育和巖層破碎程度,對巷道圍巖進行分級,可選用《工程地質(zhì)手冊》圍巖穩(wěn)定性評價的理論方法之塌落理論進行圍巖的垂直圍巖壓力及側(cè)向圍巖壓力計算：

圍巖垂直壓力：q=γ·h1

圍巖的側(cè)向壓力：ps=0.5γh(2 h1+h)tan2(45°-φ/2)

式中h1=(a+h·tan(45°-φ/2))/tanφ；

γ——巖石重度(kN/m3)；

a——斜井開挖寬度之半(m)；

h——斜井開挖高度(m)；

φ——地層內(nèi)摩擦角(°)。

3)按照圍巖分級,根據(jù)圍巖穩(wěn)定性有針對性進行巷道支護,支護方案可采用參考相關(guān)圍巖級別對應(yīng)支護方式的參考書,確保支護的合理性和施工的安全性。

4)施工方面可考慮采用坑內(nèi)鉆,進行裂隙水導(dǎo)水通道的探測和圍巖巖性的取樣分析,并且詳細記錄隨進尺推進水質(zhì)水量變化情況,鉆孔資料信息推測巖溶裂隙的大小及離工作面的承壓圍巖厚度層的距離,當(dāng)鉆進壓力突然增大時,應(yīng)放緩鉆進速度或停止施工,避免進一步釋放水壓,造成突水事故。

4 結(jié)語

巖溶裂隙水一直是礦山井下生產(chǎn)經(jīng)常遇到的難題,它涉及到建筑、鐵路、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域,是誘發(fā)水地質(zhì)災(zāi)害的源頭之一。巖溶裂隙水因地而異,因時而差,在防治過程中,首先應(yīng)從其產(chǎn)生的機制開始分析,通過現(xiàn)象看本質(zhì),了解其形成機理及力學(xué)效應(yīng)。

[1]有色勘察設(shè)計研究院.大新錳礦深部開采膠帶斜井巖土工程詳細勘察報告[R].廣西：廣西有色勘察設(shè)計研究院,2007.

[2]袁道先,蔣忠誠.巖溶作用與碳循環(huán)在中國的研究進展[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2000,27(1)：49-51.

[3]區(qū)永和,陳愛光,王恒純.水文地質(zhì)學(xué)概論[M].北京：中國地質(zhì)出版社,1987.

[4]袁道先.中國巖溶動力系統(tǒng)[M].北京：地質(zhì)出版社,2008.

[5]袁道先,章程.巖溶動力學(xué)理論探索與實踐[J].地球?qū)W報,2008,29(3)：101-111.