田曉明，張勇，仝永慶，褚志遠

(1.平邑縣自然資源和規(guī)劃局，山東 平邑 273300；2.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 臨沂 276006)

0 引言

隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)程度的逐步深入，很多礦井轉(zhuǎn)向深部開采，對于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶大水礦山而言，采掘過程中往往面臨突涌水威脅[1-6]。部分揭露石灰?guī)r或白云巖等可溶巖含水層的礦井，受到地層巖性、產(chǎn)狀及構(gòu)造帶等因素綜合影響，往往發(fā)育向礦坑導(dǎo)水的暗河型導(dǎo)水通道，其規(guī)模較大、連通性好、隱蔽性強，一旦掘進過程中揭露會產(chǎn)生大量涌水，甚者造成淹井和人員傷亡，且在工作面封堵難度較大[7]。因此，對于很多巖溶大水礦山而言，采取有效的技術(shù)手段查明主要導(dǎo)水通道的分布范圍，利用可行的工程措施進行封堵，是避免造成井下突水和保證礦井安全生產(chǎn)的重要措施[8-12]。

本項研究結(jié)合山東某礦坑涌水治理項目，利用地面物探、鉆探勘察、超聲測井及連通試驗等綜合技術(shù)手段查明F4斷層下盤發(fā)育的主要導(dǎo)水通道的分布范圍[13]，同時利用孔口投料和灌注雙液速凝漿等措施進行了封堵，經(jīng)驗證明治理效果良好[14]。

1 礦區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省中南部丘陵區(qū)，地勢南西高北東低，最高山為南部的石榴崮，海拔+417.8m，最低點為北部的浚河河床，海拔+109.0m，相對高差308.8m。本區(qū)屬北暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候區(qū)，四季分明，據(jù)平邑縣氣象站資料，從2002—2019年間，年平均降水量723.34mm，年最大降水量1236.4mm(2005年)，年最小降水量392.4mm(2002年)，日最大降水量為220.1mm(2005年9月20日)。區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育，北部的浚河為常年性河流，最高洪水位標(biāo)高120m，洪峰流量為2100m3/s，最枯流量0.017m3/s，流向由西至東，其河床為最低侵蝕基準(zhǔn)面，標(biāo)高109.0m。另外，礦區(qū)西側(cè)的龐家村河由南至北注入浚河。區(qū)內(nèi)其他一些小的水體為季節(jié)性河流，一般夏、秋季或大雨時有水，冬春季節(jié)斷流。

研究區(qū)內(nèi)出露地層主要有寒武紀(jì)九龍群、奧陶紀(jì)馬家溝群及第四紀(jì)地層等(圖1)。地層產(chǎn)狀總體走向NW，傾向NE，傾角7°～33°。其中以古生代寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)地層分布最廣。礦區(qū)內(nèi)主要有NW向、近EW向和NE向3組斷裂。

(1)近EW向構(gòu)造：走向一般為85°～95°，傾向S，傾角一般為45°～73°，為南盤下降的正斷層，主要有歸來莊F1、F2斷層。

(2)NW向斷裂：主要為F3斷裂，走向290°～ 315°，傾角60°～80°，均為傾向SW的高角度正斷層，破碎帶寬度一般為3～20m。走向一般為40°～50°，傾向SE，傾角60°～80°，均為正斷層。

破碎帶寬3～10m，多為碎裂狀二長斑巖脈充填，高嶺石化發(fā)育，具硅化、褐鐵礦化，局部有螢石化、黃鐵礦化等，金礦化一般較弱，該組斷裂(F4，F(xiàn)5，F(xiàn)6)構(gòu)造進一步強化了成礦作用，其與歸來莊F1斷層斜交，其交會部位礦體肥大，品位較高。

該礦為隱爆角礫巖型金礦床，共圈定有11個礦體，其中①-1號礦體規(guī)模最大，主要開采的也為該礦體。礦山+130m～-30m水平標(biāo)高開采方式為露采，采用分期擴幫、臺階式開采，單一汽車開拓運輸方案。至2011年4月，礦體露天開采工作結(jié)束，正式轉(zhuǎn)入井下開采。-30m～-150m水平標(biāo)高設(shè)計采用向水平進路膠結(jié)充填采礦工藝，目前-150m以上已開采完，-190m中段、-230m中段、-270m中段正在開拓巷道。

1—第四系；2—奧陶系；3—寒武系；4—二長閃長玢巖；5—地質(zhì)界線；6—斷層產(chǎn)狀及編號；7—金礦體圖1 研究區(qū)構(gòu)造分布簡圖

礦體圍巖為巨厚的碳酸鹽地層，巖溶裂隙發(fā)育，碳酸鹽巖含水層為區(qū)內(nèi)主要含水層，距礦坑?xùn)|北側(cè)約1.3km處為常年有水地表河流，地下水補給來源充沛[15]。礦山開采過程中，在采坑?xùn)|部露天邊幫和井下F4、F1斷層上下盤附近揭露大量涌水點。目前，最大的單點涌水量達到1500m3/h，發(fā)育在F4斷層下盤-30m水倉附近，一般出水點涌水量約每小時幾百方不等。近幾年礦坑涌水量逐年增大，對井下安全生產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)資源礦段開采造成嚴(yán)重影響，同時破壞了研究區(qū)周邊地下水環(huán)境，必須采取礦坑涌水治理措施[16]。

根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造分布簡圖并結(jié)合水文地質(zhì)條件分析可知，發(fā)育在礦坑?xùn)|部的F4、F1斷層是影響礦坑涌水補給通道的重要因素[17]，故設(shè)計采用地表帷幕注漿方案對東北及東側(cè)潛在的導(dǎo)水通道進行揭露和封堵。但由于井下涌水點分布眾多，無法確定斷裂帶附近主要導(dǎo)水通道的準(zhǔn)確范圍，對于確定治理方案存在諸多不確定性，必須進行探查。

2 巖溶通道探查技術(shù)

2.1 地面物探

2018年3月，依據(jù)場區(qū)水文地質(zhì)條件和地層物性條件差異，設(shè)計采用淺層地震法和激電測深法2種方法進行隱伏構(gòu)造和透水異常區(qū)的勘察。物探線布置在研究區(qū)東部巖移線外，物探線沿設(shè)計帷幕線進行布置，淺層地震方法布置測線4條，總長1.92km，共388個物理點；激電測深方法布置測線4條，測點距20m，總測點75點。

根據(jù)淺層地震測試結(jié)果(圖2)，在研究區(qū)內(nèi)劃定了8條推斷斷層，其中F4斷層平面位置和產(chǎn)狀與地質(zhì)資料基本吻合。通過激電測深法，在研究區(qū)域內(nèi)劃定了4個異常區(qū)，其中異常1、異常2、異常3推斷為強透水帶，異常4推斷為中等透水帶，其中異常2與F4斷層深部巖溶導(dǎo)水通道相關(guān)。

圖2 研究區(qū)物探綜合解釋推斷圖

2.2 鉆探勘察

針對地面物探推斷的異常區(qū)域，結(jié)合帷幕注漿鉆孔設(shè)計，利用部分Ⅰ序注漿孔對重點區(qū)段進行先期勘察。本工程設(shè)計注漿孔孔距8m，Ⅰ序孔孔距32m(圖3)。

圖3 注漿孔孔序平面布置示意圖

布置在F4斷層附近的Ⅰ序兼勘察孔為Z45、Z49、Z53和Z57共4個孔。根據(jù)Z53孔鉆探揭露，F(xiàn)4斷層帶完全被二長閃長玢巖充填，厚度達13m(揭露深度189～202m)，為一阻水構(gòu)造；但在深度280m(標(biāo)高)左右發(fā)生0.2m掉鉆，且沖洗液完全漏失，分析為發(fā)育在F4斷層下盤的暗河型導(dǎo)水構(gòu)造。Z57孔在91～96m深度進尺較快，遇溶洞發(fā)育，但多被泥質(zhì)充填，并非主要導(dǎo)水構(gòu)造。以上鉆孔揭露的巖溶發(fā)育部位與物探異常區(qū)基本吻合。

2.3 超聲測井

為了進一步驗證Z53孔揭露的深部巖溶通道的發(fā)育形態(tài)，研究采用了孔內(nèi)超聲成像探測技術(shù)。通過超聲探測發(fā)現(xiàn)(圖4)，該孔揭露的巖溶通道豎向發(fā)育深度279.3～280.2m，為一開口向北東方向的大型溶洞，但鉆孔接觸溶洞南西側(cè)洞壁，因此未發(fā)現(xiàn)有明顯大量掉鉆情況。根據(jù)超聲測試結(jié)果，分析該溶洞規(guī)模較大，應(yīng)該為地下水向礦坑補給的重要導(dǎo)水通道，為了進一步揭露該通道，建議向Z53鉆孔北西側(cè)進一步布置注漿鉆孔。

圖4 Z53孔279.3～280.2m深度溶洞發(fā)育影像圖(暗色區(qū))

2.4 連通試驗

為了驗證以上判斷，安排施工Z53北側(cè)Z52注漿孔(圖5)，在鉆進至208.50m孔深時，于-67.39m～-70.64m標(biāo)高位置發(fā)生掉鉆，經(jīng)井下電視及超聲測井探測，巖溶裂隙較大，壓水試驗單位透水率達到267.21Lu，透水性極強，推斷為F4斷層帶下盤形成的與Z53相互連通的暗河型巖溶導(dǎo)水通道。研究采用了連通試驗以確定Z52注漿孔揭露的導(dǎo)水通道與礦坑主要涌水點之間的水力聯(lián)系，既在Z52孔內(nèi)投放示蹤劑(NaCl)1.5t，在井下多個主要涌水點進行取樣監(jiān)測。根據(jù)測試成果(圖6)，井下只有-30m水平最大涌水點和-70m水平盲礦體涌水點與之有關(guān)聯(lián)[18]。

1—注漿孔；2—動態(tài)孔；3—監(jiān)查孔；4—異常范圍及編號；5—帷幕線；6—斷層產(chǎn)狀及編號圖5 注漿工程平面布置示意圖

圖6 監(jiān)測涌水點地下水電導(dǎo)率歷時曲線

根據(jù)圖6可知，-30m水平相對于-70m水平水樣電導(dǎo)率增大起始時間較早，峰值大，恢復(fù)至背景值用時長，說明Z52孔揭露的巖溶通道與-30m水平涌水點連通性較好，通道規(guī)模大，溶于該通道水體中的示蹤劑需要較長時間才能完全消散。該通道與-70m涌水點也存在一定的聯(lián)系，其中有少部分示蹤劑運移至該處，同時由2個涌水點水樣電導(dǎo)率背景值存在差異，說明-70m涌水點還有其他地下水補給通道，但規(guī)模較小，總量有限。通過電導(dǎo)率計算，-30m水平涌水點示蹤劑回收率達到88.45%，分析認(rèn)為該通道為地下水向礦坑補給的主要導(dǎo)水通道，必須采取相關(guān)治理措施。

3 巖溶通道治理技術(shù)

通過上述綜合技術(shù)手段，查明了F4斷層下盤與礦坑-30m水平最大涌水點密切聯(lián)系的暗河型導(dǎo)水通道的分布范圍。但是，由于受礦坑長期排水影響，該通道內(nèi)充填物已基本沖蝕干凈，地下水流速快、水量大，分析受礦坑?xùn)|北部河流滲水的直接補給。對于動水條件導(dǎo)水通道的封堵，必須采取以“投料為主、注漿為輔”的治理技術(shù)和措施。

3.1 孔口投料

對于水動力條件比較強的動水巖溶通道而言，任何漿液類材料均存在留存率低、浪費嚴(yán)重、封堵效果差等缺點，一般采取投放骨料充填通道空間，減緩地下水流速后再采取注漿封堵的治理措施。針對本項目揭露的導(dǎo)水巖溶通道及地下水動力條件，對不同骨料的動水沖刷留存性能和提升投料效率的因素進行了研究改進。

(1)骨料抗沖刷性能。為研究骨料在動水高流速管道流沖刷條件下的運移規(guī)律及留存情況，在充分考慮骨料自身性質(zhì)并分析巖溶管道流特點后，建立可模擬不同流速管道流骨料運移狀態(tài)的試驗?zāi)Ｐ?，實現(xiàn)了地面動水管道流骨料抗沖刷模擬。

通過表1試驗結(jié)果可知，粗粒徑的骨料在相同流速動水條件下留存率要高于細(xì)粒徑的骨料；隨著流速的增加，各種骨料的留存率不斷降低。通過測定導(dǎo)水通道內(nèi)地下水流速，選定留存率高的骨料種類和粒徑[11]。

表1 骨料抗沖刷性能試驗結(jié)果統(tǒng)計表

(2)孔口投料工藝。由于投料鉆孔孔徑小、深度大，加之孔壁粗糙，骨料下落困難，易發(fā)生堆積堵孔，故投料時需綜合考慮骨料粒徑、投料速率、投料攜帶液體及投料過程連續(xù)性等相關(guān)參數(shù)及措施，所以投料方式及裝置的科學(xué)設(shè)計直接影響投料的順暢性及其效率。傳統(tǒng)人工投料是在孔口管上安裝料斗，在料斗內(nèi)放入水管沖刷骨料，提高骨料下落動能。此種方法因投料效率低、投料過程不連續(xù)導(dǎo)致投料效果不佳，前期投入的骨料易被動水沖走，且無法探知孔內(nèi)骨料運移及留存情況，易發(fā)生堵孔事故。人工填投還存在勞動強度大、效率不均勻、成本高的弊端。

針對上述問題，研究開發(fā)負(fù)壓流體攜帶式投料方式和沖攜式投料裝置，該裝置利用液體流動及下落時產(chǎn)生的動能將骨料攜帶至巖溶通道內(nèi)，包括儲料漏斗、下料閥門、溜料溝槽、供水管等。其特點在于簡便、高效、可實施性強，在填投過程中可以監(jiān)測孔內(nèi)負(fù)壓和吃料情況，根據(jù)孔內(nèi)情況實時調(diào)整下料速度，以防堵孔。該投料裝置投放石料粒徑0.5～2cm，投料速度0.2～3m3/h，投料用水流量50～150m3/h。

3.2 雙液速凝漿

雖然通過投放骨料可以充填導(dǎo)水通道內(nèi)主要空間，降低地下水流速，但是水動力條件依然較強，依靠單一的水泥漿液難以完全封堵。

在礦山涌水封堵中，水泥—水玻璃雙液漿具有凝結(jié)時間可控，材料來源廣泛，價格相對低廉等優(yōu)點，但是業(yè)內(nèi)缺乏深孔雙液速凝漿灌注方面的完善工藝與設(shè)備[6]。結(jié)合實際工況條件和漿液性能研究，在現(xiàn)有雙液漿常規(guī)灌注工藝的基礎(chǔ)上進行了深孔灌漿裝置和工藝優(yōu)化，將孔口混合工藝變?yōu)榭變?nèi)定點混合，針對雙液漿混合灌注止?jié){塞和孔內(nèi)混合器進行了研發(fā)和改進，形成了雙液速凝漿“孔內(nèi)封閉、定點灌注”高壓注漿工藝。水泥漿水灰比0.8∶1～1.0∶1，水玻璃與水泥漿比例為50%～80%，雙液漿初凝時間為5～25min，注漿壓力6～25MPa。通過應(yīng)用上述工藝和裝置，明顯提升了漿液灌注效果，降低了地面冒漿事故，對于動水條件巖溶裂隙的灌漿封堵起到了良好應(yīng)用效果[19]。

本次注漿工作主要安排在針對F4斷層的異常區(qū)2，帷幕長度40m；涉及施工鉆孔11個全部揭露F4斷層，其中6個鉆孔在F4斷層位置發(fā)生掉鉆，共投料3000m3，雙液漿800m3。施工檢查孔2個均在F4斷層位置揭露水泥漿結(jié)石體，結(jié)石體充填密實，檢查孔壓水試驗透水率小于0.5Lu[20]。

施工完成后F4出水點出水量從1500m3/h降至20m3/h，堵水率高達98.67%。

4 結(jié)論

(1)綜合采用地面物探、鉆探勘察、超聲測井和連通試驗探查技術(shù)，有效查明巖溶大水礦山暗河型導(dǎo)水通道的分布范圍及其與礦坑主要涌水點之間的水力聯(lián)系，為確定治理方案提供技術(shù)依據(jù)。

(2)研究改進孔口投料裝置，有效提升骨料投放效率，減少人為原因造成的堵孔；在常規(guī)雙液漿灌注工藝基礎(chǔ)上改進形成“孔內(nèi)封閉、定點灌注”高壓注漿工藝，對于投料充填后導(dǎo)水通道內(nèi)骨料膠結(jié)和滲水完全封堵具有重要作用。

(3)通過采取上述技術(shù)措施，實現(xiàn)了集中導(dǎo)水通道的完全封堵。有效查明暗河型巖溶通道分布范圍并采取具有針對性的治理措施，是成功治理類似礦坑涌水值得借鑒的技術(shù)手段。