貴州林歹鋁土礦復合式圍巖隔水安全性能研究

彭三曦,李義連,趙子娟,鐘兆泓,趙　鵬

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430074；2.長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南 長沙 410010)

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貴州林歹鋁土礦復合式圍巖隔水安全性能研究

彭三曦1,李義連1,趙子娟1,鐘兆泓2,趙鵬2

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430074；2.長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南 長沙 410010)

摘要：礦區隔水圍巖隔水安全性能分析與評估是礦區深部開采設計的依據，對于礦山開拓系統的選擇及安全生產具有重要作用。以貴州省林歹鋁土礦為例，針對魏家寨礦段地下延伸開采遇到的涌水問題，重點研究礦區二疊系下統梁山組隔水巖層和石炭系擺佐組弱透水巖層組合成的復合式隔水圍巖的隔水安全性能，并評價其在林歹鋁土礦深部開采的隔水效果。評價結果表明：梁山組和擺佐組組合成的復合式隔水圍巖具有良好的隔水性能，能在礦山延伸開采過程中有效阻止下部棲霞-茅口組灰巖含水層中的承壓水涌入礦坑，防止突水事故的發生。本研究使礦山的呆礦復活，為礦山挽救了161×104 t深部鋁土礦資源，并可為類似礦山的建設與生產提供借鑒。

關鍵詞：鋁土礦；復合式隔水圍巖；隔水安全性能評價；安全厚度

礦山防治水工程一直是礦山生產的熱點問題，是確保礦山安全、穩定、持續生產的決定性因素，它直接制約著礦山建設的規模、速度、安全及效益[1-4]。礦山防治水工程的布置對礦山地質環境保護具有重要作用，其對當地的自然環境、地表水系以及生產和生活用水等將會造成不同程度的影響，而合理評價其影響程度并提出相應的應對措施顯得尤為重要[5]。一方面如果沒有系統、科學和全面地調查研究礦區水文地質條件，混淆礦井的充水因素，誤判礦井充水水源[6-7]，可能會引發嚴重的礦井突水事故，造成重大人員傷亡和財產損失。據報道[1-2]，1999年山東萊蕪礦谷家臺二礦區發生特大井下涌水事故，造成29人死亡；2001年7月17日廣西南丹縣境內的大廠礦區拉甲坡錫礦和龍山錫礦因礦坑涌水，導致這兩個礦山同時被淹，死亡人數達81人。另一方面，如果對巖體結構力學、巖體強度及穩定性等研究不足，把本可作為隔水巖體的復合式隔水圍巖簡單地依據傳統觀念貿然地判斷其不具備安全隔水性能[8-10]，則會導致無法經濟有效地開采已探明的地下礦藏資源，造成人力和物力的巨大浪費。因此，礦山防治水問題能否成功處理往往關系到整個礦山開采的成敗[11-15]。

合理評價礦區隔水圍巖的隔水安全性能是預防礦井突水問題及制定防治水方案的關鍵。礦井突水主要是在流水滲透及人為活動影響下，礦井的隔水巖體發生軟化、變形及崩塌而逐漸失去隔水性能所致[8,12]。然而，目前國內外針對礦井隔水圍巖的研究相對薄弱，僅停留在定性評價水平上，對大水并伴隨地面大范圍塌陷的礦山地質環境問題所積累的防治水經驗不足，從而降低了礦山經濟效益，甚至許多寶貴的礦床資源因此而放棄開采[16-22]。

目前國內外研究礦山帶壓開采時，一般僅把單一的隔水圍巖變形破壞特征作為主要的研究對象，研究隔水巖體能否承受相應水壓，并將其作為評價隔水巖體是否會被擊穿及能否采用帶壓開采的依據[23-24]。如果簡單地按此方法進行評價，貴州林歹鋁土礦梁山組隔水巖體在開采至1 040m標高時，將無法承擔底板棲霞-茅口組含水巖層的水壓，進而導致被迫疏干棲霞-茅口組含水層，這樣將會導致大面積的地表塌陷、地表水倒灌等地質環境問題，從而威脅礦山的開采安全。本文在對貴州林歹鋁土礦研究過程中創造性地提出了“復合式隔水圍巖”的概念，把直接底板含水巖層和間接底板隔水巖層統一當作一個廣義的“隔水圍巖”看待，即復合式隔水圍巖，它既能起到隔水效果，又增大了隔水強度，使得礦山開采至1 040m中段時仍能有效阻擋棲霞-茅口組含水層的高水壓，保障了礦山開采的安全性。本研究可為礦區深部開采設計提供依據，為國內外類似礦山開采的防治水工程提供參考，也促進了我國關于復雜水文地質條件下礦山井下防治水技術的發展。

1貴州林歹鋁土區概況

1.1礦區自然地理條件

林歹鋁土礦區位于貴州省清鎮市，行政區劃屬站街鎮，位于清鎮市北17km處，距貴陽市45km，地理坐標東經為106°22′16″～106°24′45″，北緯為26°39′41″～26°40′26″。礦區的地形為三面環山向北開口的狹長型槽谷，東、南、西三個方向的地表水向河谷匯集，匯水面積約5.04km2。礦區地面標高1 000～1 500m，屬淺切割中低山地形，山原巖溶地貌。礦區降雨多集中于5～9月份，多年平均降雨量為1 192.5mm，最大和最小年降雨量分別為1 601.8mm和717.3mm，年平均氣溫為14℃。礦區水系屬烏江流域鴨池河水系，區內地表河流主要有跳登河和燕龍河，水庫有迎燕水庫和龍泉坡水庫[5-6]。貴州林歹鋁土礦區域水文地質見圖1。

1.2礦區開采歷史及現狀

林歹礦區魏家寨礦井于1993年建成投產，采用中央豎井開拓方案，共設計7個開采中段，現階段已開采標高為1 332m、1 290m、1 240m和1 190m4個中段，經過多年的開采，1 190m中段以上礦石已開采完畢，1 190m中段以下還有鋁土礦資源儲量161×104t，因無法解決礦山的涌水問題，該礦山被迫處于停產狀態。

1988年豎井下掘至1 190m中段馬頭門時，曾發生巖溶涌水淹井，涌水來源不清楚，經堵水未成功，在1 190～1 220m采用混凝土止水墊得以止水，故豎井不能繼續延深，只在1 240m中段以上形成開拓系統，完成3個開采中段的礦體開采。2004年7月，開始采用盲斜井方案開拓1 190m中段，但由于井下水文地質條件不清楚，涌水問題依舊沒有得到根本解決，因此1 190m中段以下礦石能否被開采利用一直是該礦山懸而未決的問題，全國幾家知名礦山設計院組成的專家組進行過相關的研究，但一直沒有得出確切的結論[5-6]。如果1 190m中段礦石開采殆盡時礦山水文地質問題仍未找到解決方案，該礦區將面臨著兩難選擇：一是繼續投入大量的人力和費用，維持井下排水系統正常運行，進行其他設備和設施的正常維護，等待后續開發；二是拆除所有設備、設施、巷道和井筒等，關閉該礦井，然而一旦礦井關閉，未來繼續開采1 190m中段以下礦石將需要重復投入巨資。可見，避免大規模突水對井巷施工及井下生產造成的威脅，則是魏家寨礦段深部地下開采的關鍵。

1.3礦區水文地質條件

礦區受歷史上地殼抬升以及近期地質構造的影響，致使巖溶發育形態和結構多樣化，巖溶管道流和裂隙流共存，形成了本區特有的巖溶地下水網絡系統。區域地下水通過巖溶洼地、落水洞、溶蝕裂隙等接受大氣降水和地表水的補給，受南北向構造(站街向斜和林歹倒轉單斜)控制，地下水流向基本由南向北，一般沿巖層走向徑流，徑流條件較好，由于區域隔水層的存在，在天然條件下各含水層地下水自成體系，地下水在運動過程中，前方遇到隔水層阻擋、地形急劇下降等有利于排泄的條件時，就以泉、地表泄流的形式出露地表，在巖溶強發育地帶常發育地下暗河，成為地下水排泄的主要方式。

圖1　貴州林歹鋁土礦區域水文地質圖Fig.1　Regional hydrological geological map of Lindai bauxite mine in Guizhou,China

根據礦區地下水賦存條件、水力特征以及含水層孔隙性質，其主要含水巖層有：碎屑巖類孔隙裂隙水(C1b)、碳酸鹽類巖溶裂隙水和溶洞水(P1m-P1q)；主要隔水巖層有：二疊系下統砂質頁巖、頁巖隔水巖組(P1l)和石炭系下統黏土巖、鋁土巖、鋁土礦隔水巖組(C1jj)，其沉積狀況及其組合關系見圖2。由于林歹倒轉單斜地質構造的作用，林歹礦區魏家寨礦段的地層發生倒轉，魏家寨礦段與區域范圍內的礦層頂底板互換，即本是礦層頂板的石炭系擺佐組(C1b)在魏家寨礦段范圍變成了礦層底板。

2隔水巖體隔水安全性能的研究

2.1梁山組隔水巖層特征

二疊系下統梁山組隔水巖層底部以淺黃色黏土頁巖為主，但亦常見黑色炭質頁巖；中下部為灰色厚層及中厚層狀石英砂巖及石英質砂巖，夾薄層黑色頁巖；上部為黑色炭質頁巖及砂質頁巖。該隔水巖層滲透系數為1.065×10-5～1.736×10-5cm/s，總厚度為16～40m。

通過對梁山組隔水巖層的結構特征分析可知[25]，該層厚度較穩定，巖性致密，尤其是石英砂巖膠結緊密、無孔隙或裂隙發育,地面無泉水出露。自然狀態下，石炭系下統擺佐組地下水位要高于二疊系下統棲霞-茅口組地下水位20m左右，但魏家寨礦段最低開采標高已達1 190m中段，礦體直接底板擺佐組裂隙溶洞含水層地下水位最大下降值已達123.15m，而底板強含水層棲霞-茅口組水位只下降了3.89m左右,以上證據說明梁山組隔水層具有良好的隔水性能。

圖2　貴州林歹鋁土礦區水文地質巖體組合柱狀圖Fig.2　Hydrological geology histogram of the Lindai bauxie mine area注：林歹礦區魏家寨礦段地層倒轉，該礦段的礦層(C1jj)頂底板互換

2.2梁山組隔水巖層穩定性評價

針對梁山組隔水巖層的巖體穩定性分別采用巖體質量系數法和巖石質量指標法進行評價。

(1) 巖體質量系數法[7]，按以下公式估算：

Z=RQD·f·S

(1)式中：Z為巖石質量系數；RQD為巖石完整系數；f為結構面摩擦系數； S為巖塊堅硬系數，S=RC/100，其中RC為巖塊飽和軸向抗壓強度(MPa)。

通過試驗測得梁山組隔水巖石飽和軸向抗壓強度為48.6MPa，巖石等級為Ⅲ～Ⅳ級，巖石完整系數為0.5；根據巖石結構類型，f確定為0.4。因此，利用公式(1)計算得到巖體質量系數為0.096。

(2) 巖石質量指標法，按以下近似公式粗略估算:

M=RC/300·RQD

(2)

式中：M為巖石質量指標；RC為巖塊飽和軸向抗壓強度(MPa)。

根據試驗和野外調查參數，計算得到M值為0.081。

根據《礦區水文地質工程地質勘探規范》，并在以上計算的基礎上，同時參照巖石單軸極限抗壓強度來評價梁山組隔水巖層的巖體質量優劣。梁山組中厚層石英砂巖、黑色頁巖層的巖體質量評價結果見表1。通過對梁山組隔水巖層的物理力學性質及巖體穩定性的評價，本層屬半堅硬巖石，巖體質量等級為中等較完整，且穩定性好。

表1　梁山組隔水巖層巖體質量評價結果

2.3擺佐組含水層巖性及特征

擺佐組巖層主要為灰白色厚層狀石灰巖，局部呈結晶白云巖，底部常有厚1～3m的含鋁質灰巖，厚度為48～75m，位于梁山組隔水巖層的上部，為礦層的直接底板。擺佐組灰巖容重為2.67g/cm3，孔隙度為1.16%，吸水率為0.45%，抗剪強度為14.7MPa，抗壓強度為56.5～116.4MPa，內摩擦角為80°45′～84°47′，巖石等級為II～IV級。該組灰巖由南而北厚度逐漸變薄，至修文小山壩厚僅數米，到扎佐即侵蝕尖滅，其上為巖溶侵蝕面，巖溶裂隙發育，儲水空間以溶蝕裂隙、溶洞、溶孔為主。本次共有10個鉆孔對擺佐組含水層進行了27次抽水降深試驗，其滲透系數在1.736×10-5～192.708×10-5cm/s之間，富水性不均一。

礦區匯水面積約5.04km2(南北長約4.2km，東西寬約1.2km)，其中擺佐組含水層出露面積約0.8km2，主要出露于山脊上，且該含水層的地下水可直接進入巷道。目前地下水位已降至1 208m標高，接近目前最低開采標高為1 190m，隨著礦體的開采，該含水層將逐步被疏干。據井下觀測，地下水均來源于巷道兩端進水。

在自然條件下，由于石炭系下統九架爐組的隔水作用，寒武系中統清虛洞-高臺組與石炭系下統擺佐組目前尚沒有水力聯系，前者地下水位比后者高20.53m；由于二疊系下統梁山組的隔水作用，石炭系下統擺佐組的地下水位比棲霞-茅口組水位高25.93m,說明在自然情況下，各含水層之間沒有水力聯系。

2.4棲霞-茅口組灰巖含水性及水壓

梁山組隔水層上部的擺佐組裂隙溶洞含水層隨著礦體的開采延伸將會被逐步疏干，下部的棲霞-茅口組溶洞裂隙含水層會對礦坑構成突水威脅。棲霞-茅口組灰巖含水層呈條帶狀分布于礦區東部斜坡地帶，鉆孔揭露最大厚度為150.69m，該含水層具代表性的水文地質參數詳見表2[16,19,21]。由表2可見，棲霞-茅口組灰巖含水層水壓較大，富水性中等，巖溶發育，一旦采礦錯動該巖層，易引起礦坑突水、突泥，地面易形成塌陷，從而釀成安全事故。

表2　棲霞-茅口組灰巖含水層水文地質參數

2.5礦區斷裂帶及其導水性

2.5.1礦區主要斷裂破碎帶

礦區內斷裂發育，按其力學性質可分為三類：壓性逆沖斷裂，如F24、F33；張扭性斷裂，如F27、F38;壓扭性斷裂，如F25、F29、F30、F31、F32、F34，見圖1。

2.5.2斷裂構造導水性

根據礦井水文地質調查，1 290m中段南翼巷道揭露F25、F27、F29、F31斷層，表現為裂隙溶洞發育、巖石破碎，開挖時有涌水、涌泥現象；1 240m中段巷道揭露F27、F29斷層，表現為裂隙較發育，見規模較小溶洞，F31、F32斷層未見明顯通過現象，總體上該中段斷層破碎帶不發育，涌水主要來源于巷道兩端；1 190m中段巷道未見斷層，僅在局部有滴水現象，涌水主要來源于巷道兩端及其穿脈。

礦井編錄資料表明，近地表巷道揭露斷層時，溶蝕嚴重，斷層均導水，隨著巷道延深，發現斷層發育深度不大，并未向下延深，溶蝕程度也隨著深度的不斷延深而減弱。因此，可以判斷斷層未在石炭系灰巖含水層與二疊系棲霞-茅口組含水層之間形成地下水通道。

2.6采礦對礦層底板巖體(擺佐組)的影響

采礦過程中，礦層底板巖體受上部礦層承壓力的影響，巖體應力再次或多次重新分布。底板巖體由超前壓力壓縮段過渡到其結構狀態的質變，處于壓縮的巖體應力急劇增壓，巖體的儲存能大于巖體的保留能，便以脆性破壞的形式釋放殘余彈性應變能以達到巖體能量的重新平衡，從而造成礦層底板巖體的破壞[25-26]。礦壓造成礦層底板巖體破壞深度的大小與回采工作面尺寸、采礦方法、礦層厚度及傾角、開采深度、頂板巖性、構造等因素有關，其中最主要的是工作面斜長。根據有關礦山對工作面的測試資料，礦壓對礦層底板巖體的破壞深度一般為6～14m。礦層底板巖體破壞深度與工作面斜長的關系經驗公式為[18]

h1=1.86+0.11L

(3)

式中：h1為礦層底板巖體破壞深度(m)；L為工作面斜長(m)，取50m。

據公式(3)計算得到的采礦礦壓下礦層底板巖體(擺佐組)的破壞深度為7.36m。

2.7礦體安全開采所需隔水層厚度的確定

2.7.1公式計算法

《礦區水文地質工程地質勘探規范》的附錄G中所列安全隔水層厚度的計算公式為

(4)

式中：t為安全隔水層厚度(m)；L為采礦工作面底板最大寬度(m,按房柱法開采確定為8m)；r為隔水層巖石的容重(t/m3)，取值為2.67t/m3；KP為隔水層巖石的抗拉強度(Pa)，取值為140×104Pa；HS為由隔水層底板起算的實際水頭壓力(Pa)，取最大值為273×104Pa。

根據公式(4)計算得到2.73MPa水壓下(開采到1 040m標高時梁山組所承受的水壓)所需隔水層厚度為7.87m。此外，在確定隔水巖層厚度時，還應綜合考慮采礦方法對底板隔水巖層的擾動破壞程度和采礦工作面尺寸大小等因素。經計算隔水巖層底板巖體破壞深度為7.36m，因此最大水壓下的隔水巖層底板巖體破壞深度為7.87+7.36=15.23m。2.7.2突水系數類比法

借鑒國內煤礦帶壓開采的實際資料，采用突水系數類比法(即每米隔水層所能承受的靜水壓力)來確定安全的隔水層厚度。根據與本礦類似的煤礦資料，對底板構造破壞的地段突水系數取值為0.04～0.05MPa/m，而正常地段突水系數取值為0.1MPa/m(《礦山水文地質工程地質勘探規范》中規定正常塊段不大于0.15MPa/m)，采用突水系數類比法計算得到的安全隔水層厚度見表3。

表3　安全隔水層厚度計算結果

本文采用公式計算法和突水系數類比法計算結果的算術平均值作為安全隔水層厚度，其值為21.26m。

2.8梁山組隔水巖層隔水安全性能的綜合評價

梁山組隔水巖層為礦層的間接底板，厚度為16～23m，其上為擺佐組灰巖，厚度為48～75m，兩層相疊加組合成的復合式隔水巖體總厚度為64～98m，其在礦區內廣泛分布，屬中等較完整巖石，其穩定性較好。經計算，確定梁山組和擺佐組組合成的復合式隔水圍巖的安全隔水層厚度為21.26m。而實際隔水巖層厚度大于所需安全隔水層厚度的3～4.6倍。當開采要達到1 040m中段時，其崩落界限距離梁山組頂板約60m。所以，梁山組和擺佐組組合成的復合式隔水圍巖具有良好的隔水效果。

3結論

以貴州省林歹鋁土礦為例，根據礦區巖層組合，引入擺佐組和梁山組復合式隔水圍巖概念，針對巖石的含水特征，如層間斷層、裂隙密度、巖溶發育規律和巖石限制水流的能力(巖層滲流系數)，以及巷道或采空區形成的狀況下隔水巖層抗破壞的能力，分別研究了巖體結構-阻水能力之間的關系以及巖體強度-抗破壞能力之間的關系，并得到以下結論：

(1) 在承受2.73MPa靜水壓力下，梁山組和擺佐組組合成的復合式隔水圍巖的安全隔水厚度為21.26m，實際隔水巖層厚度要大于所需安全隔水層厚度的3～4.6倍。

(2) 隨著巷道延深，斷層未向下延深，溶蝕程度減弱，斷層未在擺佐組、梁山組和棲霞-茅口組之間形成地下水通道。

(3) 梁山組隔水巖層屬半堅硬巖石，較完整，且穩定性好。

綜上所述，礦區魏家寨礦段開采至1 040m中段時礦層間接底板梁山組隔水巖層仍具有隔水作用，在開拓系統及排水系統正常運轉的情況下，礦坑涌水不會對礦區深部礦段開采造成威脅。整體上，貴州省林歹礦區魏家寨礦段的擺佐組和梁山組復合式隔水圍巖穩定性好，未發生斷裂破壞，具有良好的隔水安全性能；同時深部延伸開采過程中，地表水體也不會通過斷裂、冒落帶等灌入礦坑，發生突水事故。因此，該礦段的深部延伸開采在礦山防治水方面是可行的。

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文章編號：1671-1556(2016)03-0107-06

收稿日期：2015-03-24修回日期：2016-03-30

基金項目：國家自然科學基金項目(41072180)

作者簡介：彭三曦(1984—)男，博士研究生，主要研究方向為礦山水文地質與安全評價。E-mail:405970794@qq.com

中圖分類號：X936;TD741;P641

文獻標識碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.018

通訊作者：李義連(1965—)，男，教授，博士生導師，主要從事土壤及地下水污染控制與修復、溫室氣體的地質解決方法等方面的研究。E-mail:yl.li@cug.edu.cn

Study on Waterproof Safety Performance of Combined SurroundingRockinLindaiBauxiteMineofGuizhouProvinceinChina

PENGSanxi1,LIYilian1,ZHAOZijuan1,ZHONGZhaohong2,ZHAOPeng2

(1.School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.Changsha Engineering & Research Institute Ltd.of Nonferrous Metallurgy,Changsha 410000,China)

Abstract:Safety performance analysis and evaluation of aquiclude are the basises of deep mining design,which play important roles in mine exploiting system selection and safety production.This paper takes Lindai bauxite mine in Guizhou as a case study.To solve mine water inrush of Weijiazhai ore block during underground mining,the paper investigates the waterproof properties of combined water-resisting surrounding rock consisting of the lower Permian Liangshan group water-resisting layer and the Carboniferous Baizuo group aquitard,and evaluates its waterproof effectiveness in deep mining of Lindai bauxite.The results show that the combined water-resisting surrounding rock has a good waterproof performance,can effectively prevent confined water of the lower Qixia—Maokou group limestone aquifer flowing into mine pits during deep mining,and avoid mine water inrush accidents.This study makes 161×104 t of deep bauxite resources available,and will provide beneficial reference for the construction and production of similar mines.

Key words:bauxite mine;combined water-resisting surrounding rock;waterproof safety performance evaluation;safety thickness