大型富水礦山水文動態觀測及井下涌水位置預測

高 超

（河鋼集團礦業有限公司）

司家營南區礦山分公司隸屬于河鋼集團礦業有限公司，有田興鐵礦和大賈莊鐵礦2 座基建礦山，田興鐵礦基建期在豎井開拓時常遇突發涌水［1-3］，進入平巷施工后多遇斷層破碎帶［4-5］，礦區的富水環境為后續基建施工及礦體采切帶來了巨大挑戰。司家營南區水文地質補勘報告顯示，基巖地下水水位在基建過程中呈現下降的趨勢，隔水層間的天窗溝通第四系各含水層，多個斷層復合帶處形成了降落漏斗，長期的基建開拓致使司家營南區的水文地質環境比勘測的水文地質報告更加復雜。現階段，預測巷道涌水位置是司家營南區平巷施工的重點項目。

1 司家營南區礦區概況

1.1 工程地質

司家營南區的田興鐵礦和大賈莊鐵礦各豎井地理位置比較分散，橫跨田疃村、李興莊村、小王莊子等村莊，灤河、新灤河等部分河流都穿越礦區。田興鐵礦主、副井區受灤河影響，豎井施工時基巖段透水現象嚴重，多次因涌水過大造成工程延期或中斷。司家營南區礦體穿越多個斷層，礦體及圍巖裂隙發育，透水性、富水性較強，礦區斷裂構造發育。南北向褶皺構造為緊密同斜褶皺，東西向褶皺構造為舒緩褶皺，斷層構造則以F9～F13斷層和新河斷層的壓扭性斷裂構造為主。

1.2 水文地質

根據其賦存條件、水動力特征、滲透性等因素，將司家營南區區域含水層劃分為第四系松散巖孔隙水含水層、基巖風化裂隙水含水層和基巖構造裂隙水含水層3種類型［6］。

第四系松散巖孔隙水含水層在地表廣泛分布，且頂部滲透性強，底部滲透性弱。上部主要由礫石、卵石組成，透水性強，出水量大，與灤河關系密切；下部由粗中砂和各類砂土組成，滲透性和出水量適中；中部有一層連續性良好的粉砂黏土層，為極弱透水層，削弱了第四系上含水層與下含水層的水力聯系，但第四系含水層仍構成統一含水體（圖1）。

基巖風化裂隙含水層位于第四系底部，連續性好，含水層厚度比較均勻。該含水層透水性強弱不一、分布不均，富水性空間分布凌亂，為弱透水層；部分弱風化帶結構遭到不同程度破壞，使得透水性、富水性增強。弱風化帶是風化裂隙水的主要賦存部位。

基巖構造裂隙含水層主要賦存于斷層及其影響帶內，由F9～F13斷層相互作用形成的復合影響帶構成，因F9～F13斷層在垂向上有合攏的趨勢，多條斷層組成的復合影響帶在基巖深部寬度變窄，屬中等富水性含水層。

上述各含水層之間存在水力通道，含水層之間相互聯系，組合成統一的地下含水系統。礦體上覆風化帶分布面積大，透水性不強，連續性較好，很大程度減弱了第四系水與礦床之間的水力聯系，風化帶成為控制第四系水進入礦床的關鍵層位。風化帶之上的第四系含水層分布范圍大、厚度大、透水性和富水性強，且與灤河水力聯系密切，為礦坑水的最終來源。

2 多孔抽水試驗

司家營南區水文地質勘查完成了CK01、CK02、CK03、CK04 共4 個大孔的多孔抽水試驗［7］，各抽水大孔均布置在斷層及其影響范圍內。每個抽水主孔附帶10～16個觀測孔，共設監測孔63個。

2.1 CK01多孔抽水試驗

CK01 抽水孔布置在田興鐵礦S30 線南礦段上盤新河斷裂影響帶上，周圍共布設20個觀測孔，抽水試驗持續了72 h。3#主井出水量為175.36 m3/h，靜水位降低45.97 m，主井旁管外孔NK05 靜水位降低4.79 m，主井旁第四系底部觀測孔QCK07 靜水位降低0.18 m，東部觀測孔CGK01 靜水位降低1.72 m，南部觀測孔NK09 靜水位降低3.30 m，北部觀測孔NK04靜水位降低1.16 m，西部觀測孔NK08 靜水位降低1.18 m。

2.2 CK02多孔抽水試驗

CK02 抽水孔布置在田興鐵礦大賈莊礦段F9～F13斷層帶上，周圍共布設13個觀測孔，抽水試驗持續了72 h。2#主井出水量為27.63 m3/h，靜水位降低23.62 m，主井旁管外孔GK02 靜水位降低4.89 m，主井旁第四系底部觀測孔QCK02 靜水位降低0.22 m，東北部觀測孔NK03靜水位降低2.02 m，東南部觀測孔NK05靜水位降低0.27 m。

2.3 CK03多孔抽水試驗

CK03 抽水孔布置在大賈莊鐵礦S54 線南礦段上盤，周圍共布設14 個觀測孔，抽水試驗持續了72 h。1#主井出水量為229.30 m3/h，靜水位降低12.17 m，主井旁管外孔GK03 靜水位降低7.87 m，東南部觀測孔NK12靜水位降低0.48 m，西南部基巖觀測孔GK04靜水位降低2.06 m，第四系底部觀測孔QCK04 靜水位降低0.22 m，北部觀測孔CGK03靜水位降低0.48 m。

2.4 CK04多孔抽水試驗

大賈莊鐵礦大46 線與大42 線大賈莊礦段下盤布置CK04 抽水孔，周圍共布設16 個觀測孔，抽水試驗持續了96 h。1#主井出水量93.80 m3/h，靜水位降低71.03 m，主井旁管外孔GK04 靜水位降低3.04 m，第四系底部觀測孔QCK04 靜水位降低0.22 m，北部觀測孔CGK04 靜水位降低2.68 m，西北部觀測孔NK18靜水位降低2.03 m。

2.5 多孔抽水試驗分析

在整個抽水試驗動態觀測期間內，地下水位均有不同程度的下降，停泵60 h 后每一個觀測孔的水位均有回升，這表明多孔抽水試驗有廣泛的影響力，基巖地下水位的壓力傳播很遠，基巖斷層斷裂帶附近的水頭下降更多，構造不發育地段基巖水頭下降少。說明礦區各斷層及構造破碎帶相互聯通，構成脈絡狀的地下導水通道。巷道一旦揭露這些地方，瞬間突水量均較大，極易淹井。

3 司家營南區放水試驗動態觀測

在進行抽水試驗動態觀測期間，田興鐵礦大賈莊回風井-375 m 水平聯絡道76.0 m 處掌子面發生突水，瞬間突水量達1 000 m3/h 以上，涌水迅速灌滿整個聯絡道，一天內漲至豎井靜水位。由于本次巷道排水量大，持續時間長，影響范圍大。利用現有觀測系統對大賈莊回風井-375 m 水平巷道進行了放水試驗觀測，歷時近一個月。

巷道最初排水量為18 000～23 760 m3/d，主要以消耗巷道內積水為主，豎井水位急劇下降。4 h后，南礦段西部觀測孔水位開始下降，東側觀測孔水位基本未變，排水2 d 后，豎井水位降至-375 m 水平底板，維持巷道正常排水量9 240 m3/d，所有觀測孔水位均有不同程度下降，其中北部最遠觀測孔NK14 水位降深2.46 m，日降幅維持在1.80 m 左右，東北方向最遠觀測孔GK02下降2.59 m，日降幅維持在1.07 m左右，東部最遠觀測孔水位下降0.21 m，所有觀測孔水位仍保持下降的趨勢。

在經過豎井強排水及恢復平巷排水系統后，涌水量逐漸減小并趨于穩定，現階段實測涌水量為185 m3/h。該涌水位置發現一條近南北向的老斷層F15，該斷層后期被巖漿巖侵入充填，形成南北展布、斷續分布的輝綠巖脈，輝綠巖脈本身堅硬完整，但巖脈兩側存在一定寬度的斷層影響帶，斷層早期活動過程中，離斷層較遠的巖體亦受到一定程度的擠壓或拉張破壞，在斷層帶兩側形成一系列規模較小、斷續分布的構造裂隙帶，輝綠巖侵入充填時，這些構造裂隙充填程度較低，成為基巖裂隙水的主要賦存場所，亦是巷道突水的主要充水通道。

4 司家營南區采區巷道涌水位置預測

在開采條件下，第四系水為礦坑充水主要水源，構造裂隙帶為礦坑充水主要通道，構造裂隙帶之上的第四系底部黏性土與強風化帶弱透水層很大程度減弱了第四系水與基巖裂隙水間的水力聯系，是控制第四系進入礦坑的關健層位。礦坑排水首先消耗基巖地下水靜儲量，隨著采礦的進行，基巖地下水降落漏斗不斷擴展，第四系與基巖間的水頭差不斷增加，第四系越流補給總量增加，待礦坑排水量等于漏斗范圍內的第四系越流量和弱風化裂隙含水層側向補給量時，即為礦坑正常涌水量。

4.1 采區巷道涌水位置統計

在礦區水文地質及抽水試驗觀測數據的基礎上，結合施工中統計的多中段巷道涌水位置，采取回歸分析的方法對采區同一斷層不同巷道涌水點進行預測。以田興鐵礦大賈莊副井3 個中段的探水注漿參數資料為基礎，根據施工中不同巷道中段遇到的斷層破碎帶，統計分析該斷層延伸走向，利用回歸分析法預測-475 m 中段巷道沿脈巷涌水點位置。表1為田興鐵礦大賈莊副井遇到同一斷層時不同中段的涌水位置統計。

4.2 采區巷道涌水位置預測

線性回歸分析就是測量變量之間的關系，通過實驗數據繪制其相關關系散點圖，擬合出變量之間的線性回歸方程。其方程的表達形式主要為一元線性回歸方程和對數線性回歸方程。

線性回歸方程擬合優度R2＞0.95時，說明所得到的回歸方程擬合度較好；當R2＜0.85 時，說明回歸方程不能表示變量之間的相關性［8-9］。

4.2.1 一元線性回歸方程

根據表1中的統計數據，繪制散點圖確定一元線性回歸方程，計算回歸方程的相關系數（圖2）。

其一元線性回歸方程為

回歸方程的相關系數R2=0.965 9。將-475 m 水平中段帶入公式（1）中，計算得涌水點為沿脈巷218.5 m處。

4.2.2 對數線性回歸方程

根據表1中的統計數據，繪制散點圖確定對數線性回歸方程，計算回歸方程的相關系數（圖3）。

其對數線性回歸方程為

回歸方程的相關系數R2=0.987 5。將-475 m 水平中段帶入公式（2）中，計算得涌水點為沿脈巷219.4 m處。

4.3 線性回歸分析方程的應用

根據回歸分析方程預測-475 m 中段沿脈巷涌水位置分別為沿脈巷218.5 m 處和219.4 m 處。為驗證回歸分析方程的準確性，在巷道施工至215 m 處左右預留注漿巖帽，進行巷道探水工作，探水至巖脈巷225 m 處發現破碎帶涌水位置。回歸分析方程預測巷道涌水位置與實際揭露的破碎帶位置誤差分別為6.5 m 和5.6 m。考慮到實際探水注漿時均會預留注漿巖帽，其誤差范圍在注漿巖帽厚度范圍內，說明此次涌水位置預測是比較成功的，運用回歸分析法進行巷道涌水位置預測是可行且準確的。

對數線性回歸方程的相關系數大于一元線性回歸方程式，說明利用對數線性回歸方程預測的涌水點位置比利用一元線性回歸方程預測的涌水點位置更為準確些。現場實際揭露的破碎帶位置也證實了這一點。

5 結論

（1）研究了司家營南區的水文地質與工程地質，多維度的多孔抽水試驗動態觀測和巷道放水試驗動態觀測數據顯示，司家營南區地下水相互導通，第四系水為礦坑充水主要水源，構造裂隙帶為礦坑充水主要通道。

（2）依據各巷道涌水位置統計數據得出的線性回歸方程相關系數較高，方程擬合度較好，根據回歸方程預測的涌水位置與實際揭露的破碎帶位置誤差較小，其預測方程的準確性得到了證實。

（3）以礦區水文地質條件為基礎建立“涌水位置統計數據+涌水位置預測方程”的礦山巷道涌水位置預測體系尚屬首例，具有深入研究的必要。