安慶銅礦東馬鞍山礦體整體防治水工程設計與應用分析

朱興明，戈革，羅姜，葉強，魏晨曦，韓天恩

(1.銅陵有色金屬集團銅冠礦山建設股份有限公司，安徽 銅陵市 244001；2.銅陵有色金屬集團股份公司安慶銅礦，安徽 懷寧市 246131；3.銅陵有色金屬集團礦產資源中心，安徽 銅陵市 244001)

安慶銅礦為一水文地質條件復雜的大型巖溶金屬礦山。礦山在基建和開采期間，坑內開拓工程在揭露灰巖時均有大量涌水出現，造成地面塌陷、地表水倒灌等諸多地質和環境問題[1]。礦區先后開展多次礦床水文地質和防治水綜合治理研究[2-5]，并取得了較好的成效。經過20多年的開采活動，主礦體1#礦體及次礦體2#礦體消耗殆盡。為實現礦山生產接替，力求礦山穩產，設立東馬鞍山新開拓區域。為確保東馬鞍山礦體安全、經濟、高效回采，須對地下水進行有效預防治理，最大程度地削弱地下水對礦體開采的影響。

1 東馬鞍山礦區地質條件

1.1 礦體地質特征

東馬鞍山礦體為新開拓區域，位于安慶銅礦以東，東馬鞍山北部一帶。礦體受三疊系下中統南陵湖組，月山組大理巖與閃長巖之間形成的矽卡巖接觸帶控制，沿東馬鞍山倒轉背斜的倒轉翼（即北翼和北西翼），呈陡傾斜產出，為一隱伏的接觸交代矽卡巖型銅鐵礦床[6]。礦體形態復雜，嚴格受接觸帶控制，總體上西高東低，呈階梯狀側伏，主要由E1、E2礦體組成，賦存標高-275～-969 m，如圖1所示。礦體設計開采范圍為-580 m以下8線以東至40線，最低開采水平為-900 m。

圖1 東馬鞍山礦體形態變化

1.2 礦區水文地質特征

東馬鞍山礦區地下水分布規律與巖溶裂隙發育程度息息相關，整體上具有自西向東，由弱漸強的趨勢。根據礦區各水平中段探水鉆孔揭露情況，按礦體頂板含水層涌水量大小可劃分為3個區。

（1）強富水區（鉆孔單點涌水量大于 100 m3/h）：位于28線以東，出水點數占總揭露涌水點的83%，涌水量占累計涌水量的96%，單孔最大涌水量達到330 m3/h。特別是-700 m中段28線至32線，地面鉆孔見溶隙率達到100%，坑下探礦孔均有不同程度涌水揭露，且多集中于礦體頂板大理巖中，對礦體開采構成較大威脅。

（2）次富水區（鉆孔單點涌水量 20～100 m3/h）：主要集中在20～28線之間，各鉆孔揭露涌水分布不均，礦體頂板局部單點涌水量達到75 m3/h，其余均小于30 m3/h。對礦體開采具有一定威脅。

（3） 弱富水區（鉆孔單點涌水量小于20 m3/h）：位于東馬鞍山礦體8～20線之間的礦體頂板，鉆孔見溶隙率一般小于50%，僅有局部地段裂隙發育、巖芯破碎，且含水弱。

東馬鞍山礦區-800 m以上具有自西向東、由淺到深水量遞增的特點。據鉆孔揭露巖溶裂隙及涌水情況來看，-400 m、-580～-700 m溶隙相對較發育，其中-400 m正好處于東西向倒轉背斜北翼（下盤）轉折部位的張裂帶內，-580～-700 m位于倒轉背斜的近核部軸面處。-580 m、-700 m中段20線以東鉆孔揭露涌水點居多且涌水量大，特別是-680～-760 m中段28線～32線鉆孔揭露涌水量均大于30 m3/h，對后期礦床開采影響較大。

1.3 礦區充水通道及因素

從礦區長期觀測資料分析來看，礦坑東南部存在明顯的進水通道，淺部開采主要受南面來水影響，充水通道主要為饋入型通道（寬大裂隙或巖溶導水為主）。東馬鞍山礦床開采時，進水方向由南面轉為東南面，充水通道主要為構造裂隙。

東馬鞍山礦體頂板大部分為南陵湖組大理巖，其次為月山組大理巖，深部巖層節理、裂隙發育，開采時礦體頂板巨厚層大理巖富水層及圍巖裂隙水為礦坑主要充水因素。另一方面，在礦床開采過程中，井下長期的疏干排水導致礦區水文地質條件發生了一定的改變，通過構造裂隙帶導通與地表水體的水力聯系，存在對礦床充水的可能。

1.4 礦坑涌水量分析

東馬鞍山礦床探礦和基建開拓期間，積累了大量的水文地質基礎資料，也進行了相應的注漿堵水工程施工，礦坑總排水量基本保持在6000～14 000 m3/d[6-7]。由于該區裂隙巖溶地下水在垂向和水平方向上有較好的徑流通道，注漿堵水一定程度上改變了施工區域的微觀水文地質條件，涌水點向深部和東部轉移。

綜合安慶銅礦水文地質條件及水文觀測歷史資料分析，運用比擬法和大井法預測礦坑涌水量。結果顯示，在疏干情況下，地下水位降至東馬鞍山礦體底板-900 m以下時，最大涌水量為 47 305 m3/d。礦區一直采用以注漿堵水為主的防治水措施，地下水漏斗范圍并未大幅擴大，地下水位也較為穩定，坑內涌水量也將在10 000～14 000 m3/d范圍內波動，或小幅度增加。

2 防治水總體方案設計

綜合考慮礦床水文地質條件、費用成本、安全風險等因素，根據東馬鞍山礦體含水介質不均一性特點，確定整體防治水方案為：對含水性弱區段的礦體，采用疏干或布置少量鉆孔探水注漿；對富水性強、影響采礦安全區段的礦體，采用局部礦體旁側帷幕注漿堵水。

根據安慶銅礦生產現狀，充分考慮工程投資、礦山采掘計劃，對防治水工程按照先易后難分三期實施。一期實施8～28線弱富水區探水及加密注漿工程；二期實施 28～32線強富水區深部探水及局部礦體旁側帷幕注漿工程；三期實施 32線以東探礦探水工程后確定后續注漿工程。本工程自上而下分別涉及-580 m、-640 m、-700 m、-760 m和-820 m 5個中段，各中段具體施工按照“自西向東，局部微調，先勘探線，后加密線”的原則，沿著設計布置鉆孔的勘探線逐線施工，每條勘探線及加密線上的鉆孔施工按照設計分序進行施工。本工程設計工程量見表1。

表1 設計工程量

3 施工工藝設計及要求

本工程主要是通過鉆機成孔后采用高壓注漿的方式，利用注漿材料充填固結，阻斷基巖裂隙和巖溶通道，形成有效的隔水帷幕。從而減少東馬鞍山礦坑排水費用，滿足后期采礦施工要求，提高采礦效益，保護地下水資源及礦山地質環境。施工主要包括鉆孔和注漿兩方面。

3.1 鉆孔參數設計及要求

設計鉆孔采用 2～3級變徑，具體根據設計孔深、揭露涌水量情況進行適當調整。開孔口徑為110 mm，預埋108 mm孔口管，孔口管長度根據各中段靜水壓力確定為4～5 m。采用水泥水玻璃雙液注漿進行固管養護后，掃孔進行耐壓抗滲試驗，檢查孔口周邊無漏水，證明孔口管埋設成功。孔口端安裝高壓防噴裝置，在閥腔內進行正常鉆進，終孔孔徑不得大于75 mm。鉆進時應以清水為主，對于沖洗液漏失嚴重的鉆孔，采用稀泥漿進行護壁處理后鉆進。如鉆進過程中遇到突水或卡鉆則停鉆注漿，采用孔口封閉純壓注漿法封孔，起到封堵涌水裂隙、加固破碎帶的作用，隨后掃孔繼續鉆進注漿至設計終孔 位置。

3.2 注漿參數設計及要求

3.2.1 注漿材料及配比

注漿材料：普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）、水玻璃（模數2.8～3.4，濃度為35～45波美度）、工業用水。

單液水泥漿水灰比為2:1，1.5:1，1:1，0.8:1四種，根據現場鉆孔涌水量及壓水試驗吸水量確定漿液的類型和起始濃度，注漿過程中采用先稀后濃逐級調節的方式進行。對于深部礦床局部細小裂隙，使用超細水泥；當存在較大涌水通道吸漿量過大時，采用水泥-水玻璃漿液控制漿液擴散。

3.2.2 注漿參數設計

（1）注漿分段長度：一般情況注漿分段長度為 5～10 m；當鉆孔揭露單點涌水量達到 10 m3/h時，停鉆注漿，不受注漿長度的限制。

（2）注漿壓力：注漿壓力取2～3倍的靜水壓力。礦體頂板30 m以內含水層為重點注漿段，應適當提高注漿壓力，具體要求見表2。

表2 不同注漿段設計注漿終壓

3.2.3 注漿養護時間與掃孔

一個注漿段注漿結束后，需復注或繼續鉆進。為確保掃孔過程中鉆孔不發生明顯偏斜、降低掃孔難度，漿液養護時間不宜過長，同時為了確保漿液固結效果，養護時間亦不可太短。為達到注漿堵水的目的，當采用高壓（孔口表壓≥8 MPa）單液水泥漿灌注時，注漿結束4～8 h后開始掃孔；當采用低壓（孔口表壓＜8 MPa）單液水泥漿灌注時，注漿結束后8 h開始掃孔；當采用水泥-水玻璃漿液注漿時，注漿結束后1～2 h開始掃孔。

3.2.4 注漿結束標準

注漿過程符合設計要求且達到以下條件可以終止注漿：當注漿壓力均勻持續上升達到設計終壓；單液注漿量小于20 L/min、雙液小于60 L/min，且注漿終壓穩定15～30 min。

4 注漿施工情況

鉆孔涌水情況、注漿量及吸漿率情況見表3和圖2。從表3可以看出，東馬鞍山礦體主要富水部位為-580 m和-700 m中段，其他段為弱富水區，富水強度排序依次為-700 m、-580 m、-760 m、-640 m和-820 m中段。且多為向上角度鉆孔揭露涌水，向下角度鉆孔多表現為漏水，特別是-760 m中段和-820 m中段鉆孔揭露涌水量不大，但-760 m中段和-820 m中段部分鉆孔吸漿率較大，表現為鉆孔循環液漏失嚴重。-820 m中段及以下的裂隙和含水構造相對其他中段發育較弱，鉆孔揭露涌水后鉆孔的吸漿量較小。

表3 各中段鉆孔涌水及注漿情況統計

圖2 各勘探線鉆孔吸漿率曲線

從水平方向來看（見圖 3），24～32線鉆孔均出現不同程度的涌水，涌水量大小不一，30A線鉆孔揭露涌水最頻繁。其中-580 m中段揭露涌水主要集中在 24～26線，且各勘探線鉆孔吸漿率與涌水情況大體一致；-640 m中段揭露涌水主要為 26A線，且該勘探線鉆孔吸漿率亦最大；-700 m中段16～26線鉆孔除24A揭露超過10 m3/h外，其余鉆孔揭露涌水量均小于5 m3/h，26A～32線鉆孔揭露涌水大小不一，整體上表現為多數向上鉆孔揭露涌水、向下鉆孔沖洗液漏失，30A揭露最大涌水為150 m3/h，該中段各勘探線鉆孔吸漿率與揭露涌水情況大體一致；-760 m中段揭露涌水主要表現為26A、28～30A和 32線，且多數鉆孔涌水量不超過 10 m3/h，從圖2吸漿率曲線來看-760 m中段整體可注性較好；-820 m中段施工鉆孔只在30線揭露一處超過10 m3/h涌水，各勘探線鉆孔可注性相對較好，部分鉆孔表現為沖洗液全漏失。

圖3 各勘探線鉆孔涌水統計

通過對探水注漿鉆孔實際揭露情況分析，-580 m中段24～26線和-700 m中段28A～32線為主要富水區，為了實現東馬鞍山礦體旁側的整體帷幕效果，分別在-580 m中段24～26線、-640 m中段26A線和-700 m中段28A～32線設計加密注漿鉆孔。

5 注漿效果檢驗

為檢驗注漿效果，后期對鉆孔揭露主要富水區域設計施工檢查孔。從檢查孔實際揭露來看，-580 m中段檢查孔無明顯涌水出現，注漿效果較顯著；-700 m中段28～32線檢查孔除一處揭露30 m3/h涌水，其余鉆孔均無明顯涌水出現。從檢查孔巖芯揭露來看（見圖4），漿液在導水裂隙和溶孔中充填完好，結石體痕跡明顯，特別是-700 m中段，漿液充填固結效果較為理想。

圖4 巖芯結石體

東馬鞍山礦體設計最低開采水平為-900 m中段，其中-580 m和-900 m中段為排水中段，-580 m中段承擔-400～-580 m中段之間的井下坑道排水，-900 m中段承擔-580 m中段以下的礦坑排水。注漿前后兩中段礦坑涌水量變化曲線見圖 5。從圖 5可以看出：防治水工程施工前兩中段礦坑總涌水量相近，注漿施工后兩中段總涌水量明顯降低，特別是-580 m中段最大降幅達到51%，-900 m中段總涌水量降幅達到33%，注漿效果顯著且注漿后-580 m中段降幅明顯大于-900 m中段。總體上來看，注漿施工極大地減輕了深部的排水壓力，達到了預期的效果。

圖5 礦坑涌水量統計

6 結語

自 2017年整體防治水工程實施以來，安慶銅礦東馬鞍山礦體地下水得到有效防治，特別是礦體頂板帷幕形成后，開采期間的礦坑涌水量較注漿堵水前明顯降低，很大程度上解決了深埋礦體開采的排水難、排水費用高等問題，有效控制住了礦區地質環境破壞等問題，實現東馬鞍山礦體安全回采。

考慮到礦體開采逐漸向深部轉移的影響，隨著深部巷道和采場的不斷開拓和延伸，將會導致圍巖和地下水的動態壓力平衡被打破，揭露涌水的幾率相對增大。但后期深部巷道施工過程中仍然存在局部出現涌水的可能性，若出現局部涌水，應采取局部注漿堵水措施，最大程度地降低礦坑涌水量，減輕-900 m中段的排水壓力，降低生產成本。