礦山豎井水文地質勘察的實例分析研究

劉 雨

（湖南省國土空間調查監測所，湖南 長沙 410129）

1 工程概況

某公司礦區現地下礦產開采最低標高為1031米中段，目前已探明1031米中段以下尚有儲量豐富的礦藏，以開發深部礦藏為目的的深部資源持續接替工程系該公司戰略發展規劃的重點，該深部資源接替工程配套建設的礦山豎井又是該工程的重中之重。

擬建某豎井工程擬采用盲豎井，井口設于現1031m水平巷道內，設計井筒深度971m（井底標高60m），凈直徑5.5m，提升機硐室標高1097m～1031m。該豎井將作為采礦人員﹑設備﹑材料及礦石等運輸的主要通道[1]。

擬建盲豎井鉆孔孔口標高約1034.76m。設計孔底標高55.0m，設計預定鉆深980m。實際完成鉆探工作量733.1m，對應標高1034.76m～301.66m。

2 豎井場地地層巖性

根據本次勘察結果,結合業主提供的礦區地質資料，擬建豎井標高1097m至鉆孔深度所揭露地層的巖性特征按揭露順序自上而下描述如下：

（1）上泥盆統宰格組（D3zg）：白云巖﹑硅質白云巖﹑微-粉晶白云巖，泥晶灰巖。在區內可分為上﹑中﹑下三段，本次勘探鉆孔揭露視厚度456.9m，真厚度約287.54m。

宰格組第3段（D3zg3）①：細-微晶結構，厚層狀白云巖為主，巖芯多呈短柱狀﹑大塊狀﹑塊狀，少量柱狀﹑碎塊狀。該層分布標高為1097m～1013.76m，其中標高1097m～1034.76m,系根據業主提供的礦區地層資料結合下部鉆探資料綜合描述；標高1034.76m～1013.76m段,孔深0.0～21.0m，為本次鉆孔揭露,揭露視厚度為21.0m，真厚度約13.22m。

宰格組第2段（D3zg2）②：細-微晶結構，厚層狀白云巖為主，巖芯多呈碎塊狀﹑大塊狀，少量短柱狀﹑柱狀。在孔深21.0m～155.1m揭露，揭露視厚度134.1m，真厚度約84.39m。

宰格組第1段（D3zg1）③：巖性主要以白云巖為主，巖芯呈碎塊狀，大塊狀﹑短柱狀。在孔深155.1m～456.9m揭露，揭露視厚度301.8m，真厚度約189.93m。

（2）中泥盆統海口組（D2h）④：灰黑色﹑黑色粉砂巖為主，巖芯多呈餅狀﹑短柱狀﹑長柱狀﹑碎塊狀。在鉆孔456.9m～479.3m揭露，揭露視厚度22.4m，真厚度約14.10m。

（3）下寒武統筇竹寺組（∈1q）⑤：灰黑色﹑黑色炭質頁巖為主，巖芯多呈短柱狀﹑柱狀﹑碎塊狀。位于孔深479.3m～495.2m，揭露視厚度15.9m，真厚度約10.01m。

（4）上震旦統燈影組（Zz2dn）⑥：灰色﹑淺灰色﹑硅質﹑細-微晶結構﹑厚層狀白云巖為主，巖芯呈碎塊狀﹑角礫狀，少量大塊狀﹑短柱狀。在孔深495.2m～692.9m揭露，揭露視厚度197.7m，真厚度約124.42m。

（5）上震旦統陡山沱組（Zz2d）⑦：灰黑色﹑細-微晶結構﹑厚層狀白云巖，巖芯多呈短柱狀﹑大塊狀﹑碎塊狀。在鉆孔692.9m到終孔深度733.1m，均為該組地層，揭露視厚度40.2m，真厚度約25.30m。

3 豎井場地水文地質條件

3.1 地表水

擬建豎井場地地表水C江為區內主要河流，縱貫全區，為當地最大和切割最深的地表水體。C江河床標高約1554.9m，礦區目前開拓的最低坑道為1031m中段。根據本次勘察，擬建豎井提升機硐室部分（標高1097m～1031m段）及勘探鉆孔0.00～96.40m深度范圍地下水基本被疏干，C江水可能沿構造裂隙補給該段地下水，但補給量小，補給有限，易于疏干。

3.2 地下水

擬建場地位于山體深部，地下水類型主要表現為構造裂隙水，賦存于各層內的構造裂隙及破碎帶中。

根據區域水文資料及鉆探結果，各含水層的賦水特征如下：

（1）泥盆系宰格組（D3zg）巖溶裂隙含水層：層內斷層構造裂隙及破碎帶發育，裂隙連通性一般～好，未見大的巖溶現象，涌水量相對較小，為中等富水性含水層。

（2）中泥盆統海口組﹑下寒武統筇竹寺組（D2h+∈1q）砂巖﹑頁巖隔水層：含少量裂隙水，徑流模量0.52～1.47 l/s.km2，隔水性能良好。

（3）震旦系（Zz2dn+Zz2d）巖溶裂隙含水層：鉆探時未見大的巖溶現象，但層內斷層構造裂隙及破碎帶發育，裂隙連通性一般～好，為強富水性含水層[2-4]。

3.3 地層滲透性

為了解場地內基巖的節理裂隙的滲透性能，本次勘察在泥盆系宰格組巖溶裂隙含水層（D3zg3）及震旦系巖溶裂隙含水層（Zz2dn+Zz2d）中進行了單孔放水試驗。根據試驗結果，泥盆系宰格組巖溶裂隙含水層（D3zg3）的滲透系數為0.025m/d；震旦系巖溶裂隙含水層（Zz2dn+Zz2d）的滲透系數為0.0252m/d。

4 地下水涌水量預測

計算公式如下：

方法一（大井法）：

（1）各含水層（分段）預算井筒涌水量采用承壓過濾器進水公式，計算公式如下：

式中：Q—井筒涌水量，m3/d；

K—含水層滲透系數，m/d；

S—水位降低值，m；

M—含水層厚度，m；

R—影響半徑，m；

R0—引用半徑，m；

r—井筒半徑，取井筒半徑2.75+超挖厚度0.5=3.25m；

ζ0—不完整井阻力系數；供水水文地質手冊附表8確定；

l—過濾器長度，m。

H—水頭高度，取值初始水頭高差H0+M。

（2）各含水層（不分段）預算該含水層總的井筒涌水量采用承壓轉無壓完整井公式，計算公式如下：

式中：Q—涌水量，m3/d；

R—影響半徑，m；

K—滲透系數，m/d

r—豎井半徑，取井筒半徑2.75+超挖厚度0.5=3.25m；

H—水頭高度，取值初始水頭高差H0+M；

M—計算含水層厚度，m。

方法二（比擬法）：涌水點采用比擬法預算井筒涌水量，計算公式如下：

式中：R鉆—鉆孔影響半徑；泥盆系宰格組含水層取值218.93m；震旦系含水層取值856.20m。

r鉆—鉆孔半徑；取值0.048m。

R井—井筒影響半徑；R井=R鉆+r井，泥盆系宰格組含水層取值218.93+3.25=222.18m；震旦系含水層取值856.20+3.25=859.45m。

r井—井筒半徑。取值井筒半徑2.75+超挖厚度0.5=3.25m；

根據方法一﹑方法二上述公式，計算過程及涌水量成果如表1。

表1 涌水量分段預算表

5 豎井施工防治水措施建議

（1）擬建豎井施工，針對各段預測涌水量大小，其防治水原則分述如下：

對各突發涌水點，巖層透水性好，涌水量大，必須采用工作面預注漿或其他止水措施，對地下水進行封堵，防止施工涌水或降低施工涌水量，預注漿每段帷幕注漿深度應穿越突涌水構造裂隙一定深度,進入相對隔水層不小于10m，掘進施工前，應采用超前探水措施，以便確認帷幕注漿效果，確保施工安全；開挖施工時，應配合采用壁后注漿法，對出水點進行封堵。

對巖體較破碎-破碎，透水性相對較好，涌水量較大地段，采用工作面預注漿為主的注漿法，對地下水封堵，降低施工時井筒涌水量，預注漿每段帷幕注漿深度應穿越含水構造裂隙一定深度，當內襯砌施工仍發現有較大淋﹑滴水時，配合采用壁后注漿法,對壁后出水點進行封堵。

對巖體較完整，透水性相對一般，涌水量較小地段，宜采取壁后注漿法為主，對掘進段內襯砌施工后出現淋﹑滴水地段進行注漿封堵。

（2）擬建豎井開挖施工，采取短段掘砌,開挖支護深度宜預留一定深度的注漿帷幕，支護施工完畢后再進行下一段帷幕注漿及降水工作。

（3）開挖施工過程中應建立完善的抽排水系統，及時抽排地下水，并觀測地下水位變化及涌水量變化情況，防止地下水從帷幕底部或帷幕注漿堵水不完全時涌入施工井筒內而造成不利影響，當開挖深度超過水泵揚程時，增設加壓裝置施行分級抽水，確保地下水能夠順利分級抽排出施工場地，確保施工安全及正常進行。

6 對本案例的分析研究

擬建豎井設計深度約971m，井筒底設計標高為60m，標高311.50m～301.66m處涌水點上部泥盆系宰格組巖溶裂隙含水層總的涌水量約3469.80m3/d，防治難度相對一般，擬建場地適宜性為基本適宜，可進行該段井筒的施工，根據涌水量預測成果，采用工作面分段預注漿止水，實際涌水量視注漿效果而定，采用壁后注漿法堵水。下部震旦系巖溶裂隙含水層總的涌水量約7017.17m3/d～11068.42m3/d，當井筒深度穿越標高311.50m～301.66m處涌水點時，預測涌水量巨大，達2597.20m3/d，防治難度巨大，施工難度大，安全風險高，擬建場地適宜性為適宜性差，不宜進行311.50m～301.66m處涌水點以下井筒部分的施工，建議對設計井筒深度適當調整或者擬建豎井另行選址重新勘察，若對設計井筒深度進行調整，其底標高宜不低于320m。如豎井確需穿越該段，豎井在掘進至標高320m左右時，停止施工并進行補充勘探，根據勘探結果制定下一步工作方案。

7 對礦山豎井水文地質勘察及豎井施工防治水措施的結論建議

（1）豎井水文地質勘察主要目的是為查明擬建豎井場地的水文地質條件，為擬建豎井工程提供設計所需的水文地質資料，預測井筒的涌水量，對場地建井適宜性進行評價，提出擬建豎井施工防治水措施。

（2）勘察過程中須對主要含水層提出巖層的滲透系數﹑涌水量及水質分析等水文資料，地下水補給水源及與地表水的關系，并預測井筒的涌水量；提出豎井建設超前探水及防治水措施。

（3）帷幕注漿止水及支護應進行專項設計和相關試驗工作后方可實施。同時應制定有效的施工應急預案，以防止涌水對施工產生的不利影響，確保擬建豎井的正常施工及安全使用。

（4）豎井施工時如采用爆破作業，應注意爆破作業可能對止水帷幕造成不利影響。因此,爆破施工作業前應進行專項設計和試驗，選擇適當的爆破工藝，確保施工安全。

（5）擬建豎井開挖深度大，為確保正常施工及安全使用，建議從施工開挖開始至投入使用的一定時期內布置適當的水文觀測點，對豎井場地地下水變化情況進行長期觀測工作。

8 結語

地下礦山豎井是整個礦井的出入口，地位十分重要。豎井井筒的特點是深度大，斷面積大，水文地質條件復雜，豎井水文地質勘察和施工防治水是一項復雜的系統工程。在實踐中，應根據現場地質調查﹑鉆探揭露情況﹑原位測試等，對工程地質﹑水文地質基礎資料進行研究分析，詳細查明礦山豎井的工程地質與水文地質情況，分析巖體穩定性，預測井筒的涌水量，對場地建井適宜性進行評價，提出擬建豎井施工防治水措施，滿足豎井掘砌的技術需要。