蘭陵縣會寶嶺鐵礦變質巖裂隙含水層放水試驗技術探討

李 軍，張紀堂，于杜濤，王少杰

(1.山東省魯南地質工程勘察院，山東 濟寧 272100 2.臨沂會寶嶺鐵礦有限公司，山東 蘭陵 277700)

山東蘭陵縣會寶嶺鐵礦為典型的隱伏型大型鐵礦[1-2]，開采設計標高+60m至-970m。礦山投產后一直開采-410m中段以上礦體，現計劃開采標高-410m～-760m的礦體。據礦山已有水文地質資料，礦區內東風井井筒-410m深部具斷層破碎帶發育且富水豐富的特征，需要查明-410m～-760m標高井筒施工中將遇到的水文地質問題，為施工提供合理的防治水建議。

本次井筒水文地質勘查位于地面以下460m～810m處(標高-410m～-760m)。從-410m中段向下進行水文地質鉆探及放水試驗，與地面抽水試驗相比，具有占地面積小、施工周期短、資金投入少等特點[3-4]，且變質巖裂隙水具有典型的富水不均勻的特征。井下水文地質鉆探及放水試驗可準確地判斷各含水段位置以及獲取更符合礦井防治水的水文地質參數。

1 水文地質背景

1.1 含(隔)水層特征

礦區含水層由上至下主要有四個含水層：第四系松散巖類孔隙含水層、寒武系中統李官組(∈2l)-震旦系佟家莊組(Z2t)砂巖類裂隙含水層、南華系下統二青山組(Nh1e)灰巖-砂巖巖溶裂隙含水層、變質巖裂隙含水層。各含水層分布及富水性等特征見圖1和表1。主要隔水層有李官組頁巖、佟家莊組頁巖以及二青山組頁巖相對隔水層。

圖1 礦區東北部水文地質剖面示意圖

表1 研究區內主要含水層一覽表

東風井井筒延深工程全部位于隱伏沉積蓋層之下變質巖裂隙含水層內。主要為黑云變粒巖、其次為黑云角閃片巖及磁鐵角閃石英巖(礦體)。富水性極不均勻，微張性裂隙段單位涌水量0.0067L/s·m～0.0102L/s·m，滲透系數0.00027m/d～0.0067m/d，富水性、透水性微弱。礦區東部F3斷層破碎帶及下盤張性裂隙段，單位涌水量0.054L/s·m，滲透系數0.13m/d，透水性中等，富水性雖弱，但遠大于其他微張性裂隙段，除此，井下坑道靠近F3斷層處巖體較為破碎，張性裂隙發育，出水點眾多，因此，該含水段為本次水文地質工作的主要研究段。

1.2 各含水層間的水力聯系

各含水層之間主要通過斷層破碎帶及其次生裂隙帶水力聯系，其次通過封閉不良鉆孔、礦山斜坡道等水力聯系。F3斷層位于井筒延深部分底部，該斷層破碎帶及其下盤變質巖張性裂隙帶為上部蓋層沉積巖地層水與深部變質巖裂隙水的導水通道之一。

2 井筒檢查孔放水試驗技術

2.1 含水段劃分

研究區巖性為黑云變粒巖，不易通過對巖心的編錄判斷含水層(含水段)位置，準確快速判斷地下水位置是本次放水試驗的前提工作。本次鉆孔孔口位于-410m中段巷道中，鉆進過程中，遇含水段均會發生涌水現象。當再次鉆進時遇到新的含水段時提鉆后涌水量自然增大，因此“記錄的每回次提鉆后涌水量動態成果”是含水段劃分的重要依據。根據鉆進過程中涌水量變化特征、結合巖心編錄將鉆孔依次劃分為五個含水段，分別孔深34.30m～50.10m、63.70m～84.20m、164.00m～175.40m、217.90m～228.80m、306.00m～341.00m含水段。

2.2 多層放水試驗止水技術

該鉆孔鉆進過程中共有5個涌水段，采取由上至下順序放水試驗(照片1)，即每揭露一個含水段需進行一次放水試驗。以往放水試驗多應用于煤礦頂板水害防治，主要針對一孔一個含水層(或含水段)[5]，本次需要實現一孔多含水段放水試驗，因此好的止水效果是放水試驗成功的前提。傳統止水材料粘土、水泥、瀝青、海帶等只適合水流、水壓不大的情況下采用，本次由于施工位置較深，水流、水壓均較大，無法使用[6]。水囊式止水器為一種新型止水器，具有耐磨損、充水管線耐壓較高、止水水囊易于加壓及泄壓(易于放置及撤出)，且能夠多次使用等特征。水囊式止水器(照片2)適合于本次放水試驗的止水需求。

2.3 放水試驗水壓(水位)、水量等測試

(1)水壓(水位)測試：在水文地質試驗前后分別需要進行地下水位穩定觀測和水位恢復觀測，由于各含水段鉆孔孔口均出現自然涌水，無法進行水位觀測，本次采取對孔口水壓進行測量，水壓除以重力加速度與水密度(H=P/(ρ·g))計算放水前地下水位穩定數據及放水后地下水位恢復數據。

在下入水囊式止水器后，在孔口通過橡膠管接上水壓表觀測水壓，每次接水壓時均要求接頭無任何漏水現象，防止漏水導致實測的水壓偏低，觀測精度精確到0.01MPa。放水前水壓測試每半個小時觀測一次，直至水壓穩定持續8個小時以上再放水；放水后水壓觀測時間采用第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60分鐘時間點觀測，以后每半小時觀測一次，直至水壓連續4小時不發生變化再停止，并繪制水位(水壓)恢復曲線圖。

(2)涌水量觀測及水質的測試：在水囊式止水器止水的基礎上對各含水段進行涌水量觀測、水質的測試。本次放水試驗涌水量采用三角堰法進行觀測，現場讀數精確到1mm，通過公式計算出涌水量。流量觀測時間采用第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60分鐘時間點進行觀測，以后每半個小時觀測一次，直至流量穩定時間大于8小時(圖2)。在放水試驗結束前對水溫進行測試、并采集地下水水樣并送至化驗室進行檢測。

圖2 壓水試驗成果圖

3 放水試驗成果

3.1 各含水段地下水類型

通過對鉆進過程中每回次涌水量觀測資料、鉆孔巖心水文地質編錄情況以及放水試驗時涌水量觀測，孔深34.30m～50.10m和63.70m～84.20m含水段出水類型為變質巖裂隙水，巖性為黑云變粒巖，兩個含水段與巖軸夾角為5°、20°～25°微狀性裂隙出水；其他3個含水段均為斷層水。各含水段涌水量見表2。

表2 東出風井井檢孔水文地質試驗(放水試驗)參數計算成果表

3.2 含水段水文地質參數

(1)計算公式：由于各含水段地下水位均為承壓水，采用承壓完整井滲透系數公式

(2)計算參數確定：Q：各含水段放水試驗測得涌水量；H：承壓水頭高度從各含水段底板標高處；M：每回次鉆探提鉆后涌水量變化及編錄確定的各含水段厚度；S：每涌水段放水試驗前測出穩定水壓除以重力加速度與水的密度；r：鉆孔半徑。

(3)計算結果：各含水段的水文地質參數見表2。各含水段透水性中等。

3.3 地下水補給來源及導水通道

表3 井筒檢查孔各含水段與二青山組灰巖-砂巖裂隙巖溶水主要水化學對比表

3.4 井筒施工涌水量預測及防治水建議

3.4.1 井筒施工涌水量預測

(1)計算公式確定：由于變質巖裂隙含水層分布廣，周邊無明顯隔水邊界，地下水計算模型可均視為無限邊界承壓水完整井水文地質模型。井筒施工時，需要及時對井筒中涌出水量疏干，此時地下水由承壓轉為無壓狀態，選用“大井法”穩定流承壓轉無壓公式。

(2)計算參數確定：K：滲透系數；H：承壓水頭高度根據井檢孔從含水段底板標高處算起的水頭高度；M：預測井筒施工到各含水段時各含水段厚度；S：疏干排水時S=H；r0：井筒(裸井)設計直徑為5.2m，r0=2.6m．

(3)涌水量預測結果：東出風井井筒施工過程中各涌水段正常涌水量見表4。

表4 進風井井筒施工涌水量預測結果表

3.4.2 井筒施工防治水建議

工作面預注漿是礦井治水的重要措施[9]。大量前人井筒施工經驗表明：含水層單層涌水量大于10m3/h，應進行井筒工作面預注；含水層單層涌水量小于10m3/h，但含水層層數較多(兩層以上)，應進行井筒工作方面預注漿[10-11]。根據以上井筒施工涌水量預測結果，正常總涌水量遠大于10m3/h，因此在井筒施工前應進行工作面預注漿處理。

4 結 語

(1)通過井下水文地質鉆探、放水試驗工作查明了井筒施工過程中將遇到的各含水段具體位置、水文地質參數，并通過各段地下水化學特征和水壓特征分析了地下水導水通道和補給來源。為東風井井筒延深施工提供了參數，也對礦山深部開采提供了水文地質參數。

(2)對井筒施工將遇到的各含水段分別進行涌水量預測，預測結果遠大于10m3/h，建議井筒施工前進行工作面預注漿處理。

(3)本次井下水文地質鉆探及放水試驗工作，與地面水文地質鉆探及抽水試驗相比，具有占地面積小、施工周期短、資金投入少等特點，并能準確判斷各含水段位置以及獲取更符合礦井防治水的水文地質參數。本次水囊式止水器一孔多層放水試驗為沉積變質巖型鐵礦深部探水開辟了先例，對類似礦山深部探水工作具有指導意義。