中关铁矿注浆工程科技成果汇编

蒋兵辉，刘殿凤，于同超，韩贵雷

（华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050021）

摘要：中关铁矿矿区地下水具有丰富的动、静储量，矿区水文地质条件极为复杂，本文利用数值法对中关铁矿涌水量进行了预测，并根据预测计算结果提出了采用帷幕注浆进行矿山治水的方案，目前中关铁矿正处于基建期，虽然采用了帷幕注浆治水方案，但是仍然存在突然涌水的危险源和诸多的突水因素，结合帷幕注浆治水方案，详细论述了目前存在的突水因素，并提出了相应的防范措施，为中关铁矿基建期安全提供了有力保证。

关键词：矿坑涌水量计算　帷幕注浆　地质模型　有限差分法

1.引言

河北钢铁集团矿业公司中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，北距邢台30km，南距邯郸53km，矿体南北长2　000m，宽800m左右，平均厚度38.0m，最大厚度193.06m，埋深300～700m，总储量9　345万t。矿床埋藏较深，含水层奥陶系中统石灰岩为其直接顶板，该含水层厚度大、分布广、富水性强，且沙河位于矿区的西北侧，两岸局部河床石灰岩裸露，使得地表水与地下水联系密切，矿区地下水具有丰富的动、静储量。因而，矿区水文地质条件较为复杂，目前正在基建中，四条竖井同时在施工，平巷尚没有开拓，由于矿山水文地质条件复杂，存在产生突水的因素，为保证矿山基建时期安全生产，分析突水因素，制定防范措施是非常必要的。

2.中关铁矿地质条件

（1）地层。本区地层由老至新有太古界、中上元古界、下古生界寒武系和奥陶系、上古生界石炭—二叠系、古生界三叠系、新生界第三系和第四系。太古界、中上元古界出露于西北山区，寒武系、奥陶系主要出露于山麓及丘陵区，上古生界和中生界区内很少出露，多被丘陵区和平原区第四系所覆盖，而新生界则遍及平原区、丘陵区及山区的沟谷。

（2）构造。本区西部为太行隆起带，东接华北沉降带，区内主要发育有北北东向及北东向断层构造，且以北北东向断层为主。褶皱构造规模小。在矿床内，因受区域构造的影响，形成了次一级的小断层，有F1（矿）、F2（矿）、F3（矿）三条断层。

3.中关铁矿区域水文地质条件

3.1　石灰岩地下水的补给

区内奥陶系中统石灰岩地下水的补给主要是北?河口子、綦村岩体与矿山岩体间西北口子的侧向补给，其次是区内的垂向补给。

现将其补给条件分述于下。

1）北?河口子

（1）侧向补给。主要为口子南、北两侧岩浆岩及西部老地层的裂隙水，这些含水层水量虽然小，但补给边界周长较大，尤其在雨季时，仍有一定的水量汇入石灰岩中。

（2）垂向补给。区内裸露石灰岩直接吸收大气降水、第四系薄覆盖区降雨入渗和河流渗漏补给。本区石灰岩裸露面积有数十平方千米，在汛期降雨可入渗补给石灰岩地下水，其补给量相当可观。

2）西北口子

西北口子在矿山和綦村岩体之间，口外的地下水不全部通过口子进入区内，部分经綦村岩体西端的西部廊道泄往区外。口外的地下水来源主要为南、北沙河的河水渗漏和石灰岩区对大气降水的直接吸收。

3）区域内部的补给

区域内部绝大部分为第四系和石炭—二叠系所覆盖，只有在綦村岩体南侧西毛村一带有小片石灰岩露头。另外，马会河在雨季流经王窑一带石灰岩地段时有一定程度的渗漏。

3.2　石灰岩地下水的径流条件

1998年以前，本区西部山区的地下水经北?河口子进入本区，经玉石洼、郭二庄、王窑至中关；西北部的地下水一部分绕綦村岩体西端汇入沙河至百泉的强径流带，另一部分经西北口子进入中关矿区。以上两股水汇流后经东北口流出区外，流往邢台泉群排泄区。

由于目前区内铁矿、煤矿的不断开采，加大了对石灰岩地下水的疏干量，特别是凤凰山铁矿和王窑铁矿排水量都相当大，在区内形成了两个较大的降落漏斗，一个是在中关的东北部4.5km左右以凤凰山铁矿为中心的降落漏斗区，另一个是在中关西南方向7km处以王窑铁矿为中心的降落漏斗区。

3.3　石灰岩地下水的排泄条件

目前区内地下水主要排泄方式为人工开采，人们在开采铁矿、煤矿的同时，也加大了对石灰岩地下水的排泄。

4.水文地质模型

4.1　含水层结构的概化

矿区主要含水层为奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层，它分布在岩浆岩体与武安盆地相对隔水体之间，下有燕山期闪长岩托底，上部为石炭—二叠系及第四系地层覆盖，区内含水层顶底板起伏不平，含水层厚度较大，渗透性和贮水性不均一，宏观上各向异性不太突出。因此，将含水层概化为非均质各向同性承压—无压含水层。根据地下水运动特征，忽略地下水的垂向运动，将地下水运动按平面二维非稳定渗流问题处理。

4.2　边界条件的概化

根据区域水补给及排泄情况，将水文地质模型边界条件简化为以下几部分（图1）。

（1）东北口子（L1）和北部口子（L2）边界是计算区的天然排泄口，根据边界附近观测孔的地下水位动态资料作为一类边界。

（2）北?河口子（L4）和西北“口子”（L3）边界：北?河口子西部老地层只发育基岩裂隙水，透水性很弱，且由于山高坡陡，降水大部分变为表流汇入河床，故地下径流量较小。西北口子由于沙河大量渗漏，侧向流量很大。二者均按二类（流量）边界处理。

图1　计算区域及边界条件示意

（3）闪长岩周边（L5、L6、L7）边界：闪长岩风化裂隙水对石灰岩含水层有相对稳定的补给，补给强度各处不一，都按二类（流量）边界处理。

（4）东部煤系地层边界（L8）：玉泉岭—郭二庄断裂带以东，奥陶系中统石灰岩埋藏很深，岩溶裂隙不发育，径流微弱，可视为相对隔水边界。

4.3　对垂向交换量的处理

（1）大气降水补给量：根据石灰岩裸露区及第四系薄层覆盖区的地表岩性、地貌等因素，概化为几个降水入渗系数不同的小区，并根据降水入渗系数经验值给出初值，待模型识别后确定。

（2）河流入渗补给量：根据河流渗漏段的岩性、地貌等因素，将其分为几个入渗强度不同的小区，并按照勘探及前人研究成果、降水量和水库的放水情况给出入渗强度的初值。经模型调试后确定。

（3）地下水人工开采量：根据实际调查资料，按不同时段分别加在开采结点上。

4.4　数值模型建立及识别(www.xing528.com)

为了求解数学模型，采用三角网格有限差分方法建立数值模型。首先采用三角网格剖分渗流区域，剖分时按重点研究区适当加密，其他区域适当疏一点的原则，并将各观测孔尽可能与结点重合。

为了使所建的数值模型能够正确地反映研究区的实际水文地质条件，原数值模型分别利用1994年1月至2003年12月期间的部分地下水动态资料（显德旺煤矿中心观测孔的地下水动态资料），对数值模型进行识别和验证。模型识别过程中，基本保持原数值模型水文地质参数不变。由于近几年区内矿坑排水量很大（特别是王窑铁矿和凤凰山铁矿），但排出的水量基本上没有排出计算区域以外，除一部分被利用和蒸发消耗外，还有一定数量的水又重新回渗补给地下水，在模型识别时给予了考虑。

模型识别结果见地下水动态拟合曲线（图2）。模型识别结果表明建立的模型是正确、可靠的。

4.5　矿坑涌水量预测

（1）利用数值模型进行矿坑涌水量预测，其水文地质参数保持不变。

（2）边界侧向补给量、降水入渗量、河水渗入量均按我们设置的枯水年、平水年、丰水年及偏枯的平水年的降水量，参考模型识别时相应降水量年份的补给量给出。

（3）矿坑涌水量预测时，地下水开采量保持2003年开采量不变。

（4）一类边界水位的设置：为了不使矿坑涌水量预测受边界影响太大，矿坑涌水量预测时，在一类边界外侧距离足够远的地方（这次设定为20km）设置一排结点，作为一类边界结点，其值相当于现在的水位值（枯水季节设置为10m，丰水季节设置为15m）。这样一来，将大大减小边界对矿坑涌水量的影响。矿坑涌水量预测结果见表2、表3。

图2　地下水动态拟合曲线

表2　各水平矿坑疏干量及疏干时间

表3　各水平矿坑涌水量预测（单位：104　m3／d）

注：王窑铁矿、风凰山铁矿矿坑排水量回渗补给地下水量分别占矿坑排水量的37.5%和58.3%。

5.矿区治水方案及效果

根据数值模拟结果，针对中关铁矿地下水治理，提出帷幕注浆方案：注浆帷幕设计厚度T＝10.0m，浆液扩散半径R＝8.0m，设计孔距D＝12.0m。中关铁矿帷幕注浆工程帷幕线设计南北长1　140m，东西最大宽度890m，平面上形成环形椭圆状展部的全封闭的帷幕，全长3　397m，垂向注浆帷幕墙体底板需进入燕山期闪长岩隔水层，形成全封闭。中关铁矿帷幕注浆工程由270个注浆孔、18个观测孔、34个检查孔、36个加密孔共358个钻孔构成，总钻探进尺200269延米，

帷幕注浆工程施工由华北有色工程勘察院承担，采用分段注浆，每注浆段平均长度30m。注浆段钻孔直径采用110mm、91mm、75mm。注浆帷幕完工后的帷幕防渗性能指标q≤2Lu，帷幕形成后堵水率达80%，透水系数K＜0.08m／d，质量要求高。

6.产生突然涌水的影响因素

（1）前期地质勘探较好地控制了矿床的储量和形态，但由于指导施工有较大的误差，加之地层复杂，短距离岩性经常发生突变（帷幕注浆孔距为12m，孔与孔之间岩性的变化都较大）。这就造成了含水层和隔水层界限不清，易突然涌水。

（2）石灰岩含水层的裂隙岩溶发育极不均一，闪长岩隔水岩体的微构造复杂，易产生隔水岩体构造与含水层连通突然涌水。

（3）矿区从1966年至1973年历经7年时间中，至少有4家地质队参加地质勘探工作，共计完成94个地质勘探孔。这些钻孔的封孔情况、封孔质量目前已无法查明。每一个钻孔在灰岩含水层中都是一个连通器，它是造成突然涌水的重要因素。当时的钻探水平、钻探设备、钻孔的孔斜和方位是无法控制的，达到设计深度的钻孔偏距较大，如果钻孔与掘进巷道发生连通，易造成突然涌水。

（4）矿区石灰岩含水层中存在多层蚀变灰岩和角砾状灰岩，该层工程地质条件非常差，巷道掘进至该地层时易产生大的空膛，加之较高的静水压力，易造成空膛与主要含水层连通，产生突然涌水。

7.突然涌水的防治

中关铁矿在帷幕形成后，针对基建期存在突然涌水的危险源和诸多的突水因素，制定如下有效的防范突然涌水措施。

图3　放水硐室及放水钻孔布置原则

（1）中关铁矿进入安全期应该是疏干放水后，因此提前疏干放水是最有效的防止突然涌水方法，图3为放水硐室及放水钻孔布置原则。

（2）加强前期地质资料研究工作，跟踪施工巷道编录，编制较详细的地质图件，指导施工。

（3）加强地下水动态观测和巷道排水记录，观测巷道出水点的特征和规律，指导施工。

（4）巷道施工必须打超前钻，孔深不应小于30m。地层复杂地段、接近含水层地段孔数不应少于两个。

（5）加强地质、水文地质队伍建设，使之能适应矿山建设开发的需要。

（6）各中段在排水系统形成之前，应有足够的排水设备和储水设施。

（7）防水闸门的位置应考虑人员和竖井安全两个因素。

中关铁矿帷幕形成后，帷幕体以外其他充水因素已排除，而且将截流大部分地下水进入矿坑。疏干排放帷幕体内的静储量，降低水头压力是确保矿山基建期安全生产的重要任务。

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（本论文发表于《矿产勘察》2010年）