龙塘沿铁矿水文地质特征及防治水对策

龙塘沿铁矿水文地质特征及防治水对策
南晋武
【摘要】龙塘沿铁矿是一座岩溶裂隙直接充水矿床,水文地质条件复杂.采用三维渗流模拟系统,建立了龙塘沿铁矿水文地质模型,预测了矿坑涌水量,结果表明Ⅰ期正常涌水量2796.9m3/d,Ⅱ期的正常涌水量1825.5m3/d;提出了近矿体帷幕防治水措施,并对技术经济的可行性进行了验证.
【期刊名称】《矿业工程》
【年(卷),期】2019(017)004
【总页数】3页(P14-16)
【关键词】龙塘沿铁矿;大水矿山;井下近矿体帷幕注浆;防治水
【作者】南晋武
【作者单位】五矿矿业控股有限公司,安徽合肥 230000
【正文语种】中文
【中图分类】P618.31
0 引言
龙塘沿铁矿隶属于芜湖和成矿业发展有限公司，是一家新建的地下开采矿山，矿区位于安徽省芜湖市鸠江区沈巷镇。

矿山设计采选规模130万t/a，是一座岩溶裂隙直接充水矿床，矿体顶板及其围岩为徐家山组灰岩，厚度较大，溶孔、溶蚀裂隙较发育，富水性强，水头压力较高，顶底板直接进水，“详查报告”预测的矿坑涌水
量达66 134m3/d，为水文地质条件复杂的大水矿山。

井下突水是困扰矿山安全
生产的一大难题，矿山水文地质情况亟待进一步研究。

通过对水文地质条件的研究，建立了地下水分析模型，重新预测了矿坑涌水量，并提出了矿山防治水措施，可有效减少坑下排水，最大限度保护天然水资源平衡，经济、社会效益明显。

1 矿山基本条件概述
1.1 地形地貌
矿区位于长江冲积平原西岸，与芜湖市隔江相望，四季分明，气候温和湿润，雨量充沛。

地貌属长江河漫滩，地形平坦，地面标高+5～+8m。

矿区内河网密布，沟渠纵横。

较大的河流有裕溪河和港河，均属人工河流。

港河自西北向东南经矿区入裕溪河，裕溪河连接巢湖与长江，长江于矿区东南约6km处流过。

1.2 水文地质条件
矿区所在区域属扬子准地台下扬子台坳、沿江拱断褶带西缘，位于裕溪—龙塘岩—下埠圩—汤沟复式背斜，复式背斜的向斜开阔，含水丰富，背斜紧密，含水较弱，地下水的埋藏与分布受地层岩性和地质构造控制，为一完整的水文地质单元。

——主要含水层和隔水层。

三叠系徐家山组灰岩含水层：厚度40～200m，在水
平上似带状，表现为南强北弱；在垂向上似层状，随着埋深的增加，岩溶裂隙发育程度、连通性弱、富水性减弱。

局部有溶洞、构造破碎带，富水性、透水性强。

第四系砂砾石含水层为长江冲积层，粉细砂层、砂砾层组成，富水性从上到下由弱到强。

矿区内隔水层有深部的钠质石英闪长岩和第四纱粘土及亚粘土层。

——地下水的补给、径流及排泄条件。

该区充沛的降水是地下水补给的主要来源。

第四系孔隙水受大气降水补给外，长江河床切穿了第四系全新统粘性土、砂及砂砾石孔隙水层，两者间水力联系密切，丰水期与枯水期孔隙水与长江水互补，互补关系随远离江岸逐渐减弱。

三叠系徐家山组灰岩含水层地下水补给方式主要为区域地下水的侧向补给、河流地表水及河床潜流通过上部岩层构造裂隙的垂向渗漏补给。

天然状态下，受矿区水文地质边界条件的控制，矿区地下水主要向长江汇集排泄。

1.3 矿坑充水因素分析
龙塘沿铁矿在开采过程中的矿坑充水因素主要包括构造破碎带连通第四系含水层充水、三叠系徐家山组灰岩岩溶裂隙水充水、地面沉降导通地表水体充水。

2 数值法预测涌水量
2.1 概念模型
——计算范围和边界条件概化。

计算区以裕溪口—龙塘岩—下埠圩—汤沟复式背
斜为一独立的天然地下水系统，按自然边界概化为多边形边界。

地表水垂直入渗补给地下水，作为二类定流量补给边界。

将区域地下水进入矿区的边界作为弱透水边界来处理。

地下水的天然分水岭，作为隔水边界。

矿
区地层概化为第四系和第三系松散孔隙含水层、第三系黄马青组相对隔水层、第三系徐家山组裂隙岩溶含水层、钠质石英闪长岩隔水层共4层。

——含水层水力特征概化。

便于计算，将复杂的地下水流实际状态概化为较简单
的流态，坑下排水研究表明，龙塘沿铁矿的地下水基本上符合达西线性渗透定律，且岩溶裂隙含水层具有双重介质的特点，可概化为层流处理。

在开采状态下，地下水运动存在滞后效应，按三维流运动特征处理。

由于实际勘探中很难获得各含水层各向异性的参数，故将含水层近视地采用各向同性处理。

由此分析，矿区水文地质概念模型概化为均质各向同性三维非稳定流模型。

图4 有限差分矩形剖分示意图
2.2 数学模型
依据概化的水文地质概念模型，建立相应的数学模型：
式中 K——含水层的渗透系数，m/，由于资料限制，认为含水介质为各向同性介质，即x、y、z 3个方向的渗透系数相等；H——任意空间点的水头随时间t函数，
m；H0——任意空间点(x,y,z)的初始水头函数m，即t0时刻的水头空间分布状况；W——源汇项，即为矿坑涌水量，m3/d；μe——弹性给水度；B——矿区四周无限边界；Ω——模拟范围。

对上述数学模型采用三维有限差分方法求解，计算软件采用地下水模拟通用软件“Visual Modflow 4.2”三维渗流模拟系统来实现。

单元剖分：采用有限差分法对物理模型进行矩形剖分，模拟区剖分为200行，
160列，每个单元格面积为309.0m2(见图1)。

反求参数：拟合时间为抽水试验延长时间，根据拟合结果，反求出各区岩层的渗透系数、贮水系数分别为0.29m/d、2.2×10-5，与抽水试验计算所获得的各区岩层的渗透系数、贮水系数基本一致，证明模型识别过程与结果基本符合实际。

2.3 涌水量预测及结果
龙塘沿铁矿采用充填法采矿，依据矿体形态和埋藏深度在-360m中段分两期开采，此次预测将矿区水位降低至-360m水平时不同时间的涌水量。

根据拟合成功的水
文地质模型，对矿区开采中段的两期涌水量预测计算，结果Ⅰ期正常涌水量2 796.9m3/d，Ⅱ期的正常涌水量1 825.5m3/d。

3 矿山防治水措施
3.1 防治水措施分析
龙塘沿铁矿床围岩构造裂隙发育，富水性强，且与第四系孔隙水有密切水力联系，井下开采面临严重突水威胁。

大水矿山的防治水方法主要有疏干排水和帷幕注浆[1]。

若采取疏干排水为主的防治水方式，需大量排水形成疏干降落漏斗，地下水
位下降到安全水头以下。

结果必将破坏当地天然水资源平衡，引起地面沉降或塌陷，减少供水量和恶化环境。

若采取地面帷幕注浆防治水方式，由于含水层分布在矿体四周及顶底板，矿床进水通道多而宽阔，势必需要采用全封闭帷幕形式，堵水效果难以保证。

若采取近矿体帷幕注浆防治水方式，充填法采矿具备矿体顶板及围岩不
被破坏的先决条件，有相似矿山防治水成功的案例，又能最大限度的保护天然水资源平衡，可有效减少防治水工程和排水费用。

基于以上分析，最终选用了近矿体帷幕注浆防治水方式。

3.2 近矿体帷幕方案
近矿体帷幕最终目的是在矿体周围形成一定厚度的注浆防水盖层[2]，相对于地表
帷幕、疏干放水等防治水方式，其最大的局限性是后防水，有效帷幕的形成受井巷工程完成限制和矿岩界线准确度影响较大[3]。

超前探水钻孔注浆：井下开拓采准
工程时期，进行超前探水钻孔注浆防水，确保开拓、采准工程安全顺利实施。

穿脉探水注浆：在-240、-260、-280、-300m水平4个中段的穿脉及凿岩巷道进行
探水注浆，查清矿床顶板围岩水文地质、工程地质特征，减少矿井的涌水量，保证矿山生产安全正常进行，同时为井下近矿体帷幕注浆加密工程打下坚实的基础。

顶板帷幕注浆：在矿房顶板围岩布置15×15m网度的注浆孔，通过注浆形成有效厚度不低于30m的近矿体注浆盖层帷幕，实现矿体的安全开采。

加密注浆及检查孔注浆：在前期探水注浆和顶板帷幕注浆对矿床充水的主要通道基本封堵充填的基础上，通过加密注浆及检查孔注浆，揭露注浆薄弱区和注浆盲区，对近矿体帷幕起到补充、完善和检查的作用[4]。

3.3 矿体帷幕方案可行性
——技术条件。

龙塘沿铁矿目前已施工了5条竖井(主井、副井、措施井、南风井、北风井)、5条平巷(-220、-240、-260、-280、-320m水平)及数百个超前探水、探矿孔，通过不同阶段长时间、大量工程、不同维度的揭露，矿床充水因素、水压及岩溶裂隙富水性、导水性等特性已基本查明。

矿体相对集中，矿体顶板及四周围岩均为徐家山组岩溶裂隙含水层所包围，底板为闪长岩。

采用充填法采矿，地表相对沉降较小。

坑下排水能力大(40 000m3 /d)，设防能力强。

近矿体帷幕方案在技术上可达到防治水效果。

——经济合理性分析。

目前该技术已在国内得到推广应用，如山东莱芜业庄铁矿、山东莱新铁矿和安徽徐楼铁矿等，堵水率均在92%以上。

龙塘沿铁矿堵水率均按80%设计，可有效减少坑下排水，能最大限度的保护天然水资源平衡，经济、社
会效益显著。

4 结语
——该区充沛的降水是地下水补给的主要来源。

开采过程中，构造破碎带连通第
四系含水层充水、三叠系徐家山组灰岩岩溶裂隙水充水、地面沉降导通地表水体充水是矿坑充水的主要因素。

——对矿区开采中段的两期涌水量进行预测，结果表明Ⅰ期正常涌水量2
796.9m3/d，Ⅱ期的正常涌水量1 825.5m3/d。

——提出近矿体帷幕防治水方案，技术经济上均可达到防治水效果，可有效减少
坑下排水，最大限度保护天然水资源平衡。

参考文献：
【相关文献】
[1]辛小毛，谢世平. 龙塘沿铁矿首采矿段防治水技术实施方案 [R].长沙：长沙矿山研究院有限责任
公司，2017.
[2]孙翠华,曾先贵.某铁矿井下近矿体帷幕注浆堵水及其效果评价[J].采矿技术,2011(4):95-96.
[3]徐磊，李飞，辛小毛.近矿体帷幕注浆在某大水矿山的应用[J].矿业研究与开发,2015(3):68-71.
[4]徐加夫，铁矿床开采井下近矿体帷幕注浆技术及应用[J].中国矿业,2012(12):78-81.。