【導讀】倍增加，礦山開采越來越困難。為了充分開采地下鐵礦資源、降低礦。山開采成本、保護地下水資源，擬開展礦區(qū)水害的綜合治理研究工作。研究治理范圍：吳莊鐵礦²的礦區(qū)范圍。的賦存、補給及運移特征；擬定初步的堵治水方案，提出地下水資源保護措施。側(cè)，北以蘇莊為界，南至ZK39孔北，面積約。層的封堵試驗工作，為本次可行性研究提供了較為充分的資料依據(jù)。以往開展的主要地質(zhì)工作分述如下。該報告對區(qū)域地層、地質(zhì)構(gòu)造及礦產(chǎn)資源分布等方面進行了較為。詳細的論述，成為該區(qū)早期最為系統(tǒng)的地質(zhì)資料。和《江蘇省利國吳莊鐵礦義和莊礦體詳查地質(zhì)報告》。吳莊礦區(qū)處在微山湖東南部的湖積平原與剝蝕殘丘的交接地帶，截至2020年底，徐州鐵礦集團已擁有固定資產(chǎn)原值。精礦脫水等項目，年處理原礦萬t，處理露天采場的貧鐵礦石。隨著鎮(zhèn)北礦區(qū)儲量逐漸減少，徐州鐵礦集團開始建設(shè)吳莊礦區(qū)，萬t/a，同時加工處理鎮(zhèn)北和吳莊兩個礦區(qū)的礦石。

　　

【正文】 。 吳莊礦區(qū) F3 斷層 含水 帶中 的 溶洞發(fā)育比較多，而充填物少或無 ，大多為空腹溶洞 ， 且 規(guī)模較大。 據(jù)以往鉆孔資料統(tǒng)計， ZK122 孔 中 的溶洞高度 ， ZK126 孔 中 的多處 溶洞累計高度大于 137m；在其它地段也有多處直徑大于 1m 的溶洞發(fā)育。這些溶洞大多與斷層含水帶相互連通，含水量豐富，對礦床開采存在著很大的安全隱患，需要引起足夠重視，并采取相應(yīng)措施加以防范?，F(xiàn)將吳莊礦區(qū)已探明的各含水帶中比較大的溶洞列于表 4—2 中。 表 4— 2 勘探鉆孔見溶洞統(tǒng)計表 含水帶 勘 探 線 號 孔 號 見溶洞孔深（ m） 充填情況 起 至 高 度 總高度 F3 0 ZK25 無充填 1 ZK33 棕紅色粘土 6 ZK86 棕紅色粘土 12 ZK122 充填差 16 ZK126 無充填 F1 2 ZK35 棕黃色粘土 3 ZK57 無充填 北 東 1 ZK77 無充填 北 西 4 ZK101 無充填 ZK60 估計 400 兩次處理事故掉鉆桿 800 多m 33 斷層 與構(gòu)造破碎 帶突水 吳莊礦 區(qū) 奧陶系灰?guī)r 裂隙巖溶集中 發(fā)育深度 在 ～ 之間 ，平均厚度 ； 超過此深度， 灰?guī)r裂隙巖溶發(fā)育及 富水性 則主要受構(gòu)造控制 。 在 規(guī)模較大的斷層 帶與 構(gòu)造 破碎 帶， 灰?guī)r 裂隙巖溶的發(fā)育深度可達到 500m 以下 ， 并 且 富水性強， 連通性好 ；而在 構(gòu)造影響 帶 以外 ，深部 灰?guī)r 裂隙巖溶 的 發(fā)育程度極差，且 富水性 也很 弱。因此， 礦床開采時，一旦揭露 主要 斷層帶或 者 構(gòu)造破碎帶 ， 地下水就會 在巨大 水頭壓力 的作用下 大量 涌入 礦坑中 ，產(chǎn)生突水事故 。根據(jù)吳莊礦 區(qū) 斷層 與構(gòu)造 帶 的分布狀況， 可能造成 礦坑 突水 的主要有 F F1斷層及北東向、北西向構(gòu)造破碎帶。 F3 斷層 帶 在吳莊 —蘇莊一帶 及義和莊東部 切割 礦體 。 其 在礦床區(qū)的分布 位置 ： ZK74 孔 處 標高 490～ 512m， ZK44 孔北 側(cè) 標高 500m，ZK39 孔 處 標高 378m， ZK96 孔 處 標高 300m；該斷層帶經(jīng)過礦床區(qū)或切割礦體的 長度 較 大 ， 距 礦體最近處僅 27m，并與淺部奧灰含水帶溝通， 對礦床開采的威脅較大，尤其是在切割礦體的地段以及 ZK96 孔附近應(yīng)是礦床開采過程中需要重點防范的突水位置。 F1 斷層帶在 ZK72孔 —ZK45孔一線 從 礦體 上部經(jīng)過，部分地段下部接觸礦體。該斷層帶與淺部奧灰含水帶溝通，并在東部與北東向構(gòu)造破碎帶相連， 富水性較強 。 在 與 礦體 接觸 的 地段 地下水 可 直接涌入礦體中 去， 是需要重點防范的突水部位。 北東向構(gòu)造破碎帶在 ZK84 孔處接觸礦體，北西向構(gòu)造破碎帶在ZK83 孔處距離礦體 僅 39m，并且 與均淺部奧灰含水帶溝通，富水性較強， 均具有較大的突水威脅，與礦體接觸段以及與礦體距離比較近的地段突水危險性較大，是加強突水防范的重點區(qū)段 。 34 接觸帶突水 本 礦床接觸帶突水主要指圍巖蝕變帶 中富存的地下水涌入礦坑中 。吳莊 鐵礦屬于接觸交代型礦床，礦體周圍的碳酸鹽巖裂隙巖溶發(fā)育，富水性較強。根據(jù)以往勘探資料，礦體下部的 圍巖 裂隙巖溶發(fā)育相對較好 ， 厚度幾十 cm 至幾 m，局部甚至達 20m；頂板圍巖裂隙巖溶發(fā)育相對較弱，厚度一般不超過 1m。由于其與礦體直接接觸，在開采過程中被揭露或通過裂隙連通時，極易產(chǎn)生突水事故，應(yīng)在開采時留設(shè)防水礦柱加以防范。 礦 坑突水 機理 分析 突水水源 吳莊礦區(qū)分布著較大面積的奧陶系灰?guī)r，由于 其 裂隙巖溶發(fā)育具有顯著的不均一性特征，因此其中地下水的儲存也存在著明顯的差異。據(jù)前述，礦區(qū)巖溶地下水主要儲存于 奧陶系灰?guī)r淺部含水帶、 FF3 斷層含水帶及北東向、北西向構(gòu)造破碎含水帶中 ?；?guī)r淺部含水帶埋藏較淺，開放性好，可直接 接受降水與地表水體的滲入補給 ； 斷層帶 和 構(gòu)造 帶 巖石破碎、膠結(jié)疏松， 在地下水 的長期循環(huán)運移過程中，不斷被 溶蝕、侵蝕，形成了許多大小不等的溶洞 、 溶隙，為地下水 提供了 良好 的儲存 空間 ； 這些含水帶裂隙巖溶發(fā)育，富水性中等或強，儲存有豐富的地下水，為礦床開采過程中礦坑突水提供了 大量水源。 突水途徑 吳莊礦區(qū)礦坑突水途徑主要為 接觸或切割礦體的幾條富含地下水的 斷層 與 構(gòu)造 帶 。 它們 雖生成時間不同，有成礦前后 之別，但均 具有不同程度的繼承性和復活性 特點 ，并使地層形成階梯狀下降，構(gòu)造帶 拓寬 ，旁側(cè)巖石破碎 嚴重 ，小錯動發(fā)育。 其內(nèi)部不 但 儲存有豐富的 35 地下 水，而且多數(shù)相互連通，其中大部分還直接與礦體接觸，為 地下水 流 入礦坑提供了導水通道 。 在 礦床 開采過程中，巷道若臨近或穿過這些 斷層 或 構(gòu)造含水帶 時 ，就 有 可能 會 發(fā)生 突水事故。 突水 影響 因素 礦坑突水的影響因素主要有三個方面：一是充水含水層中的水量大小，二是突水通道導水能力及其與 外部 含水層的 水力聯(lián)系 ，三是 地下水的壓力水頭。 礦坑最為主要的充水含水層為 礦區(qū)分布的幾條含水帶 ， 前已述及它們 均 含水豐富、接受補給的能力較強， 單 靠排水 的方式 將突入 礦坑中 的水體 疏干十分困難。 礦區(qū)分布的幾條含水帶有的與礦體直接接觸，有 的則在部分地段相互連通；尤其是 F F3 斷層及北東、北西向構(gòu)造帶，長期以來一直是 礦區(qū)地下水 匯集、儲存的主要場所及 循環(huán) 運移 的主要通道，具有較強的導水性能；特別是 F1 與 F3 斷層又在礦區(qū)西部與 規(guī)模較大的區(qū)域性張性斷層 F20 連通，使礦區(qū)南部、西部的地下水可以間接地進入礦坑，增大礦坑突水量。 含水層 、帶 中地下水的壓力水頭高度也 是 觸發(fā) 礦坑突水的重要 因素。 吳莊礦床開采深度在 300m—480m 之間，而正常情況下的地下水水位標高在 30—40m 之間，從 礦床開采層位到地下水面之間存在著 330—520m 水位差。而礦體附近的圍巖 受巖漿侵入作用的影響 ，產(chǎn) 生蝕變 而且裂隙發(fā)育， 強度 大為 降低 ；當開采巷道或撐子面靠近滲透性、富水性好的含水層、帶時，采空區(qū)坑道壁、尤其是 蝕變嚴重及裂隙發(fā)育密度大的軟弱部位 ， 則會在巨大水壓的作用下產(chǎn)生破裂，導致含水層 、帶 中的地下水涌入巷道，發(fā)生突水事故。 36 礦 區(qū) 水 害 治理可行性分析 巖溶水 疏降可行性評價 采用 我國類似礦區(qū) 礦坑 疏水系數(shù)的 經(jīng)驗公式 進行評價。 計算公式為： S0=QS （ 4— 1） 式中： S0 — — 礦坑 疏水系數(shù)； S —— 計算水位降深值（ m）； Q —— 礦坑 疏干排水量（ m179。/ d）。 礦區(qū) 疏降可行性的判別標準 如下 ： S0 10 補給較弱，易疏干； 3 S010 補給較強，可以疏降； S03 補給很強，不宜直接疏降。 根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，利用 礦區(qū) 勘探時期 預(yù)測計算的 礦坑涌水量資料和 2020 年礦坑排水 量的實測 資料進行初步計算，結(jié)果見表4—3。 表 4— 3 疏水系數(shù)計算表 時 間 水位降 深 （ m） 計算標高 （ m） 排 (涌 )水量（ m179。/ d） 疏水系數(shù) 礦區(qū) 勘探預(yù)測 538 500 2020 年 468 430 2020 年的礦坑排水量和 2020 年、 2020 年相比，已經(jīng)明顯減小，原因是在 2020 年 底到 2020 年 6 月份 利用部分鉆孔對 F3 等含、導水斷層帶 進行了封堵，但盡管如此，計算出的疏 水 系數(shù) 值 仍 然很小，與利用礦區(qū)勘探時預(yù)測資料計算的結(jié)果十分相近。這說明， 吳莊 礦 床 充水含水層的富水性較強， 地下水補給 來 源 充沛 ，不 適宜于直接疏降；而 應(yīng)采取堵截 或者堵截與疏干相結(jié)合的治理方式 來 解決 礦坑 的突水 37 問題 較為適宜 。 水 害 治理技術(shù) 條件 的可行性 吳莊礦區(qū)巖溶水的賦存和運移具有明顯的帶狀特征，除奧陶系灰?guī)r淺部含水帶呈面狀分布以外，其余含水帶均沿斷層帶或構(gòu)造破碎帶分布，而這幾條含水帶也同時起著匯集和輸導礦區(qū)地下水的作用，成為地下水循環(huán)徑流的主要場所。 從以往礦坑突水資料的分析可以看出，大多數(shù)突水點涌入的地下水來源于斷層或構(gòu)造帶的導入，突水點涌水時，臨近斷層或構(gòu)造帶中地下水位下降，突水量大時更為顯著，而當突水點被關(guān)閉后，其中的地下水位又開始回升。 因此，只要在礦床外圍適宜位置對幾條主要含、導水帶進行封堵，截斷兩側(cè)地下水的水力聯(lián)系，阻擋外部地下水 流入礦坑，礦坑中的突水量就會顯著減少，就可以采用疏干排水的方法來解決礦坑的涌水問題。 吳莊礦區(qū)的突水治理主要涉及兩個方面的技術(shù)問題：一是確定含水、導水帶的具體位置，即注漿鉆孔的布設(shè)位置；二是注漿施工工藝技術(shù) 。 含水、導水帶位置的確定可以采用水文地質(zhì)物探方法中 的 地面電法勘探技術(shù)進行探測，目前此類技術(shù)方法已經(jīng)比較成熟，探測效果也比較可靠；在正常情況下，直徑大于 的溶洞或斷距大于 1m的張性斷裂基本均可解譯出來。而 吳莊礦區(qū)發(fā)育的幾條含、導水帶規(guī)模相對較大，裂隙巖溶發(fā)育程度較高，異常反映更為清晰、顯著，探測效果更 好，不存在大的技術(shù)困難。 采用打孔注漿堵水截流的施工技術(shù)工藝，自上世紀五十年代以來就已經(jīng)在大水礦區(qū)廣泛使用，目前，設(shè)備更加先進，工藝技術(shù)也更為成熟，一般的專業(yè)地質(zhì)勘察單位均擁有相應(yīng)的資質(zhì)、設(shè)備以比較高的施工技術(shù) 和注 漿 工藝。 現(xiàn)有施工設(shè)備、技術(shù)條件完全能夠滿足此項工作要求。 38 山東濟南張馬屯鐵礦 是全國著名的大水礦山之一，水文地質(zhì)條件十分復雜，預(yù)計 400m 水平礦坑涌水量 36 萬 m3/d，自 1975 年建礦以來，伴隨著開采進度多次采用帷幕注漿堵水截流方法對含、導水層、帶進行治理，實現(xiàn) 長達 30 年生產(chǎn) 安全 ，取得了良好的經(jīng)濟效 益 。 另外，山東萊蕪馬莊鐵礦、山東青州店子鐵礦、安徽省霍邱縣李樓鐵礦等礦山均采用 帷幕 注漿堵水截流技術(shù)對礦 區(qū) 水害 進行了 治理， 保證了礦山生產(chǎn)安全。 2020—2020 年，我礦自籌部分資金，并與山東省魯南地質(zhì)工程勘察院聯(lián)合，在礦區(qū)西部 及西南部 進行了注漿堵水試驗。在采用電法勘探確定出 F F F4 等 斷層 及部分溶洞 位置的基礎(chǔ)上，施工 了 28 個注漿鉆孔，共計注入水泥 9 萬多 t， 多數(shù)突水點的涌水量成倍減少， 礦坑 排 水量從 封堵 前的 ， 前后 減少了 1000 多 m3/h， 也 取得了顯著的治理效果。 所以，吳莊礦區(qū)的突水災(zāi)害采用堵水截流的方法進行綜合治理，在技術(shù) 條件上是可行的，可以達到預(yù)期的治理效果 。 水 害 治理經(jīng)濟條件的合理性 通過 進行 水害 綜合 治理，不但可以保證 井下 生產(chǎn)安全，還可減少防水礦柱 留設(shè)規(guī)模和數(shù)量，提高礦石資源回采率 ，更有效地開發(fā)利用鐵礦資源，增加企業(yè)經(jīng)濟收入 。 據(jù)初步估算，吳莊鐵礦進行水害綜合治理以后，可以 釋放 出用于留設(shè)防水礦柱的鐵礦地質(zhì)儲量 大約 120 萬t， 按照設(shè)計 回采率 85%計算，可以采出鐵礦石 102 萬 t； 吳莊鐵礦礦石品位大于 60%，每 礦石可以產(chǎn)出 1t 鐵精粉， 若 按 鐵精粉 正常市場價格 1000 元 /t 計算， 可 折合 人民幣 萬元。 另外， 進行 礦區(qū)水害 綜合 治理，還能夠 為企業(yè) 節(jié)約 大量的礦坑排水費用。仍以山東濟南張馬屯鐵礦為例來加以說明，該鐵礦通過帷幕 39 注漿圈圍了 2200 萬 t 的地質(zhì)儲量，按照 60%的回采率計算可采出鐵礦石 1320 萬 t；帷幕注漿堵水工程總投資 8838 萬元，噸礦承擔帷幕建設(shè)費用 元，帷幕堵水效果 80%，剩余礦坑水排出費用為噸礦 元，帷幕注漿與排水兩項費用合計為噸礦 元；如果不采取治理措施，單靠疏干排水進行開采，噸礦排水費用為 元；兩者比較 ，僅治水費用每噸礦石就可節(jié)約 元。 由此可以看出， 吳莊鐵礦 進行 水害綜合治理， 在經(jīng)濟條件方面 是非常 合理 的 。 40 5. 礦床突水治理方案與效益 分析 突水治理 方案 技術(shù)路線及治理技術(shù)方法 治理目標及預(yù)期效果 （ 1）通過綜合治理，減少地表水體對地下水的入滲補給，有效堵截 流向礦床區(qū)的地下水徑流。 （ 2）堵水截流效果達到 75—80%， 減少礦坑排水量 1500m179。/h，確保礦井開采安全。 技術(shù)路線 吳莊礦區(qū)水害治理 采取 “先查后 治、上下結(jié)合、地表疏導防滲、地下帷幕截流 ”的技術(shù)路線。即在查清礦區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用地上和地下相結(jié)合的方式進行綜合治理；地面上減少地表水體的入滲補給，地 下裂隙巖溶發(fā)育帶通過帷幕注漿，封堵地下水徑流通道，最大限度地阻截 進入礦坑的地下 水 徑流。 主要技術(shù)方法 吳莊礦區(qū)水害治理主要采 用礦區(qū)水文地 質(zhì)調(diào)查、水文