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1、前言XX铁矿位于XX市西南12公理，该矿为中型隐伏接触交代型的矽卡矿床。现设计开采为西部矿体，矿体主要赋存于-195m-305m标高间，从8线到10线，矿化带走向长210m，水平厚度为10120m。矿体上下盘围岩是大理岩、闪长岩和矽卡岩，大理岩为矿床主要充水岩层，其岩溶裂隙发育，富水性强，矿坑涌水量大，水文地质条件复杂，特别是矿体与围岩接触带是地下水主要迳流通道，加上其稳固性差，遇水膨胀和软化，极易产生塌落冒顶，严重影响了井下的的正常生产和安全作业。XX铁矿年设计生产能力为50万吨，现年生产量为30万吨，由于受到地下水害等多方面因素的影响，采矿能力无法达到设计要求。XX铁矿从试投产开始，矿山防
2、治水指导思想主要是以疏干排水为主，防探堵水为辅的措施。由于XX矿地下水静、动储量都较大，采用疏干排水的防治水方案不仅不能达到疏干的目的，还可能导致地面出现塌陷、水资源破坏等地质环境问题，而且存在突水的威胁，尤其是高昂的排水费用（现在1千万元左右/年，每吨矿石排水成本达25m3水的费用），进而影响到企业的经济效益和社会效益以及可持续发展。因此，必须开展防治水技术研究，对矿区水文、工程地质条件尤其是矿床围岩水文、工程地质特征进行调查研究，通过理论分析及比较，制定有效、经济、合理的防治水技术方案。为了避免灾难性的水患发生，达到高效安全采矿生产的目的，鲁中治金矿业集团公司于2006年7月与我院签订协议
3、，合作开展XX铁矿综合防治水技术研究。经过一段时间的前期工作，并经双方反复论证，确定XX铁矿采用井下矿体围岩帷幕注浆的防治水方案，其注浆孔布置拟采用纵横交错形式，分两期工程实施，前期工程采用穿脉水平探水钻孔（按10m12m网度）注浆，后期工程则在围岩中布置近矿体倾向的横向钻孔进行加密注浆。1区域地质概况1.1地形地貌矿区位于XX市西南牛泉镇，交通十分方便。地貌为剥蚀丘陵区，矿区位于XX断陷盆地南部，矿山帚状构造的收敛部位与矿山背斜西南岩体之侵没端。矿区地形南高北低，最高400m，北部最低标高160m，属汶河级地貌。汶河为本区主干河流，发源于盆地东部，由东婉蜒西下，纵惯全区。是大气降水及地表水汇
4、聚、排泄通道，其洪峰流量达2920m3/s（1966年7月15日）。另外，方下河、嘶马河、汇河、颜庄河、塔子河、石河等，枝状溪流也较发育，皆为季节性河流。区内年平均降雨量为759.7mm（19631977年），降雨量多集中在79月，占年降雨量的71%，最大降雨量1369.6mm（1964年），最小降雨量为490.9mm（1965年）。盆地区域地质构造严格受鲁中纬向构造及鲁西旋卷构造的控制。鲁中纬向构造促使盆地内主要构造线、地层走向呈近东西向展布；盆地及弧形断裂则鲁西系旋卷构造的产物。1.2构造山东中部区域性纬向构造体系中有一条东西向断裂构造和鲁西旋卷构造前缘弧（XX弧）控制了XX盆地的生成。构
5、造盆地为一完整的水文地质单元。本区构造形迹以断裂为主，褶皱次之。主要构造有：东西向断裂、弧形断裂、帚状构造。（1）东西向断裂：石门官庄塔子断裂，断层走向呈近东西向展布，与其倾向之共同点：皆为舒缓波状。断裂通过之处，局部地段造成陡坎，高差可达10米以上，造成地层缺失，其垂直断距400米以上。地表所见断面一般倾向北，倾角6585度，局部地段断面直立，甚至反向向南倾斜。该断裂为先张后压。它是东西向构造运动的产物。鲁西系旋扭运动使之复活，发生了第三期以压扭为主的冲断。因此它是一条具扭性的压性断裂带。（2）弧形断裂：XX弧形断裂是鲁西系旋扭构造的产物，断距较大，规模可观。西自泰安，经由盆地北、东缘的铜冶
6、店、铁铜沟、延伸至沂蒙山区以远，其断距在千米以上。它由内外两弧形断裂组成，口镇颜庄断裂为其内弧，两者皆属压扭性质。在弧形断裂旁侧，分布有与主断裂性质相同的、展布方向一致的逆冲断层，形成瓦式构造。（3）帚状构造：矿山帚状构造为XX弧形断裂二次旋卷构造。它由矿山背斜、八里沟向斜等压必结构面组成，其向SW收敛、NE撒开。矿山背斜：位于盆地东部、XX市北西。背斜中部凸起呈残丘，其轴向为SW-NNE向，北端略有偏NNW之趋势，全长89公里，宽约5公里，核部为燕山期闪长岩，两翼为中奥陶系、石炭、二迭系地层。为中部略向南凸的弧形背斜。两翼中奥陶系灰岩倾角较陡，约在40度以上，与闪长岩接触交代，是成矿之有利部
7、位。八里沟向斜：于背斜之东南，市南侧，核部为侏罗系地层，两翼为二迭、石炭、奥陶系地层。其上有第三第四系地层覆盖。向斜轴SW-NE向展布，并逐渐偏NNE向，轴长10公里，宽6公里，其西南端，向斜翘起、封闭。1.3岩浆岩在本区，中生代燕山晚期岩浆活动最强烈，形成中偏基性的闪长岩体，分布在盆地不同的构造部位。其中矿山、角峪、铁铜沟、金牛山岩体具一定规模，为区内四大岩体，而矿山岩体又居首位，为主要成矿母岩体。矿山岩体：侵入于矿山弧形背斜核部。出露于矿山、赵庄、孟家峪一带，面积约8平方公里。南北两端隐伏于奥陶系地层之下。西南部可与角峪岩体相连，北部可与金牛山岩体相连。隐伏面积在100平方公里以上。岩体走
8、向与矿山背斜走向相吻合，其形态，推测为巨大而复杂的岩盖。岩体主要侵入中奥陶统，北部地段有侵入石炭二迭系地层中，多与围岩顺层接触，少呈斜切或穿插。2矿区水文、工程地质条件XX铁矿矿区可作为一相对独立的水文地质小单元。该单元以F5断裂为界，北与谷家台小单元相接，东以F3断裂为界，与业庄小单元相接，南以塔子石门官庄断裂为界，与南部山区相接。汶河由矿区北部流过，石河由南而北流经矿区西部汇入汶河， 为季节性河流，雨季排洪，旱季涓涓细流，直至干涸。详见矿区水文地质图2-1。2.1地层研究区内分布影响矿井充水因素的地层主要有第四系、第三系、奥陶系及岩浆岩侵入岩体。因岩性、分布位置、埋藏条件及其含水性和透水性
9、等不同特征，它们对矿井充水所起的作用和影响的程度差异性很大。（1）第四系（Q）属于冲积层、冲洪积层，岩性主要为砂质粘土、砂、砾石，因此是一个强含水层和透水层。其最小厚度为3.05m(孔CK114)，最大厚度为23.0m(孔CK84)，平均厚度为13.47m。第四系的水位埋深14m，渗透系数为50300m/d，单位涌水量q=112L/s.m。水质类型为型，矿化都为0.2g/L。第四系的潜水位严格受到降水量的控制，潜水位随季节变化大。潜水面的形态与区内地形基本一致，南高北低，东高西低，总的趋势是由南东向北西迳流，而后泄入汶河。 （2）第三系（E2-3g）在区域上第三系红砂岩自塔子石门官庄断裂以北开
10、始出现，向北逐渐加厚，矿床地段厚度为150250m，其沉积厚度及分布严格受古地形及地质构造控制。因此，有的地段较薄或缺失，致使中奥陶系灰岩与第四系砂砾石层接触，构成了所谓的“天窗”，如牛王泉“天窗”，杜官庄“天窗”；有的地方由于古剥蚀作用强烈，第三系沉积显著变厚，如F1断裂量侧第三系沉积厚度居矿区首位，达360m。矿区内第三系为管庄组地层，岩性主要为红色粘土岩、粘土质砂岩、粘土质砂砾岩。底部为砾岩和砾石，含水性较弱，可视为隔水层。其最小厚度为5.71m(孔CK21)，最大厚度为284.92m(孔CK118)，平均厚度为106m。第三系厚度分布总体特征为：厚度分布均匀变化，规律性较好，由东北向西
11、南，地层厚度逐渐减小，以至为零，反映了单斜构造特征。因为第三系径流不通畅，其水力承压性好，所以地下水为承压水。第三系渗透系数为0.00032m/d，单位涌水量q=0.000173L/s.m，含水性弱，可视为良好的隔水岩层。（3）奥陶系（O）在矿区内，所见灰岩、大理岩为中奥陶统马家沟组第四、第五、第六段，由于古地形的控制作用，由南至北，灰岩、大理岩深度逐步增大而其厚度则逐渐变薄。第四段（O2m4）为厚层灰色纯灰岩、豹皮状灰岩夹白云质灰岩，为磁铁矿成矿主要层位。第五段(O2m5)为灰黄色薄层白云质灰岩，灰色中厚层灰岩、白云质灰岩底部为角砾状灰岩。第六段(O2m6)为灰色、厚层豹皮状灰岩、纯灰岩、含
12、白云质灰岩。根据岩溶、裂隙的发育程度，将可以将整个XX铁矿矿区划分为三个块段：东块段， -12-18线及杜官庄缺口；中块段，F1断层-1l线：西块段，F1断层15线。据钻孔揭露，三个块段灰岩、大理岩顶底板埋深标高，依次为：东块段，137.39-242.91m；中块段155.15-198.62m：西块段176.20-388.11m。由于F 1断层构造运动及沿断裂带剥蚀作用之结果，使得中块段较两侧凹陷，灰岩、大理岩顶板埋深在其在走向上呈一马鞍形。（4）矿山岩体由杜官庄以东倾伏于中奥陶系灰岩之下，但因古剥蚀作用，以及侵入过程中的起伏变化，因而于西尚庄与纪家庄以北，岩体伏于第三系红砂岩之下，岩体在矿床
13、地段呈锯齿状或舌状侵入，矿区有两层1030米的闪长玢岩脉顺层侵入。构成了矿体较为稳定的底板。岩体仅在风化壳或局部构造裂隙中含有微弱裂隙水，单位涌水量为0.10.8L/s.m，渗透系数0.050.1m/d，水质为SO42- 型，矿化度1g/L 以上，为矿区灰岩、大理岩含水层中的良好隔水岩体。2.2构造断裂及其控水性 矿区构造复杂，断裂、褶皱十分发育，主要有东西向构造带、北北东向断裂F2、F3、F4和F1及新东西向断裂F5等，其地下水的运动大都受构造断裂的控制。 （1）F4（牛泉茂盛堂）断裂：构造形迹在茂盛堂村南出露，村北被第四系、第三系覆盖，推断该断裂向北延伸至牛泉村南，ZK37孔于孔深228.
14、8239.87m见有构造角砾岩，为该断裂面延伸的依据。断裂走向近南北和展布倾向东，断裂两侧地层不一，显示断裂东侧地层相对向北推移，西侧向南移动之特点。该断层在南部不具阻水性，这已为矿区大口径抽水所证实，但往北则渐显阻水性，已被N3和N5孔之间的水头和水温所证实。（2）F2、F3（候家沟东）断裂带：F2断裂大都被第三系及第四系覆盖，仅在局部地段出露，构造形迹清楚，压扭性特征明显。其走向为N200300E，倾向在南段为北西，北段为南东，倾角740800，推断断距80米左右。位于F2断裂以东，有一条或几条与F2大致平行、性质相同的断裂如F3，而F2的规模及活动强度较大。该组断裂具隔水性质，是阻挡南部
15、灰岩地下水侧向进入矿区的东部屏障，但在断裂的西南、东北两端的灭尖处，分别与F1断层、F5断层相交带具有两个缺口，其中东北端的缺口是外围地下水进入矿区的重要迳流通道，而西南端的缺口由于F1断层相对隔水性质，其进入矿区的水量相对有限。（3）F1断裂：断裂位于矿区的正负线之间，断层走向N140W、倾向南西，推断断距80米左右。其表现是：由于断层的作用，F1断裂东盘奥陶系中统马家沟组第四段灰岩与西盘第五段灰岩沿走向接触；沿断裂走向上，古剥蚀作用较强，第三系沉积厚度较断裂两侧有明显的增厚，灰岩相对变薄，从而造成了断裂两侧水文地质条件有明显差异的两个块段，即矿区的东西两块段。根据矿区抽水试验的观测孔数据分
16、析，F1断层具相对隔水的性质。但在断层的南侧深部，也见其导水性，由于深部岩溶发育程度较低，其导水性能也较差，也是矿区东西两块段地下水联系的迳流通道。（4）F5（牛王泉杜官庄）断裂：断裂位于矿区北部，西由牛王泉，东至杜官庄。断裂的东段地面略有显示，向西隐伏于第三系、第四系之下。该断裂活动较为强烈，切割了第三系、奥陶系及燕山期闪长岩体。断裂走向近东西，倾向南，倾角80左右，断裂东段断距约200米，向西断距变小，为100米左右。F5断层具有导水及阻水的两重性，但在断层的东西两端具有两个缺口，是矿区地下水与外围地下水联系的通道。2.3大理岩（灰岩）岩溶发育分布规律（1）岩溶发育程度矿区内岩溶裂隙十分发
17、育。岩溶裂隙大多为张性裂隙，宽度一般为23mm，大者可达10cm多，裂隙壁上被溶蚀得坎坷不平，并有方解石晶簇附着于壁上，晶形完好，晶面光滑，半透明，裂隙大部分被充填或部分充填，充填物主要为粘土及岩屑。溶孔也普遍发育，但分布不太均一，以东块段最多，西块段次之，中块段很少见；溶孔大小较悬殊，小者只有黄豆般大小，大者直径达78cm；溶孔大部分被粘土充填，孔壁上常见次生方解石晶簇丛生，少数溶孔无充填物，并见有近期地下水活动的明显迹象。溶洞在矿区内不甚发育，只在25个钻孔中见有35个溶洞，且以小型溶洞为主，大部分洞高不足1米，单个溶洞最高达10.57米。溶洞较发育段位于整个大理岩含水层之中段，即-50-
18、150米水平。岩溶最发育的东块段，其岩溶率为0.65%，西块段为0.27%，中块段为0.15%。总的看来，矿区岩溶发育程度不高。（2）岩溶发育分规律岩溶发育受各种因素的共同作用，由于各个地段具体条件不同，岩溶发育程度因地而异。总的来说，有以下规律性：从平面上看，东块段岩溶裂隙、溶洞较发育，西块段次之，中块段最差，靠近岩体的部位较发育，远离岩体则较差，位于构造裂隙带附近部位较发育，其它地方则较差。从垂向上看，东块段整个大理岩岩溶裂隙、溶洞都较发育（最发育段在-130米水平之上），其余两块段都是自上而下逐步递减。总体来说，矿区岩溶的发育程度自上而下为递减的趋势。（3）岩溶发育的控制因素岩溶发育受多
19、种因素控制，在某一地段，一种因素可能起主导作用，在另一地段，这种因素可能退居次要地位。综合矿区岩溶发育的规律，控制岩溶发育的主要因素有：岩石性质、地质构造、岩浆岩体的侵入、蚀变作用、大理岩（灰岩）的埋藏藏深度及厚度。岩石性质：东块段揭露的四段大理岩的岩溶率（0.65%）高于西块段五块段大理岩的岩溶率（0.27%）；在四块段的见溶洞为26个，总高为50.06米，其余9个溶洞在五段，总高为10.34米。以上说明，在矿区内岩性对岩溶发育起到了控制作用。地质构造：在F4断层附近的ZK7、ZK10孔，岩溶裂隙、溶洞发育；在石门官庄塔子断裂和F4断层的相交处，岩溶裂隙十分发育，是外围地下水进入矿区的主要通
20、道。岩浆岩体的侵入、蚀变作用：靠近岩体的大理岩，结晶颗粒大，岩芯采取率一般较低，也较破碎，地下水对它的溶蚀作用更容易。因此，沿着大理岩与岩体的接触带部位，岩溶裂隙较发育，同时也是地下水迳流的通道。大理岩的埋藏条件：大理岩埋藏越浅，地下水对其的的溶蚀作用越强烈，愈往深部这种作用逐渐减弱，因而浅部的岩溶裂隙发育程度较深部高。从矿区三个块段的大理岩埋藏与岩溶发育的相互关系也说明这点。（4）岩溶发育下限矿区各块段岩溶发育下限为：东块段，-250米；西块段，-340米；中块段，-180米。可以看出，全矿区岩溶发育下限，几乎是整个大理岩段。2.4大理岩（灰岩）含水层的富水性大理岩（灰岩）含水层的岩溶裂隙、
21、溶孔、溶洞是地下水的赋存场所及迳流通道，因此，其岩溶发育的程度，决定了其富水性。总的来说，本矿区岩溶发育程度相对不高，多数抽水钻孔，水量较小，水位降深较大，而停抽后水位恢复缓慢，其富水性次于临近的谷家台、业庄铁矿区。岩溶发育的不均一性在本区较明显，即有平面非均质，又有垂向非均质。因而大理岩含水层的富水性也是因地而异，岩溶较发育的地段，水量较丰富，反之，水量则较贫乏。大理岩含水层的富水性在平面上表现为东块段较强、西块段次之，中块段较差，三个块段的单位涌水量分别为26L/s.m、13 L/s.m和0.20.6 L/s.m；在垂向上由于浅部岩溶较深部发育，但浅部充填较严重，所以其富水段一般位于整个大
22、理岩含水层的中部、中上部，少数地段位于下部或中下部。应强调的是，由于矿区隐伏褶皱构造运动的作用，局部地段的富水段不但在大理岩，而且延伸到底部的闪长岩。大理岩含水层的富水段的下限在东西两块段相差较大，东块段的富水段下限为-200米，西块段的富水段的下限一般为-340米。25边界条件矿区位于矿山帚状构造的收敛部位，为应力集中和释放的场所，区域性塔子石门官庄断裂横穿矿区，构造活动频繁，形迹复杂。由于构造的切割、错动，造就了矿区特定的内外边界条件。2.5.1南部边界 东西向塔子石门官庄断裂，位于盆地南部主要补给区前缘，它对整个补给区地下水的运动起到了明显的控制作用，其北侧为中奥陶系纯灰岩，南侧为下奥陶
23、系白云质灰岩，再往南为大片裸露的寒武系灰岩。从东西向断裂带本身的挤压性，闪长岩沿断裂带的串珠状侵入，断裂两侧水头的明显差异来看，该断裂具有明显的阻水作用。但在东西向断裂与F4断裂的切接复合部位，断裂南北两侧的水头差值相对更小，而位于南梨沟村南，断裂南北两侧为奥灰岩，CK151与机12孔相距610米，水头差值不明显；南部基岩山区地下水，通过这一地段，补给盆地，补给矿区。业庄矿坑道放水试验明显反映了这一情况。2.5.2东部边界F2、F3断裂与西五斗东、西两断裂很可能为首尾重接复合关系，两组断裂力学性质为压扭性，断裂两侧都为奥灰岩，含水层上下错动不大。从业庄铁矿放水试验和矿区大口径抽水试验的水位观测
24、孔资料表明，该断裂有明显的阻水作用，但在局部见该断裂具有导水性能，也是矿区灰岩含水层接受区域侧向补给的主要进水边界，特别是在该断裂的东北端，是外围地下水进入矿区的重要迳流通道。2.5.3北部边界F5断裂在喜山期活动较为强烈，产生了较大的断距，断裂在此段具有明显的阻水性，形成了南北两侧相对独立的两个水文地质单元。但在断裂的东段（杜官庄地段），两侧灰岩含水层衔接厚度约2030米，西段（牛王泉地段）的衔接厚度约100米，这两段是产生断裂南北两侧水力联系的两个导水缺口。因此，F5断裂具有阻水及导水的两重性，构成了矿区北部的弱透水边界。2.5.4西部边界矿区西部，奥灰岩大都伏于第三系及中、上石炭系之下，
25、仅在石门官庄泉坡一带地面成带状有所裸露，从泉坡往西即与汶河冲洪积砂砾石层相接，构成了泉坡“天窗”。在自然状态下，为本区的泄水区，沿该方向具有一定的过水能力，但与南部比较，并非主要来水方向。虽然F4断裂是导水断层，但由于没有很好的补给源，而且奥灰岩在此方向上倾的深度较小，渗透性能显著降低，水质变坏（SO4型），矿化度增高（13克/L），对矿床充水的威胁不大。特别强调的是在F4断裂的南端与东西向大断裂相交处有一缺口，大理岩岩溶裂隙较发育，地下水丰富，是南部灰岩地下水进入矿区的主要迳流通道，从西块段西部矿体各个分段水平施工的探水钻孔揭露涌水情况得到了证实。2.6地下水动态变化特征2.6.1周期性变化
26、根据地水位长期动态观测资料,地下水位显现出周期性变化特征,2004年1月至2006年10月,出现三次低水位值时间段和三次高水位时间段。从低水位开始到高水位出现大约需要半年时间，即矿区地下水变化周期约为6个月，地下水位变化与大气降雨关系密切。详见XX矿矿井涌水量与降雨量、地面水文观测孔水位关系曲线图（图2-2）。2.6.2降落漏斗的影响范围及形态目前，矿区实际排水量为20000m3/d左右。根据矿区地下水长期观孔资料，矿区内地下水位受大气降水影响较明显，高水位出现于雨季，低水位出现于枯水期或旱季，高水位与低水位时间变化周期约6个月，区内地下水位一年内最大变化幅度74.3m，最大波幅为11.00m
27、。从2005年3月开始至今，矿坑每天的排水量都是20000m3/d左右，但水文观测孔的水位都在正常范围内波动，矿区地下水位并没有因为长期排水而下降，实际上其排水量大致等于矿区地下水的补给量，地下水补给与矿坑排水基本处在一动态平衡过程中。依据地下水位观资料圈定的地下水位等值线图可以看出，降落漏斗平面形态椭圆形，其中以CK99、LX1、LX2和矿坑集中出水点四个观测孔点为基准，以CK99孔为边界，以矿坑集中出水点为最低水位，形成一走向近北东450南西向，水力坡度为0.23，长轴长约2000m、短轴长约1000m的椭圆形降落漏斗，降落漏斗的长轴方向代表了地下水的来水方向，即：西部矿体矿床充水主要来自
28、北东、西南方向。2.7地下水的补给、迳流和排泄矿区地下水的补给、迳流、排泄，严格受区域水文地质条件及矿区边界条件所控制。 在自然状态下，矿区地下水的补给，从宏观上看，以区域南部灰岩地下水侧向补给为主，地下水运动总的趋势是由南向北，由东向西。南部奥灰岩裸露区地下水，主要通过八里沟向斜翘起端进入区内，其中一部分由矿区东部边界的南段进入矿区，而主要量是进入泉河地段以泉的形式进行排泄，余量又通过矿区东部边界之北段和杜官庄缺口至杜官庄“天窗”以潜流的形式泄入汶河。详见XX矿矿区等水位线动态观测平面图2-2。南部寒武系灰岩裸露区地下水，通过东西向断裂带进入矿区（其中茂盛堂在地段是相对较强的渗透段）。这一方
29、向上的补给量进入矿区之后，其主量由南而北至牛王泉进行排泄，部分量沿接触带折向东，它与矿区东南方向上的来量汇流，至杜官庄“天窗”排泄。寒武系分布区的侧向来量，是矿区地下水的主要来水方向。另外，沿东西向断裂北侧灰岩零星出露地段，大气降水及地表集水将直接渗透补给矿区、石河渗漏段及西尚庄水库。从矿区极强强富水性的含水岩组的平面分布与空间组合关系分析认为，未来矿山矿床的充水水源，主要来自中奥陶系马家沟组（Q2m2 、Q2m4、Q2m6）纯灰岩裂隙岩溶水、矿岩接触带水，次为中等富水性（Q2m5）裂隙水及构造带水。矿床之外的极强强含水岩组主要通过分布在矿区四周的几个“缺口”补给矿区地下。因强含水岩组（层）受
30、中等弱富水的岩组层相隔，垂向渗透速度小于水平方向，因此，矿区地下水主要以水平方向补给为主。矿区地下水补给来自南部，出口在西北部的西尚庄，地下水相对较强的迳流带主要位于矿区的西南部、西部，以及东北部。需要强调的是，随着矿井的长期排水，矿区地下水动态平衡被破坏，原来的地下水迳流通道和排泄部位，都可能转变成矿床充水新的迳流通道和补给来源。2.8 矿坑涌水量预测2.8.1对以往矿井涌水量预测的分析1978年9月，山东省地质局第一地质队提交的山东省XX铁矿西尚庄矿区水文地质勘探报告中，利用数值法中的有限单元法进行计算，预计了整个矿区开采时的坑道水量，认为西矿区的0、号矿体最低疏干水平-300m标高，相应
31、疏干145天，疏干水量50000m3/d，“稳定”水量(历年最大降雨量丰水期)33922m3/d。从目前矿坑的涌水量来看，其预测的水量是符合实际的，但由于-305m水平至-255m水平的采准工程未实施，以后矿坑涌水量可能有增大的趋势。利用有限单元法进行计算矿坑涌水量预测的精度决定于预测的前提条件是否存在，预测方案是否合理，矿区内参数是否准确，边界条件处理、垂向补给的处理是否合理等。下面就这几方面的影响评价预测的精确程度。（1）假定北部的谷家台矿区，东部的业庄矿区处于疏干开采状态。业庄矿区从2001年以来，一直采用井下帷幕注浆的防治水施工方法，堵水率近100%，防治水工程已基本完工；矿山只是为了
32、满足生产和生活用水的需要，人为钻孔引水，其排水量一直维持在25003000m3/d，而且这二年中，该矿引水钻孔的涌水量明显减少，不得不补打引水钻孔来保持出水量。同时，谷家台从98年淹井至2005年初恢复，矿坑几乎没有进行排水，现在排水量为30004000m3/d，而且该矿以后也是采用井下帷幕注浆的防治水方法，其排水量也是有限的。因此，这个假设的前提条件不存在。（2）预测方案，按照东块段先开采疏干，西块段后开采疏干的方案进行预测。而实际情况正好相反，并且东块段的岩溶裂隙、溶洞较西块段更为发育，而对西块段预测疏干水量为50000 m3/d，是在东块段疏干到-150m水平而进行的。因此，这假设条件也
33、是不成立的。（3）对于矿区内的参数、边界条件和垂向补给等的处理是否合理，山东科大已作了分析，在此不再重复。2.8.2采用类比法进行矿坑涌水量预测XX铁矿与业庄铁矿、谷家台铁矿同属XX盆地，为一大的水文地质单元，都为隐伏接触交代型的矽卡矿床，矿床充水岩层为灰岩（大理岩）含水层，岩溶裂隙、溶洞较发育，地下水静动储量较充足，为大水矿山，水文地质条件都属复杂类型。虽然三个矿山可划分相对独立的水文地质小单元，但从业庄放水试验来看，XX矿与业庄、谷家台矿的地下水有一定的水力联系。因此，通过业庄矿和谷家台矿的矿坑涌水量预测进行类比XX矿的矿坑涌水量，相对而言是比较真实的、可靠的和合理的。业庄铁矿通过长时间大
34、流量的疏干放水试验，由中国地质大学经有限元、电网模型法预测矿坑-64m水平的涌水量为12万m3/d左右。谷家台矿在98年发生了“712”事件，井下遭遇大突水，最大瞬时突水量达3.8万m3h，其矿坑涌水量预测应在15万m3/d以上。由于业庄、谷家台矿是岩溶管道流充水的矿床，溶洞、岩溶裂隙发育，而XX矿从目前来看是属于岩溶裂隙充水的矿床，溶洞不甚发育，岩溶裂隙较发育，矿床充水都是来自南部灰岩地下水的补给。通过从岩溶溶洞裂隙发育程度、灰岩含水层的厚度、渗透系数、单位涌水量、静水压、地下水静动量、补给方向等方面进行对比，我们认为XX矿西部矿体在疏干到-305m水平时的最大矿坑涌水量为5万m3/d，是比
35、较符合实际的。 矿坑涌水量的计算预测是否准确与对矿区、矿床水文地质条件的正确认识程度有关，与设定的模型、公式、参数等诸多因素有关，而且这些因素又是相辅相成的。XX矿西部矿体矿坑正常涌水量可按33922m3/d考虑，突发灾害性涌水量可按5万m3/d考虑。综合上述，矿区南部、东部、北部三面被弱透水边界环绕，可作为一相对独立的水文地质单元。矿体顶板为大理岩含水层，岩溶裂隙、溶孔较发育，地下水动静储量较充足，含水层富水性极强强，其补给性较好，地下水具有较高的水头压力，矿山排水疏干有产生大面积地面塌陷、沉降的可能，水文地质边界复杂，矿坑涌水量预测达到5万米3/日，其矿区水文地质条件为复杂类型。3西部矿体
36、矿床顶板围岩水文、工程地质特征31西部矿体的围岩情况西部矿体是指XX矿西块段的I-2号矿体，其分布在勘探线8#至10#之间，长度约230m，走向为NE400左右，垂向上分布在-200m至-350m之间，垂高在100m以上，该矿体形状为“胃状”，中部水平最大厚度达100 多m，该矿体的周边几乎全部被大理岩含水层所包围，只有少量部位与闪长岩或矽卡岩相连，但上盘大理岩的厚度只有数米至20米左右，再外是规模大的闪长岩隔水岩体，底板大理岩厚度在50m范围内变化，岩溶裂隙普遍发育，在-305m水平采准工程施工过程中应预防底板突水的可能。32西部矿体采准工程中的涌水情况现西部矿体的主体开拓工程从-205m水
37、平至-305m水平已基本到位，并在-205m水平至-255m水平回采了几个矿房，在西部矿体采准工程中的涌水情况详见下表3-1，概括起来矿坑涌水有以下特点：（1）上盘矿岩接触带涌水：3#穿脉线的上盘矿岩接触带揭露后涌水最大达270m3/h，并伴随泥石流涌出；-205m水平上盘11#、12#矿房冒落带涌水达300 m3/h左右，以及-205m水平上盘14#矿房冒落带瞬时涌水达80 m3/h左右；在采准工程揭露上盘矿岩接触带附近时，基本上都能见到少量涌水或渗水，在接触带和大理岩中施工的巷道基本都是潮湿、滴水和涌水的状态；在对上盘顶板大理岩含水层施工的探水注浆钻孔情况来看，岩溶裂隙发育，含水丰富，钻孔
38、见水率高，单孔涌水量大（最大为100 m3/h）；从出水点分布情况来看，水点有成带状或线状分布的特点；并且，由于围岩的工程地质条件较差，遇水有软化膨胀的特点，出水点的水量常有突然变小或变大的现象 。 （2）下盘矿岩接触带涌水：矿房下盘围岩大多为大理岩，夹有少量闪长岩或矽卡岩，在-205m至-255m分段水平的下盘运输巷都在大理岩内，巷道大多是潮湿、渗水和涌水的状态；在-255m水平下盘运输巷8#勘探线以东见有冒落涌水点，涌水量为270 m3/h左右；在-305m水平原下盘运输巷见有冒落涌水点，涌水量为270 m3/h，导致巷道改道掘进；在-305m水平下盘运输巷、3#、4#和5#穿脉巷掘进过程
39、中，下盘矿岩接触带岩溶裂隙十分发育，含水丰富，钻孔见水率高，单孔涌水量大（100 m3/h）；由于矿体底板是大理岩，在-305m水平下盘运输巷掘进过程中底板涌水，涌水量为80 m3/h。（3）其它地段涌水：3#人行设备斜井附近及-255水平的12112矿块上盘矿房电耗道内见溶洞，有少量渗水；矿房-243凿岩巷道内见三个较大溶洞，未见水；在主井附近闪长岩多处见裂隙涌水，最大涌水量一般小于20m3/h。33矿体顶板围岩构造岩溶裂隙发育特征根据矿区水文地质勘探报告和现有的巷道钻孔资料分析，矿床顶底板大理岩含水层岩溶裂隙发育，含水丰富，是直接威胁矿床安全开采的充水岩层，其岩溶裂隙发育分布规律为：垂直方
40、向在-200m和-300m二个水平较其它水平更发育，主要由于在-200m水平附近，大理岩水平厚度突然变薄，被闪长岩和矿体侵入，而在-300m水平，矿体突然变薄，被大理岩和闪长岩侵入，都是构造多级活动导致该接触带岩石破碎、裂隙发育，形成一条富水性强、导水性好的地下水主迳流通道；在水平方向上，在矿体下盘矿岩接触带、矿床西南和西侧，以及矿体上盘矿岩接触带，岩溶裂隙十分发育，富水性强，导水性好，矿坑绝大部分的涌水点都分布于此，是矿区地下水进入矿坑的主要迳流通道，也是矿床防治水的重点地带。特别是在-200m和-300m水平左右，是矿体的顶、底板，矿体顶、底板大理岩通常有闪长玢岩、矽卡岩等穿插，岩脉附近的
41、大理岩较破碎，岩脉本身具有松软、易风化、稳固性差的工程地质特征，易发生冒顶塌方，并伴随泥石流和突大水的危险。矿岩上下盘接触带是大理岩含水层中的地下水进入矿床的主要迳流通道，矿岩上、下盘接触带的走向大致是近北北东方向或近东西方向。从巷道揭露和探水钻孔取芯的情况分析，矿体顶板大理岩含水层构造裂隙的走向大致为北东300左右，倾角为700左右，倾向西北。在-255m水平至-205m水平下盘运输巷的西南端掌子面探水钻孔注浆施工过程中情况表明，北东方向的岩溶构造裂隙发育，含水十分丰富，水力联系好。并且，从历年的矿坑排水量与地表水位观测孔动态关系而绘制的降落漏斗曲线图可知，在西部矿体形成了长轴方向为北东南西
42、、短轴方向为北西南东的疏干降落漏斗曲线图，也进一步说明了矿区外围地下水进入矿床的主要迳流方向是北东南西向，其构造岩溶裂隙的走向也应是以北东南西向为主。34顶板围岩地下水分布规律矿体顶板地下水主要是沿构造岩溶裂隙和接触带分布，根据大量的资料和现场调查分析，矿体顶板地下水有以下分布规律。 （1）地下水分布在矿体与闪长岩、矽卡岩的接触带附近，一般来说，水量较小，水点较分散，但由于风化的闪长岩和矽卡岩有遇水软化的特点，易发生冒落片帮的现象，应及时进行支护，对采准工程威胁不大。（2）地下水分布在矿体与大理岩、闪长岩或矽卡岩的接触带附近，开始时，水量较小，随着地下水的冲刷和闪长岩或矽卡岩的软化膨胀，大理岩
43、含水层中的岩溶裂隙水直接进入矿坑内，导致涌水量突增，并伴随着泥石流，如-205m水平上盘11#、12#矿房冒落带涌水（300 m3/h）涌泥，-255m水平3#穿脉巷涌水（300 m3/h）涌泥，-305m水平原下盘运输巷涌水（200 m3/h）涌泥，都是这种情况。其造成后果较为严重，对矿山的正常安全生产有很大的影响，现在矿坑大的出水点都是如此。（3）地下水分布在矿体与大理岩的接触带附近，是外围地下水通过大理岩含水层中的构造岩溶裂隙进入矿坑中主要迳流通道，含水丰富，静动储量较大，水压较高，涌水量大，如各个分段水平的下盘运输巷的西南端探水钻孔涌水（目前单孔最大涌水量为100 m3/h），-305
44、m水平下盘矿岩接触带超前探水钻孔涌水，以及-205m水平11#、12#矿房顶板大理岩中探水注浆钻孔涌水，其造成的后果最为严重，对矿山安全生产最为不利，甚至产生突水淹井的可能，是防治水工程的重中之重。35水力联系通过在-205m水平11#、12#矿房冒落带各个出水钻孔（点）的关（放）水试验，和在-205m水平至-255m水平下盘运输巷的西南端探水钻孔的群孔关（放）水试验，以及在-305m水平下盘运输巷掘进过程中涌水等试验资料分析，矿床内的各含水带有以下的水力联系特征。（1）矿体上盘接触带含水带与矿体顶板大理岩含水层的地下水水力联系较为密切，但由于闪长岩、矽卡岩具有隔水作用，只要确保其稳定或及时支
45、护，大理岩中的地下水是不易进入矿坑的。-205m水平12#、14#矿房冒落涌水涌泥和-255m水平3#穿脉巷冒落涌水涌泥都是人为破坏其稳定性，导致大理岩中的岩溶裂隙水进入矿坑的。（2）各水平分段下盘运输巷的西南端大理岩含水带与矿体上盘接触含水带的地下水水力联系不明显。在-205m水平至-255m水平下盘运输巷的西南端探水钻孔的群孔关（放）水试验过程中，冒落带及探水钻孔的涌水未见变小，但个别钻孔的水变混，这一点还需进一步证实。（3）各水平分段下盘运输巷的西南端大理岩含水带与矿体下盘接触含水带的地下水水力联系较为密切，通过对其探水钻孔注浆堵水，下盘运输巷内的一些出水小裂隙大都被封堵。(4)矿体顶板
46、大理岩含水层与各水平分段下盘运输巷的西南端大理岩含水带的地下水水力联系情况不清楚，从-205m水平各出水孔（点）情况分析，北东南西方向的构造岩溶裂隙较发育，含水丰富，而这两含水带实际上是同一含水层，只是在局部水力联系不是很顺畅。随着防治水工程的开展，定能发现其水力联系程度。总体来说，西部矿体矿坑各出水点的来源是顶板大理岩含水层中的岩溶裂隙水，主要构造导水裂隙的走向是北东南西向，各出水孔（点）都与之有关，有着或多或少的水力联系。36顶板围岩富水性分区从井下各出水点和已施工的探水注浆钻孔的情况分析可知：西部矿体矿床按涌水量大小可划为三个区。（1）强富水区（单孔涌水量50 m3/h以上）主要有三块地
47、段：一是-205m水平上盘接触带附近，二是-305m水平下盘接触带附近，三是各分段水平的西南端。（2）次富水区（单孔涌水量2050 m3/h）主要有各个分段水平的上、下盘接触带，各分段水平的西侧和各分段水平的南侧。（3）弱含水区（单孔涌水量20 m3/h以下）其它地段为弱含水区。37顶板围岩工程地质特征（1）闪长岩()闪长岩是矿区岩浆岩之一。产状向北、西、南方向倾斜。闪长岩、矽卡岩化闪长岩、蚀变闪长岩未受风化的闪长岩属较坚硬类岩石，抗压强度R=60.753109.43Mpa，裂隙少发育, 岩体坚固性完整性较好,巷道不需支护施工，建成的巷道稳定性较好，尚未出现帽顶跨帮现象，辉石闪长岩及含黑云辉长
48、岩等脉岩，分布范有限，对巷道的稳定性影响程度小。高岭土化蚀变较强的闪长岩岩，岩体破碎，岩石松软呈土状，工程强度极低，主要分布于矿体顶板，厚度不稳定，无规律性，该类岩石构成的矿体顶板稳定差，易生井巷冒顶事故。（2）矽卡岩带矽卡岩往往与大理岩接触，形成矽卡岩带，该带厚度与产状极不稳定，矽卡岩带羽状节理裂隙发育，岩石较矿碎，岩石松软。岩石工程强度低，在该类岩石中掘进或采矿应采取支护开采或采取防范措施。（3）大理岩大理岩是矿体主要围岩之一，R=44.45133.9Mpa，该岩石工程强度较高，井巷壁稳定。矿岩接触带大多为风化的闪长岩和矽卡岩，结构松散，强度低，且有遇水软化膨胀的特点，总体来看，矿体顶板围岩的工程地质条件差。4顶板帷幕注浆方案的确定41矿区帷幕注浆堵水国内外现状 我国幅员辽阔，灰岩分布广，岩溶矿床水文地质条件复杂，单纯采用疏干降压方法，不仅排水费用高，而且易引发地面塌陷、地下水资源枯竭等严重环境问题，如水口山铅锌矿、凡口矿、泗顶铅锌铁矿等，为此，我国矿山防治水工作者借鉴水电大坝灌浆经验开发出矿区注浆帷幕堵水技术。经过近40年实践、发展，我国矿区帷幕注浆堵水技术
