汪 磊, 金翔霖， 敖前勇， 楊勝貴， 羅云洪， 葛正枝， 程永波, 張 健

(1.貴州省地礦局113地質(zhì)大隊(duì)， 六盤水 553001； 2.六盤水市國土資源局鐘山分局， 六盤水 553001)

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貴州赫章縣珠市鐵礦山礦井突水機(jī)制研究

汪 磊1, 金翔霖1， 敖前勇1， 楊勝貴1， 羅云洪1， 葛正枝1， 程永波1, 張 健2

(1.貴州省地礦局113地質(zhì)大隊(duì)， 六盤水 553001； 2.六盤水市國土資源局鐘山分局， 六盤水 553001)

貴州地區(qū)巖溶普遍發(fā)育，巖溶區(qū)礦產(chǎn)資源豐富。由于含礦層及上下部地層含水性強(qiáng)至極強(qiáng)，礦產(chǎn)開采過程中水害問題突出。大型地下堰塞水體是形成礦井突水的主要水體之一，因其隱蔽性高，防范難度極大。闡明大型地下堰塞水體成因及其形成礦井突水的特點(diǎn)，對礦山生產(chǎn)防水治水有重要意義。以赫章縣珠市鐵礦山2015年“11·22”突水事故為例，在對突水礦井開展技術(shù)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山水文地質(zhì)條件，通過對斷層構(gòu)造部位的巖溶發(fā)育特點(diǎn)、地下水徑流、賦存狀態(tài)以及形成礦井突水的水源類型、各類水體形成突水特征等分析，揭示了巖溶區(qū)大型地下堰塞水體的形成機(jī)制； 闡明了該類水體形成礦井突水的一般特征及突水征兆； 明確了造成赫章縣珠市鐵礦山礦井突水的水源為大型地下堰塞水體，事故系礦井爆破掘進(jìn)過程中揭穿大型地下堰塞水體下部巖溶管道所致。大型地下堰塞水體形成礦井突水有其獨(dú)特性，針對性地開展礦井防治水工作，及時(shí)采取合理、有效的防治水措施意義重大。

斷層； 偏蝕作用； 地下堰塞水體； 礦井突水； 巖溶； 貴州赫章

0 引言

貴州地區(qū)巖溶普遍發(fā)育，巖溶區(qū)鉛鋅、鐵、銅、煤等礦產(chǎn)資源豐富[1-2]。由于含礦層及上下部地層含水性強(qiáng)至極強(qiáng)[3-5]，受巖體溶蝕作用影響，礦產(chǎn)開采過程中水害問題突出、類型多樣。大型地下堰塞水體是形成巖溶區(qū)礦井突水的主要水體之一，因其隱蔽性高，礦山勘查階段對其空間分布、規(guī)模、淤塞積水情況等無法取得詳盡數(shù)據(jù)，同時(shí)前人在該方面的研究也相對較少。因此，開展巖溶區(qū)大型地下堰塞水體形成機(jī)制研究，闡明該類水體對礦井形成突水的特點(diǎn)，對礦山生產(chǎn)防治水、避免井下突水事故的發(fā)生具有重要意義。本文以赫章縣珠市鐵礦山2015年“11·22”突水事故技術(shù)調(diào)查成果為支撐，在對礦山前期相關(guān)勘查資料綜合整理、分析基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山水文地質(zhì)條件，著重探究巖溶區(qū)大型地下堰塞水體的形成機(jī)制，闡明該類水體形成突水的一般特征及征兆，為礦山針對性地防范該類突水事故的發(fā)生提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于軸向NE-SW向的鐵礦山—張口洞背斜水文地質(zhì)單元的北西端，單元內(nèi)岀露地層主要有泥盆系(D)、石炭系(C)、二疊系(P)、三疊系(T)和第四系(Q)。除二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖為火山噴出巖外，以沉積巖為主[6-9]。

區(qū)內(nèi)沉積巖分為陸源碎屑巖和碳酸鹽巖2類。陸源碎屑巖以砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤等為主，含基巖裂隙水，含水性普遍較弱，具有就近補(bǔ)給、短徑流和就近排泄的特點(diǎn)； 碳酸鹽巖主要以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖為主，溶蝕裂隙、管道發(fā)育，含巖溶水，含水性強(qiáng)至極強(qiáng)，具有易補(bǔ)給、長徑流和集中排泄的特點(diǎn)。火山巖主要為噴出性凝灰?guī)r、玄武巖，巖石致密堅(jiān)硬，巖層透水性、含水性很差。

單元內(nèi)地下水的補(bǔ)給主要來源于大氣降水。受地形條件、地層裂隙、節(jié)理發(fā)育程度等因素控制，碎屑巖分布區(qū)地層接受大氣降水補(bǔ)給能力總體較差，碳酸鹽巖分布區(qū)由于巖溶發(fā)育，大氣降水、地表溪流可通過落水洞等通道迅速轉(zhuǎn)入地下成為地下暗流系統(tǒng)。

1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

1.2.1 含水層特征

根據(jù)含水巖層的巖性、含水介質(zhì)組合特征及水動力條件，研究區(qū)地下水可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和碎屑巖基巖裂隙水3類。

(1)松散巖類孔隙水含水巖組(Q)。主要為坡積、殘坡積物，巖性由耕殖土、黃色黏土等構(gòu)成。多覆蓋于平坦低凹處，厚0～30 m。該類含水層厚度小，零星分布，含水性弱或不含水。

(2)基巖裂隙水含水巖組。包括泥盆系下統(tǒng)邦寨群(D1b)、中統(tǒng)猴兒山組(D2h)和二疊系中統(tǒng)梁山組(P2l)。巖性主要為黏土巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖及砂巖等。巖體裂隙發(fā)育程度較低，含基巖裂隙水，含水性弱。

(3)碳酸鹽巖類巖溶水含水巖組。包括泥盆系中統(tǒng)獨(dú)山組(D2d)、上統(tǒng)佘田橋組(D3s)、上統(tǒng)錫礦山組(D3x)，石炭系下統(tǒng)舊司組(C1j)、上司組(C1s)、擺佐組(C1b)、上統(tǒng)黃龍組(C2h)、馬平組(C2m)及二疊系中統(tǒng)棲霞組—茅口組(P2q+m)。巖性主要由白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r組成。該類巖組巖溶裂隙和管道發(fā)育，含巖溶水，含水性強(qiáng)至極強(qiáng)。

1.2.2 含水層、隔水層組合特征

區(qū)內(nèi)泥盆系下統(tǒng)邦寨群(D1b)和中統(tǒng)猴兒山組(D2h)因夾有厚度不等的頁巖，具有一定隔水作用； 石炭系下統(tǒng)舊司組(C1j)巖性為泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r與頁巖互層，厚度較大，巖層節(jié)理裂隙不發(fā)育，含水性弱，為區(qū)內(nèi)主要隔水層。

區(qū)內(nèi)含水層和隔水層具有相間組合特征，以隔水層為分界，上、下主要含水層分別成為相對獨(dú)立的地下水循環(huán)系統(tǒng)。

1.2.3 補(bǔ)、徑、排基本特征

研究區(qū)屬中、低山溶蝕地貌，地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水。由于碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶發(fā)育，地表巖溶洼地、漏斗和落水洞分布廣泛，大氣降水可經(jīng)由溶洞、落水洞等通道迅速轉(zhuǎn)入地下，對隔水層上部地下水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)給，并由分水嶺地帶向地勢低洼處徑流。此外由于區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，在斷層切割隔水層地帶，上部含水層中的地下水得以經(jīng)由斷層破碎帶進(jìn)入下部地下水循環(huán)系統(tǒng)，從而對隔水層下部含水層進(jìn)行補(bǔ)給。研究區(qū)地下水在地層中完成徑流后，于局部地勢低洼地帶構(gòu)造切割之處，以泉的形式進(jìn)行排泄。

2 地下堰塞水體形成機(jī)制

2.1 斷層構(gòu)造

研究區(qū)位于蟒洞斷裂帶中部，斷層構(gòu)造發(fā)育。構(gòu)造輪廓為1個(gè)由F1和F2斷層組成的“人”字型構(gòu)造，平面上略呈三角形、向南東開闊的構(gòu)造形態(tài)。F1逆斷層長約4 km，傾向南—南西，傾角70°，破碎帶寬5～8 m，兩端延出區(qū)外； F2逆斷層長約12 km，傾向南西—西，傾角72°，破碎帶寬5～10 m，兩端延出區(qū)外。

2.2 斷層構(gòu)造對本區(qū)巖溶發(fā)育的影響

研究區(qū)碳酸鹽巖普遍發(fā)育，巖體溶蝕作用強(qiáng)烈。在地下水的長期溶蝕和沖刷作用下，沿地下水徑流方向一定范圍內(nèi)，巖體內(nèi)形成了形態(tài)各異的地下隱伏空洞，并在局部近地表地帶引發(fā)塌陷。

影響巖溶發(fā)育的因素主要有氣候、巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造運(yùn)動及地下水的溶蝕力和活動強(qiáng)度等，不同地區(qū)各種影響因素主導(dǎo)性存在較大差異。就本區(qū)而言，沿?cái)鄬幼呦蛞欢ǚ秶鷥?nèi)，地表落水洞和溶斗等呈串珠狀分布，充分說明斷層構(gòu)造對大型地下溶蝕空洞的形成起著決定性的作用[10-13](圖1)。

由于斷層構(gòu)造的發(fā)育，斷層本身及其兩盤都有許多寬窄不等的裂隙，地下水在寬大及細(xì)小裂隙中滲流，產(chǎn)生壓力差，導(dǎo)致地下水在滲流過程中發(fā)生偏蝕作用，越寬大的裂隙地下水的流量越大、流速越快，水交替活動越頻繁，進(jìn)而導(dǎo)致溶蝕作用加劇，使寬大裂隙變得更寬暢； 而細(xì)小裂隙中的地下水流量小流速慢，易為沉淀物質(zhì)阻塞而致導(dǎo)水性逐漸變差，以致最后淤塞而不導(dǎo)水，使地下水集中到寬大裂隙之中徑流。此外，地下水及其所攜帶的細(xì)小微粒在流動過程中，對巖體也有沖刷、磨蝕作用。地下水的長期偏蝕、沖刷是形成大型地下空洞的重要因素(圖2)。

2.3 地下堰塞水體的形成

研究區(qū)地下水天然狀態(tài)下自北東向南西徑流，途中受到F1斷層影響，徑流方向受到改變，沿F1斷層形成集中徑流帶。在地下水的長期偏蝕、沖刷作用下，沿該斷層走向一定范圍內(nèi)形成了一系列大小不一、坡度高低不勻、形態(tài)各異的空洞。地下水一方面自高向低徑流，另一方面，當(dāng)局部空洞下部徑流通道被沉淀物質(zhì)淤塞時(shí)，地下水于其中自然蓄積，便形成了地下堰塞水體。

3 突水水源類型及突水特征

礦井突水是威脅礦山生產(chǎn)的主要安全隱患之一。一般說來，形成礦井突水的水源主要來自以下3個(gè)方面： 采空區(qū)積水、地表水和強(qiáng)含水層中的地下水。各類水源所形成的礦井突水有其獨(dú)特特征。

3.1 采空區(qū)積水

指無序開采遺留的廢棄老硐或礦井采掘工程結(jié)束后形成的采空區(qū)積蓄的水體。該類水體形成突水后，具有水體壓力大、瞬時(shí)流速大和破壞力巨大的特點(diǎn)。水體攜帶物主要來源于老硐和老礦井采掘殘留巖塊，因缺乏遠(yuǎn)距離搬運(yùn)過程，巖塊無磨圓，棱角分明。

3.2 地表水體

指礦井附近的地表河流和水庫等。礦井掘進(jìn)過程中揭穿聯(lián)系地表水體的地下通道，將導(dǎo)致大量水體突入井巷。該類水體形成突水后，具有水體壓力大、水量大及不易疏干的特點(diǎn)。水體攜帶的砂石顆粒成分復(fù)雜，具不同程度的磨圓。

3.3 強(qiáng)含水層中的地下水

研究區(qū)礦體產(chǎn)于泥盆系中、上統(tǒng)碳酸鹽巖地層中，為熱液菱鐵礦, 礦體呈脈狀、透鏡狀產(chǎn)出，屬隱伏礦床。含礦層及其上、下部地層均屬含水性強(qiáng)的碳酸鹽巖類巖溶含水層。按地下水體的賦存狀態(tài)，本區(qū)對礦井形成突水的地下水又可分為集中徑流帶中的地下水和大型地下堰塞水體2種類型。

3.3.1 集中徑流帶中的地下水

地下水于斷層帶、大型裂隙破碎帶或巖溶管道等通道中集中徑流，水體流量大，水體壓力相對較小。形成突水后，破壞力較小，但不易抽排，后續(xù)搶險(xiǎn)救援工作不易開展。該類地下水由于徑流空間寬大，徑流距離較遠(yuǎn)，水體可攜帶一定數(shù)量的砂石，砂石成分較復(fù)雜，具有一定程度的磨圓。

3.3.2 大型地下堰塞水體

如前所述，地下水蓄積于大型地下巖溶空洞之中，水體壓力大，瞬時(shí)流速大，破壞力巨大，但總體水量有限，易疏干，后續(xù)搶險(xiǎn)救援工作較易開展。該類地下水同樣具備徑流空間寬大，徑流距離較遠(yuǎn)的特征，水體攜帶的砂石成分較復(fù)雜，具有一定程度的磨圓。

4 礦井突水分析

4.1 礦井突水水源分析

經(jīng)實(shí)地調(diào)查，礦區(qū)范圍及周邊無較大地表水體，老采空區(qū)及廢棄老硐未見大規(guī)模積水，第四系松散層含水性弱或不含水，含礦層及其上、下部地層均屬含水性強(qiáng)的碳酸鹽巖類巖溶含水層。本次發(fā)生突水的永興2#井風(fēng)井平巷突水點(diǎn)位于F1斷層北東盤，標(biāo)高2 082.69 m，突水點(diǎn)與斷層之間地表見有1#、2#、3#共3個(gè)塌陷點(diǎn)，說明突水點(diǎn)旁側(cè)存在地下水集中徑流帶。突水事故發(fā)生后，礦山組織搶險(xiǎn)救援，經(jīng)5 d的連續(xù)抽排水，共計(jì)抽排水量約4.5萬m3，井下積水全部疏干，突水點(diǎn)水體呈現(xiàn)正常徑流狀態(tài)，其流量約為12.0 L/s； 距突水點(diǎn)約100 m處的巷道之中見少量卵石，磨圓中等，粒徑 為0.5～5.0 cm，淹沒區(qū)巷道壁多見粉狀附著物，巷道底板多見粉狀—細(xì)粒狀沉積物[14](圖3)。

分析認(rèn)為，永興鐵礦2#井突水點(diǎn)旁側(cè)存在1個(gè)大型地下堰塞水體，永興鐵礦2#風(fēng)井平巷爆破掘進(jìn)過程中揭穿堰塞水體下部巖溶管道，造成了永興鐵礦2#井突水事故的發(fā)生(圖2，圖3)。礦山抽排水資料顯示，該地下空洞規(guī)?！?.5萬m3。

4.2 礦井突水征兆

礦井突水前，突水點(diǎn)附近一般會出現(xiàn)巖壁“掛汗”、“掛紅”、 發(fā)潮和發(fā)暗等現(xiàn)象，空氣溫度下降、產(chǎn)生霧氣，水叫、淋水加大、頂板來壓、出現(xiàn)壓力水流(水線)等預(yù)兆。據(jù)調(diào)查，本次事故發(fā)生前，永興鐵礦2#風(fēng)井平巷掘進(jìn)工作面下方巷道底板曾出現(xiàn)壓力水線，并見有少量霧氣產(chǎn)生，未引起重視，仍然繼續(xù)爆破掘進(jìn)，結(jié)果導(dǎo)致旁側(cè)大型地下堰塞水體下部巖溶管道被揭穿，大量地下水在超強(qiáng)壓力下突入井巷，進(jìn)而形成災(zāi)害事故。

5 結(jié)論

(1)由于斷層構(gòu)造的發(fā)育，地下水沿?cái)鄬悠扑閹Ъ袕搅?，在地下水的長期偏蝕、沖刷作用下，沿?cái)鄬幼呦蛞欢ǚ秶鷥?nèi)形成了地下空洞。局部空洞下部徑流通道被沉積物質(zhì)淤塞，地下水自然蓄積，形成了地下堰塞水體。

(2)大型地下堰塞水體形成突水后，具有水體壓力大、瞬時(shí)流速大和破壞力巨大的特點(diǎn)，但總體水量有限，易疏干，后續(xù)搶險(xiǎn)救援工作較易開展。該類地下水具備徑流空間寬大和徑流距離較遠(yuǎn)的特征，水體攜帶的砂石成分較復(fù)雜，具有一定程度的磨圓。

(3)礦井發(fā)生突水前，突水點(diǎn)附近一般會出現(xiàn)種種預(yù)兆。赫章縣珠市鐵礦山“11·22”突水事故系對突水征兆未及時(shí)警覺并采取相應(yīng)防范措施，仍然繼續(xù)爆破掘進(jìn)，結(jié)果導(dǎo)致了災(zāi)害事故的發(fā)生。

(4)大型地下堰塞水體形成的礦井突水有其獨(dú)特性，礦山生產(chǎn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)礦區(qū)水文地質(zhì)條件研究，針對性地開展礦井防治水工作，采取及時(shí)、合理、有效的防水治水措施，以避免災(zāi)害事故的發(fā)生。

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(責(zé)任編輯： 劉永權(quán))

Investigation of water inrush mechanism in iron mine, Zhushi, Hezhang County, Guizhou Province

WANG Lei1, JIN Xianglin1, AO Qianyong1, YANG Shenggui1, LUO Yunhong1, GE Zhengzhi1, CHENG Yongbo1, ZHANG Jian2

(1.No.113GeologicalParty，GuizhouBureauofGeologicalExploration，Liupanshui553001，China； 2.ZhongshanBranch,LiupanshuiBureauofLandandResources,Liupanshui553001，China)

The Karst areas are widely distributed in Guizhou and rich mineral resources are distributed in these areas. Because of the high water abundance in the mineral layers and its top and bottom strata, the water hazard issues are quite critical in mine exploration. Large underground damming water body, being difficult to prevent for the high invisibility, is one of the major water bodies which cause the pit water inrush. It has important signficance for preventing the water hazard in the mining to clarify the causes and pit water inrush mechanism of large underground damming water body. Taking the 11·22 pit water inrush accident in Zhushi iron mine of Hezhang as an example, the authors made technology survey in pit water inrush. On the basis of analyzing Karst features on fault, underground run-off, presence status, water source types and various water body characteristics of pit water inrush, combining with the mine hydrogeological conditions, the authors revealed the formation mechanism of large underground damming water body in the Karst area, and clarified the characteristics and symptoms of pit water inrush. And it is concluded that water source of pit water inrush in Zhushi iron mine is large underground damming water body. The accident is caused by the Karst conduit break of large underground damming water body in excavation. The pit water inrush characteristics of large underground damming water body are unique. It is significant to carry out the work for preventing the pit water inrush, and take reasonable and feasible means in time.

fault; partial eclipse effect; underground damming water body; pit water inrush; Karst; Guizhou Hezhang

10.19388/j.zgdzdc.2017.02.10

2016-05-25；

2016-10-17。

貴州省國土資源廳“貴州省巖溶地下水賦存規(guī)律與找水關(guān)鍵技術(shù)研究(編號： 黔科合[2016]05號)”項(xiàng)目資助。

汪磊(1970—)，男，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面的工作及研究。Email： 1518480665@qq.com。

汪磊,金翔霖，敖前勇，等.貴州赫章縣珠市鐵礦山礦井突水機(jī)制研究[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2017,4(2): 78-83.

TD745； P641.54

A

2095-8706(2017)02-0078-06