磷礦山豎井地質勘察及施工防治措施

王春江

中化地質礦山總局貴州地質勘查院，貴州 貴陽 550002

中國地大物博，蘊藏豐富的磷礦資源，但隨著工業發展需求的增加，加之新能源行業對磷礦的需求突然增大，導致中國磷礦資源產量也日益緊張，磷礦開采質量及產能受到國家高度重視[1-2]。深部礦山開采施工過程中，豎井施工十分關鍵，關系到磷礦開采產能和施工安全。在豎井施工前，需通過專項勘察后再選擇合適的施工方法，制定合理的施工方案，并結合工程所在區域水文地質條件制定防治措施，確保施工安全，為磷礦開采質量提供保障。

1 項目礦區概況

礦區位于貴州省甕安縣白巖背斜東翼，為深部隱伏礦床，地層總體呈向東陡傾斜的單斜構造，傾向110°～135°，傾角50°～80°，局部巖層直立、倒轉，周邊存在多個正在開采的礦山。場地主要地貌為峰叢溝谷與緩丘溝谷地貌，局部碎屑巖出露地區為侵蝕構造低中山地貌，場地地貌類型屬構造剝蝕低中山。發育F19 與F27 兩條逆斷層，規模較大但未破壞礦體，且屬相對阻水斷層。礦區地表水不發育，僅發育三條季節性沖溝，在沖溝源頭有小泉（0.1L/s）發育；地下水為巖溶裂隙（溶洞）水，賦存于燈影組白云巖中，以+210 標高為界，以下富水性弱，為彈性釋水層，以上富水性好，為直接充水含水層，流向為南南西向北北東徑流。

區內礦體賦存于陡山沱組，呈隱伏單斜層狀產出，礦體延展規模屬于大型，發育a、b 兩層礦。b 礦層賦存于陡山沱組上部，控制標高+1037.37～+275.12m，傾角50°～65°，礦層厚11.97～36.75m，平均19.83m，P2O5含量19.44%～33.72%，平均26.58%；a 礦層賦存于陡山沱組中下部，控制標高+976.72～+216.80m，傾角70°～87°（局部倒轉），厚 16.38～56.46m，平均 32.00m，P2O5含量21.16%～27.01%，平均23.69%。

開采方案為大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法；充填工藝為結充填法，充填材料選擇尾礦、廢石。

選擇+210～+260 標高水平（埋深約為1070～1020m）為首采區范圍，開采順序為至下而上。為達到高效開采目的，綜合考慮礦山井巷工程布置的合理性，確定運輸方案為豎井開拓運輸。擬在首采區北部建設豎井，用于礦石提升，該豎井具體特征參數見表1。

表1 豎井設計概況表Table 1 Profile of mineshaft design

2 磷礦山豎井水文、工程地質勘察

2.1 水文、工程地質勘察主要內容及工作流程

為擬建豎井工程開拓掘及設計提供所需的工程地質和水文地質資料，以及為后續的水害防治提供地質依據[3]，對磷礦山豎井進行專項水文、工程地質勘察工作?？辈斓闹饕獌热轂榈貙咏Y構、巖土物理力學性能、水文地質與工程地質條件、地質構造、地溫、地應力等。預測井筒內的涌水量及評價地下水對混凝土及鋼材等侵蝕性；提供地溫、地應力及巖爆資料。

具體工作流程為：施工前的資料收集與分析→地質調查→工程鉆探（采樣測試）→地球物理測井、地溫及地應力測量→抽水試驗→對場地進行綜合評價。

2.2 勘察工作布置及成果

2.2.1 鉆探工程

本次勘察設計在豎井中心布置1 個勘察孔，但由于場地限制，該勘察孔向西南方向偏移約16m（滿足規范及設計任務書要求偏離鉆孔中心不大于25m 的要求），通過實測獲取孔口坐標及高程。根據井筒底標高為+210m 確定勘察孔底標高為+200m，即鉆孔深度不小于1045m；要求鉆孔施工全孔取芯，終孔口徑不小于φ98mm，后續進行擴孔開展抽水試驗，擴孔后口徑不小于φ110mm，且滿足抽水試驗工藝及設備要求[4]。鉆孔布置詳見圖1。

圖1 鉆孔施工位置圖Fig.1 Location map of drilling construction

通過鉆探工程，詳細查明了豎井范圍內的地層厚度、巖土結構、地質構造、巖溶裂隙、靜止水位等情況，為后續工作提供了基礎依據。

2.2.2 采樣測試

本次工作從孔口至孔底采取不同深度代表性物理力學實驗樣48 組/240 件（單件長度0.2 米），其中白云巖30 組，同生角礫狀白云巖18 組。主要測試項目：飽和單軸壓強度、塊體密度、巖塊波速、內摩擦角、泊松比、彈性模量、彈性抗力系數等（表2），并單獨取巖樣做硬度（f）試驗。

表2 巖石主要參數統計表Table 2 Statistical table of main parameters of rock

通過以上采樣測試工作，詳細查明了豎井各巖組的物理力學參數，結合鉆探水文地質編錄，為豎井圍巖類別綜合評定及等級劃分提供了參數，為豎井支護設計及后期堆渣場的規模提供了相應依據[5]。另外，本次工作抽水試驗時最后一個降深取兩件水樣做水質全分析[6]。分析成果為：地下水類型為HCO3-Ca·Mg 型硬水，地下水水對混凝土結構具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋在干濕交替條件下具微腐蝕性，在長期浸水條件下具微腐蝕性。

2.2.3 地球物理測井

本次測井項目為三側向電阻率、人工鹽化電阻率、自然電位、自然伽瑪、伽瑪-伽瑪、井斜等測井。本次地球物理測井工作，通過物性分析劃分了豎井地層、巖性、構造破碎帶；通過水文地質分析，劃分含水層出水點位置（人工鹽化測井曲線解譯的地層中含水層的出水點位置見圖2）；通過配套資料處理系統軟件，對采集到的數據進行處理計算，利用多種參數對全孔進行綜合分析，做出測井剖面解釋，編制“全孔解釋成果圖”。

圖2 井含水層曲線圖Fig.2 Curve diagram of aquifer of the well

2.2.4 地溫及地應力測量

井溫是采礦環境及豎井施工環境的重要指標，是工程設計重要參數，本次按20m/次間距測量井溫，孔底溫度為26.5℃，井溫偏低，結合周圍礦山井巷開采溫度，建議井底溫度按37℃，為Ⅰ級熱害。

地應力是工程巖體穩定性分析及工程設計的重要參數，為了解本次豎井施工的圍巖穩定性以及分析巖爆的可能性，本次勘察進行地應力測試及巖爆分析.主要采用交叉偶極子陣列聲波方法進行測量[7]。地應力及井溫參數如表3 所示。

表3 其它參數統計表Table 3 Statistical table of other parameters

2.2.5 抽水試驗

抽水試驗的目的是查明地下水類型、含水層含水性、水質等指標參數，繼而預測井筒內的涌水量、涌水的水質分析與評價（水對混凝土鋼材腐蝕性）。本文工程抽水試驗場地為單一含水層，進行一層次三降深的穩定流抽水試驗，并在抽水試驗最后一個降深采取水樣。抽水試驗相關曲線見圖3。

圖3 Q-f（S）、q-f（S）曲線圖Fig.3 Q-f（S）、q-f（S）curve graphs

通過抽水試驗計算，建議滲透系數取值0.01864（表4）。

表4 抽水試驗計算統計表Table 4 Statistical table of pumping test calculation

2.2.6 豎井涌水量預測

施工場地域巖層產狀傾角大于80°，計算模型時按垂直巖層考慮合理。通過鉆孔巖芯水文地質編錄結果及測井數據成果，白云巖在縱向上除+200m 高程以內見較大溶洞外，其余主要是細小溶孔和溶隙，巖溶程度（富水性）隨深度減弱，在+200m 高程以下，富水性很弱，可視為相對隔水層，僅彈性釋水。建立計算模型時，將燈影組巖溶含水層合理的視為有限厚度的含水層；相關參數均為本次抽水試驗取得，數值合理可信[8]。對帶狀含水層兩條平行邊界的處理，采用映射原理，最終按均質無限含水層潛水完整井穩定流計算[9]。

通過對三次不同分段結算結果分析可知，深度越深，滲透系數值越小，滲透系數也位于0.01864～0.03583m/d，涌水量值也位于1843.96～5270.42 m3/d，變化較大。

最終按均質無限含水層潛水完整井穩定流計算，最終建議豎井施工至+585.5m 標高，豎井涌水量取值1843.96m3/d；豎井施工至+346.85m 標高，豎井涌水量取值2537.05m3/d；豎井施工至+200m 標高，豎井涌水量取平均值4404.92m3/d。

3 磷礦山豎井施工注意事項及防治措施

3.1 防止水注意事項及防治措施

通過以上水文地質勘察工作，查明本次勘探區位于條帶狀地下水系統之中，與豎井充水有關的含水巖組為燈影組白云巖巖溶含水層，但富水性以+210m 標高為界，上部富水性強為主要充水層，下部為富水性弱為彈性釋水層；+210m 標高上下含水層地下水的補給、徑流和排泄等特征差異較大，可根據實際情況制定有針對性的防治策略。具體如下：

（1）根據前期探查結果獲知的富水區域導水通道的位置（+200m 標高以上），并結合力學原理和巖層厚度的基本規律進行性能測試。通過測試分析，將短時間內水壓無法下降的區域定為堵水段，在確定堵水段后，可以在水害事故發生前就開展堵水工作，從源頭上消除水害隱患。對于較淺的巖層，在進行開采時需要事先布設全面的排水設施，在回采作業面旁挖出截水巷，將上部水攔腰截斷，有效改善豎井的涌水現象。這樣不僅可以減小回采面的承載壓力，還能在排水上節約成本，減輕排水壓力[10]。

（2）本勘察區地勢較高且無地表水體通過，含水層富水性整體較弱，可不做疏水工作。但若勘察區地勢低洼且有地表水體通過，區域富水性強的情況，建議為了減少地表水的水量和匯水面積，要對地表水區域加大疏水力度，避免地表水向豎井地下作業面區域持續下滲。豎井作業前，就要先在富水區鉆設多個疏水孔，經過長時間的疏排完成疏水工作，從而對承壓水頭實施降壓操作。

（3）根據測井曲線分析，豎井建設可能遇到少量不了解具體情況的出水點（深度410m位置），對于此類出水點突水位置，就要合理應用探放水手段。在區域內布設探水孔，獲得區域內積水量、積水范圍、水壓等相關信息，最后通過探測得到的信息有針對性地制定排水方案[11]。

（4）根據涌水量分段預測結果，建議豎井設計中，科學合理地選擇抽排水位置，并配置與之對應的抽排水設備。

綜上，豎井施工當井筒穿過含水地層時，必須堅持“有疑必探，先探后掘”的原則，其次為提高工程質量，確保施工安全，改善作業環境，對井筒施工中可能出現的涌水，實施“封、堵、截、導”等綜合治水措施，為實施打“干井”創造條件。具體措施根據實際涌水情況另行上報專門治水方案。

3.2 其它注意事項及防治措施

由于井筒較深，受到地質構造的影響，工程地質條件復雜。井筒施工將遇到破碎帶或不良巖層。應在凍結段施工末期，提前認真研究鉆孔地質報告，找出斷層、破碎帶及不良巖層所處位置，并針對不同的情況預先制定防治措施。具體內容如下：

首先，采用短掘短砌、多打眼少裝藥、多次多段位起爆的方式，盡可能提高光面爆破指標，盡量減小開挖爆破對圍巖的擾動影響，以此來保障圍巖完整性和穩定性，充分利用其自身的抵抗能力；

其次，采用管縫錨桿及時噴漿掛網支護，掘進開挖后立即進行第一層錨桿噴射混凝土支護，充分體現噴射混凝土的密貼性，封閉圍巖裂隙和防止圍巖松動，提高圍巖自承能力，并利用噴錨網支護釋放地應力，讓圍巖適當變形放壓；

最后，當井筒變形穩定時，迅速進行第二層鋼筋混凝土支護，增加支護強度，保證結構安全穩定，以此對豎井施工斷層、破碎帶采取有針對性的處理措施。

4 結束語

綜上所述，目前淺部資源開發利用已經較深，加之受到復雜地質環境及更高環保要求的制約，礦山逐漸由露天向地下、淺部向深部開采，豎井將越來越重要。但豎井施工面臨較多挑戰，而先進的地質測量技術和科學的地質勘察能夠為豎井施工提供科學的參考依據，對于保障礦產開采質量具有重要意義。在礦山豎井施工前工作人員要加強對水文地質、工程地質條件的全面勘察，全面分析引發事故的具體因素。根據水害、不良地質作用特點，結合對其來源、貯存方式等方面的綜合分析，提出針對性防治方案，開展具體的礦山豎井水害、不良地質防治工作，并在此過程中加強監督管理，確保施工安全。此探討豎井水文、工程地質勘察及豎井施工注意事項及防治措施對礦山豎井勘察與施工提供經驗和參考。