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中国岩溶充水矿床的水文地质特征基于《水文地质勘察》

2023-09-18 理论教育 版权反馈
【摘要】：在中国北方石炭二叠纪煤田中,约有149.71亿t受岩溶水威胁而不能开采,其中水量最大的是太行山东麓、南麓及鲁中地区。1954年12月5日林西矿突水引起塌陷两处。

矿床开采时以岩溶水为主要充水来源的矿床称为岩溶充水矿床。这类矿床几乎遍及中国非干旱地区,分布最多的是在中国东部。

11.2.1.1 溶隙充水矿床

溶隙充水矿床主要分布于中国秦岭—大别山—淮河以北,中朝准地台大地构造单元的大部地区,属于半干旱亚湿润气候。这类矿床主要有华北石炭纪煤田及铝土矿,部分二叠系煤田,矽卡岩型铁矿,还有一些地区的非金属矿等。与矿床有关的岩溶含水层有前元古界、元古界中上统、寒武系中上统、奥陶系中下统和石炭系中上统,其中以奥陶系中下统为最重要的岩溶含水层。

1.主要水文地质特征

(1)岩溶水系统以规模巨大的泉域为主,具有巨大的天然资源和储存资源[18]。

(2)岩溶含水介质空隙空间以溶隙为主,形成溶隙网络系统。

(3)岩溶水系统之中强径流带广泛发育。

(4)断层的水文地质作用特征明显。

(5)岩溶陷落柱发育。

2.矿坑涌水量的控制因素

溶隙充水矿床矿坑涌水量的大小取决于以下几个方面:

(1)矿床所在的岩溶水系统的大小。

(2)矿床所在岩溶水系统中的部位。

(3)矿床开采过程中岩溶水位降低的程度。

(4)岩溶含水层的岩溶发育及富水程度。

(5)矿床与区域岩溶水的关系,即矿床在开采过程中,矿坑涌水是否会得到区域性岩溶水的补给。

3.矿床开采中的水文地质问题

(1)矿坑涌水量大,突然发生大面积涌水。在中国北方石炭二叠纪煤田中,约有149.71亿t受岩溶水威胁而不能开采,其中水量最大的是太行山东麓、南麓及鲁中地区。受岩溶水威胁而未列入建设规划的铁矿储量约有8.5亿t,其中不少为储量超过5000万t的大型富铁矿[20]。对于此类矿床开采,矿坑突然涌水则是最严重的问题。自新中国成立以来至1988年,北方已发生岩溶水灾害性突水事故130次,淹没矿井50次,局部淹井70次,直接经济损失达30亿元以上[20]。

(2)底板突水严重。底板突水除小部分是由于隔水底板太薄,不能承受水压和矿压而造成突水外,大部分与断裂有关。底板突水一般经过三个阶段:首先,坑道底板鼓起,有时甚至堵住坑道;随后,水流从裂隙中小股流出,水一般呈黄色混浊状;最后,水从鼓破底板大量涌出,有时还伴随着底板的爆破声。突水过程有的时间很短,几小时就完成,有的经过几十小时、几天,甚至个别的经过几年时间才完成这个过程。例如开滦赵各庄九水平一石门岩石风道开拓12年没有突水迹象,1972年3月3日东Ⅲ断层出现淋水现象,5日开始涌水水量64.8m3/d,随水流冲出矸石175m3,7日凌晨水量增至220.2m3/d,又喷出矸石1000m3,至3月15日突水量达最大值3162.0m3/d,突水大时伴有冲击地压[4]。

(3)矿山排水与供水矛盾突出。此类矿床矿坑涌水量普遍较大,甚至难以开采,而另一方面矿区及附近村镇城市供水问题却日趋紧张。一方面缺水,而另一方面排出来的矿坑水没有得到充分利用。

(4)华北东部地区岩溶塌陷问题严重。唐山开滦矿区多次发生矿坑突水,岩溶水位下降引起岩溶塌陷。早在1914年6月2日唐山矿西北井矿坑突水曾引起雷庄陡河河床塌陷,1920年矿坑突水重复塌陷。1954年12月5日林西矿突水引起塌陷两处。1984年6月2日范各庄矿突水,水量最大时达12.32万m3/d。突水点水位由+7m降到-310m,降深317m,引起周围岩溶水位大幅下降,向北距12.5km的开平二中观测孔水位下降51.44m,向南影响到钱家营以南,水位下降了22m,影响范围南北达25km,面积约84km2;第四系含水层水位由突水前的-17.2m下降到-34.9m,在突水点以北3～7km范围内奥陶系灰岩隐伏露头区地面彭家塔坨至林西机厂一带出现地面塌陷坑17个,其直径一般10m左右,坑深一般3～10m不等,以后有几个塌陷坑连成一片[22]。

11.2.1.2 溶洞充水矿床

溶洞充水矿床主要分布于秦岭—大别山—淮河以南广大地区,在大地构造上处于华南褶皱系及扬子准地台的东北部。中国南方的晚二叠世煤田和部分早三叠世煤田,长江中、下游的铜、铁矿床,广东、广西、福建、浙江的热液及接触交代型铁矿、铅锌矿,西南许多地方的铝土矿,云南部分第三系褐煤田很多属于这种类型[17]。

与矿床充水有关的含水层有震旦、寒武、奥陶、泥盆、石炭、二叠、三叠系等,一般水文地质条件较简单。泥盆系和石炭系碳酸盐岩岩溶很发育,对矿床影响最大。

1.主要的水文地质特征

(1)以小型岩溶水系统为主,其水量补给和贮存一般都比较小,但是降水强度较大,入渗强烈,加上岩溶塌陷,地表水灌入,成为某些矿区水患的主要原因。

(2)岩溶含水介质形态组合特征以地下溶洞、溶隙、溶孔等为主,局部存在岩溶管道,并以溶洞为主,形成溶洞网络系统。

(3)溶洞充填现象普遍,特别是浅部的较大溶洞,多半被松散物质充填或半充填。

2.矿坑涌水量的控制因素

本类矿床的矿坑涌水量一般以小和中等为主,超过5万m3/d的较少,最大威胁来自雨季地表水沿塌陷坑的灌入。同时,大水矿床的形成还需要两个条件,即矿床开采后形成的地面塌陷及塌陷所沟通的地表水体的规模。

3.矿床开采中的水文地质问题

(1)岩溶塌陷。岩溶塌陷是本亚类矿床中既普遍又严重的问题。在溶隙充水矿床及岩溶地下河或岩溶管道充水矿床中虽然也有岩溶塌陷问题,但那是局部发生的,且规模也较小,与此类矿床是无可比拟的。本类矿床水文地质条件一般较简单,但如遇岩溶塌陷沟通地表水体,往往造成涌水量剧增,甚至淹井。

(2)地表水灌入。由于岩溶塌陷,在雨季时地表水的大量灌入,大大增加排水量,尤其是河床中的塌陷经常会引起淹井等严重事故。

(3)溃水及泥沙等充填物。岩溶充填物在矿床水文地质作用中极其重要,一方面大量充填物的阻塞,可以使岩层渗透系数减少,从而减少矿坑涌水量;另一方面由于长期排水或岩溶突(溃)水,在强烈的水动力作用下,充填物可以造成巷道堵塞,影响生产,甚至危及工人生命安全。同时,大量的泥沙可以使水仓淤塞,加重排水水泵磨损,减少机器寿命。

广东凡口铅锌矿排出的岩溶水中,最大的含砂量达到69.55%,根据1973～1979年统计,每年由泵房排出的泥沙达7000～20000m3,总共约151840m3,由于泥沙涌入巷道,使水沟淤塞,水仓体积变小。夹带泥沙的地下水不但给排水工作带来许多困难,而且污染了环境,影响了农田,为处理泥沙,该矿在后期施工的-40 m疏干工程中补充了沉泥工程,多耗资285万元[16,24]。

11.2.1.3 岩溶地下河或岩溶管道充水矿床

该类的矿床主要分布在中国西南的岩溶山区及岩溶丘陵区,气候属热带—亚热带湿润气候区。该类型充水矿床在地质时代上从寒武系到三叠系均有分布,其中主要是煤与硫铁矿。

1.矿坑涌水量的控制因素

造成此类矿坑涌水的原因是各式各样的,有时虽然仅是一种因素诱发,但其往往受多种因素的影响,主要有:

(1)岩溶作用。岩溶地下河或岩溶管道水多集中于排泄段,致使排泄段内矿坑最易发生溃水。

(2)构造。许多岩溶地下河或岩溶管道溃水多发生在向斜轴部、背斜倾没端,断层带等处,尤其是向斜近轴部。地质构造不单是易于引起岩溶地下河或岩溶管道溃水,而且有可能使岩溶地下河或岩溶管道水溃入到隔水层中去,或者促使岩溶地下河或岩溶管道水的深循环。

图11-1　香花岭矿区537段单旋回降雨量涌水量曲线图

1—后退阶段;2—增值阶段;3—峰期阶段;4—减值阶段

(3)大(暴)雨。岩溶地下河或岩溶管道充水矿区的溃水多发生在大(暴)雨期间。

(4)静水压力。在强大静水压力作用下,矿层底板有可能发生底鼓,使岩溶水溃入到矿坑之中。

(5)采动裂隙。若采矿场上覆岩石中有岩溶管道,采动裂隙又触及到它们时,易使岩溶地下河或岩溶管道水溃入矿坑之中。

2.矿床开采中的水文地质问题

岩溶地下河或岩溶管道充水矿床的矿坑内溃水等问题,与其他类型矿区均有较大差异,现主要论述以下两个主要问题:

(1)溃水。此类矿床正常矿坑涌水量在枯季时是较小的,但到雨季时涌水量猛增,尤其是暴雨后的水量大幅度增加,滞后期一般为几个小时,最长的也只有几天。洪峰延续时间较短,雨停后不久矿坑水即开始衰减,且具有较大的衰减系数,以后逐渐减小至趋于稳定[25],如图11-1所示。

(2)突泥。几乎所有的岩溶地下河或岩溶管道矿区都发生过突泥,轻则淹井、淤井,重则造成井下人员伤亡致使矿井报废,因此突泥也是岩溶地下河或岩溶管道充水矿区水害的主要表现形式。

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