兰陵县会宝岭铁矿变质岩裂隙含水层放水试验技术探讨.pdf

收稿日期:作者简介:李军()男 安徽阜阳市人 高级工程师 主要从事水工环地质、地质矿产等工作兰陵县会宝岭铁矿变质岩裂隙含水层放水试验技术探讨李 军 张纪堂 于杜涛 王少杰(.山东省鲁南地质工程勘察院 山东 济宁.临沂会宝岭铁矿有限公司 山东 兰陵)摘 要:本文采用井下水文地质钻探及放水试验技术查明了会宝岭铁矿 标高井筒施工中出水点位置、岩性特征、水压、地下水导水通道及补给来源等水文地质成果 根据放水试验成果计算各涌水段水文地质参数 开展井筒施工涌水量预测 为井筒施工提出防治水建议 并为深部矿体开采提供重要的水文地质资料 也为沉积变质岩型铁矿床深部探水技术进行了讨论关键词:放水试验 水囊式止水器 井筒检查孔 涌水量预测 会宝岭铁矿 山东兰陵中图分类号:文献标识码:文章编号:()山东兰陵县会宝岭铁矿为典型的隐伏型大型铁矿 开采设计标高 至 矿山投产后一直开采 中段以上矿体 现计划开采标高 的矿体 据矿山已有水文地质资料 矿区内东风井井筒 深部具断层破碎带发育且富水丰富的特征 需要查明 标高井筒施工中将遇到的水文地质问题 为施工提供合理的防治水建议本次井筒水文地质勘查位于地面以下 处(标高)从 中段向下进行水文地质钻探及放水试验 与地面抽水试验相比 具有占地面积小、施工周期短、资金投入少等特点 且变质岩裂隙水具有典型的富水不均匀的特征 井下水文地质钻探及放水试验可准确地判断各含水段位置以及获取更符合矿井防治水的水文地质参数 水文地质背景 含(隔)水层特征矿区含水层由上至下主要有四个含水层:第四系松散岩类孔隙含水层、寒武系中统李官组()震旦系佟家庄组()砂岩类裂隙含水层、南华系下统二青山组()灰岩砂岩岩溶裂隙含水层、变质岩裂隙含水层 各含水层分布及富水性等特征见图 和表 主要隔水层有李官组页岩、佟家庄组页岩以及二青山组页岩相对隔水层东风井井筒延深工程全部位于隐伏沉积盖层之下变质岩裂隙含水层内 主要为黑云变粒岩、其次为黑云角闪片岩及磁铁角闪石英岩(矿体)富水性极不均匀 微张性裂隙段单位涌水量 /渗透系数 /富水性、透水性微弱 矿区东部 断层破碎带及下盘张性裂隙段 单位涌水量 /渗透系数 /透水性中等 富水性虽弱 但远大于其他微张性裂隙段 除此 井下坑道靠近 断层处岩体较为破碎 张性裂隙发育 出水点众多 因此该含水段为本次水文地质工作的主要研究段 各含水层间的水力联系各含水层之间主要通过断层破碎带及其次生裂隙带水力联系 其次通过封闭不良钻孔、矿山斜坡道 年第 卷 第 期 页 云 南 地 质/等水力联系 断层位于井筒延深部分底部 该断层破碎带及其下盘变质岩张性裂隙带为上部盖层沉积岩地层水与深部变质岩裂隙水的导水通道之一表 研究区内主要含水层一览表.含水层单位涌水量(/)渗透系数(/)富水性透水性第四系松散岩类孔隙含水层小于 弱弱李官组佟家庄组砂岩类含水层 弱中等弱中等二青山组灰岩砂岩岩溶裂隙含水层 弱弱中等变质岩裂隙含水层微张性裂隙段 弱弱断层破碎带及下盘张性裂隙段 弱中等图 矿区东北部水文地质剖面示意图.第四系松散岩类孔隙含水层(弱富水)李官组佟家庄组砂类岩裂隙含水层(中等富水)李官组佟家庄组砂类裂隙含水层(弱富水)二青山组灰岩砂岩岩溶裂隙含水层(弱富水)变质岩裂隙含水层(弱富水)页岩相对隔水层 李官组佟家庄组砂类裂隙水地下水水位线 二青山组灰岩砂岩岩溶裂隙水地下水水位线 实测断层及编号 物探推断断层及编号 以往水文地质孔位置 本次工作水文地质孔位置 地下水流向 单位涌水量 渗透系数 第 期李军等 兰陵县会宝岭铁矿变质岩裂隙含水层放水试验技术探讨 井筒检查孔放水试验技术 含水段划分研究区岩性为黑云变粒岩 不易通过对岩心的编录判断含水层(含水段)位置 准确快速判断地下水位置是本次放水试验的前提工作 本次钻孔孔口位于 中段巷道中 钻进过程中 遇含水段均会发生涌水现象 当再次钻进时遇到新的含水段时提钻后涌水量自然增大 因此“记录的每回次提钻后涌水量动态成果”是含水段划分的重要依据 根据钻进过程中涌水量变化特征、结合岩心编录将钻孔依次划分为五个含水段 分别孔深 、含水段 多层放水试验止水技术该钻孔钻进过程中共有 个涌水段 采取由上至下顺序放水试验(照片)即每揭露一个含水段需进行一次放水试验 以往放水试验多应用于煤矿顶板水害防治 主要针对一孔一个含水层(或含水段)本次需要实现一孔多含水段放水试验 因此好的止水效果是放水试验成功的前提 传统止水材料粘土、水泥、沥青、海带等只适合水流、水压不大的情况下采用 本次由于施工位置较深 水流、水压均较大 无法使用 水囊式止水器为一种新型止水器 具有耐磨损、充水管线耐压较高、止水水囊易于加压及泄压(易于放置及撤出)且能够多次使用等特征 水囊式止水器(照片)适合于本次放水试验的止水需求 放水试验水压(水位)、水量等测试()水压(水位)测试:在水文地质试验前后分别需要进行地下水位稳定观测和水位恢复观测由于各含水段钻孔孔口均出现自然涌水 无法进行水位观测 本次采取对孔口水压进行测量 水压除以重力加速度与水密度(/()计算放水前地下水位稳定数据及放水后地下水位恢复数据在下入水囊式止水器后 在孔口通过橡胶管接上水压表观测水压 每次接水压时均要求接头无任何漏水现象 防止漏水导致实测的水压偏低 观测精度精确到 放水前水压测试每半个小时观测一次 直至水压稳定持续 个小时以上再放水 放水后水压观测时间采用第、分钟时间点观测 以后每半小时观测一次 直至水压连续 小时不发生变化再停止 并绘制水位(水压)恢复曲线图()涌水量观测及水质的测试:在水囊式止水器止水的基础上对各含水段进行涌水量观测、水质的测试 本次放水试验涌水量采用三角堰法进行观测 现场读数精确到 通过公式计算出涌水量流量观测时间采用第、分钟时间点进行观测 以后每半个小时观测一次 直至流量稳定时间大于 小时(图)在放水试验结束前对水温进行测试、云 南 地 质 卷并采集地下水水样并送至化验室进行检测 放水试验成果 各含水段地下水类型通过对钻进过程中每回次涌水量观测资料、钻孔岩心水文地质编录情况以及放水试验时涌水量观测 孔深 和 含水段出水类型为变质岩裂隙水 岩性为黑云变粒岩两个含水段与岩轴夹角为、微状性裂隙出水 其他 个含水段均为断层水 各含水段涌水量见表 表 东出风井井检孔水文地质试验(放水试验)参数计算成果表.()序号含水层位置()孔深标高钻孔半径 ()静止水位标高()水头高度()含水层(段)厚度()含水层(段)岩性水位降深()涌水量(/)单位涌水量(/)渗透系数(/)黑云变粒岩 黑云变粒岩 黑云变粒岩、断层角砾岩 黑云变粒岩、断层角砾岩 黑云变粒岩、断层角砾岩 含水段水文地质参数()计算公式:由于各含水段地下水位均为承压水 采用承压完整井渗透系数公式式中:渗透系数(/):涌水量(/):水位降深():含水层厚度():影响半径()()计算参数确定:各含水段放水试验测得涌水量:承压水头高度从各含水段底板标高处:每回次钻探提钻后涌水量变化及编录确定的各含水段厚度:每涌水段放水试验前测出稳定水压除以重力加速度与水的密度:钻孔半径()计算结果:各含水段的水文地质参数见表 各含水段透水性中等 地下水补给来源及导水通道一般来说 地下水由补给区到径流区再到排泄区 由低矿化度重碳酸盐淡水逐渐变化为矿化度较高的硫酸盐或氯化物咸水或微咸水 根据井筒检查孔各含水段地下水矿化度、第 期李军等 兰陵县会宝岭铁矿变质岩裂隙含水层放水试验技术探讨浓度特征对比分析 各涌水段地下水随着深度的增加矿化度、与 浓度越来越低浓度越来越高(表、图)说明该井筒检查孔各段地下水在垂向的径流方向是由下向上径流对比上部二青山组灰岩砂岩裂隙水 井筒检查孔中 断层破碎带及下盘黑云变粒岩裂隙水()出水点的水化学成分与其最为接近 结合矿区东部地层构造特征可以判断 断层破碎带下盘黑云变粒岩张性裂隙为井筒充水的重要导水通道 上部二青山组灰岩砂岩水为重要其补给来源 此外 各涌水段相对水压由上往下相对孔口位置水压逐渐增大 尤其是 断层破碎带附近水压增大显著 也说明井筒检查孔各段地下水在垂向的径流方向是由下向上径流、断层破碎带及其下盘黑云变粒岩张性裂隙为井筒充水的重要导水通道 井筒施工涌水量预测及防治水建议 井筒施工涌水量预测()计算公式确定:由于变质岩裂隙含水层分布广 周边无明显隔水边界 地下水计算模型可均视为无限边界承压水完整井水文地质模型 井筒施工时 需要及时对井筒中涌出水量疏干 此时地下水由承压转为无压状态 选用“大井法”稳定流承压转无压公式 ()式中:预测井筒施工时各含水段的正常涌水量:渗透系数(/):承压水头高度():各含水段厚度():引用半径():影响半径 引用影响半径():水位降深()坑道疏干排水时()计算参数确定:渗透系数:承压水头高度根据井检孔从含水段底板标高处算起的水头高度:预测井筒施工到各含水段时各含水段厚度:疏干排水时 :井筒(裸井)设计直径为 .()涌水量预测结果:东出风井井筒施工过程中各涌水段正常涌水量见表 表 井筒检查孔各含水段与二青山组灰岩砂岩裂隙岩溶水主要水化学对比表.取样位置井筒检查孔 各涌水段(标高)长期观测孔赋存岩性黑云变粒岩黑云变粒岩黑云变粒岩、断层破碎带黑云变粒岩、断层破碎带 断层破碎带及下盘黑云变粒岩二青山组灰岩砂岩主要化学成分(/)矿化度 云 南 地 质 卷图 压水试验成果图.变质岩裂隙含水层 断层破碎带 断层 本次工作水文地质孔位置 涌水段位置 单位涌水量 水位降深 渗透系数 地下水中 浓度随深度变化折线 地下水中 浓度随深度变化折线 地下水中 浓度随深度变化折线 地下水中 浓度随深度变化折线 地下水中 浓度随深度变化折线地下水中矿化度浓度随深度变化折线 水压度随深度变化折线表 进风井井筒施工涌水量预测结果表.序号预测层位渗透系数承压水头高度含水层厚度引用半径 影响半径引用影响半径正常涌水量标高()(/)()()()()()(/)井筒施工总涌水量 井筒施工防治水建议工作面预注浆是矿井治水的重要措施 大量前人井筒施工经验表明:含水层单层涌水量大于/应进行井筒工作面预注 含水层单层涌水量小于/但含水层层数较多(两层以上)应进行井筒工作方面预注浆 根据以上井筒施工涌水量预测结果 正常总涌水量远大于/因此在井筒施工前应进行工作面预注浆处理 结 语()通过井下水文地质钻探、放水试验工作查明了井筒施工过程中将遇到的各含水段具体位置、水文地质参数 并通过各段地下水化学特征和水压特征分析了地下水导水通道和补给来源 为东风井井 第 期李军等 兰陵县会宝岭铁矿变质岩裂隙含水层放水试验技术探讨筒延深施工提供了参数 也对矿山深部开采提供了水文地质参数()对井筒施工将遇到的各含水段分别进行涌水量预测 预测结果远大于/建议井筒施工前进行工作面预注浆处理()本次井下水文地质钻探及放水试验工作 与地面水文地质钻探及抽水试验相比 具有占地面积小、施工周期短、资金投入少等特点 并能准确判断各含水段位置以及获取更符合矿井防治水的水文地质参数 本次水囊式止水器一孔多层放水试验为沉积变质岩型铁矿深部探水开辟了先例 对类似矿山深部探水工作具有指导意义参 考 文 献 李军 朱昶 张立 等.山东省兰陵县玉埝沟铁矿矿床充水因素分析及涌水量预测.山东国土资源 ():.杜显彪 朱宁 王昌宁 等.山东兰陵会宝岭铁矿深部矿体特征及找矿方向.山东国土资源 ():.赵宝峰 等.基于抽水试验和放水试验的断层导水性分析.煤矿安全 ():.窦仲四 翟晓荣 张红梅 等.桃园煤矿 采区太原组灰岩含水层放水试验及其可疏放性评价.矿业安全与环保 ():.邵红旗 曹祖宝 李建文 等.一种放水试验分析方法及其应用.水文地质工程地质 ():.刘海涛 等.单孔多层抽水试验综合止水技术实践.陕西煤炭 ():.田明刚 徐建 等.泰莱盆地地下水化学特征分类及成因分析.节水灌溉 ():.古艳艳 等.浅析河南省区域地下水化学特征及成因.四川地质学报 ():.石绍飞 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