非煤礦山地下水害防治

王 軍

礦山水害概況

礦區水害是與瓦斯、煤塵等并列的礦山主要災害之一。受地質條件和礦山開采歷史等客觀因素的影響,我國礦區水文地質條件極為復雜, 無論是受水害威脅的面積、類型,還是水害威脅的嚴重程度,都是世界罕見的。地表水、老空水、沖積層水、巖溶水等各種類型的水害樣樣俱全,各區域礦井均存在不同類型水害的威脅。其中:華北地區以老空水、頂底板奧灰水害為主;華東地區以沖積層水、頂底板巖溶水害為主;華南地區以地表水、老空水、溶洞水害為主;其他地區以老空水害為主。

長期以來,因為礦區水害而造成的人身傷亡和經濟損失極為慘重。據不完全統計,在過去的20多年里,全國有250多個礦井被水淹沒,死亡1700多人,經濟損失高達350多億元人民幣。

例如1999年7月12日,山東省萊蕪市谷家臺鐵礦-100m水平28A穿脈發生透水事故,導致礦井被淹,29人死亡。此次透水事故主要是裂隙與上部奧灰水導通所致。2001年7月17日3時40分,廣西自治區南丹拉甲坡礦9號井在實施2次爆破后,標高-166m平巷的3號作業面與鄰近恒源礦最底部-167m平巷的隔水巖體產生脆性破壞,大量高壓水從恒源礦涌出,淹及拉甲坡礦3個工作面,以及相鄰的龍山礦2個工作面、田角鋅礦1個工作面,致使81人死亡,直接經濟損失9000余萬元。事故的直接原因是拉甲坡礦非法開采,亂采濫挖,違章爆破,破壞了厚度較薄的隔水巖柱,致使旁邊恒源礦的老窯積水短時間內大量涌出。

近年來,隨著礦產資源開發強度加大和一些集體、個人小型礦山企業數目增加等原因,礦井突水事故頻繁發生。

這些水害事故破壞性大,突發性強,往往導致大量人員傷亡,即使沒有造成人員傷亡, 礦井水害事故也具有搶險救援難度大、經濟損失大、礦井恢復生產周期長、恢復生產期間安全隱患多等特點。

山東省萊蕪市谷家臺鐵礦1999年“7·12”透水事故后,礦山至今不能恢復生產;湖北陽新縣鵬凌銅礦2004年“6·16”突水事故后,礦山至今也不能恢復生產開采。因此,礦井水害已成為影響非煤礦山安全生產的重大問題之一。

礦山水害防治技術

礦山水害防治方法一般分為3種,即疏、堵、避,實際應用中往往采用一種方法為主、其他方法為輔的綜合防治方案。具體來說,礦山水害防治首先應深入掌握礦區水文地質條件,在此基礎上,遵循先簡單、后復雜,先地面、后井下、層層設防的原則,開展礦山水害防治。對于各種可能涌入礦坑的地表水,應采取地面防水措施;為防范突水淹井,應采取井下防水及探放水措施;為保證安全順利開采,坑內一般以疏為主,并盡量在淺部將地下水攔截;在水文地質條件適宜、經濟技術條件允許時,應優先采取帷幕注漿方案。

1.地面帷幕注漿堵水新技術

地面帷幕注漿的主要原理是在礦區主要進水方向采用系列鉆孔注漿的方法,用一定的壓力將漿液材料壓到含水層的巖溶裂隙中,經固結后減少裂隙的體積和過水斷面,以截斷地下水進入礦坑的補給源。

地面帷幕注漿堵水要求礦區平面上具有清晰的水文地質邊界,進水方向清楚,在平面和垂直方向上具有帷幕注漿的客觀條件。帷幕內輔以疏干排水,可完全消除井下重大突水事故,達到礦山安全生產條件,保障人民生命財產安全;帷幕注漿堵水又可大幅度減少礦坑涌水量,為礦山取得顯著的經濟效益,帷幕注漿堵水投資一般四五年內即可收回;帷幕注漿堵水還可保護礦山地質環境,大幅度減少甚至避免地面巖溶塌陷;帷幕注漿堵水還能保護礦區寶貴的地下水資源,這在一些缺水的地區,作用及意義更加突出。

安徽省銅陵市新橋礦業有限公司是一個坑露聯合開采的巖溶大水大型多金屬硫化礦床,礦區被分為東西兩翼,東翼水文地質條件復雜,每天涌水量預計達5萬m3以上。新橋礦礦體的頂板為巖溶發育的棲霞灰巖含水層,以前曾多次發生大的突水事故,并伴隨著地面塌陷和開裂,致使河水倒灌礦坑,河流斷流,礦區公路、鐵路、農舍、地質環境被毀,礦農矛盾激烈。為了解決東翼地下水害問題,新橋礦于1992年與長沙礦山研究院聯合成立了攻關課題組。

技術攻關小組采用了分區不等距大孔距布孔法和高速高效輸料粉碎攪拌制漿工藝,通過數值模擬技術,優化帷幕線設計及布置注漿孔,在新橋礦塌陷和開裂地帶大規模應用了塑性強度高、抗沖刷稀釋能力強、價格低廉的改性黏土漿。目前,新橋礦塌陷和開裂地帶堵水率已高達77.96%,帷幕內外水位差高達40.6m,有效解決了新橋礦地下水害問題。

湖北省大冶市大紅山銅鐵礦床也是一個水文地質條件復雜的巖溶充水礦床,礦區緊鄰大冶市,地面建筑物眾多,民房、選廠、農田、魚塘遍布礦區,礦區周邊還有鐵路、公路、大冶湖、大冶市六中。2003年4月11日,大紅山礦井下-160m曾發生突水,引發了較大范圍、較大規模的地面塌陷,大量魚塘、農田被破壞,武九鐵路復線路基塌陷(現已改線),并向市六中逼近(相距已不足100m),威脅到六中3000名師生的安全。當地政府及大紅山礦經過多次會議討論,確定委托長沙礦山研究院對其進行水害防治。

防治小組綜合考慮了大紅山礦水文地質條件和開采后留有大量廉價尾砂、水洗砂等實際情況,研究提出了大溶洞、高水頭條件下采用廉價的尾砂、水洗砂混合漿液注漿的技術,并組織專業隊伍進行帷幕注漿施工。采用帷幕注漿堵水技術后,大紅山礦的堵水率已達82%,帷幕內外水位差高達80m以上,帷幕外側不再發生地面塌陷,礦區深部及淺部礦體也可得到安全回采,不再受到地下水威脅。

2.控制疏干技術

控制疏干技術主要通過控制礦坑內水位降落漏斗現狀,在保證井巷開拓及采礦工程安全進行的前提下,盡量不排、少排或晚排地下水,達到預防突水淹井、減少排水費用、保護地下水資源及控制地面塌陷等目的。控制疏干技術主要通過超前探水、降壓疏干、注漿堵水及物理探測等綜合手段來實現,是傳統疏干技術的一大發展。三山島金礦、安慶銅礦等即采用該項技術,獲得了成功。

3.地面塌陷防治技術

地面巖溶塌陷是巖溶礦山疏干排水引發的普通地質災害現象,危害較大,甚至直接影響到礦山的生存。其防治原理主要是消除產生巖溶塌陷的基本條件,即減少礦坑排水量、攔截主要導水通道或封閉隱伏巖溶洞口。

近年來,通過對安慶銅礦、凡口鉛鋅礦、下告鐵礦等礦區巖溶塌陷的防治研究,長沙礦山研究院已摸索出了一套塌陷防治措施,其主要措施有:①塌陷的綜合預防,②塌洞口封閉,③塌洞埋管回填注漿,④塌陷區注漿,⑤修筑高噴樁基礎的人工河床,⑥高噴樁拱體封閉塌洞口,⑦隱伏土洞預先治理。

4.井下頂板帷幕注漿技術

井下頂板帷幕注漿技術是地面帷幕注漿技術向井下的延伸,其主要原理是采用系列鉆孔在礦體頂板注入大量漿液,以形成人工隔水層,切斷地下水對礦坑的補給通道。該項技術具有節約排水費用、保護地下水資源、保護地質環境及不浪費礦產資源等顯著優點,具有廣泛的推廣價值。其適用條件是:礦體相對集中、緊接強含水層。山東萊蕪業莊鐵礦、萊新鐵礦即采用該項技術,均獲得成功。

5.深井淹井注漿治理技術

深井淹井注漿治理技術的主要原理是采用注漿方法封堵突水源,其主要有3種類型:一種是先拋碴注漿,再進行工作面預注漿;一種是從地面進行井筒帷幕注漿;另一種是從地面采用高精度定向鉆孔封堵突水點。3種方法主要根據井深、含水層埋藏深度,以及富水性、井內設施、工期要求等方面綜合確定。高峰錫礦、冬瓜山銅礦、糧薦橋鉬礦、白象山鐵礦等采用了深井淹井注漿治理技術,已成功治理了突水淹井事故。

我國幅員遼闊,灰巖分布廣,巖溶礦床在分布的廣度、問題的多樣性、涌水量的大小、突水危害的程度等方面,在世界上均是最復雜的。巖溶礦山特別是大水礦山,往往表現出多種水害形式,從國內外礦山水害防治發展趨勢看,應走綜合防治道路,在經濟技術條件允許時,應盡可能采用帷幕注漿堵水為主的防治水措施,達到消除井下突水、保護地下水資源、控制地面塌陷的根本目的。若難以采用帷幕注漿技術,則可因地制宜,采用控制疏干、井下礦體頂板帷幕、塌陷防治等技術,重點解決礦山面臨的主要水文地質、工程地質問題。

編輯 余茂君