筆架山鐵礦井下滲、涌水對采掘活動的影響分析及安全對策措施 ＊

王東梅,彭 華,陶資全

(云南云天咨詢有限公司,云南 昆明 650032)

祿勸縣云川礦業開發有限公司筆架山鐵礦是一個以開采鐵礦石為主的金屬礦山,開采礦種為鐵礦,開采方式為地下開采,開拓方式為斜坡道開拓,生產規模 10萬 t/a。該礦山由于位于金沙江邊,開采深度1114～895 m,金沙江水平面最高歷年水位洪水水平面高程 947.03 m。

目前,礦山采掘作業面標高位于金沙江水平面以下,由于礦山老馬塘主斷層及其一些分支斷層的影響,該礦山井下滲水、涌水較大。對井下采掘活動有一定影響,鑒于該礦存在透水及淹溺等危險因素,礦山組織專業技術人員結合礦山自然因素、地質、水文條件,采用有限元方法對該礦山地下水對采掘生產的影響進行定量分析,并提出相應的對策措施。

1 區域水文地質條件

1.1 地形地貌

筆架山鐵礦位于祿勸縣北部,金沙江峽峪地區,海拔 940～1200 m,地勢總體東高西低,地形較陡,一般坡度 40°～60°,懸崖絕壁隨處可見,有利于地表水的排泄。金沙江緊靠礦區西北則流過,地表水直接排入金沙江。

1.2 氣候

據祿勸縣氣象站資料,祿勸縣全年降雨量最大1263.50 mm,最小 774.7 mm;年蒸發量最高2255.50 mm,最低1974.50 mm;日平均最高氣溫32℃ (1975年 4月 30日),最低 -6.4℃ (1974年 1月 1日);主導風向 6～12月為 SS W偶見NW;日平均風速最大 19 m/s(1976年 2月 27日),最小 6 m/s(1977年 9月 17日)。大氣降水為地下水的唯一補給來源,季節變化控制地下水的動態變化規律。

1.3 地表水

金沙江緊靠礦區西北側流過,金沙江江面寬100～300 m,深 59.5～62 m,水位差 16.22 m,流速 1.5～2.0 m/s,屬 HCO3-～Ca2+～Mg2+型礦化度低、弱堿軟水。礦區內地表水均排入金沙江。

1.4 含 (隔)水層 (組)特征

區內地層簡單,僅出露昆陽群因民組下段(Ptkny1)、因民組上段 (Ptkny2)、落雪組下段(Ptknl1)、落雪組上段 (Ptkn12)、鵝頭廠組 (Ptkne)地層,其含水特征如下:

1.4.1 含水層特征

昆陽群因民組下段弱含水層 (Ptkny1):灰色、肉紅色或磚紅色“混合巖”化硅質巖,偶夾白云巖扁豆體。厚度 >120 m。含構造裂隙水,富水性弱。

1.4.2 隔水層特征

鵝頭廠組隔水層 (Ptkne):黑色炭質板巖夾鈣質砂板巖,厚度 >100 m。為區內的相對隔水層。

1.5 構造水文地質特征

礦區為一軸向東西,軸脊近于直立的緊閉背斜,地質產狀近直立陡傾,背斜兩翼放射狀次級張性小斷層發育 (45條),因此礦床地下水、地表水有水力聯系。礦床為拉戛廠、老馬田兩斷裂所夾持的斷塊,斷層發育,切穿了各含水層,使各含水層有水力聯系。規模較大的拉戛廠、老馬田兩斷裂。

老馬田斷裂理論上屬阻水斷層,但可能為導水斷層,使礦區地下水與金沙江水體存在水力聯系,斷層深部切穿了含各水層及礦體、對礦床充水影響較大。

1.6 地下水

地形最低點為金沙江水面,海拔 950 m,礦區相對高差約 250 m,地形較陡,地下水位為 950 m左右,隨金沙江水面變化而變化。地下水屬 HCO3-～Ca2+～Mg2+型礦化度低弱堿硬水。地下水補給為金沙江江水及大氣降水。礦體分布標高為600～1200 m,有 51.24%的儲量位于金沙江水面950 m之下,不利于地下水的自然排泄,含礦層上下盤巖層均為含水層,加之斷層發育,地下水對礦山影響較大。

2 滲流計算方法簡介

本次計算主要采用的滲流分析方法是:有限元方法。有限元方法是依據非飽和土理論、根據基本的滲流理論――達西定律等,采用有限元方法分析穩定流及非穩定流中多種邊界條件、多種材料的堤壩、或土體的滲流分析。該項目滿足達西定律流場,所以采用水渠滲流模板進行計算分析。

2.1 滲流有限元分析基本方程

式中:[K]——透水系數矩陣;

{H}——總水頭向量;

[M]——單元儲水量矩陣;

{Q}——流量向量;

t——時間。

2.2 透水系數矩陣 [K]

其中:

其中:α──最大透水系數的方向角,用于各項異性的材料中。

2.3 由節點水頭求單元內任意點水頭 H (x,y)

其中:N1=(a1+b1x+c1y)/2A

N2=(a2+b2x+c2y)/2A

N3=(a3+b3x+c3y)/2A

a1=x1y3-x3y2a2=x3y1-x1y3a3=x1y2-x2y1

b1=y2-y3b2=y3-y1b3=y1-y2

c1=x2-x3c2=x3-x1c3=x1-x2

其中:A過水斷面面積;N為孔隙度;

2.4 由節點水頭求單元內任意點流速

{V}{V}=-[k]{B}{H}(1-6)

其中:B為過水斷面寬度;注意:單元內任意點的流速均相等。

2.5 單元剛度矩陣 [K]

2.6 單元儲水量矩陣 [M]

2.7 內源或蒸發所引起的力向量

其中:Ω為單元內源或蒸發造成的流量m3/s,

內源為正,蒸發為負。

2.8 邊界流量所引起的力向量

其中:Vn=lxVx+lyVy為單元邊界的流速 m/s,流入為正,流出為負。

圖1 質點流速的線性變化Fig.1 Linear change diagram of pourticle velocity

而lx=cosα,ly=cosβ,如圖1顯示。假定Vn在邊界上為線性變化,在 1點為q1,在 2點為q2,將式 1-16運算展開:

3 計算方案

從《云南省祿勸筆架山鐵礦水文地質勘察報告》可知,當金沙江最低標高為 895 m時,雨季地下水流量4000 m3/d,旱季金沙江水位為 940.78 m,洪水季節最高水位為 947.03 m。根據《巖石透水性分級劃分》該礦巖石透水性為弱透水性,因此在計算分析的時候,確定k=0.8。通過以上數據,采用滲流軟件,滲透系數K作為變量,進行反分析計算得出K=5.9763×10-3cm/s時,和實際情況相符,為后續計算奠定基礎。根據筆架山鐵礦實際情況,最后確定計算方案見表1。

表1 計算方案Tab.1 Numerical procedure

4 計算模型

計算模型選取的斷面是在 3號儲量橫剖面圖的基礎上進行簡化。各方案計算模型圖見圖2～圖5。

5 計算結果分析

通過分析計算,各個方案的滲透量見表2。單位為 m3/d。

表2 計算結果表Tab.2 Colcutated results list m3/d

因此,對兩種治理方案進行分析:1.防滲層;2.帷幕注漿。具體比較分析見表3。

通過表3可知,加防滲層后和洪水季節相比,平均滲流量減小 27.19%,采用帷幕注漿后和洪水季節相比,平均滲流量減小 43.12%。得出采用注漿有利于減少滲流量。

從表3也可以看出,隨著開采深度的下降,一定深度的帷幕堵水效果逐漸降低,對有效封堵地下水作用有限。因此,在實際開采中,適當加深帷幕深度,有得于提高帷幕注漿質量。

表3 治理方案對比分析表Tab.3 Comperison and analysis list for treatment scheme

6 安全技術對策措施

1)礦山在將來生產過程中應加強水文地質工作,及時掌握地表水與地下水的活動規律,以及礦體附近破碎帶、斷裂帶情況,為井下采掘工作做好防水指導。

2)必須堅持 “有疑必探 (水),先探后掘”的原則。

3)采用防滲混凝土對臨江 14號井 (也包括其它最高洪水位以下的老坑道)進行封閉,同時于坑內采用帷幕注漿進行裂隙堵水。

4)鑒于臨江 14號井等坑道在開掘過程中因爆破作業可能會對井壁周圍的巖層造成一定破壞,故在坑道進行封閉之前,應于坑口附近 3～5 m的一段巷道中進行帷幕注漿,封閉井壁周圍所存在的裂隙,然后采用防滲混凝土將坑口附近 3～5 m的一段巷道進行全封閉,并確保井壁周圍密閉完好,以阻斷江水進入坑內的通道。

5)金沙江水進入坑內的通道被完全封閉之后,可以確保礦山全年的正常生產,但設計開采范圍內的礦體大部分位于金沙江最高洪水位以下,坑內工程在裂隙發育處有可能出現滲流,為確保坑內有一個較好的生產環境,應在滲流處周圍鉆鑿注漿孔進行壓力注漿,使滲流處周圍形成帷幕而阻斷滲流。

6)在 895 m階段設置 1個容積為1500 m3的巷道型水倉,排水管均為Φ100膠管,并安裝 4臺型號為WQ100-9的排水泵將滲入坑內的水排除坑外。

7)生產過程中必須嚴格遵循“確保礦柱尺寸,控制礦房規格”的原則,確保礦房回采結束之后長期處于穩定狀態,避免因巖層大面積垮塌后產生大量裂隙而導致金沙江水灌入坑內而發生透水事故。

8)根據地形條件,應在地表相關區域設置截、排水設施,并確保暢通可靠。

9)強化排水設備、設施的管理,及時整改設備、設施隱患;

10)編制年度防治水計劃和礦井防排水應急救援預案;

7 結 語

該礦山在經過多年的開采之后,沿金沙江邊已開掘了多條斜坡道或平坑,其中臨江 14號井為斜坡道,井底最低標高已達 935 m,為坑內開采的運輸通道之一。該斜坡道坑口標高為 951.44 m,位于金沙江最高水位和最低水位之間,一旦金沙江水位上漲之時,江水即順斜坡道灌入坑內,致使礦山被迫停產,而當金沙江水位下降,坑口暴露于水面之后,又需花費將近兩個月的時間進行集中抽水,因而該礦山每年的開采時間大約只有半年,礦山應有的生產效率無法得到正常發揮。

與此同時,由于開采范圍內的礦體大部分位于金沙江最高洪水位以下,雖然區內較大的拉戛斷層和老馬田斷層距礦體較遠,對礦床充水基本上無影響,次級斷層的規模也較小,主要由斷層角礫及斷層泥組成,富水性弱～中等,但含裂隙水,局部破碎帶可能出現滲流,對坑內的生產環境將會造成一定影響。

生產過程中必須嚴格遵循 “確保礦柱尺寸,控制礦房規格”的原則,確保礦房回采結束之后長期處于穩定狀態,避免因巖層大面積垮塌后產生大量裂隙而導致金沙江水灌入坑內而發生透水事故。

生產過程中應加強排水系統的管理,定期對排水設備和設施進行檢修,確保排水系統運轉正常,并應經常保持巷道水溝和工業場地排水溝的暢通,以避免淹井事故的發生。

[1]云南省祿勸縣筆架山鐵礦資源儲量核實報告 [R].云南省有色地質三○六隊,2008.

[2]《采礦手冊》編輯委員會,采礦手冊 (第 4卷) [M].北京:冶金工業出版社,1990.

[3]云川礦產開發公司筆架山鐵礦崩塌調查報告 [R].云南巖土工程勘察設計研究院,2008.

[4]蔡美峰.巖石力學與工程 [M].北京:科學出版社,2002.

[5]毛昶熙.滲流計算分析與控制 [M].北京:水利電力出版社,1990.

[6]侯克鵬.礦山地壓控制理論與實踐 [M].昆明:云南科技出版社,2004.

[7]金屬非金屬礦山安全規程.GB16423-2006.