下告鐵礦礦坑涌水量預測及防治水措施

洪安娜，楊建安，徐德金，劉曉莉

（1.中國瑞林工程技術有限公司,江西南昌330031；2.安徽省煤炭科學研究院 水害防治中心,安徽合肥230001;3.萬寶礦產有限公司,北京市100053）

下告鐵礦礦坑涌水量預測及防治水措施

洪安娜1，楊建安1，徐德金2，劉曉莉3

（1.中國瑞林工程技術有限公司,江西南昌330031；2.安徽省煤炭科學研究院 水害防治中心,安徽合肥230001;3.萬寶礦產有限公司,北京市100053）

基于礦山多年坑下生產排水資料及地下水水位觀測資料，預測了下告鐵礦礦坑涌水量，并在分析采用崩落法采礦礦山崩落區降雨徑流滲入特點的基礎上，提出了采用直通式放水孔集中疏放降雨徑流滲入水等防治水措施。

崩落法；降雨徑流滲入；防治水；直通式放水孔

大氣降水是礦床充水的根本來源,降雨通過對地表水、地下水的補給對采礦造成威脅,甚至引發水害[1]。采用崩落法或其它不保護頂板的采礦方法采礦時,由于礦體上部巖層遭到破壞,地表會產生沉降、開裂、塌陷等不良工程地質現象。塌陷區的降雨滲流成為不少礦山礦坑涌水的主要來源,暴雨條件下,甚至出現淹井事故或形成井下泥石流,對礦井生產構成嚴重威脅[2-4]。因此,研究崩落法礦山降雨滲流防治措施具有重要意義。

下告鐵礦礦體頂板巖溶含水層直接充水,下告河橫穿礦區中部且與巖溶含水層存在水力聯系,水文地質條件屬復雜類型。該礦山多年來采用崩落法采礦,地表已經遭到破壞,產生了塌陷、開裂,并形成地表塌陷坑。目前礦山經過多年疏干排水,巖溶地下水已基本疏干,其礦坑涌水主要來源為降雨徑流入滲。本文通過對下告鐵礦水文地質條件及降雨徑流入滲特征的分析,提出了該類礦山防治水措施,為其它類似礦山的開發和生產運營提供參考。

1 礦區水文地質條件

1.1 礦區自然地理概況

下告礦區為一個四周山體環繞,中間低洼的山間小盆地,地形有利于降水的匯集。礦區最大相對高差372.72 m,當地侵蝕基準面標高為160 m。礦區年降雨量為1 600～1 900 mm,年均降雨量為1 741 mm,日最大降雨量為253.0 mm(1969年5月13日）,最大連續降雨量為545.0 mm(1966年6月20日～25日）,雨量多集中在4～9月份,占全年降雨的80%以上,常有暴雨襲擊。礦區內地表水僅有下告河及其支流,下告河匯水面積約30 km2,自西北向東南呈反“S”形流經整個礦床,其流量月平均最大為5.326 m3/s,最小為0.078 m3/s，一般為0.5～1.4 m3/s,最大洪水流量為15.02 m3/s。

1.2 主要含(隔）水巖組水文地質特征

主要含(隔）水巖組水文地質特征：1)第四系孔隙含水巖組(Q4）由坡積層及沖洪積層組成。前者分布于下告盆地山前平緩地段,為強透水層;后者分布于下告河沖洪積地帶,上部為弱含水層,下部為礦區內穩定孔隙水含水層,富水程度中等到強。2)石炭系中、上統壺天群碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組 (C2+3hta～C2+3htb-1）為第四系松散層所覆蓋,是礦體直接頂板。據抽水試驗成果,單位涌水量q為2.591～4.430 L/(s·m）,滲透系數K為3.45～10.04 m/d,富水性強。3)三疊系上統大頂組相對隔水巖組(T3da～T3db-1）分布于礦區的北部和東部,淺部透水,富水性與風化帶發育程度關系密切(斷裂帶除外）,富水性弱到中等。弱風化帶以下,該含水巖組透水、富水性極差。4)石炭系下統忠信組相對隔水巖組為礦體直接底板,富水性弱。5)燕山期侵入巖裂隙含水巖組為富水性弱到中等。6)磁鐵礦及矽卡巖相對隔水巖組為礦體結構致密堅硬,干燥無水,富水性弱。

1.3 礦區巖溶發育特征

礦區內巖溶發育主要受巖性和構造控制。溶洞主要分布于+46 m標高以上的質純大理巖、白云質大理巖和結晶灰巖中,偶見于具有一定規模的方解石脈和螢石脈中,而在礦體附近的矽卡巖化、硅灰石化大理巖中則未見溶洞存在。平面上,下告河北側巖溶發育較弱,南側則普遍發育,其中F4斷裂帶兩側及大理巖與砂巖、花崗巖接觸帶最為發育;垂向上,整體上呈現出淺部巖溶發育,深部減弱直至消失,呈似層狀分布。

1.4 斷裂帶水文地質特征

礦區內斷裂帶主要有F5、F4、F12、F14等。1)F5斷裂帶為張扭性斷裂,圍巖破碎,含裂隙潛水,淺部富水性中等,中深部富水性貧乏。2)F4斷裂帶屬張扭性斷裂,為該礦區的主要導水、蓄水構造。3)F12斷裂帶屬張扭性斷層，為透水構造。4)F14斷裂帶屬壓扭性斷裂,長約350 m，寬2～5 m。位于F14斷裂帶附近的ZK30孔揭露的地下水水位高出孔口0.57 cm,地下水等水位線在該斷裂帶發生近80°轉彎。

2 礦區防治水現狀

2009年6月前,礦山采用地表疏干孔SHK1、SHK2、G1、G2及G3疏干地下水。自2009年6月以來，礦山主要采用3口地表直通式放水孔及2口未封閉的老鉆孔疏干。1號直通式放水孔出水量約300 m3/h, 2號直通式放水孔僅雨季有泥水,3號直通式放水孔出水量為20～30 m3/h。-75 m老鉆孔僅雨季時出水,其雨季出水量比1號放水孔的出水量大;3號放水巷內老鉆孔長年出水,出水量為10～20 m3/h。礦坑排水量一般為3 000～14 000 m3/d,枯水季排水量約為3 000 m3/d。

礦區前期設置了多個地下水水位觀測孔,但由于一些觀測孔水位已經下降到孔底或被堵塞或地表塌陷而找不到孔口等原因,現已無法正常觀測地下水水位。目前礦山有效觀測孔為G1、G7、G9、G11、S2、S7孔。根據地下水水位觀測資料,礦區地下水水位變化不定,雨季地下水水位抬升,旱季地下水水位下降。礦區地下水降落漏斗中心雨季和旱季水位最大相差超過60 m。

3 礦山地面塌陷、開裂現狀

下告礦區在疏干排水期間,由疏干排水產生的塌陷點達260余處,其形狀基本為圓形，一般直徑為2～3 m,最大塌陷坑直徑12 m,最大塌陷深度20 m。在可溶巖分布區ZK13、ZK7孔以南的河道處,塌陷點多、規模最大。

礦山采用崩落法采礦后,由采礦引起的陷落坑僅有1處,位于ZK50孔西南部的可溶巖與三疊系上統大頂組交接處。該陷落坑面積＞30 000 m2,并已直通井下巷道,且將隨著采礦的進行不斷擴大。

4 礦坑涌水量預測

4.1 降雨徑流滲入量估算

下告鐵礦經過多年的生產實踐,積累了豐富的排水資料、地下水水位觀測資料。筆者對下告鐵礦多年礦坑排水資料、地表塌陷及錯動范圍現狀和當地降雨資料進行了分析,同時,對未來采礦活動可能造成的地表錯動范圍進行地表破壞程度詳細分區,并根據不同分區估計的暴雨徑流入滲系數,估算了設計頻率暴雨徑流滲入量,結果如表1所示(H24·P=5%為248.54 mm）。

表1 設計頻率暴雨徑流滲入量

礦區所在地區年降雨量＞1 000 mm,正常降雨徑流滲入量取設計頻率24 h暴雨徑流滲入量的10%,結果如表2。

表2 正常降雨徑流滲入量

4.2 礦坑地下水涌水量估算

根據礦區近年來的礦坑井下排水量觀測資料及地下水水位觀測資料,采用比擬法計算各中段地下水涌水量,結果如表3所示。

表3 地下水涌水量

4.3 礦坑總涌水量

礦坑總涌水量由降雨徑流入滲量和地下水涌水量組成,其結果如表4所示。

表4 礦坑總涌水量

目前下告鐵礦已開采至-60 m中段,根據礦山排水資料,-60 m中段排水量一般為3 000～14 000 m3/d,平均排水量約10 000 m3/d,與-60 m中段估算結果較為接近,故-180 m、-300 m中段涌水量估算結果可認為是較可靠的。同時,估算結果也表明礦坑經過多年的強排水后,降雨徑流滲入量已成為礦坑涌水的主要來源。

5 -180 m中段防治水措施

本礦山在多年疏干排水條件下,崩落區降雨徑流滲入量已逐漸取代地下水成為威脅礦山安全生產的主要因素。因此,本礦山-180 m中段防治水的主要對象為降雨徑流滲入量。據分析,本崩落區降雨徑流滲入特征為崩落區降雨滲流受采動巖層裂隙控制,采動巖層裂隙為無序松散狀態,使得崩落區降雨滲流在巖層裂隙中沒有集中滲流通道，處于無序散流狀態;另外,降雨徑流滲入量與降雨強度及崩落區地表破壞程度密切相關[5-6],具有季節性及不穩定性,其滲流途徑始終為從地表向下。

生產實踐表明,下告鐵礦礦坑涌水中泥沙含量大,當降雨徑流至塌陷坑,塌陷坑坑底受到泥沙的阻塞,水流主要通過側向補給進入采動裂隙中;同時,下告鐵礦多年的地下水水位觀測資料顯示,礦區地下水降落漏斗中心水位雨季迅速上升,可見降雨徑流入滲水主要積存在上部巖層裂隙中。

下告鐵礦已開采至-60 m中段,現井下出水點主要有5個,3口地表直通式放水孔及2個老鉆孔。其中,2號直通式放水孔旱季不出水,雨季有泥水;-75 m中段的1個老鉆孔只在雨季出水,雨季出水量比1號直通式放水孔出水量(約300 m3/h）還大。另外,根據地下水水位觀測資料,地下水水位非雨季較雨季下降超過60 m,且采場基本干燥無水。上述充分說明,直通式放水孔對降雨滲流的疏導是行之有效的。鑒于本礦山-60 m中段地表直通式放水孔對降雨滲流的疏導效果好,故下部-180 m中段的防治水除對地表水體及降雨徑流采用了改、堵、截、排等常用措施外(本文不再贅述）,還針對崩落區降雨徑流滲入特點,采用地表直通式放水孔,將降雨滲流有序地疏導至礦坑排水系統,具體措施如下。

5.1 -180 m中段直通式放水孔設計

5.1.1 直通式放水孔孔數的確定

根據礦坑內直通式放水孔出水現狀,可取直通放水孔平均出水量為200 m3/h。根據預測結果,-180 m中段正常涌水量為12 223 m3/d,若取直通放水孔平均出水量為200 m3/h,則需要放水孔3口。

眾所周知,一般隨著深度的增加,灰巖巖溶發育減弱,其滲透性變差?？紤]到-60～-180 m巖層滲透性較-60 m標高以上差,因此,本次對于下告鐵礦-180 m標高以上的疏干,直通式放水孔孔數擬比淺部增加1口,即在礦區預測塌陷坑周圍及巖溶含水層內,沿補給、徑流及排泄方向共新設4口直通式放水孔,并同時在礦區布置觀測井監測地下水流場變化。

5.1.2 直通式放水孔的布置

降雨入滲后形成的地下水總是向阻力小的方向徑流,其徑流通道往往是天然通道(溶洞、構造破碎帶等）及采礦活動造成的通道(采動裂隙、陷落等）。因此,要將降雨徑流滲入和地下水集中疏放,首先應尋找巖層的地下水徑流通道?；诖?直通式放水孔布置主要考慮以下因素：(1)采礦巖層移動產生采動裂隙,離開采礦體越近,其裂隙越發育,滲透性增強;因此,直通式放水孔應布置在上覆巖層移動范圍內，并盡量靠近礦體,但不能設在礦體內,以免礦坑涌水通過疏干工程潰入采場。(2)礦區內F4斷層為一導水、蓄水構造,礦區-30～-130 m標高之間和-220 m標高以下巖溶僅見于礦體南側的F4斷層上、下盤影響帶內;因此,直通式放水孔底部應穿過F4斷層,溝通深部構造破碎帶及巖溶發育帶,將巖溶地下水與降雨徑流滲入一起疏干。(3)地表產生巖溶疏干塌陷的位置,其下部往往巖溶非常發育。因此,直通式放水孔在平面上應選擇在地表巖溶塌陷較發育的地段,以溝通溶洞、巖溶裂隙等放水通道。直通式放水孔剖面布置示意見圖1。

圖1 直通式放水孔布置示意

-180 m中段直通式放水孔及放水巷道平面布置示意如圖2。

圖2 直通式放水孔平面布置示意

3)直通式放水孔結構。本次設計直通式放水孔開孔直徑350 mm,終孔直徑不小于91 mm。各孔在穿越第四系孔隙含水層時應下入套管,在穿越可溶巖含水層巖溶發育帶時下入穿孔式過濾器,在遇到溶洞和斷層破碎帶時下入包網過濾器,在穿越巖溶不發育的穩固帶時可不設過濾器,直通式放水孔在含水層底部位置采用膠圈和牛皮止水。

5.2 井下突然涌水或泥石流的應急措施

井下-180 m中段以上采場若產生突然涌水或井下泥石流,可通過采場進風井、通風井及泄水井將其下泄至-180 m排水中段水泵房,以防止采場被淹;另外,在-120 m中段和-180 m中段的泵房、變電所及井底車場等重要設施巷道的來水方向設立防水閘門。

6 結論

1)對礦山崩落區地表破壞程度進行詳細分區,預測的降雨徑流滲入量較可靠,接近生產實際,對礦山防治水具有指導意義。鑒于此,礦山應建立對礦坑排水量及地下水水位觀測的長效機制,并定期對因采礦造成的地表破壞區域進行測量記錄,為坑下涌水量的預測更新提供詳實的基礎資料,以指導今后深部開采。

2)通常直通式放水孔用于地下水疏干。本次將直通式放水孔用于降雨徑流滲入的疏放,突破常規,具有創新性。下告鐵礦-60 m中段直通式放水孔對降雨滲流的疏干效果表明,該防治水措施行之有效。因此,該防治水措施對其他類似礦山防治降雨徑流入滲具有重要的借鑒意義。

[1] 劉曉亮,褚洪濤.我國復雜大水金屬礦床的開采現狀與發展趨勢[J].采礦技術,2008,8(2)：3-4,29.

[2] 胡鳳英,李笑峰.采礦塌陷區降雨滲水特點及其防治[J].金屬礦山, 1996(4)：15-17.

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[4] 張化遠.崩落法礦山的泥水下灌問題[J].化工礦山技術,1980(3)：17-21.

[5] 張和應.梅山鐵礦采礦塌陷區降水滲入特征及參數測算[J].金屬礦山,1997(11)：42-44.

[6] 易代仁.采礦崩落區降雨徑流滲入量計算[J].化工礦物與加工. 2007(8)：29-32.

Water Yield Estimation and Water Control Measures in Xiagao Iron Mine

HONG Anna1,YANG Jianan1,XU Dejin2,LIU Xiaoli3

（1.China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China；2.Water disasters Prevention Center,Anhui province Coal Science Research Institute,Hefei，Anhui 230001,China；3.WanBao Mining Ltd.,Beijing 100053,China）

According to drainage and groundwater level observation data under iron mine for many years,this paper estimates the water yield of Xiagao Iron Mine,In addition,on the basis of analyzing the characteristics of rainfall runoff infiltration by caving method in caving mining,presents the water prevention of discharge the rainfall runoff infiltration and underground water concentration by straight-through drain holes.

caving mining;rainfall runoff infiltration;water control;straight-through drain hole

TD74

B

1004-4345(2014)05-0001-04

2014-03-13

洪安娜(1983—),女,工程師,從事礦山水文地質設計與研究工作。