探放水技術(shù)防治礦井水害芻議

歐陽仕元

(深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦,廣東韶關(guān) 512325)

探放水技術(shù)防治礦井水害芻議

歐陽仕元

(深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦,廣東韶關(guān) 512325)

礦井水害是最大的安全風(fēng)險之一。在開掘采礦過程中,消除礦井水害的最好最簡易的方法是設(shè)計施工相應(yīng)的探放水工程。造成礦井水害的因素眾多,應(yīng)根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件的變化確定探放水技術(shù)形式。堅持有疑必探、先探后掘的原則,確保礦山安全可持續(xù)發(fā)展。

水害因素 探水線 探放水孔 布置形式 超前距 幫距

某礦新增區(qū)域礦體距離主采區(qū)較遠(yuǎn),所處巖層的地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件復(fù)雜,不受疏干系統(tǒng)及帷幕截流工程的控制。具體體現(xiàn)在:大部分礦體處在含水層或含水層的頂?shù)装逦恢?含水層不僅含水豐富,水頭高,壓力大,而且與礦體直接接觸；一部分礦體位于老空區(qū)附近,老空區(qū)具體范圍及充水情況不明；有數(shù)個未封鉆孔穿透含水層直達礦體頂?shù)装澹粶\部礦體所處巖層溶洞發(fā)育,殘留大量泥砂和保持豐富的殘余水等。生產(chǎn)實踐中,為追求作業(yè)任務(wù),不論技術(shù)上,還是管理層面,往往出現(xiàn)疏于防范的現(xiàn)象。以上這些都是可能造成礦井水害重要因素。隨著新增區(qū)域開拓開采工作的進一步推進,礦井水害是新增區(qū)域最大的風(fēng)險之一,必須予以高度重視,做到科學(xué)有效防控。探放水是防治礦井水害的重要措施,應(yīng)牢牢掌握造成礦井水害的因素,結(jié)合水文地質(zhì)特點,采取不同形式探放水技術(shù)方法進行防治。

圖1 探水線劃定示意圖

1 礦井水害因素

1.1 礦井水害的概念

(1)礦井水。凡在礦體開拓采掘過程中,滲入、淋入、流入、灌入和潰入井筒(巷道)或者工作面的任何水,統(tǒng)稱礦井水。

圖2 超前距、幫距及允許掘進距離

圖4 緩傾斜巖(礦)體探水孔布置形式

圖5 巖(礦)層底部探放水孔布置

圖3 陡傾斜巖(礦)體探水孔布置形式

圖6 巖(礦)層頂部探放水孔布置

圖7 沿積水區(qū)及破碎帶掘進探放水孔布置

圖8 斷層及斷層下盤含水層探放水孔布置

(2)礦井突水。凡因井巷、工作面與含水層、老窯、采空區(qū)、古井(未封鉆孔)、被淹巷道、地表水體或含水的裂隙帶、溶洞、洞穴、陷落柱、頂板冒落帶、構(gòu)造破碎帶等接通,或溝通而產(chǎn)生的出水事故稱礦井突水。

(3)礦井水害。因礦井突水、停電、設(shè)備故障、洪水泄入、巷道陷落塌方影響生產(chǎn)、威脅采掘作業(yè)面或礦井安全的,增加采礦成本或使礦坑局部或全部淹沒的礦井水,礦工被困(淹)井下,稱為礦井水害。

(4)礦井水害程度。礦井水害是除礦井瓦斯的第二大災(zāi)害。據(jù)資料統(tǒng)計,礦井各種災(zāi)害中,平均每次事故水災(zāi)死亡人數(shù)、經(jīng)濟損失及損失工作日都排在前列(表1)。

表1 各類事故危害程度統(tǒng)計

1.2 礦井水害因素

1.2.1 自然因素

自然因素主要包括大氣降水、地表水、地形地貌特征、地質(zhì)構(gòu)造條件、沉降開裂塌陷性狀、冒落裂隙帶特性等

1.2.2 人為因素

造成礦井水害的人為因素很多,主要有老窯、舊淹沒巷道、未封閉鉆孔、不正確的開采方法等。不正確的開采方法主要存在以下幾方面:

(1)地面防洪防水設(shè)施不當(dāng)。

(2)水文地質(zhì)條件認(rèn)識不清。

(3)井巷位置不合理。

(4)施工措施不力、工程質(zhì)量低劣,致使井巷塌頂冒落、跑砂、透水。

(5)亂采亂挖破壞防水層(柱)。

(6)巷道進入老空積水區(qū)。

(7)防水閘門未按設(shè)計修建。

(8)排水設(shè)備能力不足。

(9)對“有疑必探、先探后掘”不理解,心存僥幸。

1.3 透水前兆

礦井水害的特點決定其突發(fā)性強,危害性大。井下如何及時發(fā)現(xiàn)并采取有效措施進行預(yù)防,主要是通過以下表征進行判斷。

(1)干燥的巖壁突然掛汗、掛紅。

(2)溫暖的空氣突然變冷。

(3)發(fā)生霧氣及硫化氫氣味(嗅雞蛋氣味)。

(4)有“水叫”現(xiàn)象。

(5)發(fā)生片幫冒頂及底鼓。

(6)頂板淋水突然加大。

(7)頂板來壓或嚴(yán)重裂隙。

(8)發(fā)生涌水涌泥。

(9)水色發(fā)渾發(fā)嗅等。

2 探放水技術(shù)方法

礦井水害的防治方法很多,具體要根據(jù)水文地質(zhì)條件而定。防治的預(yù)前工作主要包括:水文地質(zhì)觀測(水位觀測、流量觀測、水質(zhì)觀測、水壓觀測、水源點編錄、含水層、裂隙破碎帶圈定)和設(shè)計探放水工程。探放水工程是防治礦井水害的重要一環(huán),必須堅持“有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則。

2.1 探放水工程布置

2.1.1 探放水線的確定條件

探放水線是積水區(qū)(含水區(qū))與采掘作業(yè)區(qū)的有效安全距離的邊界線。一般根據(jù)下列條件劃定探放水線:

(1)接近水淹、可能積水的巷道、老空或相鄰采區(qū)時。

(2)接近含水層、導(dǎo)水?dāng)鄬印⑷芏窗l(fā)育區(qū)、導(dǎo)水陷落柱、破碎帶等。

(3)打開隔離巖(礦)柱(層)放水時。

(4)接近可能的河、水庫、蓄水池、水井等。

(5)接近可能出水的鉆孔。

(6)其他可能出水的地段。

2.1.2 探水線的確定

探放水線應(yīng)根據(jù)積水區(qū)(含水區(qū))位置、范圍、水文地質(zhì)條件及其資料的準(zhǔn)確可靠程度,以及采空區(qū)、巷道受壓力破壞情況等因素,確定三線(積水線、探水線、警戒線)位置(圖1)。

分以下幾種情況:

(1)對采掘所造成的老空、巷道、硐室等積水區(qū),其邊界位置準(zhǔn)確,當(dāng)水壓不超過1MPa時,探放水線到積水區(qū)的最小距離,礦層中不得少于30m,巖層不得少于20m。

(2)對礦井積水區(qū),雖有圖紙資料,但不能確定積水邊界位置時,探水線至推斷的積水區(qū)邊界的最小距離不得小于60m。

(3)有圖紙的老窿,探水線至積水邊界的最小距離不得小于60m,沒有圖紙的老窿,必須堅持有疑必探、先探后掘的原則,防止透水事故。

(4)掘進巷道附近有斷層破碎帶時,探水線至最大擺動范圍預(yù)計礦柱線之最小距離不得小于20m。

(5)石門揭開含水層前,探水線至含水層的最小距離不得小于20m。

2.1.3 探放水孔的布置

當(dāng)巷道掘進到探放水線時,從探放水線開始布置鉆孔,向前方打孔探水。探水與掘進相結(jié)合,探后再掘,掘后再探,循環(huán)作業(yè)。

探放水孔的密度和超前距應(yīng)根據(jù)水頭高低、礦巖層厚度和硬度以及安全措施等在設(shè)計中規(guī)定。

(1)超前距。為確保施工安全,探水孔深度與掘進距離應(yīng)始終保持一定的距離,此距離稱超前距。也即在巷道掘進方向上,允許掘進的終點和最淺鉆孔底間的距離(圖2)。超前距一般不小于20m。在巖性條件好的地段,可適當(dāng)縮短,但最小不得小于8m。在巖層中掘進,應(yīng)保留5～10m保護巖柱。鉆孔的深度通常為40m,即每打一次鉆,可向前掘進20～30m。

(2)幫距。巷道掘進過程中,左右兩幫距離劃定的外圍安全線的距離,稱幫距(圖2)。設(shè)計中,一般幫距等于超前距,也可小于超前距1～2m。

(3)探放水孔布置密度。布置探放水孔主要是防止積水從掘進前方和兩幫突然涌水。因此,鉆孔應(yīng)呈扇形布置在巷道(硐室)中部位置。開始探水時,打7個孔,除中心孔外,兩側(cè)各打3個孔；以后繼續(xù)掘進時,可適當(dāng)減少,但不能少于3個。孔與孔之間的距離應(yīng)小于老空或最大裂隙寬度,以允許掘進距離邊線橫截面計算,一般等于或小于3m。鉆孔間扇角一般為15度。

2.2 探放水孔的布置形式

由于礦體產(chǎn)狀多以層狀、似層狀、囊狀順著巖層層面或構(gòu)造面分布,除老空外,儲水空間也多是順層(構(gòu)造面)發(fā)育。因此,探放水孔的布置應(yīng)結(jié)合這些情況綜合考慮。布置總體原則是:盡量與地層層面和構(gòu)造面呈正交或斜交。

2.2.1 急傾斜巖(礦)體探放水孔布置

急傾斜礦體一般沿構(gòu)造破碎帶分布,礦體走向沿構(gòu)造破碎帶發(fā)育,含水層產(chǎn)狀陡傾,巖溶裂隙發(fā)育,揭露后往往水量較大,補給充足,壓力較大,涌水延續(xù)時間較長。因此,布置探放水孔時應(yīng)充分考慮施工過程中的安全問題。宜以“人”字型布置(圖3),施工順序宜從下到上進行。

2.2.2 緩傾斜巖(礦)體探放水孔布置

緩傾斜巖(礦)層產(chǎn)狀平緩,地下水多以礦體與巖體的接觸帶,或巖層的層間裂隙作為儲水空間。揭露后往往水量較大,補給充足,涌水延續(xù)時間較長。布置探放水孔時應(yīng)宜以“十”字型布置(圖4),施工順序宜從下到上進行。

2.2.3 巨厚巖(礦)層探放水孔布置

對于巨厚的含水巖(礦)層,采掘過程中多以分段(層)方式施工。當(dāng)采掘巷道布置在含水巖(礦)層下部時,應(yīng)布置相應(yīng)的探放水工程,探放水鉆孔多以上斜孔為主, 孔位以“ 丄”字型布置,施工順序一般從下到上(圖5)。

當(dāng)采掘面布置在含水巖(礦)層上部時,也應(yīng)布置相應(yīng)的探放水工程,探放水鉆孔多以下斜孔為主,孔 位以“ 丅”字型布置,施工順序從上到下(圖6)。

2.2.4 沿積水區(qū)及破碎帶掘進探放水孔布置

沿老空積水區(qū)或破碎帶開掘時,靠近這些區(qū)域的巷道應(yīng)在積水區(qū)或破碎帶一側(cè)施工探放水孔(圖7),也可以施工一定數(shù)量的專門探放水硐室,進行探放水,硐室間距視巖(礦)結(jié)構(gòu)而定。探放水孔設(shè)計應(yīng)保持一定角度和深度,以不揭穿破碎帶為宜。探放水孔的數(shù)量視巖層破碎及裂隙發(fā)育程度而定,多呈上下扇形豈有此理置5孔為宜。

2.2.5 斷層及斷層下盤含水層探放水鉆孔布置

含水層位于開掘前方斷層的下盤,并處于礦體的底部,地下水呈承壓水狀態(tài),斷層有可能是導(dǎo)水通道。為避免斷層導(dǎo)水產(chǎn)生地鼓式透水造成危害,需要設(shè)計施工探放水孔探查含水層與斷層的水力聯(lián)系特性,有效釋放水壓(圖8)。

3 結(jié)語

(1)礦井水害是礦山安全生產(chǎn)的大敵,具有突發(fā)性強、危害大的特點,必須高度重視,應(yīng)加強技術(shù)和管理,采取相應(yīng)的措施進行有效防治。

(2)造成礦井水害的自然和人為因素眾多,應(yīng)認(rèn)真分析礦井水文地質(zhì)條件,做到清醒認(rèn)識,準(zhǔn)確掌握,預(yù)估風(fēng)險,提高防范意識。

(3)采掘施工必須堅持“有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則,對可能造成水害的地段,應(yīng)進行探放水防治工作,確保采掘生產(chǎn)安全高效。

(4)防治礦井水害最直接簡單的方法是施工鉆孔探放水。必須結(jié)合含水巖(礦)層的分布特征和地下水特性,綜合分析考慮,合理布置探放水工程,最大程度的發(fā)揮探放水工程的有效性。

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歐陽仕元(1964—),男,本科,水文地質(zhì)高級工程師,從事礦山防治水、地質(zhì)災(zāi)害防治、環(huán)境地質(zhì)治理技術(shù)與管理工作。