編制金屬礦山放水試驗施工組織設計的方法

王亞男, 王 瑩, 邢科明

(1.湖北省地質局 第一地質大隊,湖北 大冶 435100; 2.湖北省核工業地質局,湖北 孝感 432000)

對于已投入生產的礦山,為了解決某一項或若干項水文地質問題需開展專門的水文地質補充勘探工作。放水試驗是水文地質補充勘探技術手段之一,能充分查明含水層的富水性、邊界條件及各含水層之間的水力聯系[1],是一項效果好又經濟的技術手段。因此,進行放水試驗方法探討具有實踐意義。

筆者多年從事金屬礦山水文地質條件研究工作,發現金屬礦山水文地質勘探規范中,對放水試驗的介紹較為簡略。放水試驗作為水文地質補充勘探的技術手段之一,在金屬礦山勘探工作中的普及率較低。因此,筆者總結以往主持大型礦山放水試驗工作經驗,以雞冠咀金銅礦區為例,簡要介紹編制金屬礦山放水試驗施工組織設計的方法。

1 工作思路

以煤炭系統放水試驗相關規范為依據,結合雞冠咀礦區實際情況編制施工組織設計,提出具體的技術要求,充分利用礦井排水能力進行大流量、大降深放水,使取得的數據更接近實際涌水量,并指出探放水孔施工和放水試驗過程中可能遇到的安全隱患,為做好安全防范措施提供依據。

2 前期準備工作

放水試驗施工組織設計的好壞,取決于前期準備工作的充分性。前期準備工作包括兩方面:一是對礦區歷年水文地質工作成果的收集、整理、分析;二是對礦區水文地質現狀的調查。

對礦區歷年水文地質工作成果的收集、整理、分析,目的是總結礦區歷年水文地質工作取得的成果,發現存在的問題,為放水試驗設計提供依據。雞冠咀礦區前期開展了水文地質資料匯編工作,發現存在的主要問題是對東南部大理巖水文地質條件的研究程度欠佳,而東南部大理巖是礦山下步開采礦體的主要充水含水層。通過放水試驗,查明東南部大理巖富水性、水文地質邊界條件與外圍大理巖水力聯系的情況。

礦區水文地質現狀調查具體包括如下內容:

2.1 調查礦井涌水點情況

對雞冠咀礦區所有涌水點涌水量、涌水起始時間、涌水層位等內容進行調查。其中-470 m中段24線涌水點出水層位為東南部大理巖,涌水量最大,流量衰減最緩慢(目前仍在涌水),且礦山下步開采礦體主要賦存在-470 m中段以下,因此選擇在-470 m 中段24線開展放水試驗。

2.2 調查礦井排水系統及日均排水量

收集了礦山井下排水系統情況和歷年礦區每日排水量臺賬,整理礦區排水量臺賬,得出礦區日均排水量,礦井排水能力-日均排水量=礦井剩余排水能力。礦井剩余排水能力即是放水試驗可放最大的水量。

2.3 調查東南部大理巖地下水位標高

雞冠咀礦區地表有觀測東南部大理巖地下水位的長期觀測孔,收集長觀孔一個水文年的水位觀測資料,繪制地下水位與大氣降雨關系曲線圖，了解大氣降雨對東南部大理巖地下水位的影響。由于大氣降雨對東南部大理巖補給條件不佳，因此選取該水文年中最高地下水位值，作為開展耐壓試驗和安裝壓力表的依據。

2.4 調查-470 m中段排水線路

調查-470 m中段放水試驗點—水倉的排水線路情況,具體如圖1所示。根據排水管直徑和排水溝渠斷面面積,計算其排水量,為探放水或放水試驗期間是否需要完善排水設施提供依據。

2.5 調查-470 m中段水文地質情況,繪制其斷面圖

繪制-470 m中段水文地質斷面圖(圖1)。-470 m中段24線涌水點為礦山2009年施工的探放水孔,收集探放水孔資料,將其揭露巖性投至圖1。依據圖1推測探放水線距離,為布置探放水孔提供依據。

圖1 放水試驗點—水倉的排水線路圖Fig.1 The drainage line map of the test point to the water storehouse1.排水溝渠;2.排水暗管;3.隔水層;4.矽卡巖裂隙含水層;5.裂隙溶洞含水層;6.構造破碎裂隙含水層;7.推測地質邊界。

3 設計需注意的問題

3.1 長觀孔設計

應設計地下水位長期觀測孔,主要目的有兩個:一是長期觀測東南部大理巖和礦區外圍大理巖地下水位情況;二是在放水試驗期間作為觀測孔,判斷東南部大理巖與外圍大理巖水力聯系情況,查明東南部大理巖水文地質邊界條件。

3.2 探放水孔設計

在雞冠咀礦區施工探放水孔的主要目的是探明東南部大理巖的富水性、邊界條件及與外圍大理巖水力聯系情況，確定突水的安全隱患危險程度[2]。因此設計超前探放水孔深,設計孔深75～100 m,探放水孔呈扇形布置,考慮到兼做放水用途,終孔孔徑≥91 mm。探放水孔一般向上仰起3°～5°的角度[3]。

另外,在設計過程中還應注意以下幾個問題:

(1) 探放水鉆孔孔口安設孔口安全裝置及達到耐壓要求。探放水孔在遇水前應安裝孔口管。孔口安全裝置由孔口管、泄水側壓三通、閘閥、壓力表和鉆桿逆止閥等組成。安裝孔口管后，注漿使孔口管與孔壁充滿水泥漿。水泥漿凝固后掃孔，再對孔口管進行耐壓試驗。試驗壓力應大于預計水壓并穩定30 min后，孔口管周圍不漏水時，方可鉆進[4]。

由于金屬礦山隔水巖層完整、堅硬,設計孔口管長度可適當減小。除做耐壓試驗外,還應對孔口管做抗拉力試驗,由鉆機將孔口管向外拉,拉力應大于預計水壓的1.5倍,抗拉力試驗時長30 min。

(2) 探放水期間的排水設施。應做好排水設施設計。排水方式有:溝渠排水、水管排水、巷道自流等。

根據現狀調查,雞冠咀礦區現狀排水線路的排水能力不能滿足探放水期間的排水要求,需完善排水設施。由于探放水點—水倉的排水線路途經廢石溜井(圖1),且廢石溜井段較周邊高,溝渠排水及巷道自流均可能水淹廢石溜井,影響礦山正常生產,設計采用排水鋼管排水。由水泵抽水至排水鋼管,再排至水倉。

排水鋼管根據礦井剩余排水能力選型,既要滿足探放水期間的排水要求,又要滿足放水試驗期間的排水要求。

(3) 探放水孔突水的防范措施。在探放水過程中可能發生還未安裝孔口安全裝置就涌水的情況,若瞬間涌水量過大,可能發生淹井事故,因此需采取以下防范措施:

① 選擇合適的開孔孔徑。在不明隔水巖層厚度的情況下,可先小口徑開孔,鉆至一定深度可安裝孔口管時立即擴孔安裝孔口管。

開孔孔徑可根據單孔出水量估算公式反推。單孔出水量公式如下:

式中:Q為單孔涌水量(m3/s);c為流量系數,一般取0.6～0.62;w為鉆孔的斷面積(m2);g為重力加速度(9.81 m/s2);h為鉆孔出口處的水頭高度(m)。

以礦井剩余排水能力作為單孔出水量,經計算,雞冠咀礦區探放水孔開孔孔徑為φ75 mm。鉆至一定深度可安裝孔口管時立即停鉆擴孔,再安裝孔口管,終孔孔徑≥φ91 mm[5]。

需要說明的是單孔出水量估算公式主要針對探放老窯老空水的單孔涌水量,本處是探放含水層的水,反推的開孔孔徑肯定偏小,但是不排除探放水孔揭露大、溶洞瞬時涌水量較大的可能性,因此采用該公式的計算結果可供參考。

② 在探放水巷道附近巖石穩定地段設置臨時擋水墻或水閘門。

(4) 其他安全措施。探放水孔施工中的技術要求及安全措施在《井下探放水技術規范》(MT/T 632—1996)中有詳細介紹,下面補充幾點:

① 探放水期間應有備用發電機,防止鉆進過程斷電,水泵無法抽水水淹廢石溜井。

② 探放水孔施工中應每小時巡視一次排水線路,定期對水泵進行檢修。

③ 停工時應關閉孔口閘閥。

④ 注意做好排水點的檢查，防止回水影響。

3.3 放水試驗

放水試驗應進行三個水頭降低,放水試驗技術要求參照相關規范執行。設計采用水位計觀測長觀孔水位，用壓力表觀測放水孔水位，采用電磁流量計和三角堰觀測涌水量。放水試驗期間，放水孔水位(壓力表)和觀測孔水位應與涌水量觀測同時進行，觀測時間間隔由密到疏，開始每5～10 min測一次，然后根據穩定程度改為15～30 min測一次；基本穩定后，隔1 h測一次，穩定時間需達8 h以上。

需要注意的是,放水試驗應連續進行,若放水中斷,而中斷前放水已超過6 h,且中斷時間不超過1 h,則中斷前的放水時間仍可計入延續時間內,否則應觀測恢復水位,待水位達到穩定后再重新放水。在放水試驗期間,需同步觀測其他地點的涌水點(涌水層位為東南部大理巖)涌水量。

設計采用安裝排水鋼管來放水，排水鋼管將水引入水倉實現放水目的。排水鋼管選型參照《小型水電站機電設計手冊》和《水電站壓力鋼管設計規范》(SD144-85試行)執行。此處礦井剩余排水能力是292 m3/h,經過計算排水鋼管型號選擇φ219×6 mm。

3.4 放水試驗資料整理

進行放水試驗時，應在現場隨時整理和編制Q=f(s)、q=f(s)、Q-t、S-t關系曲線，繪制主孔與各觀測孔水位下降過程曲線，以便及時了解放水試驗情況。若Q=f(s)、q=f(s)關系曲線異常，應查找原因，重做放水試驗。

根據各觀測孔水位下降情況，結合計算出的放水試驗期間影響半徑，判斷東南部大理巖的邊界條件及與外圍大理巖水力聯系情況。

采用地下水動力學公式，分別根據三次放水試驗資料反演東南部大理巖滲透系數K值，并求取平均滲透系數KCP，判斷東南部大理巖富水性。

建立Q=f(s)曲線三次方程式預計礦井涌水量Q或選用其他地下水動力學公式預計礦井涌水量。

4 結語

編制金屬礦山放水試驗施工組織設計,需要做好以下幾點:

(1) 做好前期準備工作。掌握礦區歷年水文地質工作取得的成果和存在的問題,對礦區水文地質條件現狀進行調查。

(2) 在參照煤炭系統放水試驗相關規范要求的前提下,結合金屬礦山實際情況設計。

(3) 把安全工作放在首位。在編制施工組織設計時,要明確指出探放水孔施工和放水試驗過程中可能遇到的安全隱患,并制訂好安全防范措施。

[1] 魏可忠.礦井水文地質[M].北京:煤炭工業出版社,1991:102-110.

[2] 周敦軍,孫洪亭,王金宏.預防礦井突然涌水的超前探水措施[J].礦業快報,2002(9):5-7.

[3] 柴登榜.礦井地質工作手冊:下冊[M].北京:煤炭工業出版社,1986:435-445.

[4] 中華人民共和國煤炭工業部.井下探放水技術規范:MT/T 632—1996[S].北京:中國標準出版社,1996.

[5] 中國有色金屬工業協會.有色金屬礦山水文地質勘探規范:GB1060—2014[S].北京:中國計劃出版社,2014.