金屬礦山地下水零排放技術方法研究

賈玉琴，韓貴雷

(1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術創新中心，河北 石家莊 050021)

0 引 言

華北地區屬于極度缺水區，人均水資源量約為全國的1/7，其中京津冀人均水資源量僅為230 m3[1-2]。地下水超采是不可持續利用水資源的重要原因，2010年華北地區地下水超采量達到95.8億m3，其中京津冀地下水超采量達60億～70億m3[1,3]。在華北地區地下水超采中，大約1/3為淺層超采區，約2/3區域存在深層承壓水超采問題，邢臺百泉泉域百泉停涌就是區域深層地下水生態環境被破壞的典型表現[4-5]。

最新研究表明，礦業開發是造成深層承壓水超采的重要影響因素。近年來，邢臺市境內的年采礦排水量為7 000萬～11 000萬m3，約占百泉泉域巖溶水可開采量的50%，其中新城礦區年排水量4 100萬m3[4]，中關鐵礦采用疏干采礦年排水量可達5 500萬m3。

邯邢鐵礦田是我國重要的資源能源保障基地，成礦帶上賦存的優質礦產資源超過6億t，20世紀70年代被譽為“中國的魯爾”。邯邢鐵礦田位于百泉泉域地下水強徑流帶，采用傳統疏干排水采礦將會加劇地下水降落漏斗的擴展，嚴重破壞區域內地下水的生態環境，同時也給礦山帶來巨大的經濟負擔和安全隱患，2014年我國啟動了河北省地下水超采綜合治理試點[5]。王建華等[6]提出了地下水開采監測預警、計量、雙控等地下水超采治理的關鍵支撐技術。在此背景下，如何解決優質礦產資源開采與區域地下水資源保護、地下水環境保護之間的矛盾是國內外大水型礦山面臨的緊迫難題。

帷幕注漿、井巷地表預注漿、礦山地下水回灌等技術手段，在礦山防治水方面發揮重要作用，能夠在消除礦山安全隱患的同時最大限度地保護區域地下水資源和地下水生態環境[7]。但是，由于其涉及技術面廣、研究工作起步晚，眾多的關鍵性技術未得到較好解決。例如，帷幕注漿技術設計理論、檢測方法、新材料開發利用等，關鍵技術應用推廣受到制約[8]。為了填補國內研究空白，攻克技術難題，建立系統的金屬礦山地下水零排放關鍵技術體系，突破帷幕注漿技術、井巷地表預注漿技術、礦山地下水回灌技術等領域技術瓶頸，對解決國內外大型水礦山面臨的緊迫難題提供借鑒。

1 技術方案

金屬礦山地下水零排放技術方案的原理為：首先采用帷幕注漿技術，切斷礦床與區域地下含水層70%～80%的水力聯系；再采用井巷地表預注漿技術有效保護帷幕內礦山地下水靜儲量；最后采用礦山地下水回灌技術將剩余20%～30%帷幕內地下水動態補給量，經凈化處理后回灌到區域地下水含水層中，最終實現大水型礦山地下水零排放目標。

1.1 礦山帷幕注漿

礦山帷幕注漿是利用鉆孔和注漿設備將可凝漿液注入巖體含水層，在礦體周圍形成一條帷幕狀相對隔水帶，以減少帷幕內礦坑涌水量的一種礦山防治水技術措施[9-10]。目前，在建礦山和生產礦山均有礦山帷幕注漿工程實施案例，主要用于解決礦體水源補給問題，減少地下水資源疏干與抽排量。據調查，我國實施的各類帷幕注漿工程達50多項。

1) 規模劃分。建設工程規模是確定工程技術參數、工程投資和建設程序的重要依據。根據帷幕鉆探和注漿工作量可將礦山帷幕注漿工程分為以下三個等級：大型，鉆探延米大于10×104m或注漿量大于15×104m3；中型，除大型、小型以外的工程；小型，鉆探延米小于2×104m且注漿量小于5×104m3。

2) 建設程序。礦山帷幕注漿工程實施建設程序如圖1所示。試驗階段是礦山帷幕注漿工程建設的重要過程，也是銜接初步設計和施工圖設計的重要環節[11]。試驗段具有施工的性質，但是由于礦山帷幕注漿工程具有典型的隱蔽工程特點，初步設計時獲取的地質信息可靠性較低，需要通過試驗階段帷幕注漿對初步設計參數進行驗證或修正，試驗段獲取的數據是施工圖編制的重要依據。鑒于此，帷幕注漿試驗階段應該屬于設計階段的重要環節。

圖1 帷幕建設程序Fig.1 Curtain construction procedure

帷幕注漿試驗開展要求達到驗證實施帷幕注漿可行性；檢驗注漿方法、鉆探工藝和注漿工藝有效性；驗證帷幕注漿參數等目的，布置要求為：試驗段布置在水文地質條件和施工條件具有代表性帷幕線上，一般不小于30 m，注漿孔應包含Ⅰ續孔、Ⅱ續孔、Ⅲ續孔完整循環，檢查孔2個[12-13]。

3) 主要技術參數。①帷幕防滲性能。帷幕體的抗滲性能指標主要包括堵水率和帷幕體抗滲標準。堵水率一般由地層條件和帷幕形式確定，帷幕體抗滲標準和帷幕設計堵水率直接相關，在缺乏依據的情況下可參照表1確定，也可通過數值分析法確定。

表1 帷幕體防滲標準Table 1 Curtain anti-seepage standard

數值分析法見式(1)。

(1)

式中：K為帷幕體平均滲透系數；λ為帷幕體堵水率；Q為礦坑預測涌水量；I為帷幕體水力坡度，由預測降深確定；H為帷幕含水層厚度；L為帷幕體長度；i為計算時帷幕體剖分數量。

②鉆孔孔距。帷幕注漿鉆孔孔距是帷幕注漿設計的重要技術參數，帷幕注漿鉆孔孔距大多根據成功實例的經驗確定，相對均質的裂隙含水層一般設計為8～12 m；構造巖溶通道導水含水層一般小于5 m。也可采用近似計算法確定，其計算過程如下所述。

單排注漿孔距計算見式(2)。

(2)

式中：a為注漿孔間距，m；L為帷幕厚度，m；R為漿液擴散半徑，m。

③其他。帷幕上限、下限、厚度等參數應根據水文地質條件等綜合確定。一般要求帷幕上限要保證帷幕建成后地下水不漫頂進入礦坑，下限進入隔水層5 m，帷幕體厚度根據承受的水力梯度計算或者選擇5～10 m。

1.2 礦山井巷地表預注漿

為最大限度保護地下水的同時確保礦山安全基建，在礦山井筒、重要硐室開鑿前可利用鉆機從地表井筒周圍鉆孔注漿，相應技術措施即為井巷地表預注漿。井巷地表預注漿技術參數主要包括注漿起始深度、注漿終止深度、注漿鉆孔布置、注漿孔結構及軌跡、注漿壓力等。

1) 注漿孔數量。井巷工程地表預注漿鉆孔數量應根據井筒結構、漿液性能、地質條件、治理目標等綜合確定，具體技術見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：N為注漿個數，個；D1為井筒荒徑，m；D2為布孔圈直徑，m；A為井筒荒徑至布孔圈距離，m；L為注漿孔間距，m。

通過式(3)和式(4)確定的鉆孔孔距還應綜合考慮漿液的搭接、帷幕厚度要求和鉆孔孔斜。

2) 注漿壓力。注漿壓力應綜合考慮地下水壓力、巖石節理裂隙發育程度、漿液特性等因素，注漿終壓應能保證漿液擴散到設計的有效擴散半徑。注漿終壓計算經驗公式見式(5)。

(5)

式中：K為壓力系數；P為注漿壓力，MPa；H為受注點致靜水位的水柱高度，m。壓力系數K可參照表2。

表2 壓力系數Table 2 Pressure coefficient

1.3 地下水回灌

礦坑水回灌是實現地下水零排放的關鍵環節，回灌井數量的確定應根據地層水文地質條件，回灌上限水位等參數綜合確定。根據回灌試驗群井回灌公式見式(6)。

(6)

式中：N為增加回灌井數量，口；S總回灌井內水位抬升高度，m；Q為回灌量，m3/h。

2 工程案例

中關鐵礦位于河北省邢臺市沙河縣，是一座儲量近億噸、品位超過46%的優質礦山，該礦山是國內典型的巖溶充水大水礦山，礦床位于邢臺百泉泉域地下水強徑流帶，經水文地質評價礦山開采-230 m中段，礦坑涌水量可達15萬m3/d，為了解決礦山開采、安全運營以及采礦與地下水資源保護等方面的問題，礦山連續開展了礦體側向大型止水帷幕注漿、井巷地表預注漿、礦坑水回灌等措施，最終實現礦山礦坑水地表零排放[14]。礦坑水零排放模型如圖2所示。

圖2 礦坑水零排放模型Fig.2 Zero discharge model of mine water

1) 帷幕注漿技術參數。中關鐵礦帷幕注漿工程設計堵水率70%，采用單排注漿帷幕，帷幕線南北長1 140 m；東西寬890 m，帷幕線全長3 397 m，由283個注漿孔，90個輔助鉆孔，共373個鉆孔構成。經過帷幕試驗，鉆孔孔距由10 m調整為12 m，主要技術參數見表3。

表3 中關鐵礦帷幕注漿工程技術指標Table 3 Specifications of Zhongguan Iron Mine curtain grouting project

2) 井巷地表注漿技術參數。井巷地表預注漿標準為斷面出水量不大于10 m3/h，結合場地地層條件，注漿孔采用不等距的梅花形布孔方式，溜井部分孔距為6.5 m，破碎硐室和下部礦倉部分孔距為4.45～7.70 m，破碎硐室部分孔距為4.88～7.50 m。考慮到上述硐室埋深較大，部分鉆孔采用分支孔，鉆孔布置如圖3所示。經試驗可知，在注漿壓力不小于10 MPa條件下采用改性黏土漿液，具有較好的堵水效果和塑性強度，可承受井巷掘砌爆破震動[13-15]。

圖3 鉆孔布置圖Fig.3 Borehole layout

3) 回灌工程參數。中關鐵礦采用帷幕后，地下水動態補給量為3萬m3/d，鑒于礦山帷幕頂板標高為+100 m，所以帷幕外回灌后地下水標高不得高于+100 m；根據回灌試驗該回灌層位在回灌井水位抬升至+90 m時，單井回灌量達到496.8 m3/h。經計算可得，布置3口回灌井可滿足要求。考慮群井回灌對回灌能力的影響以及長期回灌使回灌井產生堵塞，回灌能力降低以及本礦區灰巖含水層巖溶裂隙發育不均，回灌井數量按7口井布置，3口井回灌和3口井回揚，備用井數量1口。

4) 治理效果。中關鐵礦采用帷幕注漿、井巷地表預注漿、礦坑水回灌等相關技術措施，對于保護區域地下水資源和地下水生態發揮重要作用，帷幕有效切斷了礦體與區域地下水聯系，帷幕內外水位差超過70 m。帷幕內動態補給地下水，通過回灌涵養補給了區域地下水，帷幕外區域地下水水位上漲32 m，有效保護了區域地下水資源。

3 結 論

金屬礦山地下水零排放技術方法所取得的技術成果對于提升行業技術水平具有顯著效果，其研究成果推廣應用到大水型礦山取得顯著的經濟效益和明顯的社會效益。

1) 聯合采用帷幕注漿、井巷地表預注漿、大流量地下水回灌等關鍵技術，最終實現礦坑大水型礦山地下水零排放，技術體系具有可行性和合理性。

2) 工程實踐中礦體大型帷幕注漿工程切斷了70%的地下水水力聯系，回灌系統回灌量可達3萬m3/d，礦山在達產后帷幕內外水位差超過70 m，帷幕外區域地下水水位上漲32 m，有效保護了區域地下水資源。

3) 金屬礦山地下水零排放技術方法體系，方案合理、技術完善，對于大水礦山解決地下水資源保護和礦產資源開采之間的矛盾提供支撐，尤其是在處于地下水超采區的優質礦山具有廣泛應用前景。