非煤矿山地下水害防治

王 军

矿山水害概况

矿区水害是与瓦斯、煤尘等并列的矿山主要灾害之一。受地质条件和矿山开采历史等客观因素的影响,我国矿区水文地质条件极为复杂, 无论是受水害威胁的面积、类型,还是水害威胁的严重程度,都是世界罕见的。地表水、老空水、冲积层水、岩溶水等各种类型的水害样样俱全,各区域矿井均存在不同类型水害的威胁。其中:华北地区以老空水、顶底板奥灰水害为主;华东地区以冲积层水、顶底板岩溶水害为主;华南地区以地表水、老空水、溶洞水害为主;其他地区以老空水害为主。

长期以来,因为矿区水害而造成的人身伤亡和经济损失极为惨重。据不完全统计,在过去的20多年里,全国有250多个矿井被水淹没,死亡1700多人,经济损失高达350多亿元人民币。

例如1999年7月12日,山东省莱芜市谷家台铁矿-100m水平28A穿脉发生透水事故,导致矿井被淹,29人死亡。此次透水事故主要是裂隙与上部奥灰水导通所致。2001年7月17日3时40分,广西自治区南丹拉甲坡矿9号井在实施2次爆破后,标高-166m平巷的3号作业面与邻近恒源矿最底部-167m平巷的隔水岩体产生脆性破坏,大量高压水从恒源矿涌出,淹及拉甲坡矿3个工作面,以及相邻的龙山矿2个工作面、田角锌矿1个工作面,致使81人死亡,直接经济损失9000余万元。事故的直接原因是拉甲坡矿非法开采,乱采滥挖,违章爆破,破坏了厚度较薄的隔水岩柱,致使旁边恒源矿的老窑积水短时间内大量涌出。

近年来,随着矿产资源开发强度加大和一些集体、个人小型矿山企业数目增加等原因,矿井突水事故频繁发生。

这些水害事故破坏性大,突发性强,往往导致大量人员伤亡,即使没有造成人员伤亡, 矿井水害事故也具有抢险救援难度大、经济损失大、矿井恢复生产周期长、恢复生产期间安全隐患多等特点。

山东省莱芜市谷家台铁矿1999年“7·12”透水事故后,矿山至今不能恢复生产;湖北阳新县鹏凌铜矿2004年“6·16”突水事故后,矿山至今也不能恢复生产开采。因此,矿井水害已成为影响非煤矿山安全生产的重大问题之一。

矿山水害防治技术

矿山水害防治方法一般分为3种,即疏、堵、避,实际应用中往往采用一种方法为主、其他方法为辅的综合防治方案。具体来说,矿山水害防治首先应深入掌握矿区水文地质条件,在此基础上,遵循先简单、后复杂,先地面、后井下、层层设防的原则,开展矿山水害防治。对于各种可能涌入矿坑的地表水,应采取地面防水措施;为防范突水淹井,应采取井下防水及探放水措施;为保证安全顺利开采,坑内一般以疏为主,并尽量在浅部将地下水拦截;在水文地质条件适宜、经济技术条件允许时,应优先采取帷幕注浆方案。

1.地面帷幕注浆堵水新技术

地面帷幕注浆的主要原理是在矿区主要进水方向采用系列钻孔注浆的方法,用一定的压力将浆液材料压到含水层的岩溶裂隙中,经固结后减少裂隙的体积和过水断面,以截断地下水进入矿坑的补给源。

地面帷幕注浆堵水要求矿区平面上具有清晰的水文地质边界,进水方向清楚,在平面和垂直方向上具有帷幕注浆的客观条件。帷幕内辅以疏干排水,可完全消除井下重大突水事故,达到矿山安全生产条件,保障人民生命财产安全;帷幕注浆堵水又可大幅度减少矿坑涌水量,为矿山取得显著的经济效益,帷幕注浆堵水投资一般四五年内即可收回;帷幕注浆堵水还可保护矿山地质环境,大幅度减少甚至避免地面岩溶塌陷;帷幕注浆堵水还能保护矿区宝贵的地下水资源,这在一些缺水的地区,作用及意义更加突出。

安徽省铜陵市新桥矿业有限公司是一个坑露联合开采的岩溶大水大型多金属硫化矿床,矿区被分为东西两翼,东翼水文地质条件复杂,每天涌水量预计达5万m3以上。新桥矿矿体的顶板为岩溶发育的栖霞灰岩含水层,以前曾多次发生大的突水事故,并伴随着地面塌陷和开裂,致使河水倒灌矿坑,河流断流,矿区公路、铁路、农舍、地质环境被毁,矿农矛盾激烈。为了解决东翼地下水害问题,新桥矿于1992年与长沙矿山研究院联合成立了攻关课题组。

技术攻关小组采用了分区不等距大孔距布孔法和高速高效输料粉碎搅拌制浆工艺,通过数值模拟技术,优化帷幕线设计及布置注浆孔,在新桥矿塌陷和开裂地带大规模应用了塑性强度高、抗冲刷稀释能力强、价格低廉的改性黏土浆。目前,新桥矿塌陷和开裂地带堵水率已高达77.96%,帷幕内外水位差高达40.6m,有效解决了新桥矿地下水害问题。

湖北省大冶市大红山铜铁矿床也是一个水文地质条件复杂的岩溶充水矿床,矿区紧邻大冶市,地面建筑物众多,民房、选厂、农田、鱼塘遍布矿区,矿区周边还有铁路、公路、大冶湖、大冶市六中。2003年4月11日,大红山矿井下-160m曾发生突水,引发了较大范围、较大规模的地面塌陷,大量鱼塘、农田被破坏,武九铁路复线路基塌陷(现已改线),并向市六中逼近(相距已不足100m),威胁到六中3000名师生的安全。当地政府及大红山矿经过多次会议讨论,确定委托长沙矿山研究院对其进行水害防治。

防治小组综合考虑了大红山矿水文地质条件和开采后留有大量廉价尾砂、水洗砂等实际情况,研究提出了大溶洞、高水头条件下采用廉价的尾砂、水洗砂混合浆液注浆的技术,并组织专业队伍进行帷幕注浆施工。采用帷幕注浆堵水技术后,大红山矿的堵水率已达82%,帷幕内外水位差高达80m以上,帷幕外侧不再发生地面塌陷,矿区深部及浅部矿体也可得到安全回采,不再受到地下水威胁。

2.控制疏干技术

控制疏干技术主要通过控制矿坑内水位降落漏斗现状,在保证井巷开拓及采矿工程安全进行的前提下,尽量不排、少排或晚排地下水,达到预防突水淹井、减少排水费用、保护地下水资源及控制地面塌陷等目的。控制疏干技术主要通过超前探水、降压疏干、注浆堵水及物理探测等综合手段来实现,是传统疏干技术的一大发展。三山岛金矿、安庆铜矿等即采用该项技术,获得了成功。

3.地面塌陷防治技术

地面岩溶塌陷是岩溶矿山疏干排水引发的普通地质灾害现象,危害较大,甚至直接影响到矿山的生存。其防治原理主要是消除产生岩溶塌陷的基本条件,即减少矿坑排水量、拦截主要导水通道或封闭隐伏岩溶洞口。

近年来,通过对安庆铜矿、凡口铅锌矿、下告铁矿等矿区岩溶塌陷的防治研究,长沙矿山研究院已摸索出了一套塌陷防治措施,其主要措施有:①塌陷的综合预防,②塌洞口封闭,③塌洞埋管回填注浆,④塌陷区注浆,⑤修筑高喷桩基础的人工河床,⑥高喷桩拱体封闭塌洞口,⑦隐伏土洞预先治理。

4.井下顶板帷幕注浆技术

井下顶板帷幕注浆技术是地面帷幕注浆技术向井下的延伸,其主要原理是采用系列钻孔在矿体顶板注入大量浆液,以形成人工隔水层,切断地下水对矿坑的补给通道。该项技术具有节约排水费用、保护地下水资源、保护地质环境及不浪费矿产资源等显著优点,具有广泛的推广价值。其适用条件是:矿体相对集中、紧接强含水层。山东莱芜业庄铁矿、莱新铁矿即采用该项技术,均获得成功。

5.深井淹井注浆治理技术

深井淹井注浆治理技术的主要原理是采用注浆方法封堵突水源,其主要有3种类型:一种是先抛碴注浆,再进行工作面预注浆;一种是从地面进行井筒帷幕注浆;另一种是从地面采用高精度定向钻孔封堵突水点。3种方法主要根据井深、含水层埋藏深度,以及富水性、井内设施、工期要求等方面综合确定。高峰锡矿、冬瓜山铜矿、粮荐桥钼矿、白象山铁矿等采用了深井淹井注浆治理技术,已成功治理了突水淹井事故。

我国幅员辽阔,灰岩分布广,岩溶矿床在分布的广度、问题的多样性、涌水量的大小、突水危害的程度等方面,在世界上均是最复杂的。岩溶矿山特别是大水矿山,往往表现出多种水害形式,从国内外矿山水害防治发展趋势看,应走综合防治道路,在经济技术条件允许时,应尽可能采用帷幕注浆堵水为主的防治水措施,达到消除井下突水、保护地下水资源、控制地面塌陷的根本目的。若难以采用帷幕注浆技术,则可因地制宜,采用控制疏干、井下矿体顶板帷幕、塌陷防治等技术,重点解决矿山面临的主要水文地质、工程地质问题。

编辑 余茂君