笔架山铁矿井下渗、涌水对采掘活动的影响分析及安全对策措施 ＊

王东梅,彭 华,陶资全

(云南云天咨询有限公司,云南 昆明 650032)

禄劝县云川矿业开发有限公司笔架山铁矿是一个以开采铁矿石为主的金属矿山,开采矿种为铁矿,开采方式为地下开采,开拓方式为斜坡道开拓,生产规模 10万 t/a。该矿山由于位于金沙江边,开采深度1114～895 m,金沙江水平面最高历年水位洪水水平面高程 947.03 m。

目前,矿山采掘作业面标高位于金沙江水平面以下,由于矿山老马塘主断层及其一些分支断层的影响,该矿山井下渗水、涌水较大。对井下采掘活动有一定影响,鉴于该矿存在透水及淹溺等危险因素,矿山组织专业技术人员结合矿山自然因素、地质、水文条件,采用有限元方法对该矿山地下水对采掘生产的影响进行定量分析,并提出相应的对策措施。

1 区域水文地质条件

1.1 地形地貌

笔架山铁矿位于禄劝县北部,金沙江峡峪地区,海拔 940～1200 m,地势总体东高西低,地形较陡,一般坡度 40°～60°,悬崖绝壁随处可见,有利于地表水的排泄。金沙江紧靠矿区西北则流过,地表水直接排入金沙江。

1.2 气候

据禄劝县气象站资料,禄劝县全年降雨量最大1263.50 mm,最小 774.7 mm;年蒸发量最高2255.50 mm,最低1974.50 mm;日平均最高气温32℃ (1975年 4月 30日),最低 -6.4℃ (1974年 1月 1日);主导风向 6～12月为 SS W偶见NW;日平均风速最大 19 m/s(1976年 2月 27日),最小 6 m/s(1977年 9月 17日)。大气降水为地下水的唯一补给来源,季节变化控制地下水的动态变化规律。

1.3 地表水

金沙江紧靠矿区西北侧流过,金沙江江面宽100～300 m,深 59.5～62 m,水位差 16.22 m,流速 1.5～2.0 m/s,属 HCO3-～Ca2+～Mg2+型矿化度低、弱碱软水。矿区内地表水均排入金沙江。

1.4 含 (隔)水层 (组)特征

区内地层简单,仅出露昆阳群因民组下段(Ptkny1)、因民组上段 (Ptkny2)、落雪组下段(Ptknl1)、落雪组上段 (Ptkn12)、鹅头厂组 (Ptkne)地层,其含水特征如下:

1.4.1 含水层特征

昆阳群因民组下段弱含水层 (Ptkny1):灰色、肉红色或砖红色“混合岩”化硅质岩,偶夹白云岩扁豆体。厚度 >120 m。含构造裂隙水,富水性弱。

1.4.2 隔水层特征

鹅头厂组隔水层 (Ptkne):黑色炭质板岩夹钙质砂板岩,厚度 >100 m。为区内的相对隔水层。

1.5 构造水文地质特征

矿区为一轴向东西,轴脊近于直立的紧闭背斜,地质产状近直立陡倾,背斜两翼放射状次级张性小断层发育 (45条),因此矿床地下水、地表水有水力联系。矿床为拉戛厂、老马田两断裂所夹持的断块,断层发育,切穿了各含水层,使各含水层有水力联系。规模较大的拉戛厂、老马田两断裂。

老马田断裂理论上属阻水断层,但可能为导水断层,使矿区地下水与金沙江水体存在水力联系,断层深部切穿了含各水层及矿体、对矿床充水影响较大。

1.6 地下水

地形最低点为金沙江水面,海拔 950 m,矿区相对高差约 250 m,地形较陡,地下水位为 950 m左右,随金沙江水面变化而变化。地下水属 HCO3-～Ca2+～Mg2+型矿化度低弱碱硬水。地下水补给为金沙江江水及大气降水。矿体分布标高为600～1200 m,有 51.24%的储量位于金沙江水面950 m之下,不利于地下水的自然排泄,含矿层上下盘岩层均为含水层,加之断层发育,地下水对矿山影响较大。

2 渗流计算方法简介

本次计算主要采用的渗流分析方法是:有限元方法。有限元方法是依据非饱和土理论、根据基本的渗流理论――达西定律等,采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤坝、或土体的渗流分析。该项目满足达西定律流场,所以采用水渠渗流模板进行计算分析。

2.1 渗流有限元分析基本方程

式中:[K]——透水系数矩阵;

{H}——总水头向量;

[M]——单元储水量矩阵;

{Q}——流量向量;

t——时间。

2.2 透水系数矩阵 [K]

其中:

其中:α──最大透水系数的方向角,用于各项异性的材料中。

2.3 由节点水头求单元内任意点水头 H (x,y)

其中:N1=(a1+b1x+c1y)/2A

N2=(a2+b2x+c2y)/2A

N3=(a3+b3x+c3y)/2A

a1=x1y3-x3y2a2=x3y1-x1y3a3=x1y2-x2y1

b1=y2-y3b2=y3-y1b3=y1-y2

c1=x2-x3c2=x3-x1c3=x1-x2

其中:A过水断面面积;N为孔隙度;

2.4 由节点水头求单元内任意点流速

{V}{V}=-[k]{B}{H}(1-6)

其中:B为过水断面宽度;注意:单元内任意点的流速均相等。

2.5 单元刚度矩阵 [K]

2.6 单元储水量矩阵 [M]

2.7 内源或蒸发所引起的力向量

其中:Ω为单元内源或蒸发造成的流量m3/s,

内源为正,蒸发为负。

2.8 边界流量所引起的力向量

其中:Vn=lxVx+lyVy为单元边界的流速 m/s,流入为正,流出为负。

图1 质点流速的线性变化Fig.1 Linear change diagram of pourticle velocity

而lx=cosα,ly=cosβ,如图1显示。假定Vn在边界上为线性变化,在 1点为q1,在 2点为q2,将式 1-16运算展开:

3 计算方案

从《云南省禄劝笔架山铁矿水文地质勘察报告》可知,当金沙江最低标高为 895 m时,雨季地下水流量4000 m3/d,旱季金沙江水位为 940.78 m,洪水季节最高水位为 947.03 m。根据《岩石透水性分级划分》该矿岩石透水性为弱透水性,因此在计算分析的时候,确定k=0.8。通过以上数据,采用渗流软件,渗透系数K作为变量,进行反分析计算得出K=5.9763×10-3cm/s时,和实际情况相符,为后续计算奠定基础。根据笔架山铁矿实际情况,最后确定计算方案见表1。

表1 计算方案Tab.1 Numerical procedure

4 计算模型

计算模型选取的断面是在 3号储量横剖面图的基础上进行简化。各方案计算模型图见图2～图5。

5 计算结果分析

通过分析计算,各个方案的渗透量见表2。单位为 m3/d。

表2 计算结果表Tab.2 Colcutated results list m3/d

因此,对两种治理方案进行分析:1.防渗层;2.帷幕注浆。具体比较分析见表3。

通过表3可知,加防渗层后和洪水季节相比,平均渗流量减小 27.19%,采用帷幕注浆后和洪水季节相比,平均渗流量减小 43.12%。得出采用注浆有利于减少渗流量。

从表3也可以看出,随着开采深度的下降,一定深度的帷幕堵水效果逐渐降低,对有效封堵地下水作用有限。因此,在实际开采中,适当加深帷幕深度,有得于提高帷幕注浆质量。

表3 治理方案对比分析表Tab.3 Comperison and analysis list for treatment scheme

6 安全技术对策措施

1)矿山在将来生产过程中应加强水文地质工作,及时掌握地表水与地下水的活动规律,以及矿体附近破碎带、断裂带情况,为井下采掘工作做好防水指导。

2)必须坚持 “有疑必探 (水),先探后掘”的原则。

3)采用防渗混凝土对临江 14号井 (也包括其它最高洪水位以下的老坑道)进行封闭,同时于坑内采用帷幕注浆进行裂隙堵水。

4)鉴于临江 14号井等坑道在开掘过程中因爆破作业可能会对井壁周围的岩层造成一定破坏,故在坑道进行封闭之前,应于坑口附近 3～5 m的一段巷道中进行帷幕注浆,封闭井壁周围所存在的裂隙,然后采用防渗混凝土将坑口附近 3～5 m的一段巷道进行全封闭,并确保井壁周围密闭完好,以阻断江水进入坑内的通道。

5)金沙江水进入坑内的通道被完全封闭之后,可以确保矿山全年的正常生产,但设计开采范围内的矿体大部分位于金沙江最高洪水位以下,坑内工程在裂隙发育处有可能出现渗流,为确保坑内有一个较好的生产环境,应在渗流处周围钻凿注浆孔进行压力注浆,使渗流处周围形成帷幕而阻断渗流。

6)在 895 m阶段设置 1个容积为1500 m3的巷道型水仓,排水管均为Φ100胶管,并安装 4台型号为WQ100-9的排水泵将渗入坑内的水排除坑外。

7)生产过程中必须严格遵循“确保矿柱尺寸,控制矿房规格”的原则,确保矿房回采结束之后长期处于稳定状态,避免因岩层大面积垮塌后产生大量裂隙而导致金沙江水灌入坑内而发生透水事故。

8)根据地形条件,应在地表相关区域设置截、排水设施,并确保畅通可靠。

9)强化排水设备、设施的管理,及时整改设备、设施隐患;

10)编制年度防治水计划和矿井防排水应急救援预案;

7 结 语

该矿山在经过多年的开采之后,沿金沙江边已开掘了多条斜坡道或平坑,其中临江 14号井为斜坡道,井底最低标高已达 935 m,为坑内开采的运输通道之一。该斜坡道坑口标高为 951.44 m,位于金沙江最高水位和最低水位之间,一旦金沙江水位上涨之时,江水即顺斜坡道灌入坑内,致使矿山被迫停产,而当金沙江水位下降,坑口暴露于水面之后,又需花费将近两个月的时间进行集中抽水,因而该矿山每年的开采时间大约只有半年,矿山应有的生产效率无法得到正常发挥。

与此同时,由于开采范围内的矿体大部分位于金沙江最高洪水位以下,虽然区内较大的拉戛断层和老马田断层距矿体较远,对矿床充水基本上无影响,次级断层的规模也较小,主要由断层角砾及断层泥组成,富水性弱～中等,但含裂隙水,局部破碎带可能出现渗流,对坑内的生产环境将会造成一定影响。

生产过程中必须严格遵循 “确保矿柱尺寸,控制矿房规格”的原则,确保矿房回采结束之后长期处于稳定状态,避免因岩层大面积垮塌后产生大量裂隙而导致金沙江水灌入坑内而发生透水事故。

生产过程中应加强排水系统的管理,定期对排水设备和设施进行检修,确保排水系统运转正常,并应经常保持巷道水沟和工业场地排水沟的畅通,以避免淹井事故的发生。

[1]云南省禄劝县笔架山铁矿资源储量核实报告 [R].云南省有色地质三○六队,2008.

[2]《采矿手册》编辑委员会,采矿手册 (第 4卷) [M].北京:冶金工业出版社,1990.

[3]云川矿产开发公司笔架山铁矿崩塌调查报告 [R].云南岩土工程勘察设计研究院,2008.

[4]蔡美峰.岩石力学与工程 [M].北京:科学出版社,2002.

[5]毛昶熙.渗流计算分析与控制 [M].北京:水利电力出版社,1990.

[6]侯克鹏.矿山地压控制理论与实践 [M].昆明:云南科技出版社,2004.

[7]金属非金属矿山安全规程.GB16423-2006.