下告铁矿矿坑涌水量预测及防治水措施

洪安娜，杨建安，徐德金，刘晓莉

（1.中国瑞林工程技术有限公司,江西南昌330031；2.安徽省煤炭科学研究院 水害防治中心,安徽合肥230001;3.万宝矿产有限公司,北京市100053）

下告铁矿矿坑涌水量预测及防治水措施

洪安娜1，杨建安1，徐德金2，刘晓莉3

（1.中国瑞林工程技术有限公司,江西南昌330031；2.安徽省煤炭科学研究院 水害防治中心,安徽合肥230001;3.万宝矿产有限公司,北京市100053）

基于矿山多年坑下生产排水资料及地下水水位观测资料，预测了下告铁矿矿坑涌水量，并在分析采用崩落法采矿矿山崩落区降雨径流渗入特点的基础上，提出了采用直通式放水孔集中疏放降雨径流渗入水等防治水措施。

崩落法；降雨径流渗入；防治水；直通式放水孔

大气降水是矿床充水的根本来源,降雨通过对地表水、地下水的补给对采矿造成威胁,甚至引发水害[1]。采用崩落法或其它不保护顶板的采矿方法采矿时,由于矿体上部岩层遭到破坏,地表会产生沉降、开裂、塌陷等不良工程地质现象。塌陷区的降雨渗流成为不少矿山矿坑涌水的主要来源,暴雨条件下,甚至出现淹井事故或形成井下泥石流,对矿井生产构成严重威胁[2-4]。因此,研究崩落法矿山降雨渗流防治措施具有重要意义。

下告铁矿矿体顶板岩溶含水层直接充水,下告河横穿矿区中部且与岩溶含水层存在水力联系,水文地质条件属复杂类型。该矿山多年来采用崩落法采矿,地表已经遭到破坏,产生了塌陷、开裂,并形成地表塌陷坑。目前矿山经过多年疏干排水,岩溶地下水已基本疏干,其矿坑涌水主要来源为降雨径流入渗。本文通过对下告铁矿水文地质条件及降雨径流入渗特征的分析,提出了该类矿山防治水措施,为其它类似矿山的开发和生产运营提供参考。

1 矿区水文地质条件

1.1 矿区自然地理概况

下告矿区为一个四周山体环绕,中间低洼的山间小盆地,地形有利于降水的汇集。矿区最大相对高差372.72 m,当地侵蚀基准面标高为160 m。矿区年降雨量为1 600～1 900 mm,年均降雨量为1 741 mm,日最大降雨量为253.0 mm(1969年5月13日）,最大连续降雨量为545.0 mm(1966年6月20日～25日）,雨量多集中在4～9月份,占全年降雨的80%以上,常有暴雨袭击。矿区内地表水仅有下告河及其支流,下告河汇水面积约30 km2,自西北向东南呈反“S”形流经整个矿床,其流量月平均最大为5.326 m3/s,最小为0.078 m3/s，一般为0.5～1.4 m3/s,最大洪水流量为15.02 m3/s。

1.2 主要含(隔）水岩组水文地质特征

主要含(隔）水岩组水文地质特征：1)第四系孔隙含水岩组(Q4）由坡积层及冲洪积层组成。前者分布于下告盆地山前平缓地段,为强透水层;后者分布于下告河冲洪积地带,上部为弱含水层,下部为矿区内稳定孔隙水含水层,富水程度中等到强。2)石炭系中、上统壶天群碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组 (C2+3hta～C2+3htb-1）为第四系松散层所覆盖,是矿体直接顶板。据抽水试验成果,单位涌水量q为2.591～4.430 L/(s·m）,渗透系数K为3.45～10.04 m/d,富水性强。3)三叠系上统大顶组相对隔水岩组(T3da～T3db-1）分布于矿区的北部和东部,浅部透水,富水性与风化带发育程度关系密切(断裂带除外）,富水性弱到中等。弱风化带以下,该含水岩组透水、富水性极差。4)石炭系下统忠信组相对隔水岩组为矿体直接底板,富水性弱。5)燕山期侵入岩裂隙含水岩组为富水性弱到中等。6)磁铁矿及矽卡岩相对隔水岩组为矿体结构致密坚硬,干燥无水,富水性弱。

1.3 矿区岩溶发育特征

矿区内岩溶发育主要受岩性和构造控制。溶洞主要分布于+46 m标高以上的质纯大理岩、白云质大理岩和结晶灰岩中,偶见于具有一定规模的方解石脉和萤石脉中,而在矿体附近的矽卡岩化、硅灰石化大理岩中则未见溶洞存在。平面上,下告河北侧岩溶发育较弱,南侧则普遍发育,其中F4断裂带两侧及大理岩与砂岩、花岗岩接触带最为发育;垂向上,整体上呈现出浅部岩溶发育,深部减弱直至消失,呈似层状分布。

1.4 断裂带水文地质特征

矿区内断裂带主要有F5、F4、F12、F14等。1)F5断裂带为张扭性断裂,围岩破碎,含裂隙潜水,浅部富水性中等,中深部富水性贫乏。2)F4断裂带属张扭性断裂,为该矿区的主要导水、蓄水构造。3)F12断裂带属张扭性断层，为透水构造。4)F14断裂带属压扭性断裂,长约350 m，宽2～5 m。位于F14断裂带附近的ZK30孔揭露的地下水水位高出孔口0.57 cm,地下水等水位线在该断裂带发生近80°转弯。

2 矿区防治水现状

2009年6月前,矿山采用地表疏干孔SHK1、SHK2、G1、G2及G3疏干地下水。自2009年6月以来，矿山主要采用3口地表直通式放水孔及2口未封闭的老钻孔疏干。1号直通式放水孔出水量约300 m3/h, 2号直通式放水孔仅雨季有泥水,3号直通式放水孔出水量为20～30 m3/h。-75 m老钻孔仅雨季时出水,其雨季出水量比1号放水孔的出水量大;3号放水巷内老钻孔长年出水,出水量为10～20 m3/h。矿坑排水量一般为3 000～14 000 m3/d,枯水季排水量约为3 000 m3/d。

矿区前期设置了多个地下水水位观测孔,但由于一些观测孔水位已经下降到孔底或被堵塞或地表塌陷而找不到孔口等原因,现已无法正常观测地下水水位。目前矿山有效观测孔为G1、G7、G9、G11、S2、S7孔。根据地下水水位观测资料,矿区地下水水位变化不定,雨季地下水水位抬升,旱季地下水水位下降。矿区地下水降落漏斗中心雨季和旱季水位最大相差超过60 m。

3 矿山地面塌陷、开裂现状

下告矿区在疏干排水期间,由疏干排水产生的塌陷点达260余处,其形状基本为圆形，一般直径为2～3 m,最大塌陷坑直径12 m,最大塌陷深度20 m。在可溶岩分布区ZK13、ZK7孔以南的河道处,塌陷点多、规模最大。

矿山采用崩落法采矿后,由采矿引起的陷落坑仅有1处,位于ZK50孔西南部的可溶岩与三叠系上统大顶组交接处。该陷落坑面积＞30 000 m2,并已直通井下巷道,且将随着采矿的进行不断扩大。

4 矿坑涌水量预测

4.1 降雨径流渗入量估算

下告铁矿经过多年的生产实践,积累了丰富的排水资料、地下水水位观测资料。笔者对下告铁矿多年矿坑排水资料、地表塌陷及错动范围现状和当地降雨资料进行了分析,同时,对未来采矿活动可能造成的地表错动范围进行地表破坏程度详细分区,并根据不同分区估计的暴雨径流入渗系数,估算了设计频率暴雨径流渗入量,结果如表1所示(H24·P=5%为248.54 mm）。

表1 设计频率暴雨径流渗入量

矿区所在地区年降雨量＞1 000 mm,正常降雨径流渗入量取设计频率24 h暴雨径流渗入量的10%,结果如表2。

表2 正常降雨径流渗入量

4.2 矿坑地下水涌水量估算

根据矿区近年来的矿坑井下排水量观测资料及地下水水位观测资料,采用比拟法计算各中段地下水涌水量,结果如表3所示。

表3 地下水涌水量

4.3 矿坑总涌水量

矿坑总涌水量由降雨径流入渗量和地下水涌水量组成,其结果如表4所示。

表4 矿坑总涌水量

目前下告铁矿已开采至-60 m中段,根据矿山排水资料,-60 m中段排水量一般为3 000～14 000 m3/d,平均排水量约10 000 m3/d,与-60 m中段估算结果较为接近,故-180 m、-300 m中段涌水量估算结果可认为是较可靠的。同时,估算结果也表明矿坑经过多年的强排水后,降雨径流渗入量已成为矿坑涌水的主要来源。

5 -180 m中段防治水措施

本矿山在多年疏干排水条件下,崩落区降雨径流渗入量已逐渐取代地下水成为威胁矿山安全生产的主要因素。因此,本矿山-180 m中段防治水的主要对象为降雨径流渗入量。据分析,本崩落区降雨径流渗入特征为崩落区降雨渗流受采动岩层裂隙控制,采动岩层裂隙为无序松散状态,使得崩落区降雨渗流在岩层裂隙中没有集中渗流通道，处于无序散流状态;另外,降雨径流渗入量与降雨强度及崩落区地表破坏程度密切相关[5-6],具有季节性及不稳定性,其渗流途径始终为从地表向下。

生产实践表明,下告铁矿矿坑涌水中泥沙含量大,当降雨径流至塌陷坑,塌陷坑坑底受到泥沙的阻塞,水流主要通过侧向补给进入采动裂隙中;同时,下告铁矿多年的地下水水位观测资料显示,矿区地下水降落漏斗中心水位雨季迅速上升,可见降雨径流入渗水主要积存在上部岩层裂隙中。

下告铁矿已开采至-60 m中段,现井下出水点主要有5个,3口地表直通式放水孔及2个老钻孔。其中,2号直通式放水孔旱季不出水,雨季有泥水;-75 m中段的1个老钻孔只在雨季出水,雨季出水量比1号直通式放水孔出水量(约300 m3/h）还大。另外,根据地下水水位观测资料,地下水水位非雨季较雨季下降超过60 m,且采场基本干燥无水。上述充分说明,直通式放水孔对降雨渗流的疏导是行之有效的。鉴于本矿山-60 m中段地表直通式放水孔对降雨渗流的疏导效果好,故下部-180 m中段的防治水除对地表水体及降雨径流采用了改、堵、截、排等常用措施外(本文不再赘述）,还针对崩落区降雨径流渗入特点,采用地表直通式放水孔,将降雨渗流有序地疏导至矿坑排水系统,具体措施如下。

5.1 -180 m中段直通式放水孔设计

5.1.1 直通式放水孔孔数的确定

根据矿坑内直通式放水孔出水现状,可取直通放水孔平均出水量为200 m3/h。根据预测结果,-180 m中段正常涌水量为12 223 m3/d,若取直通放水孔平均出水量为200 m3/h,则需要放水孔3口。

众所周知,一般随着深度的增加,灰岩岩溶发育减弱,其渗透性变差。考虑到-60～-180 m岩层渗透性较-60 m标高以上差,因此,本次对于下告铁矿-180 m标高以上的疏干,直通式放水孔孔数拟比浅部增加1口,即在矿区预测塌陷坑周围及岩溶含水层内,沿补给、径流及排泄方向共新设4口直通式放水孔,并同时在矿区布置观测井监测地下水流场变化。

5.1.2 直通式放水孔的布置

降雨入渗后形成的地下水总是向阻力小的方向径流,其径流通道往往是天然通道(溶洞、构造破碎带等）及采矿活动造成的通道(采动裂隙、陷落等）。因此,要将降雨径流渗入和地下水集中疏放,首先应寻找岩层的地下水径流通道。基于此,直通式放水孔布置主要考虑以下因素：(1)采矿岩层移动产生采动裂隙,离开采矿体越近,其裂隙越发育,渗透性增强;因此,直通式放水孔应布置在上覆岩层移动范围内，并尽量靠近矿体,但不能设在矿体内,以免矿坑涌水通过疏干工程溃入采场。(2)矿区内F4断层为一导水、蓄水构造,矿区-30～-130 m标高之间和-220 m标高以下岩溶仅见于矿体南侧的F4断层上、下盘影响带内;因此,直通式放水孔底部应穿过F4断层,沟通深部构造破碎带及岩溶发育带,将岩溶地下水与降雨径流渗入一起疏干。(3)地表产生岩溶疏干塌陷的位置,其下部往往岩溶非常发育。因此,直通式放水孔在平面上应选择在地表岩溶塌陷较发育的地段,以沟通溶洞、岩溶裂隙等放水通道。直通式放水孔剖面布置示意见图1。

图1 直通式放水孔布置示意

-180 m中段直通式放水孔及放水巷道平面布置示意如图2。

图2 直通式放水孔平面布置示意

3)直通式放水孔结构。本次设计直通式放水孔开孔直径350 mm,终孔直径不小于91 mm。各孔在穿越第四系孔隙含水层时应下入套管,在穿越可溶岩含水层岩溶发育带时下入穿孔式过滤器,在遇到溶洞和断层破碎带时下入包网过滤器,在穿越岩溶不发育的稳固带时可不设过滤器,直通式放水孔在含水层底部位置采用胶圈和牛皮止水。

5.2 井下突然涌水或泥石流的应急措施

井下-180 m中段以上采场若产生突然涌水或井下泥石流,可通过采场进风井、通风井及泄水井将其下泄至-180 m排水中段水泵房,以防止采场被淹;另外,在-120 m中段和-180 m中段的泵房、变电所及井底车场等重要设施巷道的来水方向设立防水闸门。

6 结论

1)对矿山崩落区地表破坏程度进行详细分区,预测的降雨径流渗入量较可靠,接近生产实际,对矿山防治水具有指导意义。鉴于此,矿山应建立对矿坑排水量及地下水水位观测的长效机制,并定期对因采矿造成的地表破坏区域进行测量记录,为坑下涌水量的预测更新提供详实的基础资料,以指导今后深部开采。

2)通常直通式放水孔用于地下水疏干。本次将直通式放水孔用于降雨径流渗入的疏放,突破常规,具有创新性。下告铁矿-60 m中段直通式放水孔对降雨渗流的疏干效果表明,该防治水措施行之有效。因此,该防治水措施对其他类似矿山防治降雨径流入渗具有重要的借鉴意义。

[1] 刘晓亮,褚洪涛.我国复杂大水金属矿床的开采现状与发展趋势[J].采矿技术,2008,8(2)：3-4,29.

[2] 胡凤英,李笑峰.采矿塌陷区降雨渗水特点及其防治[J].金属矿山, 1996(4)：15-17.

[3] 王其虎,叶义成,刘艳章,等.矿坑涌水对大气降水的响应分析及预测[J].安全与环境学报，2012(1)：182-186.

[4] 张化远.崩落法矿山的泥水下灌问题[J].化工矿山技术,1980(3)：17-21.

[5] 张和应.梅山铁矿采矿塌陷区降水渗入特征及参数测算[J].金属矿山,1997(11)：42-44.

[6] 易代仁.采矿崩落区降雨径流渗入量计算[J].化工矿物与加工. 2007(8)：29-32.

Water Yield Estimation and Water Control Measures in Xiagao Iron Mine

HONG Anna1,YANG Jianan1,XU Dejin2,LIU Xiaoli3

（1.China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China；2.Water disasters Prevention Center,Anhui province Coal Science Research Institute,Hefei，Anhui 230001,China；3.WanBao Mining Ltd.,Beijing 100053,China）

According to drainage and groundwater level observation data under iron mine for many years,this paper estimates the water yield of Xiagao Iron Mine,In addition,on the basis of analyzing the characteristics of rainfall runoff infiltration by caving method in caving mining,presents the water prevention of discharge the rainfall runoff infiltration and underground water concentration by straight-through drain holes.

caving mining;rainfall runoff infiltration;water control;straight-through drain hole

TD74

B

1004-4345(2014)05-0001-04

2014-03-13

洪安娜(1983—),女,工程师,从事矿山水文地质设计与研究工作。