梅山铁矿井下渗漏水防治技术

王文锋 高 峰 许志逞

(1.南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司，江苏 南京210041;2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙410083)

梅山铁矿是我国采用无底柱分段崩落法开采的典型地下黑色金属矿山，年产量达400 万t［1］。矿区地表水系发育，位于长江下游南京段，西北距长江5 km，人工开挖的秦淮河流经矿区东北部，河床宽55 m，标高0.4 m 左右，河面宽120 m，设计最大泄洪量800 m3/s。为此，矿山采取回填1 m 的亚黏土或铺设钢筋水泥河床进行防渗，同时开展秦淮河的水文监测及时发现渗漏情况，并加强了采区地下水和生产用水的安全规范管理，以保证生产组织的正常进行。

随着梅山铁矿二期延伸工程的推进［2］、开采水平的下移、地表塌陷面积的增加、地下排水系统的优化和完善，渗漏水的进一步防治工作就显得尤为重要。一方面要保证井筒、巷道等各种工程的安全稳定，另一方面要确保井下排水系统的畅通。对于地下水和生产用水所产生的不利因素在采矿生产中的各个环节都会涉及到，如何根据不同的区域，不同的井筒和巷道特点，不同设备设施的安全需要，采取相应控制措施，因势利导，充分利用好水资源，并有效控制其不利因素，使危害达到最小，是矿山近年来面临的重要课题。

1 矿山井下渗水现状与危害分析

矿区地下水主要补给为迳流和排泄模式，降雨和地表水直接补给潜水，其中一部分垂直下渗，经围岩弱含水带主要汇集于深部断裂中，然后流入－330 m坑道，最后排至地面流出矿区。

1.1 水对岩体开挖稳定性的影响

梅山铁矿矿体和围岩坚固稳定［3］，但因局部地段发育有构造破碎带和膨胀岩矿物以及软弱层和黄铁矿、石膏等易溶于水的矿物，在地下水、生产用水以及人为开挖活动影响下显现出松散地压和膨胀地压，致使矿岩的稳定性下降，如矿区－330 m 水平的主巷地段的材料运输线及14#～15#岔道上的地压显现与水作用密切相关，证明地下水对岩体的稳定性影响较大。

地下水对于岩体的作用可分为物理作用、化学作用和力学作用［4－6］。图1 显示了岩体在多场多相耦合条件之间的作用关系，说明了水－岩作用的环境及其力学作用机理的复杂性。

图1 岩体中各种场之间的耦合关系Fig.1 The coupling relationship among fields in rock mass

1.2 井下渗漏水情况分析

(1)采区渗水:二期延伸工程达产和－ 330、－420 m双水平运输系统同时运行，双水平运输过渡到－420 m 单水平运输后地下水影响增大。尤其是每年的雨季，整个采区裂隙地段、破碎带等淋水、渗漏水很严重，给巷道掘进，中孔凿岩，回采爆破，溜井放矿，溜破系统和运输系统等工序造成了较大的影响，渗漏水浸泡顶板后的安全隐患控制难度相当大。

(2)井筒渗漏水:根据矿山井筒渗漏水的现状，大致可将井筒渗漏水分为2 种，一种是井筒井壁混凝土交接的缝隙或井壁受损的孔洞出现渗漏;另一种是各种工程遗留下来的废旧硐室、基础、巷道等等，通过长年地下水的侵蚀，封闭的工程或者基础会出现一些渗漏，对生产造成不利影响。

2 井下暴雨入渗分析

矿床地下水以静储量为主，动储量甚少。－330 m以上各中段已基本输干，水量较小，一般稳定于2 100 m3/d 的涌水量。由于梅山铁矿采用崩落法开采，地面塌陷区逐年增大［7］，预计最终塌陷区面积约150 万m2，塌陷区外汇水面积约75 万m2。因此，矿山生产后期暴雨的渗入量将远远超过地下水量而成为坑道排水的主要对象。

(1)暴雨入渗率测算。理论上，在矿体上覆岩体处于饱水状态下，其渗透系数为常数。因而，地表降雨通过塌陷坑渗入井下的水量多少取决于塌陷坑汇水面积与降雨量2 个因素。研究降雨入渗率，特别是暴雨入渗率，能够达到预测暴雨入渗井下日水量洪峰值。通过采用水均衡法［8］进行涌水量计算:

其中，Q 为矿坑总涌水量;Q1为生产用水量;Q2为动+静储量;ΔQ 为通过塌陷坑进入井下降雨渗漏水量。

日入渗率测算公式:

其中，K 为暴雨入渗率;∑Yi-1为过程降雨量;M1为塌陷坑面积;M2为塌陷区汇水面积;N 为暴雨入渗峰值持续时间。

根据式(1)、式(2)对梅山铁矿多年降雨与排水进行分析，选择并测算1990—2008 年间32 次暴雨入渗，通过测算数据的回归分析(如图2)，确定暴雨日入渗率为8%。

图2 暴雨入渗率分析Fig.2 Rainstorm infiltration rate analysis

(2)暴雨入渗特征分析。通过多年井下涌水观测，能够造成短时间大量涌水的灾害性事故的是暴雨，尤其是特大暴雨，并且入渗进入井下采区具有渗入速度快，泄水点集中和暴雨渗漏洪峰持续时间短的特征。

3 井下防渗漏水综合治理

根据多年的实践经验，梅山铁矿目前已形成了由泄水井、进风井、出风井、采区的措施井和泄水孔共同构成的立体的排水系统。同时也总结了一系列比较规范的井下防渗漏水处理办法，主要包括井下涌水区域及泥石流易发地段预测与管理，矿仓等硐室渗漏水治理，巷道与竖井的渗漏水治理。以下以巷道与竖井的渗漏水治理技术进行介绍。

3.1 竖井漏水治理方案

梅山铁矿副井、西南井、北风井、1#主井井筒不同部位存在水量不等的渗漏现象。尤其是下雨天，漏水量明显增大，且带有大量泥沙进入井筒，对矿山构成了4 个主要方面的影响:一是冬季井筒顶部结冰，冰块坠落给井筒内安全造成严重影响;二是井筒内长期“下雨”，造成井筒内的环境恶化;三是长期的泥沙漏失，会在井筒外周边形成空隙或空洞，长期积累可能造成地表塌陷，产生地质灾害;四是部分井段地下水对混凝土具侵蚀性，直接破坏井壁的完整性，对井壁安全也造成影响。

(1)治理方案选择。目前对井筒漏水常用的治理方法主要有:一是人工疏，二是自然疏，三是工程堵。人工疏即采取工程布置降水;自然疏即利用基建阶段井筒周围的斜坡道或硐室，在井壁边缘筑坝，并安装回流管，让积水形成自流至水仓;工程堵即注浆止水。各种方案及其优缺点如表1 所示。

表1 井筒漏水治理方案比较Table 1 Comparison of control schemes of shaft leakage

通过综合比较分析，副井、西南井、北风井推荐采用帷幕注浆［9］。1#主井推荐采用局部注浆。

(2)帷幕注浆方案。沿井壁外1.5 m 均匀布置帷幕注浆孔，形成一个闭合环。实际注浆孔位置可根据施工现场条件进行适当调整，部分钻孔还需采用斜孔。注浆孔孔底要进入井筒最深漏水处以下或进入隔水层3 ～5 m。

(1)副井帷幕。副井井筒漏水最深处约35 m，副井帷幕深度确定为48 m。帷幕底部进入辉绿岩3 m。副井帷幕平面布置见图3。

(2)北风井帷幕。北风井井筒漏水最深处约28 m。北风井帷幕深度确定为31 m。帷幕底部进入辉绿玢岩3 m。北风井帷幕平面布置见图4。

3.2 巷道渗漏水治理方案

在巷道掘进施工阶段，对掘进巷道过程中出现的断层、破碎带、裂隙区域、围岩结构差等状况，必须积极采取科学、先进的技术手段加以控制，但这也打破了地下水在原始地层中分布和存在的状态，比较经济和直接的控制办法就是混凝土喷浆，一方面起到加固巷道围岩的作用，另一方面比较好地控制地下水的分布状态。

梅山铁矿采用了干喷与湿喷2 种喷浆工艺［10］，其中喷射混凝土(即湿喷)的应用比较广泛，且引进了芬兰NORMET 公司SPRAYMEC 1050 WP 型喷浆台车，效果显著。虽然仍有喷浆之后的巷道出现裂缝渗水现象，但大部分起到了隔离、覆盖和导流的作用。通过在生产过程中的不断总结，针对采区巷道渗漏水的情况，形成了比较实用的治理方案，同时结合梅山铁矿支护工艺特点和现状，归纳如表2 所示。

表2 巷道渗漏水治理方案Table 2 Control schemes of tunnel leakage

图5 巷道中水包钻通后示意Fig.5 Schematic diagram of water pocket after drilling through in tunnel

4 结 语

梅山铁矿在开展井下渗漏水害治理过程中，结合采矿技术的特点，实行“外围控制，上下联动”的控制措施，总结了一套行之有效的井下水害防治和管理的方法，保障了矿山生产的安全。综合而言，主要渗漏水治理对象主要包括井下涌水区域及泥石流易发地段、矿仓等硐室、巷道与竖井3 种类型;采取的治理措施主要是在分析具体渗漏水对象分析的基础上，合理选择包括自然或人工疏导、集中抽排、喷射混凝土、帷幕注浆等工程技术手段。

随着矿山开采深度的增加以及地表沉陷范围的增大，井下防渗漏水治理仍将是一项重要工作。除了在现有治理技术方案的基础上，采用现代物探技术进行矿井水的超前预报，不断完善水害危险源的预警与管理机制，是保障矿山安全生产的重要措施。

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