某金矿复杂开采条件下水患论证及治理措施研究

张伶年,尹彦波,2

(1.长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012; 2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

某金矿复杂开采条件下水患论证及治理措施研究

张伶年1,尹彦波1,2

(1.长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012; 2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

研究了首溪金矿水患来源及其运动规律,运用先进的数学预测方法预测了该矿的总涌水量,计算出了首溪金矿的最大排水量,研究结果表明,目前矿山现有的排水能力不够,需增加排水设施,加强井下排水,针对该矿的水患,提出了有针对性的、详细的治理措施和方案,在首溪金矿的应用中取得了良好的效果。

淹井矿山;水患治理;涌水量预测

2016年7月湖南桃江降雨量大,资江水位上涨,地表汇水排泄不畅,首溪金矿原露天开采留下的露天坑汇水下渗首溪金矿井下,导致该矿井下－80 m中段以下被淹,究其原因,职能部门发现该矿存在以下水患问题[1-2]:

(1)水文资料不全面,建议补充水文地质资料,查明矿坑水的来源,掌握水的运动规律;

(2)水仓未按设计施工,且应根据井下涌水情况,复核矿山的排水能力;

(3)地表露天坑未按设计要求构筑截水沟。

为全面查明矿坑水的来源,避免今后出现类似淹井事故,开展了全矿水文地质补充调查、水患论证及水患防治措施研究[3-12],进行实地水文地质补充调查、淹井调访、资料收集,在调查、核实水文地质情况的基础上、分析矿坑水的来源,大气降水、地表水与地下水的相互关系及运动规律,对该矿水患进行了技术论证,并提出了切实可行有效的防治措施[7-13]。

1 矿区水患预测

1.1 矿区基本概况

首溪金矿的地表水系发育,资水河从矿区北侧约200m处流过,为湖南四大水系之一,河床海拔44m左右。首溪河从矿区东侧向北汇入资水,为永久性河流,水位以暴涨暴落为特征[14]。

根据区域地层的水文地质特征,将区域地层划分为:第四系残坡积、冲积层;风化层裂隙;断裂破碎带;冷家溪群浅变质岩弱含水岩组。

区内冷家溪群岩层广泛出露,呈单斜产出,岩性主要为中厚层状绢云母板岩,为一相对隔水层。

赋矿地层中断层、裂隙较发育。断裂破碎带比较宽,最宽达十余米,岩石比较破碎,裂隙比较发育,是矿区主要的含水层,对矿床充水起一定作用。

地表附近赋矿地层风化裂隙发育,大气降水及第四系孔隙水均可流向其中,若与切错矿体的断裂沟通,则可向矿床充水。

矿区矿带由赋矿围岩经断裂破碎蚀变矿化而成。具有含水、导水及充水能力,但据观察其含水性较弱,对矿床充水影响不大。

1.2 矿坑水的运动规律

旱季时,大气降水通过露天坑沉陷、采矿裂隙、岩层裂隙、断裂构造渗入含水层,从开拓巷道和采矿揭露的裂隙涌出到矿坑[15]。

雨季时。除大气降水通过采矿裂隙、岩层裂隙、断裂构造渗入含水层外,当雨量很大,露天坑水泵能力不足,不能及时排掉全部汇水时,大气降水形成的部分露天坑汇水将直接通过坑内沉陷及斜井口流入矿坑,再由井下排水系统排至地表排水沟(截洪沟),当资江矿区段水位超过排水沟底板标高时,资江水倒灌矿区连同从井下排至地表排水沟的地下水又返回露天坑和矿区低洼地表,再通过采矿裂隙、露天坑沉陷、斜井口、岩层裂隙渗入地下或流入矿坑,形成恶性循环。

1.3 矿床(矿坑)充水来源

通过对矿山主要矿井涌水量调查(根据矿山排水量统计),－80中段涌水量一般为24～48m3/d;－115中段以下(含－115m中段)涌水量一般为149m3/d。

一般雨季时涌水量稍大,矿坑充水应以大气降水为主。连续大暴雨时,当露天坑排水能力不足时,地表水可能倒灌,对矿坑充水。

1.4 矿坑涌水量预测

1.4.1 矿区涌水量预测[1,16]

(1)采用降水系数法初略估算矿坑涌水量。桃江县2004年至2015年降雨量平均值为1516.33 mm,日平均降雨量为4.154mm/d;矿坑汇水区域见图1,其中露天坑补给区域为31000m2,降雨入渗系数取1,露天坑以外的矿区汇水面积为133720 m2,降雨入渗系数取经验值0.5,最终可得到正常矿坑涌水量为405.6m3/d。

图1 首溪金矿汇水区域

(2)单位涌水量法得到的各中段预计涌水量见表1。

表1 －150m矿坑涌水量预测表

1.4.2 矿坑最大排水量计算

由于本矿存在与井下巷道相通的露天坑,且露天坑内已存在两处沉陷和一个未封闭的斜井口,因此,如果露天坑不设置排水系统,连续暴雨期间的露天坑内汇水将全部进入井下矿坑。因此,应计算露天坑正常降雨迳流量及设计频率暴雨迳流量[1]。

(1)以每年4～9月雨季平均降雨量为正常降雨量,根据2004～2016年8月的降雨资料,计算13年雨季日平均降雨量H为10.35789mm。

降雨迳流汇水面积以矿山露天采场测量图为准,以地表截洪沟为界,得到汇水面积为31000m2,其中露天采场下部截水沟以南面积为22534m2。降雨时该部分面积的降雨全部进入露天坑,迳流系数取1.0,其余部分为表土迳流,面积为8466m2,迳流系数取中间值0.6,计算得到雨季平均降雨量为286m3/d[17]。

(2)按照设计频率暴雨量。首溪金矿属小型矿山,设计暴雨频率按小型矿山取20%,根据收集到的2004～2016年的降雨量资料,得到频率为20%时,24h暴雨量H24P＝160.0329mm。

从而得到露天坑24h暴雨迳流量为2163.709 m3/d。如果按2016年7月18日新闻报道的日降雨量250mm计算,则露天坑24h最大暴雨迳流量为3380m3/d[1]。

因此,如果降雨径流量都进入到井下,雨季矿坑的排水能力将不够,所以,露天坑必须排水。

1.4.3 地表排水沟24h暴雨汇水量

矿区汇水面积为164720m2,矿区地表排水沟以外汇水面积大约为133720m2。表土的径流系数取0.5,计算得到地表排水沟的24h暴雨径流量达到10699.8m3/d。

2 水害防治措施

针对首溪金矿上述水量预测和存在的问题,该矿山的水害治理应采取如下防治措施[1,16-18]。

2.1 完善排水系统

(1)井下排水系统。在防止大气降雨地表汇水和地表水进入矿坑的同时,应按规范要求配足井下排水设施。－20m中段应配足排水泵,－80m中段增添一套排水管路。

(2)露天坑排水系统。由于露天坑有与井下联通的沉陷及斜井口,所以,应加大露天坑底排水系统能力,应加设1台60m3/h,备用1台60m3/h的排水泵及相应的排水管路和配电设施。同时,固化露天坑沉陷排水泵窝,固化前必要时可采用廉价注浆材料进行防渗防塌处理,填实另一沉陷,尽量减少下渗量。

2.2 防止出现井下泥石流

(1)露天坑下的井下采空区,应及时充填密实,－20m中段采完后应及时封闭。

(2)加大露天坑的排水能力,增加1台60m3/h的应急泵以及相应的排水管路和设施,备用1台60 m3/h的水泵,达到露天坑不积水。

(3)加强对露天坑沉陷区的综合治理:固化泵窝,杜绝沉陷区及其周边的非法采矿行为,减少人为因素对露天坑沉陷区的破坏,杜绝选矿废水及工业用水向沉陷区排灌,在具备条件时,考虑对坑东北面沉陷坑进行回填处理。也可在沉陷外围设置截排水沟,拦截部分汇水,另一方面还可考虑在沉陷坑安置排水泵,在强降雨期间将汇入沉陷坑内的水抽出。

(4)根据采场的推进情况,定期全面进行采空区状况的分析调查工作,对废弃的巷道和溜井及时进行封堵,并结合地表沉陷区的变形监测资料,确定有可能突发跑黄泥事故的重点采场,提前采取预防措施。

(5)加强降雨量监测及沉陷区汇水量的统计工作,在强降雨期间或以后的一段时间内,做好地表汇水渗流量及井下涌水量的对比分析,做出是否有大量泥石流聚集储存在采空区的预报,以便在采矿过程中采取相应的预防措施。

(6)必须采取钻探等技术手段探明冒落区情况,有的放矢地采取适宜办法加固冒落区岩层,创造过冒落区的条件。

(7)尾矿库附近必须留足防隔水岩矿带。具体宽度和厚度要根据岩层性质规范设计。

2.3 防止资江水倒灌矿坑的措施

(1)人为抬高排水沟底板标高。

(2)加高排水沟侧壁及出口路面标高到57.0m标高以上。

(3)如果上述两项措施无法实现,可采取在排水沟出口修建拦水坝和泵窝,储备潜水泵,必要时随时安装使用,避免资江水倒灌矿区。

2.4 防止冒落带和沉陷将大气降水、地表水导入矿坑

(1)及时充填采空区,封闭废弃巷道。

(2)加强露天坑沉陷区的综合治理。充填沉陷区,尽量减少露天坑沉陷区的汇水量,在岩石移动带外缘修建截水沟,拦截部分汇水。

(3)增加露天坑的应急排水能力,增加两台60 m3/h应急泵,使沉陷区长期处于无水状态。

(4)杜绝生活及工业用水向沉陷坑排灌。

(5)严禁露天坑未做防渗加固处理前堆放储存含水或透水的物质。

3 结 论

本文详细论述了首溪金矿水患来源及其运动规律,运用先进的数学预测方法对该矿的总涌水量进行了预测,计算了首溪金矿的最大排水量,研究结果表明,目前矿山的排水能力不够,需要加强排水。同时,针对该矿水患,提出了有针对性的、详细的治理措施和方案,在首溪金矿的应用中取得了良好的效果。

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2017-05-19)

张伶年(1971－),男,湖南桃江人,高级工程师,从事采矿技术研究工作,Email:705470264＠qq.com。