编制金属矿山放水试验施工组织设计的方法

王亚男, 王 莹, 邢科明

(1.湖北省地质局 第一地质大队,湖北 大冶 435100; 2.湖北省核工业地质局,湖北 孝感 432000)

对于已投入生产的矿山,为了解决某一项或若干项水文地质问题需开展专门的水文地质补充勘探工作。放水试验是水文地质补充勘探技术手段之一,能充分查明含水层的富水性、边界条件及各含水层之间的水力联系[1],是一项效果好又经济的技术手段。因此,进行放水试验方法探讨具有实践意义。

笔者多年从事金属矿山水文地质条件研究工作,发现金属矿山水文地质勘探规范中,对放水试验的介绍较为简略。放水试验作为水文地质补充勘探的技术手段之一,在金属矿山勘探工作中的普及率较低。因此,笔者总结以往主持大型矿山放水试验工作经验,以鸡冠咀金铜矿区为例,简要介绍编制金属矿山放水试验施工组织设计的方法。

1 工作思路

以煤炭系统放水试验相关规范为依据,结合鸡冠咀矿区实际情况编制施工组织设计,提出具体的技术要求,充分利用矿井排水能力进行大流量、大降深放水,使取得的数据更接近实际涌水量,并指出探放水孔施工和放水试验过程中可能遇到的安全隐患,为做好安全防范措施提供依据。

2 前期准备工作

放水试验施工组织设计的好坏,取决于前期准备工作的充分性。前期准备工作包括两方面:一是对矿区历年水文地质工作成果的收集、整理、分析;二是对矿区水文地质现状的调查。

对矿区历年水文地质工作成果的收集、整理、分析,目的是总结矿区历年水文地质工作取得的成果,发现存在的问题,为放水试验设计提供依据。鸡冠咀矿区前期开展了水文地质资料汇编工作,发现存在的主要问题是对东南部大理岩水文地质条件的研究程度欠佳,而东南部大理岩是矿山下步开采矿体的主要充水含水层。通过放水试验,查明东南部大理岩富水性、水文地质边界条件与外围大理岩水力联系的情况。

矿区水文地质现状调查具体包括如下内容:

2.1 调查矿井涌水点情况

对鸡冠咀矿区所有涌水点涌水量、涌水起始时间、涌水层位等内容进行调查。其中-470 m中段24线涌水点出水层位为东南部大理岩,涌水量最大,流量衰减最缓慢(目前仍在涌水),且矿山下步开采矿体主要赋存在-470 m中段以下,因此选择在-470 m 中段24线开展放水试验。

2.2 调查矿井排水系统及日均排水量

收集了矿山井下排水系统情况和历年矿区每日排水量台账,整理矿区排水量台账,得出矿区日均排水量,矿井排水能力-日均排水量=矿井剩余排水能力。矿井剩余排水能力即是放水试验可放最大的水量。

2.3 调查东南部大理岩地下水位标高

鸡冠咀矿区地表有观测东南部大理岩地下水位的长期观测孔,收集长观孔一个水文年的水位观测资料,绘制地下水位与大气降雨关系曲线图，了解大气降雨对东南部大理岩地下水位的影响。由于大气降雨对东南部大理岩补给条件不佳，因此选取该水文年中最高地下水位值，作为开展耐压试验和安装压力表的依据。

2.4 调查-470 m中段排水线路

调查-470 m中段放水试验点—水仓的排水线路情况,具体如图1所示。根据排水管直径和排水沟渠断面面积,计算其排水量,为探放水或放水试验期间是否需要完善排水设施提供依据。

2.5 调查-470 m中段水文地质情况,绘制其断面图

绘制-470 m中段水文地质断面图(图1)。-470 m中段24线涌水点为矿山2009年施工的探放水孔,收集探放水孔资料,将其揭露岩性投至图1。依据图1推测探放水线距离,为布置探放水孔提供依据。

图1 放水试验点—水仓的排水线路图Fig.1 The drainage line map of the test point to the water storehouse1.排水沟渠;2.排水暗管;3.隔水层;4.矽卡岩裂隙含水层;5.裂隙溶洞含水层;6.构造破碎裂隙含水层;7.推测地质边界。

3 设计需注意的问题

3.1 长观孔设计

应设计地下水位长期观测孔,主要目的有两个:一是长期观测东南部大理岩和矿区外围大理岩地下水位情况;二是在放水试验期间作为观测孔,判断东南部大理岩与外围大理岩水力联系情况,查明东南部大理岩水文地质边界条件。

3.2 探放水孔设计

在鸡冠咀矿区施工探放水孔的主要目的是探明东南部大理岩的富水性、边界条件及与外围大理岩水力联系情况，确定突水的安全隐患危险程度[2]。因此设计超前探放水孔深,设计孔深75～100 m,探放水孔呈扇形布置,考虑到兼做放水用途,终孔孔径≥91 mm。探放水孔一般向上仰起3°～5°的角度[3]。

另外,在设计过程中还应注意以下几个问题:

(1) 探放水钻孔孔口安设孔口安全装置及达到耐压要求。探放水孔在遇水前应安装孔口管。孔口安全装置由孔口管、泄水侧压三通、闸阀、压力表和钻杆逆止阀等组成。安装孔口管后，注浆使孔口管与孔壁充满水泥浆。水泥浆凝固后扫孔，再对孔口管进行耐压试验。试验压力应大于预计水压并稳定30 min后，孔口管周围不漏水时，方可钻进[4]。

由于金属矿山隔水岩层完整、坚硬,设计孔口管长度可适当减小。除做耐压试验外,还应对孔口管做抗拉力试验,由钻机将孔口管向外拉,拉力应大于预计水压的1.5倍,抗拉力试验时长30 min。

(2) 探放水期间的排水设施。应做好排水设施设计。排水方式有:沟渠排水、水管排水、巷道自流等。

根据现状调查,鸡冠咀矿区现状排水线路的排水能力不能满足探放水期间的排水要求,需完善排水设施。由于探放水点—水仓的排水线路途经废石溜井(图1),且废石溜井段较周边高,沟渠排水及巷道自流均可能水淹废石溜井,影响矿山正常生产,设计采用排水钢管排水。由水泵抽水至排水钢管,再排至水仓。

排水钢管根据矿井剩余排水能力选型,既要满足探放水期间的排水要求,又要满足放水试验期间的排水要求。

(3) 探放水孔突水的防范措施。在探放水过程中可能发生还未安装孔口安全装置就涌水的情况,若瞬间涌水量过大,可能发生淹井事故,因此需采取以下防范措施:

① 选择合适的开孔孔径。在不明隔水岩层厚度的情况下,可先小口径开孔,钻至一定深度可安装孔口管时立即扩孔安装孔口管。

开孔孔径可根据单孔出水量估算公式反推。单孔出水量公式如下:

式中:Q为单孔涌水量(m3/s);c为流量系数,一般取0.6～0.62;w为钻孔的断面积(m2);g为重力加速度(9.81 m/s2);h为钻孔出口处的水头高度(m)。

以矿井剩余排水能力作为单孔出水量,经计算,鸡冠咀矿区探放水孔开孔孔径为φ75 mm。钻至一定深度可安装孔口管时立即停钻扩孔,再安装孔口管,终孔孔径≥φ91 mm[5]。

需要说明的是单孔出水量估算公式主要针对探放老窑老空水的单孔涌水量,本处是探放含水层的水,反推的开孔孔径肯定偏小,但是不排除探放水孔揭露大、溶洞瞬时涌水量较大的可能性,因此采用该公式的计算结果可供参考。

② 在探放水巷道附近岩石稳定地段设置临时挡水墙或水闸门。

(4) 其他安全措施。探放水孔施工中的技术要求及安全措施在《井下探放水技术规范》(MT/T 632—1996)中有详细介绍,下面补充几点:

① 探放水期间应有备用发电机,防止钻进过程断电,水泵无法抽水水淹废石溜井。

② 探放水孔施工中应每小时巡视一次排水线路,定期对水泵进行检修。

③ 停工时应关闭孔口闸阀。

④ 注意做好排水点的检查，防止回水影响。

3.3 放水试验

放水试验应进行三个水头降低,放水试验技术要求参照相关规范执行。设计采用水位计观测长观孔水位，用压力表观测放水孔水位，采用电磁流量计和三角堰观测涌水量。放水试验期间，放水孔水位(压力表)和观测孔水位应与涌水量观测同时进行，观测时间间隔由密到疏，开始每5～10 min测一次，然后根据稳定程度改为15～30 min测一次；基本稳定后，隔1 h测一次，稳定时间需达8 h以上。

需要注意的是,放水试验应连续进行,若放水中断,而中断前放水已超过6 h,且中断时间不超过1 h,则中断前的放水时间仍可计入延续时间内,否则应观测恢复水位,待水位达到稳定后再重新放水。在放水试验期间,需同步观测其他地点的涌水点(涌水层位为东南部大理岩)涌水量。

设计采用安装排水钢管来放水，排水钢管将水引入水仓实现放水目的。排水钢管选型参照《小型水电站机电设计手册》和《水电站压力钢管设计规范》(SD144-85试行)执行。此处矿井剩余排水能力是292 m3/h,经过计算排水钢管型号选择φ219×6 mm。

3.4 放水试验资料整理

进行放水试验时，应在现场随时整理和编制Q=f(s)、q=f(s)、Q-t、S-t关系曲线，绘制主孔与各观测孔水位下降过程曲线，以便及时了解放水试验情况。若Q=f(s)、q=f(s)关系曲线异常，应查找原因，重做放水试验。

根据各观测孔水位下降情况，结合计算出的放水试验期间影响半径，判断东南部大理岩的边界条件及与外围大理岩水力联系情况。

采用地下水动力学公式，分别根据三次放水试验资料反演东南部大理岩渗透系数K值，并求取平均渗透系数KCP，判断东南部大理岩富水性。

建立Q=f(s)曲线三次方程式预计矿井涌水量Q或选用其他地下水动力学公式预计矿井涌水量。

4 结语

编制金属矿山放水试验施工组织设计,需要做好以下几点:

(1) 做好前期准备工作。掌握矿区历年水文地质工作取得的成果和存在的问题,对矿区水文地质条件现状进行调查。

(2) 在参照煤炭系统放水试验相关规范要求的前提下,结合金属矿山实际情况设计。

(3) 把安全工作放在首位。在编制施工组织设计时,要明确指出探放水孔施工和放水试验过程中可能遇到的安全隐患,并制订好安全防范措施。

[1] 魏可忠.矿井水文地质[M].北京:煤炭工业出版社,1991:102-110.

[2] 周敦军,孙洪亭,王金宏.预防矿井突然涌水的超前探水措施[J].矿业快报,2002(9):5-7.

[3] 柴登榜.矿井地质工作手册:下册[M].北京:煤炭工业出版社,1986:435-445.

[4] 中华人民共和国煤炭工业部.井下探放水技术规范:MT/T 632—1996[S].北京:中国标准出版社,1996.

[5] 中国有色金属工业协会.有色金属矿山水文地质勘探规范:GB1060—2014[S].北京:中国计划出版社,2014.