金属矿山底板涌水灾害治理方案研究

付 财

（河南豫中地质勘察工程公司，河南 郑州 450000）

金属矿山底板涌水的主要原因是矿山在开采挖掘过程中破坏了地下含水层结构，致使周围浅层地下水动力条件和围岩力学平衡状态发生改变和破坏，导致矿山周围浅层地下水体所存储的水能量以流体高速转移形式瞬间释放，从而产生一种水动力破坏的现象[1]。据研究调查发现，金属矿山底板涌水是矿山开采过程中最严重、最容易发生的水工环地质灾害之一，一旦发生金属矿山底板涌水灾害，不仅仅会影响金属矿山采矿效率，提高金属矿山开采成本，最重要的是会造成较为严重的安全问题。金属矿山底板涌水灾害形成和发生需要具备以下几个条件，一是金属矿山开采活动损坏能涌水储水的矿山地质构造；二是金属矿山施工开挖、强降雨等因素的干扰激活条件；三是金属矿山周围浅层地下水动力条件和含水围岩的能量释放条件；四是金属矿山底板涌水的动态变化特征等[2]。由于金属矿山底板涌水灾害频发，引起了对金属矿山施工及运营期间底板涌水灾害治理的高度重视，但因目前对于该方面研究条件和技术设备能力的制约，金属矿山底板涌水灾害治理技术和方案的研究始终处于摸索阶段，与其相关的治理方案、治理理论、治理方法以及治理技术未获取实质性的突破和进展，所以此次提出对金属矿山底板涌水灾害治理方案进行研究，综合考虑金属矿山底板涌水灾害治理施工、技术、成本以及效果等多重因素，提出一个有效的、科学的底板涌水灾害治理方案，为金属矿山底板涌水灾害治理提供理论和技术支持，此次课题的研究极具金属矿山工程应用价值，可为其它金属矿山工程提供技术参考。

1 金属矿山底板涌水灾害治理方案

考虑“综合治理、彻底解决”的治理目的，本着“方案可行、技术可行、治理成效显著”等方案设计原则，提出一个有效可行的金属矿山底板涌水灾害治理方案：金属矿山地表局部堵漏+中心排水沟扩容+底板结构处治，如下图所示。

该方案具有施工难度小、成本低、安全风险低等优点。

1.1 金属矿山地表局部堵漏

根据待治理的金属矿山底板涌水段水工环地质勘查资料对矿山底板涌水量进行分析，了解金属矿山底板涌水量以及涌水特征，以此为依据采取措施对金属矿山地表局部进行堵漏[3]。由于引发金属矿山底板涌水的因素较多，水资源渗漏为面状汇集渗漏，给金属矿山地表局部堵漏增加了难度，因此采用钻孔注浆技术，实现金属矿山安全回采，具体实施过程如下：

（1）在金属矿山底板涌水区中心地面周围平稳处或者冲沟平缓区域布置适量的注浆孔，通过在孔内注入水泥浆液来堵塞金属矿山地下含水层底板水流的涌道，起到延缓和减小金属矿山地下水的下渗。

首先利用钻机钻穿金属矿山底板，根据该区域地质勘查资料，确定钻孔深度（通常情况下为10m～12m），以及钻孔进入岩基深度（通常情况下为3m～4m），对矿山底板岩基裂隙以及底板破碎带采用水泥沙浆封堵住矿区底板岩体裂隙[4]。由于不同注浆压力状态下岩体浆液扩散距离是不同的，具体情况如下表所示。

表1 不同注浆压力状态下不同岩体浆液扩散距离

为了确保金属矿山底板构造、岩溶空隙的全面充填封堵，注浆孔间距的设计不得小于单孔注浆扩散半径，并且也不能大于1.5倍单孔注浆扩散半径，所以注浆孔间距最好在75m～115m之间，通过钻孔注浆在矿山底板基岩顶面形成一个止水结构，起到堵水的作用。注浆管采用215x4钢管，在注浆管顶头4.5m～5.5m范围内预留注浆孔。

（2）对金属矿山底板上方流水支沟及叉沟比较大的裂隙处注浆封堵。

（3）在金属矿山底板较大面积的裂隙发育处进行水泥抹面。通过以上施工步骤实现对金属矿山地表局部堵漏。

1.2 金属矿山中心排水沟扩容

为了缓解金属矿山地下水排水压力，对金属矿山回采区工作面中心排水沟进行扩容，帮助金属矿山排水系统排水。以流体力学作为理论依据，估算出金属矿山中心排水管的流水断面排水需求，考虑到通常金属矿山中心排水沟最大深度为1.5m，对原金属矿山排水系统进行扩容优化。

首先根据金属矿山底板涌水量将金属矿山中心排水沟槽进行加高，目前金属矿山底板涌水量计算方法主要有水文地质比较法、地下水动力法、数值估算法、非线性推理法等，不同的矿山水文地质特征条件适用于不同的计算方法，为了确保底板涌水量计算精准，结合其相关计算方法，根据待治理金属矿山的水文地质特征以及前期的勘查资料，其计算公式如下：

公式（1）中，Q为金属矿山底板涌水量；K为金属矿山地表渗透系数；L为金属矿山水力坡降（根据经验，取L=1.5）；I为金属矿山底板断面长度；D为金属矿山底板断面宽度。根据底板涌水量的计算结果判断其与矿山排水系统排水量预测值是否相符，根据《矿山给排水设计规范》中关于矿山中心排水沟的水力计算公式如下：

公式（2）中，q为矿山中心排水沟过水断面；s为排水沟排水速度，单位为m/s；d为排水沟水力半径；g为排水沟水力坡度；h为矿山中心排水沟粗糙系数（通常为0.0015）；b为过水断面面积；c为水面以下的过水断面与固体边交界线的长度。如果矿山底板涌水量远远超出金属矿山排水系统排水能力，对金属矿山中心排水沟槽高度进行加高，以此缓解和减小金属矿山中心排水沟或者排水管的排水压力。（2）将金属矿山中心排水系统厚度增加，保证金属矿山底板涌水稳定排出。通过对金属矿山中心排水沟扩容，即使在开采过程中出现底板涌水灾害，也会使涌出来的水通过排水系统安全稳定排出。

1.3 金属矿山排水结构处治

正常情况下，通过对金属矿山地表局部堵漏以及矿山中心排水沟扩容两项措施实施，即可解决金属矿山底板涌水问题，但是为了彻底根治底板涌水灾害，在治理方案中增加了一项底板结构处治，金属矿山工作面出现涌水，使得矿山地下水底板结构遭到严重损毁，针对底板结构具体水毁情况，对其处治过程如下：首先对于底板结构破坏较为严重的区域二次衬砌全部予以凿除，利用混凝土重新施做矿山排水系统，在底板与含水层之间增加450HDKP排水半管，增强金属矿山地下水排水能力。对于涌水不太严重的区域内设350HDKP排水半管进行排水，并且将排水半管两端用水泥浆液封闭，以此形成强度较高的密封体系，后采用15mm～20mm厚度的钢板进行封盖。由于金属矿山底板涌水期间，矿山中心排水沟和排水管容易被泥沙封堵住，导致排水系统无法发挥出排水功能，所以最后要对金属矿山排水结构进行全面疏通和排查，以此保证金属矿山底板涌水灾害得到有效治理。

2 结语

此次在查阅大量相关文献资料的基础上，对金属矿山底板涌水灾害治理进行研究，并提出一套有效可行的治理方案，对金属矿山底板涌水灾害治理具有较高的应用价值，由于此次研究时间以及个人能力有限，尽管对底板灾害后的综合治理安全进行了分析和研究，但金属矿山水文地质情况千差万别，底板涌水成因不同，所以在方案实际应用过程中还需要结合具体情况，以此保证方案的实施效果。