尖山磷矿采坑积水勘查及治理研究

赵 雷，何全松，李树建，2

（1.云南磷化集团有限公司，云南 昆明；2.国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南 昆明）

许多露天矿山随着采矿延深，矿坑涌水量会逐步增大，对采矿影响较大。因此，为解决水患问题，孟琛琛、蒋向东[1-2]等人针对具体矿山水文地质情况查明矿区内岩溶地下水系统的水文地质条件、分布格局及其动态演变过程，并对涌水量预测，为矿区开采提供依据。秦磊[3-4]等根据矿区提供的水文地质资料，建议开采过程中应加强监测防范，注意邻区矿山采空区水位的变化，建立完善的防排水体系。睢栋超[5-6]等提出针对矿山地下水问题应以堵为主，堵疏结合综合防治的建议。

由于尖山磷矿生产深受采坑积水困扰，因此需对采坑积水进行治理，研究防治水措施，提出治水方案，设计防治水工程，并做技术经济评价等。本次勘探区位于汤家山矿段和鞍山矿段内。

1 工程概况

本次水文地质勘探重点为查明矿区1 910 m～1 840 m 标高水文地质情况。治理目标为采坑积水治理设计阻水效果≥80%，满足矿山采坑1840 水平以上生产正常运行。

2 矿区水文地质情况

本区出露地层较全，在分析水力联系程度、地下水类型与岩性组合的基础上，划分四个含水层组（见表1）及四个相对隔水层组。本区含水层组与相对隔水层组相间组合，各含水层组之间，一般无水力联系。矿层产于第Ⅳ含水层组中，该含水层组顶底均有很厚的相对隔水组，可隔离上部含水层组（下部无含水层组）地下水流入矿坑，但第I 含水层组直接覆盖第Ⅳ含水层组地段，视开采方式不同，存在一定程度的影响。

表1 矿区含水层组划分

区域上，地表分水岭沿金铜盆山- 杉松圆顶- 小尖山东一线以总体上北西- 南东向弧形延伸，在小尖山东转向北延伸至海口河，地表水分水岭和地下水分水岭基本一致；矿区东侧的滇池和北侧海口河为地下水排泄边界。香条村背斜展布基本与地表分水岭一致，在东段即金铜盆山西至杉松圆顶段略偏北，矿区水文地质单元为单斜构造形成的单斜含水层组成。

从含水层展布与富水性结合地形地貌看，地下水总体上自南西、南向北东、东径流，矿区总体上位于地下水的径流区，靠近排泄区。地下水除接受大气降水的补给外，还接受数量可观的地表径流的补给。

3 边界条件及矿坑充水因素

矿层产出层位稳定，其分布与地层一致，产状变化受区内构造形态制约。总体上呈单斜形态、倾向北，但由于矿层走向、倾向的变化，褶皱、断裂的影响而使其在不同部位，呈现出不同的形态，大致可将其分为东部、西部，各部分变化。

从现阶段露天采场揭露含水层与矿层顶板相对隔水层间关系看，除南侧与矿层底板接触（交界）处潜水面未达顶板相对隔水层底界外，水位面已高过顶板相对隔水层底界，即含水层间赋存的地下水具承压性，属承压水。含水层厚度比较一致，变化不大。底板顶界面较平展，倾斜角变化较大；矿层与直接顶板组成的含水层形成向北倾斜的波状扭曲板状含水体，地下水的补给径流方向总的来说自西向东、自南向北。

充水因素如下：

（1）充水水源。a.大气降水：地表径流部分的充水水源为大气降水，主要发生在雨季；b.地表水体：尖山采坑周围地表水体众多，海口河大烟囱水文站河床标高1 883.15 m，滇池水面正常水位标高1 886.5 m，滇池距矿区最近处直线距离仅1.5 km；c.围岩水：开采条件下矿层围岩中地下水的涌入是矿坑主要充水来源。

（2）充水方式。雨季由大气降水形成的地表径流部分，充水方式为直接充水；由地下水涌出形成地下径流部分，充水方式为直接充水。

4 勘查分析结果及治水方案确定

4.1 勘查分析结果

勘探设计中水文地质钻探工作量计划485m/6孔，6 个钻孔布置在尖山水塘的周边，其目的为配合矿山已有的水文观测孔，判断尖山水塘周边区域地下水径流方向，以及尖山水塘与其西边中新水塘等地表水塘的水力联系情况。其中重点探测矿层底板直接底板梅树村组第一段（1ml）和间接底板灯影组（Zbdn）含水层的岩溶发育特征、节理裂隙分布和富水性规律。并开展分层抽水试验工作，ZK02、ZK03、ZK05 和ZK06孔分别做为抽水孔，抽水时其他孔为观测孔，获取含水层渗透系数等参数。实际完成工作量491.38 m/6孔，各钻孔完成情况见表2。

表2 钻孔施工情况一览

本次勘探过程中各孔均进行了简易水文地质观测，终孔洗孔后进行了静止水位观测，同时按设计要求进行了测斜、校正孔深等工作，根据以上工作得出以下结论：

（1）梅树村组第一段底部，标高约1 840 m 分布有厚约20～30m 粉砂质、砂泥质白云岩，该段岩体整体致密性较好，岩芯较完整多呈长柱状，因此可视为梅树村组第一段至震旦系灯影组之间的局部相对隔水层，将阻隔两含水层组间存在的水力联系；

（2）矿区处于地下水径流区与排泄区结合部位，现尖山磷矿已开采至地下水位以下，采坑涌水成为地下水主要的排泄方式；

（3）尖山采坑的充水水源有大气降水、地表水体、围岩水和周边地下水的侧向补给等，主要通过下渗及沿含水层岩溶裂隙渗流、排泄入矿坑。矿床类型为岩溶直接充水矿床，水文地质条件复杂；

（4）矿区地下水的渗透主要是由于矿体底板破碎，竖向张开裂隙发育形成的导水通道导致，地下水补给径流方向总的来说自南向北为主，自西向东为辅，浅部由于中新水塘高水位的存在，表现为以自西向东为主；

（5）采坑至滇池距离约3 km，通过水文地质勘探研究成果分析，开采至1 860 m时，滇池水不会发生倒灌，开采至1 840 m时，滇池水发生倒灌的可能性小；

（6）矿区地表岩溶形态不发育，未见大的岩溶洼地、漏斗、落水洞、溶沟等，地表岩溶形态一般以蜂窝状、针孔状、串珠状的小溶孔及溶沟、溶隙为主。矿区地下溶洞不发育，各岩溶地层地下岩溶以溶蚀裂隙为主；

（7）根据矿山含水层结构及富水性特征差异特点，认为采用灌浆封堵拟采矿体含水层是具备条件的，并且能够取得较好的堵水效果。

4.2 露天坑综合防治水技术

目前，国内露天矿地下水控制的措施及理念主要包括“疏”、“排”、“堵”、“截”。“疏”主要指设置降水孔迫使地下水位(或水压)降低，以保证采掘工作正常进行；“排”主要指完善矿坑排水系统，排水管路、水泵、水仓和供电系统等配套；“截”主要指加强地表水的截流治理；“堵”主要是指在地下形成连续的堵水帷幕，封堵具有涌水可能的径流通道、含水层和导水断层、裂隙等导水通道。

尖山磷矿露天坑地下径流水来源一侧南帮属于后期内排形成的边坡，如若在边坡上施工大量水平疏水孔，一是内排渣土松散体不易成孔，二是后期内排作业会对疏水孔进行掩埋堵塞，因此台阶上进行钻孔“疏”水治理措施不在本次考虑范围内。

通过计算分析，若只采用“排”的形式对矿坑涌水进行处理的话，矿体开采至10 号线，所需抽排水费用约为32 504.6 万元。为了能够实现较好的治水效果，以及对突发情况有应急处理手段，提出的“疏、截、排、堵”综合治水方案如下：

“疏”：在帷幕外10 m 的距离，沿帷幕线布置14个间距为50 m 的疏水降压井，进行幕外疏排水，以帷幕分界，帷幕两侧实现清污分流。疏水井抽排量跟坑内排水能力相结合，帷幕侧绕、底绕、墙渗流量约为2.5×104m3/d，疏水和抽排水能力合计共2.5×104m3/d，根据现场井内涌水情况，调整各井的抽水量。

“截”：主要是对雨季的地表径流部分的充水水源大气降水进行拦截，在南北两帮边坡台阶上布设截洪沟，尽可能把大气降水排出矿区，拦截在采坑外，排水系统截洪沟及排水路线布置见图1，图2。

图1 排水系统

图2 采场截洪沟断面

“排”：通过上述对帷幕注浆后矿坑涌水量计算可知，帷幕侧绕、底绕、墙渗流量约为2.5×104m3/d，因此，采用供电抽水的方式，配套和幕外疏水井抽水能力共2.5×104m3/d 的抽水系统进行矿坑排水作业。

“堵”：布置分段悬挂式垂直型帷幕进行矿坑堵水，帷幕注浆分四段施工。采坑积水治理工程平面布置见图3。

图3 采坑帷幕治水工程布置平面

帷幕注浆制备站建设在矿坑东南角，需对这部分区域1 900 m 平台和1 910 m 平台合并，进行场地平整。注浆时全孔按设计要求从上而下分段注浆，分段长度20 m，各钻孔施工顺序为：Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→III 序孔→加密孔。“疏、截、排、堵”综合治水方案投资项目及费用见表3。

表3 “疏、截、排、堵”综合治水方案投资项目及费用

按每台钻机每月钻进300 m计算，12 台钻机一个月钻进3 600 m，第一阶段钻孔施工需要4.8 个月，第二阶段钻孔施工需要4.6 个月，第三阶段钻孔施工需要2.5 个月，第四阶段钻孔施工需要2.6 个月，共需14.5 个月，因为注浆工程可以与打钻工程同时施工，所以总工期为14.5 个月左右。帷幕注浆施工组织过程中，为了保证采矿作业的连续，需提前在下一阶段帷幕线位置进行出矿拉槽，完成钻孔帷幕注浆。

5 结论

（1）通过矿区专项水文地质勘探工作掌握了矿区水文地质条件，提出了尖山磷矿采坑的“疏、截、排、堵”综合治水方案。

（2）通过计算得出本次选用的“疏、截、排、堵”综合治水方案，堵水效果能够满足堵水率80%的要求，综合治水方案总投资约5 343.9 万元，矿体开采至10 号线，可采出矿石量为626.9 万t，平均每吨矿石增加治水费用14.5 元，与只采用抽水方案投资32 504.6万元相比，节约了25 611.4 万元。

（3）通过堵水效果计算，设计选用的帷幕深度、厚度以及长度是合理的，能够满足堵水率要求。本方案实施后，能够实现地下水以帷幕为界的“清污分流”，保持水土，减轻对矿区及周边地质生态环境的影响。