張伶年,尹彥波,2

(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012; 2.中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

某金礦復雜開采條件下水患論證及治理措施研究

張伶年1,尹彥波1,2

(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012; 2.中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

研究了首溪金礦水患來源及其運動規(guī)律,運用先進的數(shù)學預測方法預測了該礦的總涌水量,計算出了首溪金礦的最大排水量,研究結果表明,目前礦山現(xiàn)有的排水能力不夠,需增加排水設施,加強井下排水,針對該礦的水患,提出了有針對性的、詳細的治理措施和方案,在首溪金礦的應用中取得了良好的效果。

淹井礦山;水患治理;涌水量預測

2016年7月湖南桃江降雨量大,資江水位上漲,地表匯水排泄不暢,首溪金礦原露天開采留下的露天坑匯水下滲首溪金礦井下,導致該礦井下－80 m中段以下被淹,究其原因,職能部門發(fā)現(xiàn)該礦存在以下水患問題[1-2]:

(1)水文資料不全面,建議補充水文地質資料,查明礦坑水的來源,掌握水的運動規(guī)律;

(2)水倉未按設計施工,且應根據(jù)井下涌水情況,復核礦山的排水能力;

(3)地表露天坑未按設計要求構筑截水溝。

為全面查明礦坑水的來源,避免今后出現(xiàn)類似淹井事故,開展了全礦水文地質補充調查、水患論證及水患防治措施研究[3-12],進行實地水文地質補充調查、淹井調訪、資料收集,在調查、核實水文地質情況的基礎上、分析礦坑水的來源,大氣降水、地表水與地下水的相互關系及運動規(guī)律,對該礦水患進行了技術論證,并提出了切實可行有效的防治措施[7-13]。

1 礦區(qū)水患預測

1.1 礦區(qū)基本概況

首溪金礦的地表水系發(fā)育,資水河從礦區(qū)北側約200m處流過,為湖南四大水系之一,河床海拔44m左右。首溪河從礦區(qū)東側向北匯入資水,為永久性河流,水位以暴漲暴落為特征[14]。

根據(jù)區(qū)域地層的水文地質特征,將區(qū)域地層劃分為:第四系殘坡積、沖積層;風化層裂隙;斷裂破碎帶;冷家溪群淺變質巖弱含水巖組。

區(qū)內冷家溪群巖層廣泛出露,呈單斜產(chǎn)出,巖性主要為中厚層狀絹云母板巖,為一相對隔水層。

賦礦地層中斷層、裂隙較發(fā)育。斷裂破碎帶比較寬,最寬達十余米,巖石比較破碎,裂隙比較發(fā)育,是礦區(qū)主要的含水層,對礦床充水起一定作用。

地表附近賦礦地層風化裂隙發(fā)育,大氣降水及第四系孔隙水均可流向其中,若與切錯礦體的斷裂溝通,則可向礦床充水。

礦區(qū)礦帶由賦礦圍巖經(jīng)斷裂破碎蝕變礦化而成。具有含水、導水及充水能力,但據(jù)觀察其含水性較弱,對礦床充水影響不大。

1.2 礦坑水的運動規(guī)律

旱季時,大氣降水通過露天坑沉陷、采礦裂隙、巖層裂隙、斷裂構造滲入含水層,從開拓巷道和采礦揭露的裂隙涌出到礦坑[15]。

雨季時。除大氣降水通過采礦裂隙、巖層裂隙、斷裂構造滲入含水層外,當雨量很大,露天坑水泵能力不足,不能及時排掉全部匯水時,大氣降水形成的部分露天坑匯水將直接通過坑內沉陷及斜井口流入礦坑,再由井下排水系統(tǒng)排至地表排水溝(截洪溝),當資江礦區(qū)段水位超過排水溝底板標高時,資江水倒灌礦區(qū)連同從井下排至地表排水溝的地下水又返回露天坑和礦區(qū)低洼地表,再通過采礦裂隙、露天坑沉陷、斜井口、巖層裂隙滲入地下或流入礦坑,形成惡性循環(huán)。

1.3 礦床(礦坑)充水來源

通過對礦山主要礦井涌水量調查(根據(jù)礦山排水量統(tǒng)計),－80中段涌水量一般為24～48m3/d;－115中段以下(含－115m中段)涌水量一般為149m3/d。

一般雨季時涌水量稍大,礦坑充水應以大氣降水為主。連續(xù)大暴雨時,當露天坑排水能力不足時,地表水可能倒灌,對礦坑充水。

1.4 礦坑涌水量預測

1.4.1 礦區(qū)涌水量預測[1,16]

(1)采用降水系數(shù)法初略估算礦坑涌水量。桃江縣2004年至2015年降雨量平均值為1516.33 mm,日平均降雨量為4.154mm/d;礦坑匯水區(qū)域見圖1,其中露天坑補給區(qū)域為31000m2,降雨入滲系數(shù)取1,露天坑以外的礦區(qū)匯水面積為133720 m2,降雨入滲系數(shù)取經(jīng)驗值0.5,最終可得到正常礦坑涌水量為405.6m3/d。

圖1 首溪金礦匯水區(qū)域

(2)單位涌水量法得到的各中段預計涌水量見表1。

表1 －150m礦坑涌水量預測表

1.4.2 礦坑最大排水量計算

由于本礦存在與井下巷道相通的露天坑,且露天坑內已存在兩處沉陷和一個未封閉的斜井口,因此,如果露天坑不設置排水系統(tǒng),連續(xù)暴雨期間的露天坑內匯水將全部進入井下礦坑。因此,應計算露天坑正常降雨逕流量及設計頻率暴雨逕流量[1]。

(1)以每年4～9月雨季平均降雨量為正常降雨量,根據(jù)2004～2016年8月的降雨資料,計算13年雨季日平均降雨量H為10.35789mm。

降雨逕流匯水面積以礦山露天采場測量圖為準,以地表截洪溝為界,得到匯水面積為31000m2,其中露天采場下部截水溝以南面積為22534m2。降雨時該部分面積的降雨全部進入露天坑,逕流系數(shù)取1.0,其余部分為表土逕流,面積為8466m2,逕流系數(shù)取中間值0.6,計算得到雨季平均降雨量為286m3/d[17]。

(2)按照設計頻率暴雨量。首溪金礦屬小型礦山,設計暴雨頻率按小型礦山取20%,根據(jù)收集到的2004～2016年的降雨量資料,得到頻率為20%時,24h暴雨量H24P＝160.0329mm。

從而得到露天坑24h暴雨逕流量為2163.709 m3/d。如果按2016年7月18日新聞報道的日降雨量250mm計算,則露天坑24h最大暴雨逕流量為3380m3/d[1]。

因此,如果降雨徑流量都進入到井下,雨季礦坑的排水能力將不夠,所以,露天坑必須排水。

1.4.3 地表排水溝24h暴雨匯水量

礦區(qū)匯水面積為164720m2,礦區(qū)地表排水溝以外匯水面積大約為133720m2。表土的徑流系數(shù)取0.5,計算得到地表排水溝的24h暴雨徑流量達到10699.8m3/d。

2 水害防治措施

針對首溪金礦上述水量預測和存在的問題,該礦山的水害治理應采取如下防治措施[1,16-18]。

2.1 完善排水系統(tǒng)

(1)井下排水系統(tǒng)。在防止大氣降雨地表匯水和地表水進入礦坑的同時,應按規(guī)范要求配足井下排水設施。－20m中段應配足排水泵,－80m中段增添一套排水管路。

(2)露天坑排水系統(tǒng)。由于露天坑有與井下聯(lián)通的沉陷及斜井口,所以,應加大露天坑底排水系統(tǒng)能力,應加設1臺60m3/h,備用1臺60m3/h的排水泵及相應的排水管路和配電設施。同時,固化露天坑沉陷排水泵窩,固化前必要時可采用廉價注漿材料進行防滲防塌處理,填實另一沉陷,盡量減少下滲量。

2.2 防止出現(xiàn)井下泥石流

(1)露天坑下的井下采空區(qū),應及時充填密實,－20m中段采完后應及時封閉。

(2)加大露天坑的排水能力,增加1臺60m3/h的應急泵以及相應的排水管路和設施,備用1臺60 m3/h的水泵,達到露天坑不積水。

(3)加強對露天坑沉陷區(qū)的綜合治理:固化泵窩,杜絕沉陷區(qū)及其周邊的非法采礦行為,減少人為因素對露天坑沉陷區(qū)的破壞,杜絕選礦廢水及工業(yè)用水向沉陷區(qū)排灌,在具備條件時,考慮對坑東北面沉陷坑進行回填處理。也可在沉陷外圍設置截排水溝,攔截部分匯水,另一方面還可考慮在沉陷坑安置排水泵,在強降雨期間將匯入沉陷坑內的水抽出。

(4)根據(jù)采場的推進情況,定期全面進行采空區(qū)狀況的分析調查工作,對廢棄的巷道和溜井及時進行封堵,并結合地表沉陷區(qū)的變形監(jiān)測資料,確定有可能突發(fā)跑黃泥事故的重點采場,提前采取預防措施。

(5)加強降雨量監(jiān)測及沉陷區(qū)匯水量的統(tǒng)計工作,在強降雨期間或以后的一段時間內,做好地表匯水滲流量及井下涌水量的對比分析,做出是否有大量泥石流聚集儲存在采空區(qū)的預報,以便在采礦過程中采取相應的預防措施。

(6)必須采取鉆探等技術手段探明冒落區(qū)情況,有的放矢地采取適宜辦法加固冒落區(qū)巖層,創(chuàng)造過冒落區(qū)的條件。

(7)尾礦庫附近必須留足防隔水巖礦帶。具體寬度和厚度要根據(jù)巖層性質規(guī)范設計。

2.3 防止資江水倒灌礦坑的措施

(1)人為抬高排水溝底板標高。

(2)加高排水溝側壁及出口路面標高到57.0m標高以上。

(3)如果上述兩項措施無法實現(xiàn),可采取在排水溝出口修建攔水壩和泵窩,儲備潛水泵,必要時隨時安裝使用,避免資江水倒灌礦區(qū)。

2.4 防止冒落帶和沉陷將大氣降水、地表水導入礦坑

(1)及時充填采空區(qū),封閉廢棄巷道。

(2)加強露天坑沉陷區(qū)的綜合治理。充填沉陷區(qū),盡量減少露天坑沉陷區(qū)的匯水量,在巖石移動帶外緣修建截水溝,攔截部分匯水。

(3)增加露天坑的應急排水能力,增加兩臺60 m3/h應急泵,使沉陷區(qū)長期處于無水狀態(tài)。

(4)杜絕生活及工業(yè)用水向沉陷坑排灌。

(5)嚴禁露天坑未做防滲加固處理前堆放儲存含水或透水的物質。

3 結 論

本文詳細論述了首溪金礦水患來源及其運動規(guī)律,運用先進的數(shù)學預測方法對該礦的總涌水量進行了預測,計算了首溪金礦的最大排水量,研究結果表明,目前礦山的排水能力不夠,需要加強排水。同時,針對該礦水患,提出了有針對性的、詳細的治理措施和方案,在首溪金礦的應用中取得了良好的效果。

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2017-05-19)

張伶年(1971－),男,湖南桃江人,高級工程師,從事采礦技術研究工作,Email:705470264＠qq.com。