黑山鐵礦Ⅰ號采場防排水方案

魏國昌 季永康 宓 娟 張曉波

(中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司)

黑山鐵礦位于河北省承德市，屬承德縣高寺臺鎮王營村、龍潭溝村管轄。黑山Ⅰ號采場現為露天開采，目前露天采場最低標高達到662 m水平，還有1個臺階即將到達露天坑底650 m水平。地下工程分三期開采:一期工程為580 m中段以上開采;二期工程開采580～220 m標高之間礦體;三期工程開采220～－20 m標高之間礦體;后期開采－20 m標高以下礦體［1］。針對露天采坑的防排水，進行了設置排水隧道和不設置排水隧道2個方案的分析比較;對于地下三期的排水，進行了接力排水和一段直排2個方案的技術經濟比較。

1 礦區地形地質特征及水文地質條件

1.1 礦區地形地質特征

黑山礦區地處燕山山脈中北部，大黑山東麓。海拔750～1 213 m，切割深度463 m，地形陡峻，溝谷發育，屬中低山區。礦床地處華北地臺北緣，燕山臺褶帶與內蒙地軸的交接地帶，屬于臺褶帶邊緣的斷裂隆起區大廟穹斷束(Ⅳ級)構造單元。黑山鐵礦體群位于王營北溝～龍潭溝，呈北東向展布，南側為紅石砬—大廟深斷裂帶;北東端為龍潭溝—岔溝壓扭性斷裂帶。

黑山鐵礦體Ⅰ號采場開采11～44線間礦體，涉及①、②礦體群及其他盲礦體群共105個鐵礦體。由于受壓扭性構造控制，礦體在平面上具有左行排列分布特征，在剖面上具有疊瓦斜列式分布規律。礦體群產出標高一般550～－385 m，最深標高－990 m。礦體走向北東65°，傾向南東，傾角45°～60°。

黑山鐵礦Ⅰ號采場及周邊出露的巖石有斜長巖、蘇長巖及釩鈦磁鐵礦等，經過多年露天開采，形成了高陡的露采邊坡，尤其是露天采場的西幫邊坡由于地質構造比較發育，曾多次發生滑坡。黑山鐵礦對此采取過多種治理措施:加強截、排水措施，調整坡面水位，截斷和排除坡體的地下水，防止坡體軟化，消除滲透變形作用;同時降低坡體下滑力，提高坡體抗滑能力;并采取了錨固噴漿護坡、排水等防治措施。目前其西側邊坡整體穩定性較好。隨著露天采場的加深，其周邊邊坡受重力和風化作用影響，產生新的坍塌是必然的，要加強周邊地質環境變化的監測。

1.2 礦區水文地質條件

區域地形北高南低，西高東低，海拔750～1 213 m。區內地形起伏較大，溝谷較發育。溝谷形態一般呈V字型，山脊形態多呈現渾圓狀。大廟基性雜巖體形成了侵蝕構造、侵蝕堆積的地貌形態。沿雜巖體南側斜坡形成的V字形溪溝均匯集于南部主溝。最低侵蝕基準面標高590 m，礦坑水自然排泄面標高分別為580、750 m，谷底和山脊之間高差一般100～300 m。南部主溝與兩側的山脊高差300～700 m。

礦區屬大陸性季風型燕山山地氣候。年平均降雨量542.5 mm，年蒸發量1 516.5 mm，相對濕度54%。雨季多集中在6、7、8月份，降水量占全年60%，最大凍土深度1.26 m。采場的集水量完全受季節控制，受當年降雨量的控制尤為明顯，降雨多，集水量就多，反之就少。

礦區水系屬于武烈河支流溝谷。在黑山鐵礦礦區東側有灤河支流武烈河由北向南流過，距礦區約9 km。礦區及周邊沒有地表水體，只有季節性溪溝水。礦區Ⅰ號露天采場所在的王營北溝長3.60 km，形成1.42 km2的匯水面積，雨季時，巨大的匯水面積形成的降雨徑流入滲將成為礦坑涌水的主要來源，對礦坑充水的影響很大。大氣降水是地下水的唯一補給來源。露天采場大部分地表植被覆蓋較好，有利于大氣降水入滲，補給地下水，以泉和潛水徑流形式，向露天采場匯集，大部分沿裂隙和人工裂隙滲入地下。

2 地表水處理分析

黑山鐵礦Ⅰ號采場地表為露天采坑，其東北部地形北高南低，西高東低，形成了一個1.42 km2的匯水面積，對于此部分地表水如何處理，設計提出兩種方案:

方案Ⅰ，設置排水隧道。由于露天采坑東北部地勢比較高，且考慮東大洼開采時的影響，在露天坑西南部布置1條排水隧道將地表匯水排至露天坑外。

方案Ⅱ，不設排水隧道。地表匯水滲入井下，再通過井下的排水系統將其排至地表。

兩方案二期工程220 m中段涌水量見表1，可比工程量及排水設備和可比投資分別見表2和表3。

表1 220 m中段井下涌水量 m3/d

表2 可比工程量及排水設備

表3 可比投資表

通過比較，方案Ⅰ一次性投資稍多，但年經營費低，設計采用方案Ⅰ，即設置排水隧道排除地表水方案。考慮各工業場地占地面積較小，場地排水采用自然排水方式，場地內的雨水沿平土方向自高向低排除。各工業場地外側山坡上均設置截水溝，攔截流向場地的雨水。截洪線路的選擇必須綜合考慮采礦場安全生產的各種因素［2］。

3 地下水處理分析

采用地表設排水隧道后，井下涌水量見表4。

表4 設排水隧道后井下涌水量

3.1 一期排水系統分析

一期工程580 m中段以上排水采用580 m平硐自流，涌水自流至580 m平硐外的高位水池。

3.2 二期排水系統分析

黑山鐵礦Ⅰ號采場二期開采采用集中排水方式。設計在副井220 m水平車場東側設置中央變電所和水泵房，井下各中段坑內涌水、采礦廢水等通過泄水井泄入副井附近的水倉中，水倉中的水由水泵一段排至580 m中段500 m3井下供水水倉，供水水倉溢出的水經580 m延伸平硐、排水平硐自流至580 m平硐外地表儲水池。

經計算，二期220 m水泵房設置4臺MD720－60×7多級離心泵和2臺MD280－65×7多級離心泵。正常涌水時1臺MD280－65×7泵工作，其余備用和檢修;最大涌水時3臺MD720－60×7泵工作，其余備用。

黑山鐵礦Ⅰ號采場二期井下正常涌水量為3 850 m3/d，最大涌水量為41 899 m3/d，采礦廢水436 m3/d，井下正常排水總量為4 286 m3/d(179 m3/h)，按照水倉容納6～8 h水量計算，需要水倉總容積1 074 m3～1 432 m3。設計布置2組相互獨立的水倉，水倉總長度300 m，容積1 909 m3，其中內水倉長130 m，容積827 m3，可容納3.5 h正常涌水量，外水倉長170 m，容積1 082 m3，可容納4.5 h正常涌水量［4］。

3.3 三期排水系統分析

三期排水考慮2個方案:方案Ⅰ為一段直排，在－20 m建水泵房，將地下匯水直接排至580 m排水平硐，經排水平硐自流;方案Ⅱ為接力排水，在－20 m建水泵房，將地下涌水排至220 m水倉，經220 m水泵房排至580 m排水平硐。方案比較見表5。

表5 三期排水方案比較

經方案比較，從經營費、基建工程量、設備投資、工作容量、泵房管理等方面考慮，方案Ⅰ優于方案Ⅱ，即采用一段直排方案。

黑山鐵礦Ⅰ號采場三期開采采用集中排水方式。中央變電所和水泵房設在副井－20 m水平車場。－20 m水泵房建成后220 m泵站不再使用，直接將水排至580 m排水平硐。三期－20 m水泵房設置5臺 MD700－100A×8多級離心泵和2臺

4 其他防排水措施

鑒于采礦專業和總圖專業設計方案，本次預測降雨徑流滲入量時未考慮王營北溝對礦坑充水的影響。但在礦山生產期間應采取一定保護措施確保排水隧道不受破壞，并維護好排水隧道和截洪線路，保證水流暢通無阻。

由于露天采場及以上匯水面積巨大，雨季形成的大氣降雨徑流滲入量很大，建議在關鍵巷道內設置防水門，防止泵房、中央變電所和豎井等井下關鍵設施被淹。防水門的位置、設防水頭高度等應在礦山設計中總體考慮。防水門應設置在巖石穩固的地點，由專人管理，定期維修，確保其經常處于良好的工作狀態［5］。

礦山屬于露天轉地下開采礦山，地下開采時，為防止大氣降雨入滲對地下采坑造成威脅，建議露天采場開采結束后，應對露天坑進行回填廢石處理。根據大量礦山實際生產經驗，回填層厚度必須大于40 m，否則無法保證其減緩大氣降雨入滲的作用。

隨著露天采場的加深，580 m坑道及以下的拓寬開采，原有裂隙不斷擴張，也形成了新的人為裂隙，加劇了露天采場蓄存水的下滲。因此，豐水季節時應加強坑道內的排水工作，保證地下開采的安全。

應經常檢查排水泵站排水設備的運轉情況，確保在雨季正常運轉。MD280－65×11多級離心泵。正常時1臺MD280－65×11泵工作，其余備用和檢修;最大涌水時4臺MD700－100A×8泵工作，其余備用。

雨季時，應注意坑內涌水量的監測，如發現坑內涌水量較大有淹井危險時，應及時撤離井下人員及設備。

在基建、生產過程中，對接近水體的地帶或可能與水體有聯系的地段，應堅持“有疑必探，先探后掘”的原則，編制探水設計。如發現水文條件異常和發現有透水征兆時，應進行超前探、放水工作，防止突然涌水事故發生。

5 結論

(1)露天排水采取設排水隧道排除地表水方案投資少，年經營費用低。

(2)地下三期工程－20 m中段排水從經營費、基建工程量、設備投資、工作容量、泵房管理等方面考慮一段直排方案要優于接力排水方案。

(3)本研究分析需要在礦山基建和生產中進一步驗證，落實地下涌水量的變化，并根據實際條件的變化作出必要的調整。

(4)金屬非金屬礦山井下開采防排水是一項系統工程，礦山企業應特別重視，配備足夠的防排水設施，制定符合礦山實際的防排水措施。

［1］ 張建勇，王 輝，魏國昌，等．河北鋼鐵集團礦業有限公司黑山鐵礦580 m以下采礦工程初步設計［R］．秦皇島:中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司，2012．

［2］ 榮中亞，周洪波．大型露天采礦場防控洪水探討［J］．中國礦山工程，2006，35(6):32-36．

［3］ 張夢麟．采礦設計手冊:礦山機械卷［M］．北京:中國建筑工業出版社，1989．

［4］ 唐炳文．采礦設計手冊:井巷工程卷［M］．北京:中國建筑工業出版社，1989．

［5］ 李曉峰，陳亞杰．金屬非金屬礦山地下開采防排水技術分析［J］．中國科技博覽，2010(11):284．