峨口鐵礦南幫邊坡涌水災害治理技術研究

劉慈光

(太原鋼鐵(集團)有限公司礦業分公司峨口鐵礦， 山西 忻州市 034207)

峨口鐵礦南幫邊坡涌水災害治理技術研究

劉慈光

(太原鋼鐵(集團)有限公司礦業分公司峨口鐵礦， 山西 忻州市 034207)

為確定峨口鐵礦最優治水措施，建立采場內滲水治理措施的數值仿真模型，以降水率為控制指標，系統分析各種措施在露天采礦動態演化環境下的防治效果，得出如下結論：邊坡幾何形態、治水點位置對工程降水率影響效果顯著；通過對比分析帷幕注漿與鉆孔引導排水治水效果，鉆孔引導排水疏水降壓效果明顯優于帷幕注漿，且最佳鉆孔鉆鑿位置為2號平臺。

露天坑；帷幕注漿;鉆孔排水；數值模擬

巖質破碎邊坡體內節理裂隙錯綜復雜，其穩定性較差。地下水及降雨等水流進入邊坡體內沖刷軟弱結構面，邊坡維護工作面臨嚴峻考驗。針對高富水性邊坡，需采取有效防治水工程控制邊坡涌水量，避免積水成災[1]。邊坡水害治理工程主要有排水、堵水兩大類，前者以地下排水洞、排水鉆孔、集水井抽水等主動式治水技術為代表，通過人工誘導工程疏水降壓，使保護區域位于安全水位上部，后者以帷幕注漿、砌筑防水閘門等被動式技術為代表，通過注漿形成滲透性較低的地下工程隔離水體，保護關鍵區域[2-3]。

新橋硫鐵礦開展了復雜富水環境下注漿帷幕工程建設，封堵地下水徑流通道，成功控制地下水害[4]。田興鐵礦經過方案比選，確定了注漿工藝和結構設施簡單、施工管理容易、勞動強度低的“靜水止漿墊”治水技術[5]。錦豐露天礦巖體破碎，邊坡穩定性較低，通過修建地表排水溝和鉆孔泄水的排水措施，配合邊坡維護工程，實現了破碎深凹露天礦的陡幫開采[6]。治水方式的選擇與礦區水文地質條件、經濟成本、生產效率等因素有關，針對山西太鋼集團峨口鐵礦露天坑南幫邊坡滲水嚴重的問題，擬用帷幕注漿封堵地下水或鉆孔、排水井抽水措施疏水降壓，采用數值模擬分析法優化治水措施，確定最佳方案。

1 工程背景

太原鋼鐵集團峨口鐵礦屬裂隙充水礦床，位于區域含水帶上，地下水主要賦存于裂隙和構造破碎帶中，富含巖溶裂隙水，是典型的巖溶大水礦山。地表水系發達，地下水量豐富，水文地質條件復雜，揭露和未揭露的節理破碎帶、構造斷裂帶、斷層等較多，加之長期受露天采場爆破擾動，使得礦區和外界構成了較為緊密的水力聯系。歷經幾十年開采，已完全改變了礦區地下水的賦存狀態，隨著露天采場即將閉坑轉入地下開采，勢必將進一步改變地下水的賦存狀態，加大地下開采的難度。如圖1所示，部分工作平臺鉆機穿孔時鉆孔全部為水孔，鉆孔裝藥爆破受到嚴重制約，難以形成爆區。

圖1 工作平臺局部滲水點

經數值模擬計算,滲水較為嚴重的南幫邊坡日均出水量為3071 m3，礦山擬在帷幕注漿與鉆孔引導排水方案間確定一種高效防治水措施。通過設定數值模擬方案，以有限元分析軟件GeoStudio為技術手段，優化防治水措施。

2 計算工況與模型構建

2.1 數值模擬實驗方案

以露天坑等高線為基礎數據，建立露天坑三維數字模型。選取南幫邊坡16組邊坡剖面完成前期涌水量預測仿真計算，剖面位置見圖2。考慮邊坡剖面位置，選取剖面4及剖面13設計全面實驗方案完成疏水降壓模擬計算。

(1) 帷幕注漿。根據滲流理論及達西定理，滲流路徑及介質滲透系數對滲流量及流速影響較為顯著。帷幕注漿工程中可通過改變帷幕位置及帷幕高度控制滲流路徑，不同的注漿材料配比控制滲透系數。全面實驗方案各因素及相應水平見表1。

圖2 露天坑南幫涌水量計算剖面位置

剖面號帷幕滲透系數K/(m/d)帷幕下邊界距最低平臺垂直距離/m注漿位置與最低平臺邊坡坡趾水平距離/m4#0.010400.0310540.05208913#0.010240.0310640.052084

(2) 鉆孔排水。鉆孔排水方案利用地下現有巷道作為排水通道，在露天坑平臺上鉆鑿與地下現有坑道相通的下向垂直深孔作為導水通道，將邊坡體內水流引入地下坑道集中排放，進而降低邊坡滲流量。鉆孔位置參數與帷幕注漿一致。

2.2 數值仿真模型構建

根據露天坑開采地質條件建立層狀分布數值仿真模型，材料參數見表2。

表2 南邊坡分層巖體飽和傳導率

模型自下而上劃分為一至五層(見圖3)，層內視為各向同性材料，巖體滲透系數維持不變。左側根據鉆孔實際水位施加定水頭邊界，下邊界及右邊界為不透水邊界，邊坡坡面自由邊界并繪制流量監測線。

圖3 數值仿真模型

3 疏水降壓效果分析

在仿真計算過程中，構筑防治水工程前后的坡面單寬流量比定義為降水率，以此控制指標作為疏水降壓效果對比分析依據。

3.1 帷幕注漿

據表3可以看出，當其他參數不變，帷幕滲透系數愈大，邊坡涌水量與其負相關；注漿位置及帷幕滲透系數不變，注漿末端位置越高，坡面涌水量愈大；注漿末端高度及滲透系數不變，注漿位置與右側坡面距離越遠，邊坡涌水量呈現先下降后上升的趨勢，說明注漿位置改變了滲流路徑，并受邊坡幾何形態影響，涌水量變化相對較為復雜。

剖面4位于露天坑南幫偏西處，未治理前涌水量為3.3208 m3/d，不同參數下堵水效果維持在51.68%～64.28%之間。注漿平臺位置越低，注漿堵水效果普遍優于高平臺注漿。剖面13位于露天坑南幫偏東處，未治理前最大涌水量為8.2297 m3/d，注漿后堵水率在6.00%～38.07%區間內，其中堵水效果較好的注漿位置為2號平臺。但其堵水率也不足40%，因此對于大涌水量坡面，注漿效果不是特別明顯。

3.2 鉆孔排水

據表4可得，當鉆孔位置確定，鉆孔降水率與鉆孔深度呈正相關。對于剖面4，鉆孔深度不變，改變鉆孔位置，鉆孔降水率變化無明顯規律。此時，降水率受斷面幾何形態影響，不同位置鉆孔滲流路徑變化復雜，故降水率隨之改變；對于剖面13，鉆孔深度維持不變，鉆孔施工平臺越高，降水率呈現先增長后下降的趨勢。

剖面4鉆孔排水效果維持在84.48%～99.18%之間，剖面13鉆孔排水率維持在59.22%～96.75%區間內，兩個剖面最大排水量對應鉆孔均位于2號平臺，故最佳鉆孔施工平臺為2號平臺。

表3 帷幕注漿降水率

實驗組別編號A-B-C-D含義：A-剖面編號；B-注漿平臺編號；C-帷幕下邊界距最低平臺垂直距離；D-帷幕滲透系數。

表4 鉆孔排水降水率

實驗組別編號A-B-C含義與表3相同。

4 結 論

根據地下水的滲水和排堵水機理分析和控制因素的模擬研究可知，邊坡排堵水工程是一項理論基礎、工程設計、現場實時工況三者互相協調的復雜系統工程。根據邊坡剖面位置選取研究對象，以降水率為控制指標優化治水措施，得出如下結論：

(1) 邊坡幾何形態、治水點位置對工程降水率影響效果顯著；(2) 通過對比分析帷幕注漿與鉆孔引導排水治水效果，鉆孔引導排水疏水降壓效果明顯優于帷幕注漿，且最佳鉆孔鉆鑿位置為2號平臺。

[1]張 瑞,鄧紅衛,黃永紅,等.礦山水害鏈構建及孕源斷鏈減災途徑研究[J].安全與環境學報,2011,11(3):218-222.

[2]郝 煦.蜀南嘉陵江水侵活躍氣藏出水特征及治水措施研究[D].成都：成都理工大學,2010.

[3]盧 萍,侯克鵬.帷幕注漿技術在礦山治水中的應用現狀與發展趨勢[J].現代礦業,2010(3):21-24.

[4]王澤群,章 林.復雜富水環境下帷幕注漿工程布設及工藝優化[J].金屬礦山,2014(9):26-29.

[5]翟會超,南世卿,胡巍巍.田興鐵礦靜水止漿墊治水技術研究[J].有色金屬:礦山部分,2015,67(1):92-94.

[6]韓 斌,儀海豹,鄭祿璟,等.低強度易風化破碎露天邊坡綜合加固與排水技術[J].金屬礦山,2013(3):14-17.

2017-02-17)

劉慈光(1964-)，男，工程師，主要從事礦山生產技術研究與管理，Email：hujh21@126.com。