礦山開(kāi)采水害治理技術(shù)研究

王瑞強(qiáng) 韓竹東 樂(lè)應(yīng) 吳田勇

摘 要：針對(duì)凡口礦長(zhǎng)期以來(lái)疏干排水導(dǎo)致的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境破壞、塌陷回填、土地復(fù)墾、排水等費(fèi)用高昂等問(wèn)題，以及為確保礦產(chǎn)資源安全開(kāi)采，分析礦區(qū)的地質(zhì)和水文條件，查明礦區(qū)的主要涌水通道，利用帷幕注漿的防治水方案在涌水通道上形成截流帷幕，有效降低地下水流流向工作面的補(bǔ)給，堵水率達(dá)到了68.35% ，有效的保障了礦山長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：涌水;帷幕注漿;礦山防治水;安全開(kāi)采

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.29.102

0 引言

在以往水害治理過(guò)程以及對(duì)理論知識(shí)的研究中，相關(guān)工作者針對(duì)不同類型水害的防治進(jìn)行了探索。目前，常用的煤礦水害防治技術(shù)主要有疏水降壓、帷幕注漿技術(shù)、留設(shè)隔水煤（巖）柱、帶壓開(kāi)采等。其中，帷幕注漿技術(shù)是較為常用的水害治理方法，并且已經(jīng)在我國(guó)多個(gè)礦山建設(shè)中推廣應(yīng)用。王立生在針對(duì)瓜山銅礦的強(qiáng)涌水災(zāi)害采用帷幕注漿并取得良好效果;徐加夫在萊新鐵礦的水害治理中論證了帷幕注漿技術(shù)應(yīng)用于巖溶礦山水害防治的可行性;徐磊等在某大水礦山通過(guò)實(shí)施井下礦體帷幕注漿方案，有效減少了礦坑涌水量;李建文針對(duì)檸條塔煤礦水害采用帷幕截流改善了其涌水狀況。本文以廣東省凡口鉛鋅礦為實(shí)例，選用合適的帷幕注漿施工工藝及各項(xiàng)參數(shù)，研究帷幕注漿技術(shù)在礦山水害防治中的應(yīng)用。

凡口鉛鋅礦是水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶大水礦山，長(zhǎng)期的疏干排水嚴(yán)重破壞了礦區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境，礦農(nóng)矛盾突出。為改善礦區(qū)內(nèi)的開(kāi)采環(huán)境并確保礦產(chǎn)資源的安全開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)凡口礦可持續(xù)發(fā)展，根據(jù)已有的水文地質(zhì)資料，采用帷幕注漿法治理地質(zhì)災(zāi)害、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

凡口礦地處廣東北部曲仁盆地北緣中部，是水文地質(zhì)極其復(fù)雜的巖溶富水礦山。礦體廣泛分布于泥盆系中統(tǒng)桂頭組到石炭系下統(tǒng)壺天群，厚度達(dá)千余米，礦床上部普遍被石炭系中上統(tǒng)壺天群強(qiáng)巖溶含水層覆蓋。其構(gòu)造總體上呈一復(fù)式向斜，軸向北西，向南東傾伏。向斜內(nèi)褶皺、斷層發(fā)育較強(qiáng)，褶皺組發(fā)育為近南北和東西向次一級(jí)褶曲，按照其分布及發(fā)展形態(tài)分為寬展短袖狀東西向褶皺、寬展短軸狀北西向褶皺和寬展短軸狀南北向褶皺。斷層多為北東向和北北東向壓扭性斷層，走向延伸穩(wěn)定，局部?jī)A角較大，可達(dá)60°～70°。

礦區(qū)主要含水層為：石炭系壺天群巖溶溶洞強(qiáng)含水層，該地層巖溶極為發(fā)育，含有豐富的地下水，并且直接覆蓋于礦體上部，構(gòu)成礦體的直接或間接頂板。其巖性為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，分布廣泛，平均厚度達(dá)150m，是礦坑主要的充水含水層，也是礦區(qū)地下水防治的主要對(duì)象;東崗嶺組上段～天子嶺組下段巖溶裂隙中等含水層，該層出露于礦區(qū)北部隔水邊界及獅嶺背斜軸部，向南東傾斜逐漸潛入礦區(qū)深部。其巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，總厚度達(dá)200余米。富水性中等，淺部（約50m標(biāo)高以上）巖溶較發(fā)育，深部以裂隙含水為主，是深部礦體的直接充水水源，且與上部的壺天群組溶洞裂隙水在斷層破碎帶附近存在水力聯(lián)系。

1.2 礦井涌水通道分析

根據(jù)礦區(qū)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)資料分析，礦坑主要的進(jìn)水通道有：

（1）介于F4斷層至F5斷層之間的金星嶺南部進(jìn)水通道，主要以南面為進(jìn)水方向，通道裂隙較大，巖溶管道發(fā)育較好，屬于饋入型通道。旱季涌水量為16000～25000m3/d，雨季為24000～38000m3/d，某些監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)較差，在-40m新南截流巷涌水較為集中，且離礦區(qū)東部塌陷區(qū)距離很近。

（2）西部阻水邊界至F4斷層之間的獅嶺南部進(jìn)水通道，該通道同樣以南面為主要的進(jìn)水方向，涌水量相對(duì)較小，約為1000m3/d，但受大氣降水影響較大。在獅嶺南側(cè)放水巷涌水集中，進(jìn)水通道也屬于饋入型通道，且與214/ZK11孔北東側(cè)塌陷區(qū)連通性良好。

（3）金星嶺北部進(jìn)水通道，以正東向?yàn)橹饕M(jìn)水方向，通道內(nèi)裂隙、溶孔較多，屬于滲入型通道，在0m北截流巷涌水集中，流量較小，平均涌水量約為3800m3/d，水質(zhì)較好，周邊無(wú)明顯塌陷區(qū)。

2 帷幕方案設(shè)計(jì)

2.1 帷幕線的布置

帷幕線總體呈“J”字形擺布，分五段施工，整體帷幕位置為E—F—G—H—I線。南段帷幕主要封堵F4斷層至F5斷層之間的金星嶺南部進(jìn)水通道及獅嶺南部進(jìn)水通道，同時(shí)為確保將來(lái)礦區(qū)金星嶺南部礦體及部分東礦帶的安全開(kāi)采，經(jīng)過(guò)調(diào)整修改，最后的幕址西界布置在F3隔水墻上，經(jīng)214勘探線斜拉到216勘探線的F5與F6之間，東北端進(jìn)入CK48（長(zhǎng)期水文觀測(cè)孔）高水位區(qū)。帷幕設(shè)計(jì)全長(zhǎng)為1670m，實(shí)際帷幕軸線長(zhǎng)1698m。

2.2 帷幕參數(shù)的選擇

（1）帷幕深度：帷幕的高度取決于擬建帷幕含水層起始注漿的標(biāo)高和隔水層底板的埋深，根據(jù)相關(guān)資料模擬，凡口礦帷幕施工完成后，幕外水位雨季最高將達(dá)到標(biāo)高85m，接近第四系底板，但實(shí)際上，第三段帷幕施工結(jié)束后，幕外局部水位已達(dá)標(biāo)高90多米，所以，不僅含水層必須注漿，而且土層也必須注漿，帷幕頂板即為第四系。帷幕底板取決于隔水層底板的埋深，一般帷幕注漿孔應(yīng)深入可靠隔水層（天子嶺花斑狀灰?guī)r）底板以下3～5m。斷層附近的孔應(yīng)適當(dāng)加深，可進(jìn)入完整天子嶺地層15m左右。根據(jù)凡口礦擬建帷幕區(qū)域巖溶發(fā)育狀況、地層發(fā)育特征與地質(zhì)巖性，凡口礦帷幕不同地段幕高不同，帷幕高度設(shè)計(jì)在標(biāo)高80～100m之間。

（2）注漿孔的布置及施工形式：帷幕第四段仍采用單排孔布置形式，平均孔距10m，局部復(fù)雜地段視情況加密到8m。注漿孔按由稀到密的原則，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序次先后施工，實(shí)際施工時(shí)，根據(jù)相鄰鉆孔的注漿，壓水及井下跑漿等情況，在部分鉆孔之間增加加密孔，孔距加密到4m。

（3）注漿方式：帷幕主要采用下止?jié){塞分段注漿、孔口純壓式兩種方式。

（4）設(shè)計(jì)帷幕厚度：10m。

（5）鉆孔孔徑：開(kāi)孔孔徑≮130mm，終孔孔徑φ91mm，特殊情況可采用φ75mm終孔。

（6）鉆孔孔斜率：全孔孔斜率控制在1.5%以內(nèi)。

（7）鉆孔孔深誤差：<1‰。

（8）帷幕滲透系數(shù)：帷幕滲透系數(shù)設(shè)計(jì)為0.06m/d，透水率為6Lu。

3 帷幕效果與分析

3.1 帷幕內(nèi)外地下水位觀測(cè)成果分析

根據(jù)礦方提供的地下水位觀測(cè)資料，分別取帷幕線內(nèi)外鉆孔水位進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：帷幕內(nèi)側(cè)水位基本保持穩(wěn)定，僅214/FK1上升了19.15m，主要是南段帷幕未封閉，地下水繞流造成的;與此同時(shí)，帷幕外側(cè)水位隨著帷幕注漿施工不斷推進(jìn)，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，216/FK2、216/FK1、CK0801、208/SK14等均上升了30多米;帷幕內(nèi)外水位差在不斷增大。由此可以看出，帷幕墻在攔截地下水方面效果顯著。

3.2 -40m中段排水量分析

井下排水是驗(yàn)證帷幕堵水效果最直接的參數(shù)，2007年帷幕施工開(kāi)始，2013年10月份完成帷幕線上主要施工段的施工，取井下-40m中段帷幕施工前10年（1998～2007）各月份平均排水量與施工期間（2008-2012）以及2013年各月份排水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

從表2可以看出，施工期間，-40m截流巷排水量不斷減小（每年同期），隨著帷幕的不斷推進(jìn)，凡口礦帷幕注漿工程的截流效果逐漸體現(xiàn)。以每年8、9、10三個(gè)月平均排水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，帷幕前其平均值為86.7噸/月，2013年主要過(guò)水通道封堵以后，其排水量平均值為21.8噸/月，帷幕堵水率達(dá)74.9%，顯示出了帷幕注漿的積極效果。

3.3 降落漏斗與塌陷

通過(guò)帷幕的施工，礦區(qū)南部疏干漏斗大幅回縮，回縮直線距離達(dá)800～1000m。塌陷發(fā)生的區(qū)域、規(guī)模縮小，塌陷數(shù)量減少，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境逐步恢復(fù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，從2002～2007年年平均塌陷總數(shù)100個(gè)，至2013年塌陷總數(shù)為33個(gè)，減少率達(dá)67%。塌陷產(chǎn)生的頻率、規(guī)模及其對(duì)環(huán)境的影響程度大幅度減小，產(chǎn)生的區(qū)域也相對(duì)集中在幕外地下水流場(chǎng)變動(dòng)帶內(nèi)，沿地下水流自西向東呈帶狀分布。避免了因地面塌陷對(duì)村民及村政設(shè)施產(chǎn)生破壞，有效保護(hù)了寶貴的耕地資源，農(nóng)田復(fù)耕、土地復(fù)種，周邊村民的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)及生活不受影響，礦農(nóng)關(guān)系得到改善。同時(shí)節(jié)約了大量的塌陷治理費(fèi)用。

4 結(jié)論

（1）隨著帷幕的施工，帷幕外水位明顯上升，均超過(guò)85m，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，降落漏斗大幅回縮，進(jìn)水通道明顯減小，井巷排水量也大幅下降，堵水率達(dá)到68.35%，超過(guò)設(shè)計(jì)值60.7%，說(shuō)明帷幕的施工質(zhì)量好，達(dá)到了預(yù)期的堵水效果。

（2）通過(guò)實(shí)施帷幕注漿技術(shù)，有效的遏制了水害對(duì)該凡口礦的威脅，保障了礦山的安全生產(chǎn)，為礦山節(jié)省了大量的排水費(fèi)用，并且減少了礦區(qū)地面塌陷數(shù)量及改善了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，緩解了礦農(nóng)矛盾，為礦山創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)該帷幕注漿工程的成功實(shí)施對(duì)類似條件工程施工提供了借鑒。

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