露天地下協(xié)同開采對礦山地下水滲流場的影響

蘇偉

(紫金礦業(yè)建設(shè)有限公司， 福建 廈門市 361000)

0 前言

紫金山金銅礦礦區(qū)屬中低山侵蝕山地地形，地形切割劇烈，地勢陡峻，地形自然坡度多在 25°～50°之間，礦區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)為+1138.13 m，東西兩側(cè)為河流所環(huán)繞，河流水面標(biāo)高為+200 m，相對山頂高差+938.13 m。礦體呈“上金下銅”的產(chǎn)出模式。金礦體位于金銅礦復(fù)合體的上部，主要分布于隱爆角礫巖、脈狀英安玢巖及花崗巖中。金礦工業(yè)礦體周邊以低品位礦體相環(huán)繞，形成巨大的透鏡狀礦體。主礦體長為1900 m，寬為900 m，展布面積為1.71 km2，分布標(biāo)高為+592～+1120 m；銅礦分布于金銅礦混合帶下部，由上下兩個部分共同組合成一個邊緣形態(tài)不規(guī)則的厚度巨大的銅礦體。分布于標(biāo)高+600 m 以上地段的礦體規(guī)模小，礦化強(qiáng)度弱，而+600～+100 m標(biāo)高區(qū)間的礦化范圍大、礦化強(qiáng)，形成礦床最大規(guī)模的礦體富集地段；在深部+100～-100 m標(biāo)高銅礦體總體表現(xiàn)為厚度大、厚度相對較穩(wěn)定。

礦區(qū)地形中間高，四周低，已控制的金銅礦體分布標(biāo)高為-100～+1120 m，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，+100 m以上礦體適合大規(guī)模露天開采，-100～+100 m之間礦體適合地下開采。

礦山主要巖性為花崗巖、英安玢巖，RQD指標(biāo)值為41.56%～72.18%，單軸抗壓強(qiáng)度為18～56 MPa，采場邊坡主要巖體以Ⅱ、Ⅲ級巖組為主，局部Ⅳ、V級，巖石軟化系數(shù)為0.41～0.82。

由于礦山巖石對水環(huán)境較為敏感，地下水的存在會大幅降低巖體強(qiáng)度，進(jìn)而降低露天邊坡的穩(wěn)定性，不利于露天礦山安全生產(chǎn)。因此，大幅降低露天采場邊坡內(nèi)部的地下水位有利于提高邊坡巖體強(qiáng)度和最終邊坡穩(wěn)定性，是礦山最有效的安全控制方法，能夠大幅提高礦山本質(zhì)安全度。同時，消除了露天礦山采場底部集水坑和排水管路，簡化了露天排水系統(tǒng)，提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益。

礦山經(jīng)持續(xù)理論研究、實踐探索、多次技改，形成了露天地下協(xié)同開采的方式。按最終初步設(shè)計，-100～+100 m礦體采用地下開采，+100～+148 m留設(shè)安全礦柱，露天設(shè)計坑底為+148 m，露天采場封閉圈標(biāo)高為+532 m。設(shè)計立體模型見圖1。

圖1 露天地下協(xié)同開采工程布置

1 滲流場計算原理與前置條件

在礦山開采排水過程中，地下水形成以開采空間為中心的降落漏斗。滲流計算的目的就在于求得滲流場內(nèi)的滲流要素，預(yù)測開采引起的地下水分布變化。目前廣泛采用的滲流計算方法可分為流體力學(xué)解法和水力學(xué)解法兩類，更廣泛的概念還包括圖解法、數(shù)值計算及試驗法等。但流體力學(xué)解法僅對少數(shù)簡單的情況有效，在實際多介質(zhì)復(fù)雜邊界條件的滲流問題中，采用數(shù)值計算方法則更能符合和滿足工程需要。

采場邊坡地下水徑流系統(tǒng)有兩大特點(diǎn)，一是大氣降水為地下水的主要補(bǔ)給源，二是邊坡地下徑流主要受構(gòu)造裂隙控制。由于該礦為露天地下聯(lián)合開采，根據(jù)露天、井下開采的空間分布關(guān)系，井下開采會在一定范圍內(nèi)形成地下水降落漏斗，影響地下水徑流。

本次研究邊坡穩(wěn)定滲流模型包括3類，第1類是礦床開采前的原始山體滲流模型，第2類是露天礦山開采完畢，未進(jìn)行井下開采，第3類為露天地下聯(lián)合開采。對應(yīng)的，模擬分析分為3步，各邊幫到達(dá)設(shè)計境界后的穩(wěn)定滲流模型，第1類滲流模型是第2類模型的分析基礎(chǔ)，為第2類模型的滲流提供了可靠的父系滲流場，依此類推，以下計算的實際開采中的穩(wěn)定滲流場介于這兩種穩(wěn)態(tài)滲流場之間，而瞬時滲流場則在穩(wěn)態(tài)滲流場的基礎(chǔ)上波動變化。

1.1 計算原理

對礦山有影響的地下水主要為裂隙水，當(dāng)裂隙相對比較密集，裂隙巖體中地下水在空間的運(yùn)動變化符合滲流的有關(guān)規(guī)律，即水文地質(zhì)模型可假定為非均質(zhì)各向異性的連續(xù)介質(zhì)，并以此來建立模型進(jìn)行計算分析。

1.2 邊界條件

滲流場計算邊界條件是根據(jù)穩(wěn)定的水位線和穩(wěn)定滲流的溢出點(diǎn)確定的。

1.2.1 溢出點(diǎn)

穩(wěn)定滲流的溢出點(diǎn)按-100 m確定，位置為地采-100 m工程實際分布區(qū)域。

1.2.2 滲流影響半徑

由于紫金山金銅礦采用露天地下聯(lián)合開采，穩(wěn)定的水位線根據(jù)地下開采對地下水滲流影響半徑確定，即：以地下開采區(qū)域為中心，滲流影響半徑之外的水位為穩(wěn)定的水位線。

地下開采滲流影響半徑R按式（1）計算：

式中，S為開采中段水位降深值；K為滲透系數(shù)，0.067 m/d；r0為階段開采范圍半徑，m。

計算結(jié)果見表1，綜合取影響半徑為1388 m。

表1 地下開采滲流影響半徑計算結(jié)果

1.2.3 水頭高度

水頭高度按以下方法確定：

第1步：計算原始地形滲流場，水頭高度參照歷史資料；

第2步：自地采區(qū)域中心外推1388 m（滲流影響半徑），與原始邊坡滲流場潛水位相交處為邊界水頭高度。露天境界內(nèi)水頭高度，單獨(dú)露天開采以設(shè)計坑底（+100 m）為水頭高度，露天地下聯(lián)合開采以-100 m為水頭高度。

2 滲流場對比分析

2.1 模擬分析

為系統(tǒng)模擬分析紫金山金銅礦設(shè)計境界滲流場狀況，根據(jù)邊坡巖體工程地質(zhì)特征、邊坡布置情況，結(jié)合資料的分析研究及現(xiàn)場調(diào)查，計算剖面布置如圖2所示。

圖2 地質(zhì)分區(qū)及計算剖面布置

根據(jù)選定的計算模型、邊界條件、原理與方法，分析了紫金山金銅礦10個有代表性的剖面，分析了原始山體、單獨(dú)露天開采、露天地下聯(lián)合開采3種條件下的滲流場，部分計算結(jié)果見圖3～圖10。

圖3 2號剖面原始山體滲流場

圖4 2號剖面單獨(dú)露采終了滲流場

圖5 2號剖面露天地下協(xié)同開采終了滲流場

圖6 2號剖面滲流場對比

圖7 6號剖面原始山體滲流場

圖8 6號剖面單獨(dú)露采終了滲流場

圖9 6號剖面露天地下協(xié)同開采終了滲流場

圖10 6號剖面滲流場對比

原始山體滲流場計算結(jié)果顯示，自然狀態(tài)下，地下水主要來自降水入滲，向兩側(cè)河流排泄，潛水面形成中間高兩側(cè)低，山頂部分地下潛水面比地表低100～150 m，往下坡方向潛水面與地表差值逐漸減小，直至兩側(cè)河流侵蝕基準(zhǔn)面（標(biāo)高約為+190 m）。對照礦山水文地質(zhì)勘察資料，理論模擬與實際勘察結(jié)果基本相符，說明模型剖面、滲透系數(shù)、邊界條件等關(guān)鍵參數(shù)取值較為合理。

單獨(dú)露天開采滲流場計算結(jié)果顯示：隨著露天開采水平往下部延深，持續(xù)排水改變了地下水環(huán)境，在地下水影響半徑范圍內(nèi)，潛水面持續(xù)降低，最終形成以露天采場坑底為溢出點(diǎn)的地下水降落漏斗，上部邊坡內(nèi)地下水位大幅降低，下部邊坡內(nèi)部存在地下承壓水。

露天地下聯(lián)合開采滲流場計算結(jié)果顯示：因地下開采期間的持續(xù)排水，礦山地下水形成以地下開采空間為漏斗底部（標(biāo)高為-100～150 m），往四周逐漸擴(kuò)散的以地采空間為中心的降落漏斗，其形狀與地下開采工程布置和地表地形呈一定相關(guān)性。邊坡下潛水位比單獨(dú)露天開采可降低25～200 m，地下開采區(qū)域直接上部降落最大，處于露天境界底部西南，呈漏斗狀向四周遞減。

2.2 現(xiàn)場調(diào)查

2021年 5月，露天境界開采坑底標(biāo)高為+484 m，露天境界設(shè)計封閉圈為+532 m，已進(jìn)入凹陷開采階段。

礦山現(xiàn)場水文地質(zhì)調(diào)查顯示，露天境界邊坡總體呈干燥狀態(tài)，露天坑底無積水，生產(chǎn)爆破炮孔內(nèi)無積水，地采-100 m以上無承壓水。定性判斷地下開采的持續(xù)排水對露天境界地下水形成了疏干效應(yīng)，地下水位下降明顯，與研究結(jié)果基本相符。

模擬計算與實證調(diào)查表明，露天地下聯(lián)合開采大幅降低了露天開采地下水潛水面高度，提高了邊坡穩(wěn)定性和本質(zhì)安全度，同時大幅降低了礦山生產(chǎn)排水費(fèi)用，充分利用了礦體厚度和地形條件，為后續(xù)邊坡穩(wěn)定性計算及其優(yōu)化提供了較為客觀的依據(jù)，為類似條件的礦山探索了更優(yōu)的開采方式。

3 結(jié)論

（1）3種條件下礦山滲流場對比分析表明，露天地下聯(lián)合開采模式下，地下開采大幅降低了露天邊坡下方潛水面高度，形成以地采區(qū)域為中心的地下水降落漏斗，對露天邊坡下部地下水有良好的預(yù)疏干效應(yīng)；

（2）露天地下聯(lián)合開采的應(yīng)用，消除了地下水對露天邊坡巖體的軟化效應(yīng)，提高邊坡巖體強(qiáng)度20%～60%，降低或消除了邊坡內(nèi)靜水及動水壓力，提高了邊坡穩(wěn)定性和礦山本質(zhì)安全度，為后期露天境界優(yōu)化提供了條件；

（3）大幅節(jié)約截排水系統(tǒng)工程費(fèi)用和礦體開采整體排水費(fèi)用，大幅提高了礦山開采效率和經(jīng)濟(jì)效益；

（4）地下開采期間，持續(xù)的排水在露天開采區(qū)域形成持續(xù)下降，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的地下水降落漏斗，使露天采場區(qū)域處于無水環(huán)境，邊坡巖體處于干燥狀態(tài)，大幅改善了露天礦的生產(chǎn)作業(yè)條件。