非煤礦山地下水害防治

王 軍

礦山水害概況

礦區(qū)水害是與瓦斯、煤塵等并列的礦山主要災(zāi)害之一。受地質(zhì)條件和礦山開采歷史等客觀因素的影響,我國礦區(qū)水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜, 無論是受水害威脅的面積、類型,還是水害威脅的嚴(yán)重程度,都是世界罕見的。地表水、老空水、沖積層水、巖溶水等各種類型的水害樣樣俱全,各區(qū)域礦井均存在不同類型水害的威脅。其中:華北地區(qū)以老空水、頂?shù)装鍔W灰水害為主;華東地區(qū)以沖積層水、頂?shù)装鍘r溶水害為主;華南地區(qū)以地表水、老空水、溶洞水害為主;其他地區(qū)以老空水害為主。

長期以來,因?yàn)榈V區(qū)水害而造成的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失極為慘重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),在過去的20多年里,全國有250多個(gè)礦井被水淹沒,死亡1700多人,經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)350多億元人民幣。

例如1999年7月12日,山東省萊蕪市谷家臺(tái)鐵礦-100m水平28A穿脈發(fā)生透水事故,導(dǎo)致礦井被淹,29人死亡。此次透水事故主要是裂隙與上部奧灰水導(dǎo)通所致。2001年7月17日3時(shí)40分,廣西自治區(qū)南丹拉甲坡礦9號(hào)井在實(shí)施2次爆破后,標(biāo)高-166m平巷的3號(hào)作業(yè)面與鄰近恒源礦最底部-167m平巷的隔水巖體產(chǎn)生脆性破壞,大量高壓水從恒源礦涌出,淹及拉甲坡礦3個(gè)工作面,以及相鄰的龍山礦2個(gè)工作面、田角鋅礦1個(gè)工作面,致使81人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失9000余萬元。事故的直接原因是拉甲坡礦非法開采,亂采濫挖,違章爆破,破壞了厚度較薄的隔水巖柱,致使旁邊恒源礦的老窯積水短時(shí)間內(nèi)大量涌出。

近年來,隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)強(qiáng)度加大和一些集體、個(gè)人小型礦山企業(yè)數(shù)目增加等原因,礦井突水事故頻繁發(fā)生。

這些水害事故破壞性大,突發(fā)性強(qiáng),往往導(dǎo)致大量人員傷亡,即使沒有造成人員傷亡, 礦井水害事故也具有搶險(xiǎn)救援難度大、經(jīng)濟(jì)損失大、礦井恢復(fù)生產(chǎn)周期長、恢復(fù)生產(chǎn)期間安全隱患多等特點(diǎn)。

山東省萊蕪市谷家臺(tái)鐵礦1999年“7·12”透水事故后,礦山至今不能恢復(fù)生產(chǎn);湖北陽新縣鵬凌銅礦2004年“6·16”突水事故后,礦山至今也不能恢復(fù)生產(chǎn)開采。因此,礦井水害已成為影響非煤礦山安全生產(chǎn)的重大問題之一。

礦山水害防治技術(shù)

礦山水害防治方法一般分為3種,即疏、堵、避,實(shí)際應(yīng)用中往往采用一種方法為主、其他方法為輔的綜合防治方案。具體來說,礦山水害防治首先應(yīng)深入掌握礦區(qū)水文地質(zhì)條件,在此基礎(chǔ)上,遵循先簡單、后復(fù)雜,先地面、后井下、層層設(shè)防的原則,開展礦山水害防治。對(duì)于各種可能涌入礦坑的地表水,應(yīng)采取地面防水措施;為防范突水淹井,應(yīng)采取井下防水及探放水措施;為保證安全順利開采,坑內(nèi)一般以疏為主,并盡量在淺部將地下水?dāng)r截;在水文地質(zhì)條件適宜、經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件允許時(shí),應(yīng)優(yōu)先采取帷幕注漿方案。

1.地面帷幕注漿堵水新技術(shù)

地面帷幕注漿的主要原理是在礦區(qū)主要進(jìn)水方向采用系列鉆孔注漿的方法,用一定的壓力將漿液材料壓到含水層的巖溶裂隙中,經(jīng)固結(jié)后減少裂隙的體積和過水?dāng)嗝?以截?cái)嗟叵滤M(jìn)入礦坑的補(bǔ)給源。

地面帷幕注漿堵水要求礦區(qū)平面上具有清晰的水文地質(zhì)邊界,進(jìn)水方向清楚,在平面和垂直方向上具有帷幕注漿的客觀條件。帷幕內(nèi)輔以疏干排水,可完全消除井下重大突水事故,達(dá)到礦山安全生產(chǎn)條件,保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全;帷幕注漿堵水又可大幅度減少礦坑涌水量,為礦山取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益,帷幕注漿堵水投資一般四五年內(nèi)即可收回;帷幕注漿堵水還可保護(hù)礦山地質(zhì)環(huán)境,大幅度減少甚至避免地面巖溶塌陷;帷幕注漿堵水還能保護(hù)礦區(qū)寶貴的地下水資源,這在一些缺水的地區(qū),作用及意義更加突出。

安徽省銅陵市新橋礦業(yè)有限公司是一個(gè)坑露聯(lián)合開采的巖溶大水大型多金屬硫化礦床,礦區(qū)被分為東西兩翼,東翼水文地質(zhì)條件復(fù)雜,每天涌水量預(yù)計(jì)達(dá)5萬m3以上。新橋礦礦體的頂板為巖溶發(fā)育的棲霞灰?guī)r含水層,以前曾多次發(fā)生大的突水事故,并伴隨著地面塌陷和開裂,致使河水倒灌礦坑,河流斷流,礦區(qū)公路、鐵路、農(nóng)舍、地質(zhì)環(huán)境被毀,礦農(nóng)矛盾激烈。為了解決東翼地下水害問題,新橋礦于1992年與長沙礦山研究院聯(lián)合成立了攻關(guān)課題組。

技術(shù)攻關(guān)小組采用了分區(qū)不等距大孔距布孔法和高速高效輸料粉碎攪拌制漿工藝,通過數(shù)值模擬技術(shù),優(yōu)化帷幕線設(shè)計(jì)及布置注漿孔,在新橋礦塌陷和開裂地帶大規(guī)模應(yīng)用了塑性強(qiáng)度高、抗沖刷稀釋能力強(qiáng)、價(jià)格低廉的改性黏土漿。目前,新橋礦塌陷和開裂地帶堵水率已高達(dá)77.96%,帷幕內(nèi)外水位差高達(dá)40.6m,有效解決了新橋礦地下水害問題。

湖北省大冶市大紅山銅鐵礦床也是一個(gè)水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶充水礦床,礦區(qū)緊鄰大冶市,地面建筑物眾多,民房、選廠、農(nóng)田、魚塘遍布礦區(qū),礦區(qū)周邊還有鐵路、公路、大冶湖、大冶市六中。2003年4月11日,大紅山礦井下-160m曾發(fā)生突水,引發(fā)了較大范圍、較大規(guī)模的地面塌陷,大量魚塘、農(nóng)田被破壞,武九鐵路復(fù)線路基塌陷(現(xiàn)已改線),并向市六中逼近(相距已不足100m),威脅到六中3000名師生的安全。當(dāng)?shù)卣按蠹t山礦經(jīng)過多次會(huì)議討論,確定委托長沙礦山研究院對(duì)其進(jìn)行水害防治。

防治小組綜合考慮了大紅山礦水文地質(zhì)條件和開采后留有大量廉價(jià)尾砂、水洗砂等實(shí)際情況,研究提出了大溶洞、高水頭條件下采用廉價(jià)的尾砂、水洗砂混合漿液注漿的技術(shù),并組織專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行帷幕注漿施工。采用帷幕注漿堵水技術(shù)后,大紅山礦的堵水率已達(dá)82%,帷幕內(nèi)外水位差高達(dá)80m以上,帷幕外側(cè)不再發(fā)生地面塌陷,礦區(qū)深部及淺部礦體也可得到安全回采,不再受到地下水威脅。

2.控制疏干技術(shù)

控制疏干技術(shù)主要通過控制礦坑內(nèi)水位降落漏斗現(xiàn)狀,在保證井巷開拓及采礦工程安全進(jìn)行的前提下,盡量不排、少排或晚排地下水,達(dá)到預(yù)防突水淹井、減少排水費(fèi)用、保護(hù)地下水資源及控制地面塌陷等目的?？刂剖韪杉夹g(shù)主要通過超前探水、降壓疏干、注漿堵水及物理探測等綜合手段來實(shí)現(xiàn),是傳統(tǒng)疏干技術(shù)的一大發(fā)展。三山島金礦、安慶銅礦等即采用該項(xiàng)技術(shù),獲得了成功。

3.地面塌陷防治技術(shù)

地面巖溶塌陷是巖溶礦山疏干排水引發(fā)的普通地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象,危害較大,甚至直接影響到礦山的生存。其防治原理主要是消除產(chǎn)生巖溶塌陷的基本條件,即減少礦坑排水量、攔截主要導(dǎo)水通道或封閉隱伏巖溶洞口。

近年來,通過對(duì)安慶銅礦、凡口鉛鋅礦、下告鐵礦等礦區(qū)巖溶塌陷的防治研究,長沙礦山研究院已摸索出了一套塌陷防治措施,其主要措施有:①塌陷的綜合預(yù)防,②塌洞口封閉,③塌洞埋管回填注漿,④塌陷區(qū)注漿,⑤修筑高噴樁基礎(chǔ)的人工河床,⑥高噴樁拱體封閉塌洞口,⑦隱伏土洞預(yù)先治理。

4.井下頂板帷幕注漿技術(shù)

井下頂板帷幕注漿技術(shù)是地面帷幕注漿技術(shù)向井下的延伸,其主要原理是采用系列鉆孔在礦體頂板注入大量漿液,以形成人工隔水層,切斷地下水對(duì)礦坑的補(bǔ)給通道。該項(xiàng)技術(shù)具有節(jié)約排水費(fèi)用、保護(hù)地下水資源、保護(hù)地質(zhì)環(huán)境及不浪費(fèi)礦產(chǎn)資源等顯著優(yōu)點(diǎn),具有廣泛的推廣價(jià)值。其適用條件是:礦體相對(duì)集中、緊接強(qiáng)含水層。山東萊蕪業(yè)莊鐵礦、萊新鐵礦即采用該項(xiàng)技術(shù),均獲得成功。

5.深井淹井注漿治理技術(shù)

深井淹井注漿治理技術(shù)的主要原理是采用注漿方法封堵突水源,其主要有3種類型:一種是先拋碴注漿,再進(jìn)行工作面預(yù)注漿;一種是從地面進(jìn)行井筒帷幕注漿;另一種是從地面采用高精度定向鉆孔封堵突水點(diǎn)。3種方法主要根據(jù)井深、含水層埋藏深度,以及富水性、井內(nèi)設(shè)施、工期要求等方面綜合確定。高峰錫礦、冬瓜山銅礦、糧薦橋鉬礦、白象山鐵礦等采用了深井淹井注漿治理技術(shù),已成功治理了突水淹井事故。

我國幅員遼闊,灰?guī)r分布廣,巖溶礦床在分布的廣度、問題的多樣性、涌水量的大小、突水危害的程度等方面,在世界上均是最復(fù)雜的。巖溶礦山特別是大水礦山,往往表現(xiàn)出多種水害形式,從國內(nèi)外礦山水害防治發(fā)展趨勢看,應(yīng)走綜合防治道路,在經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件允許時(shí),應(yīng)盡可能采用帷幕注漿堵水為主的防治水措施,達(dá)到消除井下突水、保護(hù)地下水資源、控制地面塌陷的根本目的。若難以采用帷幕注漿技術(shù),則可因地制宜,采用控制疏干、井下礦體頂板帷幕、塌陷防治等技術(shù),重點(diǎn)解決礦山面臨的主要水文地質(zhì)、工程地質(zhì)問題。

編輯 余茂君