峨口鐵礦南幫邊坡涌水災(zāi)害治理技術(shù)研究

劉慈光

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

峨口鐵礦南幫邊坡涌水災(zāi)害治理技術(shù)研究

劉慈光

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

為確定峨口鐵礦最優(yōu)治水措施，建立采場(chǎng)內(nèi)滲水治理措施的數(shù)值仿真模型，以降水率為控制指標(biāo)，系統(tǒng)分析各種措施在露天采礦動(dòng)態(tài)演化環(huán)境下的防治效果，得出如下結(jié)論：邊坡幾何形態(tài)、治水點(diǎn)位置對(duì)工程降水率影響效果顯著；通過(guò)對(duì)比分析帷幕注漿與鉆孔引導(dǎo)排水治水效果，鉆孔引導(dǎo)排水疏水降壓效果明顯優(yōu)于帷幕注漿，且最佳鉆孔鉆鑿位置為2號(hào)平臺(tái)。

露天坑；帷幕注漿;鉆孔排水；數(shù)值模擬

巖質(zhì)破碎邊坡體內(nèi)節(jié)理裂隙錯(cuò)綜復(fù)雜，其穩(wěn)定性較差。地下水及降雨等水流進(jìn)入邊坡體內(nèi)沖刷軟弱結(jié)構(gòu)面，邊坡維護(hù)工作面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。針對(duì)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(zāi)[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(dòng)式治水技術(shù)為代表，通過(guò)人工誘導(dǎo)工程疏水降壓，使保護(hù)區(qū)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(dòng)式技術(shù)為代表，通過(guò)注漿形成滲透性較低的地下工程隔離水體，保護(hù)關(guān)鍵區(qū)域[2-3]。

新橋硫鐵礦開展了復(fù)雜富水環(huán)境下注漿帷幕工程建設(shè)，封堵地下水徑流通道，成功控制地下水害[4]。田興鐵礦經(jīng)過(guò)方案比選，確定了注漿工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)施簡(jiǎn)單、施工管理容易、勞動(dòng)強(qiáng)度低的“靜水止?jié){墊”治水技術(shù)[5]。錦豐露天礦巖體破碎，邊坡穩(wěn)定性較低，通過(guò)修建地表排水溝和鉆孔泄水的排水措施，配合邊坡維護(hù)工程，實(shí)現(xiàn)了破碎深凹露天礦的陡幫開采[6]。治水方式的選擇與礦區(qū)水文地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)成本、生產(chǎn)效率等因素有關(guān)，針對(duì)山西太鋼集團(tuán)峨口鐵礦露天坑南幫邊坡滲水嚴(yán)重的問(wèn)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(shù)值模擬分析法優(yōu)化治水措施，確定最佳方案。

1 工程背景

太原鋼鐵集團(tuán)峨口鐵礦屬裂隙充水礦床，位于區(qū)域含水帶上，地下水主要賦存于裂隙和構(gòu)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(fā)達(dá)，地下水量豐富，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，揭露和未揭露的節(jié)理破碎帶、構(gòu)造斷裂帶、斷層等較多，加之長(zhǎng)期受露天采場(chǎng)爆破擾動(dòng)，使得礦區(qū)和外界構(gòu)成了較為緊密的水力聯(lián)系。歷經(jīng)幾十年開采，已完全改變了礦區(qū)地下水的賦存狀態(tài)，隨著露天采場(chǎng)即將閉坑轉(zhuǎn)入地下開采，勢(shì)必將進(jìn)一步改變地下水的賦存狀態(tài)，加大地下開采的難度。如圖1所示，部分工作平臺(tái)鉆機(jī)穿孔時(shí)鉆孔全部為水孔，鉆孔裝藥爆破受到嚴(yán)重制約，難以形成爆區(qū)。

圖1 工作平臺(tái)局部滲水點(diǎn)

經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算,滲水較為嚴(yán)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(dǎo)排水方案間確定一種高效防治水措施。通過(guò)設(shè)定數(shù)值模擬方案，以有限元分析軟件GeoStudio為技術(shù)手段，優(yōu)化防治水措施。

2 計(jì)算工況與模型構(gòu)建

2.1 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方案

以露天坑等高線為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立露天坑三維數(shù)字模型。選取南幫邊坡16組邊坡剖面完成前期涌水量預(yù)測(cè)仿真計(jì)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(shè)計(jì)全面實(shí)驗(yàn)方案完成疏水降壓模擬計(jì)算。

(1) 帷幕注漿。根據(jù)滲流理論及達(dá)西定理，滲流路徑及介質(zhì)滲透系數(shù)對(duì)滲流量及流速影響較為顯著。帷幕注漿工程中可通過(guò)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(shù)。全面實(shí)驗(yàn)方案各因素及相應(yīng)水平見表1。

圖2 露天坑南幫涌水量計(jì)算剖面位置

剖面號(hào)帷幕滲透系數(shù)K/(m/d)帷幕下邊界距最低平臺(tái)垂直距離/m注漿位置與最低平臺(tái)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(xiàn)有巷道作為排水通道，在露天坑平臺(tái)上鉆鑿與地下現(xiàn)有坑道相通的下向垂直深孔作為導(dǎo)水通道，將邊坡體內(nèi)水流引入地下坑道集中排放，進(jìn)而降低邊坡滲流量。鉆孔位置參數(shù)與帷幕注漿一致。

2.2 數(shù)值仿真模型構(gòu)建

根據(jù)露天坑開采地質(zhì)條件建立層狀分布數(shù)值仿真模型，材料參數(shù)見表2。

表2 南邊坡分層巖體飽和傳導(dǎo)率

模型自下而上劃分為一至五層(見圖3)，層內(nèi)視為各向同性材料，巖體滲透系數(shù)維持不變。左側(cè)根據(jù)鉆孔實(shí)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(jiān)測(cè)線。

圖3 數(shù)值仿真模型

3 疏水降壓效果分析

在仿真計(jì)算過(guò)程中，構(gòu)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(biāo)作為疏水降壓效果對(duì)比分析依據(jù)。

3.1 帷幕注漿

據(jù)表3可以看出，當(dāng)其他參數(shù)不變，帷幕滲透系數(shù)愈大，邊坡涌水量與其負(fù)相關(guān)；注漿位置及帷幕滲透系數(shù)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(shù)不變，注漿位置與右側(cè)坡面距離越遠(yuǎn)，邊坡涌水量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，說(shuō)明注漿位置改變了滲流路徑，并受邊坡幾何形態(tài)影響，涌水量變化相對(duì)較為復(fù)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(shù)下堵水效果維持在51.68%～64.28%之間。注漿平臺(tái)位置越低，注漿堵水效果普遍優(yōu)于高平臺(tái)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(qū)間內(nèi)，其中堵水效果較好的注漿位置為2號(hào)平臺(tái)。但其堵水率也不足40%，因此對(duì)于大涌水量坡面，注漿效果不是特別明顯。

3.2 鉆孔排水

據(jù)表4可得，當(dāng)鉆孔位置確定，鉆孔降水率與鉆孔深度呈正相關(guān)。對(duì)于剖面4，鉆孔深度不變，改變鉆孔位置，鉆孔降水率變化無(wú)明顯規(guī)律。此時(shí)，降水率受斷面幾何形態(tài)影響，不同位置鉆孔滲流路徑變化復(fù)雜，故降水率隨之改變；對(duì)于剖面13，鉆孔深度維持不變，鉆孔施工平臺(tái)越高，降水率呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。

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(qū)間內(nèi)，兩個(gè)剖面最大排水量對(duì)應(yīng)鉆孔均位于2號(hào)平臺(tái)，故最佳鉆孔施工平臺(tái)為2號(hào)平臺(tái)。

表3 帷幕注漿降水率

實(shí)驗(yàn)組別編號(hào)A-B-C-D含義：A-剖面編號(hào)；B-注漿平臺(tái)編號(hào)；C-帷幕下邊界距最低平臺(tái)垂直距離；D-帷幕滲透系數(shù)。

表4 鉆孔排水降水率

實(shí)驗(yàn)組別編號(hào)A-B-C含義與表3相同。

4 結(jié) 論

根據(jù)地下水的滲水和排堵水機(jī)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(xiàng)理論基礎(chǔ)、工程設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)工況三者互相協(xié)調(diào)的復(fù)雜系統(tǒng)工程。根據(jù)邊坡剖面位置選取研究對(duì)象，以降水率為控制指標(biāo)優(yōu)化治水措施，得出如下結(jié)論：

(1) 邊坡幾何形態(tài)、治水點(diǎn)位置對(duì)工程降水率影響效果顯著；(2) 通過(guò)對(duì)比分析帷幕注漿與鉆孔引導(dǎo)排水治水效果，鉆孔引導(dǎo)排水疏水降壓效果明顯優(yōu)于帷幕注漿，且最佳鉆孔鉆鑿位置為2號(hào)平臺(tái)。

[1]張 瑞,鄧紅衛(wèi),黃永紅,等.礦山水害鏈構(gòu)建及孕源斷鏈減災(zāi)途徑研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),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(xué),2010.

[3]盧 萍,侯克鵬.帷幕注漿技術(shù)在礦山治水中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(3):21-24.

[4]王澤群,章 林.復(fù)雜富水環(huán)境下帷幕注漿工程布設(shè)及工藝優(yōu)化[J].金屬礦山,2014(9):26-29.

[5]翟會(huì)超,南世卿,胡巍巍.田興鐵礦靜水止?jié){墊治水技術(shù)研究[J].有色金屬:礦山部分,2015,67(1):92-94.

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2017-02-17)

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