礦山開采水害治理技術(shù)研究

王瑞強 韓竹東 樂應(yīng) 吳田勇

摘 要：針對凡口礦長期以來疏干排水導致的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境破壞、塌陷回填、土地復(fù)墾、排水等費用高昂等問題，以及為確保礦產(chǎn)資源安全開采，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給，堵水率達到了68.35% ，有效的保障了礦山長期可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：涌水;帷幕注漿;礦山防治水;安全開采

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.29.102

0 引言

在以往水害治理過程以及對理論知識的研究中，相關(guān)工作者針對不同類型水害的防治進行了探索。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)在我國多個礦山建設(shè)中推廣應(yīng)用。王立生在針對瓜山銅礦的強涌水災(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實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例，選用合適的帷幕注漿施工工藝及各項參數(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，長期的疏干排水嚴重破壞了礦區(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)的開采環(huán)境并確保礦產(chǎn)資源的安全開采，實現(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，厚度達千余米，礦床上部普遍被石炭系中上統(tǒng)壺天群強巖溶含水層覆蓋。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，褶皺組發(fā)育為近南北和東西向次一級褶曲，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，局部傾角較大，可達60°～70°。

礦區(qū)主要含水層為：石炭系壺天群巖溶溶洞強含水層，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200余米。富水性中等，淺部（約50m標高以上）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)長期的監(jiān)測資料分析，礦坑主要的進水通道有：

（1）介于F4斷層至F5斷層之間的金星嶺南部進水通道，主要以南面為進水方向，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)測點水質(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水通道，該通道同樣以南面為主要的進水方向，涌水量相對較小，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）金星嶺北部進水通道，以正東向為主要進水方向，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，周邊無明顯塌陷區(qū)。

2 帷幕方案設(shè)計

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水通道及獅嶺南部進水通道，同時為確保將來礦區(qū)金星嶺南部礦體及部分東礦帶的安全開采，經(jīng)過調(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，東北端進入CK48（長期水文觀測孔）高水位區(qū)。帷幕設(shè)計全長為1670m，實際帷幕軸線長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到標高85m，接近第四系底板，但實際上，第三段帷幕施工結(jié)束后，幕外局部水位已達標高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)適當加深，可進入完整天子嶺地層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)計在標高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，實際施工時，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)計帷幕厚度：10m。

（5）鉆孔孔徑：開孔孔徑≮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)外地下水位觀測成果分析

根據(jù)礦方提供的地下水位觀測資料，分別取帷幕線內(nèi)外鉆孔水位進行對比，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，帷幕外側(cè)水位隨著帷幕注漿施工不斷推進，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，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

井下排水是驗證帷幕堵水效果最直接的參數(shù)，2007年帷幕施工開始，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年各月份排水量進行統(tǒng)計，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?。磕晖冢S著帷幕的不斷推進，凡口礦帷幕注漿工程的截流效果逐漸體現(xiàn)。以每年8、9、10三個月平均排水量進行統(tǒng)計，帷幕前其平均值為86.7噸/月，2013年主要過水通道封堵以后，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800～1000m。塌陷發(fā)生的區(qū)域、規(guī)?？s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，從2002～2007年年平均塌陷總數(shù)100個，至2013年塌陷總數(shù)為33個，減少率達67%。塌陷產(chǎn)生的頻率、規(guī)模及其對環(huán)境的影響程度大幅度減小，產(chǎn)生的區(qū)域也相對集中在幕外地下水流場變動帶內(nèi)，沿地下水流自西向東呈帶狀分布。避免了因地面塌陷對村民及村政設(shè)施產(chǎn)生破壞，有效保護了寶貴的耕地資源，農(nóng)田復(fù)耕、土地復(fù)種，周邊村民的生產(chǎn)經(jīng)營及生活不受影響，礦農(nóng)關(guān)系得到改善。同時節(jié)約了大量的塌陷治理費用。

4 結(jié)論

（1）隨著帷幕的施工，帷幕外水位明顯上升，均超過85m，達到設(shè)計要求，降落漏斗大幅回縮，進水通道明顯減小，井巷排水量也大幅下降，堵水率達到68.35%，超過設(shè)計值60.7%，說明帷幕的施工質(zhì)量好，達到了預(yù)期的堵水效果。

（2）通過實施帷幕注漿技術(shù)，有效的遏制了水害對該凡口礦的威脅，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)濟效益，同時該帷幕注漿工程的成功實施對類似條件工程施工提供了借鑒。

參考文獻

[1]葛家德，王經(jīng)明.疏水降壓法在工作面防治水中的應(yīng)用[J].煤炭工程.2007，（08）：63-65.

[2]王軍.礦山地下水害防治技術(shù)新進展[J].采礦技術(shù)，2002，（03）：55-58.

[3]李彩惠.帶壓開采防治水技術(shù)及研究方向[J].煤礦開采，2010.

[4]王立生.帷幕注漿法在冬瓜山銅礦的應(yīng)用[J].金屬礦山，2008.

[5]徐加夫.鐵礦床開采井下近礦體帷幕注漿技術(shù)及應(yīng)用[J].中國礦業(yè)，2012.

[6]徐磊，李飛，辛小毛.近礦體帷幕注漿在某大水礦山的應(yīng)用[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2015.

[7]李建文.帷幕注漿技術(shù)在檸條塔煤礦水害治理中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2016.

[8]鄺健政.協(xié)作組巖土注漿理論與工程實例.巖土注漿理論與工程實例[M].北京： 科學出版社，2001.