金屬礦山底板涌水災(zāi)害治理方案研究

付 財

（河南豫中地質(zhì)勘察工程公司，河南 鄭州 450000）

金屬礦山底板涌水的主要原因是礦山在開采挖掘過程中破壞了地下含水層結(jié)構(gòu)，致使周圍淺層地下水動力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生改變和破壞，導(dǎo)致礦山周圍淺層地下水體所存儲的水能量以流體高速轉(zhuǎn)移形式瞬間釋放，從而產(chǎn)生一種水動力破壞的現(xiàn)象[1]。據(jù)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，金屬礦山底板涌水是礦山開采過程中最嚴(yán)重、最容易發(fā)生的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害之一，一旦發(fā)生金屬礦山底板涌水災(zāi)害，不僅僅會影響金屬礦山采礦效率，提高金屬礦山開采成本，最重要的是會造成較為嚴(yán)重的安全問題。金屬礦山底板涌水災(zāi)害形成和發(fā)生需要具備以下幾個條件，一是金屬礦山開采活動損壞能涌水儲水的礦山地質(zhì)構(gòu)造；二是金屬礦山施工開挖、強降雨等因素的干擾激活條件；三是金屬礦山周圍淺層地下水動力條件和含水圍巖的能量釋放條件；四是金屬礦山底板涌水的動態(tài)變化特征等[2]。由于金屬礦山底板涌水災(zāi)害頻發(fā)，引起了對金屬礦山施工及運營期間底板涌水災(zāi)害治理的高度重視，但因目前對于該方面研究條件和技術(shù)設(shè)備能力的制約，金屬礦山底板涌水災(zāi)害治理技術(shù)和方案的研究始終處于摸索階段，與其相關(guān)的治理方案、治理理論、治理方法以及治理技術(shù)未獲取實質(zhì)性的突破和進展，所以此次提出對金屬礦山底板涌水災(zāi)害治理方案進行研究，綜合考慮金屬礦山底板涌水災(zāi)害治理施工、技術(shù)、成本以及效果等多重因素，提出一個有效的、科學(xué)的底板涌水災(zāi)害治理方案，為金屬礦山底板涌水災(zāi)害治理提供理論和技術(shù)支持，此次課題的研究極具金屬礦山工程應(yīng)用價值，可為其它金屬礦山工程提供技術(shù)參考。

1 金屬礦山底板涌水災(zāi)害治理方案

考慮“綜合治理、徹底解決”的治理目的，本著“方案可行、技術(shù)可行、治理成效顯著”等方案設(shè)計原則，提出一個有效可行的金屬礦山底板涌水災(zāi)害治理方案：金屬礦山地表局部堵漏+中心排水溝擴容+底板結(jié)構(gòu)處治，如下圖所示。

該方案具有施工難度小、成本低、安全風(fēng)險低等優(yōu)點。

1.1 金屬礦山地表局部堵漏

根據(jù)待治理的金屬礦山底板涌水段水工環(huán)地質(zhì)勘查資料對礦山底板涌水量進行分析，了解金屬礦山底板涌水量以及涌水特征，以此為依據(jù)采取措施對金屬礦山地表局部進行堵漏[3]。由于引發(fā)金屬礦山底板涌水的因素較多，水資源滲漏為面狀匯集滲漏，給金屬礦山地表局部堵漏增加了難度，因此采用鉆孔注漿技術(shù)，實現(xiàn)金屬礦山安全回采，具體實施過程如下：

（1）在金屬礦山底板涌水區(qū)中心地面周圍平穩(wěn)處或者沖溝平緩區(qū)域布置適量的注漿孔，通過在孔內(nèi)注入水泥漿液來堵塞金屬礦山地下含水層底板水流的涌道，起到延緩和減小金屬礦山地下水的下滲。

首先利用鉆機鉆穿金屬礦山底板，根據(jù)該區(qū)域地質(zhì)勘查資料，確定鉆孔深度（通常情況下為10m～12m），以及鉆孔進入巖基深度（通常情況下為3m～4m），對礦山底板巖基裂隙以及底板破碎帶采用水泥沙漿封堵住礦區(qū)底板巖體裂隙[4]。由于不同注漿壓力狀態(tài)下巖體漿液擴散距離是不同的，具體情況如下表所示。

表1 不同注漿壓力狀態(tài)下不同巖體漿液擴散距離

為了確保金屬礦山底板構(gòu)造、巖溶空隙的全面充填封堵，注漿孔間距的設(shè)計不得小于單孔注漿擴散半徑，并且也不能大于1.5倍單孔注漿擴散半徑，所以注漿孔間距最好在75m～115m之間，通過鉆孔注漿在礦山底板基巖頂面形成一個止水結(jié)構(gòu)，起到堵水的作用。注漿管采用215x4鋼管，在注漿管頂頭4.5m～5.5m范圍內(nèi)預(yù)留注漿孔。

（2）對金屬礦山底板上方流水支溝及叉溝比較大的裂隙處注漿封堵。

（3）在金屬礦山底板較大面積的裂隙發(fā)育處進行水泥抹面。通過以上施工步驟實現(xiàn)對金屬礦山地表局部堵漏。

1.2 金屬礦山中心排水溝擴容

為了緩解金屬礦山地下水排水壓力，對金屬礦山回采區(qū)工作面中心排水溝進行擴容，幫助金屬礦山排水系統(tǒng)排水。以流體力學(xué)作為理論依據(jù)，估算出金屬礦山中心排水管的流水?dāng)嗝媾潘枨?，考慮到通常金屬礦山中心排水溝最大深度為1.5m，對原金屬礦山排水系統(tǒng)進行擴容優(yōu)化。

首先根據(jù)金屬礦山底板涌水量將金屬礦山中心排水溝槽進行加高，目前金屬礦山底板涌水量計算方法主要有水文地質(zhì)比較法、地下水動力法、數(shù)值估算法、非線性推理法等，不同的礦山水文地質(zhì)特征條件適用于不同的計算方法，為了確保底板涌水量計算精準(zhǔn)，結(jié)合其相關(guān)計算方法，根據(jù)待治理金屬礦山的水文地質(zhì)特征以及前期的勘查資料，其計算公式如下：

公式（1）中，Q為金屬礦山底板涌水量；K為金屬礦山地表滲透系數(shù)；L為金屬礦山水力坡降（根據(jù)經(jīng)驗，取L=1.5）；I為金屬礦山底板斷面長度；D為金屬礦山底板斷面寬度。根據(jù)底板涌水量的計算結(jié)果判斷其與礦山排水系統(tǒng)排水量預(yù)測值是否相符，根據(jù)《礦山給排水設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于礦山中心排水溝的水力計算公式如下：

公式（2）中，q為礦山中心排水溝過水?dāng)嗝?；s為排水溝排水速度，單位為m/s；d為排水溝水力半徑；g為排水溝水力坡度；h為礦山中心排水溝粗糙系數(shù)（通常為0.0015）；b為過水?dāng)嗝婷娣e；c為水面以下的過水?dāng)嗝媾c固體邊交界線的長度。如果礦山底板涌水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出金屬礦山排水系統(tǒng)排水能力，對金屬礦山中心排水溝槽高度進行加高，以此緩解和減小金屬礦山中心排水溝或者排水管的排水壓力。（2）將金屬礦山中心排水系統(tǒng)厚度增加，保證金屬礦山底板涌水穩(wěn)定排出。通過對金屬礦山中心排水溝擴容，即使在開采過程中出現(xiàn)底板涌水災(zāi)害，也會使涌出來的水通過排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定排出。

1.3 金屬礦山排水結(jié)構(gòu)處治

正常情況下，通過對金屬礦山地表局部堵漏以及礦山中心排水溝擴容兩項措施實施，即可解決金屬礦山底板涌水問題，但是為了徹底根治底板涌水災(zāi)害，在治理方案中增加了一項底板結(jié)構(gòu)處治，金屬礦山工作面出現(xiàn)涌水，使得礦山地下水底板結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重?fù)p毀，針對底板結(jié)構(gòu)具體水毀情況，對其處治過程如下：首先對于底板結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重的區(qū)域二次襯砌全部予以鑿除，利用混凝土重新施做礦山排水系統(tǒng)，在底板與含水層之間增加450HDKP排水半管，增強金屬礦山地下水排水能力。對于涌水不太嚴(yán)重的區(qū)域內(nèi)設(shè)350HDKP排水半管進行排水，并且將排水半管兩端用水泥漿液封閉，以此形成強度較高的密封體系，后采用15mm～20mm厚度的鋼板進行封蓋。由于金屬礦山底板涌水期間，礦山中心排水溝和排水管容易被泥沙封堵住，導(dǎo)致排水系統(tǒng)無法發(fā)揮出排水功能，所以最后要對金屬礦山排水結(jié)構(gòu)進行全面疏通和排查，以此保證金屬礦山底板涌水災(zāi)害得到有效治理。

2 結(jié)語

此次在查閱大量相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上，對金屬礦山底板涌水災(zāi)害治理進行研究，并提出一套有效可行的治理方案，對金屬礦山底板涌水災(zāi)害治理具有較高的應(yīng)用價值，由于此次研究時間以及個人能力有限，盡管對底板災(zāi)害后的綜合治理安全進行了分析和研究，但金屬礦山水文地質(zhì)情況千差萬別，底板涌水成因不同，所以在方案實際應(yīng)用過程中還需要結(jié)合具體情況，以此保證方案的實施效果。