川南巖溶區(qū)某硫鐵礦礦井涌水封堵治理可行性分析

摘要：近幾年，川南巖溶區(qū)積極開展硫鐵礦礦井涌水治理，但由于缺少封堵可行性的分析方法，只能依托某硫鐵礦礦井涌水治理勘察項目，從巖性構造、地下水類型、補徑排特征等礦區(qū)地質條件，初步論證礦井涌水封堵的可行性。為進一步評價封堵可行性，計算出某硫鐵礦的蓋層突水系數(shù)為0.04，小于突水臨界系數(shù)0.06，又算得閘墻防滲安全系數(shù)為0.13，小于臨界防滲安全系數(shù)0.60，再次論證了研究封堵的可行，同時分析方法充分利用了勘察成果，且判別公式和臨界值有一定依據(jù)，所得結論較為可靠。

關鍵詞：硫鐵礦；酸性礦井涌水；封堵；突水系數(shù)；防水閘墻

基金項目：2023年四川省天晟源環(huán)保股份有限公司立項項目“喀斯特地區(qū)酸性礦山廢水治理技術研發(fā)”（kyxm-2023-008）

引言

川南巖溶區(qū)硫鐵礦的長期開采給周邊環(huán)境帶來了嚴重污染，硫鐵礦污染治理迫在眉睫[1]。針對硫鐵礦礦井排泄出的高酸性廢水，川南地區(qū)主要采用礦井封堵和風險管控的措施，取得良好治理效果。但如果封堵地層裂隙多、巖溶發(fā)育或蓋層薄弱，礦井封堵后則可能發(fā)生礦井涌水滲漏，導致治理效果變差。

目前，硫鐵礦污染治理研究主要對礦山地質環(huán)境現(xiàn)狀和問題進行分析論述，缺少治理措施的選擇評價[2]。付政麗[3]建立了硫鐵礦污染治理定量評價指標體系，但未能對酸性涌水治理提出評價方法。盧莉等[4]分析了硫鐵礦廢水形成機理和特點，提出了加堿中和、生物－化學等礦坑水處理辦法，指出提高pH和隔氧是治理關鍵。楊柱等[5]分析了黃屯硫鐵礦的水文地質特征和充水因素，提出了地面帷幕注漿堵水的防治對策，預測對涌水有很好的減量效果。

綜合而言，目前對硫鐵礦礦井涌水封堵治理的可行性研究較少，需要一種評價方法來為前期治理方案選擇提出依據(jù)。本文在川南巖溶區(qū)某硫鐵礦勘察基礎上，從礦區(qū)地質條件初步評價了礦井封堵可行性，進而采用蓋層突水系數(shù)和閘墻防滲安全系數(shù)來定量評價封堵效果，可為川南巖溶區(qū)硫鐵礦礦井涌水封堵可行性評價做參考。

1礦區(qū)概況

川南巖溶區(qū)某硫鐵礦位于四川省宜賓市珙縣，開采標高+794～+650m，礦山采用“平硐＋暗斜井”開拓方式。礦井通達地面的井硐有3個，即+725m主井、+675m副井及+796m風井。礦井洞口已做了簡易封隔，僅+675m副井有黃矸水流出，涌水量約100～200m3/d，因此+675m副井巷道是封堵后水壓最大段，其封堵效果決定了整個硫鐵礦井巷的封堵可行性。

礦區(qū)位于楊子準地臺區(qū)，以平緩褶皺為主，斷裂少，屬較穩(wěn)定地塊。丘陵地貌，東南高，西北底，礦區(qū)相對高差約為600m。礦區(qū)在洛浦河北側約2km，匯集的地表水和地下水最終匯入洛浦河中。礦區(qū)洞口周邊未發(fā)現(xiàn)不良地質作用。

2封堵治理可行性初步研究

2.1 地層巖性與分布

根據(jù)地面調查和鉆孔揭露，礦區(qū)圍巖有二疊系上統(tǒng)宣威組一至二段（P2x1-2）粘土巖和泥質砂巖以及二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）灰?guī)r。

宣威組強風化帶粘土巖裂隙率很大，透水率在50Lu以上，而微風化粘土裂隙不發(fā)育，透水率在1Lu左右。泥質砂巖屬粘土巖夾層，質較硬，巖體較完整，裂隙較發(fā)育，透水率約8～15Lu。由此可知，以宣威組微風化粘土巖作為隔水巖層是合適的。

茅口組中風化灰?guī)r巖體裂隙較發(fā)育，透水率約2～5Lu。微風化灰?guī)r裂隙發(fā)育一般，溶洞不發(fā)育，透水率小于1Lu。+675m副井前500m巷道圍巖均是灰?guī)r，離洞口約120m后為微風化灰?guī)r，因此在120m后封堵是可行的。+675m副井巷道地質剖面如圖1所示。

2.2 地質構造

礦區(qū)處于珙長背斜南西翼，地層呈單斜產(chǎn)出，傾角15～25°，沒有大中型斷層，因而導水斷層通道少。礦區(qū)內(nèi)巖體主要發(fā)育2組節(jié)理，灰?guī)r節(jié)理面多為鈣質充填，屬不透水結構面。

2.3 地下水類型及富水性

礦區(qū)地下水可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水及基巖裂隙水3大類。松散巖類孔隙水分布于殘坡積中，地層薄，富水性差，不是礦井主要來水。基巖裂隙水主要分布于宣威組泥質砂巖中，屬粘土巖夾層，厚度薄，但地下水能在局部裂隙發(fā)育處流入采空區(qū)內(nèi)，是礦井涌水的重要來源。副井巷道地下水埋深大于80m，不存在底板突水，因此封堵條件較好。

2.4 地下水補給、徑流、排泄條件

礦區(qū)主要在分水嶺附近接受大氣降水補給。地下水先透過較薄的第4系殘坡積地層，再滲入到宣威組砂泥巖裂隙網(wǎng)絡中，然后沿著層間或豎向裂隙向下徑流。若未流入采空區(qū)和巷道內(nèi)，地下水將滲入下伏的茅口組灰?guī)r裂隙或溶洞中，最終以泉或者隱伏方式泄流入溝谷中；若流入采空區(qū)和巷道內(nèi)，將形成礦井涌水涌出。由此可見，若將礦井封堵，地下水將回歸原來的徑流途徑。

3蓋層和閘墻封堵可行性研究

目前，對于硫鐵礦礦井涌水封堵可行性的研究很少，沒有現(xiàn)成的分析方法可以借鑒，因此本文借用煤礦突水、涌水風險性評價方法來對其進行研究。經(jīng)過勘察，某硫鐵礦礦井封堵后可能發(fā)生滲漏的地方主要有2處，一是井巷采空區(qū)內(nèi)水壓增大，水通過頂板蓋層的裂隙通道向外滲出地面；二是水壓增大后，水徑防水閘墻外側圍巖滲出到外側井巷中。因為這2處都有可能發(fā)生滲漏，所以需要分別進行可行性分析。

3.1 蓋層封堵可行性

對于頂板蓋層滲漏的情況，與煤礦底板突水情況相近，故可比照突水系數(shù)法來進行評價[6]。硫鐵礦涌水突水系數(shù)法如式（1）所示。

式中 T—突水系數(shù)，MPa/m；P—井巷封堵水體的水頭值（水壓從隔水層底界面起算，水位值取井巷可能上升的最高值），MPa；M—井巷上部有效隔水層厚度，m。

依據(jù)《煤礦防治水細則》（2018年6月出版），頂板蓋層的突水系數(shù)臨界值可取0.06MPa/m，進行各參數(shù)取值分析。

3.1.1井巷封堵水體的水頭值P

某硫鐵礦井巷封堵后，涌水位最高可能上升到+796m風井強風化層底端，預計最大水位高差152m，因而封堵水體的水頭值P為1.49MPa。

3.1.2井巷上部有效隔水層厚度M

在硫鐵礦礦井涌水封堵中，不存在繼續(xù)開采問題，故應考慮采礦造成的冒落帶和導水裂隙的影響。另外，硫鐵礦頂板存在強風化層，不能有效隔水。同時，頂板隔水層厚度除應扣除冒落帶厚度和導水裂隙帶高度外，還應扣除強風化層厚度。依據(jù)本次勘察，+675m副井巷道頂板冒落帶位于灰?guī)r中，不用重復扣除，導水裂隙帶上界深入粘土巖底板7.6m，強風化層厚度7.4m，隔水層總厚度50.9m，故井巷上部有效隔水層厚度M為35.9m。

3.1.3計算結果

根據(jù)計算結果，某硫鐵礦+675m副井巷道蓋層突水系數(shù)T為0.04，小于0.06，因此蓋層突水的可能性較小，封堵是可行的。

3.2 防水閘墻封堵可行性

3.2.1評價公式

隋旺華[7]論述了煤礦防水閘墻圍巖的抗?jié)B安全系數(shù)計算方法，由于煤礦和硫鐵礦井巷防水閘墻滲透破壞的機理相同，因此可以參照運用。硫鐵礦巷道防水閘墻抗?jié)B安全系數(shù)評價如式（2）所示。

式中 m—圍巖導水通道貫穿系數(shù)；k—圍巖滲透率，um2；L—防水閘墻沿巷道軸向的長度，m；KV—圍巖巖體完整性系數(shù)。

杭遠[8]統(tǒng)計了防水閘墻漏水情況，統(tǒng)計出臨界防滲安全系數(shù)可取0.6，即FS≥0.6，防水閘墻失效，反之則有效。

3.2.2圍巖導水通道貫穿系數(shù)m取值

圍巖導水通道貫穿系數(shù)m與墻體圍巖滲透失穩(wěn)破壞的導水通道有關，有3種可能的導水通道，分別是防水閘墻與圍巖的交界面、防水閘墻與圍巖的導水斷層、防水閘墻與圍巖的導水裂隙。經(jīng)過勘察，防水閘墻段圍巖沒有導水斷層，因此只對防水閘墻與圍巖的交界面、防水閘墻與圍巖的導水裂隙2種導水通道的m值進行分析。

3.2.2.1防水閘墻與圍巖的交界面

按照設計文件，某硫鐵礦的防水閘墻類型為圓柱形，防水閘墻長度主體段7m，兩側加固段23m，交界面總長度與防水閘墻主體段長度之比為1.1，水壓1.49MPa。根據(jù)表1選取導水通道貫穿系數(shù)，為保障評價結果更加安全，多項指標對應不同級別的貫穿系數(shù)時取最大一級的系數(shù)，故導水通道貫穿系數(shù)可取7。

3.2.2.2防水閘墻與圍巖的導水裂隙

根據(jù)現(xiàn)場調勘察，圍巖巖性為微風化灰?guī)r，穩(wěn)定級別屬較穩(wěn)定，中硬，松動圈厚度180cm，水壓1.49MPa，巷道寬度2.55m。根據(jù)表2，導水通道貫穿系數(shù)可取6。

3.2.3計算結果

根據(jù)上述分析結果和本次調勘察，圍巖導水通道貫穿系數(shù)m可取7，圍巖滲透率k為0.10μm2，水閘墻沿巷道軸向的長度L為30m，圍巖巖體完整性系數(shù)KV為0.55，代入公式可得FS為0.13，小于0.6，因此防水閘墻封堵是可行的。

結論

川南巖溶區(qū)某硫鐵礦副井巷道圍巖為中、微風化灰?guī)r，其裂隙、巖溶少，透水性小，區(qū)內(nèi)無大中型斷層分布，巷道涌水主要來自頂板以上，不存在底板突水，從地質條件可定性評價本次封堵治理是可行的。建立硫鐵礦礦井涌水封堵可行性的定量分析方法，得出本次封堵蓋層和防水閘墻發(fā)生突水或滲透的可能性小，封堵治理可行性高；同時，該封堵治理可行性分析方法充分利用了勘察成果，所需數(shù)據(jù)常規(guī)易得，判別公式和臨界值有一定依據(jù)，結果是可信的。

參考文獻

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[2] 楊濤，朱承斌.硫鐵礦礦山地質環(huán)境破壞問題及工程治理對策[J].四川地質學報， 2014，34 （S2）：178-182.

[3]付政麗.硫鐵礦開采中礦山地質環(huán)境治理措施及效果評價分析[J].能源與環(huán)保， 2022，44（02）：60-65.

[4]盧莉，鞠澤青.硫鐵礦礦坑廢水的處理現(xiàn)狀與進展[J].礦業(yè)工程，2005，3（05）：51-53.

[5]楊柱，王軍，李林貴，等.黃屯硫鐵礦水文地質特征及防治水對策[J].有色金屬（礦山部分），2014，66（05）：47-61.

[6]隋旺華.礦山采掘巖體滲透變形災變機理及防控Ⅱ：底板突水[J].工程地質學報， 2022，30 （06）：1849-1866.

[7]隋旺華.礦山采掘巖體滲透變形災變機理及防控Ⅲ：防水閘墻圍巖[J].煤炭科學與技術， 2023，51（07）：36-43.

[8]杭遠.煤礦水閘墻圍巖滲流機理及失穩(wěn)判據(jù)[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2017.

作者簡介

徐付橋（1989—），男，漢族，安徽樅陽人， 工程師，碩士，研究方向為水工環(huán)地質。

通信作者

曹瓏騰（1991—），男，漢族，四川珙縣人，工程師，大學本科，研究方向為地下水和土壤環(huán)境研究及管理。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-12