露天地下協同開采對礦山地下水滲流場的影響

蘇偉

(紫金礦業(yè)建設有限公司， 福建 廈門市 361000)

0 前言

紫金山金銅礦礦區(qū)屬中低山侵蝕山地地形，地形切割劇烈，地勢陡峻，地形自然坡度多在 25°～50°之間，礦區(qū)內最高點為+1138.13 m，東西兩側為河流所環(huán)繞，河流水面標高為+200 m，相對山頂高差+938.13 m。礦體呈“上金下銅”的產出模式。金礦體位于金銅礦復合體的上部，主要分布于隱爆角礫巖、脈狀英安玢巖及花崗巖中。金礦工業(yè)礦體周邊以低品位礦體相環(huán)繞，形成巨大的透鏡狀礦體。主礦體長為1900 m，寬為900 m，展布面積為1.71 km2，分布標高為+592～+1120 m；銅礦分布于金銅礦混合帶下部，由上下兩個部分共同組合成一個邊緣形態(tài)不規(guī)則的厚度巨大的銅礦體。分布于標高+600 m 以上地段的礦體規(guī)模小，礦化強度弱，而+600～+100 m標高區(qū)間的礦化范圍大、礦化強，形成礦床最大規(guī)模的礦體富集地段；在深部+100～-100 m標高銅礦體總體表現為厚度大、厚度相對較穩(wěn)定。

礦區(qū)地形中間高，四周低，已控制的金銅礦體分布標高為-100～+1120 m，根據技術經濟比較，+100 m以上礦體適合大規(guī)模露天開采，-100～+100 m之間礦體適合地下開采。

礦山主要巖性為花崗巖、英安玢巖，RQD指標值為41.56%～72.18%，單軸抗壓強度為18～56 MPa，采場邊坡主要巖體以Ⅱ、Ⅲ級巖組為主，局部Ⅳ、V級，巖石軟化系數為0.41～0.82。

由于礦山巖石對水環(huán)境較為敏感，地下水的存在會大幅降低巖體強度，進而降低露天邊坡的穩(wěn)定性，不利于露天礦山安全生產。因此，大幅降低露天采場邊坡內部的地下水位有利于提高邊坡巖體強度和最終邊坡穩(wěn)定性，是礦山最有效的安全控制方法，能夠大幅提高礦山本質安全度。同時，消除了露天礦山采場底部集水坑和排水管路，簡化了露天排水系統(tǒng)，提高了礦山經濟效益。

礦山經持續(xù)理論研究、實踐探索、多次技改，形成了露天地下協同開采的方式。按最終初步設計，-100～+100 m礦體采用地下開采，+100～+148 m留設安全礦柱，露天設計坑底為+148 m，露天采場封閉圈標高為+532 m。設計立體模型見圖1。

圖1 露天地下協同開采工程布置

1 滲流場計算原理與前置條件

在礦山開采排水過程中，地下水形成以開采空間為中心的降落漏斗。滲流計算的目的就在于求得滲流場內的滲流要素，預測開采引起的地下水分布變化。目前廣泛采用的滲流計算方法可分為流體力學解法和水力學解法兩類，更廣泛的概念還包括圖解法、數值計算及試驗法等。但流體力學解法僅對少數簡單的情況有效，在實際多介質復雜邊界條件的滲流問題中，采用數值計算方法則更能符合和滿足工程需要。

采場邊坡地下水徑流系統(tǒng)有兩大特點，一是大氣降水為地下水的主要補給源，二是邊坡地下徑流主要受構造裂隙控制。由于該礦為露天地下聯合開采，根據露天、井下開采的空間分布關系，井下開采會在一定范圍內形成地下水降落漏斗，影響地下水徑流。

本次研究邊坡穩(wěn)定滲流模型包括3類，第1類是礦床開采前的原始山體滲流模型，第2類是露天礦山開采完畢，未進行井下開采，第3類為露天地下聯合開采。對應的，模擬分析分為3步，各邊幫到達設計境界后的穩(wěn)定滲流模型，第1類滲流模型是第2類模型的分析基礎，為第2類模型的滲流提供了可靠的父系滲流場，依此類推，以下計算的實際開采中的穩(wěn)定滲流場介于這兩種穩(wěn)態(tài)滲流場之間，而瞬時滲流場則在穩(wěn)態(tài)滲流場的基礎上波動變化。

1.1 計算原理

對礦山有影響的地下水主要為裂隙水，當裂隙相對比較密集，裂隙巖體中地下水在空間的運動變化符合滲流的有關規(guī)律，即水文地質模型可假定為非均質各向異性的連續(xù)介質，并以此來建立模型進行計算分析。

1.2 邊界條件

滲流場計算邊界條件是根據穩(wěn)定的水位線和穩(wěn)定滲流的溢出點確定的。

1.2.1 溢出點

穩(wěn)定滲流的溢出點按-100 m確定，位置為地采-100 m工程實際分布區(qū)域。

1.2.2 滲流影響半徑

由于紫金山金銅礦采用露天地下聯合開采，穩(wěn)定的水位線根據地下開采對地下水滲流影響半徑確定，即：以地下開采區(qū)域為中心，滲流影響半徑之外的水位為穩(wěn)定的水位線。

地下開采滲流影響半徑R按式（1）計算：

式中，S為開采中段水位降深值；K為滲透系數，0.067 m/d；r0為階段開采范圍半徑，m。

計算結果見表1，綜合取影響半徑為1388 m。

表1 地下開采滲流影響半徑計算結果

1.2.3 水頭高度

水頭高度按以下方法確定：

第1步：計算原始地形滲流場，水頭高度參照歷史資料；

第2步：自地采區(qū)域中心外推1388 m（滲流影響半徑），與原始邊坡滲流場潛水位相交處為邊界水頭高度。露天境界內水頭高度，單獨露天開采以設計坑底（+100 m）為水頭高度，露天地下聯合開采以-100 m為水頭高度。

2 滲流場對比分析

2.1 模擬分析

為系統(tǒng)模擬分析紫金山金銅礦設計境界滲流場狀況，根據邊坡巖體工程地質特征、邊坡布置情況，結合資料的分析研究及現場調查，計算剖面布置如圖2所示。

圖2 地質分區(qū)及計算剖面布置

根據選定的計算模型、邊界條件、原理與方法，分析了紫金山金銅礦10個有代表性的剖面，分析了原始山體、單獨露天開采、露天地下聯合開采3種條件下的滲流場，部分計算結果見圖3～圖10。

圖3 2號剖面原始山體滲流場

圖4 2號剖面單獨露采終了滲流場

圖5 2號剖面露天地下協同開采終了滲流場

圖6 2號剖面滲流場對比

圖7 6號剖面原始山體滲流場

圖8 6號剖面單獨露采終了滲流場

圖9 6號剖面露天地下協同開采終了滲流場

圖10 6號剖面滲流場對比

原始山體滲流場計算結果顯示，自然狀態(tài)下，地下水主要來自降水入滲，向兩側河流排泄，潛水面形成中間高兩側低，山頂部分地下潛水面比地表低100～150 m，往下坡方向潛水面與地表差值逐漸減小，直至兩側河流侵蝕基準面（標高約為+190 m）。對照礦山水文地質勘察資料，理論模擬與實際勘察結果基本相符，說明模型剖面、滲透系數、邊界條件等關鍵參數取值較為合理。

單獨露天開采滲流場計算結果顯示：隨著露天開采水平往下部延深，持續(xù)排水改變了地下水環(huán)境，在地下水影響半徑范圍內，潛水面持續(xù)降低，最終形成以露天采場坑底為溢出點的地下水降落漏斗，上部邊坡內地下水位大幅降低，下部邊坡內部存在地下承壓水。

露天地下聯合開采滲流場計算結果顯示：因地下開采期間的持續(xù)排水，礦山地下水形成以地下開采空間為漏斗底部（標高為-100～150 m），往四周逐漸擴散的以地采空間為中心的降落漏斗，其形狀與地下開采工程布置和地表地形呈一定相關性。邊坡下潛水位比單獨露天開采可降低25～200 m，地下開采區(qū)域直接上部降落最大，處于露天境界底部西南，呈漏斗狀向四周遞減。

2.2 現場調查

2021年 5月，露天境界開采坑底標高為+484 m，露天境界設計封閉圈為+532 m，已進入凹陷開采階段。

礦山現場水文地質調查顯示，露天境界邊坡總體呈干燥狀態(tài)，露天坑底無積水，生產爆破炮孔內無積水，地采-100 m以上無承壓水。定性判斷地下開采的持續(xù)排水對露天境界地下水形成了疏干效應，地下水位下降明顯，與研究結果基本相符。

模擬計算與實證調查表明，露天地下聯合開采大幅降低了露天開采地下水潛水面高度，提高了邊坡穩(wěn)定性和本質安全度，同時大幅降低了礦山生產排水費用，充分利用了礦體厚度和地形條件，為后續(xù)邊坡穩(wěn)定性計算及其優(yōu)化提供了較為客觀的依據，為類似條件的礦山探索了更優(yōu)的開采方式。

3 結論

（1）3種條件下礦山滲流場對比分析表明，露天地下聯合開采模式下，地下開采大幅降低了露天邊坡下方潛水面高度，形成以地采區(qū)域為中心的地下水降落漏斗，對露天邊坡下部地下水有良好的預疏干效應；

（2）露天地下聯合開采的應用，消除了地下水對露天邊坡巖體的軟化效應，提高邊坡巖體強度20%～60%，降低或消除了邊坡內靜水及動水壓力，提高了邊坡穩(wěn)定性和礦山本質安全度，為后期露天境界優(yōu)化提供了條件；

（3）大幅節(jié)約截排水系統(tǒng)工程費用和礦體開采整體排水費用，大幅提高了礦山開采效率和經濟效益；

（4）地下開采期間，持續(xù)的排水在露天開采區(qū)域形成持續(xù)下降，并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)的地下水降落漏斗，使露天采場區(qū)域處于無水環(huán)境，邊坡巖體處于干燥狀態(tài)，大幅改善了露天礦的生產作業(yè)條件。