淺談礦山開采防治水的建議

王璐

摘要：礦山的水文地質(zhì)條件是影響礦山生產(chǎn)效率與安全的重要因素，其復(fù)雜程度決定著礦山需要采用的安全措施等級(jí)。因此，應(yīng)詳細(xì)查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件及礦床充水因素，預(yù)測礦坑涌水量，分析礦山防治水工作成效，提出礦山擴(kuò)大開采的防治水建議。

關(guān)鍵詞：含水層；涌水量；防治水

1.工程概況

1964年建礦以來，經(jīng)過礦山開采，特別是金星嶺—獅嶺區(qū)段礦山淺部截流疏干系統(tǒng)、東礦帶止水帷幕系統(tǒng)的建設(shè)，以及近10余年來地質(zhì)找礦的東拓、南延，礦床的水文地質(zhì)條件已發(fā)生了一定變化，不能完全掌握礦床的水文地質(zhì)條件。本次工作應(yīng)詳細(xì)查明礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件及預(yù)測礦坑涌水量，分析礦山防治水工作成效，提出礦山擴(kuò)大開采的防治水建議。

2.自然地理

2.1地形地貌

本區(qū)位于曲江構(gòu)造盆地北緣，四周叢山環(huán)繞，中部為開闊平坦的剝蝕堆積山間盆地。北部為諸廣山花崗巖基及受變質(zhì)的砂頁巖組成的中低山，盆地邊緣為古生代及中生代地層構(gòu)成的平緩起伏的饅頭狀丘陵；南部為第三系砂礫巖構(gòu)成的柱狀峰林的丹霞地形；中部為被第四系覆蓋的碳酸鹽類形成的開闊平原。

2.2氣象水文

礦區(qū)屬亞熱帶氣候，溫暖潮濕，水量充沛。根據(jù)礦山氣象站近二十年統(tǒng)計(jì)資料：年平均降水量1620.5mm，雨水集中在3月～7月份，占全年水量63.2%～70.9%，年均溫度20.2℃。

區(qū)域水系屬北江水系。水文網(wǎng)發(fā)育與地形一致，自西北往東南匯入錦江。錦江于五馬歸槽與湞江匯合，向南西于韶關(guān)與武水匯合，注入北江。礦區(qū)附近地表水體主要有董塘河、澌溪河、凡口河及赤石逕水庫、澌溪水庫等。

3.區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

3.1地層

區(qū)內(nèi)出露地層主要為晚古生界的一套陸源碎屑沉積巖及濱海相至淺海相碳酸鹽巖、前泥盆系淺變質(zhì)巖?；诪楹湎瞪鞍鍘r，其上不整合覆蓋了中下泥盆統(tǒng)桂頭群（D1-2gt）砂巖夾頁巖（圖3-1）。中泥盆統(tǒng)東崗嶺組（D2d）和上泥盆統(tǒng)天子嶺組（D3t）、帽子峰組（D3m）、石炭系等不純碳酸鹽巖為本區(qū)主要含礦層位，其上為下侏羅統(tǒng)蘭塘群砂頁巖，與晚古生代沉積巖系呈不整合接觸。

3.2構(gòu)造

區(qū)內(nèi)的褶皺構(gòu)造主要是呈北西—南東向展布的凡口向斜。凡口向斜西側(cè)受北西向逆沖斷裂的抬升，向東南方向傾伏，在其兩翼，尤其是揚(yáng)起端附近出現(xiàn)大量的次級(jí)褶皺，包括獅嶺背斜、金星嶺背斜、鐵石嶺背斜、貴湖背斜等，這些褶皺的大部分樞紐走向呈NW向，均向東南方向傾伏，并被一系列的NNW向斷裂錯(cuò)斷，顯示NNE向斷裂及成礦作用發(fā)生于褶皺之后，其中的次級(jí)背斜構(gòu)造是較好的賦礦部位。

4.區(qū)域水文地質(zhì)

董塘盆地為一覆蓋型巖溶盆地，大致沿東西向展布。四周叢山環(huán)繞，為地下水的補(bǔ)給區(qū)，面積約191km2；中部為平緩開闊的平原地形，為地下水的徑流—排泄區(qū)，面積約86km2。

4.1含水層

根據(jù)鉆探及水文編錄資料，礦區(qū)含水層主要為第四系松散巖類孔隙含水層、碳酸鹽巖類溶洞裂隙含水層及碳酸鹽巖類溶蝕裂隙含水層。

4.1.1第四系松散巖類孔隙水

按成因類型分為沖積孔隙含水層、沖洪積、坡洪積孔隙含水層及殘坡積孔隙含水層三種。其中沖積、沖洪積孔隙含水層較為主要，分布面積較廣，厚度較大，富水性中等。鉆孔單位涌水量0.01L/（s·m）～0.16L/（s·m），滲透系數(shù)0.07m/d～1.27m/d（表4-1），地下水水位埋深0.2m～7.86m，局部微承壓。采區(qū)及南部部分含水層受坑道排水影響，局部已疏干。

4.1.2碳酸鹽巖類溶洞裂隙含水層

全區(qū)廣泛分布，普遍為第四系覆蓋，僅在董塘河谷有零星出露，為礦區(qū)主要含水層，是礦坑充水的主要來源之一。含水巖性為中上石炭統(tǒng)壺天群白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。其頂板為第四系沖洪積層，底板局部分布下石炭統(tǒng)測水組砂頁巖相對(duì)隔水層。上覆于主要礦體分布區(qū)，局部與礦體直接接觸。全區(qū)含水層厚度14.78m～842.90m，平均288.72m，含水層富水性與巖溶發(fā)育程度密切相關(guān)。

天然狀況下，含水層具有承壓性，局部受礦坑排水影響轉(zhuǎn)為潛水。含水層富水性分區(qū)與巖溶分布基本一致。開采條件下，受礦坑排水及止水帷幕的影響，水草坪區(qū)段溶洞裂隙含水層基本疏干；鐵石嶺區(qū)段含水層基本保持初如狀態(tài)（表4-2）。

4.1.3碳酸鹽巖類溶蝕裂隙含水層

全區(qū)廣泛分布。溶蝕裂隙含水層主要向東南方向傾伏。含水層以靜儲(chǔ)量為主，衰減迅速，為礦坑充水的主要來源之一。主要賦存于中上泥盆統(tǒng)東崗嶺上亞組—天子嶺下亞組灰?guī)r中，為主要含礦層位，其頂部為下石炭統(tǒng)測水段砂頁巖相對(duì)隔水層，底部為泥盆系中統(tǒng)東崗嶺下亞組砂頁巖隔水層。巖溶弱發(fā)育，僅見溶蝕裂隙、溶孔及方解石晶洞。

4.2隔水層

礦區(qū)內(nèi)具有隔水或相對(duì)隔水性質(zhì)的地層主要有：

（1）下石炭統(tǒng)測水段、上泥盆統(tǒng)帽子峰組砂頁巖，上泥盆統(tǒng)天子嶺組中、上亞組炭質(zhì)灰?guī)r相對(duì)隔水層

這三段為溶洞裂隙含水層的底板，溶蝕裂隙含水層與礦體的頂板。巖性以泥炭質(zhì)頁巖、粉砂巖、泥質(zhì)炭質(zhì)灰?guī)r等為主，裂隙不發(fā)育，且多被泥炭質(zhì)充填膠結(jié)，透水性差，巷道揭露時(shí)無明顯滴（滲）水現(xiàn)象，含水層富水性貧乏，單位涌水量0.01499L/（s·m）～0.02912L/（s·m），在表層風(fēng)化帶中有間歇性下降泉水溢出，流量小于0.01L/s，可起相對(duì)隔水作用。

測水段與帽子峰組砂頁巖在礦區(qū)分布不連續(xù)，局部缺失，厚度一般小于20m；天子嶺組中、上亞組炭質(zhì)灰?guī)r在礦區(qū)連續(xù)分布，累計(jì)厚度近兩百米，可視為礦區(qū)較穩(wěn)定的相對(duì)隔水層。

（2）泥盆系中統(tǒng)東崗嶺下亞組、桂頭群砂巖隔水層

這兩段為礦體與溶蝕裂隙含水層的底板。巖性以砂巖、頁巖夾白云巖為主，裂隙不發(fā)育，裂隙多被石英充填膠結(jié)，富水性弱。該層在礦區(qū)連續(xù)分布，累計(jì)厚度達(dá)數(shù)百米，為礦區(qū)穩(wěn)定的隔水底板。

（3）礦體相對(duì)隔水層

礦體主要產(chǎn)于泥盆系碳酸鹽巖地層中，其容礦空間為斷裂碎裂帶+層間虛脫部位或?qū)娱g破碎帶，形態(tài)以楔形體、串珠狀、囊狀、似層狀等不規(guī)則狀為主。礦體總體產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致。主要礦石類型為黃鐵鉛鋅礦礦石和黃鐵礦礦石，呈致密塊狀，氧化弱，裂隙不發(fā)育，且膠結(jié)程度好，相對(duì)隔水。

4.3地下水補(bǔ)徑排

4.3.1區(qū)域地下水補(bǔ)給來源

（1）大氣降水：本區(qū)四面環(huán)山，中間為平坦開闊的盆地，適合接受大氣降水的入滲補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)多年平均降水量為1620.5mm，區(qū)域匯水面積約277km2，年接受降水量約4.49m3×108m3。

（2）地表水：局部地區(qū)河流的上游有補(bǔ)給地下水的現(xiàn)象。凡口河官塘—銀場坪一帶，河水補(bǔ)給地下水，平均補(bǔ)給量0.004m3/s；澌溪河出山口至安崗一帶，兩側(cè)為沖積層，為滲透性良好的砂土和砂礫石，河兩側(cè)階地上無地下水出露，地下水位埋藏深度在1.1m～4.1m，說明河流上游補(bǔ)給地下水的可能性較大；巖頭河源于花坪山，匯入董塘河，在旱季時(shí)為地下水補(bǔ)給來源之一。

此外，盆地中央分布大量農(nóng)田，灌溉期地表水部分滲入補(bǔ)給地下水。

4.3.2區(qū)域地下水的徑流

本區(qū)為一東西向構(gòu)造盆地，平原區(qū)多被第四系覆蓋，僅在河床及兩側(cè)一級(jí)階地中出露少量壺天群地層，說明區(qū)內(nèi)地下水基本由盆地邊緣山區(qū)向河谷排泄。地下水的主要徑流方向由西北向東南。

4.3.3區(qū)域地下水的排泄

東南角的龍王宮，處于構(gòu)造盆地的最低處，也是壺天群出露標(biāo)高的最低點(diǎn)。該處壺天群灰?guī)r產(chǎn)狀傾向南西265°，傾角為50°c，與白堊系呈不整合接觸。近南北向大斷裂，使隔水的第三系丹霞群砂巖下降，阻礙了地下水向東徑流，從而溢出地表，形成流量巨大龍王宮泉群，為區(qū)域地下水排泄之基準(zhǔn)，同時(shí)也是徑流排泄口。

5.礦坑涌水量計(jì)算

5.1計(jì)算方法

本次礦坑涌水量主要通過解析法及數(shù)值法進(jìn)行預(yù)測。

5.1.1解析法

運(yùn)用井流公式對(duì)含水層進(jìn)行可開采量評(píng)價(jià)的方法。由于溶洞裂隙含水層與溶蝕裂隙含水層的邊界、富水性不同，需采用兩個(gè)井流公式分別進(jìn)行計(jì)算。

（1）溶洞裂隙含水層：為承壓水。礦區(qū)西部為天子嶺組b、c層相對(duì)隔水層，北部為帷幕止水工程，為相對(duì)隔水層，東部與南部可視為無限延伸含水層，不考慮大氣降水、地表水的滲透補(bǔ)給礦坑系統(tǒng)揭露含水層底板，視為完整式“大井”。當(dāng)井水位低于含水層頂板，井附近就會(huì)出現(xiàn)無壓流，變成承壓—潛水井。

r -礦坑引用半徑（m）。

5.1.2數(shù)值法

運(yùn)用滲流理論，以GMS為開發(fā)平臺(tái)，對(duì)凡口鉛鋅礦開采區(qū)的水文地質(zhì)情況進(jìn)行地質(zhì)建模，并結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行含水層劃分、邊界概化、模型分區(qū)、參數(shù)反演等，從模擬計(jì)算的結(jié)果看，地下水流場中各觀測點(diǎn)水位與實(shí)際地下水水位基本一致，說明模型及參數(shù)取值合理，可用于模擬預(yù)測開采區(qū)的疏干排水量，優(yōu)化帷幕延長方案。

5.2計(jì)算結(jié)果

解析法計(jì)算時(shí)由于含水層垂向上富水性的差異，且計(jì)算時(shí)未考慮采坑對(duì)其的襲奪，預(yù)測的涌水量可能偏大。溶蝕裂隙含水層揭穿兩個(gè)含水層，滲透系數(shù)采用鉆孔壓水求取的滲透系數(shù)平均值（表5-1），取值相對(duì)合理。數(shù)值法從模擬的等水位線圖與實(shí)際等水位線一致可以看出，建立的三維地下水模型和單元?jiǎng)澐趾侠怼ＤM發(fā)現(xiàn)，西端帷幕延長后水位下降較快，排水量相對(duì)較??；東端帷幕延長后水位下降較慢，排水量相對(duì)較大，說明西端比東端帷幕延長效果好，推測目前礦區(qū)主要進(jìn)水通道在帷幕西端。

6.地下水防治工程

6.1以往防治水工程

從60年代初到21世紀(jì)初50多年歷程中，凡口鉛鋅礦一直致力于水患的治理工作，從放水試驗(yàn)到確定疏干方案，從淺部截流工程到帷幕注漿截流工程，分3個(gè)階段完成了治水工程，制伏了“水老虎”。凡口鉛鋅礦的治水過程是實(shí)踐—認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐的科學(xué)探索過程。

6.2防治水建議

未來礦山擴(kuò)大開采，雖延用現(xiàn)有開拓系統(tǒng)進(jìn)行深部開采，盡量避開壺天群溶洞裂隙含水層，但開采區(qū)段位于帷幕工程外圍，部分礦體臨近壺天群底板，而礦區(qū)外圍巖溶發(fā)育，連通性好，局部構(gòu)造、裂隙發(fā)育地段可直接與含水層連通，開采前應(yīng)做好防治水措施，預(yù)防礦坑突水。巖溶水礦山防治水技術(shù)，主要有疏干排水、地面帷幕注漿、井下近礦體帷幕注漿技術(shù)三種。

6.2.1疏干排水是早期通用的防治水方法。主要不足是易引起地下水資源枯竭、地面塌陷等問題，并且要承擔(dān)高昂的排水費(fèi)用，嚴(yán)重影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益；

6.2.2地面帷幕注漿工程適用于過水?dāng)嗝孑^窄，注漿帷幕兩端和底部均有穩(wěn)定、可靠的不透水邊界。缺點(diǎn)是投入高，需要查明過水通道，堵水效果也難以保證；

6.2.3井下近礦體帷幕注漿技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的巖溶大水礦山治理新技術(shù)。通過實(shí)施穿脈水平探水鉆孔注漿工程和頂板加密注漿工程，最終在礦床圍巖形成一定厚度的井下注漿帷幕保護(hù)層，達(dá)到既能保護(hù)礦區(qū)地下水資源、減小排水費(fèi)用、防治地質(zhì)災(zāi)害，又能保證礦床高效安全開采的目的。

7.結(jié)語

總而言之，礦山防治水工作已經(jīng)取得了卓越的成績，未來礦山擴(kuò)大開采，疏干排水、地面帷幕注漿已不適合礦山節(jié)能環(huán)保綠色生產(chǎn)的需要，需要采取更加綠色、環(huán)保的方式進(jìn)行防治水工作。

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