王東梅,彭 華,陶資全

(云南云天咨詢(xún)有限公司,云南 昆明 650032)

祿勸縣云川礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司筆架山鐵礦是一個(gè)以開(kāi)采鐵礦石為主的金屬礦山,開(kāi)采礦種為鐵礦,開(kāi)采方式為地下開(kāi)采,開(kāi)拓方式為斜坡道開(kāi)拓,生產(chǎn)規(guī)模 10萬(wàn) t/a。該礦山由于位于金沙江邊,開(kāi)采深度1114～895 m,金沙江水平面最高歷年水位洪水水平面高程 947.03 m。

目前,礦山采掘作業(yè)面標(biāo)高位于金沙江水平面以下,由于礦山老馬塘主斷層及其一些分支斷層的影響,該礦山井下滲水、涌水較大。對(duì)井下采掘活動(dòng)有一定影響,鑒于該礦存在透水及淹溺等危險(xiǎn)因素,礦山組織專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員結(jié)合礦山自然因素、地質(zhì)、水文條件,采用有限元方法對(duì)該礦山地下水對(duì)采掘生產(chǎn)的影響進(jìn)行定量分析,并提出相應(yīng)的對(duì)策措施。

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

筆架山鐵礦位于祿勸縣北部,金沙江峽峪地區(qū),海拔 940～1200 m,地勢(shì)總體東高西低,地形較陡,一般坡度 40°～60°,懸崖絕壁隨處可見(jiàn),有利于地表水的排泄。金沙江緊靠礦區(qū)西北則流過(guò),地表水直接排入金沙江。

1.2 氣候

據(jù)祿勸縣氣象站資料,祿勸縣全年降雨量最大1263.50 mm,最小 774.7 mm;年蒸發(fā)量最高2255.50 mm,最低1974.50 mm;日平均最高氣溫32℃ (1975年 4月 30日),最低 -6.4℃ (1974年 1月 1日);主導(dǎo)風(fēng)向 6～12月為 SS W偶見(jiàn)NW;日平均風(fēng)速最大 19 m/s(1976年 2月 27日),最小 6 m/s(1977年 9月 17日)。大氣降水為地下水的唯一補(bǔ)給來(lái)源,季節(jié)變化控制地下水的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

1.3 地表水

金沙江緊靠礦區(qū)西北側(cè)流過(guò),金沙江江面寬100～300 m,深 59.5～62 m,水位差 16.22 m,流速 1.5～2.0 m/s,屬 HCO3-～Ca2+～Mg2+型礦化度低、弱堿軟水。礦區(qū)內(nèi)地表水均排入金沙江。

1.4 含 (隔)水層 (組)特征

區(qū)內(nèi)地層簡(jiǎn)單,僅出露昆陽(yáng)群因民組下段(Ptkny1)、因民組上段 (Ptkny2)、落雪組下段(Ptknl1)、落雪組上段 (Ptkn12)、鵝頭廠組 (Ptkne)地層,其含水特征如下:

1.4.1 含水層特征

昆陽(yáng)群因民組下段弱含水層 (Ptkny1):灰色、肉紅色或磚紅色“混合巖”化硅質(zhì)巖,偶夾白云巖扁豆體。厚度 >120 m。含構(gòu)造裂隙水,富水性弱。

1.4.2 隔水層特征

鵝頭廠組隔水層 (Ptkne):黑色炭質(zhì)板巖夾鈣質(zhì)砂板巖,厚度 >100 m。為區(qū)內(nèi)的相對(duì)隔水層。

1.5 構(gòu)造水文地質(zhì)特征

礦區(qū)為一軸向東西,軸脊近于直立的緊閉背斜,地質(zhì)產(chǎn)狀近直立陡傾,背斜兩翼放射狀次級(jí)張性小斷層發(fā)育 (45條),因此礦床地下水、地表水有水力聯(lián)系。礦床為拉戛廠、老馬田兩斷裂所夾持的斷塊,斷層發(fā)育,切穿了各含水層,使各含水層有水力聯(lián)系。規(guī)模較大的拉戛廠、老馬田兩斷裂。

老馬田斷裂理論上屬阻水?dāng)鄬?但可能為導(dǎo)水?dāng)鄬?使礦區(qū)地下水與金沙江水體存在水力聯(lián)系,斷層深部切穿了含各水層及礦體、對(duì)礦床充水影響較大。

1.6 地下水

地形最低點(diǎn)為金沙江水面,海拔 950 m,礦區(qū)相對(duì)高差約 250 m,地形較陡,地下水位為 950 m左右,隨金沙江水面變化而變化。地下水屬 HCO3-～Ca2+～Mg2+型礦化度低弱堿硬水。地下水補(bǔ)給為金沙江江水及大氣降水。礦體分布標(biāo)高為600～1200 m,有 51.24%的儲(chǔ)量位于金沙江水面950 m之下,不利于地下水的自然排泄,含礦層上下盤(pán)巖層均為含水層,加之?dāng)鄬影l(fā)育,地下水對(duì)礦山影響較大。

2 滲流計(jì)算方法簡(jiǎn)介

本次計(jì)算主要采用的滲流分析方法是:有限元方法。有限元方法是依據(jù)非飽和土理論、根據(jù)基本的滲流理論――達(dá)西定律等,采用有限元方法分析穩(wěn)定流及非穩(wěn)定流中多種邊界條件、多種材料的堤壩、或土體的滲流分析。該項(xiàng)目滿(mǎn)足達(dá)西定律流場(chǎng),所以采用水渠滲流模板進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 滲流有限元分析基本方程

式中:[K]——透水系數(shù)矩陣;

{H}——總水頭向量;

[M]——單元儲(chǔ)水量矩陣;

{Q}——流量向量;

t——時(shí)間。

2.2 透水系數(shù)矩陣 [K]

其中:

其中:α──最大透水系數(shù)的方向角,用于各項(xiàng)異性的材料中。

2.3 由節(jié)點(diǎn)水頭求單元內(nèi)任意點(diǎn)水頭 H (x,y)

其中:N1=(a1+b1x+c1y)/2A

N2=(a2+b2x+c2y)/2A

N3=(a3+b3x+c3y)/2A

a1=x1y3-x3y2a2=x3y1-x1y3a3=x1y2-x2y1

b1=y2-y3b2=y3-y1b3=y1-y2

c1=x2-x3c2=x3-x1c3=x1-x2

其中:A過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;N為孔隙度;

2.4 由節(jié)點(diǎn)水頭求單元內(nèi)任意點(diǎn)流速

{V}{V}=-[k]{B}{H}(1-6)

其中:B為過(guò)水?dāng)嗝鎸挾?注意:單元內(nèi)任意點(diǎn)的流速均相等。

2.5 單元?jiǎng)偠染仃?[K]

2.6 單元儲(chǔ)水量矩陣 [M]

2.7 內(nèi)源或蒸發(fā)所引起的力向量

其中:Ω為單元內(nèi)源或蒸發(fā)造成的流量m3/s,

內(nèi)源為正,蒸發(fā)為負(fù)。

2.8 邊界流量所引起的力向量

其中:Vn=lxVx+lyVy為單元邊界的流速 m/s,流入為正,流出為負(fù)。

圖1 質(zhì)點(diǎn)流速的線性變化Fig.1 Linear change diagram of pourticle velocity

而lx=cosα,ly=cosβ,如圖1顯示。假定Vn在邊界上為線性變化,在 1點(diǎn)為q1,在 2點(diǎn)為q2,將式 1-16運(yùn)算展開(kāi):

3 計(jì)算方案

從《云南省祿勸筆架山鐵礦水文地質(zhì)勘察報(bào)告》可知,當(dāng)金沙江最低標(biāo)高為 895 m時(shí),雨季地下水流量4000 m3/d,旱季金沙江水位為 940.78 m,洪水季節(jié)最高水位為 947.03 m。根據(jù)《巖石透水性分級(jí)劃分》該礦巖石透水性為弱透水性,因此在計(jì)算分析的時(shí)候,確定k=0.8。通過(guò)以上數(shù)據(jù),采用滲流軟件,滲透系數(shù)K作為變量,進(jìn)行反分析計(jì)算得出K=5.9763×10-3cm/s時(shí),和實(shí)際情況相符,為后續(xù)計(jì)算奠定基礎(chǔ)。根據(jù)筆架山鐵礦實(shí)際情況,最后確定計(jì)算方案見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算方案Tab.1 Numerical procedure

4 計(jì)算模型

計(jì)算模型選取的斷面是在 3號(hào)儲(chǔ)量橫剖面圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化。各方案計(jì)算模型圖見(jiàn)圖2～圖5。

5 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)分析計(jì)算,各個(gè)方案的滲透量見(jiàn)表2。單位為 m3/d。

表2 計(jì)算結(jié)果表Tab.2 Colcutated results list m3/d

因此,對(duì)兩種治理方案進(jìn)行分析:1.防滲層;2.帷幕注漿。具體比較分析見(jiàn)表3。

通過(guò)表3可知,加防滲層后和洪水季節(jié)相比,平均滲流量減小 27.19%,采用帷幕注漿后和洪水季節(jié)相比,平均滲流量減小 43.12%。得出采用注漿有利于減少滲流量。

從表3也可以看出,隨著開(kāi)采深度的下降,一定深度的帷幕堵水效果逐漸降低,對(duì)有效封堵地下水作用有限。因此,在實(shí)際開(kāi)采中,適當(dāng)加深帷幕深度,有得于提高帷幕注漿質(zhì)量。

表3 治理方案對(duì)比分析表Tab.3 Comperison and analysis list for treatment scheme

6 安全技術(shù)對(duì)策措施

1)礦山在將來(lái)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)水文地質(zhì)工作,及時(shí)掌握地表水與地下水的活動(dòng)規(guī)律,以及礦體附近破碎帶、斷裂帶情況,為井下采掘工作做好防水指導(dǎo)。

2)必須堅(jiān)持 “有疑必探 (水),先探后掘”的原則。

3)采用防滲混凝土對(duì)臨江 14號(hào)井 (也包括其它最高洪水位以下的老坑道)進(jìn)行封閉,同時(shí)于坑內(nèi)采用帷幕注漿進(jìn)行裂隙堵水。

4)鑒于臨江 14號(hào)井等坑道在開(kāi)掘過(guò)程中因爆破作業(yè)可能會(huì)對(duì)井壁周?chē)膸r層造成一定破壞,故在坑道進(jìn)行封閉之前,應(yīng)于坑口附近 3～5 m的一段巷道中進(jìn)行帷幕注漿,封閉井壁周?chē)嬖诘牧严?然后采用防滲混凝土將坑口附近 3～5 m的一段巷道進(jìn)行全封閉,并確保井壁周?chē)荛]完好,以阻斷江水進(jìn)入坑內(nèi)的通道。

5)金沙江水進(jìn)入坑內(nèi)的通道被完全封閉之后,可以確保礦山全年的正常生產(chǎn),但設(shè)計(jì)開(kāi)采范圍內(nèi)的礦體大部分位于金沙江最高洪水位以下,坑內(nèi)工程在裂隙發(fā)育處有可能出現(xiàn)滲流,為確?？觾?nèi)有一個(gè)較好的生產(chǎn)環(huán)境,應(yīng)在滲流處周?chē)@鑿注漿孔進(jìn)行壓力注漿,使?jié)B流處周?chē)纬舍∧欢钄酀B流。

6)在 895 m階段設(shè)置 1個(gè)容積為1500 m3的巷道型水倉(cāng),排水管均為Φ100膠管,并安裝 4臺(tái)型號(hào)為WQ100-9的排水泵將滲入坑內(nèi)的水排除坑外。

7)生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格遵循“確保礦柱尺寸,控制礦房規(guī)格”的原則,確保礦房回采結(jié)束之后長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài),避免因巖層大面積垮塌后產(chǎn)生大量裂隙而導(dǎo)致金沙江水灌入坑內(nèi)而發(fā)生透水事故。

8)根據(jù)地形條件,應(yīng)在地表相關(guān)區(qū)域設(shè)置截、排水設(shè)施,并確保暢通可靠。

9)強(qiáng)化排水設(shè)備、設(shè)施的管理,及時(shí)整改設(shè)備、設(shè)施隱患;

10)編制年度防治水計(jì)劃和礦井防排水應(yīng)急救援預(yù)案;

7 結(jié) 語(yǔ)

該礦山在經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采之后,沿金沙江邊已開(kāi)掘了多條斜坡道或平坑,其中臨江 14號(hào)井為斜坡道,井底最低標(biāo)高已達(dá) 935 m,為坑內(nèi)開(kāi)采的運(yùn)輸通道之一。該斜坡道坑口標(biāo)高為 951.44 m,位于金沙江最高水位和最低水位之間,一旦金沙江水位上漲之時(shí),江水即順斜坡道灌入坑內(nèi),致使礦山被迫停產(chǎn),而當(dāng)金沙江水位下降,坑口暴露于水面之后,又需花費(fèi)將近兩個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行集中抽水,因而該礦山每年的開(kāi)采時(shí)間大約只有半年,礦山應(yīng)有的生產(chǎn)效率無(wú)法得到正常發(fā)揮。

與此同時(shí),由于開(kāi)采范圍內(nèi)的礦體大部分位于金沙江最高洪水位以下,雖然區(qū)內(nèi)較大的拉戛斷層和老馬田斷層距礦體較遠(yuǎn),對(duì)礦床充水基本上無(wú)影響,次級(jí)斷層的規(guī)模也較小,主要由斷層角礫及斷層泥組成,富水性弱～中等,但含裂隙水,局部破碎帶可能出現(xiàn)滲流,對(duì)坑內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)境將會(huì)造成一定影響。

生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格遵循 “確保礦柱尺寸,控制礦房規(guī)格”的原則,確保礦房回采結(jié)束之后長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài),避免因巖層大面積垮塌后產(chǎn)生大量裂隙而導(dǎo)致金沙江水灌入坑內(nèi)而發(fā)生透水事故。

生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)排水系統(tǒng)的管理,定期對(duì)排水設(shè)備和設(shè)施進(jìn)行檢修,確保排水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,并應(yīng)經(jīng)常保持巷道水溝和工業(yè)場(chǎng)地排水溝的暢通,以避免淹井事故的發(fā)生。

[1]云南省祿勸縣筆架山鐵礦資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告 [R].云南省有色地質(zhì)三○六隊(duì),2008.

[2]《采礦手冊(cè)》編輯委員會(huì),采礦手冊(cè) (第 4卷) [M].北京:冶金工業(yè)出版社,1990.

[3]云川礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司筆架山鐵礦崩塌調(diào)查報(bào)告 [R].云南巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院,2008.

[4]蔡美峰.巖石力學(xué)與工程 [M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[5]毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制 [M].北京:水利電力出版社,1990.

[6]侯克鵬.礦山地壓控制理論與實(shí)踐 [M].昆明:云南科技出版社,2004.

[7]金屬非金屬礦山安全規(guī)程.GB16423-2006.