魏國昌 季永康 宓 娟 張曉波

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

黑山鐵礦位于河北省承德市，屬承德縣高寺臺(tái)鎮(zhèn)王營村、龍?zhí)稖洗骞茌?。黑山Ⅰ?hào)采場(chǎng)現(xiàn)為露天開采，目前露天采場(chǎng)最低標(biāo)高達(dá)到662 m水平，還有1個(gè)臺(tái)階即將到達(dá)露天坑底650 m水平。地下工程分三期開采:一期工程為580 m中段以上開采;二期工程開采580～220 m標(biāo)高之間礦體;三期工程開采220～－20 m標(biāo)高之間礦體;后期開采－20 m標(biāo)高以下礦體［1］。針對(duì)露天采坑的防排水，進(jìn)行了設(shè)置排水隧道和不設(shè)置排水隧道2個(gè)方案的分析比較;對(duì)于地下三期的排水，進(jìn)行了接力排水和一段直排2個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

1 礦區(qū)地形地質(zhì)特征及水文地質(zhì)條件

1.1 礦區(qū)地形地質(zhì)特征

黑山礦區(qū)地處燕山山脈中北部，大黑山東麓。海拔750～1 213 m，切割深度463 m，地形陡峻，溝谷發(fā)育，屬中低山區(qū)。礦床地處華北地臺(tái)北緣，燕山臺(tái)褶帶與內(nèi)蒙地軸的交接地帶，屬于臺(tái)褶帶邊緣的斷裂隆起區(qū)大廟穹斷束(Ⅳ級(jí))構(gòu)造單元。黑山鐵礦體群位于王營北溝～龍?zhí)稖?，呈北東向展布，南側(cè)為紅石砬—大廟深斷裂帶;北東端為龍?zhí)稖稀頊蠅号ば詳嗔褞А?/p>

黑山鐵礦體Ⅰ號(hào)采場(chǎng)開采11～44線間礦體，涉及①、②礦體群及其他盲礦體群共105個(gè)鐵礦體。由于受壓扭性構(gòu)造控制，礦體在平面上具有左行排列分布特征，在剖面上具有疊瓦斜列式分布規(guī)律。礦體群產(chǎn)出標(biāo)高一般550～－385 m，最深標(biāo)高－990 m。礦體走向北東65°，傾向南東，傾角45°～60°。

黑山鐵礦Ⅰ號(hào)采場(chǎng)及周邊出露的巖石有斜長巖、蘇長巖及釩鈦磁鐵礦等，經(jīng)過多年露天開采，形成了高陡的露采邊坡，尤其是露天采場(chǎng)的西幫邊坡由于地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育，曾多次發(fā)生滑坡。黑山鐵礦對(duì)此采取過多種治理措施:加強(qiáng)截、排水措施，調(diào)整坡面水位，截?cái)嗪团懦麦w的地下水，防止坡體軟化，消除滲透變形作用;同時(shí)降低坡體下滑力，提高坡體抗滑能力;并采取了錨固噴漿護(hù)坡、排水等防治措施。目前其西側(cè)邊坡整體穩(wěn)定性較好。隨著露天采場(chǎng)的加深，其周邊邊坡受重力和風(fēng)化作用影響，產(chǎn)生新的坍塌是必然的，要加強(qiáng)周邊地質(zhì)環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)。

1.2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

區(qū)域地形北高南低，西高東低，海拔750～1 213 m。區(qū)內(nèi)地形起伏較大，溝谷較發(fā)育。溝谷形態(tài)一般呈V字型，山脊形態(tài)多呈現(xiàn)渾圓狀。大廟基性雜巖體形成了侵蝕構(gòu)造、侵蝕堆積的地貌形態(tài)。沿雜巖體南側(cè)斜坡形成的V字形溪溝均匯集于南部主溝。最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高590 m，礦坑水自然排泄面標(biāo)高分別為580、750 m，谷底和山脊之間高差一般100～300 m。南部主溝與兩側(cè)的山脊高差300～700 m。

礦區(qū)屬大陸性季風(fēng)型燕山山地氣候。年平均降雨量542.5 mm，年蒸發(fā)量1 516.5 mm，相對(duì)濕度54%。雨季多集中在6、7、8月份，降水量占全年60%，最大凍土深度1.26 m。采場(chǎng)的集水量完全受季節(jié)控制，受當(dāng)年降雨量的控制尤為明顯，降雨多，集水量就多，反之就少。

礦區(qū)水系屬于武烈河支流溝谷。在黑山鐵礦礦區(qū)東側(cè)有灤河支流武烈河由北向南流過，距礦區(qū)約9 km。礦區(qū)及周邊沒有地表水體，只有季節(jié)性溪溝水。礦區(qū)Ⅰ號(hào)露天采場(chǎng)所在的王營北溝長3.60 km，形成1.42 km2的匯水面積，雨季時(shí)，巨大的匯水面積形成的降雨徑流入滲將成為礦坑涌水的主要來源，對(duì)礦坑充水的影響很大。大氣降水是地下水的唯一補(bǔ)給來源。露天采場(chǎng)大部分地表植被覆蓋較好，有利于大氣降水入滲，補(bǔ)給地下水，以泉和潛水徑流形式，向露天采場(chǎng)匯集，大部分沿裂隙和人工裂隙滲入地下。

2 地表水處理分析

黑山鐵礦Ⅰ號(hào)采場(chǎng)地表為露天采坑，其東北部地形北高南低，西高東低，形成了一個(gè)1.42 km2的匯水面積，對(duì)于此部分地表水如何處理，設(shè)計(jì)提出兩種方案:

方案Ⅰ，設(shè)置排水隧道。由于露天采坑?xùn)|北部地勢(shì)比較高，且考慮東大洼開采時(shí)的影響，在露天坑西南部布置1條排水隧道將地表匯水排至露天坑外。

方案Ⅱ，不設(shè)排水隧道。地表匯水滲入井下，再通過井下的排水系統(tǒng)將其排至地表。

兩方案二期工程220 m中段涌水量見表1，可比工程量及排水設(shè)備和可比投資分別見表2和表3。

表1 220 m中段井下涌水量 m3/d

表2 可比工程量及排水設(shè)備

表3 可比投資表

通過比較，方案Ⅰ一次性投資稍多，但年經(jīng)營費(fèi)低，設(shè)計(jì)采用方案Ⅰ，即設(shè)置排水隧道排除地表水方案?？紤]各工業(yè)場(chǎng)地占地面積較小，場(chǎng)地排水采用自然排水方式，場(chǎng)地內(nèi)的雨水沿平土方向自高向低排除。各工業(yè)場(chǎng)地外側(cè)山坡上均設(shè)置截水溝，攔截流向場(chǎng)地的雨水。截洪線路的選擇必須綜合考慮采礦場(chǎng)安全生產(chǎn)的各種因素［2］。

3 地下水處理分析

采用地表設(shè)排水隧道后，井下涌水量見表4。

表4 設(shè)排水隧道后井下涌水量

3.1 一期排水系統(tǒng)分析

一期工程580 m中段以上排水采用580 m平硐自流，涌水自流至580 m平硐外的高位水池。

3.2 二期排水系統(tǒng)分析

黑山鐵礦Ⅰ號(hào)采場(chǎng)二期開采采用集中排水方式。設(shè)計(jì)在副井220 m水平車場(chǎng)東側(cè)設(shè)置中央變電所和水泵房，井下各中段坑內(nèi)涌水、采礦廢水等通過泄水井泄入副井附近的水倉中，水倉中的水由水泵一段排至580 m中段500 m3井下供水水倉，供水水倉溢出的水經(jīng)580 m延伸平硐、排水平硐自流至580 m平硐外地表儲(chǔ)水池。

經(jīng)計(jì)算，二期220 m水泵房設(shè)置4臺(tái)MD720－60×7多級(jí)離心泵和2臺(tái)MD280－65×7多級(jí)離心泵。正常涌水時(shí)1臺(tái)MD280－65×7泵工作，其余備用和檢修;最大涌水時(shí)3臺(tái)MD720－60×7泵工作，其余備用。

黑山鐵礦Ⅰ號(hào)采場(chǎng)二期井下正常涌水量為3 850 m3/d，最大涌水量為41 899 m3/d，采礦廢水436 m3/d，井下正常排水總量為4 286 m3/d(179 m3/h)，按照水倉容納6～8 h水量計(jì)算，需要水倉總?cè)莘e1 074 m3～1 432 m3。設(shè)計(jì)布置2組相互獨(dú)立的水倉，水倉總長度300 m，容積1 909 m3，其中內(nèi)水倉長130 m，容積827 m3，可容納3.5 h正常涌水量，外水倉長170 m，容積1 082 m3，可容納4.5 h正常涌水量［4］。

3.3 三期排水系統(tǒng)分析

三期排水考慮2個(gè)方案:方案Ⅰ為一段直排，在－20 m建水泵房，將地下匯水直接排至580 m排水平硐，經(jīng)排水平硐自流;方案Ⅱ?yàn)榻恿ε潘?，在?0 m建水泵房，將地下涌水排至220 m水倉，經(jīng)220 m水泵房排至580 m排水平硐。方案比較見表5。

表5 三期排水方案比較

經(jīng)方案比較，從經(jīng)營費(fèi)、基建工程量、設(shè)備投資、工作容量、泵房管理等方面考慮，方案Ⅰ優(yōu)于方案Ⅱ，即采用一段直排方案。

黑山鐵礦Ⅰ號(hào)采場(chǎng)三期開采采用集中排水方式。中央變電所和水泵房設(shè)在副井－20 m水平車場(chǎng)。－20 m水泵房建成后220 m泵站不再使用，直接將水排至580 m排水平硐。三期－20 m水泵房設(shè)置5臺(tái) MD700－100A×8多級(jí)離心泵和2臺(tái)

4 其他防排水措施

鑒于采礦專業(yè)和總圖專業(yè)設(shè)計(jì)方案，本次預(yù)測(cè)降雨徑流滲入量時(shí)未考慮王營北溝對(duì)礦坑充水的影響。但在礦山生產(chǎn)期間應(yīng)采取一定保護(hù)措施確保排水隧道不受破壞，并維護(hù)好排水隧道和截洪線路，保證水流暢通無阻。

由于露天采場(chǎng)及以上匯水面積巨大，雨季形成的大氣降雨徑流滲入量很大，建議在關(guān)鍵巷道內(nèi)設(shè)置防水門，防止泵房、中央變電所和豎井等井下關(guān)鍵設(shè)施被淹。防水門的位置、設(shè)防水頭高度等應(yīng)在礦山設(shè)計(jì)中總體考慮。防水門應(yīng)設(shè)置在巖石穩(wěn)固的地點(diǎn)，由專人管理，定期維修，確保其經(jīng)常處于良好的工作狀態(tài)［5］。

礦山屬于露天轉(zhuǎn)地下開采礦山，地下開采時(shí)，為防止大氣降雨入滲對(duì)地下采坑造成威脅，建議露天采場(chǎng)開采結(jié)束后，應(yīng)對(duì)露天坑進(jìn)行回填廢石處理。根據(jù)大量礦山實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，回填層厚度必須大于40 m，否則無法保證其減緩大氣降雨入滲的作用。

隨著露天采場(chǎng)的加深，580 m坑道及以下的拓寬開采，原有裂隙不斷擴(kuò)張，也形成了新的人為裂隙，加劇了露天采場(chǎng)蓄存水的下滲。因此，豐水季節(jié)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)坑道內(nèi)的排水工作，保證地下開采的安全。

應(yīng)經(jīng)常檢查排水泵站排水設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，確保在雨季正常運(yùn)轉(zhuǎn)。MD280－65×11多級(jí)離心泵。正常時(shí)1臺(tái)MD280－65×11泵工作，其余備用和檢修;最大涌水時(shí)4臺(tái)MD700－100A×8泵工作，其余備用。

雨季時(shí)，應(yīng)注意坑內(nèi)涌水量的監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)坑內(nèi)涌水量較大有淹井危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)撤離井下人員及設(shè)備。

在基建、生產(chǎn)過程中，對(duì)接近水體的地帶或可能與水體有聯(lián)系的地段，應(yīng)堅(jiān)持“有疑必探，先探后掘”的原則，編制探水設(shè)計(jì)。如發(fā)現(xiàn)水文條件異常和發(fā)現(xiàn)有透水征兆時(shí)，應(yīng)進(jìn)行超前探、放水工作，防止突然涌水事故發(fā)生。

5 結(jié)論

(1)露天排水采取設(shè)排水隧道排除地表水方案投資少，年經(jīng)營費(fèi)用低。

(2)地下三期工程－20 m中段排水從經(jīng)營費(fèi)、基建工程量、設(shè)備投資、工作容量、泵房管理等方面考慮一段直排方案要優(yōu)于接力排水方案。

(3)本研究分析需要在礦山基建和生產(chǎn)中進(jìn)一步驗(yàn)證，落實(shí)地下涌水量的變化，并根據(jù)實(shí)際條件的變化作出必要的調(diào)整。

(4)金屬非金屬礦山井下開采防排水是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，礦山企業(yè)應(yīng)特別重視，配備足夠的防排水設(shè)施，制定符合礦山實(shí)際的防排水措施。

［1］ 張建勇，王 輝，魏國昌，等．河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司黑山鐵礦580 m以下采礦工程初步設(shè)計(jì)［R］．秦皇島:中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司，2012．

［2］ 榮中亞，周洪波．大型露天采礦場(chǎng)防控洪水探討［J］．中國礦山工程，2006，35(6):32-36．

［3］ 張夢(mèng)麟．采礦設(shè)計(jì)手冊(cè):礦山機(jī)械卷［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1989．

［4］ 唐炳文．采礦設(shè)計(jì)手冊(cè):井巷工程卷［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1989．

［5］ 李曉峰，陳亞杰．金屬非金屬礦山地下開采防排水技術(shù)分析［J］．中國科技博覽，2010(11):284．