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        基于采礦活動對礦區(qū)水文地質影響的探究
        ——以孫家山礦區(qū)為例

        2020-04-23 12:25:22張曉志
        中國金屬通報 2020年1期
        關鍵詞:礦坑礦層斜井

        張曉志

        (山西省第三地質工程勘察院,山西 晉中 030620)

        1 礦區(qū)水文地質概況

        孫家山礦區(qū)隸屬于蔚汾河水系,地貌形態(tài)為低中山區(qū),屬較為典型的黃土梁峁區(qū)。礦區(qū)主要控制三條溝谷,分為太平溝、孫家溝以及蔚汾河谷。區(qū)內水系主要來自于黃土高原形成的溝谷環(huán)境,雨季時期會有洪流;區(qū)內裂隙水由東向西流動,構成一個單斜層間裂隙潛水、承壓水蓄水構造。礦區(qū)主要含水層[1]包括:奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖層、石炭系中統(tǒng)本溪組碎屑巖類、碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層、二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水巖層、新生界松散巖類孔隙含水巖層。

        影響采礦活動主要是石炭系上統(tǒng)太原組的含水層,分布在太平溝和孫家溝一帶有零星出露,為一套灰白、灰褐色中粗粒長石石英砂巖、深灰色粘土巖、碳質泥巖及礦物等組成,由于粘土巖及礦物的隔水作用形成多層層間裂隙水。多年來,周邊礦井的開采形成一定規(guī)模的古采空區(qū)[2],并存有積水。該含水層間水力聯系較差,無統(tǒng)一的地下水位,礦體位于該含水層的上部,開采礦對含水層影響較大。

        礦區(qū)內較穩(wěn)定的隔水層為本溪組一段地層,但礦開采后,該隔水層將部分遭到破壞。此外本溪組一段以上的本溪組二段、太原組及山西組有多層泥頁巖和粘土巖的存在,使層間水的水力聯系減弱。

        2 采礦活動對含水層的影響及原因

        2.1 采空區(qū)分布情況

        目前采空區(qū)分布于Ⅰ號礦體的南部及北部,采空區(qū)面積0.0999km2,Ⅱ號礦體的中部及北部,采空區(qū)面積約0.7440km2,開采礦影響上部第四系亞砂土和砂礫石層,二疊系下統(tǒng)山西組砂巖、石炭系太原組砂巖灰?guī)r,根據調查礦山開采礦,礦坑無排水,位于采場頂板局部有少量淋濾水,幾天后干枯,說明含水層無固定補給來源。由于礦山開采改變了原有含水層的補給路徑,基巖含水層由水平運移,變成垂直下滲補給,含水層結構破壞較嚴重。

        2.2 采礦活動對含水層的原因

        依據礦區(qū)水文地質條件,對礦坑充水因素分析如下。

        2.2.1 充水來源及其影響程度

        (1)大氣降水、地表水對礦坑充水的影響。礦區(qū)內礦層埋深0m~185m。礦坑之上冒落裂隙帶(計算厚度為31.3m)在淺埋部位可達地表或與第四系松散層、基巖風化裂隙帶溝通,雨季時,大氣降水、地表水可順裂縫下滲進入礦坑,太平溝和孫家溝最高洪水位可達2m~4m(其支溝洪水位0.5m~1m),洪水可通過位置較低的硐口直接灌入礦坑,因此,采礦時應對雨季溝谷地表水可能產生的充水影響加以防范。

        (2)冒落裂隙帶裂隙水對礦坑充水的影響。礦區(qū)西南部及車家莊以北礦層埋深較大,礦坑頂板冒落導水裂隙帶將溝通C2b2及C3t砂巖裂隙含水巖組,使得砂巖裂隙含水層中的裂隙潛水或局部上層滯水通過導水裂隙帶向礦坑充水,為礦坑充水的來源之一。

        (3)老窿積水對礦坑充水的影響。西部均上覆有礦層,據調查存在不同程度的礦層采空現象,老窿區(qū)內可能存在積水。礦層底板與礦層頂板相距約45m左右,當開采礦時老窿積水可通過裂隙帶或斷裂、陷落柱進入礦坑,成為礦坑充水的主要來源,應引起高度重視。根據礦山Ⅰ號礦體措施井對淺部老窿區(qū)及開采Ⅱ號礦體老窿區(qū)下山方向礦層,老窿區(qū)積水程度較輕。

        (4)構造水對礦坑充水的影響。區(qū)內未發(fā)現較大的含水、導水斷層,但在今后勘探及生產過程中,應加強對含水、導水小斷層或陷落柱的調查研究,并評價其對坑充水的影響。

        2.2.2 礦坑充水通道

        據礦區(qū)水文地質條件分析,礦礦坑充水通道主要為礦層上覆巖石裂隙、冒落裂隙帶。另外,尚未查明的小型陷落柱或小斷層,也可能成為礦坑充水通道。

        2.2.3 奧灰水對礦坑充水的影響

        綜上所述,在礦基建和生產過程中,應重視上覆礦層采空區(qū)積水和瓦斯的隱患,遵循先探后采,探采結合的方針,預防尚未發(fā)現的導水、導氣陷落柱、小斷層向礦坑產生充水的意外事故發(fā)生[3]。

        2.3 礦坑涌水量預測

        礦區(qū)位于中低山區(qū),基本上無常年性地表水,也無水庫??傮w來講,礦區(qū)水文地質條件及礦坑充水條件較簡單。本次礦坑涌水量的預測包括兩個部分:大氣降雨和含水巖層中的地下水。

        Ⅰ號礦體礦坑涌水量計算。

        1040m中段地下水采用如下公式計算:

        式中Q:地下水涌水量(m3/d);K:滲透系數(0.07m/d);M:含水層厚度(10.6m);S:水位降深(30.27m);R0:大井引用影響半徑(585.0m);r0:大井引用半徑(505.0m)。

        1040m中段地下水量為:793m3/d。

        960m中段采用如下公式計算:

        式中Q960:960m中段地下水量;Q1040:1040m中段地下水量;S960:960m中段水位降深(110.27m);S1040:1040m中段水位降深(30.27m)。

        960m中段的地下水量:1513m3/d。

        大氣降雨滲入量采用如下公式計算:

        Q暴雨=Hp×F×ψ暴

        Q正常=Q暴雨×0.08

        式中Q暴雨:暴雨滲入量(m3/d);Q正常:正常滲入量(m3/d);Hp:設計頻率暴雨量(80mm);ψ暴:暴雨入滲系數(0.15);F:冒落導水裂隙帶通達地表的匯水面積(266651m2)。

        計算出:Q暴雨=3200m3/d,Q正常=256m3/d。

        Ⅱ號礦體礦坑涌水量計算。

        1040m中段地下水采用如下公式計算:

        式中Q:地下水涌水量(m3/d);K:滲透系數(0.07m/d);M:含水層厚度(7.3m);S:水位降深(20m);R0:大井引用影響半徑(378.0m);r0:大井引用半徑(325.0m)。

        1040m中段地下水量為:425m3/d。

        960m中段采用如下公式計算:

        Q960=Q1040×(S960/S1040)0.5

        式中Q960:960m中段地下水量;Q1040:1040m中段地下水量;S960:960m中段水位降深(100m);S1040:1040m中段水位降深(20m)。

        960m中段的地下水量:950m3/d。

        大氣降雨滲入量采用如下公式計算:

        Q暴雨=Hp×F×ψ暴

        Q正常=Q暴雨×0.08

        式中Q暴雨:暴雨滲入量(m3/d);Q正常:正常滲入量(m3/d);Hp:設計頻率暴雨量(80mm);ψ暴:暴雨入滲系數(0.15);F:冒落導水裂隙帶通達地表的匯水面積(300000m2)。

        計算出:Q暴雨=3600m3/d,Q正常=288m3/d。

        3 對礦區(qū)防治水的建議

        礦山防治水主要包括坑下水防治、地表水防治、采空區(qū)防排水[1,4]。本礦區(qū)中主要工作是應對地表水進一步工作,區(qū)內Ⅰ號礦體工業(yè)場地南高北低,沿公路修排水溝,雨水沿溝由南向北流向S313公路附近溝內。場內道路和場地排雨水采用明溝加蓋板形式排出場地外,通過排水溝排入蔚汾河。Ⅱ號礦體工業(yè)場地豎向布置型式為臺階式,各臺階之間根據臺階間高差采用漿砌片石砌筑護坡或擋土墻,各場地均設排水溝;場內道路和場地排雨水采用明溝加蓋板形式排出場地外。沿排水溝由北向南流向S313公路邊水溝,然后穿過公路排入蔚汾河。并在Ⅱ號礦體工業(yè)場地北面山坡,設計1.5m×1.5m山坡截水溝。將上游雨水攔截之場地外,并最終組織排入蔚汾河。礦山Ⅰ號礦體分布有進風斜井、回風斜井及主平硐開拓系系,其中進風斜井井口標高高于溝谷洪水位標高25m,進風斜井及主平硐均位于溝谷區(qū),受洪水的影響較大。礦山Ⅱ號礦體分布專用進風斜井、1#回風斜井、2#回風斜井及主平硐開拓系統(tǒng),其中專用進風斜井、2#回風斜井及主平硐及高于當地洪水位標高,1#回風斜井位于溝口處,受洪水的影響較大。礦山應加強雨季巡察,對各井口采取必要的措施,保障各井口不受洪水的影響。

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