摘要：近幾年，川南巖溶區(qū)積極開(kāi)展硫鐵礦礦井涌水治理，但由于缺少封堵可行性的分析方法，只能依托某硫鐵礦礦井涌水治理勘察項(xiàng)目，從巖性構(gòu)造、地下水類型、補(bǔ)徑排特征等礦區(qū)地質(zhì)條件，初步論證礦井涌水封堵的可行性。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)封堵可行性，計(jì)算出某硫鐵礦的蓋層突水系數(shù)為0.04，小于突水臨界系數(shù)0.06，又算得閘墻防滲安全系數(shù)為0.13，小于臨界防滲安全系數(shù)0.60，再次論證了研究封堵的可行，同時(shí)分析方法充分利用了勘察成果，且判別公式和臨界值有一定依據(jù)，所得結(jié)論較為可靠。

關(guān)鍵詞：硫鐵礦；酸性礦井涌水；封堵；突水系數(shù)；防水閘墻

基金項(xiàng)目：2023年四川省天晟源環(huán)保股份有限公司立項(xiàng)項(xiàng)目“喀斯特地區(qū)酸性礦山廢水治理技術(shù)研發(fā)”（kyxm-2023-008）

引言

川南巖溶區(qū)硫鐵礦的長(zhǎng)期開(kāi)采給周邊環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重污染，硫鐵礦污染治理迫在眉睫[1]。針對(duì)硫鐵礦礦井排泄出的高酸性廢水，川南地區(qū)主要采用礦井封堵和風(fēng)險(xiǎn)管控的措施，取得良好治理效果。但如果封堵地層裂隙多、巖溶發(fā)育或蓋層薄弱，礦井封堵后則可能發(fā)生礦井涌水滲漏，導(dǎo)致治理效果變差。

目前，硫鐵礦污染治理研究主要對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀和問(wèn)題進(jìn)行分析論述，缺少治理措施的選擇評(píng)價(jià)[2]。付政麗[3]建立了硫鐵礦污染治理定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，但未能對(duì)酸性涌水治理提出評(píng)價(jià)方法。盧莉等[4]分析了硫鐵礦廢水形成機(jī)理和特點(diǎn)，提出了加堿中和、生物－化學(xué)等礦坑水處理辦法，指出提高pH和隔氧是治理關(guān)鍵。楊柱等[5]分析了黃屯硫鐵礦的水文地質(zhì)特征和充水因素，提出了地面帷幕注漿堵水的防治對(duì)策，預(yù)測(cè)對(duì)涌水有很好的減量效果。

綜合而言，目前對(duì)硫鐵礦礦井涌水封堵治理的可行性研究較少，需要一種評(píng)價(jià)方法來(lái)為前期治理方案選擇提出依據(jù)。本文在川南巖溶區(qū)某硫鐵礦勘察基礎(chǔ)上，從礦區(qū)地質(zhì)條件初步評(píng)價(jià)了礦井封堵可行性，進(jìn)而采用蓋層突水系數(shù)和閘墻防滲安全系數(shù)來(lái)定量評(píng)價(jià)封堵效果，可為川南巖溶區(qū)硫鐵礦礦井涌水封堵可行性評(píng)價(jià)做參考。

1礦區(qū)概況

川南巖溶區(qū)某硫鐵礦位于四川省宜賓市珙縣，開(kāi)采標(biāo)高+794～+650m，礦山采用“平硐＋暗斜井”開(kāi)拓方式。礦井通達(dá)地面的井硐有3個(gè)，即+725m主井、+675m副井及+796m風(fēng)井。礦井洞口已做了簡(jiǎn)易封隔，僅+675m副井有黃矸水流出，涌水量約100～200m3/d，因此+675m副井巷道是封堵后水壓最大段，其封堵效果決定了整個(gè)硫鐵礦井巷的封堵可行性。

礦區(qū)位于楊子準(zhǔn)地臺(tái)區(qū)，以平緩褶皺為主，斷裂少，屬較穩(wěn)定地塊。丘陵地貌，東南高，西北底，礦區(qū)相對(duì)高差約為600m。礦區(qū)在洛浦河北側(cè)約2km，匯集的地表水和地下水最終匯入洛浦河中。礦區(qū)洞口周邊未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用。

2封堵治理可行性初步研究

2.1 地層巖性與分布

根據(jù)地面調(diào)查和鉆孔揭露，礦區(qū)圍巖有二疊系上統(tǒng)宣威組一至二段（P2x1-2）粘土巖和泥質(zhì)砂巖以及二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）灰?guī)r。

宣威組強(qiáng)風(fēng)化帶粘土巖裂隙率很大，透水率在50Lu以上，而微風(fēng)化粘土裂隙不發(fā)育，透水率在1Lu左右。泥質(zhì)砂巖屬粘土巖夾層，質(zhì)較硬，巖體較完整，裂隙較發(fā)育，透水率約8～15Lu。由此可知，以宣威組微風(fēng)化粘土巖作為隔水巖層是合適的。

茅口組中風(fēng)化灰?guī)r巖體裂隙較發(fā)育，透水率約2～5Lu。微風(fēng)化灰?guī)r裂隙發(fā)育一般，溶洞不發(fā)育，透水率小于1Lu。+675m副井前500m巷道圍巖均是灰?guī)r，離洞口約120m后為微風(fēng)化灰?guī)r，因此在120m后封堵是可行的。+675m副井巷道地質(zhì)剖面如圖1所示。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)處于珙長(zhǎng)背斜南西翼，地層呈單斜產(chǎn)出，傾角15～25°，沒(méi)有大中型斷層，因而導(dǎo)水?dāng)鄬油ǖ郎?。礦區(qū)內(nèi)巖體主要發(fā)育2組節(jié)理，灰?guī)r節(jié)理面多為鈣質(zhì)充填，屬不透水結(jié)構(gòu)面。

2.3 地下水類型及富水性

礦區(qū)地下水可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水及基巖裂隙水3大類。松散巖類孔隙水分布于殘坡積中，地層薄，富水性差，不是礦井主要來(lái)水?；鶐r裂隙水主要分布于宣威組泥質(zhì)砂巖中，屬粘土巖夾層，厚度薄，但地下水能在局部裂隙發(fā)育處流入采空區(qū)內(nèi)，是礦井涌水的重要來(lái)源。副井巷道地下水埋深大于80m，不存在底板突水，因此封堵條件較好。

2.4 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

礦區(qū)主要在分水嶺附近接受大氣降水補(bǔ)給。地下水先透過(guò)較薄的第4系殘坡積地層，再滲入到宣威組砂泥巖裂隙網(wǎng)絡(luò)中，然后沿著層間或豎向裂隙向下徑流。若未流入采空區(qū)和巷道內(nèi)，地下水將滲入下伏的茅口組灰?guī)r裂隙或溶洞中，最終以泉或者隱伏方式泄流入溝谷中；若流入采空區(qū)和巷道內(nèi)，將形成礦井涌水涌出。由此可見(jiàn)，若將礦井封堵，地下水將回歸原來(lái)的徑流途徑。

3蓋層和閘墻封堵可行性研究

目前，對(duì)于硫鐵礦礦井涌水封堵可行性的研究很少，沒(méi)有現(xiàn)成的分析方法可以借鑒，因此本文借用煤礦突水、涌水風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)勘察，某硫鐵礦礦井封堵后可能發(fā)生滲漏的地方主要有2處，一是井巷采空區(qū)內(nèi)水壓增大，水通過(guò)頂板蓋層的裂隙通道向外滲出地面；二是水壓增大后，水徑防水閘墻外側(cè)圍巖滲出到外側(cè)井巷中。因?yàn)檫@2處都有可能發(fā)生滲漏，所以需要分別進(jìn)行可行性分析。

3.1 蓋層封堵可行性

對(duì)于頂板蓋層滲漏的情況，與煤礦底板突水情況相近，故可比照突水系數(shù)法來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。硫鐵礦涌水突水系數(shù)法如式（1）所示。

式中 T—突水系數(shù)，MPa/m；P—井巷封堵水體的水頭值（水壓從隔水層底界面起算，水位值取井巷可能上升的最高值），MPa；M—井巷上部有效隔水層厚度，m。

依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》（2018年6月出版），頂板蓋層的突水系數(shù)臨界值可取0.06MPa/m，進(jìn)行各參數(shù)取值分析。

3.1.1井巷封堵水體的水頭值P

某硫鐵礦井巷封堵后，涌水位最高可能上升到+796m風(fēng)井強(qiáng)風(fēng)化層底端，預(yù)計(jì)最大水位高差152m，因而封堵水體的水頭值P為1.49MPa。

3.1.2井巷上部有效隔水層厚度M

在硫鐵礦礦井涌水封堵中，不存在繼續(xù)開(kāi)采問(wèn)題，故應(yīng)考慮采礦造成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙的影響。另外，硫鐵礦頂板存在強(qiáng)風(fēng)化層，不能有效隔水。同時(shí)，頂板隔水層厚度除應(yīng)扣除冒落帶厚度和導(dǎo)水裂隙帶高度外，還應(yīng)扣除強(qiáng)風(fēng)化層厚度。依據(jù)本次勘察，+675m副井巷道頂板冒落帶位于灰?guī)r中，不用重復(fù)扣除，導(dǎo)水裂隙帶上界深入粘土巖底板7.6m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度7.4m，隔水層總厚度50.9m，故井巷上部有效隔水層厚度M為35.9m。

3.1.3計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，某硫鐵礦+675m副井巷道蓋層突水系數(shù)T為0.04，小于0.06，因此蓋層突水的可能性較小，封堵是可行的。

3.2 防水閘墻封堵可行性

3.2.1評(píng)價(jià)公式

隋旺華[7]論述了煤礦防水閘墻圍巖的抗?jié)B安全系數(shù)計(jì)算方法，由于煤礦和硫鐵礦井巷防水閘墻滲透破壞的機(jī)理相同，因此可以參照運(yùn)用。硫鐵礦巷道防水閘墻抗?jié)B安全系數(shù)評(píng)價(jià)如式（2）所示。

式中 m—圍巖導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)；k—圍巖滲透率，um2；L—防水閘墻沿巷道軸向的長(zhǎng)度，m；KV—圍巖巖體完整性系數(shù)。

杭遠(yuǎn)[8]統(tǒng)計(jì)了防水閘墻漏水情況，統(tǒng)計(jì)出臨界防滲安全系數(shù)可取0.6，即FS≥0.6，防水閘墻失效，反之則有效。

3.2.2圍巖導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)m取值

圍巖導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)m與墻體圍巖滲透失穩(wěn)破壞的導(dǎo)水通道有關(guān)，有3種可能的導(dǎo)水通道，分別是防水閘墻與圍巖的交界面、防水閘墻與圍巖的導(dǎo)水?dāng)鄬印⒎浪l墻與圍巖的導(dǎo)水裂隙。經(jīng)過(guò)勘察，防水閘墻段圍巖沒(méi)有導(dǎo)水?dāng)鄬?，因此只?duì)防水閘墻與圍巖的交界面、防水閘墻與圍巖的導(dǎo)水裂隙2種導(dǎo)水通道的m值進(jìn)行分析。

3.2.2.1防水閘墻與圍巖的交界面

按照設(shè)計(jì)文件，某硫鐵礦的防水閘墻類型為圓柱形，防水閘墻長(zhǎng)度主體段7m，兩側(cè)加固段23m，交界面總長(zhǎng)度與防水閘墻主體段長(zhǎng)度之比為1.1，水壓1.49MPa。根據(jù)表1選取導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)，為保障評(píng)價(jià)結(jié)果更加安全，多項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的貫穿系數(shù)時(shí)取最大一級(jí)的系數(shù)，故導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)可取7。

3.2.2.2防水閘墻與圍巖的導(dǎo)水裂隙

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)勘察，圍巖巖性為微風(fēng)化灰?guī)r，穩(wěn)定級(jí)別屬較穩(wěn)定，中硬，松動(dòng)圈厚度180cm，水壓1.49MPa，巷道寬度2.55m。根據(jù)表2，導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)可取6。

3.2.3計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述分析結(jié)果和本次調(diào)勘察，圍巖導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)m可取7，圍巖滲透率k為0.10μm2，水閘墻沿巷道軸向的長(zhǎng)度L為30m，圍巖巖體完整性系數(shù)KV為0.55，代入公式可得FS為0.13，小于0.6，因此防水閘墻封堵是可行的。

結(jié)論

川南巖溶區(qū)某硫鐵礦副井巷道圍巖為中、微風(fēng)化灰?guī)r，其裂隙、巖溶少，透水性小，區(qū)內(nèi)無(wú)大中型斷層分布，巷道涌水主要來(lái)自頂板以上，不存在底板突水，從地質(zhì)條件可定性評(píng)價(jià)本次封堵治理是可行的。建立硫鐵礦礦井涌水封堵可行性的定量分析方法，得出本次封堵蓋層和防水閘墻發(fā)生突水或滲透的可能性小，封堵治理可行性高；同時(shí)，該封堵治理可行性分析方法充分利用了勘察成果，所需數(shù)據(jù)常規(guī)易得，判別公式和臨界值有一定依據(jù)，結(jié)果是可信的。

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作者簡(jiǎn)介

徐付橋（1989—），男，漢族，安徽樅陽(yáng)人， 工程師，碩士，研究方向?yàn)樗きh(huán)地質(zhì)。

通信作者

曹瓏騰（1991—），男，漢族，四川珙縣人，工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)榈叵滤屯寥拉h(huán)境研究及管理。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-12