黑龍江某銅礦露天轉(zhuǎn)地下涌水量估算及防排水措施

林克輝

（紫金（廈門）工程設(shè)計有限公司）

采用先露天后地下開采的水文地質(zhì)條件簡單的礦床，其原生狀態(tài)下水文地質(zhì)邊界簡單，主要含水層補給條件差，存在良好的隔水層，但先期露天開采形成的露采坑成為降雨匯水聚集區(qū)，露采坑內(nèi)匯水成為深部井巷系統(tǒng)新的充水源。深部若采用崩落法開采，崩落區(qū)巖層受破壞，發(fā)生變形、移動和冒落，原生隔水層被破壞，形成的冒落帶或?qū)严稁Р暗乇砘蛏喜柯恫煽?，成為地表水進(jìn)入井巷系統(tǒng)的良好通道。良好的匯水條件和良好的滲入通道使地表水在礦坑涌水中占據(jù)主導(dǎo)地位，使得原本水文地質(zhì)條件簡單的少水礦床井巷涌水大幅增加，因此在估算井巷水量時不但要考慮地下涌水量，更要重點考慮地表水的影響。同時，如何有效避免露采坑內(nèi)匯水突然灌入井下也需予以重視。本研究以黑龍江某露天轉(zhuǎn)地下銅礦為例，對其水量估算及防排水措施進(jìn)行探討。

1 礦山概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)背景

礦區(qū)所處大地構(gòu)造位置為大興安嶺地槽褶皺系東段罕達(dá)氣褶皺帶西部，礦區(qū)出露的地層有古生界奧陶系中統(tǒng)銅山組（O2t）、多寶山組（O2d）及第四系全新統(tǒng)堆積物（Q4al），其中多寶山組（O2d）以中基性火山巖為主，在礦區(qū)廣泛出露，為礦床的成礦圍巖。礦區(qū)主要發(fā)育有NW向構(gòu)造、EW向構(gòu)造及SN向構(gòu)造，構(gòu)造較簡單。

1.2 礦體特征

礦床屬細(xì)脈浸染斑巖型礦床，采礦權(quán)范圍內(nèi)有兩個主要礦體，礦體賦存于多寶山組第一巖性段一亞段綠泥石化絹云母化安山巖或安山質(zhì)火山碎屑巖中，賦存標(biāo)高530～-285.2 m。1號礦體在平面上呈透鏡狀，剖面上呈楔狀，傾向218°，傾角75°，礦體控制長度816 m，其中地表出露長度741 m，傾向延伸80～183.8 m，水平厚度為2.57～136 m，礦體出露地表且總體埋藏淺，適合露天開采。2號礦體為隱伏礦體，呈長條狀、板狀、透鏡狀，控制長度2 000 m，最大水平厚度174.6 m；礦體傾向210°，傾角一般30～70°，最大79°，礦體自西向東傾角逐漸變陡，形態(tài)從長條狀逐步變?yōu)榘鍫?，后變成厚大的透鏡狀；礦體沿傾向延伸長度同樣自西向東逐漸增大，傾向延伸一般為220.0～382.6 m，最大傾向延伸為560.2 m；礦體下部被斷層錯斷，但斷層對礦體影響小。經(jīng)過詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析可知，2號礦體適合地下開采。

1.3 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

（1）礦區(qū)自然地理概況。礦區(qū)位于小興安嶺西北部的西南緣，屬低山丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢北高南低，地形平緩，海拔490～570 m，第四系覆蓋廣泛，自然露頭稀少，地表植被發(fā)育。礦區(qū)屬寒溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，夏季短暫，冬季寒冷漫長，冰凍期近8個月，凍土發(fā)育，多年凍土層厚度一般為2～7 m；歷年最高氣溫37℃，最低氣溫-43.7℃，年平均氣溫1.1～1.8℃；春季干旱多風(fēng)，最大風(fēng)速15 m/s；秋涼早霜，無霜期105 d左右；年降雨量531～586 mm，6～8月為雨季；年蒸發(fā)量869～990 mm。礦區(qū)及附近地表水不甚發(fā)育，主要分布一些季節(jié)性河流，屬嫩江水系近上游地段，嫩江位于礦區(qū)以西20 km處，歷年最大流量3 500 m3/s，年平均流量48～128 m3/s，1—3月份往往斷流。

（2）地下水特征。礦區(qū)地下水分為第四系松散巖類孔隙水和基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水兩種類型，前者分布于礦床開采影響范圍以外，對礦床開采無影響。基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水含水層與淺層礦體接觸，為淺部礦床直接充水含水層，該含水層在礦區(qū)廣泛分布，埋深隨地形高低而呈有規(guī)律性變化，正地形埋深大，一般為10～20 m，溝谷地段埋深小，為4～15 m；含水層厚度受基巖風(fēng)化帶發(fā)育程度制約，一般厚9～40 m；含水層富水程度在垂向上普遍由上向下逐漸變?nèi)酰虏糠植加懈羲畬?，隔水層以下巖體完整，為非充水體。

（3）地下水補給、徑流、排泄特征。礦區(qū)基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水的補給來源為大氣降水，補給區(qū)和徑流區(qū)一致，分布于大面積的漫崗緩坡地帶。補給因季節(jié)凍土的存在而具有間接性，8月前凍土存在時，大氣降水徑流滲入地下部分先存于近地表的凍結(jié)層之上，8月開始季節(jié)凍土融化，凍結(jié)層頂托水通過弱透水的包氣帶向含水層緩慢滲透。地下水徑流方向與地形坡向基本一致，由地勢高處向低處運動，最后在低洼的溝谷處排泄于第四系松散巖類孔隙，或受阻流出地表形成泉，礦區(qū)泉一般分布在河谷兩側(cè)，單泉流量均小于0.5 L/s。

（4）地下水對礦床充水的影響。礦區(qū)在水文地質(zhì)單元中屬基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水的補給徑流地帶，地貌形態(tài)為平緩漫崗地形，地表坡度為1°～5°，礦區(qū)含水層最低隔水底板標(biāo)高約460 m。460 m標(biāo)高以上的礦體及其圍巖分布于基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙含水層中，為基巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水的直接充水礦（巖）體，隔水底板以下為非充水體。

2 礦坑涌水量預(yù)測

2.1 充水因素分析

礦床水文地質(zhì)條件簡單，原生狀態(tài)下深部礦體為非充水體。礦床開發(fā)采用先露天后地下分期開采方式。凹露天礦山轉(zhuǎn)入地下開采后，特別是當(dāng)?shù)叵麻_采采用非充填采礦法時，露天坑與地下采場之間有良好的水力通道，上部殘存的深凹露天坑所匯集的大氣降水會直接侵入地下生產(chǎn)系統(tǒng)［1］。

1號礦體露天開采結(jié)束后，上部將形成一個上口尺寸為810 m×340 m、坑底尺寸為170 m×30 m、最大深度為145 m的露采坑。深部礦體采用崩落法開采，崩落區(qū)巖層被破壞，發(fā)生變形、移動和冒落，隨著開采面積的不斷擴(kuò)大，巖層移動將波及地表或上部已有露采坑，形成冒落帶或?qū)严稁?，成為大氣降水滲入的良好通道。礦區(qū)深部地下水的補給、徑流等條件發(fā)生變化，降雨徑流滲入成為主要充水因素。因此，井下礦坑涌水量應(yīng)包含地下涌水和降雨徑流滲入量兩部分。

2.2 礦坑水量估算

礦床2號礦體在上部露天開采結(jié)束后進(jìn)行開采，采礦方法為無底柱分段崩落法，設(shè)計中段高度100 m，分段高度20 m，地采回采順序為垂直方向上從上至下，水平方向上從上盤往下盤開采，最低開采標(biāo)高為0 m，需估算0 m中段礦坑水量。因開采活動的進(jìn)行，深部2號礦體將由非充水體變?yōu)橐越涤陱搅鳚B入為主的充水體。礦床估算降雨徑流滲入量時需要注意的是，因露采坑的形成，崩落區(qū)范圍不再是原始地表，還包括先期形成的露采坑；崩落圈與露采坑封閉圈存在交集（圖1），部分露采坑位于崩落圈外，但雨季時露采坑內(nèi)匯水勢必會進(jìn)入礦坑，井下涌水量應(yīng)由3個部分組成（表1）。

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對于地表降雨徑流滲入量，匯水面積及降雨量易于確定，降雨徑流滲入系數(shù)由于受多種因素影響，包括地形地貌、地表巖性、礦體上覆巖層特征、礦體埋深及產(chǎn)狀、采礦方法等，對于一座礦山，應(yīng)考慮其微地形、不同區(qū)塊礦體的埋深及產(chǎn)狀、不同的采礦方法等進(jìn)行詳細(xì)分區(qū)［2］。該礦山位于區(qū)域高點山脊處，地形特征有利于地表降雨快速徑流而減少滲入；礦區(qū)露采坑外圍的崩落區(qū)存在塑性隔水土層，但露采坑內(nèi)基巖裸露，因此降雨徑流滲入系數(shù)應(yīng)分區(qū)取值。

降雨徑流滲入量的計算公式為

式中，Q為暴雨徑流滲入量，m3；F為匯水面積，露采坑封閉圈面積（F1）為19.6×104m2，露采坑外緣至崩落圈內(nèi)面積（F2）為160×104m2；H為降雨量，日最大降水為99.60 mm；ψ為降雨徑流滲入系數(shù)，露采結(jié)束后在坑底與地采中段之間的礦巖層人為崩落形成墊層，以減緩露天坑內(nèi)水滲入井下，露采坑內(nèi)的徑流滲入系數(shù)按頂板重復(fù)塌陷無塑性隔水層考慮，取0.35。露采坑外緣至崩落圈內(nèi)的徑流滲入系數(shù)按頂板重復(fù)塌陷有塑性隔水層考慮，取0.15。

計算得出Q1max=6 833 m3/d，Q2max=23 904 m3/d；礦區(qū)年均降雨量小于1 000 mm，根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》（GB 50771—2012）［3］，取暴雨徑流滲入量的7%作為正常降雨徑流滲入量，因此Q1nor=478 m3/d，Q2nor=1 673 m3/d。

地下涌水量計算公式為

式中，Q為正常涌水量，m3；K為滲透系數(shù)，0.411 1 m/d；H為含水層厚度，25.99 m；S為水位降深值，m；R0為引用影響半徑，R0=R+r0，R為影響半徑，根據(jù)抽水試驗得出200 m，r0為引用半徑，330 m。

計算得出Q3nor=1 845 m3/d；最大按正常1.2倍取值，Q3max=2 214 m3/d。

因此0 m中段水量估算結(jié)果為正常水量Qnor=Q1nor+Q2nor+Q3nor=3 996 m3/d，暴雨最大涌水量Qmax=Q1max+Q2max+Q3max=32 951 m3/d。

3 礦床防排水措施

（1）在崩落區(qū)外圍按防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置截水溝，在每年雨季到來之前檢查、清理和加固截水溝，確保地表徑流不灌入露采坑或者崩落圈范圍。根據(jù)地形條件選擇低凹處作為降水匯水點，在安全地帶設(shè)置臨時泵站，及時排出匯水，減少積水往井下滲透，臨時泵站位置根據(jù)崩落區(qū)的擴(kuò)展隨時調(diào)整。

（2）設(shè)置露天轉(zhuǎn)地下開采巖石墊層，預(yù)先形成滲流通道，防止露采坑底的匯水突然灌入井下。礦區(qū)兩礦體在空間上相對獨立，中間無礦巖柱相隔（圖2），但2號礦體采用無底柱分段崩落法開采，該工藝要求露天坑底部應(yīng)具有一定厚度的覆蓋層，以起到擠壓爆破和端部放礦的作用［4］，同時為避免露天采場積水突然灌入井下，因此結(jié)合工藝需要的覆蓋層，提出設(shè)置人工滲流通道的方案。具體措施是在地采基建時，先在露采坑1076～1084號勘探線坑底390 m臺階及405 m臺階南側(cè)邊幫上往下施工鉆孔至370 m水平進(jìn)行爆破松動；然后選取具有級配良好的不含泥碎石回填露采坑到420 m水平，回填厚度為30 m；再從地下350 m水平往上施工鉆孔至370 m水平進(jìn)行爆破，最終從350～420 m標(biāo)高形成露天轉(zhuǎn)地下的70 m厚破碎巖石墊層，后期隨著310 m、330 m分層形成的采礦覆蓋巖逐步塌陷，形成了地表水至井下的滲流通道（圖3）。

（3）按井下水量配備足夠大排水能力的水泵，確保生產(chǎn)時期排水安全。按照我國現(xiàn)行安全規(guī)程，要求礦山應(yīng)在20 h內(nèi)排出24 h礦井最大水量，因此水泵要求的排水能力為正常涌水時314.8 m3/h，最大涌水時1 762.6 m3/h（含生活及生產(chǎn)回水），排水高度538 m。設(shè)計5臺選用MDS580-100×6（P）型水泵，單臺水泵的流量580 m3/h，揚程598 m，電機(jī)功率1 600 kW。正常涌水時，1臺工作，3臺備用，1臺檢修，10.85 h內(nèi)完成排水任務(wù)；最大涌水時，4臺水泵工作，1臺檢修，15.19 h內(nèi)完成排水務(wù)。

（4）在副井、斜坡道石門處設(shè)置防水閘門預(yù)防井下突水，防水門設(shè)置在巖石穩(wěn)固的地點，防水閘門向來水方向打開并確保其處于良好的工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）礦山露天轉(zhuǎn)地下開采時，地表降雨徑流滲入量可能成為礦坑水量大小的主導(dǎo)影響因素，對井下水量影響較大，是井下水量估算的重點。地表應(yīng)采取截流措施盡量減少地表水進(jìn)入井巷系統(tǒng)，同時崩落圈范圍內(nèi)不同區(qū)域因地形地貌、地表巖性及覆蓋土層等不同，使得徑流滲入系數(shù)存在較大差異。在估算徑流滲入量時，應(yīng)分區(qū)選用合適的滲入系數(shù)估算以得到更合理的水量數(shù)據(jù)，為合理確定排水設(shè)施能力提供依據(jù)。

（2）對于露天轉(zhuǎn)地下礦山，上部露采坑底匯水突然灌入將嚴(yán)重威脅井下人員設(shè)備安全，對礦山造成巨大損失。對此，可對露采坑底進(jìn)行人工爆破并采用具有級配良好的不含泥碎石回填形成巖石墊層，預(yù)先形成地表水至井下的滲流通道，使露采坑內(nèi)匯水可以安全穩(wěn)定地通過滲流方式進(jìn)入井下，從而有效避免井下大規(guī)模突水發(fā)生。

（3）井下在配備足夠大排水能力水泵的同時還應(yīng)設(shè)置防水閘門，可有效保護(hù)井下設(shè)備和人員安全。