尖山磷礦采坑積水勘查及治理研究

趙 雷，何全松，李樹建，2

（1.云南磷化集團有限公司，云南 昆明；2.國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，云南 昆明）

許多露天礦山隨著采礦延深，礦坑涌水量會逐步增大，對采礦影響較大。因此，為解決水患問題，孟琛琛、蔣向東[1-2]等人針對具體礦山水文地質(zhì)情況查明礦區(qū)內(nèi)巖溶地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件、分布格局及其動態(tài)演變過程，并對涌水量預(yù)測，為礦區(qū)開采提供依據(jù)。秦磊[3-4]等根據(jù)礦區(qū)提供的水文地質(zhì)資料，建議開采過程中應(yīng)加強監(jiān)測防范，注意鄰區(qū)礦山采空區(qū)水位的變化，建立完善的防排水體系。睢棟超[5-6]等提出針對礦山地下水問題應(yīng)以堵為主，堵疏結(jié)合綜合防治的建議。

由于尖山磷礦生產(chǎn)深受采坑積水困擾，因此需對采坑積水進行治理，研究防治水措施，提出治水方案，設(shè)計防治水工程，并做技術(shù)經(jīng)濟評價等。本次勘探區(qū)位于湯家山礦段和鞍山礦段內(nèi)。

1 工程概況

本次水文地質(zhì)勘探重點為查明礦區(qū)1 910 m～1 840 m 標(biāo)高水文地質(zhì)情況。治理目標(biāo)為采坑積水治理設(shè)計阻水效果≥80%，滿足礦山采坑1840 水平以上生產(chǎn)正常運行。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)情況

本區(qū)出露地層較全，在分析水力聯(lián)系程度、地下水類型與巖性組合的基礎(chǔ)上，劃分四個含水層組（見表1）及四個相對隔水層組。本區(qū)含水層組與相對隔水層組相間組合，各含水層組之間，一般無水力聯(lián)系。礦層產(chǎn)于第Ⅳ含水層組中，該含水層組頂?shù)拙泻芎竦南鄬Ω羲M，可隔離上部含水層組（下部無含水層組）地下水流入礦坑，但第I 含水層組直接覆蓋第Ⅳ含水層組地段，視開采方式不同，存在一定程度的影響。

表1 礦區(qū)含水層組劃分

區(qū)域上，地表分水嶺沿金銅盆山- 杉松圓頂- 小尖山東一線以總體上北西- 南東向弧形延伸，在小尖山東轉(zhuǎn)向北延伸至海口河，地表水分水嶺和地下水分水嶺基本一致；礦區(qū)東側(cè)的滇池和北側(cè)?？诤訛榈叵滤判惯吔纭Ｏ銞l村背斜展布基本與地表分水嶺一致，在東段即金銅盆山西至杉松圓頂段略偏北，礦區(qū)水文地質(zhì)單元為單斜構(gòu)造形成的單斜含水層組成。

從含水層展布與富水性結(jié)合地形地貌看，地下水總體上自南西、南向北東、東徑流，礦區(qū)總體上位于地下水的徑流區(qū)，靠近排泄區(qū)。地下水除接受大氣降水的補給外，還接受數(shù)量可觀的地表徑流的補給。

3 邊界條件及礦坑充水因素

礦層產(chǎn)出層位穩(wěn)定，其分布與地層一致，產(chǎn)狀變化受區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)制約。總體上呈單斜形態(tài)、傾向北，但由于礦層走向、傾向的變化，褶皺、斷裂的影響而使其在不同部位，呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，大致可將其分為東部、西部，各部分變化。

從現(xiàn)階段露天采場揭露含水層與礦層頂板相對隔水層間關(guān)系看，除南側(cè)與礦層底板接觸（交界）處潛水面未達頂板相對隔水層底界外，水位面已高過頂板相對隔水層底界，即含水層間賦存的地下水具承壓性，屬承壓水。含水層厚度比較一致，變化不大。底板頂界面較平展，傾斜角變化較大；礦層與直接頂板組成的含水層形成向北傾斜的波狀扭曲板狀含水體，地下水的補給徑流方向總的來說自西向東、自南向北。

充水因素如下：

（1）充水水源。a.大氣降水：地表徑流部分的充水水源為大氣降水，主要發(fā)生在雨季；b.地表水體：尖山采坑周圍地表水體眾多，?？诤哟鬅焽杷恼竞哟矘?biāo)高1 883.15 m，滇池水面正常水位標(biāo)高1 886.5 m，滇池距礦區(qū)最近處直線距離僅1.5 km；c.圍巖水：開采條件下礦層圍巖中地下水的涌入是礦坑主要充水來源。

（2）充水方式。雨季由大氣降水形成的地表徑流部分，充水方式為直接充水；由地下水涌出形成地下徑流部分，充水方式為直接充水。

4 勘查分析結(jié)果及治水方案確定

4.1 勘查分析結(jié)果

勘探設(shè)計中水文地質(zhì)鉆探工作量計劃485m/6孔，6 個鉆孔布置在尖山水塘的周邊，其目的為配合礦山已有的水文觀測孔，判斷尖山水塘周邊區(qū)域地下水徑流方向，以及尖山水塘與其西邊中新水塘等地表水塘的水力聯(lián)系情況。其中重點探測礦層底板直接底板梅樹村組第一段（1ml）和間接底板燈影組（Zbdn）含水層的巖溶發(fā)育特征、節(jié)理裂隙分布和富水性規(guī)律。并開展分層抽水試驗工作，ZK02、ZK03、ZK05 和ZK06孔分別做為抽水孔，抽水時其他孔為觀測孔，獲取含水層滲透系數(shù)等參數(shù)。實際完成工作量491.38 m/6孔，各鉆孔完成情況見表2。

表2 鉆孔施工情況一覽

本次勘探過程中各孔均進行了簡易水文地質(zhì)觀測，終孔洗孔后進行了靜止水位觀測，同時按設(shè)計要求進行了測斜、校正孔深等工作，根據(jù)以上工作得出以下結(jié)論：

（1）梅樹村組第一段底部，標(biāo)高約1 840 m 分布有厚約20～30m 粉砂質(zhì)、砂泥質(zhì)白云巖，該段巖體整體致密性較好，巖芯較完整多呈長柱狀，因此可視為梅樹村組第一段至震旦系燈影組之間的局部相對隔水層，將阻隔兩含水層組間存在的水力聯(lián)系；

（2）礦區(qū)處于地下水徑流區(qū)與排泄區(qū)結(jié)合部位，現(xiàn)尖山磷礦已開采至地下水位以下，采坑涌水成為地下水主要的排泄方式；

（3）尖山采坑的充水水源有大氣降水、地表水體、圍巖水和周邊地下水的側(cè)向補給等，主要通過下滲及沿含水層巖溶裂隙滲流、排泄入礦坑。礦床類型為巖溶直接充水礦床，水文地質(zhì)條件復(fù)雜；

（4）礦區(qū)地下水的滲透主要是由于礦體底板破碎，豎向張開裂隙發(fā)育形成的導(dǎo)水通道導(dǎo)致，地下水補給徑流方向總的來說自南向北為主，自西向東為輔，淺部由于中新水塘高水位的存在，表現(xiàn)為以自西向東為主；

（5）采坑至滇池距離約3 km，通過水文地質(zhì)勘探研究成果分析，開采至1 860 m時，滇池水不會發(fā)生倒灌，開采至1 840 m時，滇池水發(fā)生倒灌的可能性??；

（6）礦區(qū)地表巖溶形態(tài)不發(fā)育，未見大的巖溶洼地、漏斗、落水洞、溶溝等，地表巖溶形態(tài)一般以蜂窩狀、針孔狀、串珠狀的小溶孔及溶溝、溶隙為主。礦區(qū)地下溶洞不發(fā)育，各巖溶地層地下巖溶以溶蝕裂隙為主；

（7）根據(jù)礦山含水層結(jié)構(gòu)及富水性特征差異特點，認為采用灌漿封堵擬采礦體含水層是具備條件的，并且能夠取得較好的堵水效果。

4.2 露天坑綜合防治水技術(shù)

目前，國內(nèi)露天礦地下水控制的措施及理念主要包括“疏”、“排”、“堵”、“截”。“疏”主要指設(shè)置降水孔迫使地下水位(或水壓)降低，以保證采掘工作正常進行；“排”主要指完善礦坑排水系統(tǒng)，排水管路、水泵、水倉和供電系統(tǒng)等配套；“截”主要指加強地表水的截流治理；“堵”主要是指在地下形成連續(xù)的堵水帷幕，封堵具有涌水可能的徑流通道、含水層和導(dǎo)水?dāng)鄬?、裂隙等?dǎo)水通道。

尖山磷礦露天坑地下徑流水來源一側(cè)南幫屬于后期內(nèi)排形成的邊坡，如若在邊坡上施工大量水平疏水孔，一是內(nèi)排渣土松散體不易成孔，二是后期內(nèi)排作業(yè)會對疏水孔進行掩埋堵塞，因此臺階上進行鉆孔“疏”水治理措施不在本次考慮范圍內(nèi)。

通過計算分析，若只采用“排”的形式對礦坑涌水進行處理的話，礦體開采至10 號線，所需抽排水費用約為32 504.6 萬元。為了能夠?qū)崿F(xiàn)較好的治水效果，以及對突發(fā)情況有應(yīng)急處理手段，提出的“疏、截、排、堵”綜合治水方案如下：

“疏”：在帷幕外10 m 的距離，沿帷幕線布置14個間距為50 m 的疏水降壓井，進行幕外疏排水，以帷幕分界，帷幕兩側(cè)實現(xiàn)清污分流。疏水井抽排量跟坑內(nèi)排水能力相結(jié)合，帷幕側(cè)繞、底繞、墻滲流量約為2.5×104m3/d，疏水和抽排水能力合計共2.5×104m3/d，根據(jù)現(xiàn)場井內(nèi)涌水情況，調(diào)整各井的抽水量。

“截”：主要是對雨季的地表徑流部分的充水水源大氣降水進行攔截，在南北兩幫邊坡臺階上布設(shè)截洪溝，盡可能把大氣降水排出礦區(qū)，攔截在采坑外，排水系統(tǒng)截洪溝及排水路線布置見圖1，圖2。

圖1 排水系統(tǒng)

圖2 采場截洪溝斷面

“排”：通過上述對帷幕注漿后礦坑涌水量計算可知，帷幕側(cè)繞、底繞、墻滲流量約為2.5×104m3/d，因此，采用供電抽水的方式，配套和幕外疏水井抽水能力共2.5×104m3/d 的抽水系統(tǒng)進行礦坑排水作業(yè)。

“堵”：布置分段懸掛式垂直型帷幕進行礦坑堵水，帷幕注漿分四段施工。采坑積水治理工程平面布置見圖3。

圖3 采坑帷幕治水工程布置平面

帷幕注漿制備站建設(shè)在礦坑?xùn)|南角，需對這部分區(qū)域1 900 m 平臺和1 910 m 平臺合并，進行場地平整。注漿時全孔按設(shè)計要求從上而下分段注漿，分段長度20 m，各鉆孔施工順序為：Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→III 序孔→加密孔?！笆琛⒔?、排、堵”綜合治水方案投資項目及費用見表3。

表3 “疏、截、排、堵”綜合治水方案投資項目及費用

按每臺鉆機每月鉆進300 m計算，12 臺鉆機一個月鉆進3 600 m，第一階段鉆孔施工需要4.8 個月，第二階段鉆孔施工需要4.6 個月，第三階段鉆孔施工需要2.5 個月，第四階段鉆孔施工需要2.6 個月，共需14.5 個月，因為注漿工程可以與打鉆工程同時施工，所以總工期為14.5 個月左右。帷幕注漿施工組織過程中，為了保證采礦作業(yè)的連續(xù)，需提前在下一階段帷幕線位置進行出礦拉槽，完成鉆孔帷幕注漿。

5 結(jié)論

（1）通過礦區(qū)專項水文地質(zhì)勘探工作掌握了礦區(qū)水文地質(zhì)條件，提出了尖山磷礦采坑的“疏、截、排、堵”綜合治水方案。

（2）通過計算得出本次選用的“疏、截、排、堵”綜合治水方案，堵水效果能夠滿足堵水率80%的要求，綜合治水方案總投資約5 343.9 萬元，礦體開采至10 號線，可采出礦石量為626.9 萬t，平均每噸礦石增加治水費用14.5 元，與只采用抽水方案投資32 504.6萬元相比，節(jié)約了25 611.4 萬元。

（3）通過堵水效果計算，設(shè)計選用的帷幕深度、厚度以及長度是合理的，能夠滿足堵水率要求。本方案實施后，能夠?qū)崿F(xiàn)地下水以帷幕為界的“清污分流”，保持水土，減輕對礦區(qū)及周邊地質(zhì)生態(tài)環(huán)境的影響。