大水矿山地下水的综合治理 岩溶地下水综合治理

摘要：伴随着国家矿产资源开发的黄金十年，铁矿的资源开采被提上了日程，但开采的先决条件即解决矿山开采与地下水资源保护和安全建设之间的矛盾。

关键词：大水矿山；帷幕注浆；地面预注浆；矿坑水回灌；治理；

在基建及生产过程中，坑下开拓工程揭露灰岩顶板时均出现大量涌水，并造成地面塌陷、地表水倒灌等问题，给矿山生产带来严重危害，同时也给周边环境带来不良影响。为防治地下水害，几十年来，矿山与相关研究单位开展了大量的研究工作，实施了一系列的综合防治水工程，积累了大量丰富而又宝贵的岩溶地下水综合治理经验。

一、矿体帷幕注浆技术的应用

进入21世纪伴随着国家矿产资源需求不断增大，作为水患矿山治水的重要手段，矿山帷幕注浆技术也得到了飞速发展。中关铁矿帷幕注浆工程迄今为止仍然是帷幕线规模最大的单体帷幕注浆工程，该项目实施过程中取得的成功经验和研究成果为该领域的技术发展提供了宝贵经验，对矿山帷幕注浆技术的发展具有里程碑式的作用。中关铁矿帷幕注浆工程，注浆帷幕设计厚度T=10．0 m，浆液扩散半径Ｒ=8．0 m，设计孔距D=12．0 m，注浆段平均长度L=414 m，采用分段注浆方式，每注浆段平均长度30 m。注浆段钻孔直径采用Φ110 mm、Φ91 mm、Φ75 mm三种。注浆帷幕完工后的帷幕防渗性能指标q≤2Lu，帷幕形成后堵水率达80%，透水系数K＜0．08 m/d，质量要求高。帷幕注浆项目实施任务由某有色工程勘察院有限公司承担，实施时间为2006～2010年。该帷幕采用平面上和垂向上全封闭帷幕注浆形式，注浆帷幕线设计南北长1 140 m；东西最大宽度890 m，平面上形成环形椭圆状的全封闭帷幕注浆帷幕，帷幕线全长3 397 m，垂向上墙体底板需进入燕山期闪长岩隔水层，最大设计孔深达810 m。帷幕主要工作量包括：注浆孔270个，观测孔30个，检查孔34个，加密孔36个，各类钻孔共计370个，总进尺201 906延米，注浆段全长126 674延米。矿体帷幕形成后对矿山安全生产发挥了重大作用，有效防止了矿坑突涌水事故的发生。目前，矿山已基建完成，该帷幕注浆工程堵水效果良好，矿坑内排水量约为2 222 m3，矿坑内外形成较大的水位差，表明帷幕体堵水达到了预期效果。

二、井巷工程地表预注浆技术的应用

矿体周围堵水帷幕形成后，切断了矿坑水与区域地下水80%的水力联系。但是，在帷幕内疏干放水之前矿坑内仍然有大量的静储量，矿山建设过程中的部分井巷工程仍然面临水患问题。鉴于此，对重要的井巷工程采用了地面预注浆的技术手段来治理工作面涌水问题，主要包括：竖井地面预注浆工程、溜破系统预注浆工程等，本文论述以溜破系统预注浆工程为例，治理目标为工作面涌水量≤10 m3/d。本溜破系统由溜井、破碎硐室和下部矿仓三部分组成，各个部分的注浆顶底板标高相差较大。由于破碎硐室和下部矿仓埋深较大，采用直孔钻探施工会加大上部非注浆段的辅助钻探工作量，致使成本增加。因此，采用直孔与“S型”定向分支孔相结合的方式进行施工，即每个直孔分出两个“S型”定向分支孔，注浆孔采用不等距的梅花形布孔方式，溜井部分孔距为6．5 m，破碎硐室与下部矿仓部分孔距为4．45～7．70 m，与破碎硐室部分孔距为4．88～7．50 m。共设计钻孔18个，其中，溜井部分6个直孔，破碎硐室及下部矿仓部分布置3个直孔、5个分支孔，破碎硐室部分布置1个直孔、3个分支孔，设计钻探工作量8 400 m，注浆量12 000 m3。目前，矿山溜破系统已完成掘砌工作，掘砌施工过程中工作面涌水量达到堵水治理目标，均小于10 m3/d。

三、岩溶地下水综合治理实践

1.长期抽排地下水引发的水文地质问题。（1）井下突水。一般来说，突水的主要相关因素有水源、水压、隔水层、地质构造及采掘活动。矿山发生过几次大的突水，矿井排水引发的地面塌陷，导致河水倒灌，H20号突水点涌水量1 0000 m3/d左右，倒灌的地表水仅十几小时即进入矿井，给矿山井下生产带来不安全因素。目前正开采的东马鞍山矿体，局部地段岩溶发育强烈，2 8线以东深部出水点涌水量大，仍然可能对矿井安全带来影响。（2）地面塌陷。某铜矿为岩溶大水矿山，大量抽排地下水，导致矿区地面塌陷灾害频发。在地面塌陷治理工程实施前，累计发生岩溶塌陷1 00余起，塌陷引起损坏房屋几十间，毁田数十亩。同时毁坏部分公路、河道，严重威胁当地百姓的安居乐业及工农业生产，对当地生态环境造成了一定程度的不良影响及破坏。消除地面岩溶塌陷的根本措施是减少地下水排放，矿区井下注浆堵水和地表河治理工程已使地面塌陷明显减少。（3）破坏矿区地下水资源。矿坑排水降落漏斗，最远的东南方向已达3km。矿坑中心水位已降至-340 m左右，地下水补、径、排条件已发生了较大的变化。通过近几年来的防治水工程施工，在不揭露大的涌水点的情况下，矿区疏干漏斗基本已保持稳定。同样，鞍山矿体开采若采用单一的井下排水方案，将使疏干漏斗继续外扩，不仅产生大量的排水费用，而且将对矿区地下水资源造成严重破坏。

2.岩溶地下水综合治理工程。几十年来，矿山在科研单位的配合下，进行了大量的水文地质调查和研究工作，基本掌握了矿区的水文地质特征，特别是对矿区地下水流场变化、各含水层水力联系、地表塌陷形成机理等进行了深入研究，并实施了一系列有效的地下水综合治理工程。（1）地表河流防渗工程。为消除地表河流对矿坑地下水的威胁，对与矿坑水力联系强的马山口浅部通道，综合采取人工河渠与塌陷区静压注浆相结合的方案。在马山口修建了一条简易防渗河渠渡槽，对马山口塌陷区采取静压注浆的措施消除通道。（2）塌陷回填注浆及农田复垦。为防止地面塌陷造成与矿坑地下水的直接联系，对地面塌陷进行埋管回填注浆。在回填碎石过程中间断插入注浆花管。填完后，再用水泥浆或水泥尾砂浆对塌洞下部进行注浆封堵，以形成一个坚硬致密的整体，提高回填体的抗渗性及抗剪强度，从而防止地表水入渗和塌洞复活。（3）井下注浆堵水。根据井下出水点的出水层位和水量大小，采取堵、疏、避相结合的综合防治措施。对于井下水量大、泥沙含量高或对生产构成严重影响的常年性涌水点，采取封堵的措施。如-2 80 m中段2号沿出水点，最大出水量达1 0000 m3/d，已被隔水墙封堵。

3.地下水综合治理后矿坑涌水量变化，不论开采水平、涌水点如何变化，矿井总涌水量始终在6 000~1 3 000 m3/d内波动。由于井下注浆工程的影响，总涌水量有逐渐下降的趋势。同样受井下注浆工程及地表治水工程的影响，200 9年7月以后总涌水量也呈下降的趋势，且矿坑最大涌水量峰值下降明显。因此，只要不出现塌陷河水倒灌及井下大量注浆封堵的情况，矿井稳定涌水量基本会保持在6 000~1 3 000 m3/d内波动，如采取了有效的注浆堵水措施，就可控制或减少矿井涌水量，确保安全生产，不引发大的环境地质问题。目前，由于-700 m水平至-7 6 0 m水平探矿巷直接在灰岩含水层中施工，20线以东特别在2 8线到3 2线附近所揭露含水层裂隙普遍有水，涌水量较大，现阶段水平探矿巷道施工采用深孔和浅孔结合的方式探水预注浆，先探后掘，巷道施工较为缓慢，但注浆堵水效果较好，使得巷道施工得以顺利进行。其中探矿孔的施工也不同程度的遇到涌水的问题，也采用了注浆堵水后继续钻进的方法。大量巷道探水孔以及探矿孔遇水则堵，在该区域内注入了大量水泥浆液，改变了微观水文地质条件，从而使涌水点向深部和东部转移。

总之，铁矿开采过程中通过采用帷幕注浆、井巷工程防治水、矿坑水回灌等技术手段，不仅实现了绿色环保、可持续发展的治水之路，还为类似条件下的水患矿山开采提供了防水、治水、综合利用地下水工程的借鉴。