王文鋒 高 峰 許志逞

(1.南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司，江蘇 南京210041;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙410083)

梅山鐵礦是我國采用無底柱分段崩落法開采的典型地下黑色金屬礦山，年產(chǎn)量達(dá)400 萬t［1］。礦區(qū)地表水系發(fā)育，位于長江下游南京段，西北距長江5 km，人工開挖的秦淮河流經(jīng)礦區(qū)東北部，河床寬55 m，標(biāo)高0.4 m 左右，河面寬120 m，設(shè)計(jì)最大泄洪量800 m3/s。為此，礦山采取回填1 m 的亞黏土或鋪設(shè)鋼筋水泥河床進(jìn)行防滲，同時(shí)開展秦淮河的水文監(jiān)測及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏情況，并加強(qiáng)了采區(qū)地下水和生產(chǎn)用水的安全規(guī)范管理，以保證生產(chǎn)組織的正常進(jìn)行。

隨著梅山鐵礦二期延伸工程的推進(jìn)［2］、開采水平的下移、地表塌陷面積的增加、地下排水系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，滲漏水的進(jìn)一步防治工作就顯得尤為重要。一方面要保證井筒、巷道等各種工程的安全穩(wěn)定，另一方面要確保井下排水系統(tǒng)的暢通。對于地下水和生產(chǎn)用水所產(chǎn)生的不利因素在采礦生產(chǎn)中的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)涉及到，如何根據(jù)不同的區(qū)域，不同的井筒和巷道特點(diǎn)，不同設(shè)備設(shè)施的安全需要，采取相應(yīng)控制措施，因勢利導(dǎo)，充分利用好水資源，并有效控制其不利因素，使危害達(dá)到最小，是礦山近年來面臨的重要課題。

1 礦山井下滲水現(xiàn)狀與危害分析

礦區(qū)地下水主要補(bǔ)給為逕流和排泄模式，降雨和地表水直接補(bǔ)給潛水，其中一部分垂直下滲，經(jīng)圍巖弱含水帶主要匯集于深部斷裂中，然后流入－330 m坑道，最后排至地面流出礦區(qū)。

1.1 水對巖體開挖穩(wěn)定性的影響

梅山鐵礦礦體和圍巖堅(jiān)固穩(wěn)定［3］，但因局部地段發(fā)育有構(gòu)造破碎帶和膨脹巖礦物以及軟弱層和黃鐵礦、石膏等易溶于水的礦物，在地下水、生產(chǎn)用水以及人為開挖活動(dòng)影響下顯現(xiàn)出松散地壓和膨脹地壓，致使礦巖的穩(wěn)定性下降，如礦區(qū)－330 m 水平的主巷地段的材料運(yùn)輸線及14#～15#岔道上的地壓顯現(xiàn)與水作用密切相關(guān)，證明地下水對巖體的穩(wěn)定性影響較大。

地下水對于巖體的作用可分為物理作用、化學(xué)作用和力學(xué)作用［4－6］。圖1 顯示了巖體在多場多相耦合條件之間的作用關(guān)系，說明了水－巖作用的環(huán)境及其力學(xué)作用機(jī)理的復(fù)雜性。

圖1 巖體中各種場之間的耦合關(guān)系Fig.1 The coupling relationship among fields in rock mass

1.2 井下滲漏水情況分析

(1)采區(qū)滲水:二期延伸工程達(dá)產(chǎn)和－ 330、－420 m雙水平運(yùn)輸系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，雙水平運(yùn)輸過渡到－420 m 單水平運(yùn)輸后地下水影響增大。尤其是每年的雨季，整個(gè)采區(qū)裂隙地段、破碎帶等淋水、滲漏水很嚴(yán)重，給巷道掘進(jìn)，中孔鑿巖，回采爆破，溜井放礦，溜破系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)等工序造成了較大的影響，滲漏水浸泡頂板后的安全隱患控制難度相當(dāng)大。

(2)井筒滲漏水:根據(jù)礦山井筒滲漏水的現(xiàn)狀，大致可將井筒滲漏水分為2 種，一種是井筒井壁混凝土交接的縫隙或井壁受損的孔洞出現(xiàn)滲漏;另一種是各種工程遺留下來的廢舊硐室、基礎(chǔ)、巷道等等，通過長年地下水的侵蝕，封閉的工程或者基礎(chǔ)會(huì)出現(xiàn)一些滲漏，對生產(chǎn)造成不利影響。

2 井下暴雨入滲分析

礦床地下水以靜儲(chǔ)量為主，動(dòng)儲(chǔ)量甚少。－330 m以上各中段已基本輸干，水量較小，一般穩(wěn)定于2 100 m3/d 的涌水量。由于梅山鐵礦采用崩落法開采，地面塌陷區(qū)逐年增大［7］，預(yù)計(jì)最終塌陷區(qū)面積約150 萬m2，塌陷區(qū)外匯水面積約75 萬m2。因此，礦山生產(chǎn)后期暴雨的滲入量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地下水量而成為坑道排水的主要對象。

(1)暴雨入滲率測算。理論上，在礦體上覆巖體處于飽水狀態(tài)下，其滲透系數(shù)為常數(shù)。因而，地表降雨通過塌陷坑滲入井下的水量多少取決于塌陷坑匯水面積與降雨量2 個(gè)因素。研究降雨入滲率，特別是暴雨入滲率，能夠達(dá)到預(yù)測暴雨入滲井下日水量洪峰值。通過采用水均衡法［8］進(jìn)行涌水量計(jì)算:

其中，Q 為礦坑總涌水量;Q1為生產(chǎn)用水量;Q2為動(dòng)+靜儲(chǔ)量;ΔQ 為通過塌陷坑進(jìn)入井下降雨滲漏水量。

日入滲率測算公式:

其中，K 為暴雨入滲率;∑Yi-1為過程降雨量;M1為塌陷坑面積;M2為塌陷區(qū)匯水面積;N 為暴雨入滲峰值持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)式(1)、式(2)對梅山鐵礦多年降雨與排水進(jìn)行分析，選擇并測算1990—2008 年間32 次暴雨入滲，通過測算數(shù)據(jù)的回歸分析(如圖2)，確定暴雨日入滲率為8%。

圖2 暴雨入滲率分析Fig.2 Rainstorm infiltration rate analysis

(2)暴雨入滲特征分析。通過多年井下涌水觀測，能夠造成短時(shí)間大量涌水的災(zāi)害性事故的是暴雨，尤其是特大暴雨，并且入滲進(jìn)入井下采區(qū)具有滲入速度快，泄水點(diǎn)集中和暴雨滲漏洪峰持續(xù)時(shí)間短的特征。

3 井下防滲漏水綜合治理

根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，梅山鐵礦目前已形成了由泄水井、進(jìn)風(fēng)井、出風(fēng)井、采區(qū)的措施井和泄水孔共同構(gòu)成的立體的排水系統(tǒng)。同時(shí)也總結(jié)了一系列比較規(guī)范的井下防滲漏水處理辦法，主要包括井下涌水區(qū)域及泥石流易發(fā)地段預(yù)測與管理，礦倉等硐室滲漏水治理，巷道與豎井的滲漏水治理。以下以巷道與豎井的滲漏水治理技術(shù)進(jìn)行介紹。

3.1 豎井漏水治理方案

梅山鐵礦副井、西南井、北風(fēng)井、1#主井井筒不同部位存在水量不等的滲漏現(xiàn)象。尤其是下雨天，漏水量明顯增大，且?guī)в写罅磕嗌尺M(jìn)入井筒，對礦山構(gòu)成了4 個(gè)主要方面的影響:一是冬季井筒頂部結(jié)冰，冰塊墜落給井筒內(nèi)安全造成嚴(yán)重影響;二是井筒內(nèi)長期“下雨”，造成井筒內(nèi)的環(huán)境惡化;三是長期的泥沙漏失，會(huì)在井筒外周邊形成空隙或空洞，長期積累可能造成地表塌陷，產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害;四是部分井段地下水對混凝土具侵蝕性，直接破壞井壁的完整性，對井壁安全也造成影響。

(1)治理方案選擇。目前對井筒漏水常用的治理方法主要有:一是人工疏，二是自然疏，三是工程堵。人工疏即采取工程布置降水;自然疏即利用基建階段井筒周圍的斜坡道或硐室，在井壁邊緣筑壩，并安裝回流管，讓積水形成自流至水倉;工程堵即注漿止水。各種方案及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

表1 井筒漏水治理方案比較Table 1 Comparison of control schemes of shaft leakage

通過綜合比較分析，副井、西南井、北風(fēng)井推薦采用帷幕注漿［9］。1#主井推薦采用局部注漿。

(2)帷幕注漿方案。沿井壁外1.5 m 均勻布置帷幕注漿孔，形成一個(gè)閉合環(huán)。實(shí)際注漿孔位置可根據(jù)施工現(xiàn)場條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，部分鉆孔還需采用斜孔。注漿孔孔底要進(jìn)入井筒最深漏水處以下或進(jìn)入隔水層3 ～5 m。

(1)副井帷幕。副井井筒漏水最深處約35 m，副井帷幕深度確定為48 m。帷幕底部進(jìn)入輝綠巖3 m。副井帷幕平面布置見圖3。

(2)北風(fēng)井帷幕。北風(fēng)井井筒漏水最深處約28 m。北風(fēng)井帷幕深度確定為31 m。帷幕底部進(jìn)入輝綠玢巖3 m。北風(fēng)井帷幕平面布置見圖4。

3.2 巷道滲漏水治理方案

在巷道掘進(jìn)施工階段，對掘進(jìn)巷道過程中出現(xiàn)的斷層、破碎帶、裂隙區(qū)域、圍巖結(jié)構(gòu)差等狀況，必須積極采取科學(xué)、先進(jìn)的技術(shù)手段加以控制，但這也打破了地下水在原始地層中分布和存在的狀態(tài)，比較經(jīng)濟(jì)和直接的控制辦法就是混凝土噴漿，一方面起到加固巷道圍巖的作用，另一方面比較好地控制地下水的分布狀態(tài)。

梅山鐵礦采用了干噴與濕噴2 種噴漿工藝［10］，其中噴射混凝土(即濕噴)的應(yīng)用比較廣泛，且引進(jìn)了芬蘭NORMET 公司SPRAYMEC 1050 WP 型噴漿臺(tái)車，效果顯著。雖然仍有噴漿之后的巷道出現(xiàn)裂縫滲水現(xiàn)象，但大部分起到了隔離、覆蓋和導(dǎo)流的作用。通過在生產(chǎn)過程中的不斷總結(jié)，針對采區(qū)巷道滲漏水的情況，形成了比較實(shí)用的治理方案，同時(shí)結(jié)合梅山鐵礦支護(hù)工藝特點(diǎn)和現(xiàn)狀，歸納如表2 所示。

表2 巷道滲漏水治理方案Table 2 Control schemes of tunnel leakage

圖5 巷道中水包鉆通后示意Fig.5 Schematic diagram of water pocket after drilling through in tunnel

4 結(jié) 語

梅山鐵礦在開展井下滲漏水害治理過程中，結(jié)合采礦技術(shù)的特點(diǎn)，實(shí)行“外圍控制，上下聯(lián)動(dòng)”的控制措施，總結(jié)了一套行之有效的井下水害防治和管理的方法，保障了礦山生產(chǎn)的安全。綜合而言，主要滲漏水治理對象主要包括井下涌水區(qū)域及泥石流易發(fā)地段、礦倉等硐室、巷道與豎井3 種類型;采取的治理措施主要是在分析具體滲漏水對象分析的基礎(chǔ)上，合理選擇包括自然或人工疏導(dǎo)、集中抽排、噴射混凝土、帷幕注漿等工程技術(shù)手段。

隨著礦山開采深度的增加以及地表沉陷范圍的增大，井下防滲漏水治理仍將是一項(xiàng)重要工作。除了在現(xiàn)有治理技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代物探技術(shù)進(jìn)行礦井水的超前預(yù)報(bào)，不斷完善水害危險(xiǎn)源的預(yù)警與管理機(jī)制，是保障礦山安全生產(chǎn)的重要措施。

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