矿山开采水害治理技术研究

王瑞强 韩竹东 乐应 吴田勇

摘 要：针对凡口矿长期以来疏干排水导致的地质生态环境破坏、塌陷回填、土地复垦、排水等费用高昂等问题，以及为确保矿产资源安全开采，分析矿区的地质和水文条件，查明矿区的主要涌水通道，利用帷幕注浆的防治水方案在涌水通道上形成截流帷幕，有效降低地下水流流向工作面的补给，堵水率达到了68.35% ，有效的保障了矿山长期可持续发展。

关键词：涌水;帷幕注浆;矿山防治水;安全开采

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.29.102

0 引言

在以往水害治理过程以及对理论知识的研究中，相关工作者针对不同类型水害的防治进行了探索。目前，常用的煤矿水害防治技术主要有疏水降压、帷幕注浆技术、留设隔水煤（岩）柱、带压开采等。其中，帷幕注浆技术是较为常用的水害治理方法，并且已经在我国多个矿山建设中推广应用。王立生在针对瓜山铜矿的强涌水灾害采用帷幕注浆并取得良好效果;徐加夫在莱新铁矿的水害治理中论证了帷幕注浆技术应用于岩溶矿山水害防治的可行性;徐磊等在某大水矿山通过实施井下矿体帷幕注浆方案，有效减少了矿坑涌水量;李建文针对柠条塔煤矿水害采用帷幕截流改善了其涌水状况。本文以广东省凡口铅锌矿为实例，选用合适的帷幕注浆施工工艺及各项参数，研究帷幕注浆技术在矿山水害防治中的应用。

凡口铅锌矿是水文地质条件复杂的岩溶大水矿山，长期的疏干排水严重破坏了矿区地质生态环境，矿农矛盾突出。为改善矿区内的开采环境并确保矿产资源的安全开采，实现凡口矿可持续发展，根据已有的水文地质资料，采用帷幕注浆法治理地质灾害、改善矿区生态环境。

1 工程概况

1.1 矿区水文地质条件

凡口矿地处广东北部曲仁盆地北缘中部，是水文地质极其复杂的岩溶富水矿山。矿体广泛分布于泥盆系中统桂头组到石炭系下统壶天群，厚度达千余米，矿床上部普遍被石炭系中上统壶天群强岩溶含水层覆盖。其构造总体上呈一复式向斜，轴向北西，向南东倾伏。向斜内褶皱、断层发育较强，褶皱组发育为近南北和东西向次一级褶曲，按照其分布及发展形态分为宽展短袖状东西向褶皱、宽展短轴状北西向褶皱和宽展短轴状南北向褶皱。断层多为北东向和北北东向压扭性断层，走向延伸稳定，局部倾角较大，可达60°～70°。

矿区主要含水层为：石炭系壶天群岩溶溶洞强含水层，该地层岩溶极为发育，含有丰富的地下水，并且直接覆盖于矿体上部，构成矿体的直接或间接顶板。其岩性为白云岩、白云质灰岩，分布广泛，平均厚度达150m，是矿坑主要的充水含水层，也是矿区地下水防治的主要对象;东岗岭组上段～天子岭组下段岩溶裂隙中等含水层，该层出露于矿区北部隔水边界及狮岭背斜轴部，向南东倾斜逐渐潜入矿区深部。其岩性为白云质灰岩、生物碎屑灰岩，总厚度达200余米。富水性中等，浅部（约50m标高以上）岩溶较发育，深部以裂隙含水为主，是深部矿体的直接充水水源，且与上部的壶天群组溶洞裂隙水在断层破碎带附近存在水力联系。

1.2 矿井涌水通道分析

根据矿区长期的监测资料分析，矿坑主要的进水通道有：

（1）介于F4断层至F5断层之间的金星岭南部进水通道，主要以南面为进水方向，通道裂隙较大，岩溶管道发育较好，属于馈入型通道。旱季涌水量为16000～25000m3/d，雨季为24000～38000m3/d，某些监测点水质较差，在-40m新南截流巷涌水较为集中，且离矿区东部塌陷区距离很近。

（2）西部阻水边界至F4断层之间的狮岭南部进水通道，该通道同样以南面为主要的进水方向，涌水量相对较小，约为1000m3/d，但受大气降水影响较大。在狮岭南侧放水巷涌水集中，进水通道也属于馈入型通道，且与214/ZK11孔北东侧塌陷区连通性良好。

（3）金星岭北部进水通道，以正东向为主要进水方向，通道内裂隙、溶孔較多，属于渗入型通道，在0m北截流巷涌水集中，流量较小，平均涌水量约为3800m3/d，水质较好，周边无明显塌陷区。

2 帷幕方案设计

2.1 帷幕线的布置

帷幕线总体呈“J”字形摆布，分五段施工，整体帷幕位置为E—F—G—H—I线。南段帷幕主要封堵F4断层至F5断层之间的金星岭南部进水通道及狮岭南部进水通道，同时为确保将来矿区金星岭南部矿体及部分东矿带的安全开采，经过调整修改，最后的幕址西界布置在F3隔水墙上，经214勘探线斜拉到216勘探线的F5与F6之间，东北端进入CK48（长期水文观测孔）高水位区。帷幕设计全长为1670m，实际帷幕轴线长1698m。

2.2 帷幕参数的选择

（1）帷幕深度：帷幕的高度取决于拟建帷幕含水层起始注浆的标高和隔水层底板的埋深，根据相关资料模拟，凡口矿帷幕施工完成后，幕外水位雨季最高将达到标高85m，接近第四系底板，但实际上，第三段帷幕施工结束后，幕外局部水位已达标高90多米，所以，不仅含水层必须注浆，而且土层也必须注浆，帷幕顶板即为第四系。帷幕底板取决于隔水层底板的埋深，一般帷幕注浆孔应深入可靠隔水层（天子岭花斑状灰岩）底板以下3～5m。断层附近的孔应适当加深，可进入完整天子岭地层15m左右。根据凡口矿拟建帷幕区域岩溶发育状况、地层发育特征与地质岩性，凡口矿帷幕不同地段幕高不同，帷幕高度设计在标高80～100m之间。

（2）注浆孔的布置及施工形式：帷幕第四段仍采用单排孔布置形式，平均孔距10m，局部复杂地段视情况加密到8m。注浆孔按由稀到密的原则，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序次先后施工，实际施工时，根据相邻钻孔的注浆，压水及井下跑浆等情况，在部分钻孔之间增加加密孔，孔距加密到4m。

（3）注浆方式：帷幕主要采用下止浆塞分段注浆、孔口纯压式两种方式。

（4）设计帷幕厚度：10m。

（5）钻孔孔径：开孔孔径≮130mm，终孔孔径φ91mm，特殊情况可采用φ75mm终孔。

（6）钻孔孔斜率：全孔孔斜率控制在1.5%以内。

（7）钻孔孔深误差：<1‰。

（8）帷幕渗透系数：帷幕渗透系数设计为0.06m/d，透水率为6Lu。

3 帷幕效果与分析

3.1 帷幕内外地下水位观测成果分析

根據矿方提供的地下水位观测资料，分别取帷幕线内外钻孔水位进行对比，结果如表1所示。从表1可以看出：帷幕内侧水位基本保持稳定，仅214/FK1上升了19.15m，主要是南段帷幕未封闭，地下水绕流造成的;与此同时，帷幕外侧水位随着帷幕注浆施工不断推进，呈现明显的上升趋势，216/FK2、216/FK1、CK0801、208/SK14等均上升了30多米;帷幕内外水位差在不断增大。由此可以看出，帷幕墙在拦截地下水方面效果显著。

3.2 -40m中段排水量分析

井下排水是验证帷幕堵水效果最直接的参数，2007年帷幕施工开始，2013年10月份完成帷幕线上主要施工段的施工，取井下-40m中段帷幕施工前10年（1998～2007）各月份平均排水量与施工期间（2008-2012）以及2013年各月份排水量进行统计，如表2所示。

从表2可以看出，施工期间，-40m截流巷排水量不断减小（每年同期），随着帷幕的不断推进，凡口矿帷幕注浆工程的截流效果逐渐体现。以每年8、9、10三个月平均排水量进行统计，帷幕前其平均值为86.7吨/月，2013年主要过水通道封堵以后，其排水量平均值为21.8吨/月，帷幕堵水率达74.9%，显示出了帷幕注浆的积极效果。

3.3 降落漏斗与塌陷

通过帷幕的施工，矿区南部疏干漏斗大幅回缩，回缩直线距离达800～1000m。塌陷发生的区域、规模缩小，塌陷数量减少，矿区生态环境逐步恢复。经统计，从2002～2007年年平均塌陷总数100个，至2013年塌陷总数为33个，减少率达67%。塌陷产生的频率、规模及其对环境的影响程度大幅度减小，产生的区域也相对集中在幕外地下水流场变动带内，沿地下水流自西向东呈带状分布。避免了因地面塌陷对村民及村政设施产生破坏，有效保护了宝贵的耕地资源，农田复耕、土地复种，周边村民的生产经营及生活不受影响，矿农关系得到改善。同时节约了大量的塌陷治理费用。

4 结论

（1）随着帷幕的施工，帷幕外水位明显上升，均超过85m，达到设计要求，降落漏斗大幅回缩，进水通道明显减小，井巷排水量也大幅下降，堵水率达到68.35%，超过设计值60.7%，说明帷幕的施工质量好，达到了预期的堵水效果。

（2）通过实施帷幕注浆技术，有效的遏制了水害对该凡口矿的威胁，保障了矿山的安全生产，为矿山节省了大量的排水费用，并且减少了矿区地面塌陷数量及改善了矿区的生态环境，缓解了矿农矛盾，为矿山创造了良好的经济效益，同时该帷幕注浆工程的成功实施对类似条件工程施工提供了借鉴。

参考文献

[1]葛家德，王经明.疏水降压法在工作面防治水中的应用[J].煤炭工程.2007，（08）：63-65.

[2]王军.矿山地下水害防治技术新进展[J].采矿技术，2002，（03）：55-58.

[3]李彩惠.带压开采防治水技术及研究方向[J].煤矿开采，2010.

[4]王立生.帷幕注浆法在冬瓜山铜矿的应用[J].金属矿山，2008.

[5]徐加夫.铁矿床开采井下近矿体帷幕注浆技术及应用[J].中国矿业，2012.

[6]徐磊，李飞，辛小毛.近矿体帷幕注浆在某大水矿山的应用[J].矿业研究与开发，2015.

[7]李建文.帷幕注浆技术在柠条塔煤矿水害治理中的应用[J].煤炭技术，2016.

[8]邝健政.协作组岩土注浆理论与工程实例.岩土注浆理论与工程实例[M].北京： 科学出版社，2001.