金属矿山地下水零排放技术方法研究

2022-07-15贾玉琴韩贵雷

中国矿业 2022年7期

贾玉琴，韩贵雷

(1.华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄 050021；2.河北省矿山地下水安全技术创新中心，河北石家庄 050021)

0 引言

华北地区属于极度缺水区，人均水资源量约为全国的1/7，其中京津冀人均水资源量仅为230 m3[1-2]。地下水超采是不可持续利用水资源的重要原因，2010年华北地区地下水超采量达到95.8亿m3，其中京津冀地下水超采量达60亿～70亿m3[1,3]。在华北地区地下水超采中，大约1/3为浅层超采区，约2/3区域存在深层承压水超采问题，邢台百泉泉域百泉停涌就是区域深层地下水生态环境被破坏的典型表现[4-5]。

最新研究表明，矿业开发是造成深层承压水超采的重要影响因素。近年来，邢台市境内的年采矿排水量为7 000万～11 000万m3，约占百泉泉域岩溶水可开采量的50%，其中新城矿区年排水量4 100万m3[4]，中关铁矿采用疏干采矿年排水量可达5 500万m3。

邯邢铁矿田是我国重要的资源能源保障基地，成矿带上赋存的优质矿产资源超过6亿t，20世纪70年代被誉为“中国的鲁尔”。邯邢铁矿田位于百泉泉域地下水强径流带，采用传统疏干排水采矿将会加剧地下水降落漏斗的扩展，严重破坏区域内地下水的生态环境，同时也给矿山带来巨大的经济负担和安全隐患，2014年我国启动了河北省地下水超采综合治理试点[5]。王建华等[6]提出了地下水开采监测预警、计量、双控等地下水超采治理的关键支撑技术。在此背景下，如何解决优质矿产资源开采与区域地下水资源保护、地下水环境保护之间的矛盾是国内外大水型矿山面临的紧迫难题。

帷幕注浆、井巷地表预注浆、矿山地下水回灌等技术手段，在矿山防治水方面发挥重要作用，能够在消除矿山安全隐患的同时最大限度地保护区域地下水资源和地下水生态环境[7]。但是，由于其涉及技术面广、研究工作起步晚，众多的关键性技术未得到较好解决。例如，帷幕注浆技术设计理论、检测方法、新材料开发利用等，关键技术应用推广受到制约[8]。为了填补国内研究空白，攻克技术难题，建立系统的金属矿山地下水零排放关键技术体系，突破帷幕注浆技术、井巷地表预注浆技术、矿山地下水回灌技术等领域技术瓶颈，对解决国内外大型水矿山面临的紧迫难题提供借鉴。

1 技术方案

金属矿山地下水零排放技术方案的原理为：首先采用帷幕注浆技术，切断矿床与区域地下含水层70%～80%的水力联系；再采用井巷地表预注浆技术有效保护帷幕内矿山地下水静储量；最后采用矿山地下水回灌技术将剩余20%～30%帷幕内地下水动态补给量，经净化处理后回灌到区域地下水含水层中，最终实现大水型矿山地下水零排放目标。

1.1 矿山帷幕注浆

矿山帷幕注浆是利用钻孔和注浆设备将可凝浆液注入岩体含水层，在矿体周围形成一条帷幕状相对隔水带，以减少帷幕内矿坑涌水量的一种矿山防治水技术措施[9-10]。目前，在建矿山和生产矿山均有矿山帷幕注浆工程实施案例，主要用于解决矿体水源补给问题，减少地下水资源疏干与抽排量。据调查，我国实施的各类帷幕注浆工程达50多项。

1) 规模划分。建设工程规模是确定工程技术参数、工程投资和建设程序的重要依据。根据帷幕钻探和注浆工作量可将矿山帷幕注浆工程分为以下三个等级：大型，钻探延米大于10×104m或注浆量大于15×104m3；中型，除大型、小型以外的工程；小型，钻探延米小于2×104m且注浆量小于5×104m3。

2) 建设程序。矿山帷幕注浆工程实施建设程序如图1所示。试验阶段是矿山帷幕注浆工程建设的重要过程，也是衔接初步设计和施工图设计的重要环节[11]。试验段具有施工的性质，但是由于矿山帷幕注浆工程具有典型的隐蔽工程特点，初步设计时获取的地质信息可靠性较低，需要通过试验阶段帷幕注浆对初步设计参数进行验证或修正，试验段获取的数据是施工图编制的重要依据。鉴于此，帷幕注浆试验阶段应该属于设计阶段的重要环节。

图1 帷幕建设程序Fig.1 Curtain construction procedure

帷幕注浆试验开展要求达到验证实施帷幕注浆可行性；检验注浆方法、钻探工艺和注浆工艺有效性；验证帷幕注浆参数等目的，布置要求为：试验段布置在水文地质条件和施工条件具有代表性帷幕线上，一般不小于30 m，注浆孔应包含Ⅰ续孔、Ⅱ续孔、Ⅲ续孔完整循环，检查孔2个[12-13]。

3) 主要技术参数。①帷幕防渗性能。帷幕体的抗渗性能指标主要包括堵水率和帷幕体抗渗标准。堵水率一般由地层条件和帷幕形式确定，帷幕体抗渗标准和帷幕设计堵水率直接相关，在缺乏依据的情况下可参照表1确定，也可通过数值分析法确定。

表1 帷幕体防渗标准Table 1 Curtain anti-seepage standard

数值分析法见式(1)。

(1)

式中：K为帷幕体平均渗透系数；λ为帷幕体堵水率；Q为矿坑预测涌水量；I为帷幕体水力坡度，由预测降深确定；H为帷幕含水层厚度；L为帷幕体长度；i为计算时帷幕体剖分数量。

②钻孔孔距。帷幕注浆钻孔孔距是帷幕注浆设计的重要技术参数，帷幕注浆钻孔孔距大多根据成功实例的经验确定，相对均质的裂隙含水层一般设计为8～12 m；构造岩溶通道导水含水层一般小于5 m。也可采用近似计算法确定，其计算过程如下所述。

单排注浆孔距计算见式(2)。

(2)

式中：a为注浆孔间距，m；L为帷幕厚度，m；R为浆液扩散半径，m。

③其他。帷幕上限、下限、厚度等参数应根据水文地质条件等综合确定。一般要求帷幕上限要保证帷幕建成后地下水不漫顶进入矿坑，下限进入隔水层5 m，帷幕体厚度根据承受的水力梯度计算或者选择5～10 m。

1.2 矿山井巷地表预注浆

为最大限度保护地下水的同时确保矿山安全基建，在矿山井筒、重要硐室开凿前可利用钻机从地表井筒周围钻孔注浆，相应技术措施即为井巷地表预注浆。井巷地表预注浆技术参数主要包括注浆起始深度、注浆终止深度、注浆钻孔布置、注浆孔结构及轨迹、注浆压力等。

1) 注浆孔数量。井巷工程地表预注浆钻孔数量应根据井筒结构、浆液性能、地质条件、治理目标等综合确定，具体技术见式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：N为注浆个数，个；D1为井筒荒径，m；D2为布孔圈直径，m；A为井筒荒径至布孔圈距离，m；L为注浆孔间距，m。

通过式(3)和式(4)确定的钻孔孔距还应综合考虑浆液的搭接、帷幕厚度要求和钻孔孔斜。

2) 注浆压力。注浆压力应综合考虑地下水压力、岩石节理裂隙发育程度、浆液特性等因素，注浆终压应能保证浆液扩散到设计的有效扩散半径。注浆终压计算经验公式见式(5)。

(5)

式中：K为压力系数；P为注浆压力，MPa；H为受注点致静水位的水柱高度，m。压力系数K可参照表2。

表2 压力系数Table 2 Pressure coefficient

1.3 地下水回灌

矿坑水回灌是实现地下水零排放的关键环节，回灌井数量的确定应根据地层水文地质条件，回灌上限水位等参数综合确定。根据回灌试验群井回灌公式见式(6)。

(6)

式中：N为增加回灌井数量，口；S总回灌井内水位抬升高度，m；Q为回灌量，m3/h。

2 工程案例

中关铁矿位于河北省邢台市沙河县，是一座储量近亿吨、品位超过46%的优质矿山，该矿山是国内典型的岩溶充水大水矿山，矿床位于邢台百泉泉域地下水强径流带，经水文地质评价矿山开采-230 m中段，矿坑涌水量可达15万m3/d，为了解决矿山开采、安全运营以及采矿与地下水资源保护等方面的问题，矿山连续开展了矿体侧向大型止水帷幕注浆、井巷地表预注浆、矿坑水回灌等措施，最终实现矿山矿坑水地表零排放[14]。矿坑水零排放模型如图2所示。

图2 矿坑水零排放模型Fig.2 Zero discharge model of mine water

1) 帷幕注浆技术参数。中关铁矿帷幕注浆工程设计堵水率70%，采用单排注浆帷幕，帷幕线南北长1 140 m；东西宽890 m，帷幕线全长3 397 m，由283个注浆孔，90个辅助钻孔，共373个钻孔构成。经过帷幕试验，钻孔孔距由10 m调整为12 m，主要技术参数见表3。

表3 中关铁矿帷幕注浆工程技术指标Table 3 Specifications of Zhongguan Iron Mine curtain grouting project

2) 井巷地表注浆技术参数。井巷地表预注浆标准为断面出水量不大于10 m3/h，结合场地地层条件，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，破碎硐室和下部矿仓部分孔距为4.45～7.70 m，破碎硐室部分孔距为4.88～7.50 m。考虑到上述硐室埋深较大，部分钻孔采用分支孔，钻孔布置如图3所示。经试验可知，在注浆压力不小于10 MPa条件下采用改性黏土浆液，具有较好的堵水效果和塑性强度，可承受井巷掘砌爆破震动[13-15]。

图3 钻孔布置图Fig.3 Borehole layout

3) 回灌工程参数。中关铁矿采用帷幕后，地下水动态补给量为3万m3/d，鉴于矿山帷幕顶板标高为+100 m，所以帷幕外回灌后地下水标高不得高于+100 m；根据回灌试验该回灌层位在回灌井水位抬升至+90 m时，单井回灌量达到496.8 m3/h。经计算可得，布置3口回灌井可满足要求。考虑群井回灌对回灌能力的影响以及长期回灌使回灌井产生堵塞，回灌能力降低以及本矿区灰岩含水层岩溶裂隙发育不均，回灌井数量按7口井布置，3口井回灌和3口井回扬，备用井数量1口。

4) 治理效果。中关铁矿采用帷幕注浆、井巷地表预注浆、矿坑水回灌等相关技术措施，对于保护区域地下水资源和地下水生态发挥重要作用，帷幕有效切断了矿体与区域地下水联系，帷幕内外水位差超过70 m。帷幕内动态补给地下水，通过回灌涵养补给了区域地下水，帷幕外区域地下水水位上涨32 m，有效保护了区域地下水资源。