专门水文地质学 (73).doc

吉林大学精品课专门水文地质学教材专门水文地质学 10.5矿床疏干与排供结合 为采矿安全，降低成本，对威胁采矿的各充水水源采取的疏排，控制与隔离等工程措施，统称矿床疏干。矿床疏干会破坏供水水源，美化环境。尤其在大水水源。因此，矿床疏干措施的制定。必须以人为本，从经济，技术，社会效应出发，兼顾采矿，供水，环境保护等诸多利益，是一项统筹性工作。矿床疏干首先应从开采布局开始。同时应结合水文地质条件合理选择疏干方法。 一、根据水文地质条件合理选择开采布局和开采方法 1. 先易后难应尽量安排水文地质条件简单，流水量小的矿井先上马，既利于探索和积累防治水经验，为复杂矿井的疏干奠定基础，又可 预先疏干，避免一开始就背上高成本的负担。 2. 置永久性主干井卷（井筒 井底车厂等）于安全位置避免穿过强含水层（带）或可能发生突水地段。如焦作中马村煤矿，因井底车场距高压充水层过近，建井15年因突水被淹8年之久，后在冯营演马村矿建井时，吸取经验教训，三年即建成投产。 3. 联合开采、整体疏干，利于形成统一降落漏斗，不仅加快了疏干速度，还能使多矿井分担单井出水量，降低成本。 4. 多水平开采、加强开采强度如贾汪煤矿的经验表明，一个水平的涌水量与多水平涌水量基本一致。其夏桥井1961年最高含水系数达192.5；而1973年，在提高机械化程度基础，采用多水平开采强度后，含水系数迅速降至12.89，大大降低了开采成本。 5. 根据水文地质条件选用采矿方法如在大水矿床采用充填法与残柱（安全矿柱）法或间歇式采矿法。后者指上下层错开一定时间（一般为半年）段开采，以后和顶底岩层移动，降低导水裂隙高度。在地表水体开采时，准确确定安全开采开采深度，避免采空区冒落带波及上方水体。 （一）根据水文地质条件选择疏干工程措施 1. 间接进水防水工程 也称消极防水。如采用残柱法支撑法等安全采矿方法，构筑防水产闸门和密封墙等防水工程，以防突水时阻隔地下水大量涌入主干井巷。但这种防水措施是以强大的排水能力作为后盾，以河北一凤矿为例，为确保带压开采下三层煤的安全，建造了140m3/min的排水基地。 2. 直接进水的积极疏排、隔水帷幕工程措施，其安全性高，但投入也大，常用的方法有三种 （1）地表疏排 ①防洪整治沟壑、敷设排水管，汇集、疏导降雨形成的地表洪流；同时填堵地面岩溶坍陷坑，构造破碎带导水通道； ②治理地表水包括回填河床坍陷洞，俢筑防水堤，防止地下水入渗；需要及可能时可以令地表水改道； ③疏干危及采矿的浅部强含水层根据含水层的埋藏深度与富水性，选择铺设集水廊道（＜15 m＝或打疏干深井孔从地表排水，目前深井泵的最大扬程已达500 m。其优点井巷掘进前地下水位已被降低，安全性高与井下疏排比较速度快、成本低。 （2）井下疏排 ① 用坑道疏排适用于大水矿床的预先疏干。即用专门的疏干坑道，揭露强含水层，疏截地下水，汇入水仓后用井筒排出表现。疏干井简一般设在采矿场外，可采用卧泵排水，不需要建大水仓、大泵房，也不怕淹。 ② 坑内放水钻孔疏排适用于距顶底板较近（＜1 5 m＝涌水量不是很大的含水层的局部超前疏干，能在较短时间内形成局部疏干漏斗，对坑道掘进和开采初期实施超前疏干。包括应用于基岩充水矿床的放水孔和第四系含水层的打入式过滤器。当第四系含水层距顶板较远时，可采用从地表打入的带滤层直通式放水孔，将地下水自浅坑内，汇入水仓再排出地表。 ② 隔水帷幕通过疏排降低地下水位，会引起区域性地下水位大幅度下降，破坏供水水源，在岩溶充水矿床还会产生地面岩溶坍陷等灾害。而隔水帷幕是将地下水与矿体、坑道系统隔离，避免发生负面环境影响，并且治水效果好，由于投入大，故适用于地下水量大，矿山服务年限长，进水断面狭、两端坐落在不透水的岩体上，可就近解决注浆材料。我国自湖南水口矿开始，以取得很多成功经验。如淄博煤矿，19551982共完成19项注浆工程，成功18项，最成功的一项堵水效果达99.69以上。 在实际的采矿活动中，各矿山均根据具体情况综合运用各种疏干方法，称联合疏干法。并根据矿床水文地质条件与充水强度，采用预先疏干 或平行疏干，后者是指井巷掘进和采矿过程中，根据预测危险地段进行超前疏干，一般用水文地质条件不是很复杂的矿区；前者用于大水矿床，但也常常与平行疏干相结合，以获得最佳效果。 （二）矿床疏干与排供结合 我国大水矿床的主要充水含水层，大多也是当地主要供水水源，尤其是在北方。面对国家对矿产资源需求的不断增长和工农业生产人民生活水平提高对供水要求的增长。未来大水矿床的疏干必然要在保证矿山生产安全的前提下，走矿水并举、排供结合的统筹道路。1977年全国第一次“综合治理和利用矿床大面积地下水”会议，提供了这方面很多成功经验，现归纳五种符合国情的有效模式，介绍如下 1利用矿坑水的排供结合模式 早期在勘探与矿山设计中常未考虑排供结合问题，故是一种被动模式。由于井水受到不同程度的污染和排水量不够稳定等缺点，目前大水矿床井水的利用率很低，据北方大水矿床的不完整统计，煤矿矿井水利用率仅30，铁矿为54，主要用于水质要求不高的农业灌溉（无毒条件下）和与矿产资源开发利用有关的洗矿、发电、炼焦等行业，如用于居民生活或食品医药等工业，需考虑净化处理。 2. 预先疏干的排供结合模式 在诸多疏干方法中，地表深井排水的预先疏干是理想的矿水并举模式，既减少了矿坑涌水量，又建成了供水水源地（如广东石录铜矿）此外，根据矿山开采规模的发展，渐进式的优化深井排水量，使疏干流场处于缓变状态（与突水相比较），可减弱疏干对环境的负面影响，如地面岩溶坍陷的规模；同时，也可减少水中泥沙含量，保护水质（如湖南水口铅锌矿与斗笠山煤矿）。 3. 利用含水层双层结构的排供结合模式 如山东金岭铁矿，在水文地质调查中发现，顶板充水围岩中奥陶灰岩是上强下弱的双层含水结构，中有相对隔水层，但具统一地下水位。经放水试验，验证了中间相对隔水层的5，改变了原设计在井下按开采水平各设疏干坑道的全面疏干方案，采用隔水层上部含水段供水，下部弱含水段疏干的排拱方案。开采表明，至第五开采水平时，已出现明显上下分离的两个降落漏斗。 4. 暗河引流的排供结合模式 如湖南香花岭多金属矿，为暗河管道充水矿床，境内分布12条地下暗河，在查明暗河轨迹的基础上，用探洞确定暗河引流段的空间坐标，开始引流坑道在上游截暗河水，灌溉农田3100为亩，解决4000农民生活饮水，同时减少矿坑涌水量98.85 5. 截流帷幕的排供结合 由于帷幕注浆的投入大，技术难度高，要充水考虑供水的需求程度，矿山的经济效益，特别水文地质条件的可行性。按隔水帷幕的作用与规模可分为 ① 帷幕“封口”截流 如焦作演马庄煤矿，1964一次突水淹井，突水来自直接充水层石炭系La薄层灰岩，距底板下20 m，但供水层是通过断层联系的下伏厚层中奥陶灰岩强含水层，与煤盆地边缘L8上覆的第四系含水层，两者均为主要供水水源。在查明上述水文地质条件的基础上，利用帷幕注浆隔离L8灰岩与其上下供水层的水力联系，恢复被淹井保护供水水源，取得了成功，矿井恢复后的涌水量减少。（） 又如同东召口铁矿，其水文地质条件与金岭铁矿相似，主要充水围岩中奥陶灰岩上强下弱，中间有闪长岩穿插，但有一处因分布不连续形成“天窗”，该矿因注浆封闭“天窗”取得成功，实现了上供下疏的排供结合疏干方法。 ② 帷幕圈闭截流 如济南张马屯铁矿，位于济南自流构造的承压区。因规模较大矿石品位高，是山东重要钢铁工业基地，铁矿周边分布众多大型工业企业，日取岩溶水供水量30万m3/d；矿床为顶板直接进水，主要充水围岩中奥陶灰岩，也是上述周边企业的供水含水层，矿区除东部边界为阻水断层外，南、西、北部都进水。经放水试验预测该矿最大涌水量为4045万m3/d，若按40万日疏干量计算，将形成＞10km的疏干距离。其中位于相距2km的黄台电厂（是济南市照明与动力电源的唯一来源）水位将下降185.2m，此时其水源地将被废弃，周围其它企业的水源地也会受到不同程度的影响，更为严重的是素有泉域之称的济南将风光不在。考虑到上述情况，遂采用帷幕注浆的排供结合疏干模式，背靠阻水断层圈闭岩溶水涌入矿坑。1983.10经国家技术鉴定，隔水效果为80，比预期高出30，经6年开采的验证，帷幕内外已形成＞200m的水位差，既保护了泉域的水环境和济南市东的大片水源地，又大大减少了矿坑排水量，如年节省排水费219万元，节电1900万度以上。（） 图10 湖南香花岭矿区暗河截流坑道南北纵投影示意图 1－截流坑道；2－投影截流坑道；3－暗河；4－投影暗河；5－断层；6－泥盆系白云质灰岩；7－矿体。 （据王锐） 图11 截流剖面示意图 （据方玉先） 最后必须指出，面临水资源的日趋短缺和以人为本的国情，今后矿床疏干虽难以保障采矿安全为前提，介必将纳入矿区所处水文地质单元的水资源管理的轨道，即将矿床排水量作为水资源的组成部分实行统一管理，其地下水的总开采量（疏干量与供水量）不得超过多年平均补给量。对此国外（如匈牙利）对大水矿床采取“限量排水和超量人工回灌”排水量控制措施。 矿床疏干、矿坑水 防治与综合利用与上一项的复杂的系统工程，需研究解决诸多技术问题，如研究最佳排供结合水资源管理模型，预测和预防矿坑突水、地面岩溶坍陷、矿坑水污染九其它环境地质问题，并制定矿坑水的复用标准等等。 图12 浅部L8截流剖面示意图 （据方玉先） 图13 帷幕堵水后漏斗剖面图 （据潘敞尚银） 二、矿区水文地质工作的特点 （一）矿区水文地质工作是与地质勘探密切配合 由于矿区水文地质工作是矿产地质勘探的一个组成部分，它必须在矿产地质勘探的总体框架内作为一个整体开展工作，并全面融入其设计中，才能充分利用地质勘探的多种勘探资源获取水文地质资源，以发挥最大技术经济效益。因此，必须了解地质勘探的特点与过程。 （二）矿床水文地质评价是与采矿条件相结合 由于采矿活动对矿区水文地质条件影响极大，无论是充水因素分析，还是矿坑涌水量预测，都需要考虑矿床的开采条件。因此，了解矿床与采矿的基本知识是做好矿区水文地质工作的需要。 （三）矿床水文地质与供水水文地质的工作目标安全既相互对立又相互统一 说其对立因为矿床水文地质以疏干为目的，以最小矿坑涌水量获得最大水位降为其工作目标，以丰水年雨季峰期最大水位降的安全生产保障程度为其安全 ；而供水水文地质则以供水为目的，以最小水位降条件下的最大开采量为其工作目标，以枯水年安全开采量的保证率为其安全 。使两者的工作重点、思维方式与对水文地质条件的评价各异。矿区水文地质把工作重点放在雨季峰期的充水通道过水能力和强度上；而供水水文地质则以枯季补给与储水构造的调蓄能力为其工作重点。因此，两者是对立的。 说其统一因为矿区疏干与供水是维系矿山生存与安全的两大基本要素，当疏干与供水作用于同一水源时，就出现了排供矛盾，它成为矿区水文地质工作的一大难点与特点。