非煤矿山河道防渗治理措施应用研究.pdf

非煤矿山河道防渗治理措施应用研究李阳明1,2,3,易伟功1,2,3(1.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2;2.金属矿山安全技术国家重点实验室,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2;3.湖南省矿山地质灾害防治与环境再造工程技术研究中心,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2)摘 要:山西紫金矿业有限公司斑岩型金矿床上方存在一条常年性河流(义兴寨河),河流水入渗补给矿山井下的总水量为3 3 9 7m3/d。从地形地貌、气象水文、工程量、生态环境及工程效果5个方面进行综合分析,最终确定原河道防渗为最佳治理方案。针对斑岩型金矿床上方义兴寨河点状集中渗漏的特征,基于可靠、经济的原则,设计出具体的防渗工程施工工艺和质量控制措施,通过工程实践使河道防渗堵水率达5 7.1%,矿山每年节省排水费约2 0 0万元,充分验证了该治理方案的有效性和可靠性,可为同类工程提供参考。关键词:矿山突水;矿山水文地质;防治水;河道防渗0 引言矿山突水是矿井5大灾害之一1,是指在采矿过程中因巷道掘进、井下放炮、钻探等活动影响下2,沟通地下含水层、采空区、断裂带等导水通道,导致地下水、老窿水、地表水体等水源在瞬间大量涌出38,造成井下所有巷道或部分巷道被水淹没的矿山突水灾害9。突水灾害是造成金属非金属地下矿山群死群伤的主要因素之一1 0,严重威胁矿山的安全生产,严重制约了矿产资源的开发利用。随着人类社会生产力的迅猛发展,对矿产资源的需求与开发也愈加猛烈。近年来,伴随着社会对矿产资源的需求量日益累加,矿山开采模式已从露天转为地下,浅部向深部过渡1 1。然而,地下开采相较于露天开采方式存在“地温高、地压高和水压高”等特征,水的存在致使水文地质条件复杂的矿山容易出现矿井突水事故,威胁人员与设备的安全1 2。由河流水作为充水水源的井下突水事故时有发生,河流水作为致灾因子的突水事故在发生时间与降雨产生时间存在高度一致,且井下突水量也与当地降雨量呈现正相关关系。山西紫金矿业有限公司对该公司斑岩型金矿床上方地表的义兴寨河河道开展了防渗治理工程,旨在降低矿山井下突水风险。1 矿区水文地质条件调查1.1 地形地貌山西紫金矿业有限公司矿区地处晋北高原、恒山山脉南麓,高寒多山,地形北高南低,北为恒山主脉分水岭;南为滹沱河谷地北侧丘陵缓坡区1 3。矿区所在区域内绝对高程在1 9 0 0m以下,相对高差7 5 0m之内,矿区范围内绝对高程为1 2 3 0 1 4 7 4m,相对高差小于2 5 0m,属中低山区。矿区内沟壑纵横,黄土冲沟发育,山间流水不断。1.2 气象水文矿区属大陆性干旱半干旱气候,四季分明,春季干旱多风,夏季雨量集中,秋季温和,冬季少雪寒冷。多年平均降水量3 8 9.1mm,降水量年际变化大,多雨年曾达5 8 4mm(1 9 5 9年),少雨年仅为1 7 9.7mm(1 9 6 5年)。降水量年内分布差异悬殊,雨季集中,仅七月、八月降水量占全年降水量的5 1%。多年平均蒸发量为1 9 6 4.2mm。蒸发量远远大于降水量,直接影响着地下水的补给、形成和动态变化特征。1.3 水文地质条件斑岩型金矿床的水文地质条件属复杂类型,矿体位于当地侵蚀基准面以下,为高山河谷地形,地形不利于自然排水,利于降雨在山间沟谷中汇集,矿体正上方存在一条常年性河流 义兴寨河,河流水与地下水水力联系密切,是矿坑突水的主要突水水源,部分矿体上方被第四系冲洪积层覆盖,其透水I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3性、富水性强。矿区内北西向断裂构成矿区构造的基本骨架,控制了斑岩型金矿体的产出,主断裂F4为压扭性阻水构造,但斑岩体靠近F4断裂西侧存在一定规模的张性裂隙,是地表水体与井下工程之间的重要导水通道。1.4 地表水体矿区范围内发育有同路沟、上角峪沟、义兴寨河3条河沟,同路沟与上角峪沟汇合后为义兴寨河。义兴寨河河床在矿区内纵坡坡降为2.2 7%,最大洪峰流量为3 5m3/s,平均清水流量为0.1m3/s。河流长观测数据显示,每年1 2月至翌年1月会出现短时断流现象。河流上下游流量的监测结果表明,同路河流量为5 9 9 5m3/d,上角峪河流量为2 4 3 7m3/d,义兴寨河流量为5 0 3 5m3/d,据此推断河流水自义兴寨河补给矿山井下的总水量约为3 3 9 7m3/d。综上所述,根据对矿区内水文地质条件综合研究,义兴寨河流对矿井的渗漏补给严重威胁着矿山井下的安全开采,为避免由河流水灌入矿山井下而导致突水淹井事故,必须对矿区内义兴寨河道的渗漏实施有针对性的工程治理。2 河道治理方案2.1 治理范围综合河流上下游流量监测、地球物理探勘及井下涌水量监测1 4的结果,发现义兴寨河在矿区内漫水桥下游存在集中渗漏点,河流水向第四系补给后通过基岩裂隙或者断裂带补给井下的总水量为3 3 9 7m3/d。据此确定本次河道治理段起点始在义兴寨河漫水桥(6#勘探线)处,终点超过斑岩型金矿床南侧边界约1 0 0m(1 1#勘探线),长约5 5 0m,地处义兴寨河末端。左右岸大部分为土质岸坡,岸坡较缓。2.2 治理方案比较为避免雨季时洪峰过境,河流水灌入矿山井下造成巷道突水事故的发生,保障河道下斑岩型金矿体的安全开采,制定了河流改道及原河道防渗两个方案,在遵循“技术可行、经济合理、安全可靠”的工程治理方针的前提下,分别从地形地貌、气象水文、工程量、生态环境及工程效果5个方面对治理方案进行综合分析。(1)地形地貌。矿区地处晋北高原,相对高差约2 5 0m,属中低山区,义兴寨河在矿区内河段的两侧均是高山峭壁,地势高耸,只有山间河谷地带相对平坦,为高山河谷地形,不利于自然排水,有利于降雨在山间沟谷中汇集。(2)气象水文。矿区属大陆性干旱半干旱气候,年内年际降雨量变化大,多年平均降水量为3 8 9.1mm,春冬季节干旱少雨,七月、八月的降水量占全年降水量的5 1%。义兴寨河丰水期、平水期、枯水期河流流量相差甚大,最大相差数百倍之多。(3)工程概算。若实行河流改道,则需要在矿区外寻找合适位置将其截流并重新修建河道,长度超过2k m,投资超千万。河流改道面临距离过长,需要征收大量土地,且面临施工周期过长、投资额过大等诸多方面的问题。而采用河道防渗则只需要治理 长 度 约5 5 0 m的 河 段,工 期 短、投资小。(4)生态环境。义兴寨河最终汇至离矿区约3k m的龙山水库,河流改道将对义兴寨河流域沿岸的居民饮用水、农业用水、畜牧业用水等产生重大影响,造成河流周边生态环境的恶化。(5)工程效果。即便成功实施河流改道,但矿区地处高山峡谷地形,降雨依旧汇集至原有河道,向矿山井下渗漏补给。暴雨时,义兴寨河流水灌入矿山井下造成突水淹井事故的风险仍未被消除,改道措施效果不明显。综合上述5方面原因,河流改道方案相较于原河道防渗方案存在工程造价过高、工期长且工程效果不佳,改道后无法保证河流沿岸居民、农业及畜牧业的正常用水,造成生态环境恶化等诸多不足。因此,采用原河道防渗处理方案来治理义兴寨河道渗漏问题。3 河道防渗方案3.1 治理思路通过上述研究表明,降低义兴寨河通过第四系松散层入渗补给矿坑是治理矿山突水隐患的关键。针对斑岩型金矿床上部义兴寨河点状集中渗漏的特征,本着可靠、经济的原则,决定采用M 1 5水泥砂浆铺底、复合土工膜柔性防水层1 5和C 2 5细石钢筋砼抗冲刷层的河道复合防渗方案。3.2 技术方案义兴寨河河道复合防渗方案设计(见图1)主要包括6个部分,即河床整平、岸坡护砌、浇注水泥砂浆、铺设土工膜、铺设C 2 5钢砼及设置伸缩缝,各步骤具体实施内容如下。871采矿技术2 0 2 3,2 3(3)(a)义兴寨河河床渗漏段防渗剖面(b)防渗结构局部放大(c)义兴寨河河床渗漏段起口与出口端防渗剖面(d)伸缩缝结构大样图1 义兴寨河河道复合防渗施工方案(单位:m m)(1)河床整平。河道防渗治理范围内两岸河段均为土质岸坡,河道底部分布卵石混合土、级配不良砂、级配不良砾、砾砂及生活垃圾。因此,需对河床砂卵石冲积层开展清除表层浮土及河床整平工作,清除河道内直径大于2c m的石块,筛除杂草、树根等杂物、生活垃圾、建筑垃圾及其他对河道防渗效果有不利影响的垃圾,并利用河床整平所产生的开挖料回填河道内存在的砂坑1 6。(2)岸坡护砌。岸坡护砌选用浆砌石,片石强度不得低于3 0M P a,砌石的胶结材料主要为水泥砂浆,采用铺浆法分层砌筑。砌筑前须对砌石浇水润湿,将表面灰尘、泥土冲洗干净。(3)浇注水泥砂浆。河床整平后,在其上部铺设1 0 0mm厚的M 1 5水泥砂浆,待对尺寸和厚度验收合格后方能进行下道工序。为防止河水从砂卵石层渗漏,在防渗段的起口和出口端各2m范围内,清除砂卵石冲积层到河床床基(见图1(c),浇注M 1 5水泥砂浆与复合土工膜柔性防水层相接。(4)铺设土工膜。水泥砂浆铺好后,铺设两布一膜的非织造S N 2/P V C-1 6-4 0 0-0.3 5复合土工膜,复合土工膜技术参数为断裂强度1 6.0k N/m,膜材膜厚0.3 5mm,非织造布总单位面积质量4 0 0g/m2;沿河道轴线方向水平滚铺,膜与膜之间采用热焊搭接,搭接长5 0c m,逐次沿顺坡向铺,复合防渗土工膜需覆盖两岸麻石挡墙1m的高度。(5)铺设C 2 5钢砼。C 2 5细石钢筋砼抗冲刷层总厚度为1 0 0mm,分两层铺设,每次铺设5 0mm,采用振捣泵振捣密实,待第一层砼铺设完毕后于表面配筋(规格为 1 02 0 02 0 0),然后再铺设第二层砼。在义兴寨河防渗治理河段,复合防渗层要覆盖两侧的河堤高度为1m,并有1m长的锚杆与麻石挡墙连接。(6)设置伸缩缝。钢筋砼板每隔3 0m设置伸缩缝一条(见图1(d),放置S 2 5 0-6橡胶止水带止水,采用热硫化连接法接头,使用泡沫和沥青充填伸缩缝。3.3 工程效果为检验义兴寨河防渗工程效果,采用断面法测流。由于河道较为顺直,断面尺寸变化小,因此采用曼宁公式确定水位流量关系1 7。河道断面流量Q的计算表达式为:Q=A V=1nA R23J12=1nA 23J12(1)式中,A为过水断面面积;V为过水断面平均流速;n为糙率,反映河床及河床内部对水流的影响;R为水力半径;J为比降;为湿周。通过计算,防渗工程实施后义兴寨河上下游断面流量损失由0.0 3 9 3 m3/s(3 3 9 7 m3/d)降低至0.0 1 6 9m3/s(1 4 5 6m3/d),河道防渗工程堵水率为5 7.1%。971李阳明,等:非煤矿山河道防渗治理措施应用研究4 结论与建议(1)义兴寨河河道防渗工程堵水率为5 7.1%,矿山每年节省排水费用约2 0 0万元,2.5a可收回投资成本。(2)义兴寨河河道防渗工程实施后,仍存在部分河流水在防渗工程前后两端入渗补给矿山井下,今后可通过施工钻孔布设防渗帷幕墙截流,钻孔下端嵌入相对不透水层0.5m。(3)建议加强矿区河流流量监测。在矿山运营的全周期内,应对矿区范围内的同路沟、上角峪沟及义兴寨河三条河沟应用断面法对河流流量进行长期监测,为矿山井下突水事故的预警提供数据支撑,以保障矿山安全生产。参考文献:1 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