大竹园铝土矿首采区矿井透水致灾机理及防治措施.pdf

第3 2 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0462-08中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230051Vol.32,Suppl 1June2023大竹园铝土矿首采区矿井透水致灾机理及防治措施黄光洪1，吴延平2（1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明6 50 0 51；2.国家电投集团贵州遵义产业发展有限公司，贵州务川56 43 0 5)摘要：大竹园铝土矿是煤炭系统综掘工艺和综采工艺首次成功运用于有色系统的标杆矿山，矿山地形地貌条件有利于自流排水，但矿山在基建和生产过程中，多次遇到因大暴雨天气导致的井下透水事故，严重影响矿山安全生产。在该矿区水文地质条件的基础上，从透水淹井的水源、通道等方面分析了大气降雨导致矿井透水的致灾机理，结合开采工艺，有针对性提出了切实可行的治理措施，希望对矿山安全生产有所神益。关键词：自流排水；水文地质条件；大气降雨；致灾机理；治理措施中图分类号：TD741Mechanism and prevention measures of mine flood disasterin the first mining area of Dazhuyuan Bauxite Mine(1.Kunming Engineering&.Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.,Ltd.,2.Guizhou Zunyi Industry Development Co.,Ltd.,State Power Investment Group,Abstract:Dazhuyuan Bauxite Mine is the benchmark mine that successfully applies the coal systemcomprehensive mining and fully mechanized mining technology to the non-ferrous system for the first time.The mine topography and geomorphic conditions are conducive to artoflow drainage.However,during theconstruction and production process of the mine,underground seepage accidents caused by heavy rains haveoccurred many times in the rainy season,which seriously affects the safety of mine production.Based on theunderstanding of hydrogeological conditions in mining area,this paper analyzes the disaster mechanism ofmine seepage caused by atmospheric rainfall from the aspects of water source and channel of flooded well,and puts forward some feasible prevention measures in combination with mining technology,hoping to bebeneficial to mine safety production.Keywords:artoflow drainage;hydrogeological conditions;atmospheric rainfall;disaster mechanism;prevention measures大竹园铝土矿属于遵义镇南氧化铝厂主力配套坑内开采矿山，一期设计生产能力10 0 万t/a，规划文献标识码：AHUANG Guanghong,WU Yanping?Kunming 650051,China;Wuchuan 564305,China)的生产规模2 0 0 万t/a。矿区以栗园向斜为界，分为东翼白岩塘和西翼木海坨两个矿段，采矿方法为长收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 2第一作者简介：黄光洪（19 6 8 一），男，高级工程师，主要从事矿山水文地质工程地质设计工作，E-mail：47 113 0 7 9 0 q q.c o m。引用格式：黄光洪，吴延平.大竹园铝土矿首采区矿井透水致灾机理及防治措施 J.中国矿业，2 0 2 3，3 2（S1）：46 2-46 9。HUANG Guanghong,WU Yanping.Mechanism and prevention measures of mine flood disaster in the first mining area of Dazhuyuan BauxiteMineJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):462-469.责任编辑：边晶莹增刊1壁式综合机械化开采，大竹园铝土矿是将煤炭系统综掘和综采工艺 1-4 首次成功运用于有色系统的标杆矿山。矿山位于黔北高原向斜台地，台地与周边有150 m以上的高差，开采矿体均位于当地最低侵蚀基准面之上，矿区地下水位埋深较大且有较好的自流排水条件。但矿山在基建和生产过程中，雨季多次遇到因大暴雨天气导致的井下透水事故，特别是2 0 2 1年7 月5日因大暴雨而再次发生井下透水事故，10 3 工作面回风顺槽和运输顺槽部分巷道低洼处涌水量太大超出水泵排水能力，导致低洼部分巷道积水封巷，井下12 人被困2 1h，虽然没有造成人员伤亡，但产生严重的不良影响。基于对矿区水文地质条件的认识，从透水淹井的水源、通道等方面分析了矿井透水的致灾机理，结合开采工艺，有针对性地提出了切实可行的治理措施，希望对矿山安全生产有所禅益 1-5 。1矿区水文地质条件1.1地形地貌及地表水系矿区为浅至深切割高中山风化剥（溶）蚀高原向南湾水河559.7河铁梅古洞SA10窑河木海坨大沟C,d+P,l黄光洪，等：大竹园铝土矿首采区矿井透水致灾机理及防治措施矿界白岩顶FPmP9栗P.P首来区P.m0园TyT.m向463斜台地地形，一般海拔143 0 16 0 0 m。矿区东、北、西三面为陡崖或陡坡，崖高一般为150 450 m，如图1所示。矿区河流属乌江水系，台地外侧主要河流有灌水河及铁窑河，受梅古洞S10号泉、大沟S36号泉和降雨补给，两小河于花园电站处汇集而成南湾河，如图2 所示。矿区属中亚热带湿润季风气候，年降雨量9 7 9.5 13 3 8.7 mm，历年最大日降雨量为18 9.1mm，降雨集中在4一9 月，占年降雨量的7 6%。图1矿区地形地貌及矿体露头立体模型Fig.1IDiorama model of landform andoutcrop of mining area灌大竹园YP9矿体露头C,d+P,1铝土矿体白岩塘C,d+P,lPA-P.d铝土矿体C.h+$iwP斜T.m/分水岭c.h+S WP.c/PmP.P.ac.d+Pf图2 矿区水文地质简图Fig.2 Hydrogeological sketch of mining area1.2含隔水层矿区含(透)隔水层由上往下有：第四系(Q)黏土、亚黏土透水层；茅草铺组（Tim)灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩透水层；夜郎组九节滩段（Tiy3）粉砂质页岩夹薄层泥灰岩透水层；夜郎组玉龙山段（T iy)灰岩夹泥质灰岩透水层；夜郎组沙堡湾段(Tiy)粉砂质页岩及薄层泥灰岩透水层；长兴组(P:c)灰岩透水层;吴家坪组(P:)灰岩、泥质灰岩、464燧石团块灰岩、硅质岩、黏土岩透水层；茅口组(P2m)灰岩、生物碎屑灰岩含水层；栖霞组(P2q)灰岩、泥质灰岩、白云岩强含水层；梁山组(P2l)炭质页岩、炭质粘土岩、煤线隔水层；大竹园组（C2d)黏土岩、铝土矿、铝土岩隔水层，为铝土矿赋存层位；黄龙组（C2h）灰岩、生物碎屑灰岩隔水层；韩家店群(Sthj)页岩、泥岩、粉砂质页岩稳定隔水层 1-2)。1.3构造矿区主体构造为东缓西陡、两翼不对称、产状较为平缓的栗园向斜，向斜成北东-南西向展布。向斜西翼发育有逆断层，向斜北端转折部位附近发育有正断层 1-2 1.4岩溶发育特征矿区内地表岩溶主要为石林、石柱、溶沟、溶槽、岩溶洼地、落水洞、漏斗等，其中封闭岩溶洼地2 0个，最大单个汇水面积1.0 7 0 9 km，全区总计2.1330km，首采区闭岩溶洼地3 个。地下溶洞分布于二叠系茅口组（P2m）、栖霞组（P2q)含水层中，溶洞由空洞逐渐变为半充填溶洞、全填充溶洞。溶蚀通道由东向西、由北至南往向斜轴部发育于含水PPTyP,mP.梅古洞地下水水位AS101C,d+P,18002矿山开拓系统及透水情况简述2.1 开拓系统矿井以栗园向斜为界划分为东、西两翼开采，采用平斜井开拓。东翼划分为一采区、二采区、三采区,采区回采顺序为：一采区二采区三采区。东翼一采区为首采区，位于8 线以南至3 0 线，主要开拓工程有1140 m主副平碉、机轨合一大巷（矿石运输平巷）、胶带斜井、轨道斜井及1.3 45m回风平巷。整个首采区以斜长16 0 m划分有13 0 3 m、12 7 0 m、1234m、12 0 0 m、117 0 m 五个回采区段，一共10 个回采工作面。每个区段均布置回风顺槽和运输顺槽，都与两条斜井相通。工作面开采顺序为：10 4工作面 10 3工作面10 6 工作面10 5工作面10 8 工作面10 7工作面110 工作面10 9 工作面10 2 工作面10 1工作面，开拓系统及采区划分剖面如图4所示。中国矿业层岩组与隔水层岩组分界线附近。1.5水文地质单元及地下水补、径、排条件矿系上覆为透水层、含水层，矿坑充水的含水层为栖霞组(P2q）、茅口组（Pzm）灰岩，含水层地下水位低。矿系下伏为韩家店群页岩隔水层，在矿区东、西、北三面以韩家店页岩构成隔水边界，南面以地表及地下分水岭为界，形成中上部透水、下部含水、底部隔水的台地向斜蓄水构造，在西翼梅古洞、大沟两泉点处排泄，为一个高位独立水文地质单元，远离当地侵蚀基准面，单元内地下水运动不受当地侵蚀基准面的控制。地下水的唯一补给源为大气降水，大气降水经地表径流集中后通过洼地中的落水洞注入岩溶管道，进入地下暗河系统，最终由梅古洞（S10）、大沟（S3 6)大泉集中排泄。梅古洞（S10）排泄点最大流量147 7.8 0 L/s，最小流量10 8.0 0 L/s。大沟（S36)排泄点最大流量53 7.9 8 L/s，最小流量17.57 L/s。矿区水文地质勘探类型为水文地质条件复杂的顶板直接进水的岩溶溶洞裂隙充水矿床 5，矿区水文地质如图2 所示、A-A剖面如图3 所示。122向斜轴矿界矿界P.Pm地下水水位C.h+S,hjP,mP2C.h+s,hj第3 2 卷S80AP291200C,d+P,l1000铝土矿体800高程/m图3 A-A剖面图Fig.3A-Asection view2.2透水情况首采区基建范围为12 7 0 m区段的10 4工作面和10 3 工作面，每个工作面均需沿矿体底板掘进回风顺槽、运输顺槽和端部切割巷，两顺槽与胶带斜井和轨道斜井联通。设计采用自流方式排水，排水线路为：回风顺槽、运输顺槽和端部切割巷涌水胶带斜井或轨道斜井机轨合一大巷主副平碉地表污水处理站。由于矿体底板有起伏，因此沿矿体底板掘进的回风顺槽、运输顺槽局部形成低洼地段，当极端暴雨天气导致井下涌水量大于低洼地段设置的水泵排水能力时，就产生透水淹井事故。2 0 2 1年7月4日一7 月5日，矿山降雨量分别为12.8 mm和87.7mm，大气降雨汇集于岩溶洼地并通过落水洞进入坑下，淹没了部分低洼巷道，导致人员被困，10 3工作面透水淹没井巷及排水如图5所示。增刊1黄光洪，等：大竹园铝土矿首采区矿井透水致灾机理及防治措施465西翼+9 40 m排水平碉四采区回风斜井四采区胶带三采区回风斜井三采区四菜区运输平巷四采区轨道斜井采区分界线西翼+7 50 m排水平碉运输平巷五采区轨道斜井五采区六采区轨道盲斜卅五、六区回风斜井向六采区胶带五采区胶带回风冒斜井回风斜井六采区+9 40 m同风巷栗三采区回风巷一采区北段三采区回风盲斜井东翼+1150 m回风巷园1.140 m副平酮T140m胶带直斜升ET40m主平碱104工作+1140m轨道首斜井/六采区20东翼+1140 m矿石运输平巷+一采区一采区回风斜川胶带斜卅+米区20轨道斜井103工作面一采区（首采区）+29+29矿权边界线斜采区分界线+二采区轨道斜井二采区4回风斜井！二采区胶带斜井，二采区+图4开拓系统及采区划分剖面图Fig.4 Development system and section drawing of mining area胶带斜书210250,330m水仓轨道斜井103工作面排水专用巷KO+0103运输顺槽高程12 7 5.49 8 m340m涌水点3.5124.0 m/d图510 3 工作面透水淹没井巷及排水示意图Fig.5 Schematic diagram of flooded shafts and lanes and drainage of 103 working face3矿井透水致灾机理3.1特殊的地形和地层结构为坑内透水提供了通道矿区地处高原向斜台地，铝土矿体上覆灰岩透水层和含水层，下伏稳定页岩隔水层。向斜东翼首采区大面积出露栖霞组（P2）、茅口组（Pzm)灰岩，地表大量分布岩溶洼地和落水洞，为大气降雨的垂950m处主要涌水点(2 3 3 2 6 m/d)溶洞群与裂隙涌水点210330m处主要涌水点（12 2 3 2 m/d）KO+0高程12 9 7.510 m溶洞与裂隙涌水点370m水仓570m涌水点6 9 0 m水仓_16.2198.0 m/d直入渗和沿含矿层顶板的倾斜径流创造了良好条件，较纯的灰岩地层及优越的径流环境，促使在矿层顶板栖霞组(P2q）、茅口组（P2m)灰岩地层中形成树枝状的岩溶管道，雨季岩溶管道充水。10 4工作面、103工作面回风顺槽和运输顺槽揭露充水管道时，形成井下透水（图6 和图7）。溶洞与裂隙涌水点被淹没段57 2 m(6784m)693m水仓103回风顺槽人员被困位置：顶板标高+13 2 2.9 7 0 m底板标高+13 19.9 7 6 m/被淹没段47 4m(5622m)溶洞与裂隙涌水点高程12 7 3.8 2 8 m103切巷溶洞与裂隙涌水点900m涌水点高程12 8 5.52 1m16.3235.0 m/d466中国矿业第3 2 卷矿界白岩塘29铝土矿体US,10U,?K,1木海坨U.iOK,KS49K1236UU2(岩溶洼地及编号)K（落水洞及编号）图6 地表岩溶洼地及落水洞分布图Fig.6Distribution map of surface karst depression and sinkhole1500浅层人渗段1400P,m1300120011001 0003.2雨季暴雨天气为坑内透水事故提供了水源矿区地下水水位埋深较大，首采区已经形成以1140m主副平碉及机轨合一大巷为中心的降落漏斗，矿坑实测涌水量大小与旱雨季关系密切，旱季涌水量较小，雨季（特别是暴雨天气）涌水量较大，反映灵敏。导致坑内透水淹井事故的水源不是传统意义上的地下水，而是暴雨天气的大气降雨。1140 m主平碉实测旱季涌水量18 7.2 0 8 54.8 8 m/d。雨季涌水量较大的三次分别出现在：2 0 2 1年7 月5日，涌水量为150 54m/d，对应矿山2 0 2 1年7 月5日降雨量为8 7.7 mm；2 0 2 1年9 月17 日，涌水量为21032.16m/d，对应矿山2 0 2 1年9 月16 日降雨量为12 2.5mm，2 0 2 1年9 月17 日降雨量为2 3.8 mm；2 0 2 2 年4月2 8 日，涌水量为13 48 3.2 m/d，对应矿山2 0 2 2 年4月2 8 日降雨量为8 2 mm。KK栗UKUKK园K1220KKU。KKU15KK45KA向KK5KK垂直溶隙段底部溶洞段P.S.hiFig.7 Schematic diagram of underground permeability mechanism of Section 20KUUKU3716首采区41KKU13斜U24?KKs铝土矿体图7 2 0 号剖面井下透水机理示意图时降雨量和主平碉口实测涌水量数据绘制的降雨量与涌水量关系曲线可以看出，主平碉口实测小时最大涌水量一般滞后小时最大降雨量45h(图8）。3.3局部低洼的巷道为透水淹井创造条件矿山整体设计为自流排水系统，但开采工艺要求工作面回风顺槽和运输顺槽沿矿体底板掘进，由于矿体本身的起伏导致巷道局部有低洼段，虽然设置了水泵排水，但当极端暴雨天气导致井下涌水量大于低洼地段设置的水泵排水能力时，就产生透水淹井事故。4防治措施4.1优化调整开采顺序原设计考虑勘探控制程度、采出矿石S含量等因素，采用由上往下的开采顺序。经开拓系统及首2020K29K1923KU18KKOKUKsKU26地下水流向U10岩溶注地回风顺槽运输顺槽按2 0 2 2 年6 月2 日7 时一2 0 2 2 年6 月4日7U28KK3035PlC,dC.h高程/m1300120011001000增刊1采区10 4工作面、10 3 工作面掘露证实：矿区岩溶发育程度由上往下逐渐减弱，溶蚀区范围由上往下逐渐减小，往深部受地表大气降雨影响降低；氧化铝厂脱硫工艺获得突破，可以经济高效处理深部高硫铝土矿；由下往上开采可以避免大面积破坏原始岩溶管道径流系统，引导暴雨人渗水进入采空区，使后续工作面位于含水采空区之上，消除由上往下开采时，后续作业工作面上部存在充水老采空区的安全隐患，减少突水、突泥和产生井下泥石流的概率。现有平碉斜井开拓系统对开采顺序的调整有较好的适应性，没有必要对开拓运输、通风、排水、供电供水、压气等系统进行太大的改造就能满足开采顺序的调整要求。首采区溶蚀区发育特征详见采切工程实测平面图（图9），优化后的首采区工作面开采顺序为：110工作面10 9 工作面10 8 工作面10 7 工作面10 6工作面10 5工作面10 2 工作面10 1工作面。4.2做好10 4工作面、10 3 工作面涌水点的疏导工作由图9 可以看出，首采区10 4工作面、10 3 工作面回风顺槽和运输顺槽在掘进过程中揭露了大面积的溶蚀区，雨季主要出水点均在溶蚀区内，特别是对应地表为U10岩溶洼地和U16岩溶洼地的溶蚀区。导致首采区10 3 工作面回风顺槽和运输顺槽透水井的水源是雨季沿首采区地表U10岩溶洼地（2 0 号勘探线附近）和U16（2 9 号勘探线附近）岩溶洼地大气降雨人渗的地表水。U10岩溶洼地和U16岩溶洼地雨季大气降雨的直接人渗将伴随着首采区各工作面整个开采过程，由于U10岩溶洼地和U16岩溶洼地地表汇水面积较大，进行地表处理不合理。如果不对这些涌水点进行处理，10 3 工作面开采结束后，涌水点会被冒落顶板破坏，原有的岩黄光洪，等：大竹园铝土矿首采区矿井透水致灾机理及防治措施小时涌水量/m3550500450400350300250200-15010050202221013141671819202324346131478192022232434620220642022年6 月2 日7 时2022年6 月4日7 时图8 降雨量与涌水量关系曲线图Fig.8Relationship between rainfall and water inflow溶管道径流系统会被堵塞，后续雨季的涌水将大量汇集在采空区内，形成安全隐患。将它们的涌水人为导人自流排水系统是最经济、最有效和最安全的做法。因此随着开采工作面的推进，在10 3 工作面切巷底板埋设连通回风顺槽主要出水点的排水管，将雨季涌水引导排到运输顺槽，在运输顺槽巷道水沟埋设排水管，通过虹吸现象将回风顺槽和运输顺槽的主要涌水排至胶带斜井，再通过自流排水系统排出地表，切断这部分涌水对下部工作面掘进和生产的影响。“7 05透水事故后，按贵州省应急厅要求，在10 3 工作面回风顺槽低洼点施工了一条连通103工作面运输顺槽的专用排水斜井。该专用排水斜井处于溶蚀较强区域，铝土矿体大部分被溶蚀，可以在专用排水斜井南侧预留2 0 m保安矿柱，确保专用排水斜井不被破坏并能定期维修，在整个首采区开采期间具备排水功能。另外，专用排水巷北侧的回风顺槽和运输顺槽处于无矿或者矿体较薄部位,可以和专用排水斜井南侧预留2 0 m保安矿柱一起预留不开采，保护这个区段的专用排水巷、回风顺槽、运输顺槽不跨落，在整个首采区回采期间维持它们的排水功能。104工作面已经基本开采结束，由于F3断层破坏，其南侧至胶带斜井矿体缺失，该区段回风顺槽和运输顺槽可以保留，也在主要出水点埋设了引水管，将雨季涌水引导到胶带斜井自流排出。采取了这些引水疏导工作后，可以最大限度地减少首采区地表主要岩溶洼地雨季降雨人渗对下部工作面的开采影响。4.3适时调整新工作面机械排水能力按生产实践，每个工作面回风顺槽、运输顺槽、467降雨量/mm40小时涌水量曲线20小时降雨量曲线468切巷正常掘进准备时间为8 10 个月，回采时间1年到1年半，总的服务年限为两年左右，仅需跨越两个雨季。设计在低洼地段设置临时水仓、水泵及排水管线，将低洼地段的积水抽排至胶带斜井车场，再进入主体开拓巷道的自流排水系统排出地表。由于每个工作面掘进及生产周期仅跨越两个雨季，在工作面掘进的第一个雨季时，就可以充分暴露该工作面的水文地质条件，较准确实测回风顺槽和运输顺槽涌水量。工作面开采前可以根据第一个雨季实测的涌水量调整临时水仓大小、水泵型号及排水管线管径。如果实测涌水量太大，采用机械排水不经济时，也可以采取10 3 工作面掘进连通回风顺槽和运输顺槽的专用排水斜井的做法。4.4建立矿区排水自动监控系统矿坑涌水主要受雨季大气降雨直接人渗影响，中国矿业LS104切眼采空区范围110切眼0裂隙涌水点及编号110运输顺槽，LS机轨哈104运输顺槽110回风顺槽溶蚀区298.0m11.2 mh大巷m20 mh570.0m（涌水点位置）16.2198mh(涌水量)16.3235 mh图9 首采区采切工程实测平面图Fig.9 Actual plan of mining and cutting engineering in the first mining area雨季(特别是暴雨天气)通过实测获得涌水点涌水量、开启应急排水水泵对矿山防治水资料收集和及时排出低洼段积水尤为重要，但按国家及企业相关安全生产规章制度要求，暴雨天气时严禁安排人员人井作业。为此，必须建立矿区排水自动监控系统，在极端天气条件下，也能对涌水点的涌水量进行实时监测，也能根据水仓的水位高度自动开启或关停排水水泵，实现危险时间段、危险区域的无人化排水，满足矿山防排水的要求。目前矿山已经在10 3 工作面初步建立了排水自动监控系统，取得较好的效果。4.5完善防排水制度矿区属半开放的岩溶水系统，岩溶垂向连通性强，地面汇水条件好，暴雨后涌水量急剧增大，矿坑涌水与降雨补给密切相关，具有随降雨量大小暴增暴减的特点，最大涌水量一般滞后小时最大降雨量第3 2 卷副平碉主平溶洞涌水点及编号RS400450 mRS,1.563.3 m*hRLSFRS.CR溶蚀区胶带斜井轨道斜井103工作面专用排水斜井340.0m3.5124mhF.溶蚀区103运输顺槽900.0 m103切眼回104新回风巷风顺槽溶洞口DLS回风平巷安全出口FS,F天坑溶洞R210330mF912232mh103回风顺槽溶蚀区地表封闭岩溶洼地（U16)地形线950m23326mh浴蚀区地表封闭岩溶洼地（U10)地形RS4RS9溶洞涌水点集中增刊145h。矿山要利用已建气象站，进一步摸索最大致灾小时或日降雨量数据，完善日常防排水制度，根据最大致灾小时或日降雨量数据，严格执行达到警戒降雨量时停产撤人制度。5结语该矿山属于高原向斜台地，具备较好的自流排水条件，但仍发生透水淹井困人事故，原因是多方面的。除与开采工艺要求形成的局部低洼巷道有关，也与对矿区充水水源和充水通道认识不清及日常防排水制度不健全、疏忽大意有关。分析研究了透水淹井的水源和通道，提出了切实可行的防治措施，对矿山安全生产有一定指导意义，也能对类似矿山的防排水工作提供有益借鉴。参考文献1李伟铭，李波.贵州大竹园铝土矿地质特征及综采工艺探析J.有色金属设计，2 0 15，42（2）：6-12.LI Weiming,LI Bo.Geological characteristics and Fully mech-anized mining technology of Dazhuyuan Bauxite in Guizhou黄光洪，等：大竹园铝土矿首采区矿井透水致灾机理及防治措施界有色金属，2 0 19(11)：3 7-3 9.KONG Cao,PENG Wen.Research on Application of compre-hensive mechanized mining method in BauxiteJJ.World Non-ferrous 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