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摘 要:丰宁新华生矿业有限公司开采张家口组断层破碎带中的萤石矿,本区域断裂发育,地下水连通性好,补给较充分,在开采较浅的非金属矿山来说,矿坑涌水量较大,对矿山的安全形成极大隐患,排水费用较高。主要防治方案:建设地下水动态观测网;加强探放水工作;配备足够排水设备;实施注浆堵水工程。
关键词:萤石矿 地下水 防治方案
中图分类号:P62文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2010)06-049-02
1矿山概况
丰宁新华生矿业有限公司萤石矿,位于河北省丰宁县城340€胺轿唬本?0km处,矿山开采普通萤石矿,地下开采,生产规模1.00万吨/年,矿区面积0.0794km2。
2矿区水文地质
2.1主要含水层
区内共有两个含水层组,现分述如下:
(1)第四系孔隙含水层
含水层为第四系冲、洪积物,分于河谷及沟谷之中,由砂土、砾石层、碎石、粉土、粘性土等组成,厚一般0-20m。分选性差。富水性一般为河谷中较强,沟谷中较弱。根据民井调查资料:水位埋深1.5-5m,单井涌水量一般<100m3/d,但本层与下伏的基岩风化带裂隙水往往构成统一的水力系统。
(2)基岩裂隙含水层
侏罗系裂隙含水组:主要为张家口组含水层,岩性为凝灰质砾岩、凝灰质砂岩、粉砂岩及含砾凝灰岩、石英斑岩、流纹质角砾熔岩等。
次火山岩含水层组:破碎的次粗面岩、次流纹岩、次流纹斑岩等。
一般张家口组的砾岩、砂岩富水性较强,次火山岩富水性较弱,这一点从本区一些矿山的坑道中涌水情况可以得到证实。
2.2主要隔水层
(1)第四系隔水层:粉土、粘性土等细粒土透水性差,成为良好的阻水层。
(2)基岩隔水层:侏罗系张家口组的凝灰岩、流纹质熔凝灰岩、粗面质熔凝灰岩等,粒度细,结构致密,裂隙不发育,起到隔水作用。
裂隙不发育的次流纹岩、 次粗面岩透水性较差,也形成相对隔水层。
2.3断层的导水性
本区位于近东西向的康保—围场和丰宁—隆化两条深大断裂断之间,受其影响,次级断裂构造极其发育,主要为北东向和北西向两组断裂,以北东向为主。详见区域构造图。
在矿区内发育有一条断层F2,走向45€埃阆?15€埃憬?0€埃乇硌由煸?000m,两端为第四系所覆盖,断裂破碎带宽约2-4m,具体落差不详,属张性正断层。其富水性不均匀,局部为角砾状断层糜棱岩,其富水性较强;局部为断层泥,属于隔水层性质。
本区断层为张性断裂,裂隙发育,透水性强,多为导水断层。加之周边断裂相互沟通,成为网络状,形成了一个完整的地下水循环系统。经调查,本矿周边的万隆和金胜矿区矿井涌水量也较大,均位于位于F2断裂带附近。
2.4地下水的补给、径流和排泄条件
由于矿区地形较为平坦,大面积的草原砂土,利于大气降水的聚集和入渗,因此地下水的补给来源较为充分。本地区属于干旱区,才使得矿坑涌水量处于目前水平,若处于降雨量丰富地区,本区的水文地质条件将使得矿井涌水量大增,矿山开采将不经济,或者必须采取更为有效的治理措施才能继续开采。
区内各含水岩组及含水构造中地下水之间均存在较密切的水力联系,其中第四系孔隙潜水主要接受大气降水的补给及低山基岩裂隙水的补给,沿沟谷向下游径流,除部分以下降泉的形式排泄和补给基岩裂隙水外,主要以地下径流的形式排入滦河河谷中。基岩裂隙水也主要接受大气降水的补给,沟谷地带部分接受第四系孔隙潜水补给,其径流方向受地形控制,自高处向低洼处径流。除部分补给含水构造及第四系孔隙水外,主要以下降泉形式排泄。构造破碎带地下水与地表水体不存在水力联系,并主要接受基岩裂隙水的补给,部分接受大气降水补给,径流方向受构造走向控制,并主要以上升泉形式排泄。矿井抽排地下水也是排泄方式之一。
本区地下水总的径流方向是由北向南流,受地形和水文地质情况的影响,局部有所不同。断裂影响带或岩体与围岩接触部位是裂隙水的主要富集地带。
2.5地下水动态变化特征
矿区地下水动态受季节影响较大,丰水期地下水位较高,特别是在霪雨后,水位持续较高,低洼及沟谷中有泉水出现,地下水矿化度较低,表明地下水循环速度较快。枯水期地下水位明显下降,许多泉水消失,地下水矿化度增高,表明地下水循环速度减慢。近年来,本区多家萤石矿大量抽排地下水,对地下水位也有所影响,但并未形成明显的降落漏斗。
2.6矿床充水因素
萤石矿充填于断裂构造带中,而断层切穿了含水层和隔水层,虽然矿体的顶底板围岩并非含水层,但赋存于含水层中的地下水可以通过断层进入矿坑。因此本矿区张家口组的凝灰质砾岩、凝灰质砂岩含水层,是矿床充水的主要来源,并为直接充水方式。
由于本区域断裂构造极为发育,地下水通过断裂构造形成了一个相互连通的循环系统,矿坑地下水补给较为充足,经过多年抽排地下水仍保持较大流量,并随着开采深度的加大,水量水压均增大。
3矿坑涌水及其危害
3.1矿坑涌水量
新华生萤石矿没有系统的水文地质资料,对于矿井涌水量没有做详细的测量和记录。矿山现安装有2台排水泵,均为125m3/h,通常条件下开一台泵便可排干涌水。据此可估测矿坑正常涌水量约为100m3/h。
3.2地下水的危害
对于开采深度较浅的萤石矿来说,新华生萤石矿涌水量算是表较大的,随着开采的延深,水量和水压也不断增大,对采矿活动的影响日益严重,其主要危害如下:
(1)影响安全生产:地下水对采矿的安全性造成极大地威胁,日常生产必须排水,否则无法开采。一旦有较大矿井突水,可造成矿山停产,甚至淹没采面、矿山的危险。
(2)影响工人健康:地下水造成环境潮湿,采场工作条件恶劣,极大地危害工人健康。
(3)排水费用高:矿山月排水费用大约在3万/月左右,造成了采矿成本的增加,降低了企业利润和产品竞争力。
4地下水防治方案
结合新华生萤石矿的生产实际,地下水防治方案应遵循“加强矿山地质和水文地质工作,合理配备矿井排水设施,确保矿山生产安全”的总原则。
4.1加强矿井地质和水文地质工作
认真观测、全面收集矿井地质、水文地质以及矿区大气降水资料;收集矿区老塘分布及其有关的水文地质资料;并加强对相邻矿有关资料的收集。特别要注重:(1)对矿区内小断层的观测和研究,注意小断层与矿井涌水关系的研究。(2)对主要含水层水位的长期观测;(3)对矿井涌水量的长期观测;(4)注意对观测资料的整理和保存。
4.2布设矿井地下水动态观测网系统
观测网的布置,应结合观测区地质、水文地质、地表、地下条件,以用最少的点控制较大面积为原则。本次布置观测网系统的目的是为了监测矿区地下水各含水层(组)之间的水力联系,地下水与F1断层的关系。由于采矿主要突水危险来自张家口组的凝灰质砾岩和凝灰质砂岩含水层,而过水通道为F2断层,因此,在布设水文地质观测网时,重点观测对象是张家口组含水层和F1断层带的水文地质特征。观测点的选择原则是:
(1)一定要选择水文地质条件有代表性的地段布设观测孔。
(2)要选择井下永久巷道中方便施工,便于观测的地段布设观测孔。
(3)要充分利用已有出水点为观测点。
(4)矿井下布设地下水观测孔,施工前,应进行井下物探,找富水性好的地段布孔,以免打出干孔。
依据以上原则,在F1断层上下盘各布置观测孔1个,在F1断层的南北两端各布置观测孔1个,共计4孔。孔深均应低于矿山最低开采标高和主要含水层底板标高。
对地下水观测网的观测要求:每月初、中各观测一次水位(或水压)和水量;每季度中观测一次水温;每年进行一次常规水质检测。遇突水等特殊情况应增加观测次数,并根据需要增加观测项目。观测要认真按照规范要求进行。要准确记录观测结果,及时整理、分析、研究观测资料,以指导生产。常规观测要固定专人负责。
4.3加强矿井探放水
本矿区构造极为发育,且具有不均一性特点,矿坑何时、何地涌水,涌水量大小难以预测。采掘工程接近断层、裂隙密集带、含水层和老巷道、老采区前,必须实施有效的探放水工程,并应进行探放水工程设计。
在采矿系统已圈定,但对采面内水文地质情况不清楚,要先进行井下物探工作,探明地下水的富水性和过水通道情况。目前,使用直流电法探测矿井地下水效果较好,结论较可靠,费用也比较低。也可以选择使用瞬变电磁法,配合探测。
在矿井防治水工作中,必须长期坚持“有疑必探,先探后掘”的方针,真正作到水情不明不生产,水患不除不生产。
4.4按规定建设、配备排水设施
井下主要排水设备,至少应由同类型的3台泵组成。工作泵应能在20h内排出一昼夜的正常涌水量:除检修泵外,其他水泵在20h内排出一昼夜的最大涌水量。井筒内应装备2条相同的排水管,其中1条工作,1条备用。
水仓应由两个独立的巷道系统组成。涌水量大的矿井,每个水仓的容积,应能容纳2～4h井下正常涌水量。一般矿井主要水仓总容积,应能容纳6～8h小时的正常涌水量。
但是本矿现有排水设备的排水能力不能满足需要,应增加排水能力。建议新增加1台水泵,总泵数达到3台,其中1台工作水泵,1台备用水泵,1台检修水泵。
必须配备足量的工作和备用排水管,工作水管的排水能力应与工作水泵排水能力相适应,备用水管的排水能力应与备用水泵排水能力相适应。
4.5涌水量超过排水能力应进行封堵治理
本矿按照正常涌水量100m3/h设计排水工程和配备排水设备,当矿坑涌水量超过200m3/h,或者矿坑涌水量突然增大,并且出水点集中,应采取注浆堵水,封堵水源,减少矿井排水量。
涌水量超过排水能力,将严重威胁矿山安全,但是增加排水设备在经济上不再合理,应采取积极措施,封堵地下水。相比较而言,堵水不仅经济性好,而且更能保障安全,更能改善劳动环境。
5结语
通过以上的分析可知,本矿开采时,矿井涌水通道主要是断层、裂隙,采动破碎带等薄弱结构面,所以在采掘过程中,要尽量减少人为因素引起的矿井涌(突)水。在断层、裂隙发育地带,底板岩石厚度急剧变薄地段,底板突水危险性将增加,在这些特殊部位施工前,应加强预测,并采取相应防治水措施,以防矿井水突然涌出,给矿井安全生产带来危害。
为了应对突发的恶性地下水涌水事故,矿山必须按照规程要求施工防排水工程和配备足够能力的排水设备,必要时应进行注浆堵水。
关键词:萤石矿 地下水 防治方案
中图分类号:P62文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2010)06-049-02
1矿山概况
丰宁新华生矿业有限公司萤石矿,位于河北省丰宁县城340€胺轿唬本?0km处,矿山开采普通萤石矿,地下开采,生产规模1.00万吨/年,矿区面积0.0794km2。
2矿区水文地质
2.1主要含水层
区内共有两个含水层组,现分述如下:
(1)第四系孔隙含水层
含水层为第四系冲、洪积物,分于河谷及沟谷之中,由砂土、砾石层、碎石、粉土、粘性土等组成,厚一般0-20m。分选性差。富水性一般为河谷中较强,沟谷中较弱。根据民井调查资料:水位埋深1.5-5m,单井涌水量一般<100m3/d,但本层与下伏的基岩风化带裂隙水往往构成统一的水力系统。
(2)基岩裂隙含水层
侏罗系裂隙含水组:主要为张家口组含水层,岩性为凝灰质砾岩、凝灰质砂岩、粉砂岩及含砾凝灰岩、石英斑岩、流纹质角砾熔岩等。
次火山岩含水层组:破碎的次粗面岩、次流纹岩、次流纹斑岩等。
一般张家口组的砾岩、砂岩富水性较强,次火山岩富水性较弱,这一点从本区一些矿山的坑道中涌水情况可以得到证实。
2.2主要隔水层
(1)第四系隔水层:粉土、粘性土等细粒土透水性差,成为良好的阻水层。
(2)基岩隔水层:侏罗系张家口组的凝灰岩、流纹质熔凝灰岩、粗面质熔凝灰岩等,粒度细,结构致密,裂隙不发育,起到隔水作用。
裂隙不发育的次流纹岩、 次粗面岩透水性较差,也形成相对隔水层。
2.3断层的导水性
本区位于近东西向的康保—围场和丰宁—隆化两条深大断裂断之间,受其影响,次级断裂构造极其发育,主要为北东向和北西向两组断裂,以北东向为主。详见区域构造图。
在矿区内发育有一条断层F2,走向45€埃阆?15€埃憬?0€埃乇硌由煸?000m,两端为第四系所覆盖,断裂破碎带宽约2-4m,具体落差不详,属张性正断层。其富水性不均匀,局部为角砾状断层糜棱岩,其富水性较强;局部为断层泥,属于隔水层性质。
本区断层为张性断裂,裂隙发育,透水性强,多为导水断层。加之周边断裂相互沟通,成为网络状,形成了一个完整的地下水循环系统。经调查,本矿周边的万隆和金胜矿区矿井涌水量也较大,均位于位于F2断裂带附近。
2.4地下水的补给、径流和排泄条件
由于矿区地形较为平坦,大面积的草原砂土,利于大气降水的聚集和入渗,因此地下水的补给来源较为充分。本地区属于干旱区,才使得矿坑涌水量处于目前水平,若处于降雨量丰富地区,本区的水文地质条件将使得矿井涌水量大增,矿山开采将不经济,或者必须采取更为有效的治理措施才能继续开采。
区内各含水岩组及含水构造中地下水之间均存在较密切的水力联系,其中第四系孔隙潜水主要接受大气降水的补给及低山基岩裂隙水的补给,沿沟谷向下游径流,除部分以下降泉的形式排泄和补给基岩裂隙水外,主要以地下径流的形式排入滦河河谷中。基岩裂隙水也主要接受大气降水的补给,沟谷地带部分接受第四系孔隙潜水补给,其径流方向受地形控制,自高处向低洼处径流。除部分补给含水构造及第四系孔隙水外,主要以下降泉形式排泄。构造破碎带地下水与地表水体不存在水力联系,并主要接受基岩裂隙水的补给,部分接受大气降水补给,径流方向受构造走向控制,并主要以上升泉形式排泄。矿井抽排地下水也是排泄方式之一。
本区地下水总的径流方向是由北向南流,受地形和水文地质情况的影响,局部有所不同。断裂影响带或岩体与围岩接触部位是裂隙水的主要富集地带。
2.5地下水动态变化特征
矿区地下水动态受季节影响较大,丰水期地下水位较高,特别是在霪雨后,水位持续较高,低洼及沟谷中有泉水出现,地下水矿化度较低,表明地下水循环速度较快。枯水期地下水位明显下降,许多泉水消失,地下水矿化度增高,表明地下水循环速度减慢。近年来,本区多家萤石矿大量抽排地下水,对地下水位也有所影响,但并未形成明显的降落漏斗。
2.6矿床充水因素
萤石矿充填于断裂构造带中,而断层切穿了含水层和隔水层,虽然矿体的顶底板围岩并非含水层,但赋存于含水层中的地下水可以通过断层进入矿坑。因此本矿区张家口组的凝灰质砾岩、凝灰质砂岩含水层,是矿床充水的主要来源,并为直接充水方式。
由于本区域断裂构造极为发育,地下水通过断裂构造形成了一个相互连通的循环系统,矿坑地下水补给较为充足,经过多年抽排地下水仍保持较大流量,并随着开采深度的加大,水量水压均增大。
3矿坑涌水及其危害
3.1矿坑涌水量
新华生萤石矿没有系统的水文地质资料,对于矿井涌水量没有做详细的测量和记录。矿山现安装有2台排水泵,均为125m3/h,通常条件下开一台泵便可排干涌水。据此可估测矿坑正常涌水量约为100m3/h。
3.2地下水的危害
对于开采深度较浅的萤石矿来说,新华生萤石矿涌水量算是表较大的,随着开采的延深,水量和水压也不断增大,对采矿活动的影响日益严重,其主要危害如下:
(1)影响安全生产:地下水对采矿的安全性造成极大地威胁,日常生产必须排水,否则无法开采。一旦有较大矿井突水,可造成矿山停产,甚至淹没采面、矿山的危险。
(2)影响工人健康:地下水造成环境潮湿,采场工作条件恶劣,极大地危害工人健康。
(3)排水费用高:矿山月排水费用大约在3万/月左右,造成了采矿成本的增加,降低了企业利润和产品竞争力。
4地下水防治方案
结合新华生萤石矿的生产实际,地下水防治方案应遵循“加强矿山地质和水文地质工作,合理配备矿井排水设施,确保矿山生产安全”的总原则。
4.1加强矿井地质和水文地质工作
认真观测、全面收集矿井地质、水文地质以及矿区大气降水资料;收集矿区老塘分布及其有关的水文地质资料;并加强对相邻矿有关资料的收集。特别要注重:(1)对矿区内小断层的观测和研究,注意小断层与矿井涌水关系的研究。(2)对主要含水层水位的长期观测;(3)对矿井涌水量的长期观测;(4)注意对观测资料的整理和保存。
4.2布设矿井地下水动态观测网系统
观测网的布置,应结合观测区地质、水文地质、地表、地下条件,以用最少的点控制较大面积为原则。本次布置观测网系统的目的是为了监测矿区地下水各含水层(组)之间的水力联系,地下水与F1断层的关系。由于采矿主要突水危险来自张家口组的凝灰质砾岩和凝灰质砂岩含水层,而过水通道为F2断层,因此,在布设水文地质观测网时,重点观测对象是张家口组含水层和F1断层带的水文地质特征。观测点的选择原则是:
(1)一定要选择水文地质条件有代表性的地段布设观测孔。
(2)要选择井下永久巷道中方便施工,便于观测的地段布设观测孔。
(3)要充分利用已有出水点为观测点。
(4)矿井下布设地下水观测孔,施工前,应进行井下物探,找富水性好的地段布孔,以免打出干孔。
依据以上原则,在F1断层上下盘各布置观测孔1个,在F1断层的南北两端各布置观测孔1个,共计4孔。孔深均应低于矿山最低开采标高和主要含水层底板标高。
对地下水观测网的观测要求:每月初、中各观测一次水位(或水压)和水量;每季度中观测一次水温;每年进行一次常规水质检测。遇突水等特殊情况应增加观测次数,并根据需要增加观测项目。观测要认真按照规范要求进行。要准确记录观测结果,及时整理、分析、研究观测资料,以指导生产。常规观测要固定专人负责。
4.3加强矿井探放水
本矿区构造极为发育,且具有不均一性特点,矿坑何时、何地涌水,涌水量大小难以预测。采掘工程接近断层、裂隙密集带、含水层和老巷道、老采区前,必须实施有效的探放水工程,并应进行探放水工程设计。
在采矿系统已圈定,但对采面内水文地质情况不清楚,要先进行井下物探工作,探明地下水的富水性和过水通道情况。目前,使用直流电法探测矿井地下水效果较好,结论较可靠,费用也比较低。也可以选择使用瞬变电磁法,配合探测。
在矿井防治水工作中,必须长期坚持“有疑必探,先探后掘”的方针,真正作到水情不明不生产,水患不除不生产。
4.4按规定建设、配备排水设施
井下主要排水设备,至少应由同类型的3台泵组成。工作泵应能在20h内排出一昼夜的正常涌水量:除检修泵外,其他水泵在20h内排出一昼夜的最大涌水量。井筒内应装备2条相同的排水管,其中1条工作,1条备用。
水仓应由两个独立的巷道系统组成。涌水量大的矿井,每个水仓的容积,应能容纳2～4h井下正常涌水量。一般矿井主要水仓总容积,应能容纳6～8h小时的正常涌水量。
但是本矿现有排水设备的排水能力不能满足需要,应增加排水能力。建议新增加1台水泵,总泵数达到3台,其中1台工作水泵,1台备用水泵,1台检修水泵。
必须配备足量的工作和备用排水管,工作水管的排水能力应与工作水泵排水能力相适应,备用水管的排水能力应与备用水泵排水能力相适应。
4.5涌水量超过排水能力应进行封堵治理
本矿按照正常涌水量100m3/h设计排水工程和配备排水设备,当矿坑涌水量超过200m3/h,或者矿坑涌水量突然增大,并且出水点集中,应采取注浆堵水,封堵水源,减少矿井排水量。
涌水量超过排水能力,将严重威胁矿山安全,但是增加排水设备在经济上不再合理,应采取积极措施,封堵地下水。相比较而言,堵水不仅经济性好,而且更能保障安全,更能改善劳动环境。
5结语
通过以上的分析可知,本矿开采时,矿井涌水通道主要是断层、裂隙,采动破碎带等薄弱结构面,所以在采掘过程中,要尽量减少人为因素引起的矿井涌(突)水。在断层、裂隙发育地带,底板岩石厚度急剧变薄地段,底板突水危险性将增加,在这些特殊部位施工前,应加强预测,并采取相应防治水措施,以防矿井水突然涌出,给矿井安全生产带来危害。
为了应对突发的恶性地下水涌水事故,矿山必须按照规程要求施工防排水工程和配备足够能力的排水设备,必要时应进行注浆堵水。