地下水对谦比西铜矿采矿生产的影响.pdf

2 0 0 3年 4月 第 3 2卷第 2期 有色矿 山 No nf e r r o u s M i n e s Apt ． ， 2 0 03 Vo 1 ． 3 2 No． 2 地下水对谦 比西铜矿采矿生产的影响 朱瑞 军 中国有色工 程设 计研究总院， 北京 1 0 0 0 3 8 [ 关键词 ] 地 下水 ； 疏干 ；采矿 [ 摘要] 分析了谦比西铜矿恢复生产之后对地下水疏干要求的变化以及地下水可能对采矿生产产生的不利 影响， 并提出了相应的对策。 [ 中图分类号]T D 7 4 5 ． 2 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 3 0 2 ． 0 0 2 1 0 4 The i nf l u e nc e o f u n de r g r o u nd wa t e r o n mi ni ng o p e r a t i o n i n Cha mb i s hi Co p pe r M i ne Z HU Ru i j u n C h i n a No n f e r r o u s E n g i n e e r i n g a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a Ke y wo r d su nd e r g r o un d wa t e r ；d e wa t e r i ng；mi n i n g Ab s t r a c tI n t he pa p e r t h e c h a n g e s o f d e wa t e r i n g s t r a t e gy a nd t h e i nf l u e nc e o f u nd e r g r o u nd wa t e r o n m i n i n g o p e r a t i o n i n Ch a mb i s hi Co p p e r M i n e a f t e r r e o p e ni n g a r e a n a l y s e d，a n d c o u n t e r me a s u r e s a g a i n s t t h e i nf l u e n c e a r e p ut f o r wa r d． 1 概述 谦 比西铜矿位于赞 比亚铜带 省境 内， 1 9 6 9年开 始坑内开采， 采用分段 空场法和无底柱分段崩落法 回采。由于过去采用的采矿方法造成矿石贫化损失 过大， 出矿品位过低， 加之无轨设备更新、 深部开拓 需要大量的投入， 当时世界铜市场价格低迷和其他 一 些社会经济原 因， 致使矿 山经营 困难， 于 1 9 8 7年 关闭。2 0 0 0年 7月矿 山开始恢复生产建设， 采用充 填法。 由于采用 了充填法 回采， 对上盘含水水层的 疏干排水要求大大降低， 但是矿体含水层对采矿生 产仍然有一定的影响。本文旨在通过分析谦 比西铜 矿投产初期地下水对其采矿活动的影响， 为矿 山生 产提供一些有益的帮助。 2 矿山水文地质条件 矿 区的主要含水层有两个， 即矿体泥质板岩含 [ 收稿 日期 ] 2 0 0 2 1 1 2 1 [ 修订日期] 2 0 0 3 0 3 1 9 [ 作者简介]朱瑞军 1 9 7 1 一 ， 男， 山西平定人， 高级工 程师， 从事采矿工程设计工作。 水层和上盘燧石 白云岩含水层。这两个含水层被上 部石英岩隔水层分开， 并维持各 自的水头高度。另 外的小含水层是底部砾岩层和卵石砾岩层。矿区地 层分布详见图 1 。 矿体泥质板岩含水层 以下称矿体 含水层 矿 区内的主要含水层之一 ， 自下而上分为下盘片岩 、 泥 质板岩矿体和上盘矿化泥质板岩。下盘片岩厚度一 般小于 l m， 最大不大于 5 m， 但为该矿区内最有经济 价值的含矿层。泥质板岩矿体和上盘矿化泥质板岩 的划分是根据岩石中铜 的含量来确定的。铜品位大 于 1 ％时为泥质板岩矿体， 铜品位小于 1 ％时为上盘 矿化泥质板岩 。泥质板岩矿体和上盘矿化泥质板岩 厚度为 l O m左右。地下水主要通过节理面渗入。 上盘燧石 白云岩含水层 以下称上盘 含水层 矿体上方约 2 5 m即为矿区的主要隔水层 ， 上部石英 岩， 其厚度 1 5 m左右， 在未被构造破坏的情况下， 该 层的隔水性很好。隔水层之 上 1 6 m 即为燧石 白云 岩， 该层为矿区最重要的含水层。在以往的疏干过 程 中全矿 7 5 ％的地下水来 自该层。 经过十几年的疏 干， 矿区地下水位 已大幅度下 降， 恢复基建时两个 主含水层的水位大 部分 已经 降 维普资讯 2 2 有色矿山 2 0 0 3 年 第 3 2卷 图 1 赞比亚谦比西铜矿典型剖面图 1 一底部砾岩 ； 2 一长石石英岩 ； 3 一下盘砾岩泥质石英岩和 卵石砾 岩； 4 一矿体 ； 5 一 石英 岩和 泥质片岩互层 ； 6 一上部石英 岩； 7 一 燧石 白云岩 到 5 0 0 m水平附近。 目前全矿涌水量约为 2 8 0 0 0 ～ 3 2 O 0 0 m ／ a 。 3 矿山疏干排水 谦 比西铜矿过去采用的采矿方法无论是分段崩 落法， 还是分段空场法， 最终都会随着矿柱的回收崩 落上盘围岩。因此， 不仅要对矿体含水层进行疏干， 还必须超前疏干上盘含水层。 矿山以前是利用专用疏干巷道和疏干钻孔对矿 体含水层和上盘含水层进行超前疏干。正常生产时 一 般是超前一个中段 1 O O m 进行疏干， 将水位 降至 生产 中段 以下。上 盘 含水 层 水 位 年 下 降速 度 为 3 3 m／ a ， 矿体含水层水位年下降速度为 l O O m／ a 。 本次恢复生产 由于在 5 0 0 m水平以下采用 了充 填法， 对上盘含水层 的疏干要求大大降低， 同时考虑 到基建工程量的原因， 确定疏千方式为 在 7 0 0 m主 运输中段进行疏干 为主， 边基建， 边疏干， 主要疏干 对象为矿体含水层。放水工程主要包括沿脉和放水 孔。 谦 比西铜矿 2 0 0 1年 9月开始 7 0 0 m 中段 沿脉 的掘进， 2 0 0 1 年 1 0月 2 4日斜坡道 全线贯通， 并逐 步在 7 0 0 m 中段和 6 5 0 m水平分段联络道分别施工 了 7个和 3个放水孔， 到 2 0 0 2年 5月放水孔正式开 始放水。由于矿体含水层的导水性 并不很强 ， 而且 目前疏干放水孔 的施工受到开拓工程进度的影响， 按照矿山以前的经验， 预计在 2 0 0 3年 7月矿山投产 时矿体含水层的水位线漏斗底部 可以降到 6 5 0 m水 平， 这样首采 区范围内将仍有一定的水头。 4 地下水对基本建设和生产的影响 4 ． 1 恢复生产以后采用的采矿方法及囵采腰序 谦 比西铜矿恢复生产 以后的采矿顺序是 5 0 0 m 水平以下主采区用空场嗣后充填法和分层充填法从 7 0 0 m水平 向上回采 ； 5 0 0 m 水平以上东部用分层充 填法向上回采； 西部沿用过去的采矿方法 即分段崩 落法和分段 空场法从 3 3 2 m水平 向下回采。分段空 场嗣后充填法应用于 5 0 0 m水平以下矿岩稳定性较 好地段， 采场沿走 向长 2 7 m， 间柱 3 m， 矿体倾角大于 6 0 。 时段 高 为 3 3 m， 矿体 倾 角为 5 5 。 ～6 0 。 时 段 高 1 6 ． 5 m， 在一步采场充填之后进行相邻 采场 的回采。 5 0 0 m水平以下矿岩稳固性 比较差或矿体倾角小于 5 5 。 时用分层充填法， 走向长 6 0 m。 4 ． 2 上盘含水层对采矿生产的影响 上盘含水层对采矿生产影响的大小决定于采矿 活动对其扰动 的程度。对分层 充填法采场， 其采矿 活动对上盘围岩的扰动很小， 采取一定的支护之后 ， 上盘围岩基本不会发 生垮落， 因此在采用分层充填 法 回采地段上盘含水层 时， 涌水 突入采场 的可能性 极小。分段空场嗣后充填法依矿岩的稳固性和矿体 的倾角的不同， 分为 3 3 m和 1 6 ． 5 m两种段高， 隔一 维普资讯 第 2期 朱瑞军 地下水对谦 比西铜矿采矿生产的影响 采一或隔三采一， 其 空场的最大暴露 空间可 以认为 只有一个采场的空间， 最不利的结果是 3 3 m段高的 分段空场嗣后充填法在 充填之前上盘 围岩的 冒落。 设计时采用 3 3 m段 高的分段空场嗣后 充填法的地 段一般要求矿岩 的稳 固性较好， 并且必要时采用锚 索加固上盘围岩， 以防止其垮落加大采场矿石的贫 化损失。本次恢复生产分段空场嗣后充填法采用下 向平行孔凿岩， 可以减小对采场顶板的破坏。另一 方面要求采场在回采结束后应及时充填， 按照作业 循环要求一个采场最大空间的暴露时 间不超过 1 ． 5 个 月。在这期 间， 采场的直接顶板可能会发生移动， 裂隙进一步张开甚至发 生片落， 但是 对上部石英岩 的隔水性不会有太大影响。矿山过去对 5 0 0 m水平 以上分段空场法采场顶板垮落程度的测量结果也表 明， 在 5 0 0 m水平 以上 东部顶板 围岩稳定性较差 的 采场， 其最大顶板 冒落不超过 7 m。矿 山地质调查表 明没有大的横 向断层沟通上盘含水层。因此， 上盘 含水层不会对 5 0 0 m水平以下主采区初期采场生产 构成威胁， 但是随着采矿生产的推进， 应注意监测整 个上盘围岩的位移和导水裂隙的发育情况。生产期 间应保持采充的平衡， 贯彻“ 强采 、 快 出、 快充” 的原 则以减少上盘围岩的移动， 减少采矿活动对上盘含 水层的影响， 同时也控制采场直接顶盘围岩的垮落， 减小矿石的贫化。 4 ． 3 矿体含水层及其它含水层对矿山生产的影响 由于直接影响谦比西铜矿采矿生产的矿体含水 层在投产时不能彻底疏干， 6 8 3 m首采分段采场会在 一 定的水压力下作业， 这将给采矿生产带来不利的 影 响。 1 地下水使矿岩稳固性变差。谦 比西矿体的 顶板边界是根据取样化验结果来确定 的， 其直接顶 板上盘矿化泥质板岩仍然属于矿体含水层。矿体及 其顶底板围岩的典型特征是层理 和劈理较发育， 矿 体和直接顶 、 底板 围岩为 中等 稳固至稳 固性 较差。 如果矿体及其顶底板围岩， 即矿体含水层， 不能很好 地疏干， 则会使其稳固性进 一步恶化。地下水对围 岩稳固性的影响主要是两个方面 ， 一是孔隙水压力 对岩层稳固性的影响； 二是孔隙水对结构面充填物 的影响。岩体中的孔隙水会对周围的岩石产生静水 压力， 这会减弱岩体结构面的抗剪强度， 容易导致结 构面失稳。谦 比西矿节理裂隙调查表 明， 结构面不 同程度地含有方解石 、 细泥或者黏土， 当超过一定含 水量时这些充填物就会起到润滑剂 的作用， 加剧岩 石失 稳 。 B a r t o n“ Q” 指标是 目前采矿界通常采用的岩石 稳定性分级方法之一， 可以用它来分析 地下水对谦 比西矿围岩稳 固性的影响程度。 Q RQ D ／ ． ， J ， ／ J 。 J ／ S R F 式中 R Q D e e r e的岩石质量指标； ．， 节理组数系数 ； ．， ， 节理粗糙度系数 ； 节理蚀变影响系数； L 节理水折减系数 ； S R F 应用折减系数。 除节理水折减系数 L 外， 其余 系数援 引 5 0 0 m 水平 以上东西采 区调查数据， R QD平均 为 6 3 ％； ． ， 平均 为 7 ． 2 ； J ，平均为 1 ． 3 ； J 平均为 2 ． 1 ； S RF取 1 ， 为中等应力条件。在疏干条件下 L 取 1 ， 计算 Q 为 5 ． 4 ， 岩石稳 固性 为“ 一般 ” ； 当水头高 度为 1 0 ～ 2 5 m时， L 取 0 ． 6 6 ， 计算 Q 为 3 ． 6 ， 岩石稳 固性 为 “ 差” ； 当水头高度为 2 5 ～1 0 0 m 时， L 取 0 ． 3 3 ， 计算 Q为 1 ． 8 ， 岩石的稳 固性进一步变差。 从以上分析可以看出地下水对围岩稳 固性 的影 响是很明显的。由于承受地下水水头 压力的不同， 围岩的稳固性 由“ 一般” 变为“ 差” 。因此， 在未疏 干 的情况下开采将会加大矿体及其顶板围岩支护工作 的难度， 尤其对于分段空场嗣后充填法而言， 即使采 用锚索支护也可能难 以完全避免上盘 围岩的垮落， 虽然围岩的垮落程度不至于很高， 但是 5 ～6 m的顶 板围岩混入也是采场贫化控制难以承受的。另一方 面， 上盘 围岩的垮落往往会引起出矿 口的堵塞， 给采 场出矿造成困难 ， 从而加大采场矿石的损失。 2 含水层涌水对充填体稳定性 的影响。在矿 体含水层疏干的前提下， 设计采用 了非胶结充填， 采 场之 间留 3 m 的矿柱。使用 非胶 结充填时， 充填料 的内聚力是 比较 小的。在 矿体含水 层 尚未疏 干之 前， 地下水的不断补给会使采场充填体长期处于饱 和水状态， 这会影响到相邻 采场的回采。在二步相 邻采场回采爆破振动的反复作用下， 饱和充填体很 容易出现液化反应。一旦充填体发生液化现象， 它 就会象流体一样不具有任何抗剪能力， 它对采场底 部密闭墙和侧翼 间柱施加很大 的压 力。即使对于 1 6 ． 5 m段高的采场， 这也是危 险的。如果这 时密闭 墙或者间柱遭到破坏， 尾砂浆涌入坑道或相邻采场， 将会给井下生产作业带来灾难性 的后果 ， 危及井下 维普资讯 有色矿 山 2 0 0 3年 第 3 2卷 人员、 设备和设 施的安全 。在国 内外许多矿 山都发 生过类似的事件， 应当引起足够的重视 。 为了安全起见， 采场密闭墙 必须设计可以承受 全分段高度的压头， 采场充填应当有 良好 的脱 水系 统， 另外必要时也可 以考虑加大采场间柱的宽度或 者一步回采用胶结 充填。胶结充填体的抗剪强度 已 经超过了非胶结充填材料潜在的液化能力。 3 地下水的存在会增加装药的难度， 需 要使 用防水炸药， 根据 5 0 0 m 水平以上西部采场 目前的 实际使用情况， 湿孔爆 破成本将增加 约 5 0 ％； 支护 上盘围岩的锚索孔 中如果水压 比较高， 则砂浆难以 注入和凝固。 4 地下水对巷道掘进的影响主要是岩石稳 固 性变差， 增加支护工作量 ， 增加I 临时排水设施和排水 费用， 相应地增加了掘进成本 。 5 在采矿 中， 松散矿岩 的湿度是影响放矿条 件的重要参数之一。根据谦 比西铜矿过去的生产经 验， 当溜井穿过下盘剪切带弱含水层时， 即使 只有每 分钟几升的涌水也会给矿石的溜放带来困难。谦 比 西矿体为泥质板岩和 片岩， 其特点是在有水的环境 下容易泥化。矿石泥化会 降低其流动性， 水和细粒 粉矿形成的粘性材料会粘在井壁上， 并进一步引起 结块。 最终结拱堵塞。一旦溜井 中形成结拱， 不仅会 影响矿 山的正常出矿。 而且岩渣 、 粉矿和水进一步骤 集形成一定压力时， 打开溜井很容易造成跑矿事故。 有关研究结果表 明当溜井 中矿 石含水量 由 6 ． 4 ％增 加到 9 ． 7 ％～1 1 ． 9 ％时， 矿石粘结 力明显增加， 超过 1 5 ％时， 矿 石流动性变好， 接近流态， 容易发 生跑矿 事故。因此， 要保证矿 山的正常生产必须加强矿坑 水的管理， 避免矿坑水进入溜井 ； 避免溜井穿过含水 层 ； 控制矿石中水份和粉矿的含量。除此之外， 减少 崩落矿石在采场和溜井 中的滞 留时 间， 以减小矿石 的泥化， 也是保证矿 石溜放 畅通安全 的有效措施之 一 o 6 除品位、 矿 岩稳 固性 、 矿体 倾角等 因素之 外， 地下水是影 响首 采 区选 择的又 一个 重要 因素。 首采区的选择应考虑地下水分布不均的特点， 将首 采区选定在富水性 低的地段， 尽量避免地下水水头 过高所带来的不利影响。疏干的结果会在含水层 中 形成一个放水漏斗， 漏斗底部的宽度将影响投产采 场的数量、 投 产的规模和 采矿 工作 面推进的速度 。 根据现场观测， 5 0 0 m 水平以下总体上西部涌水量大 于东部， 因此在布置首采地段和确定 采掘计划时可 以结合矿体“ 东富西贫， 东部陡西部缓， 东部稳定性 好于西部” 的特点考虑先 采东部后采西部。生产期 间应根据放水的情况结合矿体的几何特征和围岩稳 固性调整不 同采矿方法的分布区域。 5 结论 无论是 以前矿 山采用分段空场法和崩落法， 还 是恢复生产 以后 采用 充填法， 地下水都 会给矿 山的 正常生产产生诸多不利影响。在谦 比西铜矿投产初 期 ， 矿体含水层尚未完全疏干的情况下， 地下水对生 产的影响会显得更为突 出。因此， 目前 矿山应积极 创造条件提高疏干强度， 多开工作面， 多打放水孔， 早 日疏千矿体含水层。随着井下作业面 的扩展， 应 加强水文地质的研究和监测工 作， 使得疏干工程的 布置针对性 强， 以加快疏干进度 ， 为采矿作业创造 良 好的条件。 [ 参考文献 ] [ 1 ] G e o l o g y c l o 6 1 1 1 e r e p o r t ．C h a mb i s h i Mi n e ，N e h a n g a Di v i s i o n，S e p t ．，1 9 87． [ 2 ] R． D． Ha mme t t ．A r e n e w o f t h e r o c k me c h I l i c s ，g r o u n d c o n t r o l , g r o u n d wa t e r i n fl o w a n c o n c e p t u a l mi n e d e s i g n a s p e c t s o f t h e p r o r d r e e o mme n e e me n t o f u n d e r g r o u n d mi n i n g a t Ch a mb i s h i Mi n e ， Go l d e r As { 0 c i a t e s ， J u l y ， 1 9 9 4． [ 3 ] 采矿手册 编委会． 采矿手册 第 2卷 [ M] ． 北京 冶 金工 业出版社， 1 9 9 0 ． [ 4 ] 吴爱祥， 孙业志， 刘湘平． 散体动力学理论及其应用 [ M】 ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 古德生， 王惠英， 李觉新． 振动放矿技术[ M] ． 长沙 中 南工业大学 出版社 ， 1 9 8 9 ． 维普资讯