中关铁矿水文地质条件研究及防治水技术实践-sup-①-_sup-_南晋武.pdf

中关铁矿水文地质条件研究及防治水技术实践 ① 南晋武 五矿矿业控股有限公司,安徽 合肥 230000 摘 要 研究了中关铁矿水文地质条件,分析了矿床充水原因和地下水运动规律,重新梳理了各阶段水文地质勘探成果。 根据现 场实践,总结了矿山防治水的经验,提出应重点关注坑下局部构造带、破碎带、接触带、溶洞等薄弱地段,采用超深孔加强探防水,并 进行有毒有害气体监测；应取消专门疏干放水孔,对井下揭露的涌水不封堵、直接疏导排放,起到辅助疏干、减少采场渗水、改善作 业环境的作用。 关键词 中关铁矿； 水文地质； 涌水量； 疏干排水； 防治水 中图分类号 P641文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.05.007 文章编号 0253-6099201905-0027-03 Hydrogeological Conditions and Prevention Technology for Water-related Disasters in Zhongguan Iron Mine NAN Jin-wu Minmetals Mining Holdings Limited, Hefei 230000, Anhui, China Abstract Based on the investigation of the hydrogeological conditions of Zhongguan Iron Mine, the reasons for flooding of the deposits and the regularity of groundwater movement were analyzed and the hydrogeological and exploration results of each stage were reorganized. According to the on-site practice, experience of underground water control was summarized as follows special attention should be paid to local structural belts, fracture zones, contact zones, caves and other areas with structural weakness； ultra-deep holes should be drilled to strengthen the waterproofing； toxic and harmful gases should be monitored； special drainage and discharge hole should be abolished； the water gust occurred and observed underground should be directly drained and discharged rather than being blocked off, so as to reduce the water seepage in the stope, leading to the improved working environment underground. Key words Zhongguan Iron Mine； hydrogeology； water inflow； drainage； flooding control 中关铁矿位于河北省邢台市百泉岩溶水系统北洺 河至邢台泉群泄水区的强迳流带,矿体赋存于奥陶系 中统石灰岩与燕山期闪长岩接触带,矿体赋存标高 -59～546 m,埋深 283～770 m,属隐伏式接触交代型铁 矿床。 矿床顶板及其围岩为厚度较大的奥陶系中统石 灰岩,顶底板直接进水,于矿床埋藏较深,其主要含水 层奥陶系中统石灰岩为其直接顶板,厚度大、分布广, 富水性强,且沙河位于矿区的西北侧,两岸局部河床石 灰岩裸露,使得地表水与地下水联系密切,矿区地下水 具有丰富的动、静储量,因而矿区水文地质条件较为复 杂。 矿区西北有季节性河流 沙河流过,为水文地 质条件复杂的岩溶裂隙直接充水矿床［1］。 该矿于 1965 年开始地质勘探,2010 年开工建设,2018 年试生 产,采矿方法为充填法。 几十年来,矿山进行了多次水 文地质研究,并采取了地面帷幕注浆堵水措施,实现了 矿山安全基建。 随着矿山由基建转向生产,需要对矿 床水文地质现状不断总结分析,对未开采地段系统进 行预测,才能确保大水复杂矿山的安全生产。 本文重 新审视了各个勘探阶段的成果,梳理总结防治水技术 措施,探讨矿山生产过程中的突水防治对策。 1 水文地质条件研究 1.1 水文地质调查工作 中关铁矿由地质勘探到基建试生产,进行了大量 的水文地质调查工作。 勘探阶段26 个钻孔进行了 4 次大型孔群联合抽 水试验,每日抽水量1.16～6.2万立方米,基本上揭 露了矿区石灰岩地下水的运动规律。 ①收稿日期 2019-03-23 作者简介 南晋武1974-,男,甘肃会宁人,高级工程师,主要从事矿山水文地质、工程地质与环境地质等技术及管理工作。 第 39 卷第 5 期 2019 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №5 October 2019 ChaoXing 地面帷幕注浆阶段283 个注浆孔,9 对 18 个观 测,36 个检查孔,36 个加密孔,总进尺 200 269 m［2］。 基建阶段施工 4 条井主井、副井、南风井、北风 井、5 条巷道-110 m、-170 m、-230 m、-245 m 和 -260 m,十几个水平放水孔、数十个探水探矿孔等。 通过上述不同阶段长时间、大量工程、不同维度的 揭露,该矿床水文地质条件已基本查明。 1.2 矿床充水原因 矿床的主要充水水源是大气降水、沙河河水和中 奥陶系石灰岩含水。 大气降水可以通过基岩裸露区构造破碎带灌入矿 坑巷道,加大矿坑涌水量,并有可能引起突水危害。 调查发现,沙河切割寒武系、奥陶系石灰岩,每年 雨季河流在石灰岩地段大量漏失,开采条件下,河水可 通过岩溶裂隙渗漏直接充水坑下。 中奥陶系石灰岩含水层以裂隙或溶蚀裂隙为主, 对矿坑直接充水。 研究发现,该含水层岩溶裂隙发育 和充填程度在水平和垂向上各不均一,不同地段矿坑 充水程度也有较大差别。 1.3 矿床地下水运动规律 天然条件下,在长期的垂向交替运动作用下,第四 系水与灰岩地下水水位趋于一致。 矿区灰岩地下水接 受区域石灰岩含水层的侧向补给、河流渗漏补给及大 气降水入渗补给,从西南、西部和矿区汇集的地下水, 自西向东、自南向北运动流向邢台百泉和达活泉泉群, 水力坡度 8‰～10‰。 目前人工对矿区及其外围石灰 岩地下水进行了大量的开发,每日达30～32万立方 米,人工开采地下水成了区内地下水排泄最主要的因 素,形成多个大规模人工排泄降落漏斗,区域石灰岩含 水层水位标高与 1974 年相比,由212 m 下降到60 m, 平均累计下降 152 m,导致地下水流场发生较大变化, 使天然状态下向东北流泄的地下水运动转向汇集于人 工排泄降落漏斗区,水力坡度达 18‰左右。 1.4 矿床断裂构造 矿床区域发现了 14 条断层,走向北北东向、北东 向和北西向 3 组,以北北东向一组最发育,北东和北西 向次之。 逆地层倾向居多,倾角 70左右,多为高角度 正断层。 在矿床内,受区域构造的影响,形成了次一级 的 F1矿、F2矿、F3矿3 条小断层,断层两侧中 奥陶统与石炭系直接接触,局部含水导水［2］。 2 水文地质阶段勘探成果分析 中关铁矿水文地质工作主要分为 3 个阶段,即验 证评价阶段、补充勘探阶段、筹建阶段。 通过基建阶 段的实际排水量,可得矿坑日实际涌水量为 2.4 万立 方米。 2.1 验证评价阶段 将矿区含水层视为统一体,进行大规模孔群联合 抽水试验,获得相关水文地质参数,采用解析法预测的 矿坑日涌水量为24.15～45.11万立方米,是实际值的 10～20 倍,偏差很大。 经原冶金部组织审查,认为矿区 水量过大,矿床开采技术条件难以解决,审查后未予正 式批复。 造成偏差大的原因为① 受钻探设备限制,抽水 孔深部石灰岩没有完全揭露,为非完整井抽水,涌水量 预测以完整井考虑；② 抽水试验抽水量相对有限,抽 水试验引起的降落水位几十米左右,与目前区域水位 降落值 152 m 相比,只揭露了矿区上部强区石灰岩地 下水的运动规律,对深部弱区的地下水运动规律没有 查明,抽水试验代表性不强；③ 矿区闪长岩频繁穿插, 形态复杂,富水性、导水性表现为各向异性,采用解析 法把矿区含水层概化为均值的各向同性处理,也是造 成预测涌水量偏大的主要因素。 2.2 补充勘探阶段 考虑了水文地质边界条件,建立了本区水文地质 概念模型和数学模型,采用数值法预测的日涌水量为 9.48～14.85万立方米,是实际值的 4～6 倍,偏差较 大。 实际揭露发现矿区闪长岩空间上呈现复杂的似 层状,平面上将灰岩分割成多块,垂向上分为多层。 矿 区四周观测孔地下水动态变化幅度存在差异性。 2.3 筹建阶段 充分考虑了区域水位大幅下降因素,忽略地下水的 垂向运动,将地下水运动按平面二维非稳定渗流问题处 理,采用有限单元法计算了水文地质参数并预测了矿坑 涌水量。 预测的矿坑正常日涌水量为5.45～6.76万立 方米,是实际涌水量的 2～3 倍左右,存在较大偏差。 工程揭露发现矿区的主要含水层为奥陶系中统 石灰岩岩溶裂隙含水层,它分布在岩浆岩体与武安盆 地相对隔水体之间,下有燕山期闪长岩托底,上有石 炭、二迭系及第四系地层覆盖,区内含水层顶底板起伏 不平,含水层厚度较大,渗透性和贮水性不均一,表现 为上强下弱。 矿坑深部排水时,形成了以涌水巷道为 中心的三维空间流场分布特征。 3 防治水技术措施 3.1 地表帷幕注浆堵水 中关铁矿采用地表环形单排全闭密接地式帷幕注 浆方案,设计堵水率 80％。 帷幕线南北长 1 140 m、东 西宽 890 m,全长 3 397 m。 坑内疏干排水是最直观检验帷幕注浆堵水效果的 方法,随着矿井建设和矿床疏干排的进行,帷幕内外水 82矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 位应发生不同程度的变化。 为了实时掌握矿区地下水 分布情况,自帷幕建成后,在帷幕内外两侧成对布置地 下水长期观测孔 9 对,成对监测孔孔间距最小 37.9 m, 最大 48.6 m,平均间距 40 m,孔深 380～620 m［3］。 对 长期观测孔内水位变化情况进行实时观测,监测孔具 体位置如图 1 所示。 图 1 矿区工程布置示意图 通过长期观测孔水位观测数据与井下涌水情况对 照分析可知帷幕内外不同观测点水位有一定差别,帷 幕内外相差最大的是 CG51 孔低于 CG52 孔 66.92 m, 部分孔内外水位持平,而 CG91 略高于 CG92 水位 0.38 m；帷幕两边水位随着季节性区域水位和井下排水的 共同影响同步起幅。 因此认为① 存在帷幕质量、较大范围的顶板含 水层、底板蚀变、裂隙透水等因素影响,并不能完全阻 断帷幕内外岩溶裂隙水的水力联系,帷幕内外水位随 着季节性区域水位和井下排水的共同影响出现了同步 升降、部分孔水位持平的现象,使帷幕内外地下水的动 态变化规律有较好的一致性。 ② 由于矿区范围较大, 水文地质条件不一,各地段地下水位存在差异。 ③ 帷 幕内岩溶地下水仍具有较大的动、静储量,局部突水可 能性仍然存在。 3.2 疏干放水 自基建累计已揭露地下坑道35776.09 m/562635 m3, 仅在-260 m 水平 5＃水仓破碎带涌水 300 m3/ h,因处 理不及时被淹, 后经集中排水, 涌水很快减少到 15 m3/ h 左右,其他部位均未出现大的集中涌水。 原 设计的-260 m 水平灰岩疏干巷道因揭露不到集中涌 水,很难达到疏干效果而迫使停止施工,疏干放水孔改 为在-170 m 和-245 m 水平进行。 其中-170 m 水平施 工1 个放水硐室和2 个放水孔,-245 m 水平施工5 个放 水硐室和 18 个放水孔,D1 硐室 FS1-1 孔单孔最大涌水 量 44.2 m3/ h,其他孔涌水量都在十多立方米或干孔。 因此认为① 矿坑涌水具有零星分散,很难揭露 到大的集中涌水点的特性。 ② 深部灰岩含水层透水 性弱,维幕内外水位动态同时起伏,帷幕内水位降深不 一,坑下深部排水疏干后出现空间流畅,很难实现帷幕 内整体疏干。 3.3 生产期突水防治对策 中关铁矿已进行了注浆帷幕防水,能对地下水起 到一定的阻隔作用,但局部突水的可能性仍然存在。 周边紧邻煤矿,开采范围全部被煤矿所包围,已形成多 个采煤空区,可能存在瓦斯聚集或老窿水,在矿山排水 和开采过程中,有可能引发“双突”事故。 针对矿区复 杂的水文地质条件和周边环境,提出以下矿井生产生 产期突水防治对策 1 长年人工大量、大范围排泄地下水,使区域地 下水位标高大幅下降 150 m 左右,疏干了上部灰岩强 迳流带充水水源,造成目前矿坑日涌水量 2.4 万立方 米左右。 当出现丰水年或人工停排,区域水位抬升,矿 坑涌水量将大幅增加,直到报告预测的矿坑涌水量。 矿坑排水设防能力应达到设防日涌水量5.54～6.76 万立方米。 2 重点关注坑下局部构造带、破碎带、接触带、溶 洞等薄弱地段,采用超深孔加强探防水,并进行有毒有 害气体监测。 取消专门疏干放水孔,对井下揭露的涌 水不再进行封堵,直接疏导排放,起到辅助疏干、减少 采场渗水、改善作业环境的作用。 3 对地面注浆维幕的质量及堵截水效果应进一 步评价验证,合理解释维幕内外地下水位动态规律出 现较好一致性的原由,正确指导矿山安全生产。 4 结 语 1 矿床的主要充水水源是大气降水、沙河河水和 中奥陶系石灰岩含水。 2 长年人工大量、大范围排泄地下水,使区域地 下水位标高大幅下降 150 m 左右,疏干了上部灰岩强 迳流带充水水源,形成目前矿坑涌水量明显偏小现象。 当出现丰水年或人工停排,区域水位抬升到上部强区, 矿坑涌水量将大幅增加。 下转第 33 页 92第 5 期南晋武 中关铁矿水文地质条件研究及防治水技术实践 ChaoXing CH3中 CH 键的对称振动吸收峰。 与 YN 相比,胶磷矿与 YS1作用后在 571.30 cm -1 、 604.53 cm -1 、1 044.89 cm -1 和1 454.94 cm -1 处的吸收峰 强度都有明显增强,并且COO-的特征吸收峰发生了 迁移,表明复配捕收剂 YS1在胶磷矿表面的化学吸附 反应更加强烈,油酸钠在胶磷矿表面的吸附量增加。 这说明十二烷基硫酸钠能够提高油酸钠的分散性和水 溶性分散性增强使得油酸钠比表面积增大,油酸钠更 容易与胶磷矿接触反应；水溶性增强使得油酸钠在溶 液中更多地以水解离子形式存在,油酸钠在胶磷矿表 面更容易发生化学吸附,吸附稳定性增强。 浮选条件 相同的情况下,YS1在胶磷矿表面的吸附效果要比 YN 好。 油酸钠正浮选胶磷矿,是碱性条件下油酸钠水解 后产生的油酸根离子与胶磷矿表面的 Ca 2 反应生成油 酸钙沉淀,使得胶磷矿具有疏水性。 所以,油酸钠和十 二烷基硫酸钠复配后的捕收剂 YS1与单一捕收剂 YN 相比更有利于浮选,可改善正浮选效果。 3 结 论 1 浮选试验结果表明,复配捕收剂能够改善磷矿 正浮选效果,提高浮选指标。 2 油酸钠和表面活性剂复配后用于磷矿正浮选, 可以改善油酸钠在矿浆中的水溶性和分散性,降低矿 浆的表面张力和磷矿的 Zeta 电位,提高捕收剂在磷矿 表面的吸附量,促进水解的油酸根离子与磷矿表面的 Ca 2 反应生成油酸钙沉淀,从而改善磷矿正浮选效果, 提高浮选指标。 参考文献 ［1］ 蒋 俊. 中低品位磷矿的开发利用途径［J］. 矿产综合利用, 2014 416-19. ［2］ 李国鹏. 磷矿石质量对湿法磷酸生产的影响［J］. 硫磷设计与粉 体工程, 2016122-27. ［3］ 李 维,高 辉,罗英杰,等. 国内外磷矿资源利用现状、趋势分析 及对策建议［J］. 中国矿业, 2015,2466-10. ［4］ 潘志权,沈博玮. 基于脂肪酸的磷矿捕收剂的研制与应用进展［J］. 武汉工程大学学报, 2016,3811-9. ［5］ 赵 辉,刘志红. 贵州某硅-钙质胶磷矿双反浮选试验研究［J］. 矿 冶工程, 2017,37257-59. ［6］ 阮耀阳,罗惠华,张泽强,等. 难选硅钙质胶磷矿正反浮选研究［J］. 矿冶工程, 2017,37638-41. ［7］ 刘 朋,葛英勇,刘 鸣,等. 四川某磷矿双反浮选试验研究［J］. 矿冶工程, 2018,38363-65. ［8］ 徐龙华,田 佳,巫侯琴,等. 组合捕收剂在矿物表面的协同效应 及其浮选应用综述［J］. 矿产保护与利用, 20172107-112. ［9］ 张 闿,朱家骥. 捕收剂混合使用的试验结果评价方法的研究［J］. 金属矿山, 1989928-32. ［10］ 黄朝德,张泽强,邵一鑫,等. 难选胶磷矿复配捕收剂的研制及协 同作用机理研究［J］. 化工矿物与加工, 2017,461218-20. 引用本文 耿 超，刘志红，程 伟，等. 复配捕收剂改善磷矿浮选效果 的机理研究［J］. 矿冶工程， 2019，39（5）30-33. 上接第 29 页 3 帷幕内外地下水位动态规律表现出较好的一 致性,受季节性区域水位和井下排水的共同影响同步 升降,局部突水的可能性仍然存在。 重点关注坑下局 部薄弱地段,加强探防水和有毒有害气体监测,加大坑 下排水设防能力。 参考文献 ［1］ 蒋乾周,赵云阁,李 刚,等. 河北省沙河市中关铁矿水文地质勘 探总结报告［R］. 石家庄华北有色工程勘察院, 2004. ［2］ 蒋兵辉,刘殿凤,韩贵雷,等. 中关铁矿帷幕注浆后基建期突水因 素剖析及防治措施［J］. 矿产勘查, 20106525-528. ［3］ 夏 冬,袁雪涛,常 宏. 中关铁矿堵水帷幕内外水位变化规律［J］. 金属矿山, 2016531-35. 引用本文 南晋武. 中关铁矿水文地质条件研究及防治水技术实践［J］. 矿冶工程， 2019，39（5）27-29. 中国知网版权声明 本刊已许可中国学术期刊光盘版电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式复制、汇 编、发行、信息网络传播本刊全文。 该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付。 作者向本刊提交文章发表的行为即 视为同意本刊上述声明。 矿冶工程编辑部 2019 年 10 月 33第 5 期耿 超等 复配捕收剂改善磷矿浮选效果的机理研究 ChaoXing