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铜辉矿业矿井充水条件及矿体底部突水性分析
2019-02-18
为了保证铜辉矿业有限公司开采过程中的安全性,结合矿山开采现状,分析矿井充水 条件和突水的影响因素,采用矿体底板隔水层突水系数法对不同开采深度底板进行评价,并对矿体 可采范围内底板进行垂向分区。研究表明,二叠系別良金群岩溶裂隙水对矿山开采威胁大,断层和 导水裂隙带是突水事故产生的主要途径,矿压扰动带、断层及裂隙发育程度和水压是突水的主要影 响因素。隔水层垂向安全分区界限值分别为251 m 和422. 19 m,水位埋深在422. 19 m(十中段)以 下层段,在此层段开采将发生底板突水事故,需做好超前探放水及疏排水工作,并提出具体的治水 方案,为矿山安全生产过程中进行防治水工作提供技术支持。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 铜辉矿业矿井充水条件及矿体底部突水性分析 夏德威ꢀ 魏海涛ꢀ 冷坤鹏ꢀ 李鹏程ꢀ 郭逸飞 ( 新疆伽师铜辉矿业有限公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 为了保证铜辉矿业有限公司开采过程中的安全性,结合矿山开采现状,分析矿井充水 条件和突水的影响因素,采用矿体底板隔水层突水系数法对不同开采深度底板进行评价,并对矿体 可采范围内底板进行垂向分区。 研究表明,二叠系別良金群岩溶裂隙水对矿山开采威胁大,断层和 导水裂隙带是突水事故产生的主要途径,矿压扰动带、断层及裂隙发育程度和水压是突水的主要影 响因素。 隔水层垂向安全分区界限值分别为 251 m 和 422. 19 m,水位埋深在 422. 19 m(十中段)以 下层段,在此层段开采将发生底板突水事故,需做好超前探放水及疏排水工作,并提出具体的治水 方案,为矿山安全生产过程中进行防治水工作提供技术支持。 关键词ꢀ 充水条件ꢀ 评价ꢀ 突水ꢀ 预测 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 003 Water Filling Condition of Tonghui Mining Mine and Analysis of Water Inrush at the Bottom of Ore Body Xia Deweiꢀ Wei Haitaoꢀ Leng Kunpengꢀ Li Pengchengꢀ Guo Yifei ( Jiashi County Tonghui Mining Co. ,Ltd. ) Abstractꢀ In order to ensure the safety in the mining process of Tonghui Mining Co. , Ltd. , com- bined with the present mining situation, the water filling condition and the influence factors of the water inrush are analyzed. The water inrush coefficient method is used to evaluate the bottom floor of different mining depth, and the vertical zoning is carried out in the mining range of the mine body. The research shows that the karst fissure water in the Permian group of different gold groups is a major threat to mine mining, and fault and water conducting fissure zone are the main ways of water inrush accidents, and the main influencing factors of water inrush are the development degree and water pressure of the ore pressure disturbance zone, fault and fracture and fissure. The boundary value of the vertical safety division of the aquifers is 251 m and 422. 19 m respectively. The water level is buried below the 422. 19 m (10 middle section), and the water inrush accident will occur in the mining section. Keywordsꢀ Water filling condition,Evaluation,Water inrush,Prediction ꢀ ꢀ 铜辉矿业有限公司(简称铜辉矿业) 位于新疆 喀什地区伽师县西克尔镇拜什塔木,东距阿克苏 00 km,西南距喀什市 130 km,南距伽师县城 80 地质认识具有局限性,对二叠系别良金群灰岩岩溶 裂隙含水岩组认识不足,将会导致后续开采过程中 出现突水事故。 文献[1] 阐述了突 水 的 机 理, 文 献[2-7]中均对不同矿井中突水的分析方法和防治 措施,上述研究为本项目开展突水分析和提出治水 方案提供了一定的借鉴作用。 4 km,交通便利。 矿区内无地表水体,暴雨时才有地 表径流的方式经沟谷由北向南汇入西克尔水库。 矿 区山间沟谷平时为干沟,只有融雪季节和降雨时才 有地表小水流。 以往水文地质工作取得一定成果, 但是,由于矿区水文地质勘查程度较低,对矿区水文 本研究对该矿井水文进行地质勘查,分析矿井 充水条件和矿井充水因素,对岩溶水突水危险性评 价,并提出治水方案,保证矿井安全生产。 ꢀ ꢀ 夏德威(1987—),男,工程师,844000 新疆喀什地区伽师县西克 1 ꢀ 矿井充水条件 矿井充水条件是受一系列自然因素和人为因素 尔镇拜什塔木。 1 1 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 控制的,主要研究矿区内的充水水源、充水途径和充 水强度 3 个因素,分析导致突水事故的可能性。 产过程中,主要充水途径有断层和导水裂隙带。 (1)断层。 断层是构成导水的主要通道,无论 是正断层还是逆断层,张性还是压性都具有一定的 导水性,但导水性有强弱之分。 弱导水断层在水压、 矿压等作用下还可能变为强导水断层。 据《新疆伽 师县铜辉矿业资源储量核实报告》 可知,矿区内未 发现大的断层。 但有 1 组北东向的小型逆断层却比 1 . 1ꢀ 充水水源 在矿体开拓生产过程中,主要充水水源有大气 降水、地表水体和地下水,其中导水裂隙带导通范围 内的水源是直接充水水源,这些水源在开采过程中 将全部进入矿井。 # 较发育。 如Ⅰ-1 矿体在 1 092 m 中段,在近 600 m ( 1)大气降水。 由于矿区属暖温带极干旱气 候,降水稀少(年均降水量 64. 60 mm,历年日最大 暴雨量 28. 3 mm)及铜辉矿业加强对地表采空塌陷 及其裂隙的观测与治理,故大气降水不是矿井的主 要充水水源。 范围内共有 10 个小断层,倾向多为 120° ~ 145°,倾 角 45° ~ 75°。 视水平断距 0. 5 ~ 5 m。 但在 WCM28 ~ 29 之间有 2 个小断层,二者相距仅 1. 6 m,产状为 倾向均 125°,倾角分别为 67°与 75°,但二者的视水 平断距达 18 m。 本次水文地质勘查施工的钻孔分 别在 292 m、316 m、343 m 钻遇构造,循环液全漏失, 推 测 为 断 层 破 碎 带, 其 标 高 在 1 016. 488 m、1 001. 127 m、965. 00 m,因此,七中段及以下开 采中段均受到该构造导水威胁。 ( 2)地表水。 矿区内无常年有水沟谷,存在多 条季节性水流的沟谷,全年大部分时间无水,采矿形 成的采空塌陷及其裂隙发育到地表,致使季节性水 流直接进入矿井;由于矿区全年大部分时间无水及 公司加强对地表采空塌陷及其裂隙的观测与治理, 故季节性水流不是矿井的主要充水水源。 大山口位 于矿区西部,背斜北翼流水也汇集于此沟,汇水面积 较大,雨季有流水。 在洪水期遇大到暴雨时汇集地 表流形成洪水,流量较大,由于其远离目前矿井开采 区域,对矿井安全生产影响较小。 (2)导水裂隙带。 导水裂隙带同样是矿井涌水 的重要通道。 由于矿井的不断开采对围岩造成扰 动,使原不导水的裂隙带导水,甚至可能沟通地表水 体,导致淹井事故的发生。 另外断层两盘的岩石一 般都较破碎,裂隙较发育,并且断裂带周边的裂隙常 常与断裂带相互联系,能够形成良好的导水通道,容 易导致突水事故的发生。 ( 3)地下水。 ①第四系松散岩类孔隙水。 勘查 区内第四系分布较少,只是在沟谷及西部大山口有 所分布,该含水层与大气降水及地表水体的水力联 系密切。 该含水层只有补给砂岩裂隙含水层后再间 接进入矿井,为矿井的间接充水含水层。 ②新近系、 古近系碎屑岩类孔隙裂隙水。 本含水层岩性以粉砂 岩、泥质粉砂岩、细砂岩、砂砾岩为主。 在 1 092 m 1. 3ꢀ 充水强度 该矿井直接充水水源为古近系碎屑岩类孔隙裂 隙含水层和二叠系別良金群岩溶裂隙含水层,而古 近系碎屑岩类孔隙裂隙含水层在 1 092 m 水平矿坑 3 涌水量为 48. 4 ~ 76. 9 m / d,富水性很微弱,该含水 3 水平矿坑涌水量为 48. 4 ~ 76. 9 m / d。 从总体看含 层对矿井充水强度较弱。 水层的富水性很微弱。 是矿井正常涌水量的主要来 源,是矿井开采时的直接充水含水层。 ③二叠系別 良金群岩溶裂隙水。 矿区内二叠系別良金群岩溶裂 隙含水组富水性弱—中等,静水位标高在 1 132. 73 综上所述,可知矿井涌水与诸多因素有关,并且 是这些因素相互作用的结果,在研究时不可仅对某 一个因素进行分析,而忽略其他的因素。 主要充水 因素为底部岩溶水,其在矿体底部形成水头压力大 的承压水而威胁矿井的安全。 其中存在的小断裂构 造和隔水层薄弱区是突水高发区,是治水工作的重 点目标区。 可能存在的小断裂构造将会成为突水的 通道,是防治水工作的重点。 ~ 1 202. 1 m,本矿区在静水位标高以下的矿体开采 均不同程度受岩溶水威胁,且本矿区内构造较多,因 此受岩溶水威胁较大。 当有构造导通时,该含水层 也是矿井开采的直接充水含水层。 因此,在带压区 开采时,应做好防治水工作。 2ꢀ 矿体底板突水影响因素分析 1 . 2ꢀ 充水途径 在采矿中除了直接揭露含水矿体或充水水源 外,导水通道是矿井涌水的必备条件。 矿井开拓生 矿体底部含水岩组主要为二叠系別良金群灰岩 含水层,该含水层在全矿区都有分布。 确定矿区东 南部的西克尔水库水面为矿区最低侵蚀基准面,海 1 2 ꢀ ꢀ 夏德威ꢀ 魏海涛等:铜辉矿业矿井充水条件及矿体底部突水性分析ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 拔标高为 1 168. 50 m。 义是每米隔水层所承受的水压值,当超过临界水压 # [8-10] 首采矿体Ⅰ-1 分布标高 1 161. 00 ~ 713. 40 m, 值时就易发生突水 。 计算公式为: # 位于 当 地 侵 蚀 基 准 面 以 下; Ⅰ-2 矿 体 分 布 标 T = P / M , (1) 高 1 204. 00 ~ 986. 80 m,大部位于侵蚀基准面以下; 式中,T 为突水系数,MPa / m;P 为隔水层底板承受 水压,MPa;M 为底板隔水层厚度,m。 # # Ⅰ -3 矿体分布标高 1 274. 00 ~ 1 092. 00 m、Ⅰ-5 矿 体分布标高 1 240. 00 ~ 1128. 10 m,矿体大部分位于 ( 1)底板隔水层厚度。 底板隔水层厚度为白垩 系凝灰岩厚度,本次施工钻孔揭露该层伪厚分别为 7. 05,60. 05,40. 60,135. 95 m,按倾角 70°换算真厚 # # 侵蚀基准面以上;而Ⅰ-4 、Ⅰ-1 矿体分布标高均位 于侵蚀基准面以上。 主要影响因素如下。 7 2 . 1ꢀ 矿压扰动带 分别 为 26. 35, 20. 54, 13. 89, 46. 51 m, 取 平 均 值 26. 82 m。 由于矿区位于柯坪塔格背斜南翼,为一单斜构 造,倾角在 60° ~ 70°,因此矿体开采时,矿压扰动为 侧向破坏,会对矿体至二叠系別良金群顶界面之间 的隔水层能力有所减弱,降低有效隔水层厚度,尤其 在断层和裂隙发育的区域,有效隔水层厚度均有不 同程度的变薄。 矿体底部主要隔水层为白垩系凝灰 岩,在岩石完整区段隔水能力较强,但在断层及节理 裂隙发育区段隔水能力变弱。 ( 2)矿体底板隔水层承受水压。 矿体底板隔水 层承受水压可以根据坝体侧向水压力公式计算(见 图 1),计算公式为: P = ρghSsinα, (2) 3 式中,ρ 为水的密度,kg / m ;g 为重力系数,10 N/ kg; 2 h 为水深度,m;S 为受力面积,m ;α 为受力面倾斜 角,(°)。 2 . 2ꢀ 断层及裂隙发育程度 断裂构造是底板突水的重要因素,断裂构造所 起的作用表现为降低底板的隔水层的强度,缩短矿 体与含水层的间距,减少底板隔水层的有效厚度。 区内存在断层及节理裂隙等构造,成为以后岩溶水 导入矿坑的途径,因此在以后的开采中应密切注意 断层及节理裂隙的发育情况。 图 1ꢀ 矿体底板隔水层承受侧向水压示意 2 . 3ꢀ 岩溶水水压 ( 3)临界突水系数确定。 根据《煤矿防治水规 定》中的规定临界值,临界突水系数一般介于 0. 06 0. 10 MPa / m。 故正常块段临界突水系数取 0. 100 MPa / m;在断层破碎带取 0. 06 MPa / m。 4)根据规范中规定的临界突水系数计算隔水 岩溶水水压是矿体底板突水的基本动力。 在矿 体底板隔水层条件相同时,水压愈大,底板突水的几 率愈高,矿区处于倾角较大的单斜构造,矿体所受隔 水底板下伏岩溶水压力近似侧向水压力。 因此,矿 体在垂向上越向下水压力越大。 ~ ( 层垂向安全分区界限值。 由于钻孔在施工中分别在 292,316,343 m 钻遇断层破碎带,因此,取 T 最大 值,即当 T= 0. 06 MPa / m 时,根据式(1)和式(2)可 推导出突水系数 T 对应的垂向水深 h 的公式,公式 如下: 3 ꢀ 岩溶水突水危险性评价 由于矿区所处地理构造为大倾角单斜构造,为 合理评价岩溶水对开采各矿体的突水危险性,本次 采用矿体底板隔水层突水系数法进行评价。 评价区矿体隔水底板受岩溶水侧向压力可近似 按坝体承受侧向水压力公式计算,垂向上深度不同 承受压力不同,可在不同开采深度进行突水系数评 价。 TM h = ρgsinα . (3) ꢀ ꢀ 计算得 h =171. 19 m。 由于拜什塔木矿段现阶段水 6、水 8 孔疏排水 使地下水水位下降,井下八中涌水点已不再涌水,现 阶段钻孔平均水位埋深稳定在 251 m,所以,隔水层 垂向安全分区界限值分别为 251 和 422. 19. 00 m。 3. 2ꢀ 矿体底板灰岩突水威胁性评价 本次分区评价根据《煤矿防治水规定》 中的规 定:正常块段临界突水系数不大于 0. 10 MPa / m;断 层破碎带临界突水系数取 0. 06 MPa / m。 3 . 1ꢀ 突水系数计算 该方法考虑了水压、隔水层厚度等因素。 其含 从上述计算结果可知,不同开采深度底板突水 1 3 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 的可能性不同,在无断层等导水构造存在的情况下, 矿层安全开采深度大,有断层破碎带存在,矿层安全 开采深度变小,利用突水系数对矿体可采范围内底 板垂向分区(见图 2)。 并定期检查、维修,保证综合排水能力符合设计要 求。 各施工头、面的防排水设施要符合设计要求。 水平大巷及上山掘进要有正规水沟,受水害影响的 下山掘进或出现明显低洼的巷道,要铺设能够满足 排水需要的排水管路,并安装工作、备用、应急水泵。 4 . 2ꢀ 超前疏排水 做好充水含水层的超前疏排水工作,尤其二叠 系別良金群岩溶含水层垂向上富水性不均一,在巷 道掘进和开采之前必须提前疏排,可在巷道掘进前 方预先施工地面疏排水孔,保证巷道掘进及开采安 全。 4 . 3ꢀ 超前探放水 采掘工作面必须执行“预测预报,科学查疑,有 疑必探,先探后掘,先治后采” 的防治水原则,可采 用物探和钻探分别连续超前探测相结合的综合探测 方式。 图 2ꢀ 矿区岩溶水突水系数安全性分区 Ⅰ 区:突水系数 Ts = 0 MPa / m,即在水位 251 m 六中段)以上层段,矿体可采范围内无压区。 区:突水系数 0<Ts <0. 06 MPa / m,即水位埋 做好采空区探放水工作,建立采空区积水监测 系统,时时掌握采空区积水情况。 ( Ⅱ 由于矿区内矿体底板岩溶含水层均富水,且从 拜什塔木矿段向西有富水性逐渐增强的趋势,因此, 矿井向西开采都要做好超前探放水工作,尤其向深 部开采时更应做好超前探放水工作。 深在 251 ~ 422. 19 m(六中段以下十中段以上)层段 为矿体可采范围内的过渡区,没有构造块段可以实 施带压开采,全矿区分布。 Ⅲ 区:突水系数 0. 06 MPa / m<Ts ,即水位埋深在 4 . 4ꢀ 注浆加固处理 4 22. 19 m(十中段)以下层段,在此层段开采将发生 隔水层垂向安全分区界限值在 422. 19 m 以下 底板突水事故,需做好超前探放水及疏排水工作。 以上通过突水系数法对矿体进行了突水分区, 该方法使用简单,通过多年多地区的使用,具有一定 的实用意义,能够为矿山安全生产过程中进行防治 水工作提供技术支持。 层段(即十中及以下中段)突水危险性较大,未来开 采时加强断裂等构造薄弱带的探查工作,及时进行 注浆加固处理,降低含水层的渗透性,隔断连接充水 水源与矿井之间的导水通道,增强构造薄弱地带的 抗压强度,减少矿井水害的发生。 4 ꢀ 矿区涌水(突水)治理方案 4 . 5ꢀ 封闭不良钻孔 矿井防治水工作应严格坚持“ 预测预报、有疑 开采前对新近钻孔和以往封闭不良钻孔进行封 [ 11-15] 必探、先探后掘、先治后采”的原则 。 开采过程 闭。 新近施工的探查孔均要求进行采前封闭。 封闭 不良的钻孔会成为矿体上下各含水层的联系通道, 采动过程中一旦被揭露,将会发生突水事故,因此有 必要对封闭不良钻孔进行二次封堵。 中必须加强富水性超前探测和探放水工作。 4 . 1ꢀ 井下防水、排水系统的建设 在矿井巷道掘进和开采之前,应建设好井下排 水和防水系统。 排水能力设计应与矿井涌水量相匹 配,开采较深可采取分段排水,现阶段井上排水孔排 水缓解了井下排水压力,但仍需保证井下排水系统 的完好,定期检修,以备井上排水孔排水设备故障、 突然来水加大等情况发生时能够井下正常排水,保 证巷道掘进及开采安全。 4. 6ꢀ 配备完善的地质及防治水技术机构 配备完善的地质及防治水机构并设置专业技术 人员;做好水文地质基础台账,认真收集、整理,实行 计算机数据库管理,长期保存,并每半年修正 1 次。 4 . 7ꢀ 建立地下水监测系统 在钻孔及井下水仓安装水位监测设备,在井下水 渠安装流量监测设备,并对周边的泉水、地表水体进 行长期观测,时时掌握地下水动态。 (下转第 23 页) 矿井排水系统设施、设备的维护、检修、保养、使 用必须分项按有关规程、规定、条例要求制定责任制 1 4
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