高山河流交汇区域露天采场防排水技术研究修稿讲诉.docx
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高山河流交汇区域露天采场防排水技术研究修稿讲诉
0前言
南泥湖钼矿矿区面积3.98km2,主矿体东西长2600m,南北宽1000-1400m,最大矿体厚度420.12m。
探明钼保有工业矿石量约7亿吨,地质品位0.072%,钼金属量约50万吨,是以钼为主的钼、钨特大型矿床。
设计一期规模为15000t/d,二期为30000t/d,最终将达到40000t/d生产规模。
矿区属季风型半干旱大陆性气候,夏季凉爽、冬季严寒;年平均气温12.2℃、极端最高气温42.1℃、极端最低气温-19.1℃,年平均降水量809.6mm,年最大降水量1462.6mm,年最小降水量468.7mm;多年平均蒸发量1155.2mm,蒸发量明显大于降雨量。
七、八、九三个月为雨季,十月至来年四月为降霜期,十一月至来年二月为冰冻期,最大冻结深度0.27m。
由于南泥湖钼矿地表形态为四周高中间低的小型山间洼地,当地雨水丰富,特别是雨季,矿区北部、南部周围山体流域大量汇水形成洪流,直接流入露天坑,诱发采场淹坑事故。
同时民采遗留下的老空区积水及矿区内破碎带的裂隙水,对采场边坡的稳定及矿山正常生产产生不利影响。
为了确保矿山采场边坡稳定和预防露天采场发生淹坑事故,确保安全生产,开展南泥湖钼矿露天采场防排水技术研究,掌握南泥湖钼矿地下水涌水规律,分析水对采场边坡稳定性及生产的影响,进行矿区地下水与地表水的防治方案研究与工程设计,防止重大地质灾害的发生和预防淹坑事故,确保安全生产。
技术人员在收集和调查矿山周边地理环境、矿区地质、开采设计及采矿资料的基础上,完成周边及地表水来源及汇水量分析、地下水涌水规律分析与水对采场边坡采场稳定性及生产的影响分析;在此基础上形成本研究项目的阶段研究报告。
1矿区地质条件
矿区地层以结晶变质岩类为主,岩性复杂,无软弱夹层。
地质构造发育,裂隙张开度小,多被后期充填,破坏了岩石的完整性,因此,断裂构造、裂隙组合结构面是影响岩石稳定的主要因素。
矿区主要构造为NWW、NNE向压扭断裂,地表岩石风化作用一般,岩体稳定性较好。
矿区范围内无大的常年性地表水体,只有山间沟溪。
区内冲沟发育,上东沟源于外围老母庙一带,流经矿区南缘入冷水河;南泥沟发源于三道庄矿区,流经矿区中部至沟口与上东沟水流汇聚流入冷水河,是一间歇性水流;沟谷多呈近东西向,山坡上植被发育,雨季河水暴涨,水流湍急;旱季流量显著变小,有时仅为涓涓细流,甚至干凅。
2采场周边地表水汇水量分析和计算
2.1采场周边汇水面积的确定
南泥湖矿区为一四周高中间低的小型山间洼地,属侵蚀构造中低山地形。
区内基岩裸露,沟谷发育,汇水面积较大,沟谷呈“U”字形、似鱼刺状分布在矿区的四周。
矿区的东部紧邻洛钼集团,东部的大气降水基本全部汇入洛钼集团露采坑;根据矿区地形图,矿区西部大部分汇水可通过根据矿区的地形地质图资料计算,矿区北部的北沟、西沟和王家东沟汇水面积为1.39km2;矿区南部的上东沟、小东沟、大东沟、大王庄沟、小王庄沟、炭窑沟等大小沟谷的汇水面积为4.83km2;依照露天后期境界图,露天采场边坡范围内的汇水面积是0.9236km2。
2.2矿区周边地表汇洪量计算
矿区周边地表汇洪量是指大量降水在在短时间内,形成特大的地表径流,汇入矿坑的水量。
由于南泥湖钼矿按30000t/d生产规模,露采可服务28年。
因而矿坑周边地表水的防排水必须按100年一遇的汇洪量考虑,其汇洪量的大小缺乏实测资料,因根据矿区周围自然地理因素、流域面积大小、降雨的强度及历时、地表水下渗、地表径流等参数,计算矿区周边地表汇洪量是必然选择。
2.2.1地表暴雨产流理论
地表流域的产流过程也就是暴雨扣损过程。
当降雨量满足截留和填洼且雨强超过下渗强度时,地面开始积水,并形成地表径流。
影响降雨损失过程的因素很多,情况比较复杂,目前在估算或选定损失参数时,主要采用经验方法。
地面流域的径流损失主要包括植物截留、洼地填蓄、下渗、蒸发等部分。
汇洪量的水量平衡方程式为:
Q=Q降-q截-q洼-q下渗………………………………………………
(1)
式中:
Q降——一次历时的暴雨量,m3;
q截——一次历时降雨植被的截留量,m3;
q下渗——一次历时下渗量,m3;
q洼——一次历时的填洼量,m3;
Q——一次历时的暴雨量,m3;
2.2.2径流系数法求算矿区暴雨洪峰量
(1)根据栾川的暴雨资料计算暴雨强度:
2010年7月23日20时至24日20时,栾川遭遇百年一遇特大暴雨,据河南气象台资料,最大日降雨量达250~300mm。
计算取最大日降雨量300mm。
采用同倍比法(按洪峰或洪量同一倍比放大典型洪水过程线的各纵坐标值,从而求得设计洪水过程线的计算方法)暴雨时程分配见表3-8所示。
由表可知最大小时暴雨强度为:
imax=132.3/2=66.15mm/h。
(2)径流系数法计算矿区暴雨洪峰流量:
表3-8最大日降雨时程分配表
项目
设计暴雨时段(2h)雨量过程
24h
时段序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
全日雨量
典型分配%
2.9
3.4
3.9
5.2
10.5
44.1
8.7
6.1
5
4
3.3
2.9
100
设计暴雨量mm
8.7
10.2
11.7
15.6
31.5
132.3
26.1
18.3
15
12
9.9
8.7
300
根据(35式)计算暴雨洪峰流量:
Qmax=imaxΨF……………………………………(35)
式中:
Qmax——暴雨洪峰流量(m3/s);
imax——最大暴雨强度[m/s];
F——汇水面积(m2)。
Ψ-径流系数;
径流系数Ψ的选取主要依据以下四个因素:
①降雨强度,对相同降雨量来说,雨强越大,降雨损失量越小,产流越快,洪峰流量越大;②流域的地形坡度:
地形坡度越陡,汇流速度越快,汇流时间越短,洪峰流量越大;反之则小。
③下垫面的种类:
对于不同的下垫面,据《室外排水设计规范》GB50014-2006,城市平地条件下不同下垫面的径流系数对应于见表3-9。
④流域的面积和形状:
流域面积大、形状狭长,则流域洪峰汇流时间较长,径流过程平缓,相对洪峰量要小。
考虑南泥湖钼矿露天坑周边汇水区域均为山区坡地,在暴雨季节洪水汇流速度快,且露采坑北部的汇水面积小于南部,为此,南部的径流系数取0.35,北部的径流系数取0.45。
由表3-8可知:
南部洪峰流量:
Qmax=imaxΨF=0.0184×0.35×4.83×103=31.1052m3/s
北部洪峰流量:
Qmax=imaxΨF=0.0184×0.45×1.39×103=11.5092m3/s
2.2.3矿区暴雨洪峰量的综合确定
根据产汇流理论和径流系数法计算的露采坑北部、南部的最大汇水量如表3-10所示:
矿区暴雨洪峰量取其平均值。
表3-10南泥露采坑及周边暴雨洪流量取值表
计算方法
洪峰流量
产汇流理论计算法
径流系数计算法
平均值
北部Q北max(m3/s)
13.4921
11.5092
12.5007
南部Q南max(m3/s)
32.1974
31.1052
31.6513
3矿区地下水的分布规律
3.1地表水体及含水层
根据《河南省栾川县南泥湖矿区钼矿勘探报告》及我院技术人员现场收集的相关资料,矿区及周边只有山间沟溪,区内冲沟发育,上东沟源于外围老母庙一带,流经矿区南缘入冷水河;南泥沟发源于三道庄矿区,流经矿区中部至沟口与上东沟水流汇聚流入冷水河,是一间歇性水流;沟谷多呈近东西向,山坡上植被发育,雨季河水暴涨,水流湍急;旱季流量显著变小,有时仅为涓涓细流,甚至干凅,因而矿区范围内无大的常年性地表水体。
矿区地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水及采空区的老窑水。
3.2地下水补给、排泄条件
大气降水渗入是地下水的唯一补给来源,深部基岩构造裂隙水接受降水的远程补给。
虽然区内构造比较发育,但因构造多呈压性或压扭性,其破碎带宽度有限、透水性差,阻碍了降水的垂直和侧向渗入补给。
另外,由于该区蒸发量大于降水量,降水在入渗补给过程中,大部分通过蒸发和植物的蒸腾作用返回大气层,也造成了补给量减少,所以该区岩石补给水源有限,其富水性弱。
地下水主要赋存于第四系松散层孔隙、基岩风化带及石英岩、长英角岩断裂破碎带中。
上部以孔隙-裂隙含水为主,分布于沟谷和斜坡地带,自然状态下沿基岩风化裂隙带或基岩接触面向沟谷方向运移,以泉水形式排出地表;深部以微裂隙、破碎带含水为主,沿断裂构造呈带状、网络状分布,自然状态下沿断裂构造裂隙或破碎带由北向南运移,遇辉长岩带受阻后,则沿辉长岩北部接触带裂隙转向西南运移,流出矿区。
辉长岩是隔水地质体,但其接触面的裂隙带又是地下水的运移通道。
矿区地处地表分水岭地带,无大的地表水体,由于破碎带补给路线长、补给来源有限、补给水量不足,地下水以贮存形式为主。
地下水动态水位历史观测资料显示,涌水量峰值滞后大气降水约30天,ZK1210涌水量动态观测:
1974年5月16日流量0.128l/s,至1979年5月14日流量0.0623l/s,涌水量呈系统性下降,在五年时间内流量减少51%,抽水试验中水位恢复需长时间才能达到稳定状态,这种现象表明矿区地下水环境随地质环境的变化而变化,地下水位呈逐年下降趋势。
综上所述:
区内地下水资源有限、补给量小,岩石和构造破碎带的导水性和富水性弱,区内未发现导水断裂。
周边露天采矿场、采矿井巷坑道在采掘过程中至目前均未发生过突水事件,井巷坑道涌水量也不大,说明南泥湖矿区地下水对矿床的开采不构成威胁。
3.3露采矿坑的充水条件
地下水因岩石含水不均匀,涌水量也小,只有在矿坑内揭露含水断裂构造带时,地下水才从断裂构造带内涌入矿坑,形成直接充水;受三道庄矿区及南泥湖矿区内地采坑道掘进和排水的影响,本矿区1250m高程以上的地下水已基本被疏干,所以,地下水对矿坑的影响不大,是矿床的次要充水水源。
采空区积水随着露天坑向下延伸,边揭露边疏干,不会对采矿构成威胁。
露采矿坑主要由大气降水和降水形成的地表径流直接流入而充水,是主要充水来源,但因不同月份的降水量大小、降水强度不一,充水条件也会发生变化。
年最大降水量1462.6mm,年最小降水量468.7mm,年平均降水量809.3mm,降水多集中在7-9月的雨季内,占年降水总量的60%左右,一次连续最大降水量301.8mm,日最大降水量257.1mm,一次连续降水量最长13天,年降水日数92-114天。
3.4露采矿坑涌水量的估算
(1)涌水量计算公式的选取:
露采坑的矿坑涌水量由地下水涌水量和采场大气汇水量组成,根据钻孔抽水试验计算地下水产生的露采坑涌水量。
根据详查钻孔抽水试验资料,地下水涌水量与水位降深呈对数关系,其关系式为:
q=a+blgS…………………………………………………(36)
式中:
q—钻孔涌水量,L/s;
a、b—涌水量回归系数,
S—水位降深,m;
钻孔涌水量换算成矿坑涌水量Q1的计算式为:
…………………………………(37)
式中:
Q1—1105m标高露采坑涌水量,L/s;
R—抽水孔的影响半径,m;
r—钻孔半径,m;
R0——引用影响半径,m;
r0——矿坑相当半径,m;
r0由露采矿坑面积求得:
…………………………(38)
F1—露采坑面积,m2;
R0利用矿区边界条件求得
……………………(39)
F2—矿坑排水影响面积,m2;
采场内大气降水汇水量计算公式为:
Q2=X×F1
式中:
Q2—采场降雨汇流量,t/d;
X—平均降水量,m/d,
则矿坑正常涌水量:
Q=Q1+Q2
(2)计算参数的确定
详查抽水试验资料确定a=-0.5402,b=0.9986。
S—按周边露天采矿场、区内生产竖井及冷水沟村口新凿水井(井深370m,水位高程1308-80=1228m)的实际情况,取矿区地下水位高程1240m,则S=1240-1105=135m。
F1—根据设计开采境界范围图确定,前期境界:
F1=534905m2,后期境界:
F1=921712m2;
R—按多孔抽水试验影响范围,确定R=199m
r0—由露采矿坑面积求得,
,
r—钻孔半径,r=0.055m。
R0—利用公式:
R0=R1+r0其中R1=
X—取南泥湖实际观测值的平均值;m;
(3)计算结果
1330~1240中段以上矿坑涌水量只计算了大气降水量;1240-1105中段矿坑涌水量中计入了669m3/d的地下涌水量。
4水对露天边坡稳定性影响分析
岩石边坡的稳定是一个比较复杂的问题,影响边坡稳定性的因素较多,简单归纳起来有以下几个方面:
组成边坡体岩体的物理力学性质、边坡的形状和参数、边坡的工作条件、边坡的水文地质条件、边坡的加固措施等等。
组成边坡体岩体是决定边坡稳定性的物质基础,构成边坡的岩体越坚硬,整体性越好,边坡的稳定性主好,反之,软弱破碎岩体容易产生滑坡;边坡的越高、坡角越陡,坡体越容易失稳,反之则利于坡体稳定。
滑坡是坡体因多种因素耦合变形,最终被某些诱发因素激发失稳,产生滑动的一种灾害地质现象,在这诸多因素中,水也是边坡失稳的重要因素之一。
地下水位的上升导致边坡周围水环境的变化,从而影响其稳定性。
地下水参与工程地质作用,并在一系列工程地质问题的发生过程中起至关重要的作用,这是一个不争的事实。
此外,大气降水对边坡的稳定性影响不容忽视,很多滑坡事故都发生在雨季。
2.2节已述,矿区内1330m中段以下存在基岩裂隙水、采空区集水以及大气降水的入渗,水的作用会使岩土软化,降低其物理力学性能;地下水的渗流对岩体产生动水压力和静水压力;此外,水对边坡的潜在滑移面有润滑作用,降低坡体的抗当滑力。
因此,恰当地分析大气降水及地下水对边坡的作用,对于提高边坡稳定性评价的可靠性、制定合理的治理对策是十分有益的。
岩体是由岩石和结构面组成,无论是大气降水还是地下水,水渗入岩体对边坡稳定性的影响主要表现在以下4个方面:
①使岩体软化,降低其物理力学性能;特别表现在降低软弱夹层和结构面的抗剪强度;②水的入渗增加边坡的自重;③裂隙中的水及流动会产生静水压力(浮力)和动水压力,从而降低滑移体的法向应力;④此外,水对岩体的化学作用也不容忽视。
5南泥湖钼矿露采坑防治水措施
由前述章节可知:
矿区位于四周高中间低的小型山间洼地,周边山峦起伏,地形陡峻,切割较深,地表形态相对高差达289.18m,山体坡度30°-40°,总体趋势为东北高西南低,属侵蚀型低中山地貌单元。
矿区周边沟谷发育,沟谷呈“U”字形、似鱼刺状分布全区。
根据地形地质图计算,矿区北部的汇水面积1.39km2;矿区南部的汇水面积为4.83km2;露天采场边坡范围内的汇水面积是0.9236km2。
由于区内雨季集中在7~9月,百年的日最大降雨量达300mm。
根据产汇流理论和径流系数法,综合确定得出露采坑及周边的洪峰流量:
北部Q北max=12.5007m3/s,南部Q南max=31.6513m3/s,露采坑Q坑max=8.3062m3/s;可见雨季采场周边地表洪流可在短时间内淹没矿坑。
由于该矿区构造裂隙发育;大气降水易通过构造裂隙、结构面、节理裂隙转化为地下水,使构造裂隙及附近岩体、破碎带、结构面、节理裂隙的容水性、持水性增加,加速破碎带泥化、增大岩体滑力,降低岩体抗剪强度;裂隙水的静水压力和动水压力也加剧岩体滑动。
不论是大气降水的入渗还是基岩裂隙水,通过对边坡岩体及结构面的物理化学作用而影响边坡的稳定性。
根据地质报告,区内地下水资源有限、补给量小,岩石和构造破碎带的导水性和富水性弱,区内未发现导水断裂。
但在1345水平以下各台阶钻孔施工过程中,大部分炮孔积水,使得炮孔塌孔,给成孔质量和后期的装药施工造成很多的影响,传统的粉状乳化炸药和膏状乳化炸药因钻孔积水无法装入炮孔中,影响爆破施工,爆孔中的积水导致钻孔堵塞质量降低,爆破时容易冲孔,带来较大的安全隐患,同时使爆破效果降低,大块率升高。
为防止重大地质灾害的发生和预防淹坑事故,确保南泥湖钼矿安全生产,需对矿区周边及露采坑的大气降雨汇水、矿区边坡的基岩裂隙水进行截、疏、排、堵综合治理。
不仅要采取地表防治水措施防止地表水流入采场,减少采场排水量,降低矿物含水量,提高采掘效率,保障采场安全生产,也要对赋存于边坡岩体内的地下水采取疏干、防渗堵水等措施,对地下水进行综合防治,达到疏干降压、堵水防渗、确保边坡稳定、实现安全生产和经济运行的目的。
矿区水害综合防治系统由地表截流系统、地下水疏干系统和露采坑防排水系统构成。
根据治理方案和部位的不同,防治水方案由四部分组成:
①露天坑外地表水防治方案,②边坡破碎带裂隙水疏干方案;③露天坑内大气降水和地下水防排水方案;④生产过程中单台阶裂隙治水方案。
露天坑外地表水防治方案:
根据露采坑周边的汇水面积及最大暴雨量,计算其暴雨时的汇峰量,在边坡的周边设置截排水沟,汇集到采坑的洪水通过截排水沟流入冷水河,防止洪流进入矿坑引发淹井事故。
边坡破碎带裂隙水疏干采用钻孔疏干方案。
对露天坑范围内大气降水、地下水采用排水,将坑内的水及时有效地排到地表,进入地表截水沟,再转排到选矿厂利用;而对于地下涌水量大、补给量足的破碎带采用注浆封堵。
生产过程中单台阶裂隙治水,炮孔成孔后采用高压风吹出,同时采用防水炸药。