高山河流交汇区域露天采场防排水技术研究修稿讲诉.docx

1、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10001400m，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

2、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

3、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

4、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

5、；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

6、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

7、，据河南气象台资料，最大日降雨量达250300mm。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123456789101112全日雨量典型分配%2.93.43.95.210.544.18.76.1543.32.9100设计暴雨量mm8.710.211.715.631.5132.326.118.31

8、5129.98.7300根据(35式)计算暴雨洪峰流量： Qmax= imaxF (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）。径流系数；径流系数的选取主要依据以下四个因素：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； 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。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。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

9、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= imaxF=0.01840.354.83103=31.1052 m3/s北部洪峰流量：Qmax= imaxF=0.01840.451.39103=11.5092m3/s2.2.3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

10、径流系数计算法平均值北部Q北max（m3/s）13.492111.509212.5007南部Q南max（m3/s）32.197431.105231.65133 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

11、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

12、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0.128 l/s，至1979年5月14日流量0.0623 l/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

13、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

14、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257.1 mm，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

15、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 +b lgS (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：Q11105m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：Q2XF1式中：Q2采场降雨汇流量，t/d；X平均降水量

16、，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=199mr0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

17、果13301240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669 m3/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

18、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

19、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：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；水的入渗增加边坡的自重；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；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

20、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79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=12.5007 m3/s，南部Q南max=31.6513 m3/s，露采坑Q坑max=8.3062 m3/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

21、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

22、，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：露天坑外地表水防治方案，边坡破碎带裂隙水疏干方案；露天坑内大气降水和地下水防排水方案；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。