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紫金山金铜矿地下开采矿坑涌水水源识别及防治方案
2018-06-11
利用水化学信息识别地下开采矿坑涌水水源具有技术简便、效果理想等特征。以紫 金山金铜矿为例,采用水化学分析和人工示踪试验方法综合判定了矿区深部铜矿的矿坑涌水水源。 通过研究代表性水样常规水化学分析、微量元素分析、氢氧稳定同位素分析数据,常规组分Piper 三线图,常规及微量元素聚类分析结果以及示踪试验验证结果,认为矿坑涌水主要来自硐室围岩富 含大气降雨成因的基岩裂隙水,未受到地表水(汀江水) 补给的影响。在此基础上,采用水文地质 比拟法预测了矿区-150 m 中段巷道开拓完毕后的正常涌水量将达到7 736 m3 / d,最大涌水量将达 到11 662 m3 / d,并提出了“疏干降压为主,预防为...
Serial No. 589 May. 2018 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 589期 2018 年 5 月第 5 期 紫金山金铜矿地下开采矿坑涌水水源识别及防治方案 1 ,2 1,2 1,2 杨ꢀ 柱 ꢀ 赵ꢀ 恰 ꢀ 王ꢀ 军 ( 1. 长沙矿山研究院有限责任公司;2. 金属矿山安全技术国家重点实验室) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 利用水化学信息识别地下开采矿坑涌水水源具有技术简便、效果理想等特征。 以紫 金山金铜矿为例,采用水化学分析和人工示踪试验方法综合判定了矿区深部铜矿的矿坑涌水水源。 通过研究代表性水样常规水化学分析、微量元素分析、氢氧稳定同位素分析数据,常规组分 Piper 三线图,常规及微量元素聚类分析结果以及示踪试验验证结果,认为矿坑涌水主要来自硐室围岩富 含大气降雨成因的基岩裂隙水,未受到地表水(汀江水)补给的影响。 在此基础上,采用水文地质 3 比拟法预测了矿区-150 m 中段巷道开拓完毕后的正常涌水量将达到 7 736 m / d,最大涌水量将达 3 到 11 662 m / d,并提出了“疏干降压为主,预防为辅”的防治水方案,供区内矿坑涌水防治参考。 关键词ꢀ 地下开采ꢀ 矿坑涌水ꢀ 水源识别ꢀ 水化学信息ꢀ 防治方案ꢀ 水文地质比拟法ꢀ 解析 法 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674ꢁ6082. 2018. 05. 052 Water Source Identification of Underground Mine Water Inflow and Treatment Scheme of Zijinshan Au-Cu Mine 1 ,2 1,2 1,2 Yang Zhu ꢀ Zhao Qia ꢀ Wang Jun ( 1. Changsha Institute of Mining Research Co. ,Ltd. ;2. State Key Laboratory of Safety Technology of Metal Mines) Abstractꢀ Undergound mine water inflow identification technique based on hydrochemical informaꢁ tion is characterized by technical simplicity and good identification effects. Taking Zijinshan AuꢁCu Mine as the study example,hydrochemical analysis method and manual trace test method are adopted to identify the source of mine water inflow of the deep copper deposit of Zijinshan mining area. Through comprehenꢁ sive analysis of the conventional hydrochemical analysis results,trace element analysis results and hydroꢁ gen and oxygen stable isotope analysis results of typical water samples,Piper three lines chart of convenꢁ tional component and cluster analysis results of conventional and trace elements of the typical water samꢁ ples,it is show that the mine water inflow is mainly derived from bedrock fissure water caused by atmosꢁ pheric rainfall in the cavern surrounding rock mass,the mine water inflow is not affected by surface water ( Tingjiang water) supplies. Based on the above discussion results, based on hydrogeological analogy 3 method,the normal mine water inflow after the drivage of -150 m level roadway is 7 736 m / d,and the 3 maximum water inflow is 11 662 m / d in the furture,besides that,the water inflow treatment scheme that is mainly for dredging water inflow and lowering water pressure,and secondary for preventing water inflow is proposed,so as to provide some reliable reference for the treatment of mine water inflow. Keywordsꢀ Underground mining,Mine water inflow,Water source identification,Hydrochemical inꢁ formation,Treatment scheme,Hydrogeological analogy method,Analytical method ꢀ ꢀ 紫金山金铜矿为老矿山,深部铜矿床进行露天 转地下开采后,水文地质条件与勘探初期发生了较 大变化,准确识别矿坑涌水水源对于深入分析矿区 水文地质特征以及指导矿山生产具有重要意义。 但 由于深部矿体埋藏深,地下水位埋深达数百米,常规 ꢀ ꢀ 杨ꢀ 柱(1982—),男,工程师,硕士,410012 湖南省长沙市岳麓 区麓山南路 343 号。 2 41 总第 589 期 现代矿业 2018 年 5 月第 5 期 的抽水试验、水文物探、水文钻孔观测等水文勘察手 给可能的位置为导水构造贯通处以及补给源的水位 相对较高处(金山水库水位抬高了约 40 m)。 因此, 将汀江水样采集点布设于金山水库二庙沟 F1 断层 附近。 矿 坑 涌 水 水 样 采 集 点 为 245 斜 坡 道 入 [ 1ꢁ2] 。 段难以取得理想效果,且成本极高 水文地球化学探查技术是依据地下水系统中天 然(或人工示踪剂)化学、物理及同位素成分的分布 及变化规律,来分析地下水的补给、径流、赋存及排 泄特征,以便进一步了解含水介质的结构特征,从而 # 口 370 m、245 斜坡道 5 绕道、-50 m 中段上山斜坡 道、-100 m 中段巷道以及-150 m 中段回风巷。 本 研究共采集了 7 组代表性水样,其空间分布如图 2 所示。 水样阴离子组分采用离子色谱仪测定,阳离 子组分采用 ICPꢁAES 谱仪测定,氢氧同位素组分采 用 MAT253 同位素质谱仪测定,测试结果见表 1。 [ 3ꢁ4] 。 该方法 达到对地下水源进行准确探查的目的 主要用于水害预防和治理效果反馈,适用于对地下 水以及与地下水有联系的其他水体的研究。 水文化 学探查可分为利用地下水天然成分探查和人工示踪 [ 5ꢁ6] 。 前者主要适用于水文地质条件调查 探查 2 类 和研究,初步判断矿坑涌水水源 [ 7ꢁ12] ;后者主要用于 一些疑难关键问题的深入研究。 在矿坑涌水水源、 通道、不同含水层的水力联系及治水效果评价等方 面,水文地球化学方法的应用效果显著,近年来日渐 [ 13ꢁ16] 显现出快捷、简便、准确等优势 ,在煤矿防治水 ,但在金属矿山地下水防治 2,21] 。 对于地下水埋藏深且构造发育的 [ 17ꢁ20] 中得到了广泛应用 [ 中应用较少 金属矿床,利用水文地球化学方法识别矿坑涌水水 源可以取得较好的效果。 本研究结合紫金山金铜矿 工程实例,采用水化学分析和人工示踪试验方法综 合判定矿区深部铜矿的矿坑涌水水源,并制定相应 的防治水方案,为区内矿坑水害防治提供可靠依据。 1 ꢀ 矿区概况 紫金山金铜矿位于福建省龙岩市上杭县北部约 4 km 处,为我国特大型铜银河博彩app床之一。 矿山已进 入深部井下开采阶段,目前深部开拓有 330 平硐、 45 胶带斜坡道及-50,-100,-150 m 平巷。 矿山在 图 2ꢀ 水样及示踪试验钻孔位置示意 1 2 斜坡道掘进过程中,由于地下水不断涌出及岩层破 碎,严重影响了矿山生产进度。 另外,矿区西南部距 离地表河流汀江较近(图 1),未来存在地表水反向 补给矿坑的可能,因此,有必要在矿体回采前查明井 下涌水来源,评价深部铜矿开采与汀江的水力联系。 2 2 . 1. 2ꢀ 水化学分析 . 1. 2. 1ꢀ 地下水常规水化学分析 分析表 1 可知:矿区水化学类型以低矿化度水 为主,其中汀江金山水库库水为极低矿化度中偏碱 性 HCO3 ·SO4 ꢁCa 型水;金山水库库岸附近地下水 # 2 样品) 为低矿化度中偏酸性 SO4 ·HCO3 ·Clꢁ ( ( # Na+K)·Ca 型水;浅层地下水(4 样品) 为极低矿 # # 化度酸性 SO4 ꢁCa 型水;深层地下水(5 、6 样品) 为 低矿化度酸性 SO4 ·Clꢁ(Na+K) 型或 SO4 ꢁ(Na+K) 型水。 矿区由地表向深部、由库岸向山体,水化学特 征表现为矿化度由低变高、HCO3 含量由高变低、 SO4 含量由低变高、Cl 含量由低变高、Ca 含量由高 变低、Na+K 含量由低到高的特征,即随着地下水循 环深度加大,溶滤作用加强,地下水酸度变强、矿化 度增高、溶解度低的组分(HCO3 、Ca) 逐渐减少,而 溶解度高的组分(SO4 、Cl、Na+K)逐渐增多。 图 1ꢀ 矿区汇水分布特征 2 2 2 ꢀ 矿坑涌水水源判别及人工示踪验证 . 1ꢀ 矿坑涌水水源判别 . 1. 1ꢀ 样品采集与测试方法 天然情况下汀江是当地地下水的排泄基准,矿 表 1ꢀ 水样化学组分测试结果 坑开拓过程中有可能形成汀江水反向补给。 反向补 2 42 ꢀ ꢀ 杨ꢀ 柱ꢀ 赵ꢀ 恰等:紫金山金铜矿地下开采矿坑涌水水源识别及防治方案ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 5 月第 5 期 含量/ (mg/ L) - - - Br F Cl NO 0 2 NO 3 SO 4 HCO 3 Ag Al 0 0 0 0 . 18 . 18 . 67 . 24 0 11. 55 23. 92 4. 39 0. 001 0. 001 12. 27 3. 64 17. 48 38. 28 59. 56 42. 61 95. 61 63. 76 96. 00 39. 05 42. 10 17. 68 7. 33 2. 14 4. 88 0 0. 025 2 0. 093 9 0. 044 7 0. 077 3 0. 020 0 0. 132 9 0. 667 4 0. 113 6 3. 970 0 1. 460 0. 019 2. 80 4. 37 0 0. 001 0. 001 0. 001 2. 41 43. 34 12. 10 9. 65 0 0 94. 23 52. 57 9. 19 0. 010 0 0 0 . 12 0. 010 含量/ (mg/ L) B Ba Ca Cd Co Cr Cu Fe K 0 0 . 007 1 . 009 5 0. 068 7 0. 067 2 10. 870 0 10. 890 0 0. 009 9 0. 035 3 0. 006 0 0. 003 7 1. 284 0 0. 043 9 5. 290 0 0. 133 4 2. 215 0 0. 410 0 3. 320 0 0. 015 0 0. 004 1 0. 660 0 3. 234 0 4. 013 0 3. 320 0 2. 835 0 1. 146 0 0. 522 5 3. 200 0 0. 000 3 0. 001 0 0. 001 0 0. 001 0 0. 001 7 67. 330 0 0 0 0 . 005 7 . 004 0 . 003 7 0. 283 5 0. 116 2 0. 038 0 9. 569 0 10. 800 0 0. 679 8 0. 023 1 0. 006 2 9 . 220 0 0. 021 0 0. 001 0 含量/ (mg/ L) Mn Na V Pb Se Si Sn Sr Zn 0 0 0 0 0 0 0 . 180 5 . 301 9 . 550 0 . 473 8 . 050 5 . 002 6 . 100 0 8. 960 28. 320 5. 760 2. 199 57. 630 36. 950 16. 090 0. 000 5 0. 002 0 0. 031 5 0. 047 8 0. 004 0 0. 053 7 0. 278 3 0. 042 0 0. 348 0 5. 273 5. 885 0. 001 8 0. 004 8 0. 036 4 0. 038 3 0. 004 6 0. 250 9 0. 006 0 0. 183 7 0. 195 2 0. 012 2 1. 020 0 0. 013 4 0. 001 3 0. 001 3 4. 154 4. 109 4. 132 0. 007 6 0. 008 1 0. 002 8 0. 011 6 0. 020 0 0. 008 5 2 . 1. 2. 2ꢀ 地下水微量元素水化学特征分析 基本特征,绘制了 Piper 三线图(图 3)。 分析图 3 可 # # # # ~ 5 样品中微量元素组分含量特征可表现 1 知:5 件水样表现出 3 种水化学类型,1 、2 水样落于 # # 为:①F、NO2 、Br、Ag、As、Cd、Co、Cr、Hg、Se、Ni 含量 变化不大或含量较低,多数低于检测限;②NO3 、Al、 Au、Cu、Li、Pb、Sn、V、Zn 表现出由地表向深部含量 逐渐增高的趋势,与矿区矿床分布特征具有一致性; 菱形图中部;5 、6 水样均位于菱形图右上边缘处; # 4 水样单独位于菱形图右上方边缘处,其水化学类 型有别于其余样品。 2 . 1. 2. 5ꢀ 常规组分及微量组分聚类分析 ③ B、Ba、Fe、Mn、Si、Sr 表现出由地表向深部含量逐 本研究对矿区各水样常规组分及微量元素组分 渐降低的趋势,与矿区地下水向深部氧化作用减弱 的特征具有一致性。 进行了聚类分析,各组水样之间的关联程度如表 2 所示。 根据各组水样之间的相关性进行了分层聚类 分析(图 4),并将相关度大于 0. 85 的水样视为有联 2 . 1. 2. 3ꢀ 氢氧同位素水化学特征分析 # # # # # 本研究分别对 1 、2 、4 、5 、6 水样进行了氢氧 # # 系的相近水样。 分析表明:①2 水样与 1 水样的相 # # # # 稳定同位素组分测试,结果表明:1 、2 、5 、6 水样均 落于当地(以厦门地区为准) 大气降雨氘ꢁ氧同位素 线上,说明上述取样点的水主要来自大气降雨或大 # # 关度达到 0. 889,属汀江地表河水类;②5 水样与 6 水样的水化学成分基本一致,相关度高达 0. 979,属 # # # 深层地下水类;③4 水样与 1 、2 水样的水化学特征 有所区别,相关度均较低,故而可单独划分为人工干 扰浅层地下水类。 # 气降雨的入渗补给;4 水样的氘氧同位素与前述 4 个地点的数值存在明显差异,且与当地降雨线有所 偏离,可见该取样点的水并非受到大气降雨来源水 的混入作用影响。 2 . 1. 2. 4ꢀ 常规组分 Piper 三线图分析 # # # # # 根据各水样(1 、2 、4 、5 、6 水样)常规组分的 2 43 总第 589 期 现代矿业 2018 年 5 月第 5 期 图 3ꢀ 水样的 Piper 三线图 及矿床的断裂带附近(图 2 中 SZK01、SZK02 钻孔)。 根据矿区含水介质类型,为便于监测,本研究示踪试 验选取了罗丹明、荧光素钠 2 种示踪剂。 地下水示 踪试验的接收点布设于 245 斜坡道内的 5 个主要涌 # # # # # 水点,即图 2 中的 3 、4 、5 、6 、7 取样点,试验监测 时间为 24 d,监测频率为每天 1 次。 图 4ꢀ 水样聚类分析结果 表 2ꢀ 各水样之间的相似度矩阵 由图 5 可知:5 个监测点的所有的荧光素钠的 - 9 浓度均为 0. 01 ×10 ,无任何变化。 由图 6 可知:5 # # # # # 6 - 水样编号 1 2 4 5 9 个监测点的罗丹明浓度为(6. 5 ~ 7. 3)×10 ,与地下 # 1 1. 000 0. 889 0. 518 0. 469 0. 479 水天 然 背 景 值 一 致 ( 其 中, 荧 光 素 钠 背 景 值 # 2 1. 000 0. 685 0. 590 0. 608 -9 -9 为 0. 01×10 ,罗丹明为 6. 65×10 ),说明目前本研 究所投放的 2 种示踪剂均未运移至坑道各涌水点, 矿坑排水引起的地下水降落漏斗未影响到汀江岸 边。 # 4 1. 000 0. 649 0. 703 # 5 1. 000 0. 979 # 6 1. 000 2 . 1. 3ꢀ 矿坑涌水来源综合分析 1)矿区地下水可以分为 3 类,即汀江地表河 水类、深层地下水类以及人工干扰浅层地下水类。 2)坑道深部涌水主要来自硐室围岩的基岩裂 ( ( 隙水,未受到汀江水混合的影响。 # 3)245 斜坡道 5 绕道的浅层地下水水质与其 ( 他水质差异明显,是因为浅层基岩裂隙水除了有来 自大气降雨的入渗补给外,还有人工干扰水组分的 混合,但总体来看偏离当地降雨线不远,说明该类人 工水混合作用的影响较小。 图 5ꢀ 245 斜坡道各涌水点荧光素钠浓度(2015 年) 3 ꢀ 矿坑涌水量预测 紫金山矿区深部铜矿矿坑充水水源主要有大气 2 . 2ꢀ 人工示踪试验验证 降水、浅层风化裂隙水、深层构造裂隙水、断裂构造 水以及地表水。 汀江地表水与矿区局部地段存在一 定的水力联系,但对未来采矿活动不具备充水威胁。 根据矿区地质特征及水文地质特征,本研究用 于投放示踪剂的钻孔布置于汀江岸边 2 条横穿汀江 2 44 ꢀ ꢀ 杨ꢀ 柱ꢀ 赵ꢀ 恰等:紫金山金铜矿地下开采矿坑涌水水源识别及防治方案ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 5 月第 5 期 际应用中,往往采用以其中一种方法为主,其余方法 [ 22ꢁ23] 为辅的综合防治方案 。 由水化学分析及示踪 试验结果可知,矿坑深部涌水主要来自硐室围岩富 含大气降雨成因的基岩裂隙水,地表水对未来采矿 活动威胁较小,深部含水介质非均质性强,侧向补给 有限,故而可采取“疏干降压为主,预防为辅” 的防 治水方案。 图 6ꢀ 245 斜坡道各涌水点罗丹明浓度(2015 年) ( 1)随着矿床开采水平不断延深和井下生产巷 本研究采用水文地质比拟法和解析法分别进行矿坑 涌水量预测。 道开拓产生的涌突水点增加,地下水位将继续降低。 在矿体回采前,可在-150 m 巷道布设丛状放水孔以 疏干深部构造裂隙水。 布设放水孔时,需考虑深部 含水介质的非均质性及非统一性。 放水孔需布设于 揭露的构造破碎带或裂隙密集带位置。 根据 245 斜坡道区域开拓的水文地质特征,采 用水 文 地 质 比 拟 法 经 验 公 式 预 测 0, - 50, - 1 00,-150 m 中段矿坑涌水量。 计算公式为 Q = Q1 S / S1 F / F1 , (1) ( 2)保留本研究工作的水文地质钻孔作为矿区 3 式中,Q 设计开采中段矿坑涌水量,( m / d);Q1 为 坑道涌水量,根据 245 斜坡道区域已开拓中段的水 长期水文观测孔,构建地面及井下联合观测网络,并 加强对井下矿坑涌水的记录及观测。 3 文地质观测资料,最大涌水量为 4 824 m / d,平均涌 # 3)4 水样化学组分有人工干扰组分混合,采 ( 3 水量为 3 200 m / d;S 为设计开采中段水文降深值, 矿实践时,需在未来深部铜矿床大规模开采过程中 由 PD330 排出地表的水量沿爆破振动裂隙渗入下 部采坑。 加强对 PD330 及其下部各中段排水量的 长期动态观测,及时对各中段矿坑涌水量的预测结 果进行修正。 m;S1 为坑道水位降深值,m;F 为设计开采中段坑道 2 面积,m ;F1 为坑道面积,245 区域已开拓中段面积 2 为 21 657 m 。 解析法矿坑涌水量计算公式为 Q = 1 . 366 K(2H - M)M , (2) lg(R / r) 5 ꢀ 结ꢀ 语 3 式中,Q 为矿坑涌水量,m / d;K 为混合含水层渗透 系数,m/ d;H 为水头高度,m;M 为混合含水层厚度, m;R 为引用影响半径,m;r 为引用半径,m。 式(1)、式(2)计算结果见表 3。 依据紫金山金铜矿水化学综合分析结果,可知 矿区深部矿坑涌水与地表水的相似程度较低,坑道 涌水主要来源于硐室围岩富含大气降雨成因的基岩 裂隙水,未受到汀江水混合的影响。 结合矿区水文 地质条件及充水因素判断,矿区深部矿坑涌水主要 为构造裂隙水,可采用“疏干降压为主、预防为辅” 的防治水方案进行处理。 表 3ꢀ 矿区各中段涌水量预测结果 3 涌水量/ (m / d) 中段/ m 相对误差/ % 水文地质比拟法 6 606 解析法 6 589 7 190 7 769 9 037 0 0. 26 2. 64 5. 03 14. 40 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 - 50 7 003 - - 100 150 7 378 [ [ 1]ꢀ 陈彦美. 南方岩溶金属矿区地下水防治理论与实践———以福 建马坑铁矿为例[D]. 武汉:中国地质大学(武汉),2013. 2]ꢀ 李治军,迟宝明,周彦章,等. 基岩裂隙充水矿床水化学特征分 析及充水因素判定———以山东招远夏甸银河博彩app床为例[J]. 工程 勘察,2007(10):42ꢁ46. 7 736 ꢀ ꢀ 分析表 3 可知:2 种方法预测的不同中段的矿 坑涌水量较接近,相对而言,水文地质比拟法根据矿 区已开拓中段的实际情况对下步中段的矿坑涌水量 进行预测,参数来源可靠,计算公式不受边界条件限 制,故该方法预测结果的可靠性优于解析法。 因此, 本研究认为矿区-150 m 中段开拓完毕后的正常涌 [ [ 3]ꢀ 王大纯,张人权,史毅虹. 水文地质学基础[ M]. 北京:地质出 版社,1995. 4]ꢀ 王广才,段ꢀ 琦,常永生. 矿井防治水中的水文地球化学探测 方法[J]. 中国地质灾害与防治学报,2003,11(1):32ꢁ34. 3 水 量 将 达 到 7 736 m / d, 最 大 涌 水 量 将 达 [5]ꢀ 刘ꢀ 峰. 矿井水害水源的水文地球化学探测技术[J]. 煤田地 质与勘探,2007,35(4):62ꢁ64. 3 到 11 662 m / d。 [ 6]ꢀ 宋东日,谭湘龙,李ꢀ 杰. 煤矿水害的综合防治技术[J]. 企业 技术开发,2009,28(2):33ꢁ34. (下转第 240 页) 4 ꢀ 矿坑涌水防治方案 矿山防治水方法一般分为 3 类,即疏、堵、避,实 2 45
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