魏国昌 季永康 宓 娟 张晓波

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

黑山铁矿位于河北省承德市，属承德县高寺台镇王营村、龙潭沟村管辖。黑山Ⅰ号采场现为露天开采，目前露天采场最低标高达到662 m水平，还有1个台阶即将到达露天坑底650 m水平。地下工程分三期开采:一期工程为580 m中段以上开采;二期工程开采580～220 m标高之间矿体;三期工程开采220～－20 m标高之间矿体;后期开采－20 m标高以下矿体［1］。针对露天采坑的防排水，进行了设置排水隧道和不设置排水隧道2个方案的分析比较;对于地下三期的排水，进行了接力排水和一段直排2个方案的技术经济比较。

1 矿区地形地质特征及水文地质条件

1.1 矿区地形地质特征

黑山矿区地处燕山山脉中北部，大黑山东麓。海拔750～1 213 m，切割深度463 m，地形陡峻，沟谷发育，属中低山区。矿床地处华北地台北缘，燕山台褶带与内蒙地轴的交接地带，属于台褶带边缘的断裂隆起区大庙穹断束(Ⅳ级)构造单元。黑山铁矿体群位于王营北沟～龙潭沟，呈北东向展布，南侧为红石砬—大庙深断裂带;北东端为龙潭沟—岔沟压扭性断裂带。

黑山铁矿体Ⅰ号采场开采11～44线间矿体，涉及①、②矿体群及其他盲矿体群共105个铁矿体。由于受压扭性构造控制，矿体在平面上具有左行排列分布特征，在剖面上具有叠瓦斜列式分布规律。矿体群产出标高一般550～－385 m，最深标高－990 m。矿体走向北东65°，倾向南东，倾角45°～60°。

黑山铁矿Ⅰ号采场及周边出露的岩石有斜长岩、苏长岩及钒钛磁铁矿等，经过多年露天开采，形成了高陡的露采边坡，尤其是露天采场的西帮边坡由于地质构造比较发育，曾多次发生滑坡。黑山铁矿对此采取过多种治理措施:加强截、排水措施，调整坡面水位，截断和排除坡体的地下水，防止坡体软化，消除渗透变形作用;同时降低坡体下滑力，提高坡体抗滑能力;并采取了锚固喷浆护坡、排水等防治措施。目前其西侧边坡整体稳定性较好。随着露天采场的加深，其周边边坡受重力和风化作用影响，产生新的坍塌是必然的，要加强周边地质环境变化的监测。

1.2 矿区水文地质条件

区域地形北高南低，西高东低，海拔750～1 213 m。区内地形起伏较大，沟谷较发育。沟谷形态一般呈V字型，山脊形态多呈现浑圆状。大庙基性杂岩体形成了侵蚀构造、侵蚀堆积的地貌形态。沿杂岩体南侧斜坡形成的V字形溪沟均汇集于南部主沟。最低侵蚀基准面标高590 m，矿坑水自然排泄面标高分别为580、750 m，谷底和山脊之间高差一般100～300 m。南部主沟与两侧的山脊高差300～700 m。

矿区属大陆性季风型燕山山地气候。年平均降雨量542.5 mm，年蒸发量1 516.5 mm，相对湿度54%。雨季多集中在6、7、8月份，降水量占全年60%，最大冻土深度1.26 m。采场的集水量完全受季节控制，受当年降雨量的控制尤为明显，降雨多，集水量就多，反之就少。

矿区水系属于武烈河支流沟谷。在黑山铁矿矿区东侧有滦河支流武烈河由北向南流过，距矿区约9 km。矿区及周边没有地表水体，只有季节性溪沟水。矿区Ⅰ号露天采场所在的王营北沟长3.60 km，形成1.42 km2的汇水面积，雨季时，巨大的汇水面积形成的降雨径流入渗将成为矿坑涌水的主要来源，对矿坑充水的影响很大。大气降水是地下水的唯一补给来源。露天采场大部分地表植被覆盖较好，有利于大气降水入渗，补给地下水，以泉和潜水径流形式，向露天采场汇集，大部分沿裂隙和人工裂隙渗入地下。

2 地表水处理分析

黑山铁矿Ⅰ号采场地表为露天采坑，其东北部地形北高南低，西高东低，形成了一个1.42 km2的汇水面积，对于此部分地表水如何处理，设计提出两种方案:

方案Ⅰ，设置排水隧道。由于露天采坑东北部地势比较高，且考虑东大洼开采时的影响，在露天坑西南部布置1条排水隧道将地表汇水排至露天坑外。

方案Ⅱ，不设排水隧道。地表汇水渗入井下，再通过井下的排水系统将其排至地表。

两方案二期工程220 m中段涌水量见表1，可比工程量及排水设备和可比投资分别见表2和表3。

表1 220 m中段井下涌水量 m3/d

表2 可比工程量及排水设备

表3 可比投资表

通过比较，方案Ⅰ一次性投资稍多，但年经营费低，设计采用方案Ⅰ，即设置排水隧道排除地表水方案。考虑各工业场地占地面积较小，场地排水采用自然排水方式，场地内的雨水沿平土方向自高向低排除。各工业场地外侧山坡上均设置截水沟，拦截流向场地的雨水。截洪线路的选择必须综合考虑采矿场安全生产的各种因素［2］。

3 地下水处理分析

采用地表设排水隧道后，井下涌水量见表4。

表4 设排水隧道后井下涌水量

3.1 一期排水系统分析

一期工程580 m中段以上排水采用580 m平硐自流，涌水自流至580 m平硐外的高位水池。

3.2 二期排水系统分析

黑山铁矿Ⅰ号采场二期开采采用集中排水方式。设计在副井220 m水平车场东侧设置中央变电所和水泵房，井下各中段坑内涌水、采矿废水等通过泄水井泄入副井附近的水仓中，水仓中的水由水泵一段排至580 m中段500 m3井下供水水仓，供水水仓溢出的水经580 m延伸平硐、排水平硐自流至580 m平硐外地表储水池。

经计算，二期220 m水泵房设置4台MD720－60×7多级离心泵和2台MD280－65×7多级离心泵。正常涌水时1台MD280－65×7泵工作，其余备用和检修;最大涌水时3台MD720－60×7泵工作，其余备用。

黑山铁矿Ⅰ号采场二期井下正常涌水量为3 850 m3/d，最大涌水量为41 899 m3/d，采矿废水436 m3/d，井下正常排水总量为4 286 m3/d(179 m3/h)，按照水仓容纳6～8 h水量计算，需要水仓总容积1 074 m3～1 432 m3。设计布置2组相互独立的水仓，水仓总长度300 m，容积1 909 m3，其中内水仓长130 m，容积827 m3，可容纳3.5 h正常涌水量，外水仓长170 m，容积1 082 m3，可容纳4.5 h正常涌水量［4］。

3.3 三期排水系统分析

三期排水考虑2个方案:方案Ⅰ为一段直排，在－20 m建水泵房，将地下汇水直接排至580 m排水平硐，经排水平硐自流;方案Ⅱ为接力排水，在－20 m建水泵房，将地下涌水排至220 m水仓，经220 m水泵房排至580 m排水平硐。方案比较见表5。

表5 三期排水方案比较

经方案比较，从经营费、基建工程量、设备投资、工作容量、泵房管理等方面考虑，方案Ⅰ优于方案Ⅱ，即采用一段直排方案。

黑山铁矿Ⅰ号采场三期开采采用集中排水方式。中央变电所和水泵房设在副井－20 m水平车场。－20 m水泵房建成后220 m泵站不再使用，直接将水排至580 m排水平硐。三期－20 m水泵房设置5台 MD700－100A×8多级离心泵和2台

4 其他防排水措施

鉴于采矿专业和总图专业设计方案，本次预测降雨径流渗入量时未考虑王营北沟对矿坑充水的影响。但在矿山生产期间应采取一定保护措施确保排水隧道不受破坏，并维护好排水隧道和截洪线路，保证水流畅通无阻。

由于露天采场及以上汇水面积巨大，雨季形成的大气降雨径流渗入量很大，建议在关键巷道内设置防水门，防止泵房、中央变电所和竖井等井下关键设施被淹。防水门的位置、设防水头高度等应在矿山设计中总体考虑。防水门应设置在岩石稳固的地点，由专人管理，定期维修，确保其经常处于良好的工作状态［5］。

矿山属于露天转地下开采矿山，地下开采时，为防止大气降雨入渗对地下采坑造成威胁，建议露天采场开采结束后，应对露天坑进行回填废石处理。根据大量矿山实际生产经验，回填层厚度必须大于40 m，否则无法保证其减缓大气降雨入渗的作用。

随着露天采场的加深，580 m坑道及以下的拓宽开采，原有裂隙不断扩张，也形成了新的人为裂隙，加剧了露天采场蓄存水的下渗。因此，丰水季节时应加强坑道内的排水工作，保证地下开采的安全。

应经常检查排水泵站排水设备的运转情况，确保在雨季正常运转。MD280－65×11多级离心泵。正常时1台MD280－65×11泵工作，其余备用和检修;最大涌水时4台MD700－100A×8泵工作，其余备用。

雨季时，应注意坑内涌水量的监测，如发现坑内涌水量较大有淹井危险时，应及时撤离井下人员及设备。

在基建、生产过程中，对接近水体的地带或可能与水体有联系的地段，应坚持“有疑必探，先探后掘”的原则，编制探水设计。如发现水文条件异常和发现有透水征兆时，应进行超前探、放水工作，防止突然涌水事故发生。

5 结论

(1)露天排水采取设排水隧道排除地表水方案投资少，年经营费用低。

(2)地下三期工程－20 m中段排水从经营费、基建工程量、设备投资、工作容量、泵房管理等方面考虑一段直排方案要优于接力排水方案。

(3)本研究分析需要在矿山基建和生产中进一步验证，落实地下涌水量的变化，并根据实际条件的变化作出必要的调整。

(4)金属非金属矿山井下开采防排水是一项系统工程，矿山企业应特别重视，配备足够的防排水设施，制定符合矿山实际的防排水措施。

［1］ 张建勇，王 辉，魏国昌，等．河北钢铁集团矿业有限公司黑山铁矿580 m以下采矿工程初步设计［R］．秦皇岛:中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司，2012．

［2］ 荣中亚，周洪波．大型露天采矿场防控洪水探讨［J］．中国矿山工程，2006，35(6):32-36．

［3］ 张梦麟．采矿设计手册:矿山机械卷［M］．北京:中国建筑工业出版社，1989．

［4］ 唐炳文．采矿设计手册:井巷工程卷［M］．北京:中国建筑工业出版社，1989．

［5］ 李晓峰，陈亚杰．金属非金属矿山地下开采防排水技术分析［J］．中国科技博览，2010(11):284．