眼前山铁矿地表水控制方法与措施研究

2019-07-26吴庆深刘显锋徐能雄

中国矿业 2019年7期

吴庆深，刘显锋，徐能雄

(1.鞍钢集团矿业有限公司大孤山分公司，辽宁鞍山 114043；2.鞍钢集团矿业有限公司眼前山铁矿，辽宁鞍山 114043；3.中国地质大学(北京)，北京 100083)

对地下矿产进行开采时，由于矿区构造裂隙发育，导水性强，如果不采取有效的地表防排水措施，大量地表水汇入露天矿坑后渗入井下，矿井排水任务巨大，极易发生水害，且井下排水费用巨大，影响地下正常生产。在进行深部开采时，原有截排水沟将被破坏，失去截排水功能。学者从多种角度对矿区水害问题进行了探讨，并提出了相应的防治措施[1-9]。另外，如果让地表水进入深部矿井，水由生产钻爆工作后的区域渗入再排出，会被爆破产生的毒废物质污染，为后期的废水排放或净化再利用带来更大困难，花费更多的费用。

将所截排的地表水、露天矿坑内积水与地下水进行综合利用，实现变害为宝、变废为宝，这样会带来显著的经济效益与社会效益。许多学者针对沉陷区水资源综合开发利用作了深入研究。张彦宾等[10]针对赵固矿区高潜水位的采矿条件，提出煤矿开采沉陷区地表水综合治理方案，实现边采边治理，避免灾后难治理。李牛[11]分析开采塌陷对环境的影响，并提出塌陷区的综合治理方案。徐良骥等[12]对淮南矿区张集煤矿大型现代化矿井塌陷区水系现状、发展趋势进行了系统而深入的研究,提出了动态的恢复治理方案。许士国等[13]以安徽省某采煤沉陷区为例，对沉陷区水资源的综合利用进行了探讨，并对沉陷区综合治理效果进行了分析。

本文分析计算了眼前山矿区汇集的地表水总量，提出了有效的地表水防治措施，并采用数值模拟方法确定了井工开采过程中地表沉陷区边界，为地表水防治与露天矿坑防水工程设计提供依据。

1 矿区水文地质与采矿概况

眼前山铁矿开采分三个阶段：①露天开采阶段，从1960～2012年，主要采用露天开采；②过渡期开采阶段，从2012年5月30日开始，主要包括东、西、北帮挂帮开采；③地下开采阶段，在完成过渡期开采后，将转入地下开采。

矿区内出露地层有鞍山群、辽河群和第四系地层，以鞍山群变质岩为主。矿区基本构造格局为陡倾斜单斜构造，走向270～300°，倾向北东或南西，倾角70～88°，局部直立。

在单斜层基本构造格局上，产生一系列断裂构造，按其空间展布特征可分为走向断层、斜交断层和横断层三组，破坏了矿体的完整性。

眼前山铁矿总体走向270～300°，由Fe1、Fe2、Fe3三个矿体组成，以Fe1矿体为主，在Fe1的矿体底部有一薄层FeP矿体断续零星分布。矿体围岩主要为千枚岩和混合岩，矿层中夹石有绿泥片岩、石英绿泥片岩、千枚岩、含铁石英岩、含铁透闪阳起石英岩、闪长岩、闪长玢岩和正长斑岩等。矿体走向、横向及斜交断裂分布，走向长80～470 m，一般厚度1～17 m，出露最宽处在Ⅱ+100～Ⅱ剖面间达50 m宽。本矿床为沉积变质矿床。

矿区位于华北地台，辽东台背斜、鞍山复向斜西南翼，西鞍山-大孤山-眼前山铁矿带的东端。区内出露的地层以太古宙鞍山群变质岩系为主，另有小部分元古界辽河群地层及第四系覆盖层。

综上所述，根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB 12719—91)，按充水矿床勘探的复杂程度，该矿区水文地质条件属中等～复杂类型。

2 矿区地表水系特征与汇水量预测

2.1 地表水系特征

为了了解眼前山矿区地表水系分布特征，通过直接观察和访问群众，对地表水进行调查。①查明地表水体的类型、分布，所处的地貌单元；②调查地表水体的水位、流量、水温，观测地表水体的动态；③查看河流水系的径流情况及干流支流的分布。

图1为眼前山铁矿区域的地表水系分布图，从图1可知，眼前山铁矿是北、东、南三面的地表水汇集点。图1中细实线表示地表溪流的分布。从矿坑以东3～4 km、以南2～3 km区域的地表水流入矿坑南侧的谷首峪河，该区域汇水面积2 384.74万m2，该区域见图1的虚线封闭范围。矿坑以北约1 km区域的地表水流入矿坑，该区域汇水面积290.7万m2，该区域见图1的粗实线封闭范围。眼前山铁矿区域总汇水面积2 675.44万m2。

图1 眼前山铁矿地表水系分布图Fig.1 Map of the surface water system ofYanqianshan iron mine

矿坑南部的谷首峪河为矿区唯一地表水排泄河道，属季节性河流，冬季结冰。河流自东向西流，在矿坑东南方向有两个支流，一支经谷首峪村流入干流，另一支经洪台村汇入干流。该河流经整个矿区，在七岭子村与千山河汇集后注入沙河。谷首峪河除直接受大气降水补给外，还受出露于基岩和第四系地层中的泉水所补给，通过构造裂隙返补给地下水。

2.2 矿区降雨量统计

根据鞍山市气象局提供的资料，本文对鞍山市的历年降雨量进行了统计分析。历年平均年降雨量为721 mm。由于眼前山铁矿距离鞍山市雨量观测站尚有一定距离，为了验证鞍山市雨量统计数据在眼前山矿的适用性，研究人员在眼前山铁矿设置了雨量观测站，进行了降雨量监测，监测时间为2012年6月1日到2012年10月30日。

自2012年5月26日开始对眼前山矿区进行雨量监测，监测点放在矿坑南约800 m的鞍山附属企业工程公司招待所院内，雨量计按照《降雨量观测规范》(SL 21—2006)安设。雨量计为量筒式，根据天气情况实时进行雨量监测。图2为矿区日降雨量统计结果，图3为月降雨量统计结果。

2.3 地表水汇水量计算

地表径流的估算计算方法很多，包括等值线图法、降雨径流关系法以及水文比拟法等。

2.3.1 年均径流量计算

本次计算鞍山眼矿地表径流量，采用年径流均值等值线图法和现场实测相结合的方法。根据辽宁省水利厅编写的《辽宁省水资源》，眼前山铁矿区域的地表径流系数为0.233，汇水面积2 675.44 m2，年均降雨量为721 mm。

W=RA=CPA=

0.233×0.721×2675.44=449.46 万m3

2.3.2 月平均径流量计算

根据鞍山市2002～2011年历年月平均降雨量，可以计算出眼前山铁矿区域月平均径流量，见图4。

图2 眼前山铁矿地区日降雨量统计Fig.2 Daily rainfall statistics of Yanqianshan iron mine

图3 眼前山铁矿地区月降雨量统计Fig.3 Monthly rainfall statistics of Yanqianshaniron mine

图4 眼前山铁矿区域月平均径流量Fig.4 Monthly mean runoff of Yanqianshan iron mine

2.3.3 最大日径流量计算

按照目前记录的最大日降雨量237 mm(1975年9月1日)计算，眼前山铁矿地区最大日径流量为147.74万m3。

按照图1，粗实线线条所封闭区域内的地表水将汇入露天矿坑，汇水面积为290.7 m2，由此得到以下统计数据：年均汇水量为48.84万m3；8月平均汇水量为12.89万m3；最大日径流量为16.05万m3。

由于谷首峪河是矿区唯一的地表排水通道，汇入矿区的地表水经谷首峪河流向西部，在七岭子村与千山河汇集后注入沙河。为了统计矿区地表水总量，自2012年5月19日起，对谷首峪河流量与矿坑排水量进行监测。流量监测点共有3个，矿坑西南侧监测点为1号，矿坑东南角谷首峪河监测点为2号，洪台村前小溪与谷首峪河交会处为3号，其中1号为主要监测点。流量监测采用浮标法。

浮标法测流是指通过测定水中的天然或人工漂浮物随水流运动的速度，结合断面资料及浮标系数来推求流量的方法。浮标法测流适用于山溪性河流和流速仪测速困难(如溜冰严重、洪水时漂浮物多、涨落急剧等)或超出流速仪测速范围的高流速等情况的流量测验。

图5为测点1的日流速分布图，可以看出2012年8月4日的流速最快，为31.8 m3/s，而当天的降雨量为127.6 mm。图6为测点1的月流量统计，2012年6～8月流量分别为31万m3、115万m3、300万m3，6～8月总流量为446万m3。

根据2012年1～8月的统计数据，露天矿坑月排水量见表1。

图5 2012年5～8月测点1的日流速分布图Fig.5 Daily flow rate distribution from May toAugust in 2012 at measuring point 1

图6 2012年5～8月测点1月流量统计图Fig.6 Monthly traffic statistics from May toAugust in 2012 at measuring point 1

表1 2012年1～8月露天矿坑实际月排水量Table 1 Actual monthly displacement of open pits fromJanuary to August in 2012

月份1月2月3月4月排水量/万m3-5.15-10.44月份5月6月7月8月排水量/万m310.2313.0220.7943.71

3 极限平衡方法确定采矿引起矿坑南北帮边坡滑动特征

依据露天矿设计规范，将采用极限平衡方法与数值模拟方法预测地下采矿引起的露天矿坑南北两帮的边坡滑动破坏特征，采用概率积分法确定东、西端帮区域的开采沉陷规律。

3.1 数值模拟计算模型

3.1.1 计算模型

根据眼前山铁矿提供的矿区开采范围及地质勘查报告，在矿区范围内，确定11个剖面进行模拟。剖面位置见图7。将11个剖面以矿脉为中心，分别分成南、北两个部分进行模拟。剖面南北走向，长约为3 300 m，以标高为-700 m的水平为底部计算边界。剖面南北走向方向为X轴方向；高度方向为Y轴方向。主要模拟的岩层包括：混合岩，千枚岩，矿脉。利用FLAC软件的建模与剖分功能将模型剖分成18 m×18 m的正方形网格。

图7 计算剖面的位置Fig.7 The position of the calculated profile

3.1.2 边界条件

计算边界为位移约束边界条件，剖面两边的竖向边界为法向位移约束，底部为全约束，模型中的重力加速度取值为9.80 m/s2。

3.1.3 计算参数的选取

依据中冶北方工程技术有限公司编写的《鞍钢集团矿业公司眼前山铁矿露天转地下开采工程初步设计说明书》中提供了研究区各岩层的物理力学参数，同时收集了《鞍钢眼前山露天铁矿边坡地质调查及稳定性评价》中提供的实验资料，采用室内试验结果和工程类比相结合的方法对计算参数进行确定。

矿区各岩体主要为变质岩，其岩体结构主要为块状结构和层状结构，局部受构造影响为碎裂结构，稳定性较差。露天转地下开采中直接影响矿体围岩的稳固性。

3.2 计算方法

FLAC程序设有多种本构模型，能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，分析渐进破坏和失稳，特别适用于模拟大变形。另外，FLAC程序还设有界面单元，可以模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、张开和闭合行为。

眼前山铁矿露天采场上口长1 410 m，宽570～710 m，封闭圈标高为93 m，露天底标高-183 m，在采场形成了深200多米的大坑。当进行地下开采时，会产生高边坡，进而发生滑坡，而FLAC模拟的是连续介质，模型发生失稳破坏后计算将会无法收敛；而且，在实际情况下，发生滑坡后，破碎岩体堆积在坡脚，对边坡会有反压作用。基于以上两点，本次计算，要在矿脉岩层开挖的同时按着最小安全系数进行削坡，忽略破碎岩体对边坡的反压作用，这样得到的结果是保守的。

3.3 数值模拟计算结果分析

由于剖面数较多，现选取其中5-5剖面的南坡计算结果进行展示。

5-5剖面河位置的水平坐标为513 580 m，4 547 393 m。计算剖面图中X轴正方向为正北向。开采到-320 m高程，安全系数为1.1的滑动面位于河北面103 m处，安全系数1.2的滑动面位于河北面5 m的位置。开采到-500 m高程，安全系数1.0的滑坡面在河北面50 m处，安全系数1.1的滑坡面在河北面12 m处，安全系数1.2的滑坡面在河南面27 m的位置。不同安全系数对应的滑动面见图8。

图8 5-5南剖面图Fig.8 Sectional view at the south side of 5-5

图9为开采之前的模型，图10～11为开采到-320 m水平后的位移云图。由计算结果可知：坡顶处X方向的位移是10 mm，Y方向的位移是8.5 mm。谷首峪河处的X方向位移是7.9 mm，Y方向的位移是7.7 mm。地表X方向位移为10 mm的位置的X坐标为4 547 552 m，在谷首峪河北侧，距离为67 m。

图9 5-5剖面南坡开采前模型Fig.9 Pre-mining model of the southern slopeof the 5-5 section

图10 开采到-320 m水平后X方向位移云图Fig.10 X-direction displacement cloud map aftermining to -320 m level

图11 开采到-320 m水平后Y方向位移云图Fig.11 Y-direction displacement cloud map aftermining to -320 m level

图12～13为开采到-500 m水平后的位移云图。由计算结果可知：坡顶处X方向的位移是11.65 mm，Y方向的位移是20.1 mm。地表X方向位移为10 mm的位置的X坐标为4 547 345 m，在原谷首峪河的南侧，距离为140 m。

图12 开采到-500 m水平后X方向位移云图Fig.12 X-direction displacement cloud map aftermining to -500 m level

图13 开采到-500 m水平后Y方向位移云图Fig.13 Y-direction displacement cloud map aftermining to -500 m level

4 地表水防治措施

采用极限平衡方法、数值模拟方法确定了南北帮地表移动边界。参照《鞍钢集团矿业公司眼前山铁矿露天转地下开采工程初步设计说明书》确定了东西端帮移动角，进而确定了东西端帮的移动边界。将两方面结合得到了不同开采水平时的地表移动边界。

4.1 西端帮开采时地表防排水措施

西端帮开采范围是ⅩⅥ号勘探线以东，标高为+21～-183 m间矿体。东端帮开采范围是Ⅸ+100号勘探线以西，标高为-69～-183 m间矿体。

原北坡截洪沟从北坡的中部流向西南部再与谷首峪河汇合。从图14可以看出，原北坡截洪沟的西段跨越西端帮矿体，在完成+21 m水平开采时将被破坏，不能继续承担防排水作用，需要将其北移。另外，从地形上看，ⅩⅥ号勘探线北部是一条走向南北的小型山梁，原北坡截洪沟的西段北移后，地表标高将比北坡截洪沟的中段高，水无法流出。因此，需要修建一条新排水沟。考虑到开采-320 m与-500 m水平地表移动特点，北坡西段排水沟的布置采用图14中排水沟1#的AB段，矿坑西侧排水沟采用图14中排水沟1#的BD段。原东坡截洪沟从北向南流，再与南部的谷首峪河汇合。东坡截洪沟在完成-69 m水平的部分开采后将被破坏，不能继续承担防排水作用，需要将其东移。根据地形条件，并结合北坡截洪沟西段的布置特征，修建一条新排水沟，北坡中东段排水沟的布置见图14中排水沟1#的AE段，矿坑东侧排水沟采用图14中排水沟1#的EF段。排水沟1#的A点是排水沟1#的分水岭，ABD段向自东西南流，AEF段自西向东南流。

图14 东西端帮开采时北坡地表防排水沟布置Fig.14 Arrangement of surface drainage ditch onthe north slope when mining atthe east and west ends

4.2 开采-287 m水平前地表防排水措施

当开采到-287 m水平时，北坡防排水沟与-183 m水平开采时相同。南侧谷首峪河尚未被破坏，还可以继续使用。但是，在开采到-287 m水平以下，谷首峪河的局部将逐渐破坏，具体位置为：①露天矿坑的西南侧，ⅩⅤ号勘探线西侧河段；②露天矿坑的东南侧，Ⅶ与Ⅸ+100号勘探线之间河段。因此，在开采到-287 m水平后，应加强河段的位移监测。

4.3 开采-320 m水平前地表防排水措施

尽管此时的移动范围比开采-183 m水平时大，特别是北坡的中部更是如此。但是，由于地形的限制，-183 m水平开采时，北坡中部防排水沟比移动边界靠北200～600 m。这样，就可以将开采-183 m水平与-320 m水平时北坡地表防排水沟合并。

当开采到-320 m水平时，在露天矿坑的西南侧，ⅩⅤ号勘探线西侧，谷首峪河的局部将被破坏，需要改道。图15绘制了新河道的位置，即河道1。在露天矿坑的东南侧，Ⅶ与Ⅸ+100号勘探线之间，谷首峪河的局部也将被破坏。在此区域谷首峪河南侧地表高程比上游高，因此，新建河道时应对此区域进行削坡处理。新河道的位置(河道2)与削坡区域见图16。

图15 开采-320 m水平时地表防排水措施布置Fig.15 Surface drainage measures whenmining -320 m level

图16 开采-500 m水平时地表防排水措施布置Fig.16 Surface drainage measures whenmining -500 m level

4.4 开采-500 m水平前地表防排水措施

开采到-500 m水平时，地表移动范围进一步扩大。由于矿体总体上倾向北，随着采深增加，矿体的边界向北移动。因此，在北坡，地表移动范围较之开采-320 m水平时扩大较大，而在南侧扩大较少。图16是开采到-500 m水平时的地表移动范围。

此时，开采到-320 m时修建的北坡防排水沟已不能使用，需要继续北移。北坡排水沟见图16排水沟2#，其中AGD自东向西南流，AIF自西向东南流，分别在南部与谷首峪河汇合。

开采到-500 m水平时，南侧谷首峪河自Ⅱ+100勘探线以东到Ⅸ+100勘探线以东320 m范围的河段将产生不同程度的破坏。其中Ⅵ勘探线以东河段破坏严重，局部将完全向露天矿坑内坍塌，Ⅵ勘探线以西河段破坏较轻，河道中线向坑内的水平位移在5～20 mm之间。为此，南侧谷首峪河将需要向南移动，其中Ⅵ勘探线以东河段移动距离较大，局部需要进行削坡处理；Ⅵ勘探线以西河段地表移动较小。由于KL段的位移较小，而且，新修河道与旧河道距离较近，可以在开采到-320 m后加强地表位移及河道变形监测，当河道发生位移超过10 mm后开始进行河道南移。