高山河流交汇区域露天采场防排水技术研究(修稿)

10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，2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。32.2.1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123456789101112全日雨量典型分2.3.3.5.1044.8.6.543.2.1004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：max132.30.0184/23600imms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/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、南部的最大汇配%9492.517139设计暴雨量mm8.710.211.715.631.5132.326.118.315129.98.73005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）13.492111.509212.5007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6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，7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：……………………100lglgRqrQRr10Fr8……(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=199mr0—由露采矿坑面积求得，10565.0Fr，r—钻孔半径，r=0.055m。R0—利用公式：R0=R1+r0其中R1=14.32FX—取南泥湖实际观测值的平均值；m；20FR9（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