贵州林歹铝土矿深部地下开采防治水研究

贵州林歹铝土矿深部地下开采防治水研究随着我国经济的高速发展,对金属铝的需求日益增加。铝土矿作为提炼金属铝的原材料,其合理开采和安全生产在国民经济发展中起到举足轻重的作用。我国铝土矿多属于沉积型矿床,往往与岩溶强烈发育的灰岩共存。灰岩导水性强且富水性不均,加上断裂等地质构造存在,矿区水文地质条件更加复杂难测。

铝土矿开采一旦与灰岩连通,极易发生严重的突水问题,造成无法挽回的经济损失和人员伤亡事故。此外,为满足金属铝的社会和市场需求,铝土矿开采日益朝向更深且水文地质条件更复杂区域,这导致我国铝土矿开采过程中面临的突水问题更加严峻,迫切需要开展铝土矿深部开采及其防治水研究。贵州林歹铝土矿是我国西南地区开采几十年的典型岩溶矿山,设计采用中央竖井开拓系统,规模为15×10⁴ t/a。竖井在掘进至1190m中段马头门时,发生突水淹井事故。

由于突水水源和1190m标高以下的水文地质条件不清,经堵水未成功,被迫在1190m¹240m区段浇筑砼止水垫止水,1190m标高以下已探明的约167.76×10⁴t铝矿资源无法继续开采。本文以贵州林歹铝土矿区为研究对象,以岩溶地下水系统为理论指导,以“查明突水水源”和“识别突水通道”为技术支持,广泛收集并研究其地质和水文地质条件,结合地下水动力学,分析矿坑突水机理。在此基础上,识别矿山延伸开采至1040m中段时的潜在突水威胁,利用底板突水理论、BP网络模型、AHP和GIS联用技术分别评价隔水层安全性、矿区周边水库渗漏,以及岩溶易塌陷区地表水涌入对矿区延伸开采的影响。最终,提出一套合理的防治水和开拓系统方案,科学回答了“林歹铝土矿1190m中段马头门遭遇突水淹井的突水机理”以及“1190m中段以下矿产资源能否开采和如何开采”的难题。

首先,广泛收集研究区地质、水文地质、矿山开发生产资料,依据地下水系统理论,从不同尺度范围“区域-矿区-竖井”研究地层岩性、地下水系统边界、地形地貌和断裂构造特征等,从不同深度范围“地面-矿层-巷道”研究岩溶发育程度和断裂构造特征等,识别林歹铝土矿深部开采过程中的潜在突水水源,为矿山开拓系统的制定提供了科学依据。得出如下结论:（1）研究区域可划分为三个水文地质单元系统,分别为站街向斜区水文地质单元系统（Ⅰ）、林歹倒转单斜区水

文地质单元系统（Ⅱ）和中寨-燕龙单斜区水文地质单元系统（Ⅲ）;林歹矿区属于第Ⅱ水文地质单元系统,水文地质条件属中等-复杂类型;（2）矿区地下水垂向运动可划分为“四带”,依次为浅层渗透带（I）、季节波动带（II）、饱水带（III）和深循环带（IV）,划定矿区岩溶发育下限标高为848m;（3）林歹铝土矿区1190m 中段向下延伸开采,潜在突水威胁包括:间接充水含水层栖霞-茅口组

（P₁q+P₁m）溶洞裂隙水、迎燕水库渗漏水、沿易塌陷区新通道灌入矿坑的地表水。其次,通过巷道编录、建立地下水位观测网及开展抽水试验等,进一步揭示深部开采区岩溶发育方向、程度及规律。结合矿区水文地质概念模型,分析1190m中段突水机理,识别突水因素。

综合利用水文地质比拟法和稳定流解析法,预测林歹铝土矿区向下延伸现有盲斜井150m（即1040m中段,矿山最低开采中段）的涌水量。得出如下结论:（1）1190m中段马头门淹井事故的突水机理为竖井突水区段岩溶强烈发育,且位于岩

溶地下水强径流带内;（2）矿区断裂构造主方向为南北方向,发育程度随矿井的加深而逐渐减弱,1190m中段主巷道未揭露断层;（3）在隔水底板不遭受破坏的

情况下,1040m中段正常涌水量为4743.38m³/d,最大涌水量为14230.14 m³/d。然后,针对矿山延伸开采的潜在突水水源--间接充水含水层栖霞-茅口组（P₁q+P₁m）溶洞裂隙水,基于岩石力学、突水系数和矿压破坏理论,分析其间接隔水底板梁山组（P₁l）和直接隔水底板摆佐组（C₁b）隔水岩体的岩性特征、稳定性、力学性质及岩体质量等特征。研究发现,如果按照传统的方法单独评价矿坑延伸开采至1040m中段时,梁山组弱透水层或摆佐组岩溶弱发育含水层能否作为矿层隔水底板,则梁山组隔水层因厚度薄,岩性承载力弱而遭到破坏,而摆佐组弱透水层因其本身为含水层,也不能作为矿层隔水层。

因此,按照传统评价方法,1190m中段以下的铝矿资源是不适宜开采的,也造

成矿山一直未能制定出有效的防治水方案而接近被迫停产。通过本研究,提出将两组岩层合并统一为“复合式”隔水底板,评价其在矿区延伸开采至1040m中段时的隔水安全性能。得出如下结论:（1）目前直接底板摆佐组（C₁b）和间接充水含水层栖霞-茅口组（P₁q+P₁m）水位与1963年原始水位相比,水位下降值分别为123.26m和3.86m,表明梁山组

（P₁l）岩体目前仍具有隔水能力;（2）当延伸盲斜井开采至1040m 中段时,矿坑所承受栖霞-茅口组（P₁q+P₁m）溶洞裂隙水的静水压力为2.73 Mpa,其安全隔水层厚度至少为21.26m,然而梁山组

（P₁l）岩层厚16²3m,此时无法承受栖霞-茅口组

（P₁q+P₁m）静水压力;（3）“复合式”隔水岩体厚度为64⁹8m,能够承受栖霞-茅口组（P₁q+P₁m）静水压力,此外,“复合式”隔水底板的透水性能显著降低,表明栖霞-茅口组

(P_1q+P_1m)的突水威胁不会对林歹铝土矿区延伸盲斜井开采产生影响。再次,针对铝土矿深部开采的潜在突水水源--迎燕水库渗漏水,在收集整理57个同类水库渗漏实例的基础上,构建BP神经网络模型,筛选获得10个主要的渗漏因素进行神经元分级赋值,训练和检验校正,应用校正后的模型预测迎燕水库渗漏对矿床深部开采的影响。

得出如下结论:（1）构建的BP网络模型,以河谷形态、渗漏通道特征、河床水文特征、断裂发育特征、防渗处理特征、基岩渗透特征、渗漏水头、地下分水岭水位、基岩岩溶发育程度和岩性特征共10个渗漏因素作为有效神经元,预测结果与实测结果一致,相关系数达到0.99,表明该模型可以很好的用于预测水库渗漏情况;（2）利用上述模型预测迎燕水库渗漏量为0.013m³/s,显示库区仅有坝体微弱渗漏,表明水库渗漏潜在突水威胁不会对林歹铝土矿延伸现有盲斜井开采产生影响。最后,针对铝土矿深部开采的潜在突水水源--岩溶易塌陷区新通道灌入矿坑的地表水,综合利用AHP和GIS技术对岩溶易塌陷区进行分区,预测“复合式”隔水底板保持完整和遭受破坏两种水动力条件下,易塌陷区新通道灌入矿坑的地表水对矿床深部开采的影响。得到如下结论:（1）矿山延伸开采至1040m中段时,“复合式”隔水底板保持完整的情况下,塌陷易发区面积占覆盖层面积的53.2%;一旦遭遇破坏,比例增加至62.8%;（2）隔水底板遭受破坏的条件下,塌陷易发区将触及附近萨拉河长达380m,并扩展至矿区办公楼、宿舍、空压机房等建筑,形成严重的河水倒灌、地面汇流灌入问题,严重破坏建筑物结构、危害矿山生产和人员安全。因此,保护隔水底板的完整性是林歹铝土矿深部开采及防治水的关键。

针对上述研究成果,本文提出林歹铝土矿区深部开采的两套开拓系统方案: