水文地質工作在礦業(yè)整裝勘查中的重要作用與現(xiàn)實意義

劉民生

（四川省地礦局九一五水文地質工程地質隊，四川 眉山 620010）

國土資源部以國土資發(fā)〔2011〕55號文下發(fā)《關于進一步完善礦業(yè)權管理促進整裝勘查的通知》，提出劃定整裝勘查區(qū)、加快整裝勘查區(qū)礦業(yè)權設置方案編制和審查、優(yōu)選實施整裝勘查的探礦權人、落實探礦權人整裝勘查責任、嚴格規(guī)范探礦權轉讓及礦種變更等多項措施以促進整裝勘查快速突破。按照找礦突破戰(zhàn)略行動的總體部署，在全國重點成礦區(qū)帶，以國家緊缺礦產(chǎn)為主攻礦種，優(yōu)選成礦條件好、找礦風險大而又具有找礦突破潛力的地區(qū)設立整裝勘查區(qū)，集中實施整裝勘查。

近年來，因礦坑（井）涌（突）水造成重大安全事故事件頻繁發(fā)生、造成開礦困難甚至停產(chǎn)現(xiàn)象層出不窮，因礦坑巨量涌水淹沒礦井而抽排水造成開礦成本增高，凡此種種皆因不重視礦區(qū)水工環(huán)地質勘察評價或因礦山水工環(huán)地質條件未查清所致。在礦業(yè)勘查、開發(fā)的各階段查清礦區(qū)水文地質工程地質環(huán)境地質條件，分析研究并提出相應的解決辦法或應對措施，具有重要作用與現(xiàn)實意義。

1 礦山勘查、開采中不重視水工環(huán)地質技術

整裝勘查是根據(jù)礦床的形成規(guī)律，以礦集區(qū)單元把分散的探礦權，勘查技術、資料信息、資金、人員和設備等勘查要素進行優(yōu)化整合，統(tǒng)一勘查部署，統(tǒng)一組織，實現(xiàn)統(tǒng)一綜合研究，協(xié)調有序的推進礦產(chǎn)勘查方式。

深部找礦、探礦、采礦將面臨諸多技術問題，礦坑（井）涌（突）水問題是其中非常突出的問題之一?？v觀現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范、技術要求，對作為開采技術經(jīng)濟條件之一的礦區(qū)水工環(huán)地質要求不多；抑或是找礦、探礦、采礦等活動，人們也基本不重視礦區(qū)水工環(huán)地質技術工作，或對其分析研究評價不足。

2 礦坑（井）涌（突）水的來源

2.1 礦坑（井）充水的自然因素

礦坑（井）充水的自然因素包括：大氣降水、地表水、地形、基巖出露程度、巖石成分、覆蓋層的作用、地質構造和埋沒的古代地形等。

1)大氣降水：是礦井充水主要因素之一。除了一部分被蒸發(fā)和隨河流流走以外，另一部分則沿著巖石的孔隙、裂隙滲入礦井。大氣降水在不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同開采深度對礦井充水的影響也不相同。在降雨量少的川西北高原地區(qū)，礦井涌水量相對較小；在降水量多的四川盆地盆周山地區(qū)，礦井涌水量就大.即使在同一個地區(qū)內，由于大氣降水量是隨著季節(jié)變化的，礦井涌水量一般也隨之發(fā)生周期性的變化。在一般情況下，礦井涌水量是隨開采深度的增加而減??；也有的礦井，其涌水量卻隨開采深度的增加而增加，這是由于開采的愈深，水文地質條件愈加復雜的原故。

2）地表水：河流、湖泊、水溏、水庫等是礦井充水重要因素。在這種情況下，地表水直接或間接地通過巖石的孔隙、裂隙、巖溶等進入礦井，如河川南、川西南等臨近江河、水庫附近開采，受地表水威脅很大，故必須進行多項的水文地質工作，開采時采取必要的安全生產(chǎn)措施。

3）地形：地形對礦井充水有很大的影響，同時也影響地下水的循環(huán)條件及含水層埋藏的深度，位于侵蝕基準面以上的礦井、通常是涌水小的礦井或無水礦井。在同一地質條件下，位于低標高地區(qū)，如河谷，沖溝或低地，可能是涌水量大的礦井。如果四周地形高而中間為低平的盆地時，在雨季積水量大，地表排泄條件不好，地表水可大量補給煤系地層中的含水層，使礦井強烈充水；反之.在地形較陡的情況下，降水大部分形成地表水流流走，補給地下水量就少。

4）基巖出露程度、巖石成分和覆蓋層作用：如果煤層或基巖巖層出露于地表，其中又有透水巖層，因而能大量吸收地表水并進入礦井。如果煤層或巖層上面存在弱透水層或不透水層，如粘土層或砂質粘土層覆蓋，并且厚度穩(wěn)定，至少在5m以上，則大氣降水和地表水基本不能進行滲透。如果覆蓋層是透水砂層，則水幾乎都可滲入。當煤層頂板為良好隔水層時，可以把水隔開。但在某些地區(qū)由于開采地段頂板冒落，并在上部形成裂隙時，地表水可大量進入下部的透水層或巷道中去。

盆周山地區(qū)多有基巖出露，堅硬巖層裂隙和巖溶現(xiàn)象顯著，成為水的天然聚積區(qū)域，礦井如果不對其加以防治，就會造成大量的水涌入礦井。有時裂隙和石灰?guī)r溶洞是地表水流入礦井的通道，涌水量也會急劇增加。

巖石成分也影響充水程度、膠結很好的沉積巖，如細砂巖、粉砂巖、頁巖、泥灰?guī)r等是弱透水層或隔水層，可以有效地阻擋地表水和大氣降水的滲透，使礦井充水較小。

在石灰?guī)r溶洞發(fā)育的礦井中，其充水性很強，對開采的影響很大。如我省川南地區(qū)，石灰?guī)r中存在大量的巖溶水，如果不及時采取措施，就有可能突然涌入礦井，造成礦井被淹事故。由此可見，在石灰?guī)r溶洞發(fā)育的地區(qū)，必須調查清楚石灰?guī)r溶洞的分布情況，研究生成過程，以及其補給、循環(huán)和排泄的關系，開采時，必須事先探放水，并在危險地區(qū)留設防水礦柱等措施。

5）地質構造：大量流入礦井的水往往和區(qū)域地質構造形態(tài)有關。斷層破碎帶常是地下水的通道和聚積區(qū)，沿斷層破碎帶可溝通各個含水層，并與地表水發(fā)生水力聯(lián)系，是造成突然大量涌水的原因示。但是，也不是所有的斷層都能造成礦井突水事故，一般來說，斷層破碎帶本身儲存的水量并不是很大，主要是與地表水、含水層有溝通，地下水壓力很大，當有足夠力量突破斷層破碎帶和隔水層底板時才會引起突水，對煤礦生產(chǎn)造成威脅。此外，涌水也與斷層本身透水性有直接關系，根據(jù)許多礦井的經(jīng)驗證明，多數(shù)逆斷層透水性差，正斷層透水性強，如果在礦井中有多條斷層，斷層的交叉處是最容易發(fā)生突水事故。如果斷層破碎帶充填的是較細的柔性顆粒巖石，如泥巖、粘土、煤粉等，經(jīng)后期膠結牢固，也可能起到隔水的作用。

6）埋藏的古代地形：許多礦井充水決定于埋藏的古代地形形狀。后期被易透水沉積物所覆蓋的起伏不平的古老侵蝕區(qū)，是地下水容易積聚場所。這些地區(qū)，不僅一些含水層彼此之間有水力聯(lián)系，同時含水層與地表水也有聯(lián)系，有時還有古河床的存在，都給礦井充水造成了條件。

2.2 礦井充水的人為因素

礦井充水的人為因素，包括舊淹沒巷道，未封閉的鉆孔及不正確的開采方法等。

1）淹沒的舊巷道：舊淹沒巷道在老窯或者廢棄的巷道中，積存著大量的地下水，一旦揭露舊巷道，就會造成嚴重水患，老窯和舊巷涌水時，常帶有大量碎屑物和酸性水，能破壞巷道設施和開采設備。

2）未封閉的鉆孔：當鉆孔未封閉或者封孔質量不符合規(guī)定要求時，鉆孔可成為地下水的自然通道，巷道掘進遇到鉆孔時會造成大量涌水。

3）不正確的開采方法：如巷道布置不合理、采煤方法不正確、不能很好排出礦井水的采空區(qū)等，都可能造成大量的水流入巷道。當采空區(qū)頂板采用垮落法進行采煤時，常引起地表下沉，造成裂隙漏斗，如果破壞了隔水層，地下水就會涌入工作面。此外，在斷層含水區(qū)由于放炮震動或發(fā)生冒頂事故時，也會發(fā)生涌水現(xiàn)象，有時會造成突然涌水。

在河谷地區(qū)或水體下采煤時，要特別注意巷道設計的合理性，選擇正確的采煤方法，防水措施一定要嚴密周全。所有礦井的井口，都必須布置在歷年最高洪水位以上，以免造成洪水灌入井下。

3 礦坑（井）涌（突）水對礦山安全生產(chǎn)的影響

礦坑突水涌水這是最常見的礦山災害，突發(fā)性強、規(guī)模大，后果嚴重。生產(chǎn)過程中常因對礦坑涌水量估計不足，采掘過程中打穿老窿，貫穿透水斷層，驟遇蓄水溶洞或暗河，導致地下水或地面水大量涌入，造成井巷被淹。礦坑（井）涌（突）水對礦山安全生產(chǎn)的影響主要有以下幾方面：

1）造成頂板淋水，巷道積水，老空區(qū)積水使工作面及其附近巷道空氣潮濕，工作環(huán)境惡化，影響工人身體健康；

2）使排水費用增加，生產(chǎn)效率降低，開采成本提高；

3）導致井下各種生產(chǎn)設備，設施腐蝕和銹蝕，使用壽命縮短；

4）突然發(fā)生大量涌水時，輕則造成生產(chǎn)環(huán)境惡劣或局部停產(chǎn)，重則直接危害及工人生命和造成國家財產(chǎn)損失，甚至造成人員群死群傷、礦井毀滅等災難性損失。

4 礦坑（井）涌（突）水事故原因分析

一般的礦山企業(yè)透水事故大都是由“五因素”構成：即存在水體，措施不到位，作業(yè)人員的素質、經(jīng)驗和責任欠缺，避險不當，搶險失效。

1）地面防洪、防水措施不當或管理不善，地表水(多為雨季降水)大量灌人井下，造成水災。

2）水文地質情況不清，井巷接近老空積水區(qū)、充水斷層、陷落柱、強含水層以及打開隔離煤柱，未執(zhí)行探放水制度，盲目施工，或者雖然進行了探水，但措施不當。

3）井巷位置設計不當。如將井巷置于不良地質條件中或過分接近強含水層等水源，導致施工后，因地壓和水壓共同作用而發(fā)生頂、底板透水。如此案例國內曾有發(fā)生，但為數(shù)不多。

4）井巷施工質量偽劣，致使礦井井巷嚴重塌落、冒頂、跑砂導致透水，或工程鉆孔在固井止水前誤穿巷道，導致頂板含水透水。

5）測量錯誤，導致巷道穿透積水區(qū)。

6）井下無防水閘門或雖有而管理、組織不當，造成透水時無作用而淹井。

7）出現(xiàn)透水預兆未覺察或未被重視或處理不當造成透水。

8）排水設備能力不足或設備不完好。

9）排水設備平時維護不當。如水倉不按時清挖，儲水能力不足而淹井。

10）其它原因。

以上種種原因，井巷設計、施工，設備管理維護等都可以通過改進工作、修正設計、補充加固等方法措施得以糾正；而對礦區(qū)水文地質情況不清最為可怕，不清楚水文地質條件，就找不到礦坑（井）涌（突）水事故的對策，在緊急的災難性的事故發(fā)生時束手無策。所以，重視與加強水工環(huán)地質工作，做好礦山地下水疏排、防擋、截流設計，事前做好礦坑（井）涌（突）水應急預案，從而減少減輕從業(yè)人員和國家的生命財產(chǎn)損失具有積極的作用。

5 礦坑（井）涌（突）水對策國內外研究現(xiàn)狀

面對礦坑（井）涌（突）水帶來的危害和生命財產(chǎn)損失，國內外相關機構做了長期的不斷探索、研究，總結了一些應對措施與方法。

5.1 國內現(xiàn)狀

在突水機理與突水分析方面，提出了“突水系數(shù)”、“等效隔水層”和底板隔水層中的“原始導高”等概念，經(jīng)多年的試驗觀測與研究，認為底板突水機理是“含水層富水性、隔水層厚度及其存在的天然裂隙與水壓、礦壓（采動活動影響）等因素的綜合作用結果”。對突水分析采用了統(tǒng)計學方法，力學平衡和能量平衡方法。同時，開始應用井下物探技術。如坑道透視法、井下電法、氡氣測定法等來探測充水水源和充水通道，并在研究、、驗證預測突水量的數(shù)字模型方面有了較大的進展。

在煤礦水災害防治技術方面，煤礦水災害防治技術主要有疏干降壓和堵水截流等方法。疏干降壓是我國煤礦防治水災害的主要技術措施，而堵水截流是我國煤礦防治水災害的重要方法。

5.2 國外現(xiàn)狀

采用主動防護法，即采用地面垂直鉆孔，用潛水泵專門疏干含水層水。德國就研制了高揚程（700m）、大排量（5000m3/h）、大功率（2000kw）的潛水泵，并且采用電腦自動控制來防水災害。

在堵水截流方面也有很大的發(fā)展，開挖，護壁，清渣，疏水作業(yè)，是當前國外先進的堵水截流技術。另外利用挖溝機在松散層中修建帷幕，建造地下帷幕方法也愈來愈受到重視。

6 不同階段水工環(huán)地質工作側重的內容和基本要求

礦區(qū)水工環(huán)地質工作整個環(huán)節(jié)所應研究和解決的內容，概括起來就是：認知、預測、治理。

勘查階段包括預查、普查、詳查階段，查明礦區(qū)地質、水文地質背景條件，以及這些資料彼此的關聯(lián)、制約、內在的規(guī)律，主要有：礦區(qū)所處水文地質單元的規(guī)模、邊界條件，地下水補給、逕流、排泄條件；礦區(qū)所在單元內含水層與隔水層分布、產(chǎn)狀、厚度及其完整性，含水層富水與透水性能，地下水形成與運動特征，隔水層穩(wěn)定性與隔水性能；礦區(qū)及其周邊構造（包括斷層、褶皺）的水文地質意義及對采礦的影響；不同含水層之間及其與地表水體的補給關系；礦區(qū)不同含水層地下水化學成分及地下水動態(tài)變化規(guī)律與控制因素。

6.1 預查階段

1）本階段的水工環(huán)工作以收集資料進行綜合分析研究為主；

2）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質簡易觀測工作；

3）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質、工程地質編錄工作。

6.2 普查階段

1）收集資料和綜合整理，綜合研究；

2）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質簡易觀測工作；

3）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質、工程地質編錄工作；

4）開展水工環(huán)綜合地質調查測繪工作：分礦區(qū)水工環(huán)地質測繪和區(qū)域水工環(huán)地質測繪兩個方面。其中，礦區(qū)水文地質測繪以礦區(qū)填圖范圍為測繪范圍，區(qū)域水文地質測繪則應以完整的水文地質單元為工作范圍；

5）進行必要的巖、土、水樣采集和測試工作。

6.3 詳查階段

詳查階段需進行礦坑涌水量預測，因此，詳查階段的工作應在普查階段工作基礎上補充更為細致的水工環(huán)地質工作，主要工作內容應包括：

1）收集資料和綜合整理，綜合研究。

2）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質簡易觀測工作。

3）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質、工程地質編錄工作。

4）開展水工環(huán)綜合地質調查測繪工作，如果是普查基礎上續(xù)做，到詳查階段應進行修測。

5）開展巖、土、水樣采集和測試工作。

6）開展水文地質鉆探與試驗：應結合地質鉆探開展水文地質鉆探與實驗，單孔孔深不超過 600m，同時開展水文地質試驗。其中，大型礦區(qū)抽水試驗孔一般10～15個，中型礦區(qū)一般5～10個，小型礦區(qū)一般3～5個。

7）水文地質動態(tài)觀測：主要包括泉點、河流、溪溝水等的動態(tài)觀測，一般每類5～10個點。

8）簡易氣象觀測：應設置簡易氣象觀測站，建站費用應單列，主要觀測內容包括氣溫、降雨和蒸發(fā)量等。

9）開展具供水條件的水源地調查和采樣分析。

10）開展水文測井工作，了解含水層深度、主要含水段、地下水流向和流速等。

6.4 勘探階段

在詳查基礎上補充兩項工作：一是加做水文地質剖面，做好采樣和編錄；二是補專門的水文地質勘探剖面，并要求對剖面上的水文孔進行抽水試驗。

本階段要預測評價礦產(chǎn)開采時礦坑（坑道）涌水量及礦區(qū)水文地質、工程地質條件演變情況和它對開采的影響，如：礦產(chǎn)開采時采礦系統(tǒng)充水因素、涌水量大?。徊傻V后采空區(qū)頂?shù)装鍑鷰r產(chǎn)生變形后所誘發(fā)的其它含水層地下水潰入的可能性及其水量；疏干排水影響范圍、程度、涉及的“還水”規(guī)模與界限；地面塌陷波及范圍，危害情況；地表水對采礦的威脅、危害程度；采礦對地質構造控水性能能否改變進行評價。

勘探階段鉆孔加密后，不用全部做水文地質編錄，但應按規(guī)范要求達到一定比例。

6.5 采礦階段

采礦同時，要進行礦坑（井）涌（突）水治理工作。治理就是對不利于礦產(chǎn)開采的水文地質、工程地質問題施以工程予以治理。治理工作是在礦山基建與生產(chǎn)階段考慮與實施的。依據(jù)有效、可行、安全、經(jīng)濟的原則選取治理方案。根據(jù)礦區(qū)水文地質條件與坑道涌水量大小情況，治理工程可采取疏干排水、封堵“天窗”、河流改道、排供結合、“還水”工程、帷幕堵水、利用隔水體躲水采礦等等。

采礦中可能會遇到諸多突發(fā)情況,凡屬下列情況之一者，必須進行礦井水文地質補充勘探工作：①原勘探工程量不足，水文地質尚未查清；②經(jīng)采掘揭露，水文地質條件比原勘探報告復雜；③礦井開拓延深、開采新礦層或擴大井田范圍設計需要；④專門防治水工程提出特殊要求；⑤各種井巷工程穿越富含水層時施工需要。

礦井水文地質補充勘探的基本要求：①必須編制補充勘探設計，并按規(guī)定報批；②設計要依據(jù)充分、目的明確、工程布置針對性強，要充分利用礦井條件，作到井上、下結合；③水文地質補充勘探完成后，必須及時提交成果報告或資料；④水文地質鉆孔和各種試驗的施工技術要求應參照有關規(guī)程的規(guī)定執(zhí)行。

7 結語

水文地質調查研究、勘察評價工作的任務是利用礦山大量探采工程更全面、詳細、精確地查明礦床水文地質條件，尤其是礦床充水條件和可能涌水量及實際涌水量；對礦山開采影響極大的水文地質條件和防、排水工作的效果做出評價；在礦產(chǎn)勘查、開采的每一個階段重視礦床開采技術條件研究，重視水文地質工程地質環(huán)境地質工作，樹立礦產(chǎn)資源整裝勘查理念、開展綜合勘查與評價、加強對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護，促進礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用與現(xiàn)實意義。

[1] 李震寰《煤礦水害的預防及重大事故案例分析》[N]. 河南省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.

[2] 林芳，郭守權.《淺析礦山地質災害類型與防治措施》[J].中小企業(yè)管理與科技，2010.

[3] 尹萬才，尹增德，施龍青.《礦井突水原因及其防治》[J].《焦作工學院學報》，1999.

[4] 鐘瑩.《淺談預防礦井突然涌水的超前探水措施》[N].中國煤炭新聞網(wǎng)，2011.

[5] 國家推薦標準《固體礦產(chǎn)地質勘查規(guī)范總則 GB/T 13908-2002》[S].

[6] 四川攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦整裝勘查項目之礦區(qū)水文地質工程地質環(huán)境地質勘察報告[R]，2011.