礦山水文地質(zhì)設(shè)計(jì)探討

摘要：文章簡(jiǎn)單論述了礦山水文設(shè)計(jì)的必要性，以及設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作，并指出礦山地表和地下水的防治方法。

關(guān)鍵詞：礦山水文設(shè)計(jì)；涌水量；防滲設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：P641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）15-0015-02

在礦山設(shè)計(jì)中，礦井涌水一直是礦山的水文地質(zhì)設(shè)計(jì)的難題，礦井涌水除了和本身地質(zhì)、水文和降水有關(guān)外，還與礦山的開(kāi)采深度、方法和技術(shù)有關(guān)，只有掌握礦井滲水原因，才能做出防滲、防涌措施，保證礦山的安全生產(chǎn)。

1對(duì)礦山水文設(shè)計(jì)的必要性和主要任務(wù)

礦山水文地質(zhì)設(shè)計(jì)是通過(guò)研究礦山水文地質(zhì)條件，包括地下水、地表水的分布、補(bǔ)給、徑流和排泄條件，以及水的化學(xué)成分對(duì)地質(zhì)的影響，預(yù)測(cè)礦坑涌水量以及其他與采礦有關(guān)的水文地質(zhì)問(wèn)題，并根據(jù)研究的水文情況，設(shè)計(jì)礦山地下和地表水體的防治措施，避免透水事故的發(fā)生。例如，2005年廣東興寧“8.7”礦難透水事故，造成123名礦工死亡，事故原因?yàn)檫`法生產(chǎn)，嚴(yán)重超能力超強(qiáng)度開(kāi)采，在防水煤柱托梁發(fā)生大規(guī)模抽冒后不采取措施，組織工人冒險(xiǎn)大量出煤，致使-290~-180 m水平防水安全煤柱抽冒導(dǎo)通了-180~+262 m水平的水淹區(qū)，造成上部水淹區(qū)的積水大量潰入大興煤礦，導(dǎo)致事故的發(fā)生；2008年6月18日杭州仇山磁土礦突水事故，事故原因?yàn)榈V井二中段采空區(qū)與地表裂縫溝通，連降大雨導(dǎo)致大量地表水經(jīng)裂縫滲入采空區(qū)，同時(shí)積水區(qū)產(chǎn)生冒頂，導(dǎo)致采空區(qū)擋水墻上部無(wú)法承受積水壓力，擋墻上部被沖垮，積水沖毀斜井底板并攜帶泥石淹沒(méi)掛購(gòu)房，造成6人死亡和多人受傷。

設(shè)計(jì)礦山水文地質(zhì)有以下幾個(gè)任務(wù)：①研究礦區(qū)水文地質(zhì)條件，查明影響礦山正常生產(chǎn)和建設(shè)的水文地質(zhì)因素；②分析礦區(qū)充水條件，預(yù)測(cè)核實(shí)礦坑涌水量，并提出防治方案和處理措施；③研究和解決礦區(qū)供水水資源并對(duì)礦坑水加以綜合利用；④研究礦區(qū)地下水的動(dòng)態(tài)，及時(shí)預(yù)報(bào)地下水的變化，保證礦山生產(chǎn)不受地下水害的威脅，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；⑤加強(qiáng)礦區(qū)地下水水質(zhì)的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，保護(hù)地下水資源和生態(tài)環(huán)境。

2礦山防水設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作

2.1礦區(qū)含水層特征及含水層與礦體的關(guān)系

礦區(qū)地下水與非礦區(qū)相比要復(fù)雜，受自然因素和人類活動(dòng)的雙重影響，含水層的動(dòng)態(tài)變化難以預(yù)測(cè)。自然地質(zhì)環(huán)境為氣候、水文、土壤、植被情況以及地貌特征、巖層特性和地質(zhì)構(gòu)造，影響含水層的因素有土壤的物理化學(xué)性質(zhì)、巖層的結(jié)構(gòu)、降水、排泄、水溫、水質(zhì)、水位等；人為活動(dòng)對(duì)礦區(qū)含水層的影響為對(duì)礦區(qū)資源開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)采量、礦井布局、開(kāi)采方式、開(kāi)采深度都會(huì)影響地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響地質(zhì)水文。開(kāi)采礦產(chǎn)可能造成部分巖層裂縫，遇到暴雨時(shí)，導(dǎo)致積水滲漏到含水層。

評(píng)價(jià)含水層富水性最直接的辦法為抽水試驗(yàn)，通過(guò)鉆孔或水井抽水，定量評(píng)價(jià)含水層富水性，測(cè)定含水層水文地質(zhì)參數(shù)和判斷某些水文地質(zhì)條件。抽水試驗(yàn)分為單孔抽水、多孔抽水、群孔干擾抽水和試驗(yàn)性開(kāi)采抽水。單孔抽水試驗(yàn)指僅在一個(gè)試驗(yàn)孔中抽水，用以確定涌水量與水位降深的關(guān)系，概略取得含水層滲透系數(shù)；多孔抽水試驗(yàn)指在一個(gè)主孔內(nèi)抽水，在其周圍設(shè)置若干個(gè)觀測(cè)孔觀測(cè)地下水位，通過(guò)多孔抽水試驗(yàn)可以求得較為確切的水文地質(zhì)參數(shù)和含水層不同方向的滲透性能及邊界條件等；群孔干擾抽水試驗(yàn)指在影響半徑范圍內(nèi)，兩個(gè)或兩個(gè)以上鉆孔同時(shí)進(jìn)行的抽水試驗(yàn)，通過(guò)干擾抽水試驗(yàn)確定水位下降與總涌水量的關(guān)系，從而預(yù)測(cè)一定降深下的開(kāi)采量或一定開(kāi)采定額下的水位降深值，同時(shí)為確定合理的布井方案提供依據(jù)；試驗(yàn)性開(kāi)采抽水試驗(yàn)是在地下水天然補(bǔ)給量不充沛或補(bǔ)給量不易查清，或者勘察工作量有限而又缺乏地下水長(zhǎng)期觀測(cè)資料的水源地，為充分暴露水文地質(zhì)問(wèn)題，宜進(jìn)行試驗(yàn)性開(kāi)采抽水試驗(yàn)，并用鉆孔實(shí)際出水量作為評(píng)價(jià)地下水可開(kāi)采量的依據(jù)。在抽水試驗(yàn)過(guò)程中，排除氣象條件（氣溫、降水、蒸發(fā)、風(fēng)等）、水文條件（江河、湖泊、流量、水位）、地質(zhì)條件（地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造）和水文地質(zhì)條件（含水層與地下水類型、地下水埋藏分布條件、地下水循環(huán)條件、地下水動(dòng)態(tài)特征、地下水化學(xué)特征）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

除了抽水試驗(yàn)外還需進(jìn)行滲水試驗(yàn)測(cè)定礦區(qū)地質(zhì)的滲透系數(shù)，注水試驗(yàn)確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)，地下水示蹤試驗(yàn)得出礦區(qū)地下水流向、流速和彌散系數(shù)，連通試驗(yàn)查明巖溶道流區(qū)各巖溶水點(diǎn)間的連接情況。通過(guò)以上研究，做出礦體的水文地質(zhì)圖，包括地層及構(gòu)造特征、地下水類型、地下水天然露頭和人工露頭、地表水系和地表水體、與地下水有關(guān)的地貌現(xiàn)象、地下水系統(tǒng)劃分、地下水化學(xué)特征、地下水運(yùn)動(dòng)特征、巖層富水程度和剖面圖及鑲圖。從水文地質(zhì)圖中得出礦體和侵蝕基準(zhǔn)面的關(guān)系，如果礦體位于侵蝕基準(zhǔn)面以上，利于排水，只需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的排水結(jié)構(gòu)，若礦體低于侵蝕基準(zhǔn)面，需要設(shè)計(jì)地下水涌水的防治工作。

2.2礦區(qū)排泄條件的分析

礦區(qū)的排水需要考慮地形和地貌條件、氣象及水文特征、地層巖性及主要構(gòu)造的特征和分布，地形、氣象及水文特征指地表水流域劃分，各種地表水體的特征及其與地下水的補(bǔ)排關(guān)系，降水量、蒸發(fā)量、氣溫、濕度等，附加氣象要素圖、山川形勢(shì)圖、水系分部圖等；地貌指地貌的形態(tài)、成因、年代及分部特征，分析地貌與巖性、構(gòu)造、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地下水等因素的關(guān)系；地質(zhì)條件指礦區(qū)內(nèi)地層、巖石的分布與特征，介紹褶皺、斷裂、節(jié)理、裂隙的分部與特征，巖溶發(fā)育狀況及規(guī)律等。利用礦區(qū)自身地質(zhì)水文條件結(jié)合地質(zhì)水文學(xué)理論，合理設(shè)計(jì)排泄方案，同時(shí)把排泄水轉(zhuǎn)化為補(bǔ)給用水，提高水資源的利用效率。

3礦坑涌水量、降水量和地下補(bǔ)水量的預(yù)測(cè)

3.1大氣降水量和降水頻次對(duì)礦坑涌水的影響

礦坑涌水一般只計(jì)算地下含水層的富水量，往往忽視降水滲入量的影響，尤其是礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中造成地表大量的裂縫，導(dǎo)致降水易滲入地下含水層，與計(jì)算的最大涌水量存在差異。一些礦區(qū)水文設(shè)計(jì)考慮到降水對(duì)涌水量的影響，但沒(méi)有考慮暴雨的滲水量和暴雨的頻次，以及排水設(shè)施應(yīng)對(duì)暴雨的排水能力，導(dǎo)致滲入系數(shù)存在誤差，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦區(qū)涌水的變化趨勢(shì)。

3.2地下補(bǔ)水量的計(jì)算、預(yù)測(cè)

地下補(bǔ)水包括地下水徑流補(bǔ)給量、大氣降水的入滲補(bǔ)給量、地表水的入滲補(bǔ)給量、越流補(bǔ)給量和人工補(bǔ)給量等。礦區(qū)常用的補(bǔ)水計(jì)算方法有解析法、比擬法和數(shù)值法。解析法把礦區(qū)含水層理想化，假設(shè)含水層連續(xù)均勻且地表的滲透性一致，設(shè)計(jì)員根據(jù)礦區(qū)的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)個(gè)別參數(shù)加以調(diào)整、修正，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。比擬法是設(shè)計(jì)中常用的方法，只需設(shè)計(jì)員參考該地區(qū)類似礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，運(yùn)用類比法計(jì)算地下水補(bǔ)水量，方便實(shí)用，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

3.3礦坑涌水量的計(jì)算

涌水量為含水量加上滲水量減去排泄量和蒸發(fā)量，進(jìn)行大量的抽水試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、地下水示蹤試驗(yàn)、連通試驗(yàn)等，得到大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用專業(yè)的水文分析軟件，可以精確的計(jì)算出涌水量。

4礦山地下水和地表水的防治設(shè)計(jì)

4.1礦坑涌水、地下補(bǔ)水、降水的綜合分析

礦區(qū)的涌水量受地下補(bǔ)水（地表河流滲水、灌溉滲水）和降水量的影響（主要暴雨的降水量和降水頻次），礦區(qū)涌水量計(jì)算必須準(zhǔn)確真實(shí)勘探數(shù)據(jù)，根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)特征、邊界條件和充水方式，建立礦區(qū)水文地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型，選擇真實(shí)的參數(shù)、合理的計(jì)算方法，計(jì)算出正常涌水量和最大涌水量。常用的涌水量計(jì)算方法有比擬法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、解析法、物理模擬發(fā)等，不管哪種計(jì)算方法計(jì)算的涌水量都可能偏大或偏小，需要根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)加以修正、完善。

4.2礦床疏干的可行性研究和設(shè)計(jì)

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)勘探報(bào)告，預(yù)測(cè)梳干對(duì)礦區(qū)地質(zhì)的影響，論證梳干的可行性，設(shè)計(jì)合理的梳干方案并進(jìn)行梳干試驗(yàn)，撰寫(xiě)梳干試驗(yàn)報(bào)告，兼顧采礦、供水和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，優(yōu)化梳干設(shè)計(jì)方案。常用的梳干防水方法為防水發(fā)、疏水法和防滲發(fā)，防水法用來(lái)防止降水、地表水和潛水流入礦區(qū)，常用的方法有封堵井下進(jìn)水通道、修筑水體防水層、修筑邊緣排水溝等；疏水法是對(duì)充水水源進(jìn)行梳干或降壓，包括預(yù)先梳干、并行梳干和探放水；防滲發(fā)是堵截礦區(qū)或礦井外的涌水水源的方法，一般措施為留設(shè)安全礦柱和建設(shè)防水閘。

4.3注漿防滲帷幕堵水的研究和工藝設(shè)計(jì)

為防止地下水流入或深入開(kāi)采區(qū)，采用防滲帷幕技術(shù)堵截開(kāi)采區(qū)主要水流通道的地下水，同時(shí)可以保護(hù)附近的地下水資源及防治礦床的沉降。首先論證礦區(qū)帷幕灌漿的必要性并進(jìn)行可行性分析，選擇合理的灌漿液，計(jì)算灌漿壓力，設(shè)計(jì)帷幕灌漿的工藝流程。灌漿的主要工序?yàn)椋航ㄔ旃酀{蓋板、孔口管斷鉆孔、孔口管灌漿、鑲鑄孔口管、鉆孔、第二段灌漿直到封孔。

4.4截水溝的方案設(shè)計(jì)

截水溝是把開(kāi)采區(qū)的地表水引流到保護(hù)區(qū)以外的排水溝或河流，設(shè)計(jì)截水溝時(shí)應(yīng)根據(jù)礦山的防洪要求，設(shè)計(jì)排水溝的斷面結(jié)構(gòu)、最大排水流量、防滲能力、抗水沖擊能力、截水溝的走向和陡坡地勢(shì)的設(shè)計(jì)等。

4.5泄洪河道的設(shè)計(jì)

為防止河道中的水直接流入或間接滲進(jìn)開(kāi)采區(qū)，應(yīng)對(duì)開(kāi)采區(qū)的河流進(jìn)行改道。設(shè)計(jì)河流改道應(yīng)根據(jù)礦區(qū)的地勢(shì)和地質(zhì)條件設(shè)計(jì)河道的徑流路線，并確定河道的起點(diǎn)和終點(diǎn)多個(gè)方案相比較，選擇最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案；根據(jù)礦區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，參照當(dāng)?shù)氐谋┯甑淖畲蠼邓浚O(shè)計(jì)河道的汛期的峰值流量；通過(guò)水力計(jì)算設(shè)計(jì)河道的斷面形式和施工技術(shù)要求。

4.6河床的防滲設(shè)計(jì)和工藝研究

礦區(qū)合理經(jīng)過(guò)露天采取、容巖塌陷區(qū)或地下開(kāi)采崩落區(qū)時(shí)，不易改道或改道費(fèi)用較高時(shí)，需要采取措施進(jìn)行河床防滲。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和防滲要求采取最經(jīng)濟(jì)的方式措施，常見(jiàn)的防滲措施有土料壓實(shí)防滲、砂漿砌石防滲、混凝土防滲和瀝青材料防滲，由于涂料防滲的效果差，用于防滲要求低的地段，砌石防滲用于塌方、滑坡、圖質(zhì)松軟的地段，有效防止水流的沖擊并有很好的防滲效果。混凝土防滲用于滲漏比較嚴(yán)重的地段，防身效果最好，但價(jià)格最貴，施工工序?yàn)榍逵偃ピ?、夯?shí)河床、斷面放線、立模、地基灑水、澆筑、養(yǎng)護(hù)，每道工序鑒定合格后才能進(jìn)行下一工序。瀝青材料的防滲性較好，施工時(shí)把瀝青材料鋪在滲漏較嚴(yán)重的地段，用土封蓋，防滲效果好價(jià)格低。

4.7防洪堤的必要性和設(shè)計(jì)

為防止開(kāi)采區(qū)被洪水淹沒(méi)，需設(shè)計(jì)防洪堤，根據(jù)礦區(qū)洪水的頻率、流量、水高和水流沖擊力的大小設(shè)計(jì)防洪堤的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和堤高，選取防洪堤的材料，編寫(xiě)防洪堤的施工工藝。

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