礦區(qū)水文地質(zhì)特征及地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)與防治

韓 雷，黃寄洲

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的不斷變化升級(jí)，對(duì)于能源資源的需求越來(lái)越高，因此礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)與開(kāi)采格外受到重視。

為了縮短勘探過(guò)程、提升工作效率，為了能對(duì)采礦時(shí)的突發(fā)事件有效控制，提出了分析礦區(qū)水文地質(zhì)特征，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)，并對(duì)可能發(fā)生的災(zāi)害提前建立有效防御機(jī)制，確保施工效率的同時(shí)，保證施工人員的人身安全。此次研究的預(yù)測(cè)方法與防治措施，為其他區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)與防治，提供理論依據(jù)，為礦業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)了一份力量。

1 分析礦區(qū)水文地質(zhì)特征

此次研究以西北地區(qū)的某一礦區(qū)為例，分析該區(qū)域的水文地質(zhì)特征。

該礦區(qū)的新生界含水層，與煤系地層之間存在隔水層，該隔水層將待開(kāi)采地層與含水層之間隔開(kāi)，令他們之間的水力聯(lián)系極其微弱，無(wú)法向煤系地層補(bǔ)充水源，以此只能通過(guò)主井、鉆孔對(duì)該礦井實(shí)施充水。該礦區(qū)在上一年間，經(jīng)統(tǒng)計(jì)共發(fā)生2次突水情況，同時(shí)在本年度也發(fā)生了1次突水，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，下位段的水位標(biāo)高為10.012m～14.286m。

從總體情況來(lái)看，整體水位趨于穩(wěn)定，且略有下降趨勢(shì)；在觀察上段水位觀測(cè)孔得到的數(shù)據(jù)，得到的水位標(biāo)高為7.35m～8.88m，相對(duì)于下段水位變化來(lái)說(shuō)，上段水位變化更加穩(wěn)定，如下圖1所示[1]。

圖1 水位變化示意圖

為了保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在監(jiān)測(cè)過(guò)程過(guò)程中，一定要保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。從上圖中可知，在1個(gè)月的監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，兩個(gè)區(qū)域段內(nèi)的水位存在規(guī)律不同的變化。長(zhǎng)期以來(lái)，該區(qū)域的礦井會(huì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)疏放降壓，因此水位也隨之會(huì)有相同程度的降低，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)的地下水的徑流條件非常好。真實(shí)性高、監(jiān)測(cè)及時(shí)的礦區(qū)水文數(shù)據(jù)，對(duì)分析水文地質(zhì)特征具有重要影響。

2 地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)與防治

2.1 地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)手段

分析水文地質(zhì)特征數(shù)據(jù)可知：當(dāng)該礦區(qū)內(nèi)的含水層、隔水層水位突然上漲，說(shuō)明此時(shí)的地殼活躍，可能引發(fā)水源倒灌；當(dāng)?shù)V區(qū)水層中的水位突然下降時(shí)，則說(shuō)明地下土層出現(xiàn)局部塌陷，導(dǎo)致水位下降，填補(bǔ)塌陷空缺。因此利用巖體工程災(zāi)害隱患雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)造成這一變化的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，通過(guò)該探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦區(qū)水位的變化情況，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)，并發(fā)出相應(yīng)的防御預(yù)警。預(yù)測(cè)開(kāi)始之前，要確保天線的工作狀態(tài)。

通過(guò)電磁波理論可知，探地雷達(dá)的探測(cè)分辨率與頻率有關(guān)，即頻率越大，分辨率越高。根據(jù)電磁波傳播理論，介質(zhì)內(nèi)電磁波波長(zhǎng)與頻率之間的關(guān)系，可以利用如下關(guān)系式表現(xiàn)：

公式中：μ表示電磁波波長(zhǎng)與頻率之間的關(guān)系參數(shù)，η表示介質(zhì)的介電常數(shù)；γ表示磁導(dǎo)率；c表示一個(gè)變化常量；f表示探測(cè)儀工作頻率；ρ表示該介質(zhì)的電阻率。依照上述關(guān)系，設(shè)置電磁波檢測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)時(shí)間為t，使用探地雷達(dá)，對(duì)地質(zhì)進(jìn)行災(zāi)害實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。該設(shè)備將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到中央處理單元，經(jīng)過(guò)處理后制成地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警圖像，如下圖2所示。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)警報(bào)效果圖

根據(jù)上圖可知，當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)果接近臨界預(yù)警曲線時(shí)，該設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，會(huì)通過(guò)管理平臺(tái)在施工現(xiàn)場(chǎng)顯示預(yù)警黃燈警告；當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)害條件達(dá)到3級(jí)危險(xiǎn)時(shí)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)在第0.1s內(nèi)做出反應(yīng)，并用紅燈指示3級(jí)警報(bào)結(jié)果?？芍?dāng)監(jiān)測(cè)曲線呈現(xiàn)不規(guī)律的上升狀態(tài)，超過(guò)地質(zhì)災(zāi)害臨界預(yù)警曲線、并逐漸向3級(jí)、2級(jí)、1級(jí)警報(bào)曲線逼近時(shí)，通過(guò)警報(bào)指示信號(hào)燈，向正在作業(yè)的施工人員以及相關(guān)現(xiàn)管理人員發(fā)出預(yù)警，令所有人員迅速撤離礦區(qū)施工現(xiàn)場(chǎng)。使用探地雷達(dá)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地質(zhì)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)生成可以直觀分析當(dāng)前地質(zhì)情況的預(yù)警圖像，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦區(qū)地質(zhì)變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的高效率實(shí)時(shí)監(jiān)管和預(yù)測(cè)[2]。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害的防治措施

由于西北地區(qū)的這一礦區(qū)儲(chǔ)量豐富，逐漸加大了對(duì)該礦區(qū)的開(kāi)采強(qiáng)度和開(kāi)采深度。

在大規(guī)模的勘探開(kāi)采下，礦區(qū)地層構(gòu)造遭到破壞，經(jīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，該礦區(qū)采空區(qū)域的上層頂板厚度小于38m、采掘?qū)挾刃∮?2m，因此不斷有地面沉降以及局部塌陷的情況發(fā)生；在加上該礦區(qū)由于植被覆蓋率差、土地沙漠化嚴(yán)重、地層內(nèi)的含水量較少，枯水期來(lái)臨時(shí)，更是令含水層與隔水層之間的距離變大，對(duì)于土層結(jié)構(gòu)不能起到強(qiáng)有力的支撐作用，令大力開(kāi)采后的礦區(qū)土層架構(gòu)更加不穩(wěn)。因此需要根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合上述水文地質(zhì)特征做出相應(yīng)的防治措施。已知結(jié)合該礦區(qū)在上述兩方面的問(wèn)題，提出下述幾項(xiàng)防治措施：

（1）從開(kāi)采過(guò)程中來(lái)看：要安排合理的抽汲技術(shù)，以此適當(dāng)?shù)靥幚淼叵滤?，并設(shè)置防水、防砂安全煤柱，有效防止地下水缺失導(dǎo)致的地面塌陷，同時(shí)根據(jù)疏降水位、水體補(bǔ)給來(lái)源兩方面，采取合理的水體處理措施，減少塌陷的可能。

（2）從充填方式上：在施工過(guò)程中，可以預(yù)先運(yùn)用充填法來(lái)管理頂板，減小對(duì)礦體的有效開(kāi)采厚度，大幅度減少地面下沉量和其他變形值，令巖層平緩移動(dòng)，阻止地表下沉。

（3）再?gòu)拈_(kāi)采方式上來(lái)看：采用條帶式開(kāi)采方式，盡量將礦區(qū)開(kāi)采以采一條留一條的形式進(jìn)行，設(shè)置的條帶寬為22m～28m，以此將礦層劃分成條帶相間的形式。

（4）同時(shí)在開(kāi)采過(guò)程中要注意消除開(kāi)采邊界的影響，盡量以協(xié)調(diào)的方式開(kāi)采，確保各個(gè)工作面之間錯(cuò)開(kāi)一定距離，相互抵消或部分抵消由地面拉伸和壓縮引起的變形，從而減少地面的變形量。

（5）由于西北礦區(qū)山坡高坡陡，切割較強(qiáng)烈，斜坡上的碎石粘性土、強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖及泥巖軟弱結(jié)構(gòu)面形成臨空面，在重力以及地殼活動(dòng)的作用下，容易產(chǎn)生土質(zhì)或土巖質(zhì)滑坡、崩塌。所以要盡量減少人工開(kāi)挖邊坡，在斜坡上修建載水排水溝；并在坡體臨空面前緣，采取擋土措施，防止坡體滑動(dòng)。

（6）利用礦區(qū)體積大、數(shù)量多的固體廢物，對(duì)塌陷區(qū)作回填處理。種植綠植，提高該礦區(qū)的植被覆蓋率，減輕土地沙漠化的問(wèn)題，穩(wěn)固礦區(qū)地層結(jié)構(gòu)。

礦區(qū)地面沉降塌陷的預(yù)測(cè)和治理，是做好該礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防御的重要環(huán)節(jié)，所提出的防治對(duì)策，為礦區(qū)的勘探與開(kāi)采，提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)特征的有效分析，實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)礦區(qū)中會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施防治，以此降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能。災(zāi)害的預(yù)測(cè)方法與防治手段，為礦業(yè)的勘探、開(kāi)采開(kāi)發(fā)提供了有力的技術(shù)保證，保障作業(yè)安全的同時(shí)，提升了工作效率，確保生產(chǎn)的有序進(jìn)行。