礦山地下開采活動對地下水環(huán)境的影響

唐坪

摘要：隨著開采技術(shù)手段的發(fā)展以及相關(guān)施工設(shè)備的進(jìn)步，現(xiàn)在礦山地下開采的范圍越來越大，能夠采集到的礦產(chǎn)資源也隨之增多，但是隨之而來的則是對于地下水環(huán)境的一些影響。常規(guī)的礦山開采工程很容易改變地下水的原有正常流動途徑，對地下水環(huán)境系統(tǒng)造成不良影響，其中發(fā)生較為多見的情況是礦坑涌水。相關(guān)工作人員必須要能夠精確地預(yù)估出礦坑涌水量，這不僅能夠幫助研究礦山地下開采活動對地下水環(huán)境系統(tǒng)的影響程度，還能夠作為地下水資源利用的依據(jù)，精確地預(yù)測礦山地下開采活動的礦坑涌水量，既能夠保障礦山地下開采活動的安全，也能夠提高地下水資源的利用效率。因此，利用礦坑涌水量作為研究數(shù)據(jù)來探究礦山地下開采活動對于地下水環(huán)境的影響，具備重要的研究價(jià)值與意義。

關(guān)鍵詞：礦山地下開采活動；地下水環(huán)境；礦坑涌水量

眾所周知，地下開采活動工程的正常施工步驟是通過改造自然地下水環(huán)境的流動渠道來改變地下水資源的走向，進(jìn)而完成對礦山地下的水滲環(huán)境以及水文地質(zhì)條件的改造，以設(shè)計(jì)礦山地下開采活動，保障地下開采活動的安全。礦山排水一般是借助礦坑排水系統(tǒng)來完成排水，但是礦坑排水量過多會使得大量淺表層地下水資源流失，進(jìn)而導(dǎo)致土地干燥化，影響農(nóng)作物的收成，嚴(yán)重破壞原有環(huán)境的水含量。因此，正確預(yù)知礦坑涌水量的高低，能夠指導(dǎo)施工方科學(xué)合理地開挖礦坑，保證原有環(huán)境的含水量處于正常水平，又能夠保障施工團(tuán)隊(duì)地下開采作業(yè)的安全，同時(shí)對地下水研究還能夠提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1.礦坑涌水量的預(yù)測

借助礦坑涌水量的數(shù)值我們可以直接判斷礦床的水文地質(zhì)情況及其復(fù)雜程度，同時(shí)礦坑涌水量還能夠作為礦山挖掘設(shè)計(jì)部門防水措施與排水系統(tǒng)的建設(shè)數(shù)據(jù)參考，在正常的礦山勘測與生產(chǎn)作業(yè)活動中起到非常重要作用。根據(jù)相關(guān)研究，我們可以明確，所預(yù)測的礦坑涌水量大小會對開采活動造成一定影響。例如大于實(shí)際值的時(shí)候，會使局部地下水水位下降，水井報(bào)損，植被群落會改變；而小于實(shí)際值時(shí)，容易因?yàn)榉浪胧┎划?dāng)造成礦井事故，輕則影響礦山地下開采活動的正常開展，重則發(fā)生人員傷亡。因此，在預(yù)測礦坑涌水量的時(shí)候，要充分結(jié)合好實(shí)際地區(qū)的水文數(shù)據(jù)以及地質(zhì)條件，利用科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng)過反復(fù)的驗(yàn)算與核算，得出真正準(zhǔn)確的礦坑涌水量數(shù)值。

1.1解析法測試礦坑涌水量

解析法測試礦坑涌水量的原理是建立解析公式來計(jì)算出礦坑涌水量的數(shù)值，根據(jù)地下水流動力學(xué)原理，結(jié)合初始地下水文條件以及礦山邊界的范圍，模擬出預(yù)測礦山的地下水流運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)性的礦井開挖，結(jié)合試驗(yàn)的礦井出水量判斷數(shù)學(xué)模型建立的正確與否，當(dāng)試驗(yàn)的礦井出水量與模型中所預(yù)測的數(shù)值相同時(shí)，我們判斷該數(shù)學(xué)模型能夠高度契合本次施工活動的地下水流動力結(jié)構(gòu)，再運(yùn)用解析公式綜合得出所需預(yù)測的礦坑涌水量[1]。解析法目前應(yīng)用于礦區(qū)地下水資源測算方面非常廣泛，效果好，數(shù)值準(zhǔn)確，操作難度也不高。

1.2數(shù)值計(jì)算法計(jì)算礦坑涌水量

數(shù)值計(jì)算法指的是將目標(biāo)礦區(qū)劃分為幾個(gè)面積相等、形狀規(guī)則類似的區(qū)域，也就是將整體劃分為個(gè)體，單獨(dú)計(jì)算后進(jìn)行合成處理，得到最后的礦坑涌水量值，在計(jì)算上要充分考慮到不同個(gè)體區(qū)域之間細(xì)微的水文地質(zhì)參數(shù)差別與幾何形狀上的差異[2]。實(shí)際上礦坑涌水量的計(jì)算方式是很多中的，要根據(jù)實(shí)際的水文條件來合理選擇。同時(shí)，對于非穩(wěn)定的水動力滲流問題，還需要統(tǒng)計(jì)每日各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的水流狀況，將計(jì)算時(shí)段分成若干個(gè)時(shí)間單元，然后整合好各個(gè)時(shí)間單元的水流量數(shù)據(jù)。數(shù)值計(jì)算法的計(jì)算效果精確，但是操作所需時(shí)間較長，目前在礦區(qū)的礦坑涌水量計(jì)算上應(yīng)用得也比較多。

2.礦坑涌水對于地下水流場影響的分析

在自然情況下的水文地質(zhì)條件中，地下水的運(yùn)動主要是排出、補(bǔ)充和自流，排出指的是從地下水流場中排到地表層面的活動。而補(bǔ)充則是來源于地下高壓水源，自流即是在水流通道中自主流動。在正常地質(zhì)構(gòu)造中，地下水資源能自主排出、補(bǔ)充與流動，形成一個(gè)徑流循環(huán)。為了使得礦山地下開采活動能夠正常安全地進(jìn)行，采礦過程中必須抽出一定的礦井?dāng)?shù)目用于排水，減小徑流中的水壓力，也就是在開采場地中將一些對礦井的井道與井巷有一定沖擊力與破壞力的地下水進(jìn)行疏通排出，降低開采場的地下水壓。而在礦坑排水過程中，礦坑涌水量的大小會對整體水流廠造成影響，因此，要對礦坑涌水量與地下水流場的關(guān)系做一個(gè)細(xì)致的分析，得出兩者之間的實(shí)際關(guān)系，方便我們預(yù)估實(shí)際地下水流場中水的壓力與沖擊力[3]。此外，如果在短時(shí)間內(nèi)大幅度地降低地下水壓的話，很容易會產(chǎn)生地下水徑流岔行，使得部分側(cè)流的地下水改為垂直流動，增加其地表灌溉系數(shù)，對地表的基礎(chǔ)流量與土地熵形成負(fù)面影響，其基本數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如表1。如果我們對單位面積的礦井涌水量進(jìn)行限制，降低單位面積礦井的地下水壓時(shí)，其礦坑涌水量也會隨之下降，單位面積的數(shù)目越大，其地下水壓下降越多，對地表的灌溉系數(shù)與土地熵的負(fù)面影響越大，不利于地表的水資源利用。

3.礦山地下開采活動對地下水環(huán)境的影響

3.1影響地下水位

采礦活動中形成的礦坑涌水，必定會造成對地下水徑流的影響以及水動力場的改變。實(shí)際施工作業(yè)中，在進(jìn)行礦山開采前，施工組織會先對礦山裂隙的含水巖石組群進(jìn)行一定的破壞，以進(jìn)行含水量測試及其他礦山數(shù)據(jù)計(jì)算。在一定范圍的礦層排水與礦體開采后，礦山的地下水巖層會受到一定的破壞與沖擊，如果這個(gè)時(shí)候水壓過大，就容易出現(xiàn)突水事故，造成礦層的破碎、塌陷以及變形，嚴(yán)重時(shí)甚至能危及相關(guān)人員的性命，并且會延伸原有的舊有礦層破碎橫斷面，造成大面積雪崩式塌陷，形成垮松帶、圍落帶、變形帶和移動帶，嚴(yán)重影響采礦場周圍的地理環(huán)境，對開采作業(yè)活動的進(jìn)行非常不利。同時(shí)還有可能改變原有的地下水流場，形成地下水流漏斗，在漏斗外圈區(qū)域其地下水流動速度加快，地下水庫儲量隨之減少，采礦層面的地基將失去一定的依托，甚至有可能裂開破碎。其中，2018年國際地下水源研究協(xié)會年度數(shù)據(jù)報(bào)告現(xiàn)實(shí)，地下水水流速度與地下水流漏斗深度之間關(guān)系如表2。

同時(shí)，地下水位也會隨之大幅度降低，局部的含水帶由于失去了水壓形成了新的包氣帶，地下水滲流的流速與水動力坡度都增加，水流速度加快，地下水對周遭巖層的侵蝕性加大，很容易引起巖層溶蝕，產(chǎn)生大面積的地址災(zāi)害，并且對礦山周遭地區(qū)的水文條件造成非常重大的不良影響[4]。因此，在進(jìn)行礦山地下開采活動時(shí)，要對地下水位進(jìn)行一定的測量，結(jié)合好當(dāng)?shù)販\表水資源環(huán)境的現(xiàn)狀，在不影響當(dāng)?shù)販\表層水資源利用的情況下，最大限度地進(jìn)行礦山地下開采活動，同時(shí)保證好相關(guān)施工人員的安全。

3.2破壞水土環(huán)境

礦山地下開采活動對地下水環(huán)境的影響很容易破壞地下水徑流的下墊面，隨著礦井的不斷拓深，采空塌陷區(qū)的面積越來越大，礦層裂隙的含水量自然也下降，同時(shí)地下水資源的潛水自由面蒸發(fā)速度會增加，對水土的濕潤、黏合能力下降，水文的下墊面也隨之下降，這就好比在一塊濕潤的土壤中，我們將其下方的土壤層拓到一定深度時(shí)，水分自然會在重力的作用下向下走，開始從土壤中流出，久而久之，土壤必定失去其黏性，這就是所謂的水土流失。

3.3減少地底基流

在礦山工程的基建中，需要大量的水資源，因?yàn)榈V層礦床方面需要生產(chǎn)性排水，就會導(dǎo)致礦層頂板以上的一些高含水量的巖層發(fā)生疏干預(yù)破碎，不利于地下水資源的流通與儲存，會大面積地減少地底的基流。同時(shí)，在進(jìn)行礦井排水時(shí)，為了安全起見，施工方的實(shí)際排水量會高于計(jì)算的礦井涌水量數(shù)值，這就很容易發(fā)生過度抽干的情況，導(dǎo)致地底基流的水分減少，對水土黏度的保持，地區(qū)淺表層水資源的提供都會產(chǎn)生不利的影響[5]。一旦地底基流減少，那么礦山地下開采活動場周圍的村落的供水系統(tǒng)很容易出現(xiàn)問題，地下水壓嚴(yán)重不足，供水系統(tǒng)容易出現(xiàn)補(bǔ)償性故障。此外，因?yàn)榈氐谆髁髁窟^低，人們能夠獲取的水分少，周圍的土壤干燥化，不利于農(nóng)作物的生長，湖泊隨之干涸，淺表層的水源供給不足，那么當(dāng)?shù)氐膭又参锱c人們的正常生活必定會受到嚴(yán)重的影響。

3.4對農(nóng)林土壤灌溉的不良影響

礦坑涌水量過大，很容易抽取過多的淺表層水資源，導(dǎo)致地區(qū)土壤失水多、失水快，土壤結(jié)構(gòu)變得松垮，水土流失問題加重，土壤的生產(chǎn)能力隨之下降，長時(shí)間的缺水與水土流失，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物收成將會造成強(qiáng)大的打擊[6]。同時(shí)，在地下水位過低的情況下，大面積的天氣降水都會用于補(bǔ)充地下水通道，在淺表層的滯留時(shí)間隨之縮短，地面上的動植物獲得水資源的分量少，時(shí)間短，不利于地表動植物的生長，容易破壞生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題。

4.減少礦山地下開采活動對地下水環(huán)境不良影響的措施

眾所周知，礦山地下開采活動對地下水環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在礦坑涌水排水以及礦層地下水徑流面的破壞，因此，在進(jìn)行礦山開采活動時(shí)，要著重注意好礦坑用水排水的力度的把握，利用解析法與數(shù)值計(jì)算法科學(xué)合理地算準(zhǔn)實(shí)際所需的最小安全礦坑涌水量，根據(jù)數(shù)值實(shí)實(shí)在在地進(jìn)行礦坑排水，同時(shí)要考慮好對礦層地下水徑流面的破壞情況，防止相關(guān)的塌陷、巖層破壞問題導(dǎo)致人員傷亡。

正確選擇好采礦方法，結(jié)合房柱法與膠體充填法，減少崩落法的使用次數(shù)，開采過程中出現(xiàn)的廢石、廢沙要填充到采空區(qū)，減少采空區(qū)的面積，降低塌陷風(fēng)險(xiǎn)[7]。對于井巷的布置一定要考慮好滲水透水的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合實(shí)際地形，井巷設(shè)置在遠(yuǎn)離河床的位置，盡量避開水分較高的土壤層與礦層，減少與水的接觸面積。同時(shí)在礦井中預(yù)留一定的厚度來保護(hù)礦柱，加固以減少導(dǎo)水裂縫的發(fā)生。

此外，要嚴(yán)格控制好地下采空塌陷區(qū)的面積，按時(shí)分點(diǎn)地測試采礦區(qū)的水土情況，考慮到當(dāng)?shù)販\表層水土環(huán)境在本次礦層活動中受到的影響，提前與當(dāng)?shù)鼐用駵贤ê?，并且進(jìn)行遠(yuǎn)區(qū)水源引流，保證當(dāng)?shù)厥┕づc居民的正常用水，最好是在礦區(qū)周圍多種一些抗旱植物，改水田為旱田，提高其蓄水能力，同時(shí)在一些有條件的礦床中設(shè)置截水溝排水蓄水，將一些無關(guān)的地下水排到周圍的淺表層環(huán)境中，減少礦層壓迫，降低塌陷風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，對于一些礦區(qū)周圍一些河床較為軟塌的河道，要建立防水性強(qiáng)的人工河床，防止河水滲入，提高地下水位，影響礦區(qū)水文條件，擾亂礦坑涌水量的計(jì)算，產(chǎn)生難以預(yù)測的突水事故造成人員傷亡。

5.結(jié)束語

在一些褶皺與斷裂的地形環(huán)境中，礦區(qū)涌水坑的水文地理?xiàng)l件較為復(fù)雜，形成與控制的難度較高，相關(guān)施工方一定要綜合考慮好各方面的問題再進(jìn)行開采作業(yè)?？偠灾V坑涌水量能夠作為數(shù)據(jù)用于判斷礦山地下開采活動對地下水影響的大小，體現(xiàn)地下水資源在礦區(qū)開采活動作業(yè)中產(chǎn)生的一些問題，在考慮相關(guān)地下礦層的防治處理時(shí)，要結(jié)合好當(dāng)?shù)販\表層水資源的供應(yīng)問題，與當(dāng)?shù)氐木用駵贤ê?，保證施工團(tuán)隊(duì)的安全以及開采活動的正常進(jìn)行。

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