大型露天礦山的水文地質特征及開采技術條件探討

黃光輝

（中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心福建總隊，福建 福州 350001）

隨著各行各業(yè)的不斷發(fā)展，近年來各種資源的消耗量，尤其是礦產資源的消耗量呈現(xiàn)直線式上升狀態(tài)，使資源的供給出現(xiàn)了一些問題。如何高效持續(xù)的為各行業(yè)提供充足的資源，確保其穩(wěn)定發(fā)展成了當前亟待解決的問題。在礦產資源開采中，露天開采占得比重最大。隨著礦產資源需求量的增加，露天礦山開采的深度不斷增加，邊坡高度不斷加大，穩(wěn)定性越來越差，再加之復雜多變的地質構造，使得開采技術條件越來越差。這不僅影響資源開采效率，而且還容易引發(fā)安全事故，造成人員傷亡和資源浪費。本文針對這些問題進行了詳細分析，希望能夠對露天礦山資源的開采有所幫助。

1 大型露天礦山的開采現(xiàn)狀及開采中存在的問題

1.1 開采現(xiàn)狀

隨著各行業(yè)對礦產資源的需求量不斷增加，很多地表礦產資源的儲量快速減少，甚至出現(xiàn)了枯竭現(xiàn)象，已經無法滿足資源供給。因此，越來越多的礦山開采方式漸漸地由露天向地下轉化。現(xiàn)階段，由露天轉向地下開采的大型露天礦山已經占了絕大多數(shù)的比重。

目前大型露天礦山的開采方式主要分為三種：露天開采、露天與地下聯(lián)合開采和地下開采，其中地下開采已經成為主要方式。近年來，露天與地下聯(lián)合開采的趨勢是逐漸減少露天開采量，不斷增加地下開采量，這樣做的目的是將開采方式平穩(wěn)的轉化為地下開采方式，因此露天與地下聯(lián)合開采的這段時間又被稱為過渡期。

由于幾十年單一開采方式經驗的積累，人們對露天開采和地下開采都比較熟悉，對其邊坡的穩(wěn)定性、變形趨勢及巖體覆蓋穩(wěn)定性等有著深入了解，但是對露天與地下聯(lián)合開采方式中涉及到的問題研究不夠透徹，開采技術還不成熟，如何進行綠色安全高效平穩(wěn)的開采，成為一大難題。

1.2 開采中存在的隱患及問題

由于多種原因，大型露天礦山的開采存在很多安全隱患問題。首先，露天開采中存在的隱患。隨著資源需求量的增加，不僅露天開采的深度不斷增加，邊坡高度也隨之變大，很容易形成凹陷采場，使得邊坡穩(wěn)定性漸漸變差，不僅增加了開采難度，而且容易對礦山環(huán)境造成破壞，引發(fā)安全事故，造成人員傷亡和資源浪費。露天礦山邊坡穩(wěn)定性問題在我國引發(fā)了多起事故，比如大冶鐵礦多次滑坡事故、海州露天礦多次滑坡事故及金山磐石露天礦大規(guī)?；率鹿实鹊?，嚴重影響了礦山的安全與生產，對其帶來巨大的損失，直接影響經濟的運行與發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，幾乎絕大多數(shù)的露天礦山都存在較高的滑坡風險，我國半數(shù)以上的礦山都發(fā)生過多次滑坡事故。

此外，很多露天礦山中的邊坡巖土體大都經受過多次的地質作用，尤其是經受過不科學合理的開挖破壞后，邊坡一般都會發(fā)生各種形式的變形。有的露天礦山會瞬時變形；有的露天礦山經過長時間后才會變形；有的露天礦山會產生有限的變形問題；而有的露天礦山會產生無限的變形問題。不同形式變形問題的產生是由多種因素造成的，比如露天礦山本身地質環(huán)境、開采途徑與方法等等。邊坡的變形與破壞問題直接影響到邊坡的穩(wěn)定性，與礦山滑坡事故的發(fā)生息息相關。雖然現(xiàn)階段對露天開采有深刻的認識，在邊坡研究方面有堅實的基礎，但是邊坡穩(wěn)定性問題與變形問題涉及到的影響因素復雜多變，露天礦邊坡問題還是沒有得到徹底的解決，還存在很多未解的問題。

其次，露天與地下聯(lián)合開采中存在的問題。現(xiàn)階段我國在這一塊的研究起步較晚，存在的問題較多。露天與地下聯(lián)合開采涉及到的問題主要在一下幾個方面：第一，與露天開采所遇的問題相同，即大型露天礦山的邊坡穩(wěn)定性問題。該開采方式是露天開采與地下開采同時進行，邊坡穩(wěn)定性的維護難度更大，一旦邊坡出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，造成的損失與危害不可估量；第二，露天開采的最大限度值及轉地下的過渡界限的確定問題。這一問題極其復雜多變，不但要精確的預估出露天開采對地下開采的影響，避免產生一些干擾問題，還要做好開采量的銜接，確保礦產資源供給充足。針對這些要求，目前雖有幾種采礦方法應對，但是都有弊端，缺乏科學高效綠色的采礦方法。最后，露天轉地下的排水問題。露天轉地下過程中的通風排水問題很重要，關系到人員安全與礦山安全。雖然很多專家學者對此做了大量的調研，并提出許多方案措施，但是每個大型露天礦山的水文地質特點各不相同，在實踐中存在一定的偏差，通風排水系統(tǒng)并不完善。

最后，地下開采中存在的問題。地下開采中也存在通風排水問題，大多數(shù)露天礦山中礦井通風不符合要求，存在通風系統(tǒng)不完善、局部通風不合理、缺乏完善的通風檢測制度及缺少必要的通風設施等問題。另外，很多礦井都存在防透水工作不嚴謹及排水系統(tǒng)不完善等問題，引發(fā)多次安全事故。再者，很多大型露天礦山經過多年開挖，出現(xiàn)了很多隱患采空區(qū)，采空區(qū)坍塌事故時有發(fā)生，經常造成人員傷亡。

2 大型露天礦山的水文地質特征分析

2.1 水文特征分析

大型露天礦山中很多巖石都含有大小不等、數(shù)量不同的空隙裂縫，這些裂縫在合適的條件下可以儲水，因此這種儲水層也被稱之為巖石的含水層。這種巖石大多呈現(xiàn)層狀，并蘊含大量的水資源。一般情況下，礦山在地質條件上歸屬與富含水性的巖溶空間。然而，每個露天礦山的巖溶發(fā)育情況都存在一定的差異，巖溶構造也不同，這些都會直接影響到礦山的礦床層位。

大型露天礦山巖層一般都有富水性的特征。結合露天礦山的地表特征和巖石滲水性特征，礦山內部一般蘊含六種含水巖層。礦山內地下水的類型，分為孔隙水、裂隙水、巖溶水、上層滯水、潛水或承壓水。大氣降水是地表水的主要來源，地表水積攢到一定程度后會流向附近的溝谷，借助巖層的松散層滲透到地下，進而轉送至礦井深處。滲透的這一部分潛水為基巖低氧化帶或侵蝕層補給，幫助其形成承壓水帶，最終在較大的地質構造地帶中完成大面積的裂隙層儲水。由此可見，礦山水文地質結構的補給、徑流、排泄條件及富水特征，相互之間都與地表水間存在著水力聯(lián)系。

2.2 地質特征分析

在大型露天礦山中，礦區(qū)的邊坡穩(wěn)定性特征關系到整個礦山的安全性，是分析礦山地質特征中首要考慮的。通常露天礦山的巖體類型、構造結構及地質環(huán)境都對礦山邊坡穩(wěn)定性影響深遠。地質斷層構造帶或褶皺構造帶常常會出現(xiàn)斷壓性或壓扭性的斷層，該種類型的斷層體積較大，巖體發(fā)育成熟。而抗侵蝕能力較差的軟性巖石構造帶在一些較大巖石的壓力或其他壓力下，底層結構很容易發(fā)生斷裂變形，造成上部巖體發(fā)生位移。這些都直接影響著邊坡穩(wěn)定性。除此之外，風化作用能夠改變巖石的物理性質、水理性質及化學性質，破壞巖體結構面，并降低巖石力學強度，使巖石發(fā)生變形。水分也會引起巖石的變化，當含水量增加時，蒙脫土中的膨脹壓力也會增大，當?shù)竭_極限后，很容易造成巖石崩落，甚至引起巖體滑落。礦山的蝕變程度、氣候條件、殘余應力及其他擾動因素等都需要研究。

礦山的地質特征研究還應包含對環(huán)境地質條件的分析，比如每個大型露天礦山的排水與供水問題分析、礦山地理環(huán)境破壞問題、巖土體破壞程度及水質分析等等。只有做好這些調研分析工作，才能制定科學合理的開采方案，減少不必要的損失，提升開采效率與安全性能。

3 大型露天礦山開采技術條件探討

3.1 水文地質特征對開采技術選擇的影響

開采技術的選擇受多種因素的影響，比如氣候條件、礦山規(guī)模、資金、采運排條件等等，其中水文地質特征對其影響最大。首先，地質條件中的構造、巖體性質、巖體的穩(wěn)定性、巖體結構等因素是必須要考慮分析的。大型露天礦山的地質特征對開采技術選擇的影響主要體現(xiàn)在是否符合該技術的開采要求、運輸通道的安排、內排土場的設置難度及工作平盤推進問題等方面。若都符合該技術的要求，則選擇該項技術；若不符合，則需另選其他技術或者根據(jù)地質特征采用兩種技術結合的方式。比如，對于一些礦層厚度比較小的礦山，可以采用設備中型化的可移式或自移式半連續(xù)工藝；對于一些礦層厚度較大的礦山，結合資金情況，可以考慮采用設備大型化的可移式或自移式半連續(xù)工藝。

另外，大型露天礦山的水文特征對開采技術的選擇也有重要影響。如果大型露天礦山地下水的類型主要是變質巖裂隙水和巖溶裂隙水，地表水含量較少，且其補給來源主要是大氣降水的話，那么在選擇開采技術時，重點要考慮該技術中運輸通道的約束及地下通道排水防水能力。

再者，如果大型露天礦山地表常年流水，并且該礦山大氣降水較多，水流很容易匯聚，這中情況不但會嚴重影響生產效率，還會很容易導致礦區(qū)安全事故的發(fā)生。因為含水土巖很容易粘斗、粘車，削減了勺斗和車廂的容量，并且清除車廂中的粘結土巖也費時費力，無形之中增加了工作時間，降低了工作效率。而且如果礦坑選址在此處的話，碰見大量地表水匯聚，那么開挖之后很容易淹沒礦坑，不僅影響開采效率，還會造成設備損壞，情況嚴重的話還會引發(fā)人員傷亡，造成巨大的損失。

3.2 開采技術分析

開采技術的更新發(fā)展離不開設備的更新變化，目前我國露天礦的開采技術有多種。很多專家學者對此做了詳細的研究歸納。最常見的主要有這幾種分類標準：依據(jù)物流連續(xù)性，分為連續(xù)工藝、半連續(xù)工藝和間斷工藝；依據(jù)生產環(huán)節(jié)的組合方法，分為獨立工藝和合并工藝；依據(jù)技術的復雜程度，分為單一工藝和綜合工藝。目前單一工藝基本上不再采用，綜合工藝比較受歡迎，各種工藝在開采中可能會交叉出現(xiàn)使用。

開采工藝的選擇是一個比較復雜的難題。不同的開采技術的選用，受多種因素影響，在選擇使用時一定要詳細精確的掌握該工藝的適用條件。比如，露天礦表土剝離工藝中如果使用的設備是液壓挖掘機，那么該項開采技術就不適用于氣候嚴寒且硬度較大的礦巖；如果該工藝中采用的是前裝機設備，那么該項技術適用于氣候不太嚴寒且松散層或軟巖較多的中小型露天礦山。由此可見，在同一種開采技術中，若使用不同的設備，適用的露天礦山水文地質條件也存在很大的差異。因此，在在開采技術的選取上，一定要做好前期的調研工作，并對各種技術詳細精確的掌握，綜合考慮各種因素，最終制定一套既經濟又科學合理的開采方案。

4 結語

礦產資源為社會經濟的發(fā)展提供了堅實的物質基礎，是人類賴以生存的前提條件，其重要性不言而喻，礦產資源的開采率影響到各個方面?，F(xiàn)階段，各國政府都對礦山的開采情況高度重視。通過本文上述分析可知，開采技術條件分析在礦山開采過程中的作用不可小視，對提高礦山開采效率及安全性有著重大影響。希望本文所述對礦產資源的安全綠色高效開采有所幫助。