大型露天礦山的水文地質(zhì)特征及開(kāi)采技術(shù)條件探討

黃光輝

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心福建總隊(duì)，福建 福州 350001）

隨著各行各業(yè)的不斷發(fā)展，近年來(lái)各種資源的消耗量，尤其是礦產(chǎn)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(wèn)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(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。在礦產(chǎn)資源開(kāi)采中，露天開(kāi)采占得比重最大。隨著礦產(chǎn)資源需求量的增加，露天礦山開(kāi)采的深度不斷增加，邊坡高度不斷加大，穩(wěn)定性越來(lái)越差，再加之復(fù)雜多變的地質(zhì)構(gòu)造，使得開(kāi)采技術(shù)條件越來(lái)越差。這不僅影響資源開(kāi)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(fèi)。本文針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，希望能夠?qū)β短斓V山資源的開(kāi)采有所幫助。

1 大型露天礦山的開(kāi)采現(xiàn)狀及開(kāi)采中存在的問(wèn)題

1.1 開(kāi)采現(xiàn)狀

隨著各行業(yè)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量不斷增加，很多地表礦產(chǎn)資源的儲(chǔ)量快速減少，甚至出現(xiàn)了枯竭現(xiàn)象，已經(jīng)無(wú)法滿足資源供給。因此，越來(lái)越多的礦山開(kāi)采方式漸漸地由露天向地下轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)階段，由露天轉(zhuǎn)向地下開(kāi)采的大型露天礦山已經(jīng)占了絕大多數(shù)的比重。

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

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

1.2 開(kāi)采中存在的隱患及問(wèn)題

由于多種原因，大型露天礦山的開(kāi)采存在很多安全隱患問(wèn)題。首先，露天開(kāi)采中存在的隱患。隨著資源需求量的增加，不僅露天開(kāi)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(chǎng)，使得邊坡穩(wěn)定性漸漸變差，不僅增加了開(kāi)采難度，而且容易對(duì)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(fèi)。露天礦山邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題在我國(guó)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)?；率鹿实鹊龋瑖?yán)重影響了礦山的安全與生產(chǎn)，對(duì)其帶來(lái)巨大的損失，直接影響經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行與發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，幾乎絕大多數(shù)的露天礦山都存在較高的滑坡風(fēng)險(xiǎn)，我國(guó)半數(shù)以上的礦山都發(fā)生過(guò)多次滑坡事故。

此外，很多露天礦山中的邊坡巖土體大都經(jīng)受過(guò)多次的地質(zhì)作用，尤其是經(jīng)受過(guò)不科學(xué)合理的開(kāi)挖破壞后，邊坡一般都會(huì)發(fā)生各種形式的變形。有的露天礦山會(huì)瞬時(shí)變形；有的露天礦山經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間后才會(huì)變形；有的露天礦山會(huì)產(chǎn)生有限的變形問(wèn)題；而有的露天礦山會(huì)產(chǎn)生無(wú)限的變形問(wèn)題。不同形式變形問(wèn)題的產(chǎn)生是由多種因素造成的，比如露天礦山本身地質(zhì)環(huán)境、開(kāi)采途徑與方法等等。邊坡的變形與破壞問(wèn)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(guān)。雖然現(xiàn)階段對(duì)露天開(kāi)采有深刻的認(rèn)識(shí)，在邊坡研究方面有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題與變形問(wèn)題涉及到的影響因素復(fù)雜多變，露天礦邊坡問(wèn)題還是沒(méi)有得到徹底的解決，還存在很多未解的問(wèn)題。

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

最后，地下開(kāi)采中存在的問(wèn)題。地下開(kāi)采中也存在通風(fēng)排水問(wèn)題，大多數(shù)露天礦山中礦井通風(fēng)不符合要求，存在通風(fēng)系統(tǒng)不完善、局部通風(fēng)不合理、缺乏完善的通風(fēng)檢測(cè)制度及缺少必要的通風(fēng)設(shè)施等問(wèn)題。另外，很多礦井都存在防透水工作不嚴(yán)謹(jǐn)及排水系統(tǒng)不完善等問(wèn)題，引發(fā)多次安全事故。再者，很多大型露天礦山經(jīng)過(guò)多年開(kāi)挖，出現(xiàn)了很多隱患采空區(qū)，采空區(qū)坍塌事故時(shí)有發(fā)生，經(jīng)常造成人員傷亡。

2 大型露天礦山的水文地質(zhì)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(chǔ)水，因此這種儲(chǔ)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(yùn)含大量的水資源。一般情況下，礦山在地質(zhì)條件上歸屬與富含水性的巖溶空間。然而，每個(gè)露天礦山的巖溶發(fā)育情況都存在一定的差異，巖溶構(gòu)造也不同，這些都會(huì)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(jié)合露天礦山的地表特征和巖石滲水性特征，礦山內(nèi)部一般蘊(yùn)含六種含水巖層。礦山內(nèi)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(lái)源，地表水積攢到一定程度后會(huì)流向附近的溝谷，借助巖層的松散層滲透到地下，進(jìn)而轉(zhuǎn)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(bǔ)給，幫助其形成承壓水帶，最終在較大的地質(zhì)構(gòu)造地帶中完成大面積的裂隙層儲(chǔ)水。由此可見(jiàn)，礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)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(zhì)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(guān)系到整個(gè)礦山的安全性，是分析礦山地質(zhì)特征中首要考慮的。通常露天礦山的巖體類型、構(gòu)造結(jié)構(gòu)及地質(zhì)環(huán)境都對(duì)礦山邊坡穩(wěn)定性影響深遠(yuǎn)。地質(zhì)斷層構(gòu)造帶或褶皺構(gòu)造帶常常會(huì)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(gòu)造帶在一些較大巖石的壓力或其他壓力下，底層結(jié)構(gòu)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(fēng)化作用能夠改變巖石的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)，破壞巖體結(jié)構(gòu)面，并降低巖石力學(xué)強(qiáng)度，使巖石發(fā)生變形。水分也會(huì)引起巖石的變化，當(dāng)含水量增加時(shí)，蒙脫土中的膨脹壓力也會(huì)增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)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(yīng)力及其他擾動(dòng)因素等都需要研究。

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

3 大型露天礦山開(kāi)采技術(shù)條件探討

3.1 水文地質(zhì)特征對(duì)開(kāi)采技術(shù)選擇的影響

開(kāi)采技術(shù)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(yùn)排條件等等，其中水文地質(zhì)特征對(duì)其影響最大。首先，地質(zhì)條件中的構(gòu)造、巖體性質(zhì)、巖體的穩(wěn)定性、巖體結(jié)構(gòu)等因素是必須要考慮分析的。大型露天礦山的地質(zhì)特征對(duì)開(kāi)采技術(shù)選擇的影響主要體現(xiàn)在是否符合該技術(shù)的開(kāi)采要求、運(yùn)輸通道的安排、內(nèi)排土場(chǎng)的設(shè)置難度及工作平盤推進(jìn)問(wèn)題等方面。若都符合該技術(shù)的要求，則選擇該項(xiàng)技術(shù)；若不符合，則需另選其他技術(shù)或者根據(jù)地質(zhì)特征采用兩種技術(shù)結(jié)合的方式。比如，對(duì)于一些礦層厚度比較小的礦山，可以采用設(shè)備中型化的可移式或自移式半連續(xù)工藝；對(duì)于一些礦層厚度較大的礦山，結(jié)合資金情況，可以考慮采用設(shè)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(duì)開(kāi)采技術(shù)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(zhì)巖裂隙水和巖溶裂隙水，地表水含量較少，且其補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水的話，那么在選擇開(kāi)采技術(shù)時(shí)，重點(diǎn)要考慮該技術(shù)中運(yùn)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(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，還會(huì)很容易導(dǎo)致礦區(qū)安全事故的發(fā)生。因?yàn)楹翈r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(jié)土巖也費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)形之中增加了工作時(shí)間，降低了工作效率。而且如果礦坑選址在此處的話，碰見(jiàn)大量地表水匯聚，那么開(kāi)挖之后很容易淹沒(méi)礦坑，不僅影響開(kāi)采效率，還會(huì)造成設(shè)備損壞，情況嚴(yán)重的話還會(huì)引發(fā)人員傷亡，造成巨大的損失。

3.2 開(kāi)采技術(shù)分析

開(kāi)采技術(shù)的更新發(fā)展離不開(kāi)設(shè)備的更新變化，目前我國(guó)露天礦的開(kāi)采技術(shù)有多種。很多專家學(xué)者對(duì)此做了詳細(xì)的研究歸納。最常見(jiàn)的主要有這幾種分類標(biāo)準(zhǔn)：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(chǎn)環(huán)節(jié)的組合方法，分為獨(dú)立工藝和合并工藝；依據(jù)技術(shù)的復(fù)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(kāi)采中可能會(huì)交叉出現(xiàn)使用。

開(kāi)采工藝的選擇是一個(gè)比較復(fù)雜的難題。不同的開(kāi)采技術(shù)的選用，受多種因素影響，在選擇使用時(shí)一定要詳細(xì)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(shè)備是液壓挖掘機(jī)，那么該項(xiàng)開(kāi)采技術(shù)就不適用于氣候嚴(yán)寒且硬度較大的礦巖；如果該工藝中采用的是前裝機(jī)設(shè)備，那么該項(xiàng)技術(shù)適用于氣候不太嚴(yán)寒且松散層或軟巖較多的中小型露天礦山。由此可見(jiàn)，在同一種開(kāi)采技術(shù)中，若使用不同的設(shè)備，適用的露天礦山水文地質(zhì)條件也存在很大的差異。因此，在在開(kāi)采技術(shù)的選取上，一定要做好前期的調(diào)研工作，并對(duì)各種技術(shù)詳細(xì)精確的掌握，綜合考慮各種因素，最終制定一套既經(jīng)濟(jì)又科學(xué)合理的開(kāi)采方案。

4 結(jié)語(yǔ)

礦產(chǎn)資源為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類賴以生存的前提條件，其重要性不言而喻，礦產(chǎn)資源的開(kāi)采率影響到各個(gè)方面。現(xiàn)階段，各國(guó)政府都對(duì)礦山的開(kāi)采情況高度重視。通過(guò)本文上述分析可知，開(kāi)采技術(shù)條件分析在礦山開(kāi)采過(guò)程中的作用不可小視，對(duì)提高礦山開(kāi)采效率及安全性有著重大影響。希望本文所述對(duì)礦產(chǎn)資源的安全綠色高效開(kāi)采有所幫助。