礦井開采后水文地質特征及充水因素

陳建民，李春發(fā)，胡發(fā)虎

為保證礦井開采后礦區(qū)周圍的水質及地質環(huán)境的穩(wěn)定，必須提高水文地質災害的治理及環(huán)境恢復效果，減少因礦井開采而造成的地表水和地下水污染問題，增加的土地粘性，避免因水土流失而引發(fā)的地質災害。在礦井開采中，必須探查礦山中的水文地質情況、了解礦山井上井下水文形勢及其對整個礦井水害預防工作的特殊價值性，以及明確規(guī)劃，是有效扼制礦場井底水害問題出現(xiàn)的關鍵，是保護工人作業(yè)生命安全、保衛(wèi)國家礦山儲存資產、實現(xiàn)礦井生產安全平穩(wěn)進行的基本途徑。本文主要針對金屬礦山防水治理工作，進行了必要的研究。

1 水文地質對礦區(qū)防治水的重要性

1.1 對礦井安全的影響

在礦區(qū)開采過程中，要堅持安全第一，有效開采的原則，保證開采的各項工作的安全合理性。一般來說，在進行礦區(qū)開采之前，相關工作人員必須先對礦區(qū)周圍的地質環(huán)境進行實地勘測，并根據(jù)勘測數(shù)據(jù)進行水文地質條件分析，對地下容易出現(xiàn)水文地質災害的地點予以標識，這樣就能夠有效保證施工人員的生命安全?？梢岳每礈y出的數(shù)據(jù)進行圖紙繪制，以便更好的分析水文地質特征，從而制定有效，合適的防治措施。所以，在生產中，一定要保證數(shù)據(jù)的真實性和有效性，也要對繪制圖紙進行二次審核予以確認，這樣才能夠最大程度地保證礦井施工的安全。

1.2 對勘探效率的影響

在了解礦區(qū)周圍地質環(huán)境之后，要對異常區(qū)域進行二次勘察，根據(jù)異常區(qū)域的地質特點，設置相關的處理措施，減少地質災害的發(fā)生。為了避免在礦井施工中出現(xiàn)透水事故，施工人員必須首先核實周邊的廢棄礦井，掌握其透水范圍以及積水情況，如果積水嚴重，要及時做好排水工作，并加固礦井工程。而在礦井生產過程中，大多數(shù)的礦井地質都較為復雜，這在很大程度上影響了勘測的效率，但是在實際施工中施工人員要嚴格把控地理情況，根據(jù)地質環(huán)境的復雜性因地制宜，利用科學合理的勘測技術實施勘測工程。

1.3 對地質儲量測量的影響

在礦井水文地質勘察過程中，對于周邊異常區(qū)域，應擴大勘探范圍，在減少礦井開采事故的情況下。對周邊廢棄礦井進行調查研究，并在圖上明確標注礦井的開采位置以及地形條件和周圍的積水狀況，然而有時也會遇到勘探難度比較大的礦井，其水文地質條件復雜，影響工作人員的勘探進度。

2 礦井水考地質條件及充水因素

鑒于中國大部分金屬礦區(qū)域水文條件都相當復雜，所以隨著采礦深度的增大，礦山突水現(xiàn)象也會有出現(xiàn)，并會影響礦山頂板并且進一步擴大水害的影響區(qū)域。突水事件不但會給金屬礦的開發(fā)效益造成負面影響，還會給金屬礦公司職工造成嚴重的經濟損失。所以，我國金屬礦公司職工必須在采礦前后做好對開采區(qū)域所受的水害威脅程度及其礦山防水工作困難程度的調查研究，認真分析水文地質等各類指標，同時按照總體規(guī)劃礦山布局設計，選取合理的采礦方法和采礦安全措施，確保金屬礦開發(fā)效益和金屬礦職工的生產安全。

2.1 礦井水文地質條件及充水因素現(xiàn)狀

地質含水層的含水要求比較復雜，而且富水規(guī)律易受壩基巖性含水層非均質穩(wěn)定、各向異性特點和其他各種因素的干擾。地質學部門需要通過進行大量地質學勘察、水文測驗、物理鉆探和對地下水的動態(tài)觀察等才能掌握水文條件變化及其充的影響，從而提高金屬礦勘查過程的安全、可行性。而金屬層頂板滲漏水事件預報信息系統(tǒng)則包含了水源信息、結構損傷信息、采動頂板運動損傷信息和采動支承壓力分布信息等，通過對這四類信息的分類能夠提高企業(yè)對礦山頂板水害的防范效果，以便于積極預報礦井滲漏水事件，降低金屬礦企業(yè)的損失。

2.2 礦井水文地質特征

因為金屬層所處的位置和當?shù)貧庀髼l件不同，所以礦井的水文條件也有著很大區(qū)別。寧夏、內蒙西部等中國西北地區(qū)的金屬地層都處于中侏羅系，而且當?shù)亟涤炅肯鄬^少，加上天氣比較干旱，這就導致了地下水濃度相對較低而且水交替性能也不好，使得礦井涌水量也就相對少。但因為該區(qū)金屬層較淺薄，這也導致金屬礦的開挖面在開挖以后，極易向地面擴展。金屬礦的大部分充水來自土壤、大氣雨水、淺部第四系潛水和金屬層的頂板砂石或裂隙弱污泥層水。

3 含水層與隔水層

3.1 含水層與隔水層的特征

在一定的內部應力作用下，沙石泥土的附著力會逐漸降低，土層軟化，當巖體受到外部環(huán)境的擠壓時，在力的作用產生變形，當超出巖體所承受的最大范圍，則會造成大面積的巖體斷裂，開裂現(xiàn)象。由于外部環(huán)境的張力較大，致使巖體會形成閉合縫隙或隱蔽裂縫，隨著時間的積淀，這些裂縫內會填充一些巖石碎塊，當受到地表水或地下水的滲透時，這些碎屑就會發(fā)生膨脹，使整個巖體縫隙全部填滿，進而形成隔水層。而沙巖具有堅硬性和致命性的特點，當發(fā)生破裂變形時，往往會形成構造巖體縫隙，當遇到水流滲透時，縫隙就會擴大，久而久之也就會形成可以儲存水量的含水層。

3.1.1 含水層特征

含水層的形成與巖體的構造息息相關，因巖體的發(fā)育深度、質地、儲水能力不同而各有差別，所以含水層的儲存水量的功能和導水功能也會受這些因素的影響，甚至同種巖體的含水層因巖體厚度、滲透水量以及地層結構的不同其所形成的儲水能力、富水性都有所不同。對于一些碳酸鹽類的巖體而言，其富水性和儲水能力比其他巖體富水性和儲水能力要強許多，這是由于在充水過程中，直接充水結構與間接充水結構相互聯(lián)系，從而使含水層的儲存水量功能上升。

3.1.2 隔水層特征

隔水層指的是在礦井開采時，在各類沖水因素的影響下，礦井周圍的巖層也會受此變化，為避免地表水或其他水流對礦井周圍巖層的影響，采礦人員需要利用厚層巖體、砂巖以及致密的粉砂巖所形成的隔水層隔絕這些水流。粗粒砂巖隔水層一般分布在礦井冒落帶頂部，能夠隔絕地表水滲入。而粉砂巖隔水層以及沙質泥巖一般分布在采礦結構以及底部礦井構造，能夠有效避免在采礦過程中對隔水層的破壞，如果底部承壓隔水層受到外力影響而被破壞時，那么隔絕在巖體外部的水流就會突發(fā)性的涌入礦井中。

3.2 含水層的邊界條件

含水層是利用外部環(huán)境的補給與排泄從而發(fā)生變化，使其進入到巖石孔隙、裂縫或者巖溶介質中保存下來。通過巖層的重力托舉，使水層不會外溢，在相對運動的過程中循環(huán)補給與排泄，保持著含水層的內部平衡。而含水層的邊界條件，一般分為補給邊界和隔水邊界兩方面。

3.2.1 補給邊界

按通過充水含水層獲取或補充飲用水的方法不同，有如下幾類：①垂直于下滲邊界：當通過充水含水層出現(xiàn)在地表上時，主要受大氣降雨和地表水域的垂直于下滲補充。直接充水的含水層隱伏在新生界以下時，將會接受新生界底部含水層孔隙水垂直下滲補給。直接充水含水層被第四紀的松散含水層包圍，并接受其地下水和地表的水下滲補充；②側向徑流補給邊界：直接充水含水層因斷裂切割作用和開采礦產層下伏基巖含水層在斷層兩盤對口部位接受基巖含水層地下水側向徑流補給。直接充水含水層位于淺部基巖風化帶范圍內，接受基巖含水層地下水側向徑流補給；③頂托越流補給邊界：直接充水含水層與下伏基巖承壓含水層之間，巖層是隔水層并隱伏于新生界同一孔隙含水層之下，當?shù)V產層上部直接充水含水層向礦井充水，水頭降低時，孔隙含水層水垂直下滲，其水頭隨著而變動，則下伏基巖承壓含水層地下水，則頂托越流補給孔隙含水層而成為礦產層上部直接充水含水層的間接補給水源。直接充水含水層在斷層交叉帶與密集帶部位向礦井充水，水頭降低后，由于斷層交叉帶與密集帶的破碎帶寬度較大，裂隙發(fā)育，透水性好。

3.2.2 隔水邊界

按直接充水含水層地下水補給或地下水流受阻部位不同，有以下幾種：①頂部隔水邊界：直接充水含水層隱伏于新生界黏土隔水層之下時，阻隔大氣降水、地表水體和新生界孔隙含水層地下水垂直滲漏補給；②側向隔水邊界：直接充水含水層因斷裂切割作用而和斷層一盤砂泥巖相對隔水層接觸，斷層帶構成直接充水含水層側向隔水邊界。直接充水含水層的富水性順地層，傾角方向隨埋藏深度的增大而逐步下降，在達到某一深度后逐漸變?yōu)橄鄬Ω羲畬?，成為側向隔水邊界?/p>

3.3 含水層的補給和排泄條件

從補給和排泄的角度上看，在礦井開采中，含水層受充水因素的影響會向礦井直接進水，使其形成一個天然的流動場所，并以礦井為排泄基準面。隨著礦井水的排出，礦產中含水層的水位也會隨之下降，經過一系列的大氣降水的滲透，地下水徑流量增大，再加上礦產含水層的水流下滲，礦井的涌水量也會受此影響逐漸增加。

4 礦井水考地質條件及充水因素

4.1 大氣降水

在礦井開采后，由于大氣降水而引發(fā)的礦井充水，而其降水的強度接影響著礦井充水量，一旦在礦井開采后地面出現(xiàn)沉降，塌陷，那大氣降水也會隨塌陷的裂縫進入到礦井中從而引發(fā)礦井沖水，這些因素之間都是密切相關的。

4.2 地下水

礦井向含水層充水受降雨強度大小和時間有關，它的著水性不強，同時含水層的儲水能力還與該區(qū)域的水文地質特征以及巖層的裂隙發(fā)育有很大的聯(lián)系，所以在礦井開采時，必須高度重視氣象變化，并對礦井巖層裂隙進行深入勘察，從而有效保障排水工作的順利進行。

4.3 地表水

礦井開采地區(qū)大多為地質環(huán)境復雜多變，降水量多，大氣降水，匯水面積大，沖溝水。沿著風氧化帶滲入，這些外來補水因素為礦井開采直接提供了有效的補給水源，因此在礦井開采過程中，這些外來水源的補給為礦井開采提供了有利條件。

4.4 老窯及老采空區(qū)積水

在礦井開采中，老窖開采是極為常見的，主要是通過協(xié)警開拓的方式進行開采，其深度在100m以下，水平距離以200m為邊界。如果在老窖中出現(xiàn)積水現(xiàn)象，必須高度重視，因為礦區(qū)內的老窖較多，而且每個老窖之間都具有串聯(lián)性，如果發(fā)現(xiàn)積水，則有可能發(fā)生巨大的透水事故，所以必須做好老窖開采的防治工作，重視老窖積水的疏通和排放。

5 不同條件下礦井防治水措施研究

5.1 開采面靠近富水區(qū)域的防治水措施

一旦金屬礦開發(fā)范圍內金屬層埋深度較淺，并且地下水的補充效果比較好時就可以加強對井降探放水，但是一旦采礦工作面更靠近富水區(qū)域時就會引導礦山的突水流入礦井內。當采掘工作已開展至含水層結構附近時，就應該根據(jù)正常采礦原則合理采取探放水的方法繼續(xù)開展工作，并且勘探工作人員還必須根據(jù)探明工作范圍內前方的水情限制出水量，還必須留設一定高度的抗隔水金屬柱，才可以有效保證采礦工作的安全性和可靠性。當隔水層分布累計保護層厚度較薄，且導水裂隙帶經過導通該含水層構造附近時，采礦技術人員就應該進行疏排，以有效下降頂板底水平，使水位降至安全使用區(qū)域內。測量技術人員要做好對隔水層的監(jiān)控，保證隔水效果，盡量減少突水情況的發(fā)生。

5.2 富水性弱的過渡區(qū)域防治水措施

針對富水性較弱而且富水性能一般的金屬頂板，其充水含水層根據(jù)涌流的條件綜合劃分為過渡區(qū)段，施工人員必須時時觀測回采工作面狀況、涌水量和含水層的水位變化趨勢，如果出現(xiàn)了問題應及時報告給上級部門。當靠近富水區(qū)時，施工人員還可以采用向隔水層或含水層的注漿材料增強或注漿方式改造來提高隔水層厚度，這樣能夠更有效地隔絕充水水源和礦井內部的導水通道。此外，也可采用預先做得好金屬柱來保證金屬域的隔水性涂料。

5.3 富水性較弱區(qū)域的防治水措施

就在金屬頂板以及充水含水層等不容易發(fā)生突水狀況的區(qū)域而言，由于這個地段的富水性較低同時又相對安全，因此一般情況下，這個地段在進行采礦時不容易發(fā)生突水的情況，但是采礦人員仍然需要對此充分重視，還必須運用有用的方法來防止突水的情況。因此，采礦技術人員務必時時注意作業(yè)面的變化情況，特別注意涌水量的變動情況以及含水層的水位變動狀況等，一旦發(fā)現(xiàn)問題，必須立即采取措施加以解決。在實際的生產過程中，采礦技術人員還必須進行及時的工作試水，并且科學地使用各種方法檢測地段的富水性以及導水性涂料。盡管存在部分地區(qū)的富水性較低的狀況，但仍然必須注意其孔隙裂隙承壓水的含水層狀況，以預防轉彎或抹角等含水層突水狀況的出現(xiàn)，并及時地對地段進行工程防水的檢測，同時注意水量的波動情況，以有效管理水量，從而避免了突水情況的發(fā)生。

6 做好礦井防治水的具體對策

6.1 做好水文地質監(jiān)測

礦井水害的有效治理必須通過對水文管理工作加以持續(xù)完善，并通過對礦山內水文地質條件的全面清查，對礦井內主要含水層及地下水的動態(tài)監(jiān)測體系加以持續(xù)建立和完善。為達到這一目標，就應該做好如下幾方面管理工作：通過井田水文動態(tài)分析，對井田范圍內各含水層結構礦化度變動加以了深入研究，并對各含水層構造的天然補給條件作出了間接的推測;對富水區(qū)實行提前監(jiān)測，同時采取當時最先進的監(jiān)測方式。

6.2 對礦井防治水規(guī)劃與計劃進行完善

礦山公司針對礦井水文條件進行清查，做好水害預報，并根據(jù)有關準則和規(guī)范，根據(jù)治理水源的長期計劃和年度治理水源規(guī)劃進行編寫，針對已編寫的內容，將充分結合現(xiàn)實情況，對其加以不斷調整和充實，確保其滿足礦山水害治理的需要。

6.3 對礦山的水文地質條件進行了進一步清查

為保證礦山開發(fā)的安全性，必須根據(jù)原有的數(shù)據(jù)資料，對礦山水文地質條件進行補充研究，尤其是針對部分水文地質條件較為復雜，或者礦山風險系數(shù)較大的礦山，應當結合現(xiàn)狀，對地面和井下水文地質條件進行補充勘查，并通過有關手段，對礦山水文地質條件加以查清。

6.4 提升礦井水害防治工作效率

首先，必須根據(jù)礦區(qū)水文地質特征及沖水因素開展防治水工作，要從根本上提高防治水的工作效率，減少水質對周圍環(huán)境的危害。當然在這個過程中相關管理人員必須提高對此項工作的認識，有效保證礦區(qū)開采的安全性。同時在此基礎上，項目實施者也應該加大對于防治水工作的投資力度，確保水文地質災害的應急處理能夠落實到位；其次，要不斷優(yōu)化工作人員的技術能力，不定期地對工作人員進行業(yè)務培訓，提高防治水的專業(yè)能力和對地質災害的應變能力。除此之外，也要做好礦區(qū)環(huán)境的地質勘察工作，有效分析水質災害的分布情況，根據(jù)分布地區(qū)及時做好預防策略，夠保證防治水工作的全面性和綜合性；最后，要與其他部門之間建立起良好的溝通與聯(lián)系機制，增強整個項目團隊的凝聚性，從而為防治水工作提供有力保障。

7 結語

現(xiàn)階段礦山水文及治理水工作仍面臨許多不足，必須為此進行高度重視，并進行進一步探索和深入研究，剖析問題形成的成因，并提供合理的改善對策，促進礦山水害問題得以合理處理，為礦山工業(yè)生產的順利進行提供強有力保證，并提升產量效益和產出品質，最終促進礦山產業(yè)的發(fā)展和提升。