水文地質工作在礦業整裝勘查中的重要作用與現實意義

劉民生

（四川省地礦局九一五水文地質工程地質隊，四川 眉山 620010）

國土資源部以國土資發〔2011〕55號文下發《關于進一步完善礦業權管理促進整裝勘查的通知》，提出劃定整裝勘查區、加快整裝勘查區礦業權設置方案編制和審查、優選實施整裝勘查的探礦權人、落實探礦權人整裝勘查責任、嚴格規范探礦權轉讓及礦種變更等多項措施以促進整裝勘查快速突破。按照找礦突破戰略行動的總體部署，在全國重點成礦區帶，以國家緊缺礦產為主攻礦種，優選成礦條件好、找礦風險大而又具有找礦突破潛力的地區設立整裝勘查區，集中實施整裝勘查。

近年來，因礦坑（井）涌（突）水造成重大安全事故事件頻繁發生、造成開礦困難甚至停產現象層出不窮，因礦坑巨量涌水淹沒礦井而抽排水造成開礦成本增高，凡此種種皆因不重視礦區水工環地質勘察評價或因礦山水工環地質條件未查清所致。在礦業勘查、開發的各階段查清礦區水文地質工程地質環境地質條件，分析研究并提出相應的解決辦法或應對措施，具有重要作用與現實意義。

1 礦山勘查、開采中不重視水工環地質技術

整裝勘查是根據礦床的形成規律，以礦集區單元把分散的探礦權，勘查技術、資料信息、資金、人員和設備等勘查要素進行優化整合，統一勘查部署，統一組織，實現統一綜合研究，協調有序的推進礦產勘查方式。

深部找礦、探礦、采礦將面臨諸多技術問題，礦坑（井）涌（突）水問題是其中非常突出的問題之一。縱觀現有規程規范、技術要求，對作為開采技術經濟條件之一的礦區水工環地質要求不多；抑或是找礦、探礦、采礦等活動，人們也基本不重視礦區水工環地質技術工作，或對其分析研究評價不足。

2 礦坑（井）涌（突）水的來源

2.1 礦坑（井）充水的自然因素

礦坑（井）充水的自然因素包括：大氣降水、地表水、地形、基巖出露程度、巖石成分、覆蓋層的作用、地質構造和埋沒的古代地形等。

1)大氣降水：是礦井充水主要因素之一。除了一部分被蒸發和隨河流流走以外，另一部分則沿著巖石的孔隙、裂隙滲入礦井。大氣降水在不同地區、不同季節、不同開采深度對礦井充水的影響也不相同。在降雨量少的川西北高原地區，礦井涌水量相對較小；在降水量多的四川盆地盆周山地區，礦井涌水量就大.即使在同一個地區內，由于大氣降水量是隨著季節變化的，礦井涌水量一般也隨之發生周期性的變化。在一般情況下，礦井涌水量是隨開采深度的增加而減小；也有的礦井，其涌水量卻隨開采深度的增加而增加，這是由于開采的愈深，水文地質條件愈加復雜的原故。

2）地表水：河流、湖泊、水溏、水庫等是礦井充水重要因素。在這種情況下，地表水直接或間接地通過巖石的孔隙、裂隙、巖溶等進入礦井，如河川南、川西南等臨近江河、水庫附近開采，受地表水威脅很大，故必須進行多項的水文地質工作，開采時采取必要的安全生產措施。

3）地形：地形對礦井充水有很大的影響，同時也影響地下水的循環條件及含水層埋藏的深度，位于侵蝕基準面以上的礦井、通常是涌水小的礦井或無水礦井。在同一地質條件下，位于低標高地區，如河谷，沖溝或低地，可能是涌水量大的礦井。如果四周地形高而中間為低平的盆地時，在雨季積水量大，地表排泄條件不好，地表水可大量補給煤系地層中的含水層，使礦井強烈充水；反之.在地形較陡的情況下，降水大部分形成地表水流流走，補給地下水量就少。

4）基巖出露程度、巖石成分和覆蓋層作用：如果煤層或基巖巖層出露于地表，其中又有透水巖層，因而能大量吸收地表水并進入礦井。如果煤層或巖層上面存在弱透水層或不透水層，如粘土層或砂質粘土層覆蓋，并且厚度穩定，至少在5m以上，則大氣降水和地表水基本不能進行滲透。如果覆蓋層是透水砂層，則水幾乎都可滲入。當煤層頂板為良好隔水層時，可以把水隔開。但在某些地區由于開采地段頂板冒落，并在上部形成裂隙時，地表水可大量進入下部的透水層或巷道中去。

盆周山地區多有基巖出露，堅硬巖層裂隙和巖溶現象顯著，成為水的天然聚積區域，礦井如果不對其加以防治，就會造成大量的水涌入礦井。有時裂隙和石灰巖溶洞是地表水流入礦井的通道，涌水量也會急劇增加。

巖石成分也影響充水程度、膠結很好的沉積巖，如細砂巖、粉砂巖、頁巖、泥灰巖等是弱透水層或隔水層，可以有效地阻擋地表水和大氣降水的滲透，使礦井充水較小。

在石灰巖溶洞發育的礦井中，其充水性很強，對開采的影響很大。如我省川南地區，石灰巖中存在大量的巖溶水，如果不及時采取措施，就有可能突然涌入礦井，造成礦井被淹事故。由此可見，在石灰巖溶洞發育的地區，必須調查清楚石灰巖溶洞的分布情況，研究生成過程，以及其補給、循環和排泄的關系，開采時，必須事先探放水，并在危險地區留設防水礦柱等措施。

5）地質構造：大量流入礦井的水往往和區域地質構造形態有關。斷層破碎帶常是地下水的通道和聚積區，沿斷層破碎帶可溝通各個含水層，并與地表水發生水力聯系，是造成突然大量涌水的原因示。但是，也不是所有的斷層都能造成礦井突水事故，一般來說，斷層破碎帶本身儲存的水量并不是很大，主要是與地表水、含水層有溝通，地下水壓力很大，當有足夠力量突破斷層破碎帶和隔水層底板時才會引起突水，對煤礦生產造成威脅。此外，涌水也與斷層本身透水性有直接關系，根據許多礦井的經驗證明，多數逆斷層透水性差，正斷層透水性強，如果在礦井中有多條斷層，斷層的交叉處是最容易發生突水事故。如果斷層破碎帶充填的是較細的柔性顆粒巖石，如泥巖、粘土、煤粉等，經后期膠結牢固，也可能起到隔水的作用。

6）埋藏的古代地形：許多礦井充水決定于埋藏的古代地形形狀。后期被易透水沉積物所覆蓋的起伏不平的古老侵蝕區，是地下水容易積聚場所。這些地區，不僅一些含水層彼此之間有水力聯系，同時含水層與地表水也有聯系，有時還有古河床的存在，都給礦井充水造成了條件。

2.2 礦井充水的人為因素

礦井充水的人為因素，包括舊淹沒巷道，未封閉的鉆孔及不正確的開采方法等。

1）淹沒的舊巷道：舊淹沒巷道在老窯或者廢棄的巷道中，積存著大量的地下水，一旦揭露舊巷道，就會造成嚴重水患，老窯和舊巷涌水時，常帶有大量碎屑物和酸性水，能破壞巷道設施和開采設備。

2）未封閉的鉆孔：當鉆孔未封閉或者封孔質量不符合規定要求時，鉆孔可成為地下水的自然通道，巷道掘進遇到鉆孔時會造成大量涌水。

3）不正確的開采方法：如巷道布置不合理、采煤方法不正確、不能很好排出礦井水的采空區等，都可能造成大量的水流入巷道。當采空區頂板采用垮落法進行采煤時，常引起地表下沉，造成裂隙漏斗，如果破壞了隔水層，地下水就會涌入工作面。此外，在斷層含水區由于放炮震動或發生冒頂事故時，也會發生涌水現象，有時會造成突然涌水。

在河谷地區或水體下采煤時，要特別注意巷道設計的合理性，選擇正確的采煤方法，防水措施一定要嚴密周全。所有礦井的井口，都必須布置在歷年最高洪水位以上，以免造成洪水灌入井下。

3 礦坑（井）涌（突）水對礦山安全生產的影響

礦坑突水涌水這是最常見的礦山災害，突發性強、規模大，后果嚴重。生產過程中常因對礦坑涌水量估計不足，采掘過程中打穿老窿，貫穿透水斷層，驟遇蓄水溶洞或暗河，導致地下水或地面水大量涌入，造成井巷被淹。礦坑（井）涌（突）水對礦山安全生產的影響主要有以下幾方面：

1）造成頂板淋水，巷道積水，老空區積水使工作面及其附近巷道空氣潮濕，工作環境惡化，影響工人身體健康；

2）使排水費用增加，生產效率降低，開采成本提高；

3）導致井下各種生產設備，設施腐蝕和銹蝕，使用壽命縮短；

4）突然發生大量涌水時，輕則造成生產環境惡劣或局部停產，重則直接危害及工人生命和造成國家財產損失，甚至造成人員群死群傷、礦井毀滅等災難性損失。

4 礦坑（井）涌（突）水事故原因分析

一般的礦山企業透水事故大都是由“五因素”構成：即存在水體，措施不到位，作業人員的素質、經驗和責任欠缺，避險不當，搶險失效。

1）地面防洪、防水措施不當或管理不善，地表水(多為雨季降水)大量灌人井下，造成水災。

2）水文地質情況不清，井巷接近老空積水區、充水斷層、陷落柱、強含水層以及打開隔離煤柱，未執行探放水制度，盲目施工，或者雖然進行了探水，但措施不當。

3）井巷位置設計不當。如將井巷置于不良地質條件中或過分接近強含水層等水源，導致施工后，因地壓和水壓共同作用而發生頂、底板透水。如此案例國內曾有發生，但為數不多。

4）井巷施工質量偽劣，致使礦井井巷嚴重塌落、冒頂、跑砂導致透水，或工程鉆孔在固井止水前誤穿巷道，導致頂板含水透水。

5）測量錯誤，導致巷道穿透積水區。

6）井下無防水閘門或雖有而管理、組織不當，造成透水時無作用而淹井。

7）出現透水預兆未覺察或未被重視或處理不當造成透水。

8）排水設備能力不足或設備不完好。

9）排水設備平時維護不當。如水倉不按時清挖，儲水能力不足而淹井。

10）其它原因。

以上種種原因，井巷設計、施工，設備管理維護等都可以通過改進工作、修正設計、補充加固等方法措施得以糾正；而對礦區水文地質情況不清最為可怕，不清楚水文地質條件，就找不到礦坑（井）涌（突）水事故的對策，在緊急的災難性的事故發生時束手無策。所以，重視與加強水工環地質工作，做好礦山地下水疏排、防擋、截流設計，事前做好礦坑（井）涌（突）水應急預案，從而減少減輕從業人員和國家的生命財產損失具有積極的作用。

5 礦坑（井）涌（突）水對策國內外研究現狀

面對礦坑（井）涌（突）水帶來的危害和生命財產損失，國內外相關機構做了長期的不斷探索、研究，總結了一些應對措施與方法。

5.1 國內現狀

在突水機理與突水分析方面，提出了“突水系數”、“等效隔水層”和底板隔水層中的“原始導高”等概念，經多年的試驗觀測與研究，認為底板突水機理是“含水層富水性、隔水層厚度及其存在的天然裂隙與水壓、礦壓（采動活動影響）等因素的綜合作用結果”。對突水分析采用了統計學方法，力學平衡和能量平衡方法。同時，開始應用井下物探技術。如坑道透視法、井下電法、氡氣測定法等來探測充水水源和充水通道，并在研究、、驗證預測突水量的數字模型方面有了較大的進展。

在煤礦水災害防治技術方面，煤礦水災害防治技術主要有疏干降壓和堵水截流等方法。疏干降壓是我國煤礦防治水災害的主要技術措施，而堵水截流是我國煤礦防治水災害的重要方法。

5.2 國外現狀

采用主動防護法，即采用地面垂直鉆孔，用潛水泵專門疏干含水層水。德國就研制了高揚程（700m）、大排量（5000m3/h）、大功率（2000kw）的潛水泵，并且采用電腦自動控制來防水災害。

在堵水截流方面也有很大的發展，開挖，護壁，清渣，疏水作業，是當前國外先進的堵水截流技術。另外利用挖溝機在松散層中修建帷幕，建造地下帷幕方法也愈來愈受到重視。

6 不同階段水工環地質工作側重的內容和基本要求

礦區水工環地質工作整個環節所應研究和解決的內容，概括起來就是：認知、預測、治理。

勘查階段包括預查、普查、詳查階段，查明礦區地質、水文地質背景條件，以及這些資料彼此的關聯、制約、內在的規律，主要有：礦區所處水文地質單元的規模、邊界條件，地下水補給、逕流、排泄條件；礦區所在單元內含水層與隔水層分布、產狀、厚度及其完整性，含水層富水與透水性能，地下水形成與運動特征，隔水層穩定性與隔水性能；礦區及其周邊構造（包括斷層、褶皺）的水文地質意義及對采礦的影響；不同含水層之間及其與地表水體的補給關系；礦區不同含水層地下水化學成分及地下水動態變化規律與控制因素。

6.1 預查階段

1）本階段的水工環工作以收集資料進行綜合分析研究為主；

2）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質簡易觀測工作；

3）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質、工程地質編錄工作。

6.2 普查階段

1）收集資料和綜合整理，綜合研究；

2）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質簡易觀測工作；

3）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質、工程地質編錄工作；

4）開展水工環綜合地質調查測繪工作：分礦區水工環地質測繪和區域水工環地質測繪兩個方面。其中，礦區水文地質測繪以礦區填圖范圍為測繪范圍，區域水文地質測繪則應以完整的水文地質單元為工作范圍；

5）進行必要的巖、土、水樣采集和測試工作。

6.3 詳查階段

詳查階段需進行礦坑涌水量預測，因此，詳查階段的工作應在普查階段工作基礎上補充更為細致的水工環地質工作，主要工作內容應包括：

1）收集資料和綜合整理，綜合研究。

2）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質簡易觀測工作。

3）結合地質鉆探，開展鉆孔水文地質、工程地質編錄工作。

4）開展水工環綜合地質調查測繪工作，如果是普查基礎上續做，到詳查階段應進行修測。

5）開展巖、土、水樣采集和測試工作。

6）開展水文地質鉆探與試驗：應結合地質鉆探開展水文地質鉆探與實驗，單孔孔深不超過 600m，同時開展水文地質試驗。其中，大型礦區抽水試驗孔一般10～15個，中型礦區一般5～10個，小型礦區一般3～5個。

7）水文地質動態觀測：主要包括泉點、河流、溪溝水等的動態觀測，一般每類5～10個點。

8）簡易氣象觀測：應設置簡易氣象觀測站，建站費用應單列，主要觀測內容包括氣溫、降雨和蒸發量等。

9）開展具供水條件的水源地調查和采樣分析。

10）開展水文測井工作，了解含水層深度、主要含水段、地下水流向和流速等。

6.4 勘探階段

在詳查基礎上補充兩項工作：一是加做水文地質剖面，做好采樣和編錄；二是補專門的水文地質勘探剖面，并要求對剖面上的水文孔進行抽水試驗。

本階段要預測評價礦產開采時礦坑（坑道）涌水量及礦區水文地質、工程地質條件演變情況和它對開采的影響，如：礦產開采時采礦系統充水因素、涌水量大小；采礦后采空區頂底板圍巖產生變形后所誘發的其它含水層地下水潰入的可能性及其水量；疏干排水影響范圍、程度、涉及的“還水”規模與界限；地面塌陷波及范圍，危害情況；地表水對采礦的威脅、危害程度；采礦對地質構造控水性能能否改變進行評價。

勘探階段鉆孔加密后，不用全部做水文地質編錄，但應按規范要求達到一定比例。

6.5 采礦階段

采礦同時，要進行礦坑（井）涌（突）水治理工作。治理就是對不利于礦產開采的水文地質、工程地質問題施以工程予以治理。治理工作是在礦山基建與生產階段考慮與實施的。依據有效、可行、安全、經濟的原則選取治理方案。根據礦區水文地質條件與坑道涌水量大小情況，治理工程可采取疏干排水、封堵“天窗”、河流改道、排供結合、“還水”工程、帷幕堵水、利用隔水體躲水采礦等等。

采礦中可能會遇到諸多突發情況,凡屬下列情況之一者，必須進行礦井水文地質補充勘探工作：①原勘探工程量不足，水文地質尚未查清；②經采掘揭露，水文地質條件比原勘探報告復雜；③礦井開拓延深、開采新礦層或擴大井田范圍設計需要；④專門防治水工程提出特殊要求；⑤各種井巷工程穿越富含水層時施工需要。

礦井水文地質補充勘探的基本要求：①必須編制補充勘探設計，并按規定報批；②設計要依據充分、目的明確、工程布置針對性強，要充分利用礦井條件，作到井上、下結合；③水文地質補充勘探完成后，必須及時提交成果報告或資料；④水文地質鉆孔和各種試驗的施工技術要求應參照有關規程的規定執行。

7 結語

水文地質調查研究、勘察評價工作的任務是利用礦山大量探采工程更全面、詳細、精確地查明礦床水文地質條件，尤其是礦床充水條件和可能涌水量及實際涌水量；對礦山開采影響極大的水文地質條件和防、排水工作的效果做出評價；在礦產勘查、開采的每一個階段重視礦床開采技術條件研究，重視水文地質工程地質環境地質工作，樹立礦產資源整裝勘查理念、開展綜合勘查與評價、加強對礦區生態環境保護，促進礦業可持續發展具有重要作用與現實意義。

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