礦山水文地質設計探討

摘要：文章簡單論述了礦山水文設計的必要性，以及設計前的準備工作，并指出礦山地表和地下水的防治方法。

關鍵詞：礦山水文設計；涌水量；防滲設計

中圖分類號：P641 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）15-0015-02

在礦山設計中，礦井涌水一直是礦山的水文地質設計的難題，礦井涌水除了和本身地質、水文和降水有關外，還與礦山的開采深度、方法和技術有關，只有掌握礦井滲水原因，才能做出防滲、防涌措施，保證礦山的安全生產。

1對礦山水文設計的必要性和主要任務

礦山水文地質設計是通過研究礦山水文地質條件，包括地下水、地表水的分布、補給、徑流和排泄條件，以及水的化學成分對地質的影響，預測礦坑涌水量以及其他與采礦有關的水文地質問題，并根據研究的水文情況，設計礦山地下和地表水體的防治措施，避免透水事故的發生。例如，2005年廣東興寧“8.7”礦難透水事故，造成123名礦工死亡，事故原因為違法生產，嚴重超能力超強度開采，在防水煤柱托梁發生大規模抽冒后不采取措施，組織工人冒險大量出煤，致使-290~-180 m水平防水安全煤柱抽冒導通了-180~+262 m水平的水淹區，造成上部水淹區的積水大量潰入大興煤礦，導致事故的發生；2008年6月18日杭州仇山磁土礦突水事故，事故原因為礦井二中段采空區與地表裂縫溝通，連降大雨導致大量地表水經裂縫滲入采空區，同時積水區產生冒頂，導致采空區擋水墻上部無法承受積水壓力，擋墻上部被沖垮，積水沖毀斜井底板并攜帶泥石淹沒掛購房，造成6人死亡和多人受傷。

設計礦山水文地質有以下幾個任務：①研究礦區水文地質條件，查明影響礦山正常生產和建設的水文地質因素；②分析礦區充水條件，預測核實礦坑涌水量，并提出防治方案和處理措施；③研究和解決礦區供水水資源并對礦坑水加以綜合利用；④研究礦區地下水的動態，及時預報地下水的變化，保證礦山生產不受地下水害的威脅，實現安全生產；⑤加強礦區地下水水質的動態觀測，保護地下水資源和生態環境。

2礦山防水設計前的準備工作

2.1礦區含水層特征及含水層與礦體的關系

礦區地下水與非礦區相比要復雜，受自然因素和人類活動的雙重影響，含水層的動態變化難以預測。自然地質環境為氣候、水文、土壤、植被情況以及地貌特征、巖層特性和地質構造，影響含水層的因素有土壤的物理化學性質、巖層的結構、降水、排泄、水溫、水質、水位等；人為活動對礦區含水層的影響為對礦區資源開采過程中，開采量、礦井布局、開采方式、開采深度都會影響地質結構，從而影響地質水文。開采礦產可能造成部分巖層裂縫，遇到暴雨時，導致積水滲漏到含水層。

評價含水層富水性最直接的辦法為抽水試驗，通過鉆孔或水井抽水，定量評價含水層富水性，測定含水層水文地質參數和判斷某些水文地質條件。抽水試驗分為單孔抽水、多孔抽水、群孔干擾抽水和試驗性開采抽水。單孔抽水試驗指僅在一個試驗孔中抽水，用以確定涌水量與水位降深的關系，概略取得含水層滲透系數；多孔抽水試驗指在一個主孔內抽水，在其周圍設置若干個觀測孔觀測地下水位，通過多孔抽水試驗可以求得較為確切的水文地質參數和含水層不同方向的滲透性能及邊界條件等；群孔干擾抽水試驗指在影響半徑范圍內，兩個或兩個以上鉆孔同時進行的抽水試驗，通過干擾抽水試驗確定水位下降與總涌水量的關系，從而預測一定降深下的開采量或一定開采定額下的水位降深值，同時為確定合理的布井方案提供依據；試驗性開采抽水試驗是在地下水天然補給量不充沛或補給量不易查清，或者勘察工作量有限而又缺乏地下水長期觀測資料的水源地，為充分暴露水文地質問題，宜進行試驗性開采抽水試驗，并用鉆孔實際出水量作為評價地下水可開采量的依據。在抽水試驗過程中，排除氣象條件（氣溫、降水、蒸發、風等）、水文條件（江河、湖泊、流量、水位）、地質條件（地層巖性、地質構造）和水文地質條件（含水層與地下水類型、地下水埋藏分布條件、地下水循環條件、地下水動態特征、地下水化學特征）對試驗結果的影響。

除了抽水試驗外還需進行滲水試驗測定礦區地質的滲透系數，注水試驗確定含水層水文地質參數，地下水示蹤試驗得出礦區地下水流向、流速和彌散系數，連通試驗查明巖溶道流區各巖溶水點間的連接情況。通過以上研究，做出礦體的水文地質圖，包括地層及構造特征、地下水類型、地下水天然露頭和人工露頭、地表水系和地表水體、與地下水有關的地貌現象、地下水系統劃分、地下水化學特征、地下水運動特征、巖層富水程度和剖面圖及鑲圖。從水文地質圖中得出礦體和侵蝕基準面的關系，如果礦體位于侵蝕基準面以上，利于排水，只需設計簡單的排水結構，若礦體低于侵蝕基準面，需要設計地下水涌水的防治工作。

2.2礦區排泄條件的分析

礦區的排水需要考慮地形和地貌條件、氣象及水文特征、地層巖性及主要構造的特征和分布，地形、氣象及水文特征指地表水流域劃分，各種地表水體的特征及其與地下水的補排關系，降水量、蒸發量、氣溫、濕度等，附加氣象要素圖、山川形勢圖、水系分部圖等；地貌指地貌的形態、成因、年代及分部特征，分析地貌與巖性、構造、新構造運動及地下水等因素的關系；地質條件指礦區內地層、巖石的分布與特征，介紹褶皺、斷裂、節理、裂隙的分部與特征，巖溶發育狀況及規律等。利用礦區自身地質水文條件結合地質水文學理論，合理設計排泄方案，同時把排泄水轉化為補給用水，提高水資源的利用效率。

3礦坑涌水量、降水量和地下補水量的預測

3.1大氣降水量和降水頻次對礦坑涌水的影響

礦坑涌水一般只計算地下含水層的富水量，往往忽視降水滲入量的影響，尤其是礦產開采過程中造成地表大量的裂縫，導致降水易滲入地下含水層，與計算的最大涌水量存在差異。一些礦區水文設計考慮到降水對涌水量的影響，但沒有考慮暴雨的滲水量和暴雨的頻次，以及排水設施應對暴雨的排水能力，導致滲入系數存在誤差，不能準確預測礦區涌水的變化趨勢。

3.2地下補水量的計算、預測

地下補水包括地下水徑流補給量、大氣降水的入滲補給量、地表水的入滲補給量、越流補給量和人工補給量等。礦區常用的補水計算方法有解析法、比擬法和數值法。解析法把礦區含水層理想化，假設含水層連續均勻且地表的滲透性一致，設計員根據礦區的實際情況和設計經驗，對個別參數加以調整、修正，確保數據的準確性。比擬法是設計中常用的方法，只需設計員參考該地區類似礦區地質調查報告，運用類比法計算地下水補水量，方便實用，縮短設計時間。

3.3礦坑涌水量的計算

涌水量為含水量加上滲水量減去排泄量和蒸發量，進行大量的抽水試驗、滲水試驗、注水試驗、地下水示蹤試驗、連通試驗等，得到大量的基礎數據，利用專業的水文分析軟件，可以精確的計算出涌水量。

4礦山地下水和地表水的防治設計

4.1礦坑涌水、地下補水、降水的綜合分析

礦區的涌水量受地下補水（地表河流滲水、灌溉滲水）和降水量的影響（主要暴雨的降水量和降水頻次），礦區涌水量計算必須準確真實勘探數據，根據礦區的地質特征、邊界條件和充水方式，建立礦區水文地質模型和數學模型，選擇真實的參數、合理的計算方法，計算出正常涌水量和最大涌水量。常用的涌水量計算方法有比擬法、數理統計法、解析法、物理模擬發等，不管哪種計算方法計算的涌水量都可能偏大或偏小，需要根據自己的設計經驗加以修正、完善。

4.2礦床疏干的可行性研究和設計

根據礦區水文地質勘探報告，預測梳干對礦區地質的影響，論證梳干的可行性，設計合理的梳干方案并進行梳干試驗，撰寫梳干試驗報告，兼顧采礦、供水和地質環境保護，優化梳干設計方案。常用的梳干防水方法為防水發、疏水法和防滲發，防水法用來防止降水、地表水和潛水流入礦區，常用的方法有封堵井下進水通道、修筑水體防水層、修筑邊緣排水溝等；疏水法是對充水水源進行梳干或降壓，包括預先梳干、并行梳干和探放水；防滲發是堵截礦區或礦井外的涌水水源的方法，一般措施為留設安全礦柱和建設防水閘。

4.3注漿防滲帷幕堵水的研究和工藝設計

為防止地下水流入或深入開采區，采用防滲帷幕技術堵截開采區主要水流通道的地下水，同時可以保護附近的地下水資源及防治礦床的沉降。首先論證礦區帷幕灌漿的必要性并進行可行性分析，選擇合理的灌漿液，計算灌漿壓力，設計帷幕灌漿的工藝流程。灌漿的主要工序為：建造灌漿蓋板、孔口管斷鉆孔、孔口管灌漿、鑲鑄孔口管、鉆孔、第二段灌漿直到封孔。

4.4截水溝的方案設計

截水溝是把開采區的地表水引流到保護區以外的排水溝或河流，設計截水溝時應根據礦山的防洪要求，設計排水溝的斷面結構、最大排水流量、防滲能力、抗水沖擊能力、截水溝的走向和陡坡地勢的設計等。

4.5泄洪河道的設計

為防止河道中的水直接流入或間接滲進開采區，應對開采區的河流進行改道。設計河流改道應根據礦區的地勢和地質條件設計河道的徑流路線，并確定河道的起點和終點多個方案相比較，選擇最經濟實用的方案；根據礦區的防洪標準，參照當地的暴雨的最大降水量，設計河道的汛期的峰值流量；通過水力計算設計河道的斷面形式和施工技術要求。

4.6河床的防滲設計和工藝研究

礦區合理經過露天采取、容巖塌陷區或地下開采崩落區時，不易改道或改道費用較高時，需要采取措施進行河床防滲。根據礦區地質構造和防滲要求采取最經濟的方式措施，常見的防滲措施有土料壓實防滲、砂漿砌石防滲、混凝土防滲和瀝青材料防滲，由于涂料防滲的效果差，用于防滲要求低的地段，砌石防滲用于塌方、滑坡、圖質松軟的地段，有效防止水流的沖擊并有很好的防滲效果。混凝土防滲用于滲漏比較嚴重的地段，防身效果最好，但價格最貴，施工工序為清淤去砸、夯實河床、斷面放線、立模、地基灑水、澆筑、養護，每道工序鑒定合格后才能進行下一工序。瀝青材料的防滲性較好，施工時把瀝青材料鋪在滲漏較嚴重的地段，用土封蓋，防滲效果好價格低。

4.7防洪堤的必要性和設計

為防止開采區被洪水淹沒，需設計防洪堤，根據礦區洪水的頻率、流量、水高和水流沖擊力的大小設計防洪堤的結構、強度和堤高，選取防洪堤的材料，編寫防洪堤的施工工藝。

參考文獻：

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