基于采礦活動(dòng)對礦區(qū)水文地質(zhì)影響的探究
——以孫家山礦區(qū)為例

張曉志

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 晉中 030620）

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

孫家山礦區(qū)隸屬于蔚汾河水系，地貌形態(tài)為低中山區(qū)，屬較為典型的黃土梁峁區(qū)。礦區(qū)主要控制三條溝谷，分為太平溝、孫家溝以及蔚汾河谷。區(qū)內(nèi)水系主要來自于黃土高原形成的溝谷環(huán)境，雨季時(shí)期會(huì)有洪流；區(qū)內(nèi)裂隙水由東向西流動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)單斜層間裂隙潛水、承壓水蓄水構(gòu)造。礦區(qū)主要含水層[1]包括：奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖層、石炭系中統(tǒng)本溪組碎屑巖類、碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層、二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水巖層、新生界松散巖類孔隙含水巖層。

影響采礦活動(dòng)主要是石炭系上統(tǒng)太原組的含水層，分布在太平溝和孫家溝一帶有零星出露，為一套灰白、灰褐色中粗粒長石石英砂巖、深灰色粘土巖、碳質(zhì)泥巖及礦物等組成，由于粘土巖及礦物的隔水作用形成多層層間裂隙水。多年來，周邊礦井的開采形成一定規(guī)模的古采空區(qū)[2]，并存有積水。該含水層間水力聯(lián)系較差，無統(tǒng)一的地下水位，礦體位于該含水層的上部，開采礦對含水層影響較大。

礦區(qū)內(nèi)較穩(wěn)定的隔水層為本溪組一段地層，但礦開采后，該隔水層將部分遭到破壞。此外本溪組一段以上的本溪組二段、太原組及山西組有多層泥頁巖和粘土巖的存在，使層間水的水力聯(lián)系減弱。

2 采礦活動(dòng)對含水層的影響及原因

2.1 采空區(qū)分布情況

目前采空區(qū)分布于Ⅰ號礦體的南部及北部，采空區(qū)面積0.0999km2，Ⅱ號礦體的中部及北部，采空區(qū)面積約0.7440km2，開采礦影響上部第四系亞砂土和砂礫石層，二疊系下統(tǒng)山西組砂巖、石炭系太原組砂巖灰?guī)r，根據(jù)調(diào)查礦山開采礦，礦坑無排水，位于采場頂板局部有少量淋濾水，幾天后干枯，說明含水層無固定補(bǔ)給來源。由于礦山開采改變了原有含水層的補(bǔ)給路徑，基巖含水層由水平運(yùn)移，變成垂直下滲補(bǔ)給，含水層結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重。

2.2 采礦活動(dòng)對含水層的原因

依據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，對礦坑充水因素分析如下。

2.2.1 充水來源及其影響程度

（1）大氣降水、地表水對礦坑充水的影響。礦區(qū)內(nèi)礦層埋深0m～185m。礦坑之上冒落裂隙帶（計(jì)算厚度為31.3m）在淺埋部位可達(dá)地表或與第四系松散層、基巖風(fēng)化裂隙帶溝通，雨季時(shí)，大氣降水、地表水可順裂縫下滲進(jìn)入礦坑，太平溝和孫家溝最高洪水位可達(dá)2m～4m（其支溝洪水位0.5m～1m），洪水可通過位置較低的硐口直接灌入礦坑，因此，采礦時(shí)應(yīng)對雨季溝谷地表水可能產(chǎn)生的充水影響加以防范。

（2）冒落裂隙帶裂隙水對礦坑充水的影響。礦區(qū)西南部及車家莊以北礦層埋深較大，礦坑頂板冒落導(dǎo)水裂隙帶將溝通C2b2及C3t砂巖裂隙含水巖組，使得砂巖裂隙含水層中的裂隙潛水或局部上層滯水通過導(dǎo)水裂隙帶向礦坑充水，為礦坑充水的來源之一。

（3）老窿積水對礦坑充水的影響。西部均上覆有礦層，據(jù)調(diào)查存在不同程度的礦層采空現(xiàn)象，老窿區(qū)內(nèi)可能存在積水。礦層底板與礦層頂板相距約45m左右，當(dāng)開采礦時(shí)老窿積水可通過裂隙帶或斷裂、陷落柱進(jìn)入礦坑，成為礦坑充水的主要來源，應(yīng)引起高度重視。根據(jù)礦山Ⅰ號礦體措施井對淺部老窿區(qū)及開采Ⅱ號礦體老窿區(qū)下山方向礦層，老窿區(qū)積水程度較輕。

（4）構(gòu)造水對礦坑充水的影響。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)較大的含水、導(dǎo)水?dāng)鄬?，但在今后勘探及生產(chǎn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)對含水、導(dǎo)水小斷層或陷落柱的調(diào)查研究，并評價(jià)其對坑充水的影響。

2.2.2 礦坑充水通道

據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析，礦礦坑充水通道主要為礦層上覆巖石裂隙、冒落裂隙帶。另外，尚未查明的小型陷落柱或小斷層，也可能成為礦坑充水通道。

2.2.3 奧灰水對礦坑充水的影響

綜上所述，在礦基建和生產(chǎn)過程中，應(yīng)重視上覆礦層采空區(qū)積水和瓦斯的隱患，遵循先探后采，探采結(jié)合的方針，預(yù)防尚未發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)水、導(dǎo)氣陷落柱、小斷層向礦坑產(chǎn)生充水的意外事故發(fā)生[3]。

2.3 礦坑涌水量預(yù)測

礦區(qū)位于中低山區(qū)，基本上無常年性地表水，也無水庫?？傮w來講，礦區(qū)水文地質(zhì)條件及礦坑充水條件較簡單。本次礦坑涌水量的預(yù)測包括兩個(gè)部分：大氣降雨和含水巖層中的地下水。

Ⅰ號礦體礦坑涌水量計(jì)算。

1040m中段地下水采用如下公式計(jì)算：

式中Q：地下水涌水量（m3/d）；K：滲透系數(shù)（0.07m/d）；M：含水層厚度（10.6m）；S：水位降深（30.27m）；R0：大井引用影響半徑（585.0m）；r0：大井引用半徑（505.0m）。

1040m中段地下水量為：793m3/d。

960m中段采用如下公式計(jì)算：

式中Q960：960m中段地下水量；Q1040：1040m中段地下水量；S960：960m中段水位降深（110.27m）；S1040：1040m中段水位降深（30.27m）。

960m中段的地下水量：1513m3/d。

大氣降雨滲入量采用如下公式計(jì)算：

Q暴雨=Hp×F×ψ暴

Q正常=Q暴雨×0.08

式中Q暴雨：暴雨滲入量（m3/d）；Q正常：正常滲入量（m3/d）；Hp：設(shè)計(jì)頻率暴雨量（80mm）；ψ暴：暴雨入滲系數(shù)（0.15）；F：冒落導(dǎo)水裂隙帶通達(dá)地表的匯水面積（266651m2）。

計(jì)算出：Q暴雨=3200m3/d，Q正常=256m3/d。

Ⅱ號礦體礦坑涌水量計(jì)算。

1040m中段地下水采用如下公式計(jì)算：

式中Q：地下水涌水量（m3/d）；K：滲透系數(shù)（0.07m/d）；M：含水層厚度（7.3m）；S：水位降深（20m）；R0：大井引用影響半徑（378.0m）；r0：大井引用半徑（325.0m）。

1040m中段地下水量為：425m3/d。

960m中段采用如下公式計(jì)算：

Q960=Q1040×（S960/S1040）0.5

式中Q960：960m中段地下水量；Q1040：1040m中段地下水量；S960：960m中段水位降深（100m）；S1040：1040m中段水位降深（20m）。

960m中段的地下水量：950m3/d。

大氣降雨滲入量采用如下公式計(jì)算：

Q暴雨=Hp×F×ψ暴

Q正常=Q暴雨×0.08

式中Q暴雨：暴雨滲入量（m3/d）；Q正常：正常滲入量（m3/d）；Hp：設(shè)計(jì)頻率暴雨量（80mm）；ψ暴：暴雨入滲系數(shù)（0.15）；F：冒落導(dǎo)水裂隙帶通達(dá)地表的匯水面積（300000m2）。

計(jì)算出：Q暴雨=3600m3/d，Q正常=288m3/d。

3 對礦區(qū)防治水的建議

礦山防治水主要包括坑下水防治、地表水防治、采空區(qū)防排水[1，4]。本礦區(qū)中主要工作是應(yīng)對地表水進(jìn)一步工作，區(qū)內(nèi)Ⅰ號礦體工業(yè)場地南高北低，沿公路修排水溝，雨水沿溝由南向北流向S313公路附近溝內(nèi)。場內(nèi)道路和場地排雨水采用明溝加蓋板形式排出場地外，通過排水溝排入蔚汾河。Ⅱ號礦體工業(yè)場地豎向布置型式為臺(tái)階式，各臺(tái)階之間根據(jù)臺(tái)階間高差采用漿砌片石砌筑護(hù)坡或擋土墻，各場地均設(shè)排水溝；場內(nèi)道路和場地排雨水采用明溝加蓋板形式排出場地外。沿排水溝由北向南流向S313公路邊水溝，然后穿過公路排入蔚汾河。并在Ⅱ號礦體工業(yè)場地北面山坡，設(shè)計(jì)1.5m×1.5m山坡截水溝。將上游雨水?dāng)r截之場地外，并最終組織排入蔚汾河。礦山Ⅰ號礦體分布有進(jìn)風(fēng)斜井、回風(fēng)斜井及主平硐開拓系系，其中進(jìn)風(fēng)斜井井口標(biāo)高高于溝谷洪水位標(biāo)高25m，進(jìn)風(fēng)斜井及主平硐均位于溝谷區(qū)，受洪水的影響較大。礦山Ⅱ號礦體分布專用進(jìn)風(fēng)斜井、1#回風(fēng)斜井、2#回風(fēng)斜井及主平硐開拓系統(tǒng)，其中專用進(jìn)風(fēng)斜井、2#回風(fēng)斜井及主平硐及高于當(dāng)?shù)睾樗粯?biāo)高，1#回風(fēng)斜井位于溝口處，受洪水的影響較大。礦山應(yīng)加強(qiáng)雨季巡察，對各井口采取必要的措施，保障各井口不受洪水的影響。