礦山水工環地質條件及防治過程分析

白 銀

近年來，社會各領域行業依賴于礦產資源的利用，加快了發展進程，對礦產的需求不斷增加，導致礦山開采活動頻繁，資源環境與地質災害問題日益突出。礦山在深部開采過程中面臨著熔巖塌陷，巖溶突水等問題，嚴重危害著礦山開采作業的安全，破壞了礦區房屋，道路，水源等基礎設施，影響著人類的生產生活，同時使發展空間逐漸縮小。因此，識別水工環地質條件及危害，提出合理的礦山地質環境治理方案，是保障我國礦產資源有效開發利用，保護地質環境的重要途徑。環境保護工作越來越受到廣泛的關注，但礦山水工環地質環境惡化的程度沒有得到有效地改善，我國礦山災害防治的效果有待于提高，因此，合理利用礦山資源，保護礦山地質將是一項長期而艱巨的任務。本文廣泛收集研究區域礦山的水工環地質條件資料，對研究區域的水工環地質條件加以分析，形成本文的防治方法并付諸實施，為我國今后的礦山地質勘查，環境治理及保護提供了參考依據，對我國礦山保護工作的發展具有重要的現實意義。

1 礦山水工環地質條件

1.1 基于遙感圖像識別礦山目標

遙感圖像按照不同比例進行縮小，在有限的空間內展示大范圍的地表自然景觀，基于遙感圖像，識別礦山目標，能夠獲得礦山特征信息及識別標志。因此，在對遙感圖像的認知中需要運用礦山目標的知識系統，將圖像信息中的各要素進行加工與分類處理，將地學信息進行編碼，為認知礦山圖像中的知識標記與屬性語義，需要首先形成遙感圖像的知覺。不同的地物目標之間應是存在著明顯的色調差異的，使遙感圖像中礦山目標與研究區域的背景的光譜特性明顯，才能進行進一步的圖像解譯。將圖像上的各類圖像要素進行分類處理，這一操作過程需要確定圖像礦山目標的空間結構及所有的地學基本信息，再將信息進行傳遞，通過整合功能將圖像信息的時間與空間配準，形成遙感圖像的知覺。基于上述獲得的信息，識別圖像中地物特征，包括礦山目標的成分結構與幾何形態特征，并對其特征信息進行橫向與縱向的對比，分析其形成的機理，完成地學圖像標志圖譜。選擇具有典型性的證據性標志，通過專業解譯圖像模式，比選測量標準，總結專業證據標志的識別。在已經形成的圖像標志圖譜的基礎上，匹配圖像標志，將未知目標的各圖像特征與介意標志進行測量，做歸化處理。在對地學目標的類型進行劃分是，應充分考慮視覺表象空間所存在的影響，對圖像進行辨識，在圖像基本信息中，根據所學的地學知識將特征信息及屬性，以及圖像的其他關聯標志進行比較，選擇與未知目標的圖像結構信息最適合的圖像模式進行特征匹配與分析。為了實現高精度的圖像解譯，需要對該礦山目標的地形屬性提出假設與推理，并結合空間分析，在野外計劃路線對礦山進行勘察。礦山賦存狀態與地質地貌的演變有著密切的聯系，在空間上具有一定的位置，通過成分識別理論，識別礦山地質作用與地理空間的關聯，分析地表固體廢棄物的產生。

1.2 水工環地質條件

本文以某礦區礦山為研究對象，通過實地勘察，結合該研究區域已有的地質資料進行水文地質條件、工程地質條件及環境地質條件的整理與分析，找出主要存在的礦山地質災害問題。該礦區地層水文特征為：礦山內主要的含水層有泥砂質巖，白云質灰巖等，各含水層由泥頁巖層分布區，具有一定的隔水性，但水力關系較弱。最早期的地層以溶蝕裂隙水為主，為節理裂隙發育，富水力適中，主要分布于西部斜坡帶。最新時期地層有著不同的成因，上層人工堆積層位于地面淺表層，因此不含水，但具有透水性，厚度約為4-16 米，中層殘破層同樣不含水，其透水性較弱，下層沖洪層含有少量水。研究區域內礦山地下水主要為巖溶水、孔隙水等，其補給及徑流水量受到地形、地質構造及巖性的影響，同時與當地降水有著密切關聯。其中孔隙水的冬天變化最為明顯，如遇暴雨，水位會急劇升高，動水壓力增大。礦區內地質表面為雜填土，礦區根據巖土體巖性及特征劃分為兩個工程地質巖組，砂巖巖組主要巖性為粉砂質泥巖，其巖土體經風化嚴重為軟質巖，層間夾有滑動泥化夾層，巖層破碎，容易發生塌陷現象。堅硬巖組巖性主要為長石石英砂巖，具有一定的抗外應力。厚層石巖形成高陡斜坡，容易產生崩塌。礦區礦山上部基巖被風化切割為碎塊狀，西邊坡常出現塌坡現象，巖石破碎帶具有數百米，礦井出水量較大。該研究區域次生災害嚴重，其礦區地質災害具有分布廣泛，種類繁多，突發性強等特點，由于礦區內長期進行礦山開采活動，因此形成了泥石流、塌陷等地質災害。諸多因素都會誘發次生災害發生，由于礦山的不合理開采，使采空區沉陷，在降雨地震等作用下，巖土體滑動，開采面過陡導致巖土體失穩，發生滑移形成滑坡。排土場與尾礦布局的不合理，使巖土體經過強降雨喪失粘結力，加之礦山大量廢棄物堆積阻塞河道，容易引發泥石流災害。

2 礦山地質防治過程

2.1 構建地質災害鏈

由于研究礦區水害問題導致的地質災害問題較為突出，通過對災害的關聯性進行分析，建立地質災害鏈。使災害事件相互關聯，并形成一個統一體，每個災害事件的發生都具有不同的成因，災害過程及發生規律也存在著差異，但在整體結構上具有著一定的相似性，因此本文基于環境，內部結構和對外行為構成災害結構。根據災害發生的時期間隔判斷發育特征，作為劃分災害程度的依據。分析災害鏈中不同災害事件的受災成因及受災對象，建立源頭斷鏈減災鏈，當出現災害發生的預示后進行重大災害預警，及時切斷災害鏈中與之關聯的災害事件，有效避免引起次生災害。根據研究區域的地質災害情況，本文構建了崩裂滑移鏈和塌陷災害鏈。崩裂滑移鏈針對崩塌、滑坡、泥石流等地質災害構建鏈式關系，若災害事件在發展過程中沒有受到其他災害因素影響，發展過程主要受環境和內部結構的影響時，若內部結構較為穩定，則次生災害的響應與環境因素的影響有一定的關聯性。塌陷鏈由兩因素組成，首先是礦區客觀條件，如礦山土層特征，基巖特征以及地下水情況，其次是礦山開采活動、水利工程等人為活動。塌陷災害鏈的主要因素就是地表水位的升降。對災害源斷鏈的控制注意對土層及巖層的注漿處理，恢復自然地下水滲流場，對地面塌陷進行治理。

2.2 預防塌陷次生災害

對于未發生塌陷的地區主要以預防為主，在塌陷發生前進行合理的預測，設置礦區塌陷的監測網，主要包括對礦區塌陷范圍等因素的預防與監測，圈定塌陷區可能發生的范圍。合理對建筑物進行布局，根據礦區塌陷預測結果采取預防措施。不能將重要建筑物設在塌陷預測范圍內，對于已經建在塌陷易發區的建筑物應加強地面變形監測，進行地基及其他固定工程處理。塌陷發生與巖溶發育、地形及內部構造有關，其中地下水為主要的誘發因素，地表塌陷就代表了含水結構的失效。根據礦區已有的塌陷情況總結了塌陷產生及分布規律，塌陷形態多為各類圓形，塌陷范圍多為地下水下降區域，若礦區內可溶性巖層均有塌陷，則表示塌陷產生的原因還與礦床疏干排水的范圍相一致[6]。一般情況下，巖性結構較為松散的地區比較容易發生塌陷，塌陷發生的頻率與地下水位在基巖頂面的活動有著密切的聯系，如預計水位的上升會使地面塌陷情況更加嚴重。因此對于塌陷的預防注重改變地表水的徑流方向，加固河床，布置石塊穩定邊坡，地面進行混凝土加固，防止河流上游匯集降水，在山腳開挖防洪溝。控制地表水位的下降速度，塌陷與地表水位的下降速度有直接的關系，通過控制疏干排水的過程，利用邊施工邊排水的方式，使地下水位逐漸下降，在排水時注意控制泥砂排放量。當地表出現裂縫時應發出預警，這類現象預示著地表即將出現塌陷的情況，根據比例配置水泥漿液，將裂縫處進行及時地填充，預防塌陷事故的發生。

2.3 帷幕注漿截流治理

針對研究區域的水文特征，采取頂板水平孔注漿方法，以10×10 網度布設注漿孔，開孔位置與灰巖頂板距離為2-3 米，進入含水層深入約30-50 米，使用凈水泥漿灌注，并用速凝漿封堵，注漿孔中多注入注漿液，使漿液擴散到百米之外。在考慮了注漿難度和地表施工條件后，本文通過中帷幕注漿方案進行截流治理。帷幕為封底線，帷幕的設置應與地下水流方向垂直，全長為750 米，平均孔深150 米，以隱伏隔水墻上部為帷幕底線，東部為隔水界，主要攔截從北部進入采區的側向滲流，保證原有的淺部截流疏干，并保證礦區內礦體的開采。按照鉆孔順序檢查施工鉆孔，每個鉆孔直徑應大于90 毫米，深入穩定隔水層15 米以上，當隔水層破碎時，應加深鉆孔深度，并每間隔20 米進行一次壓水試驗，收集巖層滲透系數，檢查漿液的擴散范圍，鉆孔采用下行式注漿，注漿段長度約為10 米。在淺部注漿施工過程中將壓力控制在0.6 Mpa 以內，通過低壓充填灌注，再用高壓進行壓密。控制漿液水比例，在溶洞裂隙較大時，降低水泥用量，在溶洞裂隙填充完成后，恢復正常水泥用量，最后注入純水泥漿，壓實充填物以保證注漿質量。

2.4 土地整治與植被重建

為保證礦區土地預期的利用狀態，需要對礦區內土地采取整治措施，回覆其原有的水土保持功能，首先將表土剝離，將擾動范圍內的腐蝕表土剝離，其剝離的厚度需要綜合考慮腐蝕的土量及厚度，本文研究區域內的腐蝕土厚度在0.4 米左右，對受擾動影響大的范圍應首先考慮進行剝離處理，地下采場與排土場應盡早剝離，通過機械與人工相結合的方式，操作時應保證圖像原有的理化性狀不會發生較大變化。由于表土土層較為疏松，因此表土堆放場地應綜合考慮地面受到水蝕與風蝕影響的可能性，對于堆放時間較長的表土可進行植草綠化，保證土壤養分不會在堆放期間過度流失。將擾動后不平整的土地進行返送與表土回填，使土地整體的坡度適中，以滿足土地利用的需求，將由開采活動大致的部分硬化及喪失功能的土地進行硬化層拆除處理，翻松地表，清理浮渣和碎石。陡峭的山體及邊坡的綠化是礦區內植被重建的難點問題，本文將選擇種植攀緣植物來進行生態防護，攀緣植物只種于表層穩定性較好的目標物表層，根據不同的綠化目標的邊坡長度與坡度選擇不同的攀援植物，與工程護坡結合使用，重建圍墻等各類建筑物及邊坡的植被。

3 應用效果分析

3.1 地質災害監測

為了有效的掌握礦山的穩定性以及今后礦山災害的發展情況，需要在研究區域內對已經形成的礦山地質災害進行監測，在礦山研究區域內的災害范圍內安置監測儀器，并對監測數據的各項變化及時分析，提出預警建議，從而控制地質災害帶來的損失。主要布置包括自動監獄監測站、土壤含水率監測站以及GPS信號接收機1 臺，配套4 類天線。自動降雨監測布置在該礦山辦公區，主要用于監測研究區域內的降水量，該監測系統通過無線通訊將監測數據實時傳送，當降水及相關數據達到告警限值時，監測點會自動告警，其礦山所在地今年4 月-9 月的逐月降水量統計數據如表1 所示。

表1 雨量變化統計表

由表1 可知，研究區域內降水主要集中在每年夏天的6-8月，在監測時段內，該地在監測時段8 時降水量最大，該時段是當地的7 月，最大值達215mm，在時段9 時的降水量僅次于7 月，降水量達201.5mm，該地區4 月降水量最小，最小值達22.5mm。鑒于滑坡的坡體由殘坡積物等物質組成，其穩定性與坡體含水量具有一定程度上的關聯，將土壤含水率監測站設置在滑坡前部，獲得的含水率監測數據如表2 所示。

表2 滑坡土壤含水率

由表2 可知，7 月土壤含水率最高，平均含水率達9.08%，這與降水量有著密切的聯系，其整體土壤含水率的變化趨勢與降水量較為一致，說明降水量越大，土壤含水率越高，其坡體失穩的概率也越大。其GPS 監測儀器在坡體的前后中部分別布置，記錄從4 月-9 月的各時間段的監測數據，橫縱坐標分別代表監測時段和位移變化量，具體GPS 數據如表3 所示。

表3 監測點GPS 監測數據匯總表（mm）

由表3 可知，根據GPS 監測數據匯總顯示，滑坡在今年7 月和8 月出現了較大變形，削坡作用對滑坡前部產生了不良影響，導致滑坡前部與中部相比，變形較大。將土壤含水率與滑坡各部變化進行綜合分析，可知滑坡的變形存在時間性，受崩塌堆積體的影響，滑體后部先變形，滑坡的變形與后緣崩塌體的穩定存在一定關系，且在變形過程中存在著不均勻沉降，形成了臺坎等地貌，推斷該區域坡體處于蠕滑變形期。

3.2 防治效果分析

根據研究區域水工環地質條件，實施災害防治工程，通過對帷幕防水效果的治理和礦山水位分布影響的分析，驗證本文方法的有效性。設定施工參數，本次施工要求需要達到以下標準，帷幕注漿墻體厚度在30cm-50cm 之間，墻體抗壓強度大于4Mpa，滲透系數S ≤n×10-6。具體防治施工參數如下表4 所示。

表4 防治工程主要施工參數

由表4施工參數可知，堵水效果達到85%以上是很有希望的。本文通過高密度電法對礦山地層東西向的剖面和帷幕坡面進行對比可知，帷幕施工使礦山地層電阻率有顯著的變化，證明帷幕成墻起到了重要的作用。對帷幕樁進行抽芯分析，在帷幕樁的中心抽芯，可以確定帷幕樁成墻部位的成樁效果。檢測兩帷幕樁成墻部位的結合成墻情況，結合處是施工中最薄弱的部位，本次勘查共抽取5 組10 個鉆孔，其中帷幕樁中心孔8 個，樁間抽芯孔2 個。經檢驗，樁中心抽芯鉆孔顯示巖芯完整，帷幕中間的抽芯顯示有水泥巖芯出現，因此可以成為連續的堵水墻。通過利用相鄰的帷幕樁中心的抽芯孔進行跨孔超聲波測量，確定幕樁間是否存在原始地層和不搭接的現象。

根據上述分析可知，到幕樁間搭接較為緊密，在10 以下的原始土層存在著5cm 的不搭接現象，證明中間存在縫隙，但在總體能夠起到堵水作用，總體效果較為明顯，形成了較為完整的地下擋水墻。帷幕施工對礦山地下水位分布影響如圖1所示。

圖1 礦山水位分布變化圖

由圖1 可知，截流排水的排水壓力36875m3/天減少至12386m3/天，采區涌水量從1357m3/天降至457m3/天。防治施工減少了地下水的補給量，采區內水量明顯減少，帷幕墻外圍水位也從0m 降至-12m，可以使研究區域的礦山開采活動安全進行，說明本文方法具有有效性。

4 結語

本文對研究區域的水工環地質條件進行了分析，并針對研究區域的水工環地質情況，通過建立地質災害鏈，對礦區塌陷次生災害的防治和對帷幕注漿截流治理，實現對研究區域礦山的災害防治，并取得了一定的研究成果。同時，由于實踐和條件的限制，本文研究還存在著諸多不足，有待于在日后研究中進行深入探討，如對礦區地下水的巖溶水含水和流動性關系的分析沒有涉及，對斷裂構造的研究沒有涉及巖石輕度及滲透參數的確定，在野外進行塌陷點定位和實地勘察中，需要進行后續補充土樣和水樣的分析，進一步驗證礦區塌陷的發展程度和范圍。