对矿山水文地质设计的探讨
时间：2022-10-24 07:33:46
【前言】对矿山水文地质设计的探讨由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。（1）矿体与当地侵蚀基准面的关系 若矿于当地侵蚀基准面之上，地形有利于自然排水[1]，则矿山地下水防治设计内容比较简单，只需通过平硐将地下水排出即可。若地形条件不利于自然排水，则需考虑能否用工程措施将地下水引往地势较低处自流排出。若矿于当地侵蚀基准面以...
关键词：矿山；地质资料；预测；防治;设计
在矿山建设和开发过程中，研究矿床水文地质条件、矿山地下水防治和综合利用的一项矿山地质工作。它是勘探阶段水文地质工作的延续和发展，其主要任务是根据矿山设计所确定的开采范围深度、采矿方法和技术要求，进一步查明影响矿床充水的各种因素，校核矿坑涌水量和各项计算参数，研究地下水处理前后的补给、逸流和排泄条件的变化情况，修改、补充防治和综合利用地下水的设计方案，并组织实施，在生产过程中不断检验和提高治理效果，抑制和减少地下水的危害，以保障矿山安全生产，并化水害为水利，综合利用地下水资源。
1、对项目水文地质资料进行解析
解析水文地质资料，首先应对矿区水文地质报告进行研读，在此基础上根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719-91）对矿区水文地质条件的勘探类型进行划分，根据矿床主要充水岩层与矿体的相对关系及其复杂程度来阐述矿区水文地质条件。另外应对地质报告中可能存在的问题进行分析，为地下水防治方案的设计做好准备工作。解析水文地质资料应着重从以下几方面着手：
（1）矿体与当地侵蚀基准面的关系
若矿于当地侵蚀基准面之上，地形有利于自然排水[1]，则矿山地下水防治设计内容比较简单，只需通过平硐将地下水排出即可。若地形条件不利于自然排水，则需考虑能否用工程措施将地下水引往地势较低处自流排出。若矿于当地侵蚀基准面以下且矿区水文地质条件复杂，则地下水防治设计内容比较多且复杂，需要考虑地下水的疏、堵、突然涌水预防等问题。
（2）矿区含水层特征及地下水赋存条件
矿区地下水主要赋存在含水层中，含水层的富水性是评价一个含水层是否富水的指标，含水层的富水性主要通过抽水试验的单位涌水量q值来反映。在熟悉此部分内容过程中，应当重点掌握：①含水层所处的地质年代、岩性（是否为岩溶地层），地下水水位埋深；②含、隔水层的划分及平面分布、垂向展布情况；③断裂带平面分布、空间展布及透、隔水性特征；④地表水体的平面分布及下伏含水层水文地质特征；⑤岩溶地层岩溶发育规律及溶洞充填情况等。
含水层所处的地质年代以及岩溶发育规律、溶洞发育规模及充填情况直接决定着防治水方案疏、堵设计中一些参数的选取，如岩溶发育规律中的岩溶发育标高、充填情况不仅决定着坑下采矿的主排水泵房，排水、排泥设施容积的设计，而且决定着注浆帷幕顶底界设计及注浆工程参数的选取，可谓意义重大。地下水位埋深、含水层空间分布、富水性又可为矿坑地下水涌水量的计算提供参数。含、隔水层的平面分布及垂向发育情况、含水层与矿体的相对位置关系则是帷幕注浆设计中帷幕平面范围及帷幕深度设计需考虑的内容。国内外许多矿山的突然涌水都与老钻孔突水及断裂破碎带突水有很大关系，因此应对地质报告中的这部分内容作详细分析，结合地质报告在水文地质平面图上查清未封堵钻孔、断裂破碎带与待采矿体的相对位置关系，对其是否会引起突水有所考虑；另外，对断裂破碎带是否沟通区域地下水及地表水体要进行详细分析了解。
在岩溶发育矿区，第四系地层的岩性、厚度及平面分布也是防治水设计中需要了解的内容。在第四系为松散土层且厚度较厚的地区，地面由于疏干排水引起的破坏相对严重；厚度较薄的地区，地面破坏程度相对较轻。在第四系为粘性土层且厚度较厚的地区，地面由于疏干排水引起的破坏程度相对较轻；粘性土层厚度较薄的地区，地面破坏程度则比较严重。这是预测疏干塌陷带分布的重要原则之一。
（3）矿区地下水补给、径流、排泄条件
研究矿区地下水补给、径流、排泄条件应结合矿区的水文地质边界条件进行分析，重点了解矿区是否处于独立的水文地质单元中、矿区地下水与区域地下水的水力联系、矿区地下水的径流条件、地下水排泄区是否会在矿区疏干期间转化为补给区等方面内容。
若矿区所处区域内有河流、小溪、水塘、水库等地表水体，则需要了解河流、小溪的流量、最高洪水位，水塘、水库的水体规模，地表水体与矿体的相对位置，地表水体下伏地层的含、透水性及下伏地层与矿区主要充水含水层的水力联系，地表水体下伏断裂破碎带的透水性及破碎带与矿区主要充水含水层的水力联系等内容。
2、对矿坑涌水量预测
矿山水文地质设计中矿坑涌水量预测与地勘报告有较大差异。地勘报告中该部分内容一般只计算含水层的地下水补给量，计算范围包括所有矿体的分布范围，一般不考虑开采对地表的破坏程度引起的降雨入渗量。最大涌水量的计算方法也有较大差异，地勘阶段最大涌水量只考虑地下水位对地下水补给量的影响，而矿山水文地质设计则要考虑设计频率暴雨入渗量。矿坑涌水量的预测工作与采矿设计密切相关，坑采矿山的中段设置、采矿方法、顶板保护措施以及露天矿山的台阶设置、排产计划等都与矿坑涌水量的预测有关。坑采矿山矿坑涌水量包括大气降雨入渗量及地下水补给量两部分，露天矿山坑内涌水量则包括大气降雨径流量及地下水补给量两部分。
大气降雨入渗量分为正常降雨入渗量和设计频率暴雨入渗量两部分。设计频率暴雨入渗量一般通过设计频率暴雨量、地表入渗系数及入渗区面积三个参数进行估算。地表入渗系数选取时要考虑采矿方法对地表的破坏程度、第四系塑性隔水层厚度以及顶板岩石性质（塑性、脆性）选取经验数据。一般通过矿山规模确定（不同矿种大、中、小型规模有专门的界定标准）设计暴雨频率，然后通过查当地暴雨洪水计算手册确定暴雨量。正常降雨入渗量一般采用暴雨入渗量的5%～10%估算。露天矿山大气降雨径流量及暴雨径流量的计算方法与坑采矿山降雨入渗量的方法相同，不同之处是露天矿山采用的是径流系数而非入渗系数。露天矿山的降雨径流量计算应结合露天坑台阶逐年下降过程以及露天封闭圈截水沟的形成时间进行，不能以最终露天坑形成后的条件进行计算。若按后者条件计算，则有可能使与涌水量相匹配的排水设施能力偏小，难以排出设计频率的坑内涌水。
地下水补给量的计算在水文地质学上有比拟法、解析法、数值法等。一般金属矿山地下水涌水量计算方法中比拟法和解析法应用比较多，数值法较少。比拟法的应用条件是待比拟矿山的水文地质条件与参与比拟的矿山水文地质条件类似或相同，运用比拟法计算矿坑地下水补给量比较方便且实用，这需要设计人员在项目前期收集矿区附近类似矿山的涌水量资料及水文地质资料。多数解析法涌水量计算公式的假设条件为含水层均匀、连续、各向同性、天然地下水位接近水平。在运用解析法进行矿坑地下水补给量的计算中，大井法及廊道法的应用比较多。在实际计算过程中，计算方法及参数主要参考地质报告，但个别参数需要在专业人员对矿区水文地质条件的认识基础上，结合采矿设计进行调整，因此其计算结果与地质报告会有所差异。数值法需要借助专业软件进行，目前应用比较多的是MODEFLOW。该方法需要大量勘探基础资料，包括矿区主要充水含水层的边界条件、一定数量的观测孔、大规模抽水试验等。目前一般矿山的水文地质勘探基础资料很难满足该方法的需要，但该方法若基础资料充足，可以得到更接近实际的预测结果，为未来矿山涌水量计算的一种趋势。
3、矿山地下及地表水水防治设计
预防和治理矿山地下水及地表水的工程设计，是矿山设计地质工作的重要组成部分。在露天矿及地下矿的建设、生产和进行采掘作业过程中，水的出现，常给矿山建设和生产带来困难，有时突然涌水还会酿成淹井事故。地下矿井巷工程的片帮冒顶，露天矿边坡失稳，岩溶矿区地面塌陷以及废石场和尾矿坝的破坏等，水是潜在的起因之一。采取相应的防治水对策，可以保证矿山安全生产和提高经济效益。矿山防治水设计主要内容包括地下水防治及地表水防治两部分。地下水防治包括矿坑涌水量计算、矿床疏干设计及注浆防渗帷幕堵水设计；地表水防治包括截水沟设计、河流改道设计、防洪堤设计和河床防渗设计等。
3.1矿坑涌水量计算。根据矿区水文地质资料和矿床开采设计要求计算的矿坑涌水量，是矿山防治水工程及矿井排水的主要依据。常用的计算方法有统计法、解析法和数值法。
(1)统计法。利用矿区或邻近类似矿区实测资料，采用涌水量与水位降深关系曲线推算，再用水文地质比拟及相关分析法计算的方法。
(2)解析法。简化矿区水文地质条件，用推导出的地下水动力学公式进行计算的方法。此法是涌水量计算中应用最普遍的方法。
(3)数值法。用数值解法模拟矿区水文地质条件和地下水运动条件进行计算，主要用于水文地质条件复杂矿区的疏干计算。
3.2矿床疏干设计。用疏干构筑物，预先降低矿区地下水位，为采掘工作创造正常和安全条件的工程设计。矿床疏干法应用普遍，包括：(1)用降水孔、明沟、吸水孔、露天矿水平孔等进行地表疏干；(2)用巷道、束状放水孔、直通式放水孔及降压孔等进行地下疏干；(3)地表与地下联合疏干。由于进行矿床疏干会破坏矿区附近的地下水资源，岩溶充水矿床使地面产生沉降、开裂和塌陷。因此，对矿床进行疏干时，要制订地下水排、供结合和减轻地面塌陷的措施，以改善对环境的影响。矿床疏干设计的主要工作包括：(1)研究矿区水文地质勘探报告和疏干试验报告，进行矿床疏干必要性和可行性论证；(2)按照矿区水文地质条件和开采工艺要求选择疏干方法，进行疏干方案的技术经济比较，推荐技术可行、经济合理的最优方案；(3)疏干水文地质计算；(4)疏干工程布置和疏干工程结构类型的确定；(5)疏干设备选型和数量确定；(6)矿坑水的利用；(7)矿区水文地质观测系统的建立。
3.3注浆防渗帷幕堵水设计。在矿区地下水主要水流通道上，采用钻孔注浆法构筑防渗帷幕堵截地下水，以确保开采工作的安全的工程设计。注浆防渗帷幕堵水与矿床疏干相比，虽然投资费用高，工期长，但可以大量节省排水用电和经营费用，同时可以保护矿山附近的地下水资源，并可减轻岩溶充水矿床的地面沉降、开裂和塌陷。注浆防渗帷幕堵水设计的主要内容是：(1)研究矿区水文地质勘探报告和注浆试验报告，提出注浆防渗帷幕堵水必要性和可行性的论证；(2)注浆防渗帷幕的结构设计；(3)注浆工程及注浆工艺设计；(4)施工设备的选择及配置；(5)堵水效果的检验和采区局部排水设施的建立。
3.4截水沟设计。拦截从汇水区流向露天采矿场、地下开采崩落区或岩溶塌陷区的地表径流，并疏引至保护区以外的排水构筑物的设计。其设计主要内容包括：(1)截水沟的平面布置及截水沟型式选择；(2)确定防洪标准和计算洪峰流量；(3)断面设计，包括断面型式及水力计算；(4)确定截水沟的砌护类型；(5)研究设置跌水或陡坡等消能设施的必要性；(6)跌水、陡坡工程布置，水力计算及结构设计。
3.5河流改道设计。为防止河水直接流入或间接渗入开采区，将河流引出露天采矿场或地下开采崩落区或岩溶塌陷区的工程设计。河流改道设计主要包括：(1)河流改道必要性和可行性的论证；(2)改道线路起点和终点的确定，改道线路的选择和平面布置；(3)确定防洪标准和计算洪峰流量；(4)对地形及工程地质条件复杂的矿区的改道线路，应通过多方案比较，确定技术可行经济合理的最优方案；(5)新河道断面设计，包括设计原则、断面形式及水力计算；(6)河流改道附设的水工构筑物设计。
3.6防洪堤设计。露天采矿场、地下开采崩落区或岩溶塌陷区处于洪水淹没区时，须作防洪堤设计，其主要设计内容包括：(1)防洪堤设置的必要性和可行性论证；(2)频率洪水位及防洪堤标高的确定；(3)防洪堤的平面布置、堤体结构及断面设计；(4)筑堤材料及技术要求；(5)工程计算。
3.7河床防渗设计。对有河流通过的露天采矿场和地下开采崩落区，或流经的岩溶塌陷区，当河流不宜改道或改道很不经济合理时，必须采用人工措施，以防止河水渗水。依衬砌防渗材料的不同，河床防渗常用的有：土料压实河槽、浆砌石河槽、混凝土河槽和沥青材料防渗河槽。设计主要内容包括：(1)河床渗流防治的必要性和可行性论证；(2)河流渗漏量的确定；(3)防渗河槽种类的选择及工程布置；(4)防渗工程量计算。
4、问题及建议
由于各方面的原因，目前矿区水文地质勘探工作很少能按GB12719-91规范严格执行，致使不少地质报告的水文地质部分难以满足矿山水文地质设计工作的需要。因此矿区水文地质设计者应一一指出基础资料的不足部分，并提出一些补救措施和进一步工作意见，对可能造成安全隐患的问题应特别提醒，主要有以下内容：
（1）对水文地质边界条件尚未查清的矿区，要求在下一步勘探过程中查清，以便修改地下水防治方案。
（2）若矿区发育有断层破碎带，但设计阶段勘探过程中并未对破碎带的水文地质特征进行工作，可建议在下一设计阶段前针对破碎带进行勘探工作或者矿山生产过程中在此破碎带附近应进行超前探水等工作，避免发生生产安全事故。
参考文献
[1于润沧.采矿工程师手册：上册[M].北京：冶金工业出版社，2009.
[2]GB 12719-91，矿区水文地质工程地质勘探规范[S].
