采礦工程對(duì)礦井水文的影響與防治水對(duì)策

崔曉偉

（山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 高平 046700）

引 言

我國(guó)的礦產(chǎn)資源極為豐富，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)也為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。但由于礦產(chǎn)資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，對(duì)自然環(huán)境造成了極大的破壞，尤其是對(duì)開(kāi)采地區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的破壞，嚴(yán)重影響了地下水資源的自然賦存能力，導(dǎo)致原本已經(jīng)十分緊張的水資源更加匱乏［1］。礦區(qū)的開(kāi)采工作和地下水資源的聯(lián)系十分密切，礦層通常會(huì)于地下的含水層相連接，這樣就形成了水與礦資源共同存在的水文地質(zhì)條件，這也是大規(guī)模進(jìn)行采礦和開(kāi)礦造成水資源缺乏的主要原因，采礦工程的大規(guī)模開(kāi)采對(duì)水資源的富存以及循環(huán)條件都帶來(lái)了十分嚴(yán)重的影響，也造成了一些不良的后果。

1 探究采礦工程對(duì)礦井水文的影響

為了將這些后果控制在可接受范圍內(nèi)，有必要對(duì)礦井水文受到的影響在理論層面論證分析，以便指導(dǎo)決策。

1.1 建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型

采礦工程的實(shí)施主要會(huì)影響十灰水和十四灰水的運(yùn)動(dòng)情況，其中十灰水是含水層中與下組煤相連接的頂板，而十四灰水是含水層下組煤的底部，兩者距離相對(duì)較近，且兩者間存在著水力聯(lián)系。為了能夠找出采礦工程與礦井水文之間的具體關(guān)聯(lián)，同時(shí)為了保證含水層完整的情況下，對(duì)含水層系統(tǒng)進(jìn)行了建模。

首先含水層系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括十灰和十四灰部分，含水層中的介質(zhì)是以溶蝕裂隙為主，同時(shí)伴有少量的溶孔和溶洞形成。在研究區(qū)域的礦山中含水層大部分分布于石炭、二疊系地層以下屬于承壓含水層［2］。雖然受到了礦山構(gòu)造產(chǎn)生了細(xì)微的變化，但由于其自身的水文發(fā)育相對(duì)良好，在這里可以將其看作是統(tǒng)一的單層結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，模擬區(qū)的分布面積變大，地形、地貌等也發(fā)生了很大的改變，導(dǎo)致水文的發(fā)育變得極為不均勻，同時(shí)各種向異性的特征產(chǎn)生，礦區(qū)內(nèi)的含水層為非均質(zhì)且各向異性的含水層，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

礦區(qū)邊界條件的建模：礦井的東邊邊界屬于斷層結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出東高西低的趨勢(shì)，落差最大達(dá)400m，而礦井的一側(cè)存在著落向相對(duì)較大的支斷層。由于含水層與區(qū)域外的多種砂巖相接觸，因此形成了隔水邊界。通過(guò)探究發(fā)現(xiàn)在含水層的東部、南部存在隔水邊界，北部、西部存在補(bǔ)給邊界。

礦區(qū)輸入、輸出條件建模：在水文系統(tǒng)中輸入和輸出的主要條件是由于該地區(qū)接受到的大氣降水補(bǔ)給，且補(bǔ)給水會(huì)順著傾斜的方向由北向南形成強(qiáng)富水區(qū)。第四系將石灰?guī)r的大面積覆蓋上，石灰?guī)r同時(shí)受到了第四系孔隙中下滲的水補(bǔ)給，計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

水文的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建模：自然界中的所有現(xiàn)象都是在三維空間中發(fā)生的，因此也包括了水文的運(yùn)動(dòng)。以模型的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性為基礎(chǔ)，將補(bǔ)給區(qū)的水流概化為二維的平面結(jié)構(gòu)，利用三維流模擬出水文的水流運(yùn)動(dòng)。同時(shí)假設(shè)礦區(qū)的水文運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足達(dá)西定律，采用連續(xù)的滲流方程即可對(duì)水文的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述、分析，計(jì)算公式見(jiàn)式（3）、式（4）。

公式（1）（2）（3）（4）中h 為地下水位；μ 為含水層給水度；t為時(shí)間；QT為側(cè)向補(bǔ)排量；Qμ為垂向補(bǔ)排量；h0為初始水位；h1為第一類(lèi)邊界水位；Ω為計(jì)算區(qū)域；F1為第一類(lèi)邊界；F2為第二類(lèi)邊界。

1.2 礦井涌水量的解析法計(jì)算

通過(guò)建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型，為分析影響效果提供了平臺(tái)基礎(chǔ)，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查的實(shí)際情況計(jì)算涌水量。常用的計(jì)算方法有大井法和曲線(xiàn)法。

大井法算法計(jì)算涌水量：在礦區(qū)中十灰是下組煤的頂板直接充水給含水層，經(jīng)過(guò)測(cè)量其厚度為6.24m，鉆孔發(fā)現(xiàn)巖石的破碎情況相對(duì)較多，且?guī)r裂縫處有溶蝕的現(xiàn)象產(chǎn)生。含裂縫水文承壓，其富水性也極不平均［3］。通過(guò)探究發(fā)現(xiàn)，該礦井的內(nèi)部有120多個(gè)鉆孔揭露十灰，有30個(gè)鉆孔存在漏水的情況，漏水率為25%，其中漏水鉆孔大部分在淺部以及斷層區(qū)分布。十灰含水層是補(bǔ)給條件良好且富水性強(qiáng)的含水層，運(yùn)用大井法計(jì)算，可以計(jì)算出十灰水層的涌水量。計(jì)算公式進(jìn)式（5）。

公式中Q為大井的流量，T為計(jì)算導(dǎo)水系數(shù)，L為降深，R為影響半徑，r為模擬的大井井徑。通過(guò)探究已經(jīng)知道十灰的初始水位為23.52m，十灰的底板標(biāo)高為－513.21m，因此，十灰疏降的降深為23.5＋513.21＝536.73m。通過(guò)計(jì)算后 得 出 Q＝3 124.8m3／h。同理通過(guò)計(jì)算算出十四灰中 Q＝524.24m3／h。

曲線(xiàn)法計(jì)算涌水量：曲線(xiàn)法計(jì)算也可以看做是用水量曲線(xiàn)方程法計(jì)算方式，通過(guò)礦區(qū)放水口穩(wěn)定的流量值以及中心觀測(cè)孔觀測(cè)到的穩(wěn)定降深通過(guò)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)記錄并繪制成圖。如圖1所示的涌水量－降深曲線(xiàn)圖，通過(guò)曲線(xiàn)的走向情況可以得出不同的降深對(duì)應(yīng)的不同涌水量。從圖1中能夠清晰的看出，當(dāng)十灰的疏降到達(dá)－442m時(shí)，涌水量大約為826m3／h。利用上述的計(jì)算結(jié)果即可分析出采礦工程對(duì)礦井水文產(chǎn)生的影響。

圖1 涌水量－降深曲線(xiàn)圖

1.3 對(duì)礦井水文的影響分析

根據(jù)真實(shí)有效的數(shù)據(jù)，分析出有利和不利的影響因素。

有利影響：在采礦工程中頂板的砂巖部分在工程中一直處于疏干的狀態(tài)，因此對(duì)于開(kāi)采過(guò)程中水害方面的問(wèn)題是幾乎不會(huì)出現(xiàn)的；采礦工程的實(shí)施推進(jìn)了第四系下組的下段水位的大幅度降低，能夠?qū)⒌V產(chǎn)資源的開(kāi)采上限提高，對(duì)于開(kāi)采防水柱也會(huì)帶來(lái)很大的幫助；工程還會(huì)使十灰水位大幅度的降低，從而降低了采掘工作面中水量的水壓，影響承壓含水層的水壓，減少一些突水事故發(fā)生的可能。

不利影響：在進(jìn)行采礦工程時(shí)，若采礦活動(dòng)的面積很大，在采礦區(qū)里會(huì)出現(xiàn)大量的積水沉積，嚴(yán)重影響工程的生產(chǎn)，導(dǎo)致危險(xiǎn)事故的發(fā)生［3］；采礦工程的活動(dòng)會(huì)造成第三系含水層受到影響，導(dǎo)致水位明顯下降，產(chǎn)生很強(qiáng)的垂向壓力，這種壓力會(huì)施加到礦井壁上，壓力增加到一定程度會(huì)使礦井壁無(wú)法承受而產(chǎn)生破裂；隨著采礦工程實(shí)施，使得原本不導(dǎo)水的礦區(qū)斷層變成了導(dǎo)水的斷層，為突水提供條件，增加突水事故的發(fā)生概率。

2 防治水對(duì)策

為防止采礦工程對(duì)水文地質(zhì)的影響應(yīng)盡快完成對(duì)礦山整體的進(jìn)行防治水研究，對(duì)于礦區(qū)防治水對(duì)策應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)，對(duì)于礦山防治水對(duì)策可以從以下幾方面進(jìn)行：

首先防治水的總體對(duì)策方案選用以疏通為主，疏堵相結(jié)合的方式，據(jù)情況而定，必要時(shí)可以控制疏干排水以降低防治水的成本，也可以提前對(duì)礦體進(jìn)行疏干排水，用油排的形式進(jìn)行靜儲(chǔ)量的排出，這樣可以有效的降低采礦工程中生產(chǎn)階段的危險(xiǎn)性［4］。在礦山中的永久排水系統(tǒng)還沒(méi)完全形成時(shí)，巷道的開(kāi)拓過(guò)程中排水的能力還十分有限，為了避免造成淹井的現(xiàn)象產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)使用探水的方法前進(jìn)。當(dāng)遇到超過(guò)排水能力的大水點(diǎn)時(shí)，需要進(jìn)行局部的封堵措施同時(shí)進(jìn)行有效的控制疏放，合理的結(jié)合使用遇水會(huì)發(fā)生凝結(jié)變得巨大、膨脹的材料以及特殊的注漿工藝。

再通過(guò)進(jìn)一步的驗(yàn)證分析地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，獲取開(kāi)拓階段地質(zhì)水文的基本資料并進(jìn)行綜合的分析。防治水在施工過(guò)程中應(yīng)該研制出更安全的裝置并配置高壓和防噴的功能。

最后還需更進(jìn)一步的建立地面以及井下的重要部位中的水點(diǎn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)加強(qiáng)礦山地表及地下坑道的水位觀測(cè)工作，并重點(diǎn)觀察礦區(qū)以及周?chē)牡叵滤粍?dòng)態(tài)變化情況，建立地下水位自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，制定相關(guān)的處理預(yù)設(shè)方法，保證采礦工程的安全穩(wěn)定［5］。同時(shí)在進(jìn)行注漿堵水時(shí)可能會(huì)遇到水裂紋很細(xì)但水流量特別大、注漿壓力高，但吸漿量又小、漿液在高壓的狀態(tài)下極易凝結(jié)的情況發(fā)生，這時(shí)應(yīng)對(duì)適合該礦山的新型注漿工藝進(jìn)行更加深入的研究。

3 結(jié)語(yǔ)

由于條件受限，在研究時(shí)對(duì)于一些問(wèn)題的看法還不是很透徹，在本文中可能會(huì)存在著不足的地方。在進(jìn)行涌水量的計(jì)算時(shí)和建立水文地質(zhì)概念模型時(shí)，將復(fù)雜的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，這些處理很可能會(huì)導(dǎo)致模型的預(yù)測(cè)精度不夠準(zhǔn)確，因此對(duì)于這一部分的研究還需要進(jìn)行完善處理。通過(guò)計(jì)算獲得的涌水量是根據(jù)連續(xù)幾年的地下水動(dòng)態(tài)的變化情況通過(guò)詳細(xì)的研究得出的，因此還加強(qiáng)了對(duì)基礎(chǔ)地質(zhì)和水文地質(zhì)的數(shù)據(jù)收集，進(jìn)行不斷的修改和完善能夠過(guò)得更適合采礦工程防治水的需求，為后續(xù)的采井工作提供水質(zhì)和水量的詳細(xì)資料。