礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題預(yù)測及措施研究

宋 凱，張 航，王旭峰，王 芳，李 婷

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 南陽 473000）

水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害是礦山地質(zhì)勘查中經(jīng)常遇見的地質(zhì)問題，同時也是現(xiàn)階段經(jīng)常出現(xiàn)的自然性災(zāi)害，水工環(huán)地質(zhì)問題的發(fā)生往往會給周圍環(huán)境造成巨大的傷害，也會給礦山地質(zhì)勘查中工作人員生命安全造成威脅。一旦礦山地質(zhì)勘查中出現(xiàn)水工環(huán)地質(zhì)問題，不僅會使礦山地質(zhì)勘查工作終止，而且還會造成巨大的經(jīng)濟損失，增加礦山地質(zhì)勘查工作成本，因此水工環(huán)地質(zhì)問題預(yù)測成為礦山地質(zhì)勘查中一項非常重要的環(huán)節(jié)，根據(jù)礦山水工環(huán)地質(zhì)相關(guān)信息預(yù)測出礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題發(fā)生幾率以及地質(zhì)風(fēng)險，并針對可能存在的水工環(huán)地質(zhì)問題采取相應(yīng)的解決措施，為礦山地質(zhì)勘查工作提供安全依據(jù)。目前礦山地質(zhì)勘查中對水工環(huán)地質(zhì)問題的預(yù)測主要依據(jù)專家經(jīng)驗來判斷，這種方法準確性較低，完全依靠專家的個人主觀意識，對一些隱秘性較高的水工環(huán)地質(zhì)問題不能及時預(yù)測判斷，在實際中進行會出現(xiàn)誤判和錯判現(xiàn)象。除此之外，目前針對水工環(huán)地質(zhì)問題的所采取的解決措施針對性較低，沒有針對具體水工環(huán)地質(zhì)問題給出相應(yīng)措施，導(dǎo)致礦山地質(zhì)勘查工作仍舊具有較大的風(fēng)險，為此提出礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題預(yù)測及措施研究。

1 礦山地質(zhì)勘查中常見的水工環(huán)地質(zhì)問題

礦山地質(zhì)勘查中常見的水工環(huán)地質(zhì)問題主要有山體崩塌、泥石流、地面塌陷以及地裂縫等，山體崩塌、滑坡、和泥石流這類水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害通常出現(xiàn)在地形崎嶇的礦區(qū)，山區(qū)的礦山由于一直以來的氣候環(huán)境影響和風(fēng)沙雨水的長時間侵蝕下，是使得礦山極易發(fā)生山體崩塌、泥石流等危害[1]。并且在土質(zhì)相對疏松且降水量相對集中的地區(qū)，土壤長時間被雨水的浸泡更易產(chǎn)生泥石流現(xiàn)象。地面塌陷也是較為常見的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害，主要原因是由于人們長時間的不合理開采礦產(chǎn)資源所導(dǎo)致的，這一類水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)地是在地質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受嚴重破壞的地區(qū)，例如勘查地區(qū)、熔巖地區(qū)等[2]。由于人類長期不合理的勘查行為，導(dǎo)致地面塌陷的問題頻頻發(fā)生，如果不進行相應(yīng)的措施加以制止，最終只會造成人類自身的生產(chǎn)生活受到限制。除此之外，導(dǎo)致地裂縫這一水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害的主要原因是地殼構(gòu)造在發(fā)生位移以及人類的過度開發(fā)和大量地下水資源的浪費，造成部分地區(qū)出現(xiàn)地質(zhì)裂縫和斷裂問題，進而對人類的日常生活帶來不確定的隱患。

2 礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題預(yù)測

2.1 水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集

水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集是地質(zhì)問題預(yù)測的首要步驟，水工環(huán)地質(zhì)問題發(fā)生主要與勘查區(qū)域坡高、坡度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、巖層性質(zhì)以及水文地質(zhì)條件等，因此采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)也主要為以上幾種。對于勘查區(qū)域的坡高與坡度數(shù)據(jù)的采集利用水平儀測量儀器即可，選取礦山勘查區(qū)域內(nèi)坡度最陡和最大的地區(qū)，首先將測量儀器校準，以此保證水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集的精度，然后將測量儀器布置在礦山邊坡處，令測量儀器與地面持平，然后開啟測量儀器對礦山邊坡的坡度和坡高進行測量，最后對每個邊坡進行編號并且記錄各個邊坡的測量數(shù)據(jù)。

對于結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、巖層性質(zhì)以及水文地質(zhì)條件數(shù)據(jù)采集利用雷達探測技術(shù)，首先需要根據(jù)礦山實際情況，設(shè)置雷達技術(shù)參數(shù)，包括天線中心頻率、測點間距、采樣率、時窗選擇等[3]。雷達天線中心頻率可根據(jù)探測目標深度和區(qū)域面積等因素計算，其計算公式如下：

公式（1）中，f為雷達天線中心頻率，單位為MHZ；s為勘查區(qū)域空間分辨率，即雷達能夠探測到的最小空間區(qū)域；w為相對介電常數(shù)。由于雷達測點間距由雷達天線中心頻率和地下介質(zhì)介電特性決定，所以利用公式（1）計算得到的雷達天線中心頻率，根據(jù)Nyquist采樣定律計算雷達測點間距，其計算工程如下：

公式（2）中，L為雷達測點間距，單位為m；c為探測目標區(qū)域圍巖中波長。為了可以準確全面的采集數(shù)據(jù)，以天線中心頻率的四倍作為雷達的采樣頻率。設(shè)置完天線中心頻率、測點間距、采樣率，還需要對雷達時窗進行計算，其計算公式為：

公式（3）中，W為雷達采集數(shù)據(jù)的時窗；m為電磁波傳播速度；dmax為雷達需要探測深度最大值。結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、巖層性質(zhì)以及水文地質(zhì)條件數(shù)據(jù)采集時，需要根據(jù)探測目標和實際情況對時窗進行設(shè)置，通常情況下需要在公式（3）計算的基礎(chǔ)上在增加25%，并且不同介質(zhì)和深度，雷達時窗也會有不同的設(shè)置，下表為常見介質(zhì)時窗設(shè)置表。

表1 常見介質(zhì)時窗設(shè)置表（單位ns）

設(shè)置完雷達參數(shù)后，將雷達的信號發(fā)射天線和信號接收天線布置在礦山地質(zhì)勘查區(qū)域的兩側(cè)，布置天線過程中發(fā)射天線和接受天線需要保持最少10m的距離，然后打開雷達電源，開始對礦山地質(zhì)勘查區(qū)域水工環(huán)地質(zhì)進行探測，利用雷達信號接收設(shè)備記錄到反射回來的數(shù)據(jù)信息，下圖為基于雷達探測技術(shù)的水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集示意圖。

圖1 基于雷達探測技術(shù)的水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集示意圖

發(fā)射天線將波形發(fā)射到礦山地表上，波形經(jīng)過地表面折射，傳遞到信號接收天線，在該過程中波形會被各個檢測點的地質(zhì)雷達設(shè)備所記錄，最后將其傳輸?shù)叫盘柦邮掌髦?，以此完成水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集。

2.2 水工環(huán)地質(zhì)問題發(fā)生概率預(yù)測分析

將采集到的各項水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)進行量化，量化的目的是為了更方便計算出水工環(huán)地質(zhì)問題發(fā)生概率，下表為水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)量化標準表。

表2 水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)量化標準表

按照上表對采集的水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)值進行量化，根據(jù)量化總值計算出水工環(huán)地質(zhì)問題發(fā)生概率，其計算公式如下：

公式（4）中，P為礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題發(fā)生的概率；E為水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)量化總值；O為水工環(huán)各項數(shù)據(jù)實際量化值。利用上述公式計算出礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題發(fā)生的概率，概率越高則表明預(yù)測礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題發(fā)生的幾率越大，以此完成礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題預(yù)測。

3 礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題解決措施

為了解決礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題，首先以嚴格遵循綜合治理和預(yù)防為主的處理原則，盡可能的將礦山廢棄土地的生態(tài)恢復(fù)，實現(xiàn)廢棄土地資源在利用，利用植物的種植改善礦區(qū)土地酸堿離子。同時還要加強對水文地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)控和管理力度，保證地下水平衡，嚴格控制礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題的發(fā)生。對于礦山水工環(huán)地質(zhì)問題的防護和治理，首先要對礦山整體進行仔細的水工環(huán)地質(zhì)勘探工作，在明確了礦山區(qū)域內(nèi)地殼的穩(wěn)定性以及地形地貌特征后，建立科學(xué)性強的解決措施。

其次針對不同的水工環(huán)地質(zhì)問題采取不同的解決方案，對于水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害中的地裂縫，主要的防治措施是以避讓為主。在實際的防治措施實施前，要加強調(diào)查測試的手段，準確的測量出礦山周圍建筑物與地裂縫之間的安全距離。對于已經(jīng)對礦山周圍建筑物造成破壞的地裂縫，應(yīng)采取對部分的建筑進行拆除以及地基特殊處理等手段。同時對于微破裂地裂縫水工環(huán)地質(zhì)問題首先應(yīng)該加強居民點、流域規(guī)劃，再加強巡查的力度，在找出陷落痕跡后，要進行及時的處理，以免產(chǎn)生陷穴。而對于已經(jīng)存在的地裂縫，應(yīng)當做好回填和夯實的工作，同時還要注意做好防水工作，避免地裂縫再次出現(xiàn)。對于水工環(huán)地質(zhì)問題中的泥石流、滑坡等，應(yīng)采取定期巡查監(jiān)測預(yù)防措施，令專業(yè)人員按照監(jiān)測計劃對該類水工環(huán)地質(zhì)問題發(fā)生概率較高的區(qū)域進行監(jiān)測，一旦發(fā)生異?，F(xiàn)象，及時上報給上級單位，并且及時發(fā)出警報，告知礦山地質(zhì)勘查人員以及周圍居住人員及時撤離，以此完成礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題預(yù)防，進而完成礦山地質(zhì)勘查中水工環(huán)地質(zhì)問題預(yù)測及措施研究。

4 結(jié)束語

本文針對目前礦山地質(zhì)勘查中水文地質(zhì)問題預(yù)測及措施存在的問題，提出了相關(guān)的研究和分析，對傳統(tǒng)水工環(huán)地質(zhì)問題預(yù)測技術(shù)進行了完善與優(yōu)化，同時針對不同的水工環(huán)地質(zhì)問題提出了合理的解決措施，為礦山地質(zhì)勘查施工安全提供了技術(shù)保障，同時也有助于提高水工環(huán)地質(zhì)問題預(yù)測技術(shù)水平，使礦山地質(zhì)勘查工作可以安全、順利的開展。