矿区水文地质特征及地质灾害的预测与防治

韩 雷，黄寄洲

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽 合肥 230000）

随着社会经济结构的不断变化升级，对于能源资源的需求越来越高，因此矿产资源的开发与开采格外受到重视。

为了缩短勘探过程、提升工作效率，为了能对采矿时的突发事件有效控制，提出了分析矿区水文地质特征，以此实现系统化的地质灾害预测，并对可能发生的灾害提前建立有效防御机制，确保施工效率的同时，保证施工人员的人身安全。此次研究的预测方法与防治措施，为其他区域地质灾害的预测与防治，提供理论依据，为矿业的发展贡献了一份力量。

1 分析矿区水文地质特征

此次研究以西北地区的某一矿区为例，分析该区域的水文地质特征。

该矿区的新生界含水层，与煤系地层之间存在隔水层，该隔水层将待开采地层与含水层之间隔开，令他们之间的水力联系极其微弱，无法向煤系地层补充水源，以此只能通过主井、钻孔对该矿井实施充水。该矿区在上一年间，经统计共发生2次突水情况，同时在本年度也发生了1次突水，根据监测结果可知，下位段的水位标高为10.012m～14.286m。

从总体情况来看，整体水位趋于稳定，且略有下降趋势；在观察上段水位观测孔得到的数据，得到的水位标高为7.35m～8.88m，相对于下段水位变化来说，上段水位变化更加稳定，如下图1所示[1]。

图1 水位变化示意图

为了保证监测结果的准确性，在监测过程过程中，一定要保证数据的实时性。从上图中可知，在1个月的监测时段内，两个区域段内的水位存在规律不同的变化。长期以来，该区域的矿井会在规定时间内疏放降压，因此水位也随之会有相同程度的降低，说明该区域内的地下水的径流条件非常好。真实性高、监测及时的矿区水文数据，对分析水文地质特征具有重要影响。

2 地质灾害的预测与防治

2.1 地质灾害的预测手段

分析水文地质特征数据可知：当该矿区内的含水层、隔水层水位突然上涨，说明此时的地壳活跃，可能引发水源倒灌；当矿区水层中的水位突然下降时，则说明地下土层出现局部塌陷，导致水位下降，填补塌陷空缺。因此利用岩体工程灾害隐患雷达探测系统，对造成这一变化的地质灾害实时预测，通过该探测系统，实时监测矿区水位的变化情况，并根据监测数据预测地质灾害等级，并发出相应的防御预警。预测开始之前，要确保天线的工作状态。

通过电磁波理论可知，探地雷达的探测分辨率与频率有关，即频率越大，分辨率越高。根据电磁波传播理论，介质内电磁波波长与频率之间的关系，可以利用如下关系式表现：

公式中：μ表示电磁波波长与频率之间的关系参数，η表示介质的介电常数；γ表示磁导率；c表示一个变化常量；f表示探测仪工作频率；ρ表示该介质的电阻率。依照上述关系，设置电磁波检测数据反应时间为t，使用探地雷达，对地质进行灾害实时预测。该设备将监测数据上传到中央处理单元，经过处理后制成地质灾害预警图像，如下图2所示。

图2 地质灾害预测警报效果图

根据上图可知，当监测结果接近临界预警曲线时，该设备的监测系统，会通过管理平台在施工现场显示预警黄灯警告；当地质灾害条件达到3级危险时，该监测系统会在第0.1s内做出反应，并用红灯指示3级警报结果。可知当监测曲线呈现不规律的上升状态，超过地质灾害临界预警曲线、并逐渐向3级、2级、1级警报曲线逼近时，通过警报指示信号灯，向正在作业的施工人员以及相关现管理人员发出预警，令所有人员迅速撤离矿区施工现场。使用探地雷达可以实时监测地质数据，并将这些数据生成可以直观分析当前地质情况的预警图像，实时监测矿区地质变化情况，实现对地质灾害的高效率实时监管和预测[2]。

2.2 地质灾害的防治措施

由于西北地区的这一矿区储量丰富，逐渐加大了对该矿区的开采强度和开采深度。

在大规模的勘探开采下，矿区地层构造遭到破坏，经监测结果可知，该矿区采空区域的上层顶板厚度小于38m、采掘宽度小于12m，因此不断有地面沉降以及局部塌陷的情况发生；在加上该矿区由于植被覆盖率差、土地沙漠化严重、地层内的含水量较少，枯水期来临时，更是令含水层与隔水层之间的距离变大，对于土层结构不能起到强有力的支撑作用，令大力开采后的矿区土层架构更加不稳。因此需要根据预测结果，结合上述水文地质特征做出相应的防治措施。已知结合该矿区在上述两方面的问题，提出下述几项防治措施：

（1）从开采过程中来看：要安排合理的抽汲技术，以此适当地处理地下水，并设置防水、防砂安全煤柱，有效防止地下水缺失导致的地面塌陷，同时根据疏降水位、水体补给来源两方面，采取合理的水体处理措施，减少塌陷的可能。

（2）从充填方式上：在施工过程中，可以预先运用充填法来管理顶板，减小对矿体的有效开采厚度，大幅度减少地面下沉量和其他变形值，令岩层平缓移动，阻止地表下沉。

（3）再从开采方式上来看：采用条带式开采方式，尽量将矿区开采以采一条留一条的形式进行，设置的条带宽为22m～28m，以此将矿层划分成条带相间的形式。

（4）同时在开采过程中要注意消除开采边界的影响，尽量以协调的方式开采，确保各个工作面之间错开一定距离，相互抵消或部分抵消由地面拉伸和压缩引起的变形，从而减少地面的变形量。

（5）由于西北矿区山坡高坡陡，切割较强烈，斜坡上的碎石粘性土、强风化砂泥岩及泥岩软弱结构面形成临空面，在重力以及地壳活动的作用下，容易产生土质或土岩质滑坡、崩塌。所以要尽量减少人工开挖边坡，在斜坡上修建载水排水沟；并在坡体临空面前缘，采取挡土措施，防止坡体滑动。

（6）利用矿区体积大、数量多的固体废物，对塌陷区作回填处理。种植绿植，提高该矿区的植被覆盖率，减轻土地沙漠化的问题，稳固矿区地层结构。

矿区地面沉降塌陷的预测和治理，是做好该矿区地质灾害防御的重要环节，所提出的防治对策，为矿区的勘探与开采，提供强有力的技术支持。

3 结语

通过对矿区水文地质特征的有效分析，实时、精准的预测矿区中会发生地质灾害的位置，并及时采取相应的措施防治，以此降低地质灾害发生的可能。灾害的预测方法与防治手段，为矿业的勘探、开采开发提供了有力的技术保证，保障作业安全的同时，提升了工作效率，确保生产的有序进行。