大型露天矿山的水文地质特征及开采技术条件探讨

黄光辉

（中国建筑材料工业地质勘查中心福建总队，福建 福州 350001）

随着各行各业的不断发展，近年来各种资源的消耗量，尤其是矿产资源的消耗量呈现直线式上升状态，使资源的供给出现了一些问题。如何高效持续的为各行业提供充足的资源，确保其稳定发展成了当前亟待解决的问题。在矿产资源开采中，露天开采占得比重最大。随着矿产资源需求量的增加，露天矿山开采的深度不断增加，边坡高度不断加大，稳定性越来越差，再加之复杂多变的地质构造，使得开采技术条件越来越差。这不仅影响资源开采效率，而且还容易引发安全事故，造成人员伤亡和资源浪费。本文针对这些问题进行了详细分析，希望能够对露天矿山资源的开采有所帮助。

1 大型露天矿山的开采现状及开采中存在的问题

1.1 开采现状

随着各行业对矿产资源的需求量不断增加，很多地表矿产资源的储量快速减少，甚至出现了枯竭现象，已经无法满足资源供给。因此，越来越多的矿山开采方式渐渐地由露天向地下转化。现阶段，由露天转向地下开采的大型露天矿山已经占了绝大多数的比重。

目前大型露天矿山的开采方式主要分为三种：露天开采、露天与地下联合开采和地下开采，其中地下开采已经成为主要方式。近年来，露天与地下联合开采的趋势是逐渐减少露天开采量，不断增加地下开采量，这样做的目的是将开采方式平稳的转化为地下开采方式，因此露天与地下联合开采的这段时间又被称为过渡期。

由于几十年单一开采方式经验的积累，人们对露天开采和地下开采都比较熟悉，对其边坡的稳定性、变形趋势及岩体覆盖稳定性等有着深入了解，但是对露天与地下联合开采方式中涉及到的问题研究不够透彻，开采技术还不成熟，如何进行绿色安全高效平稳的开采，成为一大难题。

1.2 开采中存在的隐患及问题

由于多种原因，大型露天矿山的开采存在很多安全隐患问题。首先，露天开采中存在的隐患。随着资源需求量的增加，不仅露天开采的深度不断增加，边坡高度也随之变大，很容易形成凹陷采场，使得边坡稳定性渐渐变差，不仅增加了开采难度，而且容易对矿山环境造成破坏，引发安全事故，造成人员伤亡和资源浪费。露天矿山边坡稳定性问题在我国引发了多起事故，比如大冶铁矿多次滑坡事故、海州露天矿多次滑坡事故及金山磐石露天矿大规模滑坡事故等等，严重影响了矿山的安全与生产，对其带来巨大的损失，直接影响经济的运行与发展。据不完全统计，几乎绝大多数的露天矿山都存在较高的滑坡风险，我国半数以上的矿山都发生过多次滑坡事故。

此外，很多露天矿山中的边坡岩土体大都经受过多次的地质作用，尤其是经受过不科学合理的开挖破坏后，边坡一般都会发生各种形式的变形。有的露天矿山会瞬时变形；有的露天矿山经过长时间后才会变形；有的露天矿山会产生有限的变形问题；而有的露天矿山会产生无限的变形问题。不同形式变形问题的产生是由多种因素造成的，比如露天矿山本身地质环境、开采途径与方法等等。边坡的变形与破坏问题直接影响到边坡的稳定性，与矿山滑坡事故的发生息息相关。虽然现阶段对露天开采有深刻的认识，在边坡研究方面有坚实的基础，但是边坡稳定性问题与变形问题涉及到的影响因素复杂多变，露天矿边坡问题还是没有得到彻底的解决，还存在很多未解的问题。

其次，露天与地下联合开采中存在的问题。现阶段我国在这一块的研究起步较晚，存在的问题较多。露天与地下联合开采涉及到的问题主要在一下几个方面：第一，与露天开采所遇的问题相同，即大型露天矿山的边坡稳定性问题。该开采方式是露天开采与地下开采同时进行，边坡稳定性的维护难度更大，一旦边坡出现稳定性问题，造成的损失与危害不可估量；第二，露天开采的最大限度值及转地下的过渡界限的确定问题。这一问题极其复杂多变，不但要精确的预估出露天开采对地下开采的影响，避免产生一些干扰问题，还要做好开采量的衔接，确保矿产资源供给充足。针对这些要求，目前虽有几种采矿方法应对，但是都有弊端，缺乏科学高效绿色的采矿方法。最后，露天转地下的排水问题。露天转地下过程中的通风排水问题很重要，关系到人员安全与矿山安全。虽然很多专家学者对此做了大量的调研，并提出许多方案措施，但是每个大型露天矿山的水文地质特点各不相同，在实践中存在一定的偏差，通风排水系统并不完善。

最后，地下开采中存在的问题。地下开采中也存在通风排水问题，大多数露天矿山中矿井通风不符合要求，存在通风系统不完善、局部通风不合理、缺乏完善的通风检测制度及缺少必要的通风设施等问题。另外，很多矿井都存在防透水工作不严谨及排水系统不完善等问题，引发多次安全事故。再者，很多大型露天矿山经过多年开挖，出现了很多隐患采空区，采空区坍塌事故时有发生，经常造成人员伤亡。

2 大型露天矿山的水文地质特征分析

2.1 水文特征分析

大型露天矿山中很多岩石都含有大小不等、数量不同的空隙裂缝，这些裂缝在合适的条件下可以储水，因此这种储水层也被称之为岩石的含水层。这种岩石大多呈现层状，并蕴含大量的水资源。一般情况下，矿山在地质条件上归属与富含水性的岩溶空间。然而，每个露天矿山的岩溶发育情况都存在一定的差异，岩溶构造也不同，这些都会直接影响到矿山的矿床层位。

大型露天矿山岩层一般都有富水性的特征。结合露天矿山的地表特征和岩石渗水性特征，矿山内部一般蕴含六种含水岩层。矿山内地下水的类型，分为孔隙水、裂隙水、岩溶水、上层滞水、潜水或承压水。大气降水是地表水的主要来源，地表水积攒到一定程度后会流向附近的沟谷，借助岩层的松散层渗透到地下，进而转送至矿井深处。渗透的这一部分潜水为基岩低氧化带或侵蚀层补给，帮助其形成承压水带，最终在较大的地质构造地带中完成大面积的裂隙层储水。由此可见，矿山水文地质结构的补给、径流、排泄条件及富水特征，相互之间都与地表水间存在着水力联系。

2.2 地质特征分析

在大型露天矿山中，矿区的边坡稳定性特征关系到整个矿山的安全性，是分析矿山地质特征中首要考虑的。通常露天矿山的岩体类型、构造结构及地质环境都对矿山边坡稳定性影响深远。地质断层构造带或褶皱构造带常常会出现断压性或压扭性的断层，该种类型的断层体积较大，岩体发育成熟。而抗侵蚀能力较差的软性岩石构造带在一些较大岩石的压力或其他压力下，底层结构很容易发生断裂变形，造成上部岩体发生位移。这些都直接影响着边坡稳定性。除此之外，风化作用能够改变岩石的物理性质、水理性质及化学性质，破坏岩体结构面，并降低岩石力学强度，使岩石发生变形。水分也会引起岩石的变化，当含水量增加时，蒙脱土中的膨胀压力也会增大，当到达极限后，很容易造成岩石崩落，甚至引起岩体滑落。矿山的蚀变程度、气候条件、残余应力及其他扰动因素等都需要研究。

矿山的地质特征研究还应包含对环境地质条件的分析，比如每个大型露天矿山的排水与供水问题分析、矿山地理环境破坏问题、岩土体破坏程度及水质分析等等。只有做好这些调研分析工作，才能制定科学合理的开采方案，减少不必要的损失，提升开采效率与安全性能。

3 大型露天矿山开采技术条件探讨

3.1 水文地质特征对开采技术选择的影响

开采技术的选择受多种因素的影响，比如气候条件、矿山规模、资金、采运排条件等等，其中水文地质特征对其影响最大。首先，地质条件中的构造、岩体性质、岩体的稳定性、岩体结构等因素是必须要考虑分析的。大型露天矿山的地质特征对开采技术选择的影响主要体现在是否符合该技术的开采要求、运输通道的安排、内排土场的设置难度及工作平盘推进问题等方面。若都符合该技术的要求，则选择该项技术；若不符合，则需另选其他技术或者根据地质特征采用两种技术结合的方式。比如，对于一些矿层厚度比较小的矿山，可以采用设备中型化的可移式或自移式半连续工艺；对于一些矿层厚度较大的矿山，结合资金情况，可以考虑采用设备大型化的可移式或自移式半连续工艺。

另外，大型露天矿山的水文特征对开采技术的选择也有重要影响。如果大型露天矿山地下水的类型主要是变质岩裂隙水和岩溶裂隙水，地表水含量较少，且其补给来源主要是大气降水的话，那么在选择开采技术时，重点要考虑该技术中运输通道的约束及地下通道排水防水能力。

再者，如果大型露天矿山地表常年流水，并且该矿山大气降水较多，水流很容易汇聚，这中情况不但会严重影响生产效率，还会很容易导致矿区安全事故的发生。因为含水土岩很容易粘斗、粘车，削减了勺斗和车厢的容量，并且清除车厢中的粘结土岩也费时费力，无形之中增加了工作时间，降低了工作效率。而且如果矿坑选址在此处的话，碰见大量地表水汇聚，那么开挖之后很容易淹没矿坑，不仅影响开采效率，还会造成设备损坏，情况严重的话还会引发人员伤亡，造成巨大的损失。

3.2 开采技术分析

开采技术的更新发展离不开设备的更新变化，目前我国露天矿的开采技术有多种。很多专家学者对此做了详细的研究归纳。最常见的主要有这几种分类标准：依据物流连续性，分为连续工艺、半连续工艺和间断工艺；依据生产环节的组合方法，分为独立工艺和合并工艺；依据技术的复杂程度，分为单一工艺和综合工艺。目前单一工艺基本上不再采用，综合工艺比较受欢迎，各种工艺在开采中可能会交叉出现使用。

开采工艺的选择是一个比较复杂的难题。不同的开采技术的选用，受多种因素影响，在选择使用时一定要详细精确的掌握该工艺的适用条件。比如，露天矿表土剥离工艺中如果使用的设备是液压挖掘机，那么该项开采技术就不适用于气候严寒且硬度较大的矿岩；如果该工艺中采用的是前装机设备，那么该项技术适用于气候不太严寒且松散层或软岩较多的中小型露天矿山。由此可见，在同一种开采技术中，若使用不同的设备，适用的露天矿山水文地质条件也存在很大的差异。因此，在在开采技术的选取上，一定要做好前期的调研工作，并对各种技术详细精确的掌握，综合考虑各种因素，最终制定一套既经济又科学合理的开采方案。

4 结语

矿产资源为社会经济的发展提供了坚实的物质基础，是人类赖以生存的前提条件，其重要性不言而喻，矿产资源的开采率影响到各个方面。现阶段，各国政府都对矿山的开采情况高度重视。通过本文上述分析可知，开采技术条件分析在矿山开采过程中的作用不可小视，对提高矿山开采效率及安全性有着重大影响。希望本文所述对矿产资源的安全绿色高效开采有所帮助。