矿产勘查中水文地质灾害防治措施

2021-01-24李建

世界有色金属 2020年21期

李建

（山东省煤田地质局第一勘探队，山东滕州 277500）

矿山是水文地质灾害高发区域，水文地质灾害一旦发生将会造成严重的经济损失和社会损失，因此矿产勘查中水文地质灾害防治成为有效控制水文地质灾害发生的主要手段。但是矿产勘查中水文地质灾害的发生就有临时性、多发性、不确定性等特征，对其进行有效防治具有一定的难度，并且目前大部分矿产勘查工作对水文地质灾害的防治重视程度较低，在没有明确了解勘查区域地质水量、水压、水位变化情况下，没有对水文地质灾害进行预测分析的前提下，就开展了矿产勘查施工，不仅降低了矿产勘查效率和精度，还导致施工事故频发，具有关数据表明，每年全世界因未经过系统的水文地质勘察，采取相应的水文地质灾害防治措施，而引起的水文地质灾害事故大约有26424起，其中因事故死亡人数达到4628人，造成的经济损失高达13.42亿元。因此在矿产开采中采取有效的水文地质灾害防治措施是非常有必要的，不仅可以保证矿产勘查工作顺利进行，最重要的是可以有效保障勘查人员的生命安全，为此提出矿产勘查中水文地质灾害防治措施研究，为矿产勘查中水文地质灾害防治措施实施提供理论依据。

1 水文地质灾害形成的主要原因

在自然状态下，地下水始终是处于平衡、协调的状态，无论水压、水量和水位如何变化，地下水都会稳定的存储在含水层中，这是因为地下水压力与上覆岩层向内施加的静态压力能抗衡，如果不受到外界因素的影响，基本不会发生水文地质灾害。但是随着矿产勘查活动的开展，会对地下水整体结构造成一定程度的破坏，此时会打破原有地下水稳定状态，从而引发水文地质灾害。

将水文地质结构按照空间类型，划分为隔水层、底板层与富水层，其地下水内的富水层主要由岩层与底板中的水流构成。但在进行富水层的直接分析过程中，需要从多种外界影响因素层面入手，考虑到多种富水层在外界压力的作用下可能存在升高或降低的趋势，因此可认为富水层在围板重力与地层浮力的作用下，富水层原有的作用力失衡，甚至会出现打破地下水原有生态平衡的问题。在此种作用力下，覆盖在上层的岩层压力与下层地下水的压力失去平衡，导致上层压力小于下层压力，从而造成富水层的储备水资源能力下降。并且，地质工程实施受到地下水的冲击作用力，会造成岩土层稳定能力的破坏，此时富水层受到多种作用力的影响，地下水会冲破土层，从而导致水文地质灾害的发生[1]。矿产勘查中会开展一系列勘查活动，其中包括钻孔、开凿等，这些矿产开采活动会破坏掉原有的水文地质结构，当水文地质结构遭到破坏后，水压、水位会大幅度上升，因此矿产勘查中经常出现水文地质灾害。

2 矿产勘查中水文地质灾害防治措施

2.1 矿山地表局部堵漏

矿产勘查中常见的水文地质灾害为顶板涌水，这是因为在勘查过程中实施的钻探和槽探，使地下水隔水层顶板出现漏洞，水在水压的作用下通过钻孔向外喷射，进而形成顶板涌水水文地质灾害，顶板涌水水文地质灾害的发生频率占灾害总体的65%以上，因此此次提出矿山地表局部堵漏措施，有效防治水文地质灾害[2]。

此次采用钻孔注浆技术，向矿山地质结构上存在的钻孔注入水泥砂浆，将钻孔进行封堵，使地下水无法从地下向外喷涌，实现矿产勘查中顶板涌水水文地质灾害防治，钻孔注浆技术封堵钻孔过程如下：

（1）在矿山底板涌水区中心地面周围平稳处或者冲沟平缓区域布置适量的注浆孔，通过在孔内注入水泥浆液来堵塞矿山地下含水层底板水流的涌道，起到延缓和减小矿山地下水的下渗。首先利用钻机钻穿矿山底板，根据矿山地质勘查资料，确定钻孔深度（通常情况下为10m～12m），以及钻孔进入岩基深度（通常情况下为3m～4m），对矿山底板岩基裂隙以及底板破碎带采用水泥沙浆封堵住矿区底板岩体裂隙。由于不同注浆压力状态下岩体浆液扩散距离是不同的，具体情况如下表所示。

表1 不同注浆压力状态下不同岩体浆液扩散距离

为了确保矿山底板构造、岩溶空隙的全面充填封堵，注浆孔间距的设计不得小于单孔注浆扩散半径，并且也不能大于1.5倍单孔注浆扩散半径，所以注浆孔间距最好在75m～115m之间，通过钻孔注浆在矿山底板基岩顶面形成一个止水结构，起到堵水的作用。

（2）对矿山底板上方流水支沟及叉沟比较大的裂隙处注浆封堵。

（3）在矿山底板较大面积的裂隙发育处进行水泥抹面。通过以上施工步骤实现对水文地质勘查中底板涌水水文地质灾害的防治。

2.2 修建排水系统

大部分矿山水文地质灾害的发生都是由矿山地下水系统损坏引起的，矿山地下水是形成滑坡和坍塌的重要影响因素，尤其是作用与活动面的水增大划带土的空隙水压力，降低了滑阻力和强度系数，所以修建矿山排水系统可以有效降低勘查勘查中水文地质灾害的发生。矿山地表排水以拦截或者旁引的方式，利用截水沟和排水管线将矿山地表水引到周围湖泊中，可以大大降低矿山地下排水系统的空隙水压。为了避免矿山地下水受到排水压力的影响，在完成上述工作的基础上，同时需要计算矿山排水区域的容量。为此引入流体力学理论，对流水断面的排水能力进行精准估算。在计算中可采用最小二乘计算法，将非线性理论作为计算的核心，测量排水槽的高度。为了提高计算结果的精准化程度，在实际计算中可联合使用多种计算方法，综合矿山的地质特征及有关单位整理的矿山勘察资料，对其进行计算。如下所示：

公式（1）中，Q为矿山地下水水量；K为矿山地表渗透系数；L为矿山水力坡度（根据经验，取L=1.5）；I为矿山地下水水压值；D为矿山地下水水位值。根据矿山地下水水量的计算结果，计算出矿山排水系统排水沟的断面面积，根据《矿山排水系统设计规范》GB62431-2008中关于矿山中心排水沟的断面面积公式如下：

公式（2）中，q为矿山中心排水沟过水断面；s为排水沟排水速度，单位为m/s；d为排水沟水力半径；g为排水沟水力坡度；h为矿山中心排水沟粗糙系数（通常为0.0015）；b为排水沟过水断面面积；c为水面以下的过水断面与固体边交界线的长度。利用上述公式计算出矿山排水系统的排水参数，对排水渠道进行修建。排水系统修建材料选择混凝土，因为混凝土具有较高的强度和硬度，具有较强的抗冲刷能力，且混凝土建筑结构表面比较光滑，不利于排水渠道发生堵塞，以此保证排水系统的排水功能。排水渠道的修建方式采用机械结合人工的方式，渠道整体设计为梯形，即上宽下窄，渠道的终点与矿产勘查区域的农田或者浅层水域连接，将多余的水引入到农田中，还可以实现资源再利用，由此修建完整的矿山排水系统，降低矿产勘查中水文地质灾害的发生率，以此完成矿产勘查中水文地质灾害防治措施研究。