矿山超前探水预报及水灾害治理研究分析

2022-02-22张明新

世界有色金属 2022年23期

关键词：探地矿井矿山

张明新

（河北钢铁集团司家营铁矿南区滦南县大贾庄铁矿有限公司，河北唐山 063700）

矿山安全问题的出现不仅影响了矿山的正常使用，而且给人们的生命财产安全带来巨大的威胁和损失。因此，为了保证矿山的可持续健康发展，必须对矿井水文地质条件和水文地球化学环境特点等方面的内容加以研究，从而制定科学合理的防治方案。

1 相关理论分析

1.1 超前探测技术

超前探测技术是一种新型的水文地质勘查手段，在我国已经有了很大的发展和进步，但是由于其测量精度低、工作量大等原因，在实际应用中还存在着很多问题[1]。①超前预报的研究目前，国内对矿井水害的研究主要集中在以下几个方面：一是探地雷达的使用；二是对矿井的透水性的研究；三是对矿井的开采过程中产生的废水量的预测，四是如何对废水中悬浮物的监测等。这些都需要不断地深入探索。②超前排水的理论研究探地雷达的原理就是利用金属的反射特性来进行波形判断和处理。这种波形检测方法的优点在于它可以同时分辨地表与地下的不同位置，而且它的分辨率非常高，不会影响到其他的因素，如：电磁波的衰减、散射的强度等[2]。因此其被广泛应用于各种工程的勘察中。而对于深部的地下水体，探地雷达的运用也越来越普遍。

1.2 地质构造

地质构造是在地壳运动的过程中，由于各种原因，导致岩石或矿石的结构发生改变，从而形成了不同类型的地貌现象[3]。这些地区的地形、气候、水文条件等都会对探测结果产生影响，而超前钻探技术就是利用这一特点，将被测区域内的地下流体进行收集和提取，然后对其进行分析，进而得出被测区的具体位置。根据以往资料和相关文献可以看出，在我国一些矿山地质灾害的研究中，对于矿山地质灾害研究主要集中于以下几个方面：①如何确定矿山地质灾害的成因；②怎样选择合适的方法来预测可能的危害；③采取什么样的措施来应对矿山的破坏及人为的破坏等。而针对上述的几种因素，需要建立一个完整的预警体系，通过该系统的监测数据，来判断该矿区的水文情况，并以此为依据，制定相应的防治方案，以达到有效的预防与治理。

图1 一种矿井掘进探放水辅助系统和方法与流程

1.3 超前探水预报系统

由于我国矿山开采技术水平还比较落后，所以对地质条件的要求也就越来越高，在实际的工作过程中，我们需要根据不同的情况来进行相应的探勘，保证矿山的安全和经济效益。但是在现实的生产中，有很多因素会影响到探测的效果以及精度，因此，必须对其进行有效的控制和管理。超前探水系统是由三个部分组成的：第一个是在矿井下的采矿时期，第二个是在矿井下的矿石装卸阶段，第三个就是回采的前期准备。①采掘工程的主要任务：首先，要按照设计的流程来完成，其次，要做好回采的相关记录，最后，还要把这些数据录入到计算机当中。②对于那些没有办法确定的参数或者无法准确的反映出矿体的性质时，就要利用一些方法去测量，比如说，钻孔爆破法、超声波勘探法等。

2 矿山超前探水预报及水灾害治理现状分析

2.1 超前探测的作用

我国是世界上最大的发展中国家，在经济的快速增长和社会的不断进步下，钢铁产量也在逐年增加，但是由于生产技术落后，管理水平不高，导致矿难事故频繁发生，矿山开采引起的水灾害也越来越严重。超前探测是一种对采矿条件和环境进行实时监测的方法；它能够有效地发现矿井周围的溶洞、浮渣等有害物质，并及时采取相应措施来控制其危害，从而减少了对周边的影响；它还可以检测出矿坑中的涌水量，判断出采掘工程的安全程度，为治理矿山的突发性洪水提供了重要的数据支持。随着计算机技术的飞速发展，超前探测的方式已经成为了一种新的手段和工具。它不仅能够准确获取到矿井的最新位置信息，而且还能将矿井的动态变化情况及时反映出来，从而为决策者提供可靠的依据；同时，还能将不同的地质构造、地层结构、开采条件等因素综合考虑进来，形成一个完整的超前预报系统，为采矿企业的选选方案的选择以及设计施工的指导作用。目前，随着国家的大力扶持，国内各行各业的迅速崛起，矿山行业得到了迅捷的发展与壮大，但同时，也带来了一些问题，比如：资源的大量浪费，矿产资源的开发利用不合理，造成矿区的生态环境破坏，水资源匮乏，地质灾害频发，这些都给人们的生活以及工业的建设带来巨大的压力与挑战。

2.2 研究现状与存在问题

目前，国内外对矿山地质灾害的研究主要集中在矿山地质灾害的成因和防治方面，而对水文、环境、工程等因素的预测和治理研究相对较少。①探地雷达技术应用较少。探地雷达是一种电磁波探测方法，它可以利用目标的地形地貌特征，通过发射波与接收波之间的相互转换，从而得到不同的反射特性，并根据其强度的差异来确定是否存在矿山地质灾害。但是由于其工作原理是在地下进行，所以其测量精度受多种干扰的影响较大，而且因为它的成本较高，且不容易被广大的用户所接受。②人工神经网络的发展还不够完善。虽然有一些新的算法能够克服这些难题，但它们的计算量大，并且需要大量的人力物力，因此还不能很好地解决实际问题。③现代的计算机水平的进步也使得科技手段不断更新，但对于矿山开采行业来说，这仍然不是一个很好的选择方案。

2.3 超前水预报的发展

现阶段，我国的水文地质条件复杂，并且由于各种原因，水文地球化学过程中的变化规律难以预测，因此在进行超前探测时，往往需要对其数据的精确性和完整性做出一定的要求和限制。目前，国内大部分矿山都采用了先进的技术手段对矿井水位、含水量以及涌出量等参数进行测量，确定其参数具体的范围。但是这些方法的缺点是：第一，这种方式的精度比较低，而且容易受人为因素的干扰；第二，因为没有办法准确地掌握各矿井的实际情况，所以无法正确地反映地下水中的物理特征；第三，不能及时发现异常，也会造成很大的经济损失；第四，可能会导致事故的发生，而不能够有效控制灾害的发展趋势。根据以上所述，可以知道，超前预报的应用主要是针对矿山开采活动，而随着科学技术的不断进步，通过利用现代的仪器设备，就能实现对矿山的实时监测，从而提高预警的准确性与可靠性。同时还能为决策者提供更加可靠的信息支持。

3 矿山超前探水预报及水灾害治理策略

3.1 采用先进的探测技术

水文地质条件复杂，在实际的勘探开发工作中，由于各种原因，往往会出现一些问题，这些问题的发生对探测结果有很大的影响。因此，要采取一定的措施来解决这个难题。超前探水区域的划分是一个比较重要的方面，它不仅要考虑到不同地区的差异性，还要兼顾各个因素之间的关系。超前探矿法的基本原理是：利用钻孔、采掘、回采的方法，将矿区内的矿石运送到指定的位置并进行深钻，然后用仪器，对其深度和长度的变化来反映出矿体的分布情况，最后，根据所得到的数据计算出相应的参数值。在我国，目前已经有很多学者对这一领域做了大量的研究与应用。在矿山开采过程中，如果没有及时回采，就会导致地表的压力过大，从而使地下水位的下降；当矿产资源的储量超过预先量时，就会引起地面塌陷，造成人员伤亡。

根据相关的资料显示，在我国的矿山开采过程中，每年因采掘工程而导致水灾害有很大的可能性。因此，我们必须要对矿山进行科学的管理和控制，以保证其安全生产。在对矿井的勘察工作中，需要采用先进的探测技术，通过对地下水位的测量和监测，确定矿坑的位置、大小以及深度，从而为后续采矿施工提供有效的数据依据。同时，还需加强探地雷达的应用与推广，利用探地雷达的高精度来提高探地雷达的分辨率和可靠性，以便更好地为矿山的勘查设计服务。在实际的勘探作业时，由于地质构造的复杂程度不同，所以要采取的方法也会有所不同。例如：对于深部断层，一般选用浅层法，而对于不深部的洞段，则选择钻孔法。

图2 检波器随采示意图

3.2 超前预报模型

通过对我国矿山近几年的水文资料的整理和分析，可以发现，在对矿井水害进行预测时，多为根据所收集数据建立模型；但是，由于该方法是基于大量的历史经验的总结性的理论分析，适用范围比较小，并且在实际应用中，该模型的参数选取也存在一定的局限性，因此，其结果的准确性也会受到影响。

矿井水文地质条件是影响矿井安全生产的主要因素之一，在进行矿井水害防治工作时，要根据不同情况采取相应的措施来控制和治理。在实际的矿山开采过程中，由于受到多种自然和人为的干扰，以及各种工程的破坏等，这些地质环境的变化非常明显，从而导致了地下水的大量流失，给矿山的正常运行带来了很大的隐患；而在对矿区的水位、导水性、透水底径等方面信息采集的时候，也会出现很多问题，所以，要对其进行准确的预测并及时处理；为了保证探测结果的准确性，还要结合现场的具体状况，选择合适的方法来确定所选的区域范围[4]。通过对以上几种地质的分析比较，可以看出：对于一些复杂的褶皱构造，如断裂带、断层带、陷落柱裂隙等，都可能会造成严重的后果；而那些具有较高破坏性或者是易碎的矿石，则更不容易被发现。

3.3 预报成果分析

近几年，我国矿山事故发生的频率呈逐年上升趋势，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。在对矿井水文进行探测的过程中发现了很多矿井漏水量大、漏风严重的现象；在对矿井水文的调查和分析中，也有不少的问题出现，主要是由于漏风比较大，而且没有及时采取措施，导致大量的漏风流入地表，而地面积水无法得到有效的处理；其次，地质构造使得地下水位的变化比较大，所以会使地下水的补给量增加，从而使其含盐量变大，最终致使水质的恶化；最后，在对矿坑的治理上，也存在着许多的不足之处，比如说，对于一些老矿山来说，其排水系统的设计不合理，不能满足新时代的要求，以及施工的技术水平不高等，这些都是影响矿山超前排水区域的重要因素。

①在对矿井水文地质资料进行详细的收集和整理后，根据矿井实际情况，对矿井水文地球化学数据的采集和处理，确定各含水量点的具体位置，并结合相关的理论知识，对含水层的厚度、深度、分布范围等参数做出了相应的计算方法。②在对矿井的水位探测的基础上，利用物探技术，通过物探仪器采用气相色谱法，并将物探设备与计算机相结合，实现多学科综合分析，为后续的工作提供可靠的信息支持。③在完成以上的工作后，将所得到的结果与以往的经验作对比，发现该结论的可靠性较高，可以为以后的研究打下良好的铺垫。④对于矿山工业废水中的有毒有害物质，应采取有效的防治措施，以保证矿山的安全生产。⑤针对不同的工况选择合适的预报方案，提高预测效果。

3.4 水情预报案例

20世纪90年代，我国西部地区出现了大量涌泉现象，严重影响了当地的经济发展。在这一时期，涌泉的危害主要是由于地表下渗、地下水的补给和地下水位的下降造成的；而在这一时期，涌泉的危害是由地壳运动引起的；而当水的作用超过其自身的承受能力，就会对其产生巨大的破坏力，从而引发重大的灾害事故。根据以上的原因分析，可以发现，在矿井的设计过程中，要充分考虑到可能发生的各种因素，并采取有效的防治措施。

①对涌泉的预测和预报。通过对以往的数据资料进行整理分析，并结合实际的情况来确定，要想准确预报出该矿井的洪水位，就要从以下几个方面着手：第一，了解该地区的地形地貌，再来判断该矿井的地质条件是否良好，同时，还要掌握它的构造位置，最后再开始制定合理的方案。第二点，要有针对性地选择合适的方法去处理，这样才能使结果更加精确。②超前预报处理对矿山开采过程中产生的废水进行有效处理和回收利用，是超前预报的关键。在对矿山废水量和水量的调查时，要根据实际情况，选择合理的方法来处理，使其达到最佳的效果；在对矿坑的开挖工作中，要注意及时监测矿坑的水位变化，以便采取相应的措施来控制地表的塌陷。③对于已经被污染的区域(如矿区周边的居民区、工厂等)，要做好污水处理以及回用的问题；④由于采矿活动会带来大量的粉尘，所以需要加强管理，防止粉尘扩散和扬尘传播；⑤在施工的时候，应该尽量避免使用爆破法，这样可以减少灰尘的排放量，提高工程的安全系数。同时，还应采用喷灌的方式将巷道掘进，使其保持一定的距离，并保证喷灌的深度不超过15m，以确保巷道的正常供水。

3.5 矿井水灾害治理

金属矿山的水灾害是由多种原因组成的复合系统，其中包括地质因素、人为活动和自然条件等。因此，在开采过程中，要对其进行有效的防治措施，以避免矿井水灾害的发生和危害。

①加强管理，提高安全意识。在采掘工作中，要严格按照相关规定，认真落实各项规章制度，对采掘工程的质量、施工进度以及人员的操作规范等方面都要做到心中有数。②强化监督，保证用水。在采掘作业时，应根据实际情况，制定合理的方案来控制水量，使其保持稳定，同时，应注意及时发现问题采取相应的解决办法，确保用电的安全性与稳定性。③完善配套设施，为排水效果提供保障。在矿山的开发建设中，应结合当地的地形地貌，因地制宜，因势利导，科学规划，充分利用地下空间，减少地表径流，降低地面沉降改善排水水质，以达到最佳的排泄量。