矿山水工环地质条件及防治过程分析

白 银

近年来，社会各领域行业依赖于矿产资源的利用，加快了发展进程，对矿产的需求不断增加，导致矿山开采活动频繁，资源环境与地质灾害问题日益突出。矿山在深部开采过程中面临着熔岩塌陷，岩溶突水等问题，严重危害着矿山开采作业的安全，破坏了矿区房屋，道路，水源等基础设施，影响着人类的生产生活，同时使发展空间逐渐缩小。因此，识别水工环地质条件及危害，提出合理的矿山地质环境治理方案，是保障我国矿产资源有效开发利用，保护地质环境的重要途径。环境保护工作越来越受到广泛的关注，但矿山水工环地质环境恶化的程度没有得到有效地改善，我国矿山灾害防治的效果有待于提高，因此，合理利用矿山资源，保护矿山地质将是一项长期而艰巨的任务。本文广泛收集研究区域矿山的水工环地质条件资料，对研究区域的水工环地质条件加以分析，形成本文的防治方法并付诸实施，为我国今后的矿山地质勘查，环境治理及保护提供了参考依据，对我国矿山保护工作的发展具有重要的现实意义。

1 矿山水工环地质条件

1.1 基于遥感图像识别矿山目标

遥感图像按照不同比例进行缩小，在有限的空间内展示大范围的地表自然景观，基于遥感图像，识别矿山目标，能够获得矿山特征信息及识别标志。因此，在对遥感图像的认知中需要运用矿山目标的知识系统，将图像信息中的各要素进行加工与分类处理，将地学信息进行编码，为认知矿山图像中的知识标记与属性语义，需要首先形成遥感图像的知觉。不同的地物目标之间应是存在着明显的色调差异的，使遥感图像中矿山目标与研究区域的背景的光谱特性明显，才能进行进一步的图像解译。将图像上的各类图像要素进行分类处理，这一操作过程需要确定图像矿山目标的空间结构及所有的地学基本信息，再将信息进行传递，通过整合功能将图像信息的时间与空间配准，形成遥感图像的知觉。基于上述获得的信息，识别图像中地物特征，包括矿山目标的成分结构与几何形态特征，并对其特征信息进行横向与纵向的对比，分析其形成的机理，完成地学图像标志图谱。选择具有典型性的证据性标志，通过专业解译图像模式，比选测量标准，总结专业证据标志的识别。在已经形成的图像标志图谱的基础上，匹配图像标志，将未知目标的各图像特征与介意标志进行测量，做归化处理。在对地学目标的类型进行划分是，应充分考虑视觉表象空间所存在的影响，对图像进行辨识，在图像基本信息中，根据所学的地学知识将特征信息及属性，以及图像的其他关联标志进行比较，选择与未知目标的图像结构信息最适合的图像模式进行特征匹配与分析。为了实现高精度的图像解译，需要对该矿山目标的地形属性提出假设与推理，并结合空间分析，在野外计划路线对矿山进行勘察。矿山赋存状态与地质地貌的演变有着密切的联系，在空间上具有一定的位置，通过成分识别理论，识别矿山地质作用与地理空间的关联，分析地表固体废弃物的产生。

1.2 水工环地质条件

本文以某矿区矿山为研究对象，通过实地勘察，结合该研究区域已有的地质资料进行水文地质条件、工程地质条件及环境地质条件的整理与分析，找出主要存在的矿山地质灾害问题。该矿区地层水文特征为：矿山内主要的含水层有泥砂质岩，白云质灰岩等，各含水层由泥页岩层分布区，具有一定的隔水性，但水力关系较弱。最早期的地层以溶蚀裂隙水为主，为节理裂隙发育，富水力适中，主要分布于西部斜坡带。最新时期地层有着不同的成因，上层人工堆积层位于地面浅表层，因此不含水，但具有透水性，厚度约为4-16 米，中层残破层同样不含水，其透水性较弱，下层冲洪层含有少量水。研究区域内矿山地下水主要为岩溶水、孔隙水等，其补给及径流水量受到地形、地质构造及岩性的影响，同时与当地降水有着密切关联。其中孔隙水的冬天变化最为明显，如遇暴雨，水位会急剧升高，动水压力增大。矿区内地质表面为杂填土，矿区根据岩土体岩性及特征划分为两个工程地质岩组，砂岩岩组主要岩性为粉砂质泥岩，其岩土体经风化严重为软质岩，层间夹有滑动泥化夹层，岩层破碎，容易发生塌陷现象。坚硬岩组岩性主要为长石石英砂岩，具有一定的抗外应力。厚层石岩形成高陡斜坡，容易产生崩塌。矿区矿山上部基岩被风化切割为碎块状，西边坡常出现塌坡现象，岩石破碎带具有数百米，矿井出水量较大。该研究区域次生灾害严重，其矿区地质灾害具有分布广泛，种类繁多，突发性强等特点，由于矿区内长期进行矿山开采活动，因此形成了泥石流、塌陷等地质灾害。诸多因素都会诱发次生灾害发生，由于矿山的不合理开采，使采空区沉陷，在降雨地震等作用下，岩土体滑动，开采面过陡导致岩土体失稳，发生滑移形成滑坡。排土场与尾矿布局的不合理，使岩土体经过强降雨丧失粘结力，加之矿山大量废弃物堆积阻塞河道，容易引发泥石流灾害。

2 矿山地质防治过程

2.1 构建地质灾害链

由于研究矿区水害问题导致的地质灾害问题较为突出，通过对灾害的关联性进行分析，建立地质灾害链。使灾害事件相互关联，并形成一个统一体，每个灾害事件的发生都具有不同的成因，灾害过程及发生规律也存在着差异，但在整体结构上具有着一定的相似性，因此本文基于环境，内部结构和对外行为构成灾害结构。根据灾害发生的时期间隔判断发育特征，作为划分灾害程度的依据。分析灾害链中不同灾害事件的受灾成因及受灾对象，建立源头断链减灾链，当出现灾害发生的预示后进行重大灾害预警，及时切断灾害链中与之关联的灾害事件，有效避免引起次生灾害。根据研究区域的地质灾害情况，本文构建了崩裂滑移链和塌陷灾害链。崩裂滑移链针对崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害构建链式关系，若灾害事件在发展过程中没有受到其他灾害因素影响，发展过程主要受环境和内部结构的影响时，若内部结构较为稳定，则次生灾害的响应与环境因素的影响有一定的关联性。塌陷链由两因素组成，首先是矿区客观条件，如矿山土层特征，基岩特征以及地下水情况，其次是矿山开采活动、水利工程等人为活动。塌陷灾害链的主要因素就是地表水位的升降。对灾害源断链的控制注意对土层及岩层的注浆处理，恢复自然地下水渗流场，对地面塌陷进行治理。

2.2 预防塌陷次生灾害

对于未发生塌陷的地区主要以预防为主，在塌陷发生前进行合理的预测，设置矿区塌陷的监测网，主要包括对矿区塌陷范围等因素的预防与监测，圈定塌陷区可能发生的范围。合理对建筑物进行布局，根据矿区塌陷预测结果采取预防措施。不能将重要建筑物设在塌陷预测范围内，对于已经建在塌陷易发区的建筑物应加强地面变形监测，进行地基及其他固定工程处理。塌陷发生与岩溶发育、地形及内部构造有关，其中地下水为主要的诱发因素，地表塌陷就代表了含水结构的失效。根据矿区已有的塌陷情况总结了塌陷产生及分布规律，塌陷形态多为各类圆形，塌陷范围多为地下水下降区域，若矿区内可溶性岩层均有塌陷，则表示塌陷产生的原因还与矿床疏干排水的范围相一致[6]。一般情况下，岩性结构较为松散的地区比较容易发生塌陷，塌陷发生的频率与地下水位在基岩顶面的活动有着密切的联系，如预计水位的上升会使地面塌陷情况更加严重。因此对于塌陷的预防注重改变地表水的径流方向，加固河床，布置石块稳定边坡，地面进行混凝土加固，防止河流上游汇集降水，在山脚开挖防洪沟。控制地表水位的下降速度，塌陷与地表水位的下降速度有直接的关系，通过控制疏干排水的过程，利用边施工边排水的方式，使地下水位逐渐下降，在排水时注意控制泥砂排放量。当地表出现裂缝时应发出预警，这类现象预示着地表即将出现塌陷的情况，根据比例配置水泥浆液，将裂缝处进行及时地填充，预防塌陷事故的发生。

2.3 帷幕注浆截流治理

针对研究区域的水文特征，采取顶板水平孔注浆方法，以10×10 网度布设注浆孔，开孔位置与灰岩顶板距离为2-3 米，进入含水层深入约30-50 米，使用净水泥浆灌注，并用速凝浆封堵，注浆孔中多注入注浆液，使浆液扩散到百米之外。在考虑了注浆难度和地表施工条件后，本文通过中帷幕注浆方案进行截流治理。帷幕为封底线，帷幕的设置应与地下水流方向垂直，全长为750 米，平均孔深150 米，以隐伏隔水墙上部为帷幕底线，东部为隔水界，主要拦截从北部进入采区的侧向渗流，保证原有的浅部截流疏干，并保证矿区内矿体的开采。按照钻孔顺序检查施工钻孔，每个钻孔直径应大于90 毫米，深入稳定隔水层15 米以上，当隔水层破碎时，应加深钻孔深度，并每间隔20 米进行一次压水试验，收集岩层渗透系数，检查浆液的扩散范围，钻孔采用下行式注浆，注浆段长度约为10 米。在浅部注浆施工过程中将压力控制在0.6 Mpa 以内，通过低压充填灌注，再用高压进行压密。控制浆液水比例，在溶洞裂隙较大时，降低水泥用量，在溶洞裂隙填充完成后，恢复正常水泥用量，最后注入纯水泥浆，压实充填物以保证注浆质量。

2.4 土地整治与植被重建

为保证矿区土地预期的利用状态，需要对矿区内土地采取整治措施，回覆其原有的水土保持功能，首先将表土剥离，将扰动范围内的腐蚀表土剥离，其剥离的厚度需要综合考虑腐蚀的土量及厚度，本文研究区域内的腐蚀土厚度在0.4 米左右，对受扰动影响大的范围应首先考虑进行剥离处理，地下采场与排土场应尽早剥离，通过机械与人工相结合的方式，操作时应保证图像原有的理化性状不会发生较大变化。由于表土土层较为疏松，因此表土堆放场地应综合考虑地面受到水蚀与风蚀影响的可能性，对于堆放时间较长的表土可进行植草绿化，保证土壤养分不会在堆放期间过度流失。将扰动后不平整的土地进行返送与表土回填，使土地整体的坡度适中，以满足土地利用的需求，将由开采活动大致的部分硬化及丧失功能的土地进行硬化层拆除处理，翻松地表，清理浮渣和碎石。陡峭的山体及边坡的绿化是矿区内植被重建的难点问题，本文将选择种植攀缘植物来进行生态防护，攀缘植物只种于表层稳定性较好的目标物表层，根据不同的绿化目标的边坡长度与坡度选择不同的攀援植物，与工程护坡结合使用，重建围墙等各类建筑物及边坡的植被。

3 应用效果分析

3.1 地质灾害监测

为了有效的掌握矿山的稳定性以及今后矿山灾害的发展情况，需要在研究区域内对已经形成的矿山地质灾害进行监测，在矿山研究区域内的灾害范围内安置监测仪器，并对监测数据的各项变化及时分析，提出预警建议，从而控制地质灾害带来的损失。主要布置包括自动监狱监测站、土壤含水率监测站以及GPS信号接收机1 台，配套4 类天线。自动降雨监测布置在该矿山办公区，主要用于监测研究区域内的降水量，该监测系统通过无线通讯将监测数据实时传送，当降水及相关数据达到告警限值时，监测点会自动告警，其矿山所在地今年4 月-9 月的逐月降水量统计数据如表1 所示。

表1 雨量变化统计表

由表1 可知，研究区域内降水主要集中在每年夏天的6-8月，在监测时段内，该地在监测时段8 时降水量最大，该时段是当地的7 月，最大值达215mm，在时段9 时的降水量仅次于7 月，降水量达201.5mm，该地区4 月降水量最小，最小值达22.5mm。鉴于滑坡的坡体由残坡积物等物质组成，其稳定性与坡体含水量具有一定程度上的关联，将土壤含水率监测站设置在滑坡前部，获得的含水率监测数据如表2 所示。

表2 滑坡土壤含水率

由表2 可知，7 月土壤含水率最高，平均含水率达9.08%，这与降水量有着密切的联系，其整体土壤含水率的变化趋势与降水量较为一致，说明降水量越大，土壤含水率越高，其坡体失稳的概率也越大。其GPS 监测仪器在坡体的前后中部分别布置，记录从4 月-9 月的各时间段的监测数据，横纵坐标分别代表监测时段和位移变化量，具体GPS 数据如表3 所示。

表3 监测点GPS 监测数据汇总表（mm）

由表3 可知，根据GPS 监测数据汇总显示，滑坡在今年7 月和8 月出现了较大变形，削坡作用对滑坡前部产生了不良影响，导致滑坡前部与中部相比，变形较大。将土壤含水率与滑坡各部变化进行综合分析，可知滑坡的变形存在时间性，受崩塌堆积体的影响，滑体后部先变形，滑坡的变形与后缘崩塌体的稳定存在一定关系，且在变形过程中存在着不均匀沉降，形成了台坎等地貌，推断该区域坡体处于蠕滑变形期。

3.2 防治效果分析

根据研究区域水工环地质条件，实施灾害防治工程，通过对帷幕防水效果的治理和矿山水位分布影响的分析，验证本文方法的有效性。设定施工参数，本次施工要求需要达到以下标准，帷幕注浆墙体厚度在30cm-50cm 之间，墙体抗压强度大于4Mpa，渗透系数S ≤n×10-6。具体防治施工参数如下表4 所示。

表4 防治工程主要施工参数

由表4施工参数可知，堵水效果达到85%以上是很有希望的。本文通过高密度电法对矿山地层东西向的剖面和帷幕坡面进行对比可知，帷幕施工使矿山地层电阻率有显著的变化，证明帷幕成墙起到了重要的作用。对帷幕桩进行抽芯分析，在帷幕桩的中心抽芯，可以确定帷幕桩成墙部位的成桩效果。检测两帷幕桩成墙部位的结合成墙情况，结合处是施工中最薄弱的部位，本次勘查共抽取5 组10 个钻孔，其中帷幕桩中心孔8 个，桩间抽芯孔2 个。经检验，桩中心抽芯钻孔显示岩芯完整，帷幕中间的抽芯显示有水泥岩芯出现，因此可以成为连续的堵水墙。通过利用相邻的帷幕桩中心的抽芯孔进行跨孔超声波测量，确定幕桩间是否存在原始地层和不搭接的现象。

根据上述分析可知，到幕桩间搭接较为紧密，在10 以下的原始土层存在着5cm 的不搭接现象，证明中间存在缝隙，但在总体能够起到堵水作用，总体效果较为明显，形成了较为完整的地下挡水墙。帷幕施工对矿山地下水位分布影响如图1所示。

图1 矿山水位分布变化图

由图1 可知，截流排水的排水压力36875m3/天减少至12386m3/天，采区涌水量从1357m3/天降至457m3/天。防治施工减少了地下水的补给量，采区内水量明显减少，帷幕墙外围水位也从0m 降至-12m，可以使研究区域的矿山开采活动安全进行，说明本文方法具有有效性。

4 结语

本文对研究区域的水工环地质条件进行了分析，并针对研究区域的水工环地质情况，通过建立地质灾害链，对矿区塌陷次生灾害的防治和对帷幕注浆截流治理，实现对研究区域矿山的灾害防治，并取得了一定的研究成果。同时，由于实践和条件的限制，本文研究还存在着诸多不足，有待于在日后研究中进行深入探讨，如对矿区地下水的岩溶水含水和流动性关系的分析没有涉及，对断裂构造的研究没有涉及岩石轻度及渗透参数的确定，在野外进行塌陷点定位和实地勘察中，需要进行后续补充土样和水样的分析，进一步验证矿区塌陷的发展程度和范围。