采礦工程對礦井水文的影響與防治水對策

崔曉偉

（山西三元煤業股份有限公司，山西 高平 046700）

引 言

我國的礦產資源極為豐富，礦產資源的開發也為我國國民經濟水平的快速發展做出了巨大的貢獻。但由于礦產資源的過度開發，對自然環境造成了極大的破壞，尤其是對開采地區的水文地質環境造成了不可逆轉的破壞，嚴重影響了地下水資源的自然賦存能力，導致原本已經十分緊張的水資源更加匱乏［1］。礦區的開采工作和地下水資源的聯系十分密切，礦層通常會于地下的含水層相連接，這樣就形成了水與礦資源共同存在的水文地質條件，這也是大規模進行采礦和開礦造成水資源缺乏的主要原因，采礦工程的大規模開采對水資源的富存以及循環條件都帶來了十分嚴重的影響，也造成了一些不良的后果。

1 探究采礦工程對礦井水文的影響

為了將這些后果控制在可接受范圍內，有必要對礦井水文受到的影響在理論層面論證分析，以便指導決策。

1.1 建立水文地質數學模型

采礦工程的實施主要會影響十灰水和十四灰水的運動情況，其中十灰水是含水層中與下組煤相連接的頂板，而十四灰水是含水層下組煤的底部，兩者距離相對較近，且兩者間存在著水力聯系。為了能夠找出采礦工程與礦井水文之間的具體關聯，同時為了保證含水層完整的情況下，對含水層系統進行了建模。

首先含水層系統的內部結構包括十灰和十四灰部分，含水層中的介質是以溶蝕裂隙為主，同時伴有少量的溶孔和溶洞形成。在研究區域的礦山中含水層大部分分布于石炭、二疊系地層以下屬于承壓含水層［2］。雖然受到了礦山構造產生了細微的變化，但由于其自身的水文發育相對良好，在這里可以將其看作是統一的單層結構進行模擬。通過研究發現，模擬區的分布面積變大，地形、地貌等也發生了很大的改變，導致水文的發育變得極為不均勻，同時各種向異性的特征產生，礦區內的含水層為非均質且各向異性的含水層，計算公式見式（1）。

礦區邊界條件的建模：礦井的東邊邊界屬于斷層結構，呈現出東高西低的趨勢，落差最大達400m，而礦井的一側存在著落向相對較大的支斷層。由于含水層與區域外的多種砂巖相接觸，因此形成了隔水邊界。通過探究發現在含水層的東部、南部存在隔水邊界，北部、西部存在補給邊界。

礦區輸入、輸出條件建模：在水文系統中輸入和輸出的主要條件是由于該地區接受到的大氣降水補給，且補給水會順著傾斜的方向由北向南形成強富水區。第四系將石灰巖的大面積覆蓋上，石灰巖同時受到了第四系孔隙中下滲的水補給，計算公式見式（2）。

水文的運動狀態建模：自然界中的所有現象都是在三維空間中發生的，因此也包括了水文的運動。以模型的實用性和經濟性為基礎，將補給區的水流概化為二維的平面結構，利用三維流模擬出水文的水流運動。同時假設礦區的水文運動滿足達西定律，采用連續的滲流方程即可對水文的運動進行描述、分析，計算公式見式（3）、式（4）。

公式（1）（2）（3）（4）中h 為地下水位；μ 為含水層給水度；t為時間；QT為側向補排量；Qμ為垂向補排量；h0為初始水位；h1為第一類邊界水位；Ω為計算區域；F1為第一類邊界；F2為第二類邊界。

1.2 礦井涌水量的解析法計算

通過建立水文地質數學模型，為分析影響效果提供了平臺基礎，還需要根據現場勘查的實際情況計算涌水量。常用的計算方法有大井法和曲線法。

大井法算法計算涌水量：在礦區中十灰是下組煤的頂板直接充水給含水層，經過測量其厚度為6.24m，鉆孔發現巖石的破碎情況相對較多，且巖裂縫處有溶蝕的現象產生。含裂縫水文承壓，其富水性也極不平均［3］。通過探究發現，該礦井的內部有120多個鉆孔揭露十灰，有30個鉆孔存在漏水的情況，漏水率為25%，其中漏水鉆孔大部分在淺部以及斷層區分布。十灰含水層是補給條件良好且富水性強的含水層，運用大井法計算，可以計算出十灰水層的涌水量。計算公式進式（5）。

公式中Q為大井的流量，T為計算導水系數，L為降深，R為影響半徑，r為模擬的大井井徑。通過探究已經知道十灰的初始水位為23.52m，十灰的底板標高為－513.21m，因此，十灰疏降的降深為23.5＋513.21＝536.73m。通過計算后 得 出 Q＝3 124.8m3／h。同理通過計算算出十四灰中 Q＝524.24m3／h。

曲線法計算涌水量：曲線法計算也可以看做是用水量曲線方程法計算方式，通過礦區放水口穩定的流量值以及中心觀測孔觀測到的穩定降深通過計算得到的數據記錄并繪制成圖。如圖1所示的涌水量－降深曲線圖，通過曲線的走向情況可以得出不同的降深對應的不同涌水量。從圖1中能夠清晰的看出，當十灰的疏降到達－442m時，涌水量大約為826m3／h。利用上述的計算結果即可分析出采礦工程對礦井水文產生的影響。

圖1 涌水量－降深曲線圖

1.3 對礦井水文的影響分析

根據真實有效的數據，分析出有利和不利的影響因素。

有利影響：在采礦工程中頂板的砂巖部分在工程中一直處于疏干的狀態，因此對于開采過程中水害方面的問題是幾乎不會出現的；采礦工程的實施推進了第四系下組的下段水位的大幅度降低，能夠將礦產資源的開采上限提高，對于開采防水柱也會帶來很大的幫助；工程還會使十灰水位大幅度的降低，從而降低了采掘工作面中水量的水壓，影響承壓含水層的水壓，減少一些突水事故發生的可能。

不利影響：在進行采礦工程時，若采礦活動的面積很大，在采礦區里會出現大量的積水沉積，嚴重影響工程的生產，導致危險事故的發生［3］；采礦工程的活動會造成第三系含水層受到影響，導致水位明顯下降，產生很強的垂向壓力，這種壓力會施加到礦井壁上，壓力增加到一定程度會使礦井壁無法承受而產生破裂；隨著采礦工程實施，使得原本不導水的礦區斷層變成了導水的斷層，為突水提供條件，增加突水事故的發生概率。

2 防治水對策

為防止采礦工程對水文地質的影響應盡快完成對礦山整體的進行防治水研究，對于礦區防治水對策應該進行系統性的設計，對于礦山防治水對策可以從以下幾方面進行：

首先防治水的總體對策方案選用以疏通為主，疏堵相結合的方式，據情況而定，必要時可以控制疏干排水以降低防治水的成本，也可以提前對礦體進行疏干排水，用油排的形式進行靜儲量的排出，這樣可以有效的降低采礦工程中生產階段的危險性［4］。在礦山中的永久排水系統還沒完全形成時，巷道的開拓過程中排水的能力還十分有限，為了避免造成淹井的現象產生，應當使用探水的方法前進。當遇到超過排水能力的大水點時，需要進行局部的封堵措施同時進行有效的控制疏放，合理的結合使用遇水會發生凝結變得巨大、膨脹的材料以及特殊的注漿工藝。

再通過進一步的驗證分析地質及水文地質特征，獲取開拓階段地質水文的基本資料并進行綜合的分析。防治水在施工過程中應該研制出更安全的裝置并配置高壓和防噴的功能。

最后還需更進一步的建立地面以及井下的重要部位中的水點的監測設備，同時加強礦山地表及地下坑道的水位觀測工作，并重點觀察礦區以及周圍的地下水位動態變化情況，建立地下水位自動報警系統，制定相關的處理預設方法，保證采礦工程的安全穩定［5］。同時在進行注漿堵水時可能會遇到水裂紋很細但水流量特別大、注漿壓力高，但吸漿量又小、漿液在高壓的狀態下極易凝結的情況發生，這時應對適合該礦山的新型注漿工藝進行更加深入的研究。

3 結語

由于條件受限，在研究時對于一些問題的看法還不是很透徹，在本文中可能會存在著不足的地方。在進行涌水量的計算時和建立水文地質概念模型時，將復雜的水文地質條件進行了簡化處理，這些處理很可能會導致模型的預測精度不夠準確，因此對于這一部分的研究還需要進行完善處理。通過計算獲得的涌水量是根據連續幾年的地下水動態的變化情況通過詳細的研究得出的，因此還加強了對基礎地質和水文地質的數據收集，進行不斷的修改和完善能夠過得更適合采礦工程防治水的需求，為后續的采井工作提供水質和水量的詳細資料。