工程师职称申报论文申请工程师论文矿山水文地质设计工作的思路浅析

工程师职称申报论文申请工程师论文：矿山水文地质设计工作的思路浅析〔摘要〕矿山水文地质设计应在了解项目基本情况、对项目水文地质资料进行解析的基础上，结合采矿设计进行矿坑涌水量预测，然后提出适合矿区水文地质条件的防治水措施。〔关键词〕水文地质条件；矿坑涌水量；预测；疏干；注浆帷幕矿山水文地质设计工作是矿山项目设计工作中一个重要组成部分，主要是在分析矿区水文地质条件的基础上做出水文地质条件复杂矿山的防治水设计，从水文地质角度保障该类矿山在基建和生产作业过程中的安全。本文旨在介绍一种矿山水文地质设计工作的思路，按此思路进行矿山水文地质工作，能够在全面掌握矿山水文地质资料的基础上，使矿山地下水防治设计能够做到有的放矢，采矿设计工作能够顺利开展。本思路从以下几个方面展开。1了解项目概况项目概况包括采矿专业对水文地质专业的要求、矿区开采方案（矿山规模、开采方式、采矿方法、矿体顶板保护方法、开采计划、计划开采矿体）、项目周围环境（包括自然环境、社会环境）、矿区自然地理情况（项目所在区年平均降雨量，雨季、旱季的划分，历史最大降雨量等）等内容。矿体开采方式决定着矿山防治水设计的内容，例如为保障水文地质条件比较复杂的坑下矿山在掘进及探矿过程中的安全，有时需采取超前探水措施或进行超前一个中段的疏干工作；当地下水对露天矿坑边坡稳定有影响或影响露天作业效率时则需要考虑超前疏干工作。坑下采矿的采矿方法、顶板保护方式决定着矿山对矿区地表的破坏程度，进而影响着矿区接受大气降雨补给量的大小。矿山规模决定着计算矿区大气降雨径流量、入渗量所采用的设计暴雨频率，直接影响到矿坑最大涌水量的大小。项目周围环境决定防治水方案的制定，如项目周围分布有村庄、风景名胜区等需保护的建构筑物及自然环境，则除了考虑村民搬迁外，还需结合矿区水文地质条件考虑是否采用工程技术措施（帷幕注浆等）来减轻对地表及周围环境的影响。2对项目水文地质资料进行解析解析水文地质资料，首先应对矿区水文地质报告进行研读，在此基础上根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719-91）对矿区水文地质条件的勘探类型进行划分，根据矿床主要充水岩层与矿体的相对关系及其复杂程度来阐述矿区水文地质条件。另外应对地质报告中可能存在的问题进行分析，为地下水防治方案的设计做好准备工作。解析水文地质资料应着重从以下几方面着手：（1）矿体与当地侵蚀基准面的关系若矿体位于当地侵蚀基准面之上，地形有利于自然排水[1]，则矿山地下水防治设计内容比较简单，只需通过平硐将地下水排出即可。若地形条件不利于自然排水，则需考虑能否用工程措施将地下水引往地势较低处自流排出。若矿体位于当地侵蚀基准面以下且矿区水文地质条件复杂，则地下水防治设计内容比较多且复杂，需要考虑地下水的疏、堵、突然涌水预防等问题。（2）矿区含水层特征及地下水赋存条件矿区地下水主要赋存在含水层中，含水层的富水性是评价一个含水层是否富水的指标，含水层的富水性主要通过抽水试验的单位涌水量q值来反映。在熟悉此部分内容过程中，应当重点掌握：①含水层所处的地质年代、岩性（是否为岩溶地层），地下水水位埋深；②含、隔水层的划分及平面分布、垂向展布情况；③断裂带平面分布、空间展布及透、隔水性特征；④地表水体的平面分布及下伏含水层水文地质特征；⑤岩溶地层岩溶发育规律及溶洞充填情况等。含水层所处的地质年代以及岩溶发育规律、溶洞发育规模及充填情况直接决定着防治水方案疏、堵设计中一些参数的选取，如岩溶发育规律中的岩溶发育标高、充填情况不仅决定着坑下采矿的主排水泵房，排水、排泥设施容积的设计，而且决定着注浆帷幕顶底界设计及注浆工程参数的选取，可谓意义重大。地下水位埋深、含水层空间分布、富水性又可为矿坑地下水涌水量的计算提供参数。含、隔水层的平面分布及垂向发育情况、含水层与矿体的相对位置关系则是帷幕注浆设计中帷幕平面范围及帷幕深度设计需考虑的内容。国内外许多矿山的突然涌水都与老钻孔突水及断裂破碎带突水有很大关系，因此应对地质报告中的这部分内容作详细分析，结合地质报告在水文地质平面图上查清未封堵钻孔、断裂破碎带与待采矿体的相对位置关系，对其是否会引起突水有所考虑；另外，对断裂破碎带是否沟通区域地下水及地表水体要进行详细分析了解。在岩溶发育矿区，第四系地层的岩性、厚度及平面分布也是防治水设计中需要了解的内容。在第四系为松散土层且厚度较厚的地区，地面由于疏干排水引起的破坏相对严重；厚度较薄的地区，地面破坏程度相对较轻。在第四系为粘性土层且厚度较厚的地区，地面由于疏干排水引起的破坏程度相对较轻；粘性土层厚度较薄的地区，地面破坏程度则比较严重。这是预测疏干塌陷带分布的重要原则之一。（3）矿区地下水补给、迳流、排泄条件研究矿区地下水补给、迳流、排泄条件应结合矿区的水文地质边界条件进行分析，重点了解矿区是否处于独立的水文地质单元中、矿区地下水与区域地下水的水力联系、矿区地下水的迳流条件、地下水排泄区是否会在矿区疏干期间转化为补给区等方面内容。若矿区存在老窿水对地下水的补给，则需要了解老窿形成时间、分布标高、规模、充水程度以及与矿体的相对位置等内容。若老窿情况调查不清，则需要在防治水设计中做出对老窿水的防范措施。若矿区所处区域内有河流、小溪、水塘、水库等地表水体，则需要了解河流、小溪的流量、最高洪水位，水塘、水库的水体规模，地表水体与矿体的相对位置，地表水体下伏地层的含、透水性及下伏地层与矿区主要充水含水层的水力联系，地表水体下伏断裂破碎带的透水性及破碎带与矿区主要充水含水层的水力联系等内容。3结合采矿设计进行矿坑涌水量预测矿山水文地质设计中矿坑涌水量预测与地勘报告有较大差异。地勘报告中该部分内容一般只计算含水层的地下水补给量，计算范围包括所有矿体的分布范围，一般不考虑开采对地表的破坏程度引起的降雨入渗量。最大涌水量的计算方法也有较大差异，地勘阶段最大涌水量只考虑地下水位对地下水补给量的影响，而矿山水文地质设计则要考虑设计频率暴雨入渗量。矿坑涌水量的预测工作与采矿设计密切相关，坑采矿山的中段设置、采矿方法、顶板保护措施以及露天矿山的台阶设置、排产计划等都与矿坑涌水量的预测有关。坑采矿山矿坑涌水量包括大气降雨入渗量及地下水补给量两部分，露天矿山坑内涌水量则包括大气降雨径流量及地下水补给量两部分。大气降雨入渗量分为正常降雨入渗量和设计频率暴雨入渗量两部分。设计频率暴雨入渗量一般通过设计频率暴雨量、地表入渗系数及入渗区面积三个参数进行估算。地表入渗系数选取时要考虑采矿方法对地表的破坏程度、第四系塑性隔水层厚度以及顶板岩石性质（塑性、脆性）选取经验数据。一般通过矿山规模确定（不同矿种大、中、小型规模有专门的界定标准）设计暴雨频率，然后通过查当地暴雨洪水计算手册确定暴雨量。正常降雨入渗量一般采用暴雨入渗量的5%~10%估算。露天矿山大气降雨径流量及暴雨径流量的计算方法与坑采矿山降雨入渗量的方法相同，不同之处是露天矿山采用的是径流系数而非入渗系数。露天矿山的降雨径流量计算应结合露天坑台阶逐年下降过程以及露天封闭圈截水沟的形成时间进行，不能以最终露天坑形成后的条件进行计算。若按后者条件计算，则有可能使与涌水量相匹配的排水设施能力偏小，难以排出设计频率的坑内涌水。地下水补给量的计算在水文地质学上有比拟法、解析法、数值法等。一般金属矿山地下水涌水量计算方法中比拟法和解析法应用比较多，数值法较少。比拟法的应用条件是待比拟矿山的水文地质条件与参与比拟的矿山水文地质条件类似或相同，运用比拟法计算矿坑地下水补给量比较方便且实用，这需要设计人员在项目前期收集矿区附近类似矿山的涌水量资料及水文地质资料。多数解析法涌水量计算公式的假设条件为含水层均匀、连续、各向同性、天然地下水位接近水平。在运用解析法进行矿坑地下水补给量的计算中，大井法及廊道法的应用比较多。在实际计算过程中，计算方法及参数主要参考地质报告，但个别参数需要在专业人员对矿区水文地质条件的认识基础上，结合采矿设计进行调整，因此其计算结果与地质报告会有所差异。数值法需要借助专业软件进行[2]，目前应用比较多的是MODEFLOW。该方法需要大量勘探基础资料，包括矿区主要充水含水层的边界条件、一定数量的观测孔、大规模抽水试验等。目前一般矿山的水文地质勘探基础资料很难满足该方法的需要，但该方法若基础资料充足，可以得到更接近实际的预测结果，为未来矿山涌水量计算的一种趋势。4矿山地下水防治设计对水文地质条件简单、无突然涌水可能的矿山，水文地质设计工作的主要内容就是预测矿坑涌水量。只有水文地质条件中等或者复杂、矿区地下水或降雨入渗水、地表水、老窿水等因开采可能威胁矿山生产作业安全时，才需要专门的防治水设计。矿山地下水防治设计是在正确分析矿山水文地质条件的基础上进行的，尤其是对矿山水文地质边界条件的分析。总的来说，矿山地下水防治有疏、堵两个大的方面。疏就是地下水疏干，将矿区地下水排出矿区，一般分为全疏干及以疏干为主、以堵为辅两种方法。全疏干方法应用于矿坑地下水主要进水通道附近没有很好的阻水岩体或构造、矿区范围内都是含水层的条件。以疏干为主、以堵为辅的方法则适用于矿区范围内分布有大面积含水层，但在地下水主要进水通道的局部区域分布有阻水岩体或阻水构造的条件，在此位置构筑堵水构筑物能减少相当一部分地下水进入矿坑。地下水疏干可分为地表疏干、地下疏干、联合疏干三种方式。地表疏干又有地表抽水孔、吸水孔、水平疏干孔等方法，地下疏干又分为巷道疏干、丛状放水孔疏干、直通式放水孔疏干等方法。地表疏干在空间布置和时间上安排比较灵活，可以在矿山开拓前实施，容易实现预先疏干。另外该方法与地下疏干相比，施工工期短，施工条件好，相对较安全。当被疏干含水层埋藏较浅时可首选地表疏干，该方式比较常用的是地表抽水孔疏干方法，但地表抽水孔容易受采矿活动的影响。为保护井孔结构不受破坏，疏干孔需布置至采矿错动范围或者露天境界外20~50m。地下疏干方式用于地下开采的矿山比较多，疏干方法多样，相比地表疏干来讲疏干强度大，效果显著。在岩溶大水矿山，如果采取疏干方式进行地下水防治，则应考虑疏干排水对地表的影响。一般在岩溶地区，如果第四系松散层发育，则随着疏干的进行，地表一般会出现塌陷、开裂等不良工程地质现象。若矿区内还存在地表水体，则应做好防范地表水通过岩溶塌洞进入矿坑的工程措施。另外，重要工业设施要避免布置在岩溶塌陷区内。堵就是在矿区范围内构筑堵水构筑物将地下水大部分封堵在采矿范围以外的方法，一般采用注浆帷幕的方式，可分为全帷幕及以堵为主、以疏为辅两种方法。全帷幕方法是在矿区范围内结合阻水岩体或构造的分布，在采矿错动范围外或露天最终边界线外一定距离构筑注浆帷幕的方法。以堵为主、以疏为辅是在矿区范围内矿坑主要进水方向上设置注浆帷幕，阻挡主要进水方向上的大部分地下水，在次要进水方向上采用疏干方法。由于注浆帷幕只能堵住大部分地下水，在矿山开采至一定标高时，帷幕内外会形成较高水力坡度，帷幕外地下水仍会有部分渗入幕内，因此还需在帷幕线内设置一定数量的疏干孔进行辅助疏干。构筑注浆帷幕在造价及工期等方面都比采用疏干方式多，但注浆帷幕一般能堵住至少60%的地下水，若矿山矿体埋藏较深，服务年限长，则可为矿山节省大量的排水经营及维护费用。而且，帷幕注浆更有利于减弱岩溶地区由于疏干排水引起的地面塌陷、沉降、开裂等不良工程、环境地质问题，进而减少由于这些问题衍生出的水土流失、生态环境破坏、矿农矛盾等新的环保、社会问题。另外，构筑注浆帷幕后可大大减少矿区地下水的抽取量，保护矿区周围地下水资源，更符合目前国家正倡导的节能减排政策。随着注浆技术的发展及帷幕注浆堵水率的提高，国内越来越多的大水矿山采用此种方式进行地下水的防治。为了监测矿区地下水水位是否下降到开采标高以下，还需在矿区周围间隔一定距离设置一定数量的地下水观测孔，安排专人定期观测，绘制矿区地下水流网图，确保安全采矿。5问题及建议由于各方面的原因，目前矿区水文地质勘探工作很少能按GB12719-91规范严格执行，致使不少地质报告的水文地质部分难以满足矿山水文地质设计工作的需要。因此矿区水文地质设计者应一一指