第十一章5矿床水文地质学讲义(矿床疏干)

2019/8/15吉林大学专门水文地质学第十一章矿床水文地质学主讲教师：苏小四2019/8/15第2页主要内容第一节、矿床类型与矿床开采第二节、矿床充水条件第三节、矿床水文地质类型第四节、矿坑涌水量预测第五节、矿床疏干与排供结合第六节、矿床水文地质工作特点第七节、矿区环境地质2019/8/15第3页矿床水文地质调查的核心任务，就是预测矿井涌水量，探讨开采前后矿床水文地质条件的变化规律，为矿床疏干设计、预测突水和保护矿区环境提供资料，在实际工作中，三者是同时进行的(综合评价、设计和施工）。为了采矿安全、提高工效和降低成本，采用经济和技术上合理的各种工程措施，对涌人井巷或威胁安全的各种水源进行排除或控制等科学管理的工作，也就是矿床疏干工作。矿床疏干会破坏供水水源，恶化环境。因此，矿床疏干措施的制定，从经济、技术与社会效应出发，兼顾采矿、供水、环境保护等诸多利益。第五节矿床疏干与排供结合2019/8/15第4页为了采矿安全、提高工效和降低成本，采用经济和技术上合理的各种工程措施，对涌人井巷或威胁安全的各种水源进行排除或控制等科学管理的工作，统称为矿床疏干。一、矿床疏干的主要方法2019/8/15第5页矿床疏干是一项具有引发矛盾性质的工作。采矿上为防止矿井突水，总是希望最彻底或尽量多地排除可能进入井巷和威胁采矿的各种水源，结果必将破坏当地天然水资源平衡，减少供水量和恶化环境。从供水和保护环境出发，则渴望尽可能地提供更多的地水资源和保护天然地质环境不恶化。因此，合理地进行矿床疏干是兼顾采矿、供水和保护地质环境、合理利用矿井水的统畴性工作。疏干防治水的各种方法，按其主要作用分为防水法、疏水法和防渗法。2019/8/15第6页指防治降水、地表水与潜水流入矿区的方法，其主要目的在于减少矿井涌水量。(1)汇集与排除矿区范围内降水形成的地表径流。方法有：①填堵井下进水通道，汇集矿区内原分布的水体，并排；②修筑边缘排水沟等地表防、排水工程，以拦截外围流来的降水漫流、地表水和浅部潜水，并引出矿区之外。(2）矿区内地表水体的处理。可采用：①隔离水体，如修筑水体防渗层、敷设排水管道等；②不允许水体存在时，则采用移河措施。1、防水法2019/8/15第7页指对充水水源进行疏干或降压．以确保安全采矿的方法。此法包括预先疏干、并行疏干和探放水。(1)预先疏干，多用于水文地质条件复杂的大水矿床。分为两种情况：第一种，当开挖井巷须临时通过强含水层或受高压水威胁的地段时，可从地表打深孔预先疏干局部含水层或降低高压水头至安全值以下。当井巷挖通，并封闭该含水层后，停止疏干，允许原含水层恢复充水或原水压。2、疏水法2019/8/15第8页第二种，当开采矿床的直接顶底板含水或直接顶底板虽有一定厚度的隔水层，但间接充水层水压过高，有突水危险时，可采用从地表进行预先疏干或降压的方法，达到在安全条件下采矿的目的，且不允许被疏干的地下水位或降低的水压恢复。随开采范围扩大，仍可用原地表疏干方式，不断外扩预先疏干范围，或停止原地表预先疏干，改在井巷内布置各种疏干措施，继续进行预先疏干。2、疏水法2019/8/15第9页并行疏干是利用采矿工程或专门疏干工程，在采矿同时进行疏干工作，其完成疏干的时间应提前于采矿工作。可分为：第一种，是在预先疏干任务完成后，停止原地表预先疏干(需要时，亦可不停止)，代之以在井巷或露天矿场内设置的各种排水设施，与采矿同时进行疏干。这些设施有垂直的降水孔(井)、吸水孔及各种过滤器，以及水平的排水孔、疏水沟、疏水平巷等。第二种，是在水文地质条件简单的矿区，从采矿开始到终止只进行并行硫干。疏干时，应对预测的强水源或有突水危险地段，进行超前探水与放水，以保安全。开始到终止只进行并行硫干。(2)并行疏干2019/8/15第10页指堵截涌水水源于矿区或井巷之外的方法。用以保证安全采矿，同时达到保护供水水源和保护地质环境的目的。留设安全矿柱和建设防水闸(墙)等措施也属于此类。防渗法主要用于恢复已掩井巷及涌水量过大或有突水威胁，又有适合条件的大水矿区。对这类矿区，如采用疏水法，则多会发生破坏地下水资源、引起地面塌陷和增大排水费用等问题。防渗法的实质是使用注浆工程，在地下筑成不透水体，切断井巷进水通道，用以隔绝涌水水源或大量减少矿井涌水量。此类工程虽投资多、工程量大和周期长，但只要水文地质条件适合，则会收到阻水显著、长期经济收益好的效果，国内外均有成功实例可予借鉴。3、防渗法2019/8/15第11页青山泉矿二、三号井田属同一单斜构造，分布有11层太原组灰岩含水层(与开采有关的主要为浅部岩溶发台的9、10两层)，各层厚0.5—12m不等，构成统一的含水组。地表被3-10m厚的第四系所覆盖。9层灰岩厚2．6m，距17层煤顶板5—8m。10层灰岩厚3.5m，为20层煤的直接顶板。徐州青山泉煤矿截流2019/8/15第12页徐州青山泉煤矿截流三号井田枯季涌水量仅为0.65m3／min左右，雨季一般为5-6m3／min，最大达7.9—16m3／min，主要为降水渗入补给。二号井田涌水量较大，枯季为13m3／min，雨季最高达95m3／min。后因突水淹没，导致其水位不断上升，地下水通过9、10层灰岩岩溶通道流入三号矿井，使三号矿井涌水量亦越来越大。1964年雨季，三号井因受水威胁而被迫停产。于是决定用注浆帷幕来切断二号井水对三号井水的补给2019/8/15第13页截流方向垂直地下水流向，位置理应选在二、三号井田分界处。但因分界处已有数处采通，边界煤柱已遭破坏，故截流位置选在三号井主井西的煤柱中央。自10层灰岩露头起至9、10层灰岩岩溶不发育带止，帐幕深达130m，全长565m，用63个孔注浆。徐州青山泉煤矿截流2019/8/15第14页通过1964—1966年两期施工，筑起了帷幕，基本上切断了二号井水及地下水流入三号井的通道。注浆后，全年总涌水量减少200万方左右，三年左右即可收回全部投资。徐州青山泉煤矿截流2019/8/15第15页我国大水矿床的主要充水含水层，大多也是当地主要供水水源，尤其是在我国北方地区。面对国家对矿产资源需求的不断增长和工农业生产人民生活水平提高对供水要求的增长，未来大水矿床的疏干必然要在保证矿山生产安全的前提下，走矿水并举、排供结合的统筹道路。二、矿床疏干与排供结合2019/8/15第16页1.利用矿坑水的排供结合模式早期在勘探与矿山设计中常未考虑排供结合问题。由于井水受到不同程度的污染和排水量不够稳定等缺点，使目前大水矿床井水的利用率很低。据北方大水矿床的不完全统计，煤矿矿井水利用率仅30%，铁矿为54%。可以将矿坑水用于水质要求不高的农业灌溉（无毒条件下）和与矿产资源开发利用有关的洗矿、发电、炼焦等行业；如用于居民生活或食品医药等工业，需考虑净化处理。2019/8/15第17页2.预先疏干的排供结合模式在诸多疏干方法中，地表深井排水的预先疏干是理想的矿水并举模式，既减少了矿坑涌水量，又建成了供水水源地，如广东石录铜矿。此外，根据矿山开采规模的发展，渐进式的优化深井排水量，使疏干流场处于缓变状态（与突水相比较），可减弱疏干对环境的负面影响，如地面岩溶塌陷的规模，同时也可减少水中泥沙含量，保护水质（如湖南水口铅锌矿与斗笠山煤矿）。2019/8/15第18页3.利用含水层双层结构的排供结合模式如山东金岭铁矿，在水文地质调查中发现，顶板充水围岩中奥陶灰岩是上强下弱的双层含水结构，中间有相对隔水层，但具有统一地下水位。经排水试验，验证了中间相对隔水层的稳定性。据此，有关部门改变了原设计在井下按开采水平各设疏干坑道的全面疏干方案，采用隔水层上部含水段供水，下部弱含水段疏干的排供方案。开采表明，至第五开采水平时，已出现明显上下分离的两个降落漏斗。2019/8/15第19页4.暗河引流的排供结合模式如湖南香花岭多金属矿，为暗河管道充水矿床，境内分布12条地下暗河，在查明暗河分布的基础上，用探洞确定暗河引流段的空间坐标，开掘引流处于坑道上游的暗河水，灌溉农田3100多亩，解决4000农民生活饮水，同时减少矿坑涌水量98.85%。5.截流帷幕的排供结合由于帷幕注浆的投入大，技术难度高，既要充分考虑供水的需求程度，也要考虑矿山的经济效益，特别是水文地质条件的可行性。2019/8/15第20页在水资源的日趋短缺和以人为本的国情下，今后矿床疏干虽仍以保障采矿安全为前提，但必须将矿区所处水文地质单元的纳入水资源管理的轨道，即将矿床排水量作为水资源的组成部分实行统一管理，其地下水的总开采量（疏干量与供水量）不得超过多年平均补给量。矿床疏干、矿坑水防治与综合利用是一项的复杂的系统工程，需研究解决诸多技术问题，如研究最佳排供结合水资源管理模型，预测和预防矿坑突水、地面岩溶塌陷、矿坑水污染和其它环境地质问题，并制定矿坑水的复用标准等等。2019/8/15第21页主要内容第一节、矿床类型与矿床开采第二节、矿床充水条件第三节、矿床水文地质类型第四节、矿坑涌水量预测第五节、矿床疏干与排供结合第六节、矿床水文地质工作特点第七节、矿区环境地质2019/8/15第22页矿床水文地质是地下水的重要研究领域之一，它服务于矿床的勘探与开采。其工作内容因勘探与开采的不同阶段而异，可分为矿区水文地质勘探和矿山水文地质工作两大类。前者是矿产地质勘探的组成部分，以满足勘探要求与矿山设计为目的的，这部分工作是从事地下水研究者的主要工作，后者是矿山企业为保障生产安全，提高效益、降低成本为目的。2019/8/15第23页1.矿区水文地质工作是与地质勘探密切配合的。由于矿区水文地质工作是矿产地质勘探的一个组成部分，它必须在矿产地质勘探的总体框架内作为一个整体开展工作，并全面融入其设计中，才能充分利用地质勘探的多种勘探成果获取水文地质信息，以发挥最大技术经济效益。因此，必须了解地质勘探的特点与过程。2.矿床水文地质评价是与采矿条件相结合的。由于采矿活动对矿区水文地质条件影响极大，无论是充水因素分析，还是矿坑涌水量预测，都需要考虑矿床的开采条件。因此，了解矿床与采矿的基本知识是做好矿区水文地质工作的需要。2019/8/15第24页3.矿床水文地质与供水水文地质的工作目标是既相互对立又相互统一的。因为矿床水文地质以疏干为目的，以最小矿坑涌水量获得最大水位降为其工作目标，以丰水年雨季峰期最大水位降的安全生产保障程度为其安全观，而供水水文地质则以供水为目的，以最小水位降条件下的最大开采量为其工作目标，以枯水年安全开采量的保证率为其安全观。因此，两者的工作重点、思维方式与对水文地质条件的评价各异。矿区水文地质把工作重点放在雨季峰期的充水通道过水能力和强度上，而供水水文地质则以枯季补给与储水构造的调蓄能力为其工作重点。因此，两者是对立的。2019/8/15第25页因为矿区疏干与供水是维系矿山生存与安全的两大基本要素，当疏干与供水作用于同一水源时，就出现了排供矛盾，它成为矿区水文地质工作的一大难点与特点。2019/8/15第26页主要内容第一节、矿床类型与矿床开采第二节、矿床充水条件第三节、矿床水文地质类型第四节、矿坑涌水量预测第五节、矿床疏干与排供结合第六节、矿床水文地质工作特点第七节、矿区环境地质2019/8/15第27页矿业、矿区和矿业城市对人类的工业发展和现代化进程起着极为重要的作用，可以说矿业发展的过程就是人类工业发展的过程。但是，从现代矿业形成起，伴随着与采矿有关的资源枯竭与矿区环境问题就一直是制约着国家或地区的社会经济和谐与可持续发展。2019/8/15第28页中国是一个矿业大国、资源消耗大国和最大的发展中国家，特别是近些年来我国经济持续高速发展，对能源与矿产的需求量越来越大，随之而来的矿区环境问题的规模与危害程度达到了空前的地步。“三矿”问题（矿工、矿业、矿业城市）与“三农”问题（农民、农业、农村）一样是我国当前重要的社会问题，产生“三矿”问题的一个极为重要的原因是矿区十分严重的矿区环境问题。2019/8/15第29页当前，国家高度重视解决“三矿”问题，因此如何研究、治理矿区环境问题是一项十分重要的课题