第十一章5礦床水文地質(zhì)學講義(礦床疏干)

吉林大學專門水文地質(zhì)學第十一章礦床水文地質(zhì)學主講教師：蘇小四主要內(nèi)容第一節(jié)、礦床類型與礦床開采第二節(jié)、礦床充水條件第三節(jié)、礦床水文地質(zhì)類型第四節(jié)、礦坑涌水量預(yù)測第五節(jié)、礦床疏干與排供結(jié)合第六節(jié)、礦床水文地質(zhì)任務(wù)特點第七節(jié)、礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)12/27/2023第2頁礦床水文地質(zhì)調(diào)查的中心義務(wù)，就是預(yù)測礦井涌水量，討論開采前后礦床水文地質(zhì)條件的變化規(guī)律，為礦床疏干設(shè)計、預(yù)測突水和維護礦區(qū)環(huán)境提供資料，在實踐任務(wù)中，三者是同時進展的(綜合評價、設(shè)計和施工〕。為了采礦平安、提高工效和降低本錢，采用經(jīng)濟和技術(shù)上合理的各種工程措施，對涌人井巷或要挾平安的各種水源進展排除或控制等科學管理的任務(wù)，也就是礦床疏干任務(wù)。礦床疏干會破壞供水水源，惡化環(huán)境。因此，礦床疏干措施的制定，從經(jīng)濟、技術(shù)與社會效應(yīng)出發(fā)，兼顧采礦、供水、環(huán)境維護等諸多利益。第五節(jié)礦床疏干與排供結(jié)合12/27/2023第3頁為了采礦平安、提高工效和降低本錢，采用經(jīng)濟和技術(shù)上合理的各種工程措施，對涌人井巷或要挾平安的各種水源進展排除或控制等科學管理的任務(wù)，統(tǒng)稱為礦床疏干。

一、礦床疏干的主要方法12/27/2023第4頁礦床疏干是一項具有引發(fā)矛盾性質(zhì)的任務(wù)。采礦上為防止礦井突水，總是希望最徹底或盡量多地排除能夠進入井巷和要挾采礦的各種水源，結(jié)果必將破壞當?shù)靥烊凰Y源平衡，減少供水量和惡化環(huán)境。從供水和維護環(huán)境出發(fā)，那么盼望盡能夠地提供更多的地水資源和維護天然地質(zhì)環(huán)境不惡化。因此，合理地進展礦床疏干是兼顧采礦、供水和維護地質(zhì)環(huán)境、合理利用礦井水的統(tǒng)疇性任務(wù)。疏干防治水的各種方法，按其主要作用分為防水法、疏水法和防滲法。12/27/2023第5頁指防治降水、地表水與潛水流入礦區(qū)的方法，其主要目的在于減少礦井涌水量。(1)聚集與排除礦區(qū)范圍內(nèi)降水構(gòu)成的地表徑流。方法有：①填堵井下進水通道，聚集礦區(qū)內(nèi)原分布的水體，并排；②修筑邊緣排水溝等地表防、排水工程，以攔截外圍流來的降水漫流、地表水和淺部潛水，并引出礦區(qū)之外。(2〕礦區(qū)內(nèi)地表水體的處置。可采用：①隔離水體，如修筑水體防滲層、敷設(shè)排水管道等；②不允許水體存在時，那么采用移河措施。1、防水法12/27/2023第6頁指對充水水源進展疏干或降壓．以確保平安采礦的方法。此法包括預(yù)先疏干、并行疏干和探放水。(1)預(yù)先疏干，多用于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的大水礦床。分為兩種情況：第一種，當開挖井巷須暫時經(jīng)過強含水層或受高壓水要挾的地段時，可從地表打深孔預(yù)先疏干部分含水層或降低高壓水頭至平安值以下。當井巷挖通，并封鎖該含水層后，停頓疏干，允許原含水層恢復(fù)充水或原水壓。

2、疏水法12/27/2023第7頁第二種，當開采礦床的直接頂?shù)装搴蛑苯禹數(shù)装咫m有一定厚度的隔水層，但間接充水層水壓過高，有突水危險時，可采用從地表進展預(yù)先疏干或降壓的方法，到達在平安條件下采礦的目的，且不允許被疏干的地下水位或降低的水壓恢復(fù)。隨開采范圍擴展，仍可用原地表疏干方式，不斷外擴預(yù)先疏干范圍，或停頓原地表預(yù)先疏干，改在井巷內(nèi)布置各種疏干措施，繼續(xù)進展預(yù)先疏干。2、疏水法12/27/2023第8頁并行疏干是利用采礦工程或?qū)ｉT疏干工程，在采礦同時進展疏干任務(wù)，其完成疏干的時間應(yīng)提早于采礦任務(wù)?？煞譃椋旱谝环N，是在預(yù)先疏干義務(wù)完成后，停頓原地表預(yù)先疏干(需求時，亦可不停頓)，代之以在井巷或露天礦場內(nèi)設(shè)置的各種排水設(shè)備，與采礦同時進展疏干。這些設(shè)備有垂直的降水孔(井)、吸水孔及各種過濾器，以及程度的排水孔、疏水溝、疏程度巷等。第二種，是在水文地質(zhì)條件簡單的礦區(qū)，從采礦開場到終止只進展并行硫干。疏干時，應(yīng)對預(yù)測的強水源或有突水危險地段，進展超前探水與放水，以保平安。開場到終止只進展并行硫干。(2)并行疏干12/27/2023第9頁指堵截涌水水源于礦區(qū)或井巷之外的方法。用以保證平安采礦，同時到達維護供水水源和維護地質(zhì)環(huán)境的目的。留設(shè)平安礦柱和建立防水閘(墻)等措施也屬于此類。防滲法主要用于恢復(fù)已掩井巷及涌水量過大或有突水要挾，又有適宜條件的大水礦區(qū)。對這類礦區(qū)，如采用疏水法，那么多會發(fā)生破壞地下水資源、引起地面塌陷和增大排水費用等問題。防滲法的本質(zhì)是運用注漿工程，在地下筑成不透水體，切斷井巷進水通道，用以隔絕涌水水源或大量減少礦井涌水量。此類工程雖投資多、工程量大和周期長，但只需水文地質(zhì)條件適宜，那么會收到阻水顯著、長期經(jīng)濟收益好的效果，國內(nèi)外均有勝利實例可予自創(chuàng)。3、防滲法12/27/2023第10頁青山泉礦二、三號井田屬同一單斜構(gòu)造，分布有11層太原組灰?guī)r含水層(與開采有關(guān)的主要為淺部巖溶發(fā)臺的9、10兩層)，各層厚0.5—12m不等，構(gòu)成一致的含水組。地表被3-10m厚的第四系所覆蓋。9層灰?guī)r厚2．6m，距17層煤頂板5—8m。10層灰?guī)r厚3.5m，為20層煤的直接頂板。徐州青山泉煤礦截流12/27/2023第11頁徐州青山泉煤礦截流三號井田枯季涌水量僅為0.65m3／min左右，雨季普通為5-6m3／min，最大達7.9—16m3／min，主要為降水滲入補給。二號井田涌水量較大，枯季為13m3／min，雨季最高達95m3／min。后因突水淹沒，導(dǎo)致其水位不斷上升，地下水經(jīng)過9、10層灰?guī)r巖溶通道流入三號礦井，使三號礦井涌水量亦越來越大。1964年雨季，三號井因受水要挾而被迫停產(chǎn)。于是決議用注漿帷幕來切斷二號井水對三號井水的補給12/27/2023第12頁截流方向垂直地下水流向，位置理應(yīng)選在二、三號井田分界處。但因分界處已有數(shù)處采通，邊境煤柱已遭破壞，故截流位置選在三號井主井西的煤柱中央。自10層灰?guī)r露頭起至9、10層灰?guī)r巖溶不發(fā)育帶止，帳幕深達130m，全長565m，用63個孔注漿。徐州青山泉煤礦截流12/27/2023第13頁經(jīng)過1964—1966年兩期施工，筑起了帷幕，根本上切斷了二號井水及地下水流入三號井的通道。注漿后，全年總涌水量減少200萬方左右，三年左右即可收回全部投資。徐州青山泉煤礦截流12/27/2023第14頁我國大水礦床的主要充水含水層，大多也是當?shù)刂饕┧矗绕涫窃谖覈狈降赜?。面對國家對礦產(chǎn)資源需求的不斷增長和工農(nóng)業(yè)消費人民生活程度提高對供水要求的增長，未來大水礦床的疏干必然要在保證礦山消費平安的前提下，走礦水并舉、排供結(jié)合的統(tǒng)籌道路。二、礦床疏干與排供結(jié)合12/27/2023第15頁1.利用礦坑水的排供結(jié)合方式早期在勘探與礦山設(shè)計中常未思索排供結(jié)合問題。由于井水遭到不同程度的污染和排水量不夠穩(wěn)定等缺陷，使目前大水礦床井水的利用率很低。據(jù)北方大水礦床的不完全統(tǒng)計，煤礦礦井水利用率僅30%，鐵礦為54%?？梢詫⒌V坑水用于水質(zhì)要求不高的農(nóng)業(yè)灌溉〔無毒條件下〕和與礦產(chǎn)資源開發(fā)利用有關(guān)的洗礦、發(fā)電、煉焦等行業(yè)；如用于居民生活或食品醫(yī)藥等工業(yè)，需思索凈化處置。12/27/2023第16頁2.預(yù)先疏干的排供結(jié)合方式在諸多疏干方法中，地表深井排水的預(yù)先疏干是理想的礦水并舉方式，既減少了礦坑涌水量，又建成了供水水源地，如廣東石錄銅礦。此外，根據(jù)礦山開采規(guī)模的開展，漸進式的優(yōu)化深井排水量，使疏干流場處于緩變形狀〔與突水相比較〕，可減弱疏干對環(huán)境的負面影響，如地面巖溶塌陷的規(guī)模，同時也可減少水中泥沙含量，維護水質(zhì)〔如湖南水口鉛鋅礦與斗笠山煤礦〕。12/27/2023第17頁3.利用含水層雙層構(gòu)造的排供結(jié)合方式如山東金嶺鐵礦，在水文地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，頂板充水圍巖中奧陶灰?guī)r是上強下弱的雙層含水構(gòu)造，中間有相對隔水層，但具有一致地下水位。經(jīng)排水實驗，驗證了中間相對隔水層的穩(wěn)定性。據(jù)此，有關(guān)部門改動了原設(shè)計在井下按開采程度各設(shè)疏干坑道的全面疏干方案，采用隔水層上部含水段供水，下部弱含水段疏干的排供方案。開采闡明，至第五開采程度時，已出現(xiàn)明顯上下分別的兩個降落漏斗。12/27/2023第18頁4.暗河引流的排供結(jié)合方式如湖南香花嶺多金屬礦，為暗河管道充水礦床，境內(nèi)分布12條地下暗河，在查明暗河分布的根底上，用探洞確定暗河引流段的空間坐標，開掘引流處于坑道上游的暗河水，灌溉農(nóng)田3100多畝，處理4000農(nóng)民生活飲水，同時減少礦坑涌水量98.85%。5.截流帷幕的排供結(jié)合由于帷幕注漿的投入大，技術(shù)難度高，既要充分思索供水的需求程度，也要思索礦山的經(jīng)濟效益，特別是水文地質(zhì)條件的可行性。12/27/2023第19頁在水資源的日趨短缺和以人為本的國情下，今后礦床疏干雖仍以保證采礦平安為前提，但必需將礦區(qū)所處水文地質(zhì)單元的納入水資源管理的軌道，即將礦床排水量作為水資源的組成部分實行一致管理，其地下水的總開采量〔疏干量與供水量〕不得超越多年平均補給量。礦床疏干、礦坑水防治與綜合利用是一項的復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需研討處理諸多技術(shù)問題，如研討最正確排供結(jié)合水資源管理模型，預(yù)測和預(yù)防礦坑突水、地面巖溶塌陷、礦坑水污染和其它環(huán)境地質(zhì)問題，并制定礦坑水的復(fù)用規(guī)范等等。12/27/2023第20頁主要內(nèi)容第一節(jié)、礦床類型與礦床開采第二節(jié)、礦床充水條件第三節(jié)、礦床水文地質(zhì)類型第四節(jié)、礦坑涌水量預(yù)測第五節(jié)、礦床疏干與排供結(jié)合第六節(jié)、礦床水文地質(zhì)任務(wù)特點第七節(jié)、礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)12/27/2023第21頁礦床水文地質(zhì)是地下水的重要研討領(lǐng)域之一，它效力于礦床的勘探與開采。其任務(wù)內(nèi)容因勘探與開采的不同階段而異，可分為礦區(qū)水文地質(zhì)勘探和礦山水文地質(zhì)任務(wù)兩大類。前者是礦產(chǎn)地質(zhì)勘探的組成部分，以滿足勘探要求與礦山設(shè)計為目的的，這部分任務(wù)是從事地下水研討者的主要任務(wù)，后者是礦山企業(yè)為保證消費平安，提高效益、降低本錢為目的。12/27/2023第22頁1.礦區(qū)水文地質(zhì)任務(wù)是與地質(zhì)勘探親密配合的。由于礦區(qū)水文地質(zhì)任務(wù)是礦產(chǎn)地質(zhì)勘探的一個組成部分，它必需在礦產(chǎn)地質(zhì)勘探的總體框架內(nèi)作為一個整體開展任務(wù)，并全面融入其設(shè)計中，才干充分利用地質(zhì)勘探的多種勘探成果獲取水文地質(zhì)信息，以發(fā)揚最大技術(shù)經(jīng)濟效益。因此，必需了解地質(zhì)勘探的特點與過程。2.礦床水文地質(zhì)評價是與采礦條件相結(jié)合的。由于采礦活動對礦區(qū)水文地質(zhì)條件影響極大，無論是充水要素分析，還是礦坑涌水量預(yù)測，都需求思索礦床的開采條件。因此，了解礦床與采礦的根本知識是做好礦區(qū)水文地質(zhì)任務(wù)的需求。12/27/2023第23頁3.礦床水文地質(zhì)與供水水文地質(zhì)的任務(wù)目的是既相互對立又相互一致的。由于礦床水文地質(zhì)以疏干為目的，以最小礦坑涌水量獲得最大水位降為其任務(wù)目的，以豐水年雨季峰期最大水位降的平安消費保證程度為其平安觀，而供水水文地質(zhì)那么以供水為目的，以最小水位降條件下的最大開采量為其任務(wù)目的，以枯水年平安開采量的保證率為其平安觀。因此，兩者的任務(wù)重點、思想方式與對水文地質(zhì)條件的評價各異。礦區(qū)水文地質(zhì)把任務(wù)重點放在雨季峰期的充水通道過水才干和強度上，而供水水文地質(zhì)那么以枯季補給與儲水構(gòu)造的調(diào)蓄才干為其任務(wù)重點。因此，兩者是對立的。12/27/2023第24頁由于礦區(qū)疏干與供水是維系礦山生存與平安的兩大根本要素，當疏干與供水作用于同一水源時，就出現(xiàn)了排供矛盾，它成為礦區(qū)水文地質(zhì)任務(wù)的一大難點與特點。12/27/2023第25頁主要內(nèi)容第一節(jié)、礦床類型與礦床開采第二節(jié)、礦床充水條件第三節(jié)、礦床水文地質(zhì)類型第四節(jié)、礦坑涌水量預(yù)測第五節(jié)、礦床疏干與排供結(jié)合第六節(jié)、礦床水文地質(zhì)任務(wù)特點第七節(jié)、礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)12/27/2023第26頁礦業(yè)、礦區(qū)和礦業(yè)城市對人類的工業(yè)開展和現(xiàn)代化進程起著極為重要的作用，可以說礦業(yè)開展的過程就是人類工業(yè)開展的過程。但是，從現(xiàn)代礦業(yè)構(gòu)成起，伴隨著與采礦有關(guān)的資源枯竭與礦區(qū)環(huán)境問題就不斷是制約著國家或地域的社會經(jīng)濟調(diào)和與可繼續(xù)開展。12/27/2023第27頁中國是一個礦業(yè)大國、資源耗費大國和最大的開展中國家，特別是近些年來我國經(jīng)濟繼續(xù)高速開展，對能源與礦產(chǎn)的需求量越來越大，隨之而來的礦區(qū)環(huán)境問題的規(guī)模與危害程度到達了空前的地步?！叭V〞問題〔礦工、礦業(yè)、礦業(yè)城市〕與“三農(nóng)〞問題〔農(nóng)民、農(nóng)業(yè)、鄉(xiāng)村〕一樣是我國當前重要的社會問題，產(chǎn)生“三礦〞問題的一個極為重要的緣由是礦區(qū)非常嚴重的礦區(qū)環(huán)境問題。12/27/2023第28頁當前，國家高度注重處理“三礦〞問題，因此如何研討、治理礦區(qū)環(huán)境問題是一項非常重要的課題。礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題涉及的范圍很廣，至今尚無一致的認識和缺乏全面論述。在諸多問題中許多是屬于環(huán)境水文地質(zhì)范疇，有些是屬于有地下水參與的工程地質(zhì)范疇。有的環(huán)境工程地質(zhì)問題，產(chǎn)生時雖無地下水參與，但其構(gòu)成后，那么對礦區(qū)水文地質(zhì)條件和礦井水運動有較大的改動。按礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題的性質(zhì)，主要有三種類型：12/27/2023第29頁采礦本身要求把能進入井巷或要挾井巷的水有效地從采場周圍疏于，因此需排出大量的礦井水，使附近地下水位大面積、大幅度下降。而排出的水又多已被污染，不宜運用，結(jié)果呵斥礦區(qū)附近包括礦山企業(yè)本身淡水資源的供應(yīng)緊張，使原有地下水環(huán)境轉(zhuǎn)化為無水環(huán)境，產(chǎn)生供、排水矛盾。排水疏干引起水環(huán)境惡化的問題是多方面的：一、礦區(qū)供排矛盾問題12/27/2023第30頁〔1〕供水水源減少或枯竭。由于礦床疏干的水位降落漏斗遠遠超越其開采面積，除疏干范圍內(nèi)的井泉出水量變小甚至枯干外，還可引起地面塌陷、裂痕和向井巷涌泥沙等環(huán)境地質(zhì)問題?！?〕改動了水循環(huán)環(huán)境。開挖井巷或礦坑疏干，可溝通各含水層和不同的補給源，使水循環(huán)環(huán)境惡化。這可產(chǎn)生兩種后果：①可使礦井得到新補給源，在添加礦井涌水量的同時減少當?shù)毓┧こ痰某鏊浚虎跍p少礦井涌水量的同時減少供水量或使之枯竭。12/27/2023第31頁〔3〕地表浸透條件的變化，改動或破壞了原地表水情況，甚或?qū)е峦凰鹿??！?〕改動含水層的邊境條件。如原為不透水邊境可轉(zhuǎn)化成透水邊境；自然排泄區(qū)可轉(zhuǎn)化為補給區(qū)；地下分水嶺可外移，添加補給區(qū)面積；以及海水倒灌補給等。這些都可添加礦井涌水量，使水量變壞和減少淡水資源，導(dǎo)致水環(huán)境惡化。12/27/2023第32頁無論是露天還是地下開采，不論大中小型礦山，隨采礦開展，無例外地會在不同程度上改動或破壞了礦區(qū)的地面形狀和巖土體原貌，使環(huán)境地質(zhì)條件惡化。因地下開采呵斥的礦區(qū)巖土體破壞所導(dǎo)致的環(huán)境地質(zhì)問題主要有：二、礦區(qū)巖土體破壞問題12/27/2023第33頁1.礦區(qū)地面塌陷、裂痕和沉陷地面塌陷、裂痕和沉陷是巖溶充水礦區(qū)產(chǎn)生的主要環(huán)境水文地質(zhì)問題。在巖溶充水礦區(qū)，隨疏干常引起地面忽然產(chǎn)生塌陷，有的礦區(qū)還伴生有地面裂痕。須指出，地面塌陷等不僅構(gòu)成在礦區(qū)，在過量抽取地下水的非礦區(qū)，也會大量的構(gòu)成。12/27/2023第34頁2.礦區(qū)的山巖開裂及巖石崩坍礦區(qū)山巖開裂與崩坍，多發(fā)生在被開采礦層上部的地層中，主要受剝蝕卸荷作用控制，地形上多為臨空挺拔的懸崖峭壁、突出山咀和孤峰。由于在峭壁下開挖，構(gòu)成大面積采空區(qū)，使巖體自然應(yīng)力平衡遭到破壞，卸荷作用促使采空區(qū)頂板下沉變形，向上傳送，促使巖體向外傾斜，產(chǎn)生拉張力加扭力作用，構(gòu)成了山巖開裂或部分伴有崩坍和陷落。12/27/2023第35頁3.地面滑坡國內(nèi)露天與地下采礦區(qū)，都發(fā)生過這類環(huán)境地質(zhì)災(zāi)禍。撫順西露天礦南幫，曾發(fā)生過57次滑坡，是個突出的例子。產(chǎn)生緣由是地下水將軟質(zhì)凝灰?guī)r層軟化成可塑體，導(dǎo)致滑動?；瑒用嫔隙嘁娪兴蠖喟l(fā)生在雨季或雨季后，它破壞了采場內(nèi)外的巖體穩(wěn)定。美國曾有一座240米多高的煤矸石堆場發(fā)生滑坡，使臨近城區(qū)居民死亡800余人。12/27/2023第36頁4.采礦誘發(fā)地震采礦疏干、塌陷、礦山壓力和地應(yīng)力釋放，都可誘發(fā)礦區(qū)地震。普通雖無過大危害，但對礦區(qū)環(huán)境也會呵斥破壞。礦山排水或突水引起的淺源地震，在南方巖溶礦區(qū)多有發(fā)生，且與產(chǎn)生塌陷親密相關(guān)。12/27/2023第37頁由于礦床的存在和開采，多使礦區(qū)附近的地下水與地表水水質(zhì)惡化，其危害程度不次于前述各種問題。1.礦區(qū)〔床〕地下水和地表水體的污染天然污染：主要指礦床內(nèi)存在的有害人類安康及危害其它生物生存的元素或成分，在自然條件下進入地下水或地表水之中，污染了天然水體。三、采礦引起水質(zhì)惡化問題12/27/2023第38頁采礦對水體的污染主要經(jīng)過：①勘探工程溝通礦體及含水層，呵斥污染；②采礦揭露礦體，使有害元素直接進入礦井水中，呵斥污染；③采礦使不同成分的水相混合，往往使原來優(yōu)質(zhì)水污染，不能飲用；④采礦附屬工廠排放