礦山超前探水預報及水災害治理研究分析

張明新

（河北鋼鐵集團司家營鐵礦南區(qū)灤南縣大賈莊鐵礦有限公司，河北 唐山 063700）

礦山安全問題的出現(xiàn)不僅影響了礦山的正常使用，而且給人們的生命財產(chǎn)安全帶來巨大的威脅和損失。因此，為了保證礦山的可持續(xù)健康發(fā)展，必須對礦井水文地質(zhì)條件和水文地球化學環(huán)境特點等方面的內(nèi)容加以研究，從而制定科學合理的防治方案。

1 相關理論分析

1.1 超前探測技術

超前探測技術是一種新型的水文地質(zhì)勘查手段，在我國已經(jīng)有了很大的發(fā)展和進步，但是由于其測量精度低、工作量大等原因，在實際應用中還存在著很多問題[1]。①超前預報的研究目前，國內(nèi)對礦井水害的研究主要集中在以下幾個方面：一是探地雷達的使用；二是對礦井的透水性的研究；三是對礦井的開采過程中產(chǎn)生的廢水量的預測，四是如何對廢水中懸浮物的監(jiān)測等。這些都需要不斷地深入探索。②超前排水的理論研究探地雷達的原理就是利用金屬的反射特性來進行波形判斷和處理。這種波形檢測方法的優(yōu)點在于它可以同時分辨地表與地下的不同位置，而且它的分辨率非常高，不會影響到其他的因素，如：電磁波的衰減、散射的強度等[2]。因此其被廣泛應用于各種工程的勘察中。而對于深部的地下水體，探地雷達的運用也越來越普遍。

1.2 地質(zhì)構造

地質(zhì)構造是在地殼運動的過程中，由于各種原因，導致巖石或礦石的結構發(fā)生改變，從而形成了不同類型的地貌現(xiàn)象[3]。這些地區(qū)的地形、氣候、水文條件等都會對探測結果產(chǎn)生影響，而超前鉆探技術就是利用這一特點，將被測區(qū)域內(nèi)的地下流體進行收集和提取，然后對其進行分析，進而得出被測區(qū)的具體位置。根據(jù)以往資料和相關文獻可以看出，在我國一些礦山地質(zhì)災害的研究中，對于礦山地質(zhì)災害研究主要集中于以下幾個方面：①如何確定礦山地質(zhì)災害的成因；②怎樣選擇合適的方法來預測可能的危害；③采取什么樣的措施來應對礦山的破壞及人為的破壞等。而針對上述的幾種因素，需要建立一個完整的預警體系，通過該系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，來判斷該礦區(qū)的水文情況，并以此為依據(jù)，制定相應的防治方案，以達到有效的預防與治理。

圖1 一種礦井掘進探放水輔助系統(tǒng)和方法與流程

1.3 超前探水預報系統(tǒng)

由于我國礦山開采技術水平還比較落后，所以對地質(zhì)條件的要求也就越來越高，在實際的工作過程中，我們需要根據(jù)不同的情況來進行相應的探勘，保證礦山的安全和經(jīng)濟效益。但是在現(xiàn)實的生產(chǎn)中，有很多因素會影響到探測的效果以及精度，因此，必須對其進行有效的控制和管理。超前探水系統(tǒng)是由三個部分組成的：第一個是在礦井下的采礦時期，第二個是在礦井下的礦石裝卸階段，第三個就是回采的前期準備。①采掘工程的主要任務：首先，要按照設計的流程來完成，其次，要做好回采的相關記錄，最后，還要把這些數(shù)據(jù)錄入到計算機當中。②對于那些沒有辦法確定的參數(shù)或者無法準確的反映出礦體的性質(zhì)時，就要利用一些方法去測量，比如說，鉆孔爆破法、超聲波勘探法等。

2 礦山超前探水預報及水災害治理現(xiàn)狀分析

2.1 超前探測的作用

我國是世界上最大的發(fā)展中國家，在經(jīng)濟的快速增長和社會的不斷進步下，鋼鐵產(chǎn)量也在逐年增加，但是由于生產(chǎn)技術落后，管理水平不高，導致礦難事故頻繁發(fā)生，礦山開采引起的水災害也越來越嚴重。超前探測是一種對采礦條件和環(huán)境進行實時監(jiān)測的方法；它能夠有效地發(fā)現(xiàn)礦井周圍的溶洞、浮渣等有害物質(zhì)，并及時采取相應措施來控制其危害，從而減少了對周邊的影響；它還可以檢測出礦坑中的涌水量，判斷出采掘工程的安全程度，為治理礦山的突發(fā)性洪水提供了重要的數(shù)據(jù)支持。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，超前探測的方式已經(jīng)成為了一種新的手段和工具。它不僅能夠準確獲取到礦井的最新位置信息，而且還能將礦井的動態(tài)變化情況及時反映出來，從而為決策者提供可靠的依據(jù)；同時，還能將不同的地質(zhì)構造、地層結構、開采條件等因素綜合考慮進來，形成一個完整的超前預報系統(tǒng)，為采礦企業(yè)的選選方案的選擇以及設計施工的指導作用。目前，隨著國家的大力扶持，國內(nèi)各行各業(yè)的迅速崛起，礦山行業(yè)得到了迅捷的發(fā)展與壯大，但同時，也帶來了一些問題，比如：資源的大量浪費，礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用不合理，造成礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境破壞，水資源匱乏，地質(zhì)災害頻發(fā)，這些都給人們的生活以及工業(yè)的建設帶來巨大的壓力與挑戰(zhàn)。

2.2 研究現(xiàn)狀與存在問題

目前，國內(nèi)外對礦山地質(zhì)災害的研究主要集中在礦山地質(zhì)災害的成因和防治方面，而對水文、環(huán)境、工程等因素的預測和治理研究相對較少。①探地雷達技術應用較少。探地雷達是一種電磁波探測方法，它可以利用目標的地形地貌特征，通過發(fā)射波與接收波之間的相互轉(zhuǎn)換，從而得到不同的反射特性，并根據(jù)其強度的差異來確定是否存在礦山地質(zhì)災害。但是由于其工作原理是在地下進行，所以其測量精度受多種干擾的影響較大，而且因為它的成本較高，且不容易被廣大的用戶所接受。②人工神經(jīng)網(wǎng)絡的發(fā)展還不夠完善。雖然有一些新的算法能夠克服這些難題，但它們的計算量大，并且需要大量的人力物力，因此還不能很好地解決實際問題。③現(xiàn)代的計算機水平的進步也使得科技手段不斷更新，但對于礦山開采行業(yè)來說，這仍然不是一個很好的選擇方案。

2.3 超前水預報的發(fā)展

現(xiàn)階段，我國的水文地質(zhì)條件復雜，并且由于各種原因，水文地球化學過程中的變化規(guī)律難以預測，因此在進行超前探測時，往往需要對其數(shù)據(jù)的精確性和完整性做出一定的要求和限制。目前，國內(nèi)大部分礦山都采用了先進的技術手段對礦井水位、含水量以及涌出量等參數(shù)進行測量，確定其參數(shù)具體的范圍。但是這些方法的缺點是：第一，這種方式的精度比較低，而且容易受人為因素的干擾；第二，因為沒有辦法準確地掌握各礦井的實際情況，所以無法正確地反映地下水中的物理特征；第三，不能及時發(fā)現(xiàn)異常，也會造成很大的經(jīng)濟損失；第四，可能會導致事故的發(fā)生，而不能夠有效控制災害的發(fā)展趨勢。根據(jù)以上所述，可以知道，超前預報的應用主要是針對礦山開采活動，而隨著科學技術的不斷進步，通過利用現(xiàn)代的儀器設備，就能實現(xiàn)對礦山的實時監(jiān)測，從而提高預警的準確性與可靠性。同時還能為決策者提供更加可靠的信息支持。

3 礦山超前探水預報及水災害治理策略

3.1 采用先進的探測技術

水文地質(zhì)條件復雜，在實際的勘探開發(fā)工作中，由于各種原因，往往會出現(xiàn)一些問題，這些問題的發(fā)生對探測結果有很大的影響。因此，要采取一定的措施來解決這個難題。超前探水區(qū)域的劃分是一個比較重要的方面，它不僅要考慮到不同地區(qū)的差異性，還要兼顧各個因素之間的關系。超前探礦法的基本原理是：利用鉆孔、采掘、回采的方法，將礦區(qū)內(nèi)的礦石運送到指定的位置并進行深鉆，然后用儀器，對其深度和長度的變化來反映出礦體的分布情況，最后，根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)計算出相應的參數(shù)值。在我國，目前已經(jīng)有很多學者對這一領域做了大量的研究與應用。在礦山開采過程中，如果沒有及時回采，就會導致地表的壓力過大，從而使地下水位的下降；當?shù)V產(chǎn)資源的儲量超過預先量時，就會引起地面塌陷，造成人員傷亡。

根據(jù)相關的資料顯示，在我國的礦山開采過程中，每年因采掘工程而導致水災害有很大的可能性。因此，我們必須要對礦山進行科學的管理和控制，以保證其安全生產(chǎn)。在對礦井的勘察工作中，需要采用先進的探測技術，通過對地下水位的測量和監(jiān)測，確定礦坑的位置、大小以及深度，從而為后續(xù)采礦施工提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時，還需加強探地雷達的應用與推廣，利用探地雷達的高精度來提高探地雷達的分辨率和可靠性，以便更好地為礦山的勘查設計服務。在實際的勘探作業(yè)時，由于地質(zhì)構造的復雜程度不同，所以要采取的方法也會有所不同。例如：對于深部斷層，一般選用淺層法，而對于不深部的洞段，則選擇鉆孔法。

圖2 檢波器隨采示意圖

3.2 超前預報模型

通過對我國礦山近幾年的水文資料的整理和分析，可以發(fā)現(xiàn)，在對礦井水害進行預測時，多為根據(jù)所收集數(shù)據(jù)建立模型；但是，由于該方法是基于大量的歷史經(jīng)驗的總結性的理論分析，適用范圍比較小，并且在實際應用中，該模型的參數(shù)選取也存在一定的局限性，因此，其結果的準確性也會受到影響。

礦井水文地質(zhì)條件是影響礦井安全生產(chǎn)的主要因素之一，在進行礦井水害防治工作時，要根據(jù)不同情況采取相應的措施來控制和治理。在實際的礦山開采過程中，由于受到多種自然和人為的干擾，以及各種工程的破壞等，這些地質(zhì)環(huán)境的變化非常明顯，從而導致了地下水的大量流失，給礦山的正常運行帶來了很大的隱患；而在對礦區(qū)的水位、導水性、透水底徑等方面信息采集的時候，也會出現(xiàn)很多問題，所以，要對其進行準確的預測并及時處理；為了保證探測結果的準確性，還要結合現(xiàn)場的具體狀況，選擇合適的方法來確定所選的區(qū)域范圍[4]。通過對以上幾種地質(zhì)的分析比較，可以看出：對于一些復雜的褶皺構造，如斷裂帶、斷層帶、陷落柱裂隙等，都可能會造成嚴重的后果；而那些具有較高破壞性或者是易碎的礦石，則更不容易被發(fā)現(xiàn)。

3.3 預報成果分析

近幾年，我國礦山事故發(fā)生的頻率呈逐年上升趨勢，造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。在對礦井水文進行探測的過程中發(fā)現(xiàn)了很多礦井漏水量大、漏風嚴重的現(xiàn)象；在對礦井水文的調(diào)查和分析中，也有不少的問題出現(xiàn)，主要是由于漏風比較大，而且沒有及時采取措施，導致大量的漏風流入地表，而地面積水無法得到有效的處理；其次，地質(zhì)構造使得地下水位的變化比較大，所以會使地下水的補給量增加，從而使其含鹽量變大，最終致使水質(zhì)的惡化；最后，在對礦坑的治理上，也存在著許多的不足之處，比如說，對于一些老礦山來說，其排水系統(tǒng)的設計不合理，不能滿足新時代的要求，以及施工的技術水平不高等，這些都是影響礦山超前排水區(qū)域的重要因素。

①在對礦井水文地質(zhì)資料進行詳細的收集和整理后，根據(jù)礦井實際情況，對礦井水文地球化學數(shù)據(jù)的采集和處理，確定各含水量點的具體位置，并結合相關的理論知識，對含水層的厚度、深度、分布范圍等參數(shù)做出了相應的計算方法。②在對礦井的水位探測的基礎上，利用物探技術，通過物探儀器采用氣相色譜法，并將物探設備與計算機相結合，實現(xiàn)多學科綜合分析，為后續(xù)的工作提供可靠的信息支持。③在完成以上的工作后，將所得到的結果與以往的經(jīng)驗作對比，發(fā)現(xiàn)該結論的可靠性較高，可以為以后的研究打下良好的鋪墊。④對于礦山工業(yè)廢水中的有毒有害物質(zhì)，應采取有效的防治措施，以保證礦山的安全生產(chǎn)。⑤針對不同的工況選擇合適的預報方案，提高預測效果。

3.4 水情預報案例

20世紀90年代，我國西部地區(qū)出現(xiàn)了大量涌泉現(xiàn)象，嚴重影響了當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展。在這一時期，涌泉的危害主要是由于地表下滲、地下水的補給和地下水位的下降造成的；而在這一時期，涌泉的危害是由地殼運動引起的；而當水的作用超過其自身的承受能力，就會對其產(chǎn)生巨大的破壞力，從而引發(fā)重大的災害事故。根據(jù)以上的原因分析，可以發(fā)現(xiàn)，在礦井的設計過程中，要充分考慮到可能發(fā)生的各種因素，并采取有效的防治措施。

①對涌泉的預測和預報。通過對以往的數(shù)據(jù)資料進行整理分析，并結合實際的情況來確定，要想準確預報出該礦井的洪水位，就要從以下幾個方面著手：第一，了解該地區(qū)的地形地貌，再來判斷該礦井的地質(zhì)條件是否良好，同時，還要掌握它的構造位置，最后再開始制定合理的方案。第二點，要有針對性地選擇合適的方法去處理，這樣才能使結果更加精確。②超前預報處理對礦山開采過程中產(chǎn)生的廢水進行有效處理和回收利用，是超前預報的關鍵。在對礦山廢水量和水量的調(diào)查時，要根據(jù)實際情況，選擇合理的方法來處理，使其達到最佳的效果；在對礦坑的開挖工作中，要注意及時監(jiān)測礦坑的水位變化，以便采取相應的措施來控制地表的塌陷。③對于已經(jīng)被污染的區(qū)域(如礦區(qū)周邊的居民區(qū)、工廠等)，要做好污水處理以及回用的問題；④由于采礦活動會帶來大量的粉塵，所以需要加強管理，防止粉塵擴散和揚塵傳播；⑤在施工的時候，應該盡量避免使用爆破法，這樣可以減少灰塵的排放量，提高工程的安全系數(shù)。同時，還應采用噴灌的方式將巷道掘進，使其保持一定的距離，并保證噴灌的深度不超過15m，以確保巷道的正常供水。

3.5 礦井水災害治理

金屬礦山的水災害是由多種原因組成的復合系統(tǒng)，其中包括地質(zhì)因素、人為活動和自然條件等。因此，在開采過程中，要對其進行有效的防治措施，以避免礦井水災害的發(fā)生和危害。

①加強管理，提高安全意識。在采掘工作中，要嚴格按照相關規(guī)定，認真落實各項規(guī)章制度，對采掘工程的質(zhì)量、施工進度以及人員的操作規(guī)范等方面都要做到心中有數(shù)。②強化監(jiān)督，保證用水。在采掘作業(yè)時，應根據(jù)實際情況，制定合理的方案來控制水量，使其保持穩(wěn)定，同時，應注意及時發(fā)現(xiàn)問題采取相應的解決辦法，確保用電的安全性與穩(wěn)定性。③完善配套設施，為排水效果提供保障。在礦山的開發(fā)建設中，應結合當?shù)氐牡匦蔚孛?，因地制宜，因勢利導，科學規(guī)劃，充分利用地下空間，減少地表徑流，降低地面沉降改善排水水質(zhì)，以達到最佳的排泄量。

4 結論

本論文主要對我國目前金屬礦山超前探測水的現(xiàn)狀進行了分析，并根據(jù)國內(nèi)外的發(fā)展情況，對礦井下地表的水文條件和地質(zhì)特征以及礦床的成因類型等因素，提出了在不同階段，針對金屬開采過程中可能出現(xiàn)的各種危害。為防止采礦過程中發(fā)生突發(fā)性災害，在選礦工作中，要采取相應的防治措施，以保證礦山的安全生產(chǎn)。