采礦工程對礦井水文的影響

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摘要：通過建立水文地質(zhì)概念模型，進(jìn)行相關(guān)的計算分析采礦工程對礦井水文產(chǎn)生的不利和有利的影響，將對礦井水文的影響控制在可接受范圍內(nèi)，并針對有害影響提出有效的防治水對策，為采礦工程安全、高效的工作提供保障。

關(guān)鍵詞：采礦工程；礦井；水文；防治水

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(nèi)，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(dǎo)決策。

1．1建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)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(lián)系。為了能夠找出采礦工程與礦井水文之間的具體關(guān)聯(lián)，同時為了保證含水層完整的情況下，對含水層系統(tǒng)進(jìn)行了建模。首先含水層系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括十灰和十四灰部分，含水層中的介質(zhì)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(qū)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(gòu)造產(chǎn)生了細(xì)微的變化，但由于其自身的水文發(fā)育相對良好，在這里可以將其看作是統(tǒng)一的單層結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。通過研究發(fā)現(xiàn)，模擬區(qū)的分布面積變大，地形、地貌等也發(fā)生了很大的改變，導(dǎo)致水文的發(fā)育變得極為不均勻，同時各種向異性的特征產(chǎn)生，礦區(qū)內(nèi)的含水層為非均質(zhì)且各向異性的含水層，計算公式見式（1）。μht＝QT（x，y，t）＋Qμ（x，y，t）＋Qt（x，y，t）（x，y）∈Ωt＞0（1）礦區(qū)邊界條件的建模：礦井的東邊邊界屬于斷層結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出東高西低的趨勢，落差最大達(dá)400m，而礦井的一側(cè)存在著落向相對較大的支斷層。由于含水層與區(qū)域外的多種砂巖相接觸，因此形成了隔水邊界。通過探究發(fā)現(xiàn)在含水層的東部、南部存在隔水邊界，北部、西部存在補(bǔ)給邊界。礦區(qū)輸入、輸出條件建模：在水文系統(tǒng)中輸入和輸出的主要條件是由于該地區(qū)接受到的大氣降水補(bǔ)給，且補(bǔ)給水會順著傾斜的方向由北向南形成強(qiáng)富水區(qū)。第四系將石灰?guī)r的大面積覆蓋上，石灰?guī)r同時受到了第四系孔隙中下滲的水補(bǔ)給，計算公式見式（2）h（x，y，t）t＝0＝h0（x，y）（x，y）∈Ω1（2）水文的運動狀態(tài)建模：自然界中的所有現(xiàn)象都是在三維空間中發(fā)生的，因此也包括了水文的運動。以模型的實用性和經(jīng)濟(jì)性為基礎(chǔ)，將補(bǔ)給區(qū)的水流概化為二維的平面結(jié)構(gòu)，利用三維流模擬出水文的水流運動。同時假設(shè)礦區(qū)的水文運動滿足達(dá)西定律，采用連續(xù)的滲流方程即可對水文的運動進(jìn)行描述、分析，計算公式見式（3）、式（4）。h（x，y，t）｜F1＝h1（x，y，t）（x，y）∈Ft≥0（3）Ω1＝Ω＋F1＋F2（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(cè)向補(bǔ)排量；Qμ為垂向補(bǔ)排量；h0為初始水位；h1為第一類邊界水位；Ω為計算區(qū)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(zhì)數(shù)學(xué)模型，為分析影響效果提供了平臺基礎(chǔ)，還需要根據(jù)現(xiàn)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(qū)中十灰是下組煤的頂板直接充水給含水層，經(jīng)過測量其厚度為6．24m，鉆孔發(fā)現(xiàn)巖石的破碎情況相對較多，且?guī)r裂縫處有溶蝕的現(xiàn)象產(chǎn)生。含裂縫水文承壓，其富水性也極不平均［3］。通過探究發(fā)現(xiàn)，該礦井的內(nèi)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(qū)分布。十灰含水層是補(bǔ)給條件良好且富水性強(qiáng)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(jìn)式（5）。Q＝3．17TLlgRr（5）公式中Q為大井的流量，T為計算導(dǎo)水系數(shù)，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(jīng)知道十灰的初始水位為23．52m，十灰的底板標(biāo)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＝3124．8m3／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(qū)放水口穩(wěn)定的流量值以及中心觀測孔觀測到的穩(wěn)定降深通過計算得到的數(shù)據(jù)記錄并繪制成圖。

1．3對礦井水文的影響分析

根據(jù)真實有效的數(shù)據(jù)，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(tài)，因此對于開采過程中水害方面的問題是幾乎不會出現(xiàn)的；采礦工程的實施推進(jìn)了第四系下組的下段水位的大幅度降低，能夠?qū)⒌V產(chǎn)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(fā)生的可能。不利影響：在進(jìn)行采礦工程時，若采礦活動的面積很大，在采礦區(qū)里會出現(xiàn)大量的積水沉積，嚴(yán)重影響工程的生產(chǎn)，導(dǎo)致危險事故的發(fā)生［3］；采礦工程的活動會造成第三系含水層受到影響，導(dǎo)致水位明顯下降，產(chǎn)生很強(qiáng)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(chǎn)生破裂；隨著采礦工程實施，使得原本不導(dǎo)水的礦區(qū)斷層變成了導(dǎo)水的斷層，為突水提供條件，增加突水事故的發(fā)生概率。

2防治水對策

為防止采礦工程對水文地質(zhì)的影響應(yīng)盡快完成對礦山整體的進(jìn)行防治水研究，對于礦區(qū)防治水對策應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)計，對于礦山防治水對策可以從以下幾方面進(jìn)行：首先防治水的總體對策方案選用以疏通為主，疏堵相結(jié)合的方式，據(jù)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(jìn)行疏干排水，用油排的形式進(jìn)行靜儲量的排出，這樣可以有效的降低采礦工程中生產(chǎn)階段的危險性［4］。在礦山中的永久排水系統(tǒng)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(xiàn)象產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)使用探水的方法前進(jìn)。當(dāng)遇到超過排水能力的大水點時，需要進(jìn)行局部的封堵措施同時進(jìn)行有效的控制疏放，合理的結(jié)合使用遇水會發(fā)生凝結(jié)變得巨大、膨脹的材料以及特殊的注漿工藝。再通過進(jìn)一步的驗證分析地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，獲取開拓階段地質(zhì)水文的基本資料并進(jìn)行綜合的分析。防治水在施工過程中應(yīng)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(jìn)一步的建立地面以及井下的重要部位中的水點的監(jiān)測設(shè)備，同時加強(qiáng)礦山地表及地下坑道的水位觀測工作，并重點觀察礦區(qū)以及周圍的地下水位動態(tài)變化情況，建立地下水位自動報警系統(tǒng)，制定相關(guān)的處理預(yù)設(shè)方法，保證采礦工程的安全穩(wěn)定［5］。同時在進(jìn)行注漿堵水時可能會遇到水裂紋很細(xì)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(tài)下極易凝結(jié)的情況發(fā)生，這時應(yīng)對適合該礦山的新型注漿工藝進(jìn)行更加深入的研究。

3結(jié)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(jìn)行涌水量的計算時和建立水文地質(zhì)概念模型時，將復(fù)雜的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了簡化處理，這些處理很可能會導(dǎo)致模型的預(yù)測精度不夠準(zhǔn)確，因此對于這一部分的研究還需要進(jìn)行完善處理。通過計算獲得的涌水量是根據(jù)連續(xù)幾年的地下水動態(tài)的變化情況通過詳細(xì)的研究得出的，因此還加強(qiáng)了對基礎(chǔ)地質(zhì)和水文地質(zhì)的數(shù)據(jù)收集，進(jìn)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(xù)的采井工作提供水質(zhì)和水量的詳細(xì)資料。

參考文獻(xiàn)：

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作者：崔曉偉 單位：山西三元煤業(yè)股份有限公司