水文地质工作在矿业整装勘查中的重要作用与现实意义

刘民生

（四川省地矿局九一五水文地质工程地质队，四川 眉山 620010）

国土资源部以国土资发〔2011〕55号文下发《关于进一步完善矿业权管理促进整装勘查的通知》，提出划定整装勘查区、加快整装勘查区矿业权设置方案编制和审查、优选实施整装勘查的探矿权人、落实探矿权人整装勘查责任、严格规范探矿权转让及矿种变更等多项措施以促进整装勘查快速突破。按照找矿突破战略行动的总体部署，在全国重点成矿区带，以国家紧缺矿产为主攻矿种，优选成矿条件好、找矿风险大而又具有找矿突破潜力的地区设立整装勘查区，集中实施整装勘查。

近年来，因矿坑（井）涌（突）水造成重大安全事故事件频繁发生、造成开矿困难甚至停产现象层出不穷，因矿坑巨量涌水淹没矿井而抽排水造成开矿成本增高，凡此种种皆因不重视矿区水工环地质勘察评价或因矿山水工环地质条件未查清所致。在矿业勘查、开发的各阶段查清矿区水文地质工程地质环境地质条件，分析研究并提出相应的解决办法或应对措施，具有重要作用与现实意义。

1 矿山勘查、开采中不重视水工环地质技术

整装勘查是根据矿床的形成规律，以矿集区单元把分散的探矿权，勘查技术、资料信息、资金、人员和设备等勘查要素进行优化整合，统一勘查部署，统一组织，实现统一综合研究，协调有序的推进矿产勘查方式。

深部找矿、探矿、采矿将面临诸多技术问题，矿坑（井）涌（突）水问题是其中非常突出的问题之一。纵观现有规程规范、技术要求，对作为开采技术经济条件之一的矿区水工环地质要求不多；抑或是找矿、探矿、采矿等活动，人们也基本不重视矿区水工环地质技术工作，或对其分析研究评价不足。

2 矿坑（井）涌（突）水的来源

2.1 矿坑（井）充水的自然因素

矿坑（井）充水的自然因素包括：大气降水、地表水、地形、基岩出露程度、岩石成分、覆盖层的作用、地质构造和埋没的古代地形等。

1)大气降水：是矿井充水主要因素之一。除了一部分被蒸发和随河流流走以外，另一部分则沿着岩石的孔隙、裂隙渗入矿井。大气降水在不同地区、不同季节、不同开采深度对矿井充水的影响也不相同。在降雨量少的川西北高原地区，矿井涌水量相对较小；在降水量多的四川盆地盆周山地区，矿井涌水量就大.即使在同一个地区内，由于大气降水量是随着季节变化的，矿井涌水量一般也随之发生周期性的变化。在一般情况下，矿井涌水量是随开采深度的增加而减小；也有的矿井，其涌水量却随开采深度的增加而增加，这是由于开采的愈深，水文地质条件愈加复杂的原故。

2）地表水：河流、湖泊、水溏、水库等是矿井充水重要因素。在这种情况下，地表水直接或间接地通过岩石的孔隙、裂隙、岩溶等进入矿井，如河川南、川西南等临近江河、水库附近开采，受地表水威胁很大，故必须进行多项的水文地质工作，开采时采取必要的安全生产措施。

3）地形：地形对矿井充水有很大的影响，同时也影响地下水的循环条件及含水层埋藏的深度，位于侵蚀基准面以上的矿井、通常是涌水小的矿井或无水矿井。在同一地质条件下，位于低标高地区，如河谷，冲沟或低地，可能是涌水量大的矿井。如果四周地形高而中间为低平的盆地时，在雨季积水量大，地表排泄条件不好，地表水可大量补给煤系地层中的含水层，使矿井强烈充水；反之.在地形较陡的情况下，降水大部分形成地表水流流走，补给地下水量就少。

4）基岩出露程度、岩石成分和覆盖层作用：如果煤层或基岩岩层出露于地表，其中又有透水岩层，因而能大量吸收地表水并进入矿井。如果煤层或岩层上面存在弱透水层或不透水层，如粘土层或砂质粘土层覆盖，并且厚度稳定，至少在5m以上，则大气降水和地表水基本不能进行渗透。如果覆盖层是透水砂层，则水几乎都可渗入。当煤层顶板为良好隔水层时，可以把水隔开。但在某些地区由于开采地段顶板冒落，并在上部形成裂隙时，地表水可大量进入下部的透水层或巷道中去。

盆周山地区多有基岩出露，坚硬岩层裂隙和岩溶现象显著，成为水的天然聚积区域，矿井如果不对其加以防治，就会造成大量的水涌入矿井。有时裂隙和石灰岩溶洞是地表水流入矿井的通道，涌水量也会急剧增加。

岩石成分也影响充水程度、胶结很好的沉积岩，如细砂岩、粉砂岩、页岩、泥灰岩等是弱透水层或隔水层，可以有效地阻挡地表水和大气降水的渗透，使矿井充水较小。

在石灰岩溶洞发育的矿井中，其充水性很强，对开采的影响很大。如我省川南地区，石灰岩中存在大量的岩溶水，如果不及时采取措施，就有可能突然涌入矿井，造成矿井被淹事故。由此可见，在石灰岩溶洞发育的地区，必须调查清楚石灰岩溶洞的分布情况，研究生成过程，以及其补给、循环和排泄的关系，开采时，必须事先探放水，并在危险地区留设防水矿柱等措施。

5）地质构造：大量流入矿井的水往往和区域地质构造形态有关。断层破碎带常是地下水的通道和聚积区，沿断层破碎带可沟通各个含水层，并与地表水发生水力联系，是造成突然大量涌水的原因示。但是，也不是所有的断层都能造成矿井突水事故，一般来说，断层破碎带本身储存的水量并不是很大，主要是与地表水、含水层有沟通，地下水压力很大，当有足够力量突破断层破碎带和隔水层底板时才会引起突水，对煤矿生产造成威胁。此外，涌水也与断层本身透水性有直接关系，根据许多矿井的经验证明，多数逆断层透水性差，正断层透水性强，如果在矿井中有多条断层，断层的交叉处是最容易发生突水事故。如果断层破碎带充填的是较细的柔性颗粒岩石，如泥岩、粘土、煤粉等，经后期胶结牢固，也可能起到隔水的作用。

6）埋藏的古代地形：许多矿井充水决定于埋藏的古代地形形状。后期被易透水沉积物所覆盖的起伏不平的古老侵蚀区，是地下水容易积聚场所。这些地区，不仅一些含水层彼此之间有水力联系，同时含水层与地表水也有联系，有时还有古河床的存在，都给矿井充水造成了条件。

2.2 矿井充水的人为因素

矿井充水的人为因素，包括旧淹没巷道，未封闭的钻孔及不正确的开采方法等。

1）淹没的旧巷道：旧淹没巷道在老窑或者废弃的巷道中，积存着大量的地下水，一旦揭露旧巷道，就会造成严重水患，老窑和旧巷涌水时，常带有大量碎屑物和酸性水，能破坏巷道设施和开采设备。

2）未封闭的钻孔：当钻孔未封闭或者封孔质量不符合规定要求时，钻孔可成为地下水的自然通道，巷道掘进遇到钻孔时会造成大量涌水。

3）不正确的开采方法：如巷道布置不合理、采煤方法不正确、不能很好排出矿井水的采空区等，都可能造成大量的水流入巷道。当采空区顶板采用垮落法进行采煤时，常引起地表下沉，造成裂隙漏斗，如果破坏了隔水层，地下水就会涌入工作面。此外，在断层含水区由于放炮震动或发生冒顶事故时，也会发生涌水现象，有时会造成突然涌水。

在河谷地区或水体下采煤时，要特别注意巷道设计的合理性，选择正确的采煤方法，防水措施一定要严密周全。所有矿井的井口，都必须布置在历年最高洪水位以上，以免造成洪水灌入井下。

3 矿坑（井）涌（突）水对矿山安全生产的影响

矿坑突水涌水这是最常见的矿山灾害，突发性强、规模大，后果严重。生产过程中常因对矿坑涌水量估计不足，采掘过程中打穿老窿，贯穿透水断层，骤遇蓄水溶洞或暗河，导致地下水或地面水大量涌入，造成井巷被淹。矿坑（井）涌（突）水对矿山安全生产的影响主要有以下几方面：

1）造成顶板淋水，巷道积水，老空区积水使工作面及其附近巷道空气潮湿，工作环境恶化，影响工人身体健康；

2）使排水费用增加，生产效率降低，开采成本提高；

3）导致井下各种生产设备，设施腐蚀和锈蚀，使用寿命缩短；

4）突然发生大量涌水时，轻则造成生产环境恶劣或局部停产，重则直接危害及工人生命和造成国家财产损失，甚至造成人员群死群伤、矿井毁灭等灾难性损失。

4 矿坑（井）涌（突）水事故原因分析

一般的矿山企业透水事故大都是由“五因素”构成：即存在水体，措施不到位，作业人员的素质、经验和责任欠缺，避险不当，抢险失效。

1）地面防洪、防水措施不当或管理不善，地表水(多为雨季降水)大量灌人井下，造成水灾。

2）水文地质情况不清，井巷接近老空积水区、充水断层、陷落柱、强含水层以及打开隔离煤柱，未执行探放水制度，盲目施工，或者虽然进行了探水，但措施不当。

3）井巷位置设计不当。如将井巷置于不良地质条件中或过分接近强含水层等水源，导致施工后，因地压和水压共同作用而发生顶、底板透水。如此案例国内曾有发生，但为数不多。

4）井巷施工质量伪劣，致使矿井井巷严重塌落、冒顶、跑砂导致透水，或工程钻孔在固井止水前误穿巷道，导致顶板含水透水。

5）测量错误，导致巷道穿透积水区。

6）井下无防水闸门或虽有而管理、组织不当，造成透水时无作用而淹井。

7）出现透水预兆未觉察或未被重视或处理不当造成透水。

8）排水设备能力不足或设备不完好。

9）排水设备平时维护不当。如水仓不按时清挖，储水能力不足而淹井。

10）其它原因。

以上种种原因，井巷设计、施工，设备管理维护等都可以通过改进工作、修正设计、补充加固等方法措施得以纠正；而对矿区水文地质情况不清最为可怕，不清楚水文地质条件，就找不到矿坑（井）涌（突）水事故的对策，在紧急的灾难性的事故发生时束手无策。所以，重视与加强水工环地质工作，做好矿山地下水疏排、防挡、截流设计，事前做好矿坑（井）涌（突）水应急预案，从而减少减轻从业人员和国家的生命财产损失具有积极的作用。

5 矿坑（井）涌（突）水对策国内外研究现状

面对矿坑（井）涌（突）水带来的危害和生命财产损失，国内外相关机构做了长期的不断探索、研究，总结了一些应对措施与方法。

5.1 国内现状

在突水机理与突水分析方面，提出了“突水系数”、“等效隔水层”和底板隔水层中的“原始导高”等概念，经多年的试验观测与研究，认为底板突水机理是“含水层富水性、隔水层厚度及其存在的天然裂隙与水压、矿压（采动活动影响）等因素的综合作用结果”。对突水分析采用了统计学方法，力学平衡和能量平衡方法。同时，开始应用井下物探技术。如坑道透视法、井下电法、氡气测定法等来探测充水水源和充水通道，并在研究、、验证预测突水量的数字模型方面有了较大的进展。

在煤矿水灾害防治技术方面，煤矿水灾害防治技术主要有疏干降压和堵水截流等方法。疏干降压是我国煤矿防治水灾害的主要技术措施，而堵水截流是我国煤矿防治水灾害的重要方法。

5.2 国外现状

采用主动防护法，即采用地面垂直钻孔，用潜水泵专门疏干含水层水。德国就研制了高扬程（700m）、大排量（5000m3/h）、大功率（2000kw）的潜水泵，并且采用电脑自动控制来防水灾害。

在堵水截流方面也有很大的发展，开挖，护壁，清渣，疏水作业，是当前国外先进的堵水截流技术。另外利用挖沟机在松散层中修建帷幕，建造地下帷幕方法也愈来愈受到重视。

6 不同阶段水工环地质工作侧重的内容和基本要求

矿区水工环地质工作整个环节所应研究和解决的内容，概括起来就是：认知、预测、治理。

勘查阶段包括预查、普查、详查阶段，查明矿区地质、水文地质背景条件，以及这些资料彼此的关联、制约、内在的规律，主要有：矿区所处水文地质单元的规模、边界条件，地下水补给、迳流、排泄条件；矿区所在单元内含水层与隔水层分布、产状、厚度及其完整性，含水层富水与透水性能，地下水形成与运动特征，隔水层稳定性与隔水性能；矿区及其周边构造（包括断层、褶皱）的水文地质意义及对采矿的影响；不同含水层之间及其与地表水体的补给关系；矿区不同含水层地下水化学成分及地下水动态变化规律与控制因素。

6.1 预查阶段

1）本阶段的水工环工作以收集资料进行综合分析研究为主；

2）结合地质钻探，开展钻孔水文地质简易观测工作；

3）结合地质钻探，开展钻孔水文地质、工程地质编录工作。

6.2 普查阶段

1）收集资料和综合整理，综合研究；

2）结合地质钻探，开展钻孔水文地质简易观测工作；

3）结合地质钻探，开展钻孔水文地质、工程地质编录工作；

4）开展水工环综合地质调查测绘工作：分矿区水工环地质测绘和区域水工环地质测绘两个方面。其中，矿区水文地质测绘以矿区填图范围为测绘范围，区域水文地质测绘则应以完整的水文地质单元为工作范围；

5）进行必要的岩、土、水样采集和测试工作。

6.3 详查阶段

详查阶段需进行矿坑涌水量预测，因此，详查阶段的工作应在普查阶段工作基础上补充更为细致的水工环地质工作，主要工作内容应包括：

1）收集资料和综合整理，综合研究。

2）结合地质钻探，开展钻孔水文地质简易观测工作。

3）结合地质钻探，开展钻孔水文地质、工程地质编录工作。

4）开展水工环综合地质调查测绘工作，如果是普查基础上续做，到详查阶段应进行修测。

5）开展岩、土、水样采集和测试工作。

6）开展水文地质钻探与试验：应结合地质钻探开展水文地质钻探与实验，单孔孔深不超过 600m，同时开展水文地质试验。其中，大型矿区抽水试验孔一般10～15个，中型矿区一般5～10个，小型矿区一般3～5个。

7）水文地质动态观测：主要包括泉点、河流、溪沟水等的动态观测，一般每类5～10个点。

8）简易气象观测：应设置简易气象观测站，建站费用应单列，主要观测内容包括气温、降雨和蒸发量等。

9）开展具供水条件的水源地调查和采样分析。

10）开展水文测井工作，了解含水层深度、主要含水段、地下水流向和流速等。

6.4 勘探阶段

在详查基础上补充两项工作：一是加做水文地质剖面，做好采样和编录；二是补专门的水文地质勘探剖面，并要求对剖面上的水文孔进行抽水试验。

本阶段要预测评价矿产开采时矿坑（坑道）涌水量及矿区水文地质、工程地质条件演变情况和它对开采的影响，如：矿产开采时采矿系统充水因素、涌水量大小；采矿后采空区顶底板围岩产生变形后所诱发的其它含水层地下水溃入的可能性及其水量；疏干排水影响范围、程度、涉及的“还水”规模与界限；地面塌陷波及范围，危害情况；地表水对采矿的威胁、危害程度；采矿对地质构造控水性能能否改变进行评价。

勘探阶段钻孔加密后，不用全部做水文地质编录，但应按规范要求达到一定比例。

6.5 采矿阶段

采矿同时，要进行矿坑（井）涌（突）水治理工作。治理就是对不利于矿产开采的水文地质、工程地质问题施以工程予以治理。治理工作是在矿山基建与生产阶段考虑与实施的。依据有效、可行、安全、经济的原则选取治理方案。根据矿区水文地质条件与坑道涌水量大小情况，治理工程可采取疏干排水、封堵“天窗”、河流改道、排供结合、“还水”工程、帷幕堵水、利用隔水体躲水采矿等等。

采矿中可能会遇到诸多突发情况,凡属下列情况之一者，必须进行矿井水文地质补充勘探工作：①原勘探工程量不足，水文地质尚未查清；②经采掘揭露，水文地质条件比原勘探报告复杂；③矿井开拓延深、开采新矿层或扩大井田范围设计需要；④专门防治水工程提出特殊要求；⑤各种井巷工程穿越富含水层时施工需要。

矿井水文地质补充勘探的基本要求：①必须编制补充勘探设计，并按规定报批；②设计要依据充分、目的明确、工程布置针对性强，要充分利用矿井条件，作到井上、下结合；③水文地质补充勘探完成后，必须及时提交成果报告或资料；④水文地质钻孔和各种试验的施工技术要求应参照有关规程的规定执行。

7 结语

水文地质调查研究、勘察评价工作的任务是利用矿山大量探采工程更全面、详细、精确地查明矿床水文地质条件，尤其是矿床充水条件和可能涌水量及实际涌水量；对矿山开采影响极大的水文地质条件和防、排水工作的效果做出评价；在矿产勘查、开采的每一个阶段重视矿床开采技术条件研究，重视水文地质工程地质环境地质工作，树立矿产资源整装勘查理念、开展综合勘查与评价、加强对矿区生态环境保护，促进矿业可持续发展具有重要作用与现实意义。

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[4] 钟莹.《浅谈预防矿井突然涌水的超前探水措施》[N].中国煤炭新闻网，2011.

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