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中国矿井物探网 - 矿井地质 - 矿床充水因素(一)
 
 
矿床充水因素(一)
信息来源:网站编辑部   添加日期:2015-2-5   浏览次数:3191
营销中心 苏敏敏 整理
    矿体尤其是围岩中赋存地下水,这种现象称矿床充水。这些地下水及与之有联系的其它水源,在开采状态下造成矿坑的持续涌水。把水源涌入矿坑的途径称充水通道。水源与通道构成了矿床充水的基本条件,其他各种因素只是通过对水源与通道的作用,影响矿坑涌水量的大小,称充水强度影响因素。水源、通道、强度影响因素,通称矿床充水因素,它们在充水过程中的不同组合,形成了不同的充水条件。其中,充水源的规模,充水通道的导水性以及导致采后发生变化的采矿因素,是矿床充水因素分析的重点。
    充水因素分析贯穿矿床勘探与开采的全过程。勘探阶段充水因素分析主要根据矿床所处的自然环境及矿区水文地质条件,初步预测采后主要充水水源和通道,为矿坑涌水量的预测提供依据;开采阶段充水因素分析更具体,可结合具体开采条件为解决矿坑充水水源和充水通道问题所采取的防治措施提供依据。
一、充水水源
(一)大气降水
    大气降水是地下水的重要补给水源,所有矿床充水都直接或间接与大气降水有关。有时降水还是唯一的充水水源,注入位于当地侵蚀基准面以上的矿床和无地表水分布的矿区等。研究降水对矿床充水的意义:一是降水作为矿床水文地质分区要素的宏观影响;二是对以降水补给为主的矿床的直接作用,如分水岭地段和地下水位变幅带内的矿床,矿床浅埋充水含水层基本裸露的矿床,西南高位岩溶管道充水的矿床;三是季节性降水对位于调蓄库容巨大的蓄水构造中矿床的影响。
1.充水特征
    降水量大小决定降水对矿床充水的根本原因,造成南方湿润多雨地区的矿床充水强度普遍大于北方半干旱地区,而西北干旱地区的矿坑涌水量很小;降水入渗随矿体埋深而减弱,并出现涌水量滞后的特征;矿坑涌水量呈季节性周期变化,最大涌水量是正常涌水量的数十倍;矿坑出现突然涌水均与降水强度有关,一般出现在暴雨后数小时至数日内,矿坑淹井都发生在历史上最大降水量的丰水年。
2.评价方法
    分析降水的充水影响,首先要考虑矿体与当地侵蚀带和地下水的关系,以及地形的自然浅水条件,然后具体地分析矿体的埋深、入渗条件和汇水条件。矿坑涌水量预测的重点是丰水年雨季峰期的最大涌水量,预测方法常以均衡法为主,尤其是位于分水岭地区的矿床,其雨季地下水渗流场呈大起大落的垂向运动,与渗流理论的基本原理根本不符。山区降水入渗系数可通过小流场均衡实验实测获取,或选用宏观经验值;平原地区一般根据降水量与地下水位的长期观测资料计算取得;也可引入数值方法,运用分布参数系统数值模型的调参求得入渗参数的平面分布值;在泉域地区还可采用描述地下水排泄量(泉流量)与降雨量关系的集中参数系统模型,求得整体泉域降水的有效补给量(入渗量)及其滞后特征,但是这些天然状态值的应用,要考虑采后的影响。
(二)地表水
    位于矿区或矿区附近的地表水,往往成为矿坑水的重要充水水源,给采矿造成很大威胁。因此,地表水是矿床水文地质条件复杂程度划分的重要因素之一。
1.充水特征与补给方式
    地表水的规模及其矿体之间的距离,直接影响矿床的充水强度。一般地表水的规模愈大,距离愈近,威胁也愈大,反之则小。位于季节性河流附近的矿床,平时涌水量一般不大,仅在雨季地表水出流时需防洪;随采深增加,地表水的影响也会明显减弱。如湖南某矿,在河下50m处涌水量为3.36×104m3/d,采深120~150m时,平均涌水量仅0.35×104m3/d。此外,若对矿坑排水管理不当,其回渗量也可成为矿坑水的重要来源。如湖南某煤矿,在治理前的一段时期内,其矿坑排水的下渗量占总涌水量的22.3%。
    地表水对矿床充水影响的强弱,取决于地表水对矿坑的补给方式:
    (1)渗透补给
    这种补给方式无大水矿床,其条件是充水围岩以裂隙为主,或地下水分布弱透水层。前者如海下采矿的辽东华铜等矿,主要充水围岩是含微裂隙的前震旦系大理石,岩层倾向海且上覆片岩为隔水层,阻挡了海水的大量入侵,至20世纪60年代开采已伸入海岸200m,最大采深已在海平面以下693m,矿坑总涌水量1.74×104m3/d,主要是断层和裂隙引入的第四系孔隙水,矿坑总涌水量1.74×104m3/d,海水入渗量占总涌水量的9.8%,约为0.17×104m3/d;后者如湖下采矿的大冶铜汞山矿,充水含水层为岩溶较发育的三叠系灰岩,但湖底分布黏土隔水层,矿坑涌水量仅为0.89×104m3/d。
    (2)灌入式补给
    大多数发生在大水矿床中,如:
    ①海水从中奥陶系灰岩在海底的溶洞倒灌的辽东复州湾黏土矿,上世纪80年代矿坑-105m水平的实际涌水量为5.11×104m3/d,数值法预测-105m水平的涌水量为27.5×104m3/d。
    ②河水沿疏干漏斗内河床二叠系茅口灰岩的岩溶坍塌坑回灌的湖南恩口煤矿,在1977、1980、1990年三次暴雨中,两条河水断流,沿河床坍塌回灌,矿坑水涌水量分别为0.5×104m3/d、>0.5×104m3/d、24×104m3/d。
    ③河流通过强透水冲击层直接灌入的内蒙元宝山煤矿,数值法预测矿坑涌水量为33×104m3/d。
2.评价方法
    对地表水补给条件的评价,应从上述两种补给方式的基本条件入手,分析河水通过导水通道灌入矿坑的可能性。一是地表水与充水围岩之间有无覆盖层及其隔水条件;二是开采状态下有无出现导水通道的条件,如覆盖层变薄或尖灭形成“天窗”、断裂破碎带、地面塌陷、顶板崩落等。此外,应利用一切技术手段掌握地表水与充水围岩之间的水力联系程度,如:抽水试验、地下水动态成因分析、实测河段入渗量或用数值法反演计算不同河段的入渗量等。但是准确评价大型地表水的充水强度是很困难的,往往直至矿井开采结束前都在观测研究地表水溃入的可能性。
    在地表水下采矿时一般要采用保护顶板稳定性的采矿方法,如充填采矿法、支撑采矿法等,有的矿床也只能暂时放弃。
(三)地下水
    地下水是矿坑涌水的直接来源,造成矿坑涌水的含水层称充水含水层(或充水围岩)。同时它还是其他水源作为充水层的补给源进入矿坑的主要途径。因此,研究矿区地下水实际是研究含水层的充水条件。
1.充水特征
    充水含水层的空隙性决定矿床的充水强度。空隙是矿床水文地质分类的依据。在宏观上,岩溶充水矿床最强、裂隙充水矿床最弱、空隙充水矿床居中。我国的大水矿床(指矿坑涌水量大于10×104m3/d)多为岩溶充水矿床。
    充水含水层与矿体的接触关系决定了矿坑的进水条件。充水含水层的规模及其补给径流条件,影响矿坑涌水量大小和动态。规模大、补给径流条件好,矿坑涌水量大而稳定;反之,涌水量随排水逐年减小,易疏干。此外,开采初期矿坑涌水量受储存量影响大,后期则主要反映充水含水层的补给径流条件。
    我国威胁最大的充水含水层依次是:北方中奥陶系灰岩、南方二叠系茅口灰岩和石炭系壶天灰岩,共同特点质纯、厚度大、岩溶发育,90%的大水矿床分布其中。
2.评价方法
    对充水含水层的研究和评价,除传统的方法外,最有效的技术方法是抽(放)水实验。对于一般的充水矿床,常通过一个至数个典型地段的抽水实验,查清典型地段含水层的水文地质条件,获取充水含水层的代表性水动力参数及涌水量与水位降的统计关系,作为评价其富水性及补给径流条件的依据,并为解析法和数理统计方法等矿坑涌水量预测方法提供基本数据。对于水文地质条件复杂的矿床,上世纪70年代以来,我国普遍采用大流量、大降深、大口径、大范围的大型群孔抽水实验,从整体上揭示充水含水层的结构特征及其补给、径流、排泄条件,作为充水条件评价的依据,大大提高了对大水矿床的勘探和评价的水平。
(四)老空水
    老空水是指被废弃矿坑和淹没的生产井巷中的积水,是矿区浅部采矿常见的充水水源。老空水涌水一般来势凶猛,酸性大并含有害气体,携带块石,破坏性大。同时,老空水涌水还可成为其他水源涌入矿坑的通道,此时危害更大。老空水年代久远,分布范围不清,调查困难。老空水的调查很重要,主要通过调差编制老空水空间分布,划分危险区,估计容积水量,查清与其他水源的联系。
    除上述几种主要水源外,玄武岩中的同生、次生洞穴,煤矿中因煤层自然形成的空洞均充满积水,虽然储存量不大,有时也会对开采造成不良影响,尤其是当它们成为导水通道时,因此也应给予一定的关注。

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