張明新

（河北鋼鐵集團(tuán)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(cái)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(duì)礦井水文地質(zhì)條件和水文地球化學(xué)環(huán)境特點(diǎn)等方面的內(nèi)容加以研究，從而制定科學(xué)合理的防治方案。

1 相關(guān)理論分析

1.1 超前探測技術(shù)

超前探測技術(shù)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(jìn)步，但是由于其測量精度低、工作量大等原因，在實(shí)際應(yīng)用中還存在著很多問題[1]。①超前預(yù)報(bào)的研究目前，國內(nèi)對(duì)礦井水害的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：一是探地雷達(dá)的使用；二是對(duì)礦井的透水性的研究；三是對(duì)礦井的開采過程中產(chǎn)生的廢水量的預(yù)測，四是如何對(duì)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(dá)的原理就是利用金屬的反射特性來進(jìn)行波形判斷和處理。這種波形檢測方法的優(yōu)點(diǎn)在于它可以同時(shí)分辨地表與地下的不同位置，而且它的分辨率非常高，不會(huì)影響到其他的因素，如：電磁波的衰減、散射的強(qiáng)度等[2]。因此其被廣泛應(yīng)用于各種工程的勘察中。而對(duì)于深部的地下水體，探地雷達(dá)的運(yùn)用也越來越普遍。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造是在地殼運(yùn)動(dòng)的過程中，由于各種原因，導(dǎo)致巖石或礦石的結(jié)構(gòu)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(huì)對(duì)探測結(jié)果產(chǎn)生影響，而超前鉆探技術(shù)就是利用這一特點(diǎn)，將被測區(qū)域內(nèi)的地下流體進(jìn)行收集和提取，然后對(duì)其進(jìn)行分析，進(jìn)而得出被測區(qū)的具體位置。根據(jù)以往資料和相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，在我國一些礦山地質(zhì)災(zāi)害的研究中，對(duì)于礦山地質(zhì)災(zāi)害研究主要集中于以下幾個(gè)方面：①如何確定礦山地質(zhì)災(zāi)害的成因；②怎樣選擇合適的方法來預(yù)測可能的危害；③采取什么樣的措施來應(yīng)對(duì)礦山的破壞及人為的破壞等。而針對(duì)上述的幾種因素，需要建立一個(gè)完整的預(yù)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(yīng)的防治方案，以達(dá)到有效的預(yù)防與治理。

圖1 一種礦井掘進(jìn)探放水輔助系統(tǒng)和方法與流程

1.3 超前探水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

由于我國礦山開采技術(shù)水平還比較落后，所以對(duì)地質(zhì)條件的要求也就越來越高，在實(shí)際的工作過程中，我們需要根據(jù)不同的情況來進(jìn)行相應(yīng)的探勘，保證礦山的安全和經(jīng)濟(jì)效益。但是在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)中，有很多因素會(huì)影響到探測的效果以及精度，因此，必須對(duì)其進(jìn)行有效的控制和管理。超前探水系統(tǒng)是由三個(gè)部分組成的：第一個(gè)是在礦井下的采礦時(shí)期，第二個(gè)是在礦井下的礦石裝卸階段，第三個(gè)就是回采的前期準(zhǔn)備。①采掘工程的主要任務(wù)：首先，要按照設(shè)計(jì)的流程來完成，其次，要做好回采的相關(guān)記錄，最后，還要把這些數(shù)據(jù)錄入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中。②對(duì)于那些沒有辦法確定的參數(shù)或者無法準(zhǔn)確的反映出礦體的性質(zhì)時(shí)，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(yù)報(bào)及水災(zāi)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(jì)的快速增長和社會(huì)的不斷進(jìn)步下，鋼鐵產(chǎn)量也在逐年增加，但是由于生產(chǎn)技術(shù)落后，管理水平不高，導(dǎo)致礦難事故頻繁發(fā)生，礦山開采引起的水災(zāi)害也越來越嚴(yán)重。超前探測是一種對(duì)采礦條件和環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)采取相應(yīng)措施來控制其危害，從而減少了對(duì)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(jì)算機(jī)技術(shù)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(zhǔn)確獲取到礦井的最新位置信息，而且還能將礦井的動(dòng)態(tài)變化情況及時(shí)反映出來，從而為決策者提供可靠的依據(jù)；同時(shí)，還能將不同的地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)、開采條件等因素綜合考慮進(jìn)來，形成一個(gè)完整的超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，為采礦企業(yè)的選選方案的選擇以及設(shè)計(jì)施工的指導(dǎo)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(shí)，也帶來了一些問題，比如：資源的大量浪費(fèi)，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(zāi)害頻發(fā)，這些都給人們的生活以及工業(yè)的建設(shè)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(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害的研究主要集中在礦山地質(zhì)災(zāi)害的成因和防治方面，而對(duì)水文、環(huán)境、工程等因素的預(yù)測和治理研究相對(duì)較少。①探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用較少。探地雷達(dá)是一種電磁波探測方法，它可以利用目標(biāo)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(qiáng)度的差異來確定是否存在礦山地質(zhì)災(zāi)害。但是由于其工作原理是在地下進(jìn)行，所以其測量精度受多種干擾的影響較大，而且因?yàn)樗某杀据^高，且不容易被廣大的用戶所接受。②人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jì)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(shí)際問題。③現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)水平的進(jìn)步也使得科技手段不斷更新，但對(duì)于礦山開采行業(yè)來說，這仍然不是一個(gè)很好的選擇方案。

2.3 超前水預(yù)報(bào)的發(fā)展

現(xiàn)階段，我國的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，并且由于各種原因，水文地球化學(xué)過程中的變化規(guī)律難以預(yù)測，因此在進(jìn)行超前探測時(shí)，往往需要對(duì)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(jìn)的技術(shù)手段對(duì)礦井水位、含水量以及涌出量等參數(shù)進(jìn)行測量，確定其參數(shù)具體的范圍。但是這些方法的缺點(diǎn)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?yàn)闆]有辦法準(zhǔn)確地掌握各礦井的實(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)異常，也會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失；第四，可能會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生，而不能夠有效控制災(zāi)害的發(fā)展趨勢。根據(jù)以上所述，可以知道，超前預(yù)報(bào)的應(yīng)用主要是針對(duì)礦山開采活動(dòng)，而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過利用現(xiàn)代的儀器設(shè)備，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而提高預(yù)警的準(zhǔn)確性與可靠性。同時(shí)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(yù)報(bào)及水災(zāi)害治理策略

3.1 采用先進(jìn)的探測技術(shù)

水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在實(shí)際的勘探開發(fā)工作中，由于各種原因，往往會(huì)出現(xiàn)一些問題，這些問題的發(fā)生對(duì)探測結(jié)果有很大的影響。因此，要采取一定的措施來解決這個(gè)難題。超前探水區(qū)域的劃分是一個(gè)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(gè)因素之間的關(guān)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(yùn)送到指定的位置并進(jìn)行深鉆，然后用儀器，對(duì)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(jì)算出相應(yīng)的參數(shù)值。在我國，目前已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)這一領(lǐng)域做了大量的研究與應(yīng)用。在礦山開采過程中，如果沒有及時(shí)回采，就會(huì)導(dǎo)致地表的壓力過大，從而使地下水位的下降；當(dāng)?shù)V產(chǎn)資源的儲(chǔ)量超過預(yù)先量時(shí)，就會(huì)引起地面塌陷，造成人員傷亡。

根據(jù)相關(guān)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(dǎo)致水災(zāi)害有很大的可能性。因此，我們必須要對(duì)礦山進(jìn)行科學(xué)的管理和控制，以保證其安全生產(chǎn)。在對(duì)礦井的勘察工作中，需要采用先進(jìn)的探測技術(shù)，通過對(duì)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(shí)，還需加強(qiáng)探地雷達(dá)的應(yīng)用與推廣，利用探地雷達(dá)的高精度來提高探地雷達(dá)的分辨率和可靠性，以便更好地為礦山的勘查設(shè)計(jì)服務(wù)。在實(shí)際的勘探作業(yè)時(shí)，由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度不同，所以要采取的方法也會(huì)有所不同。例如：對(duì)于深部斷層，一般選用淺層法，而對(duì)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(yù)報(bào)模型

通過對(duì)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(duì)礦井水害進(jìn)行預(yù)測時(shí)，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(yàn)的總結(jié)性的理論分析，適用范圍比較小，并且在實(shí)際應(yīng)用中，該模型的參數(shù)選取也存在一定的局限性，因此，其結(jié)果的準(zhǔn)確性也會(huì)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(jìn)行礦井水害防治工作時(shí)，要根據(jù)不同情況采取相應(yīng)的措施來控制和治理。在實(shí)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(dǎo)致了地下水的大量流失，給礦山的正常運(yùn)行帶來了很大的隱患；而在對(duì)礦區(qū)的水位、導(dǎo)水性、透水底徑等方面信息采集的時(shí)候，也會(huì)出現(xiàn)很多問題，所以，要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測并及時(shí)處理；為了保證探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，還要結(jié)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(duì)以上幾種地質(zhì)的分析比較，可以看出：對(duì)于一些復(fù)雜的褶皺構(gòu)造，如斷裂帶、斷層帶、陷落柱裂隙等，都可能會(huì)造成嚴(yán)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(yù)報(bào)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(jì)損失和人員傷亡。在對(duì)礦井水文進(jìn)行探測的過程中發(fā)現(xiàn)了很多礦井漏水量大、漏風(fēng)嚴(yán)重的現(xiàn)象；在對(duì)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(fēng)比較大，而且沒有及時(shí)采取措施，導(dǎo)致大量的漏風(fēng)流入地表，而地面積水無法得到有效的處理；其次，地質(zhì)構(gòu)造使得地下水位的變化比較大，所以會(huì)使地下水的補(bǔ)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(duì)礦坑的治理上，也存在著許多的不足之處，比如說，對(duì)于一些老礦山來說，其排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不合理，不能滿足新時(shí)代的要求，以及施工的技術(shù)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(duì)礦井水文地質(zhì)資料進(jìn)行詳細(xì)的收集和整理后，根據(jù)礦井實(shí)際情況，對(duì)礦井水文地球化學(xué)數(shù)據(jù)的采集和處理，確定各含水量點(diǎn)的具體位置，并結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，對(duì)含水層的厚度、深度、分布范圍等參數(shù)做出了相應(yīng)的計(jì)算方法。②在對(duì)礦井的水位探測的基礎(chǔ)上，利用物探技術(shù)，通過物探儀器采用氣相色譜法，并將物探設(shè)備與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多學(xué)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(jié)果與以往的經(jīng)驗(yàn)作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該結(jié)論的可靠性較高，可以為以后的研究打下良好的鋪墊。④對(duì)于礦山工業(yè)廢水中的有毒有害物質(zhì)，應(yīng)采取有效的防治措施，以保證礦山的安全生產(chǎn)。⑤針對(duì)不同的工況選擇合適的預(yù)報(bào)方案，提高預(yù)測效果。

3.4 水情預(yù)報(bào)案例

20世紀(jì)90年代，我國西部地區(qū)出現(xiàn)了大量涌泉現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。在這一時(shí)期，涌泉的危害主要是由于地表下滲、地下水的補(bǔ)給和地下水位的下降造成的；而在這一時(shí)期，涌泉的危害是由地殼運(yùn)動(dòng)引起的；而當(dāng)水的作用超過其自身的承受能力，就會(huì)對(duì)其產(chǎn)生巨大的破壞力，從而引發(fā)重大的災(zāi)害事故。根據(jù)以上的原因分析，可以發(fā)現(xiàn)，在礦井的設(shè)計(jì)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(duì)涌泉的預(yù)測和預(yù)報(bào)。通過對(duì)以往的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理分析，并結(jié)合實(shí)際的情況來確定，要想準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出該礦井的洪水位，就要從以下幾個(gè)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(shí)，還要掌握它的構(gòu)造位置，最后再開始制定合理的方案。第二點(diǎn)，要有針對(duì)性地選擇合適的方法去處理，這樣才能使結(jié)果更加精確。②超前預(yù)報(bào)處理對(duì)礦山開采過程中產(chǎn)生的廢水進(jìn)行有效處理和回收利用，是超前預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。在對(duì)礦山廢水量和水量的調(diào)查時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況，選擇合理的方法來處理，使其達(dá)到最佳的效果；在對(duì)礦坑的開挖工作中，要注意及時(shí)監(jiān)測礦坑的水位變化，以便采取相應(yīng)的措施來控制地表的塌陷。③對(duì)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(dòng)會(huì)帶來大量的粉塵，所以需要加強(qiáng)管理，防止粉塵擴(kuò)散和揚(yáng)塵傳播；⑤在施工的時(shí)候，應(yīng)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(shí)，還應(yīng)采用噴灌的方式將巷道掘進(jìn)，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(zāi)害治理

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

①加強(qiáng)管理，提高安全意識(shí)。在采掘工作中，要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定，認(rèn)真落實(shí)各項(xiàng)規(guī)章制度，對(duì)采掘工程的質(zhì)量、施工進(jìn)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(qiáng)化監(jiān)督，保證用水。在采掘作業(yè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，制定合理的方案來控制水量，使其保持穩(wěn)定，同時(shí)，應(yīng)注意及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題采取相應(yīng)的解決辦法，確保用電的安全性與穩(wěn)定性。③完善配套設(shè)施，為排水效果提供保障。在礦山的開發(fā)建設(shè)中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛玻虻刂埔?，因勢利?dǎo)，科學(xué)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(dá)到最佳的排泄量。

4 結(jié)論

本論文主要對(duì)我國目前金屬礦山超前探測水的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并根據(jù)國內(nèi)外的發(fā)展情況，對(duì)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(duì)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(zāi)害，在選礦工作中，要采取相應(yīng)的防治措施，以保證礦山的安全生產(chǎn)。