典型矿山地下水防治与资源化调控及工程应用研究

分类号VDC密级 博士学位论文

典型矿山地下水防治与资源化调控及工程应用研究 Stu勿onGroundwaterPrevefltionandResouree

RegulationofTyPiealMineandEngineeringAPPlieation

作者姓名:邓红卫

学科专业:安全技术及工程

学院(系!所):资源与安全工程学院 指导教师:周科平教授 论文答辩日期

答辩委员会主片落上 中南大学

二00九年九月STUDYONGROUNDW舰,ERPRVENTIONAND RESOURCEREGULAI,IONOFTYPICALMINEAND ENGINEERINGAPPLICAr1ON

Adissertationsubimittedinfulfillmentoftherequirementsfortheaward ofthedegree

DOCTOROFPHILOSOPHY from

CENTRALSOUTHUNIVERSITY by

DENGHONGWEI SuPervisedby

ProfessorZHOUKEPING ProfeSS0r

SehoolofResoureesandSafetyEngineering,

CentralSouthUniversity,Changsha410083,P.R.China SePtember.20Og 公原创性声明

本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果\尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料\与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明\作者签名:日期:蝉年邺蜘 学位论文版权使用授权书

本人了解中南大学有关保留!使用学位论文的规定,即:学校有权

保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文,允许学 位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以 采用复印!缩印或其它手段保存学位论文\同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到5中国学位论文全文数据库6,并通过网络向 社会公众提供信息服务\作者签名:导师签名 :蝉年!少

;博士学位论文 摘要

地下水资源通常是与矿床祸合在一起,因此,在矿产资源的开发 过程中,研究如何解决水资源的最佳开发!治理!保护!利用,使其

在促进生态环境与社会经济协调良性发展中发挥最大的经济效益,已 经变得非常重要和迫切\本文基于多个典型矿山地下水防治与资源化 调控工程实践基础之上,着眼于/节能减排!和谐矿山0的防治水模 式,采用灾害链与孕源断链减灾理论!岩体渗流理论!水文地球化学! 计算机数值模拟等方法建立了金属矿山水害灾害链模型与水害孕源 断链减灾模型!因水害引起的塌陷次生灾害的灾害链模型,地下水配 置模型;揭示了引起金属矿水害内源的三个基本条件和外源的诱发条 件以及岩溶致塌机理,分析了塌陷孕源断链减灾途径与地下水资源的 承载力;开发了塌陷次生灾害注浆处治断链减灾防治水技术!地下水 环境恢复与再造防治水技术!改良内源的防治水技术,地下水资源配 置与调控技术,并把研究成果应用于工程实际,取得了实效\具体研 究内容如下:

(1)矿井水害灾害链结构与孕源断链减灾技术研究\应用灾害链 理论,构建矿山水害灾害链;通过对灾害链源头特性的辨识,根据孕 源断链减灾理论,建立水害孕源断链减灾模型,寻求最优的断链减灾 途径,为防治水技术方案的制订提供依据\在分析某矿地面塌陷分布 规律与塌陷活动规律的基础上,构建塌陷灾害链,开发出塌陷次生灾 害治理的孕源断链防治水技术,通过工程实例应用,验证了其良好的 防治效果\

(2)基于岩体渗流理论,进行采掘扰动对地下水渗流环境的动力

效应理论分析\在分析研究采动条件下顶板应力!应变的特征基础上, 对采动与地下水渗流场的藕合效应进行研究\引入biot经典渗流祸合 理论,分析研究了采动对地下水渗流场的改造,针对性地推导出位移 特征量的计算公式,为地下水环境修复提供理论支持\

(3)提出并实施/地下水环境恢复与再造的防治水技术0\以凡口 矿!业庄铁矿!三山岛金矿!金翅岭金矿!望儿山金矿为例,通过对

各矿地下水渗流场的数值模拟与边界条件概化,综合运用岩石力学理 论!岩体扰动渗流理论推导相关的应力!应变方程!渗流方程,通过 计算机数值模拟,确定了地下水环境恢复与再造技术的对应参数,并 知博士学位论文

指导现场试验与工程实施,综合评价均取得显著效果\

(4)地下水资源配置与调控技术研究\引入力学中的承载力概念,

理论分析地下水资源承载力,分析表征地下水资源系统的特征值及其 属性;利用水文地球化学原理与计算机模拟技术,对三山岛金矿坑水 进行预测与分类,计算出该矿地下水资源的风险特征值;基于权值配 置地下水资源配置模型,建立了云锡老厂矿区地下水资源配置模型, 规划出该矿具体的地下水调控措施\

关键词:地下水!灾害链,孕源断链,岩体渗流理论,水资源承载力

地下水环境恢复,再造技术,渗流祸合,帷幕注浆博士学位论文ABSTRACT ABSTRACT

GroundwaterresoureesusuallyeouPlewithdePosit.OntheProeess ofmineraleXPloitation,studyonhowtosolvetheoPtimalexPloitation, treatment,Proteetionandutilizationofwaterresources,makingitrealize itsmaximumeconomicbenefitonPromotingtheharmonious

develoPmentofeeologiealenvironmentandsoeialeeonomy,beeomevery Pressingandsignificant.ThePaPerbasedongroundwaterPreventionand resourceregulationofmultiPletyPiealminesandengineeringaPPlication, aeeordingto/energy一savingandemissionreduetion,hannonious

mine0waterProtectionandtreatmentPattem,aPPlyingdisasterehainand soureeehain一euttingdisastermitigationtheory,rockseePagetheory, hydrogeoehemistry,eomPuternumeriealsimulationtoestablishmetal minewaterdisasterchainmodelandwaterdisasterchain一euttingdisaster mitigationmodel,eollaPseseeondarydisasterehainmodelcausedby waterdisasterandgroundwaterresoureeconfigurationmodel.Thethree basicendogenousconditionsandtheexogenousPredisPosingeonditions ofmetalminegroundwater,andmeehanismofkarst一indueedcollaPseare revealed.Atthesametime,eollaPsesourceehain一euttingdisaster

mitigationmeasuresandthecan了ingcaPaeityofgroundwaterresourees areanalyzed.M厄terProtectiontechnologywhiehusesgroutingtreatment ofehain一euttingdisastermitigationtogovemeollaPseseeondarydisasters, waterProteetiontechnologyofgroundwaterenvironmentrestorationand recreationandiunersourceamelioration,groundwaterresourees

eonfigurationandregulationtechnologyaredevelopedandthereseareh aehievemenisareaPPliedtoengineeringPraetiee.Detailedresearch eontent15asfollows:

(l)Teehnologystu勿onminewaterdisasterehainstructureand

soureeehain一cuttingdisastermitigation.Minewaterdisasterehaineould beestablishedthroughaPPlyingdisasterehaintheory:byreeognizingthe eharactersofdisasterehainsouree,waterdisastersourceehain一eutting disastermitigationmodel15establishedaeeordingtosourceehain一eutting theory,findingouttheoPtimalchain一euttingdisastermethodand 111

犷博士学位论文ABSTRACT

ProvidingevideneesforeonstitutingwaterProteetiontechnologyseheme. AfteranalyzingsomeareagroundeollaPsedistributionregulationand aetionregulationinamine,eollapsedisasterehainwasestablished,and soureesoureeehain一euttingwaterProteetionteehnologyresearehto managecollaPseseeond娜disasterwasPutforwardandProvedthatthe watereffect15satisfaetorybyengineeringPraetice.

(2)Theoretiealanalysison勿namieeffeetofexPloitation

distuthaneetowaterseePageenvironmentPredieatedonroekseePage theory.Basedonanalysisontheeharactersofroofstressandstrainonthe eonditionofminingdeformation,eouPlingeffeetofminingdeformation andgroundwaterseePage15studied.BIOTclassieseePageeouPling

theorywasintroduced,analyzingthereeonstruetionofmining deformationtogroundwaterseePage,andcaleulationformulaof

disPlaeementeharacteristieswasdeduced,whiehProvidesthetheoretieal suPPortforrestoringgroundwaterenvironmeni.

(3)Putforwardandcan了out/waterProteetionteehnologybasedon thegroundwaterenvironmenirestorationandrecreation,,.TakeFankou mine,Yezhuangironmine,SanshandaoGoldmine,JinehilingGoldmine andV/angershanGoldmineasexamPles,bynumeriealstimulationof groundwaterseePagefieldoftheseminesandboundaryeondition generalization,eomPrehensivelyaPPlyingroekmeehanicstheory,rock disturbanceseePagetheorytodedueetherelativestress,strainand

seePageequation,eorresPondeniParametersofgroundwaterenvironmeni restorationandreereationteehnologyweremadesurethroughcomPuter simulation,andthendireetPraetiealtestandengineeringimPlementation andaequiredmagnlfieeniandobviouseffeet.

(4)Stu勿ongroundwaterresourcesconfiguration.BearingeaPacity wasintroducedfromthemeehaniesandgroundwaterresourcebearing capacityandcharactersofgroundwatersystemweretheoretieally

analyzed;Applying勿drologicalearthgeochemistrytheoryandcomPuter simulation,SanshandaogoldminePitwaterwasPredietedandseParated, andhaphazardeharactervalueofgroundwaterresoureewascaleulated. Basedonweightconfigurationteehnology,groundwaterresouree eonfigurationmodelofYunxiLaochangmineareawasestablished,and IV博士学位论文ABSTRACT

groundwaterregulationmeasurewasPlanned.

Keywords:groundwater,disasterchain,soureeehain一euttingdisaster mitigation,roekseePagetheory,waterresoureebearingeapaeity,

groundwaterenvironmenirestoration,reereationteehnology,seePage eouPling,eurtaingrouting 犷博士学位论文目录 目录

摘要......................................................................................................................,,I ABSTRACT..........................................................................................................,,111 第一章概论.......................................................................................................,,1 1.1问题的提出..................................................................................................,,1 1.2研究现状..................................,,,.............................................................,,3

1.3研究的必要性与意义...........................................................#..#.##################,,7 1.4论文主要研究内容与研究思路................................................................,,10 1.4.1主要研究容..................................................................................####################,,10

1.4.2技术路线与研究思路.........................................................................................,,10 第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究.......................................,,n 2.1概述............................................................................................................,,n 2.2灾害链源头特性辨识...............................................,,,..........................,,12

内

2.3孕源断链减灾论...............................................#.#.#################################,,14 2.4矿山水害灾害链构建................................................................................,,14 2.4.1水害灾害链式类型的辨识.........,,-..............,,,........................,,,,,,.......,,16

2.4.2水害灾害链链式图建立........................,,,.......................................................,,22 2.5矿山水害孕源断链减灾分析....................................................................,,23

2.5.1水害孕源断链链式图建立..................................................................................,,23 2.5.2水害断链减灾技术..............................................................................................,,25 2.6本章小结....................................................................................................,,26 第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究.......................................,,28 3.1矿山地下水自然渗流场分类....................................................................,,28 3.2基本特征分析......................................................................................######,,28 3.3采动动力效应理论分析............................................................................,,30 3.3.1采场顶板应力析..............................................................################################,,30 3.3.2顶板变形析.........................................................,,,................######################,,31 3.4采动与地下水渗流场的祸合效应研究....................................................,,33

3.4.1裂隙岩体自然渗流场特性二,....................................................................,,,....,,34 3.4.2采动对地下水渗流场的改造..............................................................................,,36 3.5本章小结..................................................................................................,,39 第四章塌陷次生灾害注桨处治断链减灾防治水技术研究..........................,,41 4.1概述.........................,,,...........................................................................,,41 尸博士学位论文目录

4.2地面塌陷分布活动规律............................................................................,,41

42.1地面塌陷分布规律...............,,,........................................................................,,41 4.2.2地面塌陷活动规律.....................,,,..................................................................,,42 4.2.3塌陷活跃程度分区..............................................................................................,,42 4.3地面塌陷形成机理....................................................................................,,43 4.4塌陷灾害链结构及断链减灾分析.................................................,,,,,,,.,44 4.5塌陷注浆处治断链减灾技术研究,.,..,,,,,,,,,.,....................................,,46

4.5,1地面塌陷的预防.........,,,..................................................................................,,46 4.5.2注浆断链减灾技术的工程应用............................,,,..,,,..............................,,47 4.5.3防治效果评价....................................,,,...........................................................,,51 4.6本章小结....................................,,,.........................................................,,51 第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究.......................................,,53 5.1概述............................................................................................................,,53 5.2顶板帷幕注浆防治水技术研究与运用..,,,...........................................,,54

5.2.1顶板注浆防渗帷幕厚度的确定.................................................,,,..................,,54 5.2.2顶板地下水分布特征.,,..............,,,................,,,......,,,............................,,57 5.2.3采掘活动与顶板突水的关系.......,,,.........,,,................................................,,58 5.2.4治水工程的实施.........,,,.,........,,,..............,,,............................................,,58 5.3地表帷幕截流防治水技术研究与运用....................................................,,61

5.3.1工程简介.,,,......................................................................................................,,61

理

分分

5.3.2矿区水文地质环境..................................................................,,,.....................,,62 5.3.3帷幕注浆截流方案研究,,,,,..........,,,........................................................,,,,一63 5.3.4帷幕注浆截流方案现场试验研究......................................................................,,67 5.3.5帷幕注浆参数的确定..........................................................................................,,69 5.3.6帷幕注浆截流综合评价......................................................................................,,70 5.4本章小结.....................,,,..................................,,,...............................,,70

第六章隔水层再造防治水技术研究...............................................................,,71 6.1破碎带防治水技术....................................................................................,,71

6.1.1内源一本构特征分析.,,.....................................................................................,,72 6.1.2防治水方案研究..,,...........................................................................................,,72 6.1.3防治效果评述,,,...........................,,,....................................................,,,..,,74 6.2井下强径流带)过水通道封堵防治水技术........................................,,75

6.2.1地下水本构特征分析..........................................................................................,,75 6.2.2灾害内源特征分析....,,,........................,,,.........................,,,....................,,76 6.2.3过水通道封堵防治水方案研究.......................................................,,,............,,76 6.3被淹矿井恢复技术........................................................,,-.....................,,79

6.3.1地下水环境本构特征分析.........,,,..................................................................,,79博士学位论文目录

6.4本章小结....................................................................................................,,84 第七章地下水资源配置与调控技术研究.......................................................,,85 7.1地下水资源承载力理论分析....................................................................,,87 7.2地下水资源承载力数值分析....................................................................,,89 7.2.1地下水资源系统的可恢复性...,,,...................,,,.........................,,,...,,,,,二90 7.2.2地下水资源系统的易损性.......,,,....................................................................,,91 7.3基于水文地球化学的坑水资源量的预测与分割....................................,,92 7.3.1地下水资源量的预测模型.......,,,..,,,...........................................................,,92

7.3.2预测结果与评价..................................................................................##...#...#######,,95 7.3.3坑水资源分类............,,,.................................................,,,....#######################,,% 7.3.4地下水资源特性分析...............,,,..........................................................,,,...,,99 7.4地下水资源配置与调控技术研究............................................................,,99 7.4.1地下水资源配置模型分析...........................................................###.#..#############,##,,99

7.4.2基于权重配置模型的地下水合理配置研究....................................................,,101 7.4.3地下水资源调控技术与措施............................................................................,,102 7.5本章小结..................................................................................................,,104

第八章总结与展望....................,,,.,,.....................................####################,,105 8.1全文总结...................................................................................................,,105 8.2论文创新点..............................................................................................,,106 8.3讨论...........................................................................................................,,106 参考文献.............................................,,,.........................................................,,108 致谢.................................................................................................................,,123 攻读博士期间主要研究成果.............................................................................,,124 犷博_{学位论文第一章概论 第一章概论

问题的提出

矿床开采的生产安全!绿色环保!节能减排一直是普遍且未很好解决的难题\如山东莱芜矿谷家台二矿区1999年发生的特大井下涌水事故,造成29人死亡; 2001年7月17日凌晨3时广西南丹县境内的大厂矿区拉甲坡锡矿和龙山锡矿因 矿坑涌水,导致这两个矿山同时被淹,死亡81人;湖北省大冶市鲤泥湖铜铁矿

于2002年5月在一165m中段101采场进行试采时,在回采中局部破坏了上盘大 理岩,遇溶洞突然涌水,出现淹井;2002年8月9日,郑煤集团戈湾矿发生透 水事故,10名矿工遇难\煤矿水害是与瓦斯!煤尘等并列的矿山建设与生产过 程中的主要安全灾害之一\据资料不完全统计卜3],在过去的20多年里,有250 多个矿井被水淹没,死亡1700多人,经济损失高达350多亿元人民币,特别是2002 年至2003年突水淹井事故呈现出上升的趋势;统计表明,2003以来我国煤矿发 生特大突水事故14次,其中国有重点矿井2次,地方国有煤矿4次,乡镇煤矿 8次\在这些突水事故中因小煤窑及废弃矿井诱发的有10次,陷落柱及构造因 素诱发的3次,其它原因的1次\仅7月到9月三个月内发生10人以上死亡的 突水事故就有13次以上,其中国有矿井1次,地方煤矿4次,乡镇煤矿8次\气气气山山西宿洲矿难.澳月... 图1一1矿山突水事故案例

山东三山岛金矿,采用疏干排水,引起了较严重的海水入侵,来自海洋的

坑水由过去的40%上升至现在的60%,每年光排水电费就达1000多万;望儿

山金矿[4],采用疏干排水,主要的地下水过水断面没有进行注浆封堵,年排水博_七学位论文第一章概论

费用800多万元,长年排水,破坏了当地的地下水资源,原先靠浅层地下水生 长的农作物减产欠收,并引发村民矛盾;湖南郴州鑫源矿业公司铜铅锌矿!安 徽安庆铜矿,防治水方案采用疏干排水,导致地面塌陷频发!河流塌断!居民搬 迁,公路也面临破坏,这些结果又进一步加剧了地表水向井下灌入,井下涌水量 显著增大,造成井下泥石流!井下泵房排水吃紧,另外,水源对该矿来讲又是十 分紧缺的,选厂和村民生活用水!农田灌溉都需要水资源,水资源的供排矛盾加 居叮\

为了确保采矿环境的安全,矿床都必须处于相对疏干状态\因此,各矿采取

的防治水害的措施首选疏干排水[5],防治水方案的制定也是集中在井下的突水或 透水两个方面,很少研究/疏干排水0治理水害带来的负面影响\矿区地下水都 处于强过量开采状态,致使地下水补给平衡受到破坏,引起地面塌陷!海水入侵! 土地盐渍化!地下水污染!生态环境恶化等,陷入一种恶性循环链中\随着矿业的发展,深部带压开采矿床资源不可避免\带(水)压开采(以下

简称/带压开采0)技术,如图1一2所示,是指当矿层底板隔水层承受较高水压 时,在不进行或很少降低含水层水头压力的情况下,确定能否安全采矿的技术\##导水构造探测测

##封闭不良钻孔(位置不详)))

(((((((((((((((((((((((((((((((静态评价)))

##带压开采预测(及评价)))))))))))))))))))))##########力学校核核核核深深深深带带带带带带带带带带带带带带

部部部部压压压压压压压压压压压

开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开

采采采采采采采采采采采采采采采采采采采采采######透水监测测测矿压显现规律律

##涌水量预测测测排水能力核定定 留留设防水矿柱柱 ##涌水量预测## 帷帷幕截流流

图1一2带压开采技术的基本研究内容

长期以来,因为金属矿水害而给国家和人民带来的经济损失和人身伤亡极为 惨重,特别是近几年,随着矿业的迅速发展,矿产资源的开发深度在不断加大, 工作面的空间尺度在不断增加,矿井采掘速度和机械化程度明显提高,这种高产

高效的生产管理方式对防治水害安全技术的要求也越来越高\随着矿产资源的开博士学位论文第一章概论

采方式,开采深度和采场空间尺度的变化,水害产生的条件!危害程度,以及水 害形成机理都在发生很大变化\

水是自然生态的生命源泉,万物赖以生存的环境因子,更是人类社会发展的 重要物质资源\就矿山而言,水资源通常是与矿床祸合在一起,因此,在矿产资 源的开发过程中,如何研究解决水资源的最佳开发!治理!保护!利用,使其在

促进生态环境与社会经济协调良性发展中发挥最大的经济效益,已经变得非常重 要和迫切\

80年代以前,矿山防治水技术[61基于矿井水是一种潜在危害的思想发展起来 后,为了减轻水对采矿环境的影响,矿山通常采取疏干排水的防治水害方法,把 水资源与矿产资源硬生生地割裂开来,没有从自然生态的整体性出发分析研究矿 产开发导致的环境负效应,致使地下水补给平衡受到破坏,使矿区陷入地下水 污染和生态环境恶化的恶性循环链中,同时还引起矿山排水费用的不断飘升, 消耗大量电能,有的矿山年排水电费甚至超过千万元\随着科技与人的认知水 平的提高,人们认识到矿井水是水资源的一种,/水资源是基础性的自然资源和 战略性的经济资源,是经济社会可持续发展和维系生态平衡!保持环境优美的重 要基础0\因此,矿山防治水技术必须走一条/节能减排,可持续发展0的新路

子=7一8j,把矿坑地下水作为一种可利用资源对待,着力进行过度抽排地下水可能 诱发的环境地质灾害链的结构与控制的研究,探索!创新和推广应用适应新的目 标的水害防治技术与方法,对于体现/节能减排,可持续发展0!实现安全高效 生产具有重要意义\使矿业逐步向环境友好型!绿色环保型!协同和谐可持续发 展的目标迈进\2研究现状

众所周知,目前我国正处于工业化中期的后半阶段,社会经济已经进入了快 速发展的轨道\然而,随着国民经济的快速发展,包括能源!矿产资源和水资源 在内的自然资源已经逐渐成为我国经济发展的主要约束\节能减排0!/循环经 济0!/安全生产0等已经成为我国经济建设过程中不可回避的热点问题\随着人 们环境意识的不断提高,矿井水亦不仅是以/害0的形式出现,人们在更多的情 况下把矿井水当作一种资源加以利用,因此,矿山防治水技术逐渐与矿井水资源 化技术结合在一起\

(l)矿山水害产生的条件及主要影响因素研究方面缺乏理论支持\

目前对矿山水害产生的条件及主要影响因素研究主要涉及三个方面的问题: 充水水源是否存在!充水途径是否存在,充水强度如何\而矿山防治水理论研究

有如下趋势:1与现代科学的新理论新学科紧密结合,如系统论!信息论!控制博士学位论文第一章概论

论及相应产生的系统科学!环境科学!信息科学等,近年来正在发展的开放复杂 巨系统理论!非线性动力系统理论=9一川!以及耗散结构理论等,都会对今后该领 域理论的发展发生深远影响\o现代应用数学与水文地质学的结合,特别是数值 模拟方法[./,.3,26]得到普遍应用,模型研究成为水资源研究的主要内容,使水文地 质学从定性研究发展到定量研究的新阶段\地下水的研究,从地下水系统与自 然环境系统相互关系的研究,扩大到与社会经济系统相互关系的研究;而地下水 资源的研究,也从数学模型发展到管理模型与经济模型的研究\?许多新的分支 学科的产生与发展,如区域水文地质学,岩溶水文地质学!遥感水文地质学!环 境水文地质学!医学环境地球化学!污染水文地质学,以及数学水文地质学!水 资源水文地质学等\?新技术!新方法的应用,除计算机技术外,如遥感技术! 同位素技术!自动监测技术!室内模拟技术,以及有关水质分析技术等,都得到 普遍应用,将对推动该领域理论的发展发挥重要作用\

因此,本文将以灾害链理论为支撑,建立水害灾害链结构,以孕源断链为基 础,建立水害断链模型,为防治水害提供理论支持\

(2)地下水条件模拟过程中缺乏采动条件下地下水渗流动力效应研究\

地下水模拟研究方面的主要方法可以概括为:数学模型法与物理模型法\数

学模型法首先要把复杂的实际水文地质条件概化为水文地质模型\这个模型一方 面对实际地下水流具有较高的仿真度,另一方面能够用已知的数学工具进行定量 描述\定量描述的结果就构成了水文地质模型的数学模型\对此模型求解,用其 解表征研究区域地下水的运动规律[.4一.0]\物理模型法首先要将复杂的水文地质 条件概化为简单的水文地质模型,与数学模型法不同之处是,物理模型法是采用 相似的物理模型去比拟水文地质模型,通过研究物理模型来认识地下水流的运动 规律[20一23]\

地下水渗流场数值模拟[24一27]技术通过研究构造裂隙网络的成因!含水介质 特性及水力联系;研究以破碎带为主的导水构造工程地质特征及导水性;研究地 下水的通道!补给方式!数量及其随深度变化规律,对水文地质边界进行合理的 概化,建立矿区水文地质模型,在此基础上采用相关技术,通过正!反演数值计

算模拟地下水渗流场,建立矿区水文地质数学模型并预测矿区不同阶段任一点的 水位!涌水量及治水工程虚拟实施后的变化情况,从而为矿山综合防治水方案的 试验研究提供依据\这一技术的突破,解决了地下水解析解应用的/瓶颈0\众所周知,地下水流的解析解及其应用的局限性有: 1难以适应复杂的水文地质几何边界\

地下水流的解析解中有两个基本模型:博士学位论文第一章概论 _-\胡!_附1}一--;-+一)}=百)又\日z)口zt>0,Z>0 H分,, H行,才 t=0,了>0

t>O,Z今的(1一l) :\叮t>0 从风!厂)=l)=竺即 1日H +一)

Z日Z)_s竺日Zt>0,0

t>0,Z=R(1一2) t>0Q一淤 其中:

第一个模型的解为:

rr;;Q俨e一刀\二月二月\一下下~万l)u产 4侧明刀 (1一3)

第二个模型的解为:

H=H\一典几\丝一:访,川2对.[r/8(l一4)

第一个模型的解称为承压非稳定流的泰斯公式,它的近似式为雅各布公式\第二个模型当t足够大时,可获得计算井壁水位的承压稳定流裘布依公式: H!二HO0.366Q,_R~一一瓦丫一一-19) 1rw(l一5)

第一个模型适合于无限大定水头补给边界,第二个模型则适合于具有圆形,

半径为R的定水头补给边界\而实际的几何边界总是介于两者之间\对于有界的 含水层,由于两个模型都是线性的,因此可以利用叠加原理求解,但在自然条件 下也很难找到严格的直线隔水边界!直线供水边界挤兑扇形含水层应用叠加原理 所需要的边界夹角\

实际中的水文地质问题,虽然经过一定的概化可以应用上述两个模型求解, 但大多数的实际水文地质条件将被忽视或歪曲\o难以描述含水层的非均质性\

由于地质环境的变化,自然界的含水层几乎都是非均质的\据此实际,上述 数学模型中基本偏微分方程应写成:博士学位论文第一章概论 口厂_日万!1_a厅

一}J.)}+一1)沙又沙夕尹沙一s竺于(1一6) 或者 一附价 S_护H1.) 沙

日万日TT日H 十))+一)=

沙沙r加(1一7)

由于丝的存在,不论什么定解条件,都无法求得解析解\沙 ?难以处理含水层中的线状补给及局部的面状补给\

在潜水含水层中,渠道及河流入渗补给可以构成线状补给源,地表水体的淋

滤式补给及部分地段的渠井回灌等都可以构成局部面状补给,在有越流的承压含 水层中,由于弱透水层的不稳定与非均质性,也可以构成对目的含水层的线状补 给或面状补给\不论何种情形,都将导致在描述地下水运动规律的基本偏微分方 程中增加一项关于空间变量与时间的源汇项,即使定解条件取得非常典型,也难 以求得解析解\由于河流变迁及地质作用,往往在研究区内致使主渗方向随着空 间变化,解析解要求在一个研究区内只能选择一个计算参考系,因此无法建立描 述于空间变量有关的各向异性含水层中地下水运动规律的数学模型\?难以应用于采动条件下的数值模拟\

目前,对于完整岩体中胡渗流理论和成果较为丰富,关于峰后破裂和破碎岩

体中的渗流问题研究的成果还很少\由于采动,常常会造成岩体开裂甚至破碎, 而破碎岩体裂隙中的渗透率要远比孔隙渗透率高,这是由于渗流而引起的重大灾 害事故往往发生在破碎岩体中的原因\

实际上的水文地质模型要复杂的多,不仅边界条件几何形状复杂,而且物理 性质也很复杂,既非单一的定水头边界,也非单一的流量边界,而是交替出现或 者两者的某种组合,就含水层本身来讲,既是非均质的,也可以是各向异性的; 就源汇来讲可以是线状的,也可以是局部面状的,还可以是二者同时存在的\特 别是在采动条件下,原有的地下水条件将发生显著的变化,并且相互作用\因此, 用简单模型的解析解表征复杂条件下地下水的运动规律,其仿真度是很低的\随 着计算机技术的发展,数值模拟方法在研究地下水运动规律中得到了广泛的应 用,尤其在解决复杂条件下的水文地质问题中,充分显示了数值模拟方法的灵活 性与高仿真度\

(3)防治水技术缺乏创新理念,难以实现节能减排可持续发展目标\

防治水技术应用[3-书]由50!60年代的以/疏0为主,发展到80!90年代的 /疏.,!/堵0结合,再到目前的以/堵0为主,/疏0为辅的模式\这一技术的

演变体现了对地下水资源的观念的改变,同时对含水层!含水构造的探测技术也

提出了更高要求\堵水0技术的发展同样经历了变革,在堵水材料!堵水工艺博士学位论文第一章概论

以及施工技术上都得到了质的飞跃:从/璧后注浆0!/止浆垫注浆0到/毛断面 预注浆0!/中!长孔预注浆0;从/泄压注浆0到/顶水注浆0;从/无机0到/有 机0堵水材料,都体现了防治水的发展历程\

如何快速通过已暴露或待揭露的高水头大破碎带一直是地下工程中面临的 一大难题\通过研究潜孔锤冲击与金刚石钻进相结合的办法提高成孔效率;研究 水泥水玻璃双液浆与单液水泥浆或粘土水泥浆的交叉使用来降低成本并提高注 浆效果;研究泄压注浆堵漏与高压注浆加固的联合来实现高效注浆技术,为解决 这一问题提供了技术平台\该技术应用于/安徽铜陵冬瓜山深井高压大水淹井治 理技术0)千米竖井/止浆垫注浆0项目,获部级科技进步一等奖,同时在山 东三山岛金矿过F3含!导水断层)/泄压!顶水注浆.,!山东望儿山金矿一310m 中段25#川四个出水段注浆处理)/毛断面注浆0!山东望儿山金矿被淹风井 井下长孔预注浆的高压放水工程中均获成功\

注浆材料方面,开发应用了FGN与GS系列浆材\为颗粒型高强度复 合浆材,耐久性好,堵水效果稳定可靠,抗水冲刷抗水稀释能力强,对动水注浆

有良好的适应性,特别适于复杂地质条件下突水点的快速封堵及地下破碎岩层的 补强加固\系列浆材为真溶液或胶体溶液型无机或有机化学浆材,渗透性极 好,特别适用于破碎松散岩土加固改良和细小裂隙淋水的注浆治理,如井壁淋水 治理,承高压水闸门(或墙)构筑施工,各种构!建筑物渗水处理,松散岩土或 流砂层固结,土质堤坝等\

(4)地下水资源配置与调控技术研究方面存在空白\

地下水资源配置与调控技术研究尚处于起步阶段\用循环经济理念探索地下 水资源可持续利用的新途径的尝试,将使防治水理念得到本质的升华\修复地下 水资源环境,谋求和谐发展将成为矿山防治水的本质要求\以往矿山防治水的主 要手段就是疏排,随着地下水的疏排和水资源的不合理开发,排!供和生态环保 之间的冲突与矛盾日益加剧\有效解决这类问题的方法就是在保证生态环境质量 的前提下,维持地下水系统多年收支动态平衡,提高矿井水资源化的综合利用程

度,提出一个由多种约束条件限制的以最大经济效益为目标函数的经济一水力优 化管理方案,以便为妥善解决该地区可持续性发展的战略问题提供极其重要的科 学依据\

3研究的必要性与意义 (1)解决共性问题的需要

谦比希铜矿!金川矿区!望儿山金矿!秦岭金矿!金翅岭金矿!凡口铅锌矿!

安庆铜矿!夏甸金矿!三山岛金矿,,等矿山,在矿产勘查时,因种种原因水文博士学位论文第一章概论

地质的结论都是简单)中等型,但随着矿床开采的延伸,地下水系统发生了根 本变化,矿山企业出现排一供一生态环境矛盾,治水成本大幅度提高(排水电费! 地表塌陷治理!地下水污染治理!处理村民饮水资源引发的矛盾等),海水入侵! 土地盐渍化等现象凸显,因此要攻关的研究内容,基本上都为需要共同解决的 问题,故其研究成果将具有广阔的推广前景\(2)矿业可持续发展与安全生产的需要

随着开采深度的加深,开采条件愈趋恶劣,给矿山的开采带来了许多安全隐 患,地下水在环境地质链中的权重凸现,从某种意义上讲,深部开采面临的地压 环境!地下水环境!高温环境等是矿业安全生产的关键,而在这些地质环境链中, 地下水起着至关重要的作用\怎样合理配置这三种资源,充分利用地下水资源就 显得十分重要\

引入绿色矿山理念,用可持续发展理论!协同论!系统动力学原理分析研究

/排一供一生态环保0维度之间的关系与协同作用,分析研究排!供的安全阂值, 分析排一供一生态环保达到协同和谐的量标范围,分析研究地下水资源多维临界 调控方法已成为矿业后续资源开发的要求\(3)创新防治水技术的需要

目前我国地下水研究与防治技术的理论基础仍然以50年代前苏联的相关理 论和我国80年代所积累的采矿经验和研究成果为主,矿山水文地质探测技术! 矿山防治水技术与矿床开采地下水技术条件不匹配!不合理的现象相当普遍\(4)水资源保护与利用的需要

我国水资源问题更加严重\目前我国600多个城市中,400多个城市存在供 水不足问题,其中比较严重的缺水城市达110个,全国城市缺水总量为60亿立 方米,影响工业产值2300亿元,农业灌溉每年缺水达到300亿立方米,直接影 响粮食生产稳定和发展\据预测,2030年中国人口将达到16亿,届时人均水资 源量仅有1750立方米,水资源开发利用将达到极限\此外,地下水超采引起的 环境问题日益突出,部分地区出现海水倒灌,如华北地区形成的地下漏斗世人瞩 目\目前,我国的万元工业产值耗水量一般是发达国家的10一20倍;每千克粮食 的耗水量是发达国家的2一3倍\因此加强地下水资源保护势在必行,利用地下水 技术研究迫在眉睫\

地下水资源和一般地质矿产资源的共性在于,它们都是地质历史的产物\其 资源的形成条件!资源的埋藏分布条件!资源的化学组分等特征都严格受到地质 条件的控制\地下水资源具有流动性!可再生性和可恢复性;地下水资源的量 和质可随着时间变化;地下水资源是一种可调蓄的资源;地下水资源是与环境和

人类活动关系最密切的一种资源,这也是地下水资源有别于一般的地质矿产资源博士学位论文第一章概论 所在\

为了确保采矿环境的安全,矿床都必须处于相对疏干状态,因此,各矿采取

的防治水害的措施首选疏干排水,防治水方案的制定也是集中在井下的突水或透 水两个方面\由于开采时间长,矿区地下水都处于强过量开采状态,致使地下水 补给平衡受到破坏,引起地面塌陷!海水入侵!土地盐渍化!地下水污染!生态 环境恶化等\陷入一种恶性循环链中\山东三山岛金矿,采用疏干排水,引起了 较严重的海水入侵,来自海洋的坑水由过去的40%上升至现在的60%,每年光 排水电费就达1000多万;望儿山金矿,采用疏干排水,主要的地下水过水断面 没有进行注浆封堵,年排水费用800多万元,并且在进一步的增长中\湖南郴州 鑫源矿业公司铜铅锌矿,防治水采用疏干排水,导致地面塌陷频发,河流塌断! 居民搬迁!公路也面临破坏,这些结果又进一步加大了地表水向井下灌入,井下 涌水量显著增大,排水吃紧,增大排水又加大了塌陷的复塌与塌陷范围,另外, 水源对该矿来讲又是十分紧缺的,选厂!村民生活用水!农田灌溉都需要水资源, 水资源的供排矛盾加剧,最终结果,只能关闭井下铜铅锌矿的开采,被迫露天开 采萤石矿\湖南省东安新龙矿业有限责任公司的两条盲斜井,在掘进中揭露含! 导水构造裂隙,涌水量远远大于地质资料的预测,严重影响掘进与工期,被迫淹 井\但又不能疏干排水,地表民用水资源不能破坏,否则,将引起工农矛盾\因 此,研究的意义十分重大:

(l)将大大推进防治水科研的工程化转化和推广应用工作,提高我国金属矿 防治水的科学技术水平,对科学合理地开采和利用矿产资源具有重要意义\(2)有效地改变防治水技术的落后状况,提高矿山的经济效益,提高矿山安 全生产水平,推动矿业良性发展具有重要意义\

改革开放以来,我国矿山防治水技术虽然有了很大的发展,但就整体而言,

工艺技术水平与矿床开采技术条件不匹配!不合理,安全开采综合技术和安全防 治技术水平低,致使我国矿产资源开采利用率低,采矿成本居高不下,矿山效益 差,矿山生产安全性差,环境破坏严重,难以维持矿业的持续稳定发展\要全面 扭转这种被动局面,迫切需要以科技进步为依托\

(3)为地下地质环境复杂矿床的开采创造出高效!安全的采矿工艺技术,打 造坚实的技术平台\

该研究是革新原有防治水技术的局限性,把水害安全的单维度研究置入多维 度安全系统中,把矿坑地下水作为一种可利用资源对待,研究过渡抽排地下水可 能诱发环境地质灾害链的结构与控制\使矿业逐步向环境友好型!绿色环保型! 可持续发展目标迈进\博士学位论文第一章概论 4论文主要研究内容与研究思路 4.1主要研究内容

基于论文问题提出的背景,结合作者从事的科技攻关项目,论文分别从理论 研究!数值模拟分析!工程实施等方面开展研究工作,主要研究内容与方法如下: (l)矿井水害灾害链结构与孕源断链减灾途径研究\在基于灾害链的矿井水

害构链分析的基础上构建矿山水害灾害链,通过分析孕源断链减灾理论,建立水 害孕源断链减灾模型,找出最优的断链减灾途径\

(2)采动对地下水环境扰动与渗流的效应研究\在分析研究采动条件下顶板 应力!应变的特征基础上,对采动与地下水渗流场的藕合效应进行研究,为地下 水环境修复提供理论支持\

(3)塌陷次生灾害注浆处治断链减灾防治水技术研究\以凡口矿区为例,分

析研究该矿区地面塌陷分布规律与塌陷活动规律,研究地面塌陷的成因并对塌陷

活动程度进行分区;构建塌陷灾害链,运用孕源断链理论分析断链减灾途径并付 之于工程实施,取得较好的防治结果\

(4)地下水环境恢复与再造的防治水技术研究\以凡口矿!业庄铁矿为例,

通过对两矿地下水渗流场的数值模拟与边界条件概化,计算出地下水环境恢复工 程)注浆帷幕的相关参数,指导工程实施,取得了很好的防治效果\

(5)/隔水层再造0防治水技术研究\通过对矿井水害内源的分析,分别以

山东三个金矿为例,对/破碎带防治水技术0!/强径流带防治水技术0!/淹井恢 复技术0进行研究,并成功地指导实施,取得显著成果\

(6)地下水资源配置与调控技术研究\通过对地下水资源承载力理论分析,

找出表征地下水资源系统的特征值,并分析其属性;利用水文地球化学原理,对- 三山岛金矿坑水进行预测与分类,计算出该矿地下水资源的风险特征值\建立了 云锡老厂矿区地下水资源配置模型,规划出该矿具体的地下水调控措施\4.2技术路线与研究思路

论文在作者长期从事的矿山防治水科研工作基础上,以矿山水害灾害链为突 破口,揭示矿山水害灾害链的结构特征,构建矿山水害的灾害链,分析研究孕源 断链的防治水技术,并运用于具体矿山;在岩石力学!流体力学!地下水动力学 等的基础上,分析研究采掘作业对地下水渗流环境的影响,建立相关的力学模型, 推导相关的地下水渗流方程;以可持续发展理念对矿山坑水进行资源化研究,分 析地下水资源的特征,研究地下水资源合理配置模型与资源调控技术,并在具体 的矿山试点\博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究 第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究 2.1概述

矿山水害时有发生,且危害程度较大,特别是煤矿\为此,人们尝试从不

同角度l#3一,.]对水害的属性!因果关系进行了探讨和研究,提出了灾害的同源性! 链发性及韵律性等关联性,并基于灾害系统之间的因果关系进行了灾害系统分类 研究,对大气灾害链146]!灾害地貌链149]!广义灾害链[50]!泥沙灾害链队551!因 果链!同源链!串联型灾害链!并联型灾害链!混联型灾害链等类型刚,45]等类 型进行了初步探讨\目前对灾害链式效应的探讨研究更多的是从因果关系!连锁 反应出发定性分析灾害之间的相关性\虽然在定性研究方面达到了一定的高度, 并成功地揭示了一些灾害之间的内在关系\但基于以上分类原理还无法定量描述 灾害链之间的能量传递规律或动力流动过程,这也是研究灾害链最关键!最难解 决的问题\对灾害链的认识己经成为当前灾害科学的主要学科前沿问题之一 [s6,90一9.],并且其研究程度影响着灾害风险评估和防灾减灾措施\

将灾害事件通过相互联系!相互作用组成一个整体,称为灾害链式系统[57J\作为整个宇宙系统的一部分,单个灾害不断与它的环境发生着物质流!能量流和 信息流的交换,并且通过这种交换发生着相互影响和相互作用.在灾害链式系统 结构中,上级灾害的输出以外部环境输入的形式作用于下级灾害,这种输入是以 物质流!能量流和信息流等形式出现的,即物质流!能量流和信息流是灾害之间 相互作用的载体[58一62]\显然,灾害链式系统是一个开放系统,不断与外界环境 进行着物质!能量和信息的交换,并进一步增加有序性,走向自组织,表现为灾 害内子部分的协同运动[63,64]\

虽然各种单种灾害系统(下面简称为灾害系统)的演化变异表现出不同的过

程规律,但在其结构变化特征上却体现了一致性\灾害系统150,70一79]演化变异过程 均表征为灾害系统在外部环境作用影响下其内部结构!内部响应状态和灾害系统

对外作用(或对外破坏作用)等三方面复杂动态变化规律\灾害系统链式关系结 构包括灾害外部环境和灾害系统z(n)本身,分析研究时可分为灾害系统的环境E (S(t0!存在(响应)状态从\又(t))!内部结构Rz(t)和灾害系统对外行为(或

破坏作用)Hz(t),如图2一1所示\环境!状态!内部结构和对外行为构成灾害

系统的基本概念结构,是建立灾害系统结构理论概念基础\博士学位论文叁遗丛害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究 5551\5552(t))) Hz(t)

卜环境(受灾体)

图2一1灾害系统结构特征示意图

可以把灾害链表示成如图2一2所示\图中输入端(左端)表示输入变量[65,66] 的集合,状态变量的集合包含在灾害链系统内部,一般不直接出现在灾害链系统 的外部,输出端(右端)表示输出变量的集合\!-leseseelf-jl量输出变厂J!lllll!eses 分息里变态状今

!-les!Jse入量输变了,之!se.ll! 图2一2灾害链S(n)模式图

最终灾害链会有一个外部表现(破坏行为)Hz(t),如图2一3\一一驾苏置华华 SSSej(n))) 〔〔〕~~~

5551\图2一3灾害链s(n) 2.2灾害链源头特性辨识

根据灾变早!中!晚期的时间间隔,阶段的发育特性一构成破坏力的程度等 作为划分阶段的重要依据,将灾害SG(n)阶段划分为孕育阶段!潜存阶段!诱发 阶段\灾害SG(n)的孕育!潜存!诱发是灾变过程中激励一响应所对应时间上的 过程,单个灾害的发育过程,为灾害链S(n)的孕育!潜存及诱发创造了条件(如 图2一4)\

灾害链S(n)的阶段(孕育!潜存!诱发) 灾害链SGI(n)的阶段 (孕育!潜存)

灾害链Son(n)的阶段 (孕育!潜存) 一

发一发爆发爆一诱 诱发

灾害链502(n)的阶段 (孕育!潜存) 爆发 诱发

图2一4灾害链的阶段产生过程博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究

孕源断链减灾过程中,灾害链S(n)源头性质的识别显得尤为重要\对于单

个灾害灾变过程,破坏能量的聚集以及祸合这样一个较长的过程即为此灾害发生 的源头孕育阶段;对于灾害链s(n)阶段的产生过程如图2一4所示,灾害So;(n) 的孕育!潜存全过程正是整个灾害宏观链的孕育阶段,灾害sG,(n)的爆发过程为 与其有相互关联关系的灾害SG:(n)的发生提供了物质!能量或信息条件,会诱发 SG:(n)发生,此过程是灾害宏观链的潜存阶段,这时整个灾害的宏观链开始启动 或被诱发\同理灾害So:(n)又将诱发灾害SG3(n),由此灾害链延续下去\所以可 以认为灾害Son(n)(启动灾害环,n一1,2,,)的孕育!潜存乃至爆发阶段 都为整个灾害链S(n)发生的源头\灾害链s(n)源头的判别如图2一5\孕育 潜存 诱发

灾害50,(n)源头

灾害SGZ(n)源头育存发孕潜诱 灾灾灾灾灾灾灾灾灾灾灾 害害害害灾害Se8(n))) 链链链链链链链链链链链 SSS(n))))))))))))))))))))) 的的的的灾害502(n)))

发发发发发发发发发发发发 生生生生生生生生生生生生 源源源源灾害SG3(n)))

头头头头头头头头头头头头 孕育)灾害SGn(n)源头 潜存 诱发

图2一5灾害链源头判别

根据灾害链S(n)中要素SG(n)之间的相互关系,灾害SG(n)可分为致灾体部分 和受灾体部分,当然二者之间也可相互转化\参照于灾害链中的灾害(致灾体和 受灾体)以及环境因素,再结合灾害链或灾害源头性质判别,灾害链S(n)的源头 断链减灾应该从下面的几个方面进行考虑[67一691: (l)改变致灾体\尽力削弱或消除灾害链S(n)中首环\

(2)改变可能受灾体\首先,在灾害链经常活动的路径或活动频繁的季节内, 尽可能减少可能受灾体的类型和数量!布置较低的可能受灾体\再次,做好重大 灾害及其次级灾害环的预警,防止灾害链进一步蔓延!扩大和新灾种出现\(3)改变灾害链s(n)环境E,再改变致灾体,使观测!传播致灾体信息畅通,

减少次级灾环损失\改变可能受灾体环境,对可能受灾体加保护装置,以间接提 高可能受灾体的抗灾能力\

(4)灾害链S(n)中一种灾害S武n)发生后的治理\对致灾体!受灾体及其环

境都加以考虑,目的多用于防止各次级灾环的发生\这样就可以防止一些难控灾

种发生后,再引发其他灾害,从而起到了源头断链减灾的目的\博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究 2.3孕源断链减灾理论

凡能阻止或预防灾害启动因素的形成,以及通过单种灾害灾后的治理而减少

次级灾害的发生,都可认为是孕源断链减灾的过程.如图2一6所示\是灾 害链的基本图示,其中箭头的回路示意了灾害的周期性;如(b)所示,对灾害

的孕育阶段实施断链措施,能够有效地切断与灾源直接关联的灾害,从而避免此 类灾害的发生\是通过人工的综合治理与自然的自我恢复,生态环境逐渐 恢复了良性循环\

次次生灾害11111次生灾害111 灾灾源源源灾源源

次次生灾害22222次生灾害222 图2一6孕源断链减灾模式示意图

孕源断链减灾是在揭示灾害链式规律基础上,根据灾害链式形成的阶段划

分,利用孕育早期尚未形成灾害破坏力的长过程,从源头上遏制灾害链的发育和 蔓延\

人类与自然灾害抗争数千年的历史经验告诉我们,人类完全可以通过对灾害 的科学观察和研究,了解灾害孕育的原因!形成机理和发生过程,发现灾害形成 的规律,从而制定适当的对策,或防范!或躲避,有效地防御和减轻各种灾害[80,8.]\孕育断链减灾就是对于一般性的灾害,考虑影响灾害发生的各种因素,事先采取 防范措施,争取把这类灾害遏制在萌发阶段,就完全可以避免损失;灾害发生时 采取应急对策,灾害发生后及时治理,避免次级灾害的发生\对于一些难控灾害, 只要给予足够的重视,_研究其灾变机理过程,为把损失减至最小,可将灾害预警 功能l8z,83]向灾变孕育阶段追踪延伸,及早预报,及早治理,以避免灾害的链发\2.4矿山水害灾害链构建

从金属矿山企业水害死亡事故原因统计分析结果可以看出矿山水害事故原

因有如下特点:因违反操作规程和劳动纪律而死亡的人数占总死亡人数的一半以 上,位居第一位;因作业环境差或有缺陷而死亡的人数占第二位;因对现场工作 缺乏检查或指挥错误而死亡的人数占第三位,说明矿山安全管理水平低;因安全

设施缺少或有缺陷而死亡的人数占第四位,主要因为矿山安全装备水平低\博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究

除了上述管理监督上原因外,新时期矿山水害还存在如下几个主要技术方面 的原因:

(1)矿山防治水工作规范化程度低\

水害多信息监测预警预报技术!勘探资料的精细解译技术!突水水源的化学 判别与快速诊断技术!致因因素数据采集与辨识技术等没有得到广泛应用,/有 疑必探0的原则没有得到贯彻执行等\探放水管理是保证矿山安全生产的重要方 面,特别是老窖区积水量大,积水范围广的矿山\为了解放受水害威胁的资源, 需要对矿井水文地质特征进行动态分析,详细确定每一处积水地点!范围!积水 量!水源!通道!与邻近积水区的水力联系等,编制水文地质图表,设计探放水

方案,编写探放水施工措施,以及对疏放水后产生新的水文地质特征进行动态预 测,并制定相应的防治水管理办法\严格按照水文地质预报!探放水措施执行\(2)相对落后的防治水技术与技术装备不能满足新的生产条件\

随着开采方式,开采深度和机械化程度的不断变化,水害产生的条件!水害

危险程度及其形成的机理都在发生着较大的变化\而目前我国防治水技术和矿山 水害预测预报及辨识评价理论基础仍然以50年代前苏联的相关理论和我国80年 代所积累的采矿经验和研究成果为主,致使相关技术及其技术标准!辨识评价手 段与标准的时效性不尽人意\

(3)人类活动诱发的突水事故迅速增加\

随着大量小矿井的关闭及因资源枯竭或其它原因而废弃的矿井的大量存在, 更有甚者,乱采乱掘现象依然存在,违规开采!超越开采行为时有发生,都人为

的产生了许多新的水源和导水通道\由于对上述矿井没有采取切实可行的水害防 范措施!没有进行矿井关闭后可能诱发的矿井水文地质条件变化的研究与评价, 并缺乏关闭矿井相关工程和技术资料的系统整理与管理,不仅会造成矿山水害事 故,而且会诱发严重的地质灾害和环境污染问题\

(4)企业缺乏专门的水害防治技术队伍!管理部门缺乏规范化的监督检查体 系\

论文从灾害链出发,探究水害灾害链的内源与外源因素\水害从短时间尺度 和局域范围讲,是一种跃变!失衡的成灾过程;而从长时间尺度和大区域范围讲, 则是一种调整!平衡过程\灾害链式类型特征按链式载体反映的不同形状,可归 纳为如下8种形态[#3一65]:1崩裂滑移链;o周期循环链;?支干流域链;? 树支叶脉链;?蔓延侵蚀链;?冲淤沉积链;?波动袭击链;à放射杀伤链\

矿山水害无论在成因上还是在危害性的表现结果上都呈现出复杂的链式效

应\因此现在越来越多的人开始重视矿山水害问题并提出了各种各样的治理措施

[80,8.,83一87]\此处在前人研究的基础上以链式观点来分析矿山水害过程,指出矿山博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究

水害的灾害源头因素,提出了矿山水害孕源断链的一种新思路\矿山水害灾害链

除拥有一般灾害链〔4445,47,49,50,54,5,〕的共性外,还有其自身的特殊性,抓其共性, 并针对其特殊性,找到矿山水害灾害链的切入点,切断其链发性是至关重要的\从现行矿山水害治理措施所取得的成果入手,总结经验!探索规律,从源头上控 制灾害链的发育行径,构建断链减灾机制,是最有效和最经济的\2.4.1水害灾害链式类型的辨识

上面章节提到灾害链式类型特征按链式载体反映的不同形状,可归纳为如下 8种形态:1崩裂滑移链;o周期循环链;?支干流域链;?树支叶脉链; ?蔓延侵蚀链;?冲淤沉积链;?波动袭击链;à放射杀伤链\(l)崩裂滑移链

/崩裂滑移0,是指客观环境构成了崩裂滑移的条件!地形地貌处于高山深

谷或丘陵地区!岩石土体自身达到一定破裂状态或随重力作用具备了下滑的条 件,加之环境水!温!气的影响从而形成了崩滑体,其链式类型对应于一类山地 滑坡!泥石流与岩崩等地质灾害\它们均从链源开始,在各自的内因和外因影响 下,形成了单一或串联的崩塌!滑坡!泥石流等链式关系,当产生破坏形态和破 坏作用后,随能量消失而暂处相对稳定状态,如图2一7所示\/启动厚因d诱发原因

cccl岩石裸露节节节dl渗水振动能能 理理裂缝缝缝量冲击击

ccc:岩土松散坡坡坡d:渗水扰动能能 面面滑移移移量转换换

ccc3高切深沟冲冲冲冲冲d3山水诱发冲冲 刷刷岩土土,rrr击滚翻翻 图2一7崩裂滑移链示意图

通过以上分析可知,崩塌滑移链的链式过程是崩塌!滑坡!泥石流在外部环

境作用影响下的响应行为过程,并可能发生相互作用演化关系形成串联链式组

合\崩塌!滑坡和泥石流之间在演化灾变过程中没有建立相关关系,其演化发展博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究

过程只受外部环境和内部结构关系支配\当其内部结构关系在整个灾变过程中变 化不明显时,崩塌!滑坡和泥石流的响应和行为与外部环境作用影响存在一一对 应关系\

(2)周期循环链

周期循环链则主要表现在链的周期性反映,这种周期性不是链的断续性,而 是链式载体呈现的峰谷态势,高峰期是链式反应强烈时期,低谷状态则是链呈现 潜存状态,这种周期性反映主要取决于客观环境因素的周期性,如洪水频率具有 定期一遇的周期性,山洪暴发随雨季到来而降临,干旱!季风!冻融等等,其链 式反映都具有鲜明的季节性和区域性,如图2一8所示\成现期成现期

锉孺必诲澎害呈现值灾 始发期低谷期平稳期 时间

过过过活活过过平平过过重重过过 渡渡渡跃跃渡渡静静渡渡发发渡渡 期期期期期期期期期期期期期期期 灾灾灾潜潜灾灾灾灾灾潜潜 变变变存存变变变变变存存 过过过期期过过过过过期期 程程程程程.程程程程程程程 图2一8周期循环链示意图

其周期性随时间延移而呈现峰谷周期性变化,高峰期将是灾害的活跃期或重 现高峰期,低谷期则是处于链的始发期或平静的潜存期,中间过渡区段可分为两 种态势:

1由低向高过渡为物质!能量或信息聚集或诱发过程; o由高到低过渡则是物质!能量或信息流的耗散过程\

它们演化的周期性不是简单周而复始的循环往复,而是随时间呈螺旋状的周 期变化,只是在峰谷交替之间显示了其周期性\

灾害的周期性实质是灾害在外部环境作用影响下的响应行为在时间上存在博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究 的周期动态过程\(3)支干流域链

支干流域链是由若干个分支系统聚集成次一级干流,再由次级干流聚集成主 干流,其链的量级态势是逐级增大的,有着由小到大!由弱到强的发育趋势,其 链的数量则随着分支的聚集而逐级减少,但其破坏能量将随链的聚集而急剧增 加,图2一9给出了支干流域链示意图\与支干流域链相应的灾害是洪水淹没,上 游支干水位提高,流速流量增加,将对中下游造成淹没和威胁\此外,凡具有支 干流域链式发育规律者,均属于此链式范畴\分支链源

图2一9支干流域示意图

支干流域链式过程体现在灾害受外部环境作用影响因素的祸合作用过程或 多灾害之间的祸合迭加链式作用过程\可以看出,灾害链式作用过程是以灾害为

基本单位,多因素的藕合只是体现灾害外部环境作用的复杂性\从灾害之间的祸 合迭加出发,研究支干流域链式规律,而支干流域链式作用关系仅是灾害之间祸 合作用过程一种特殊情况\

只有灾害之间建立了相互影响关系才会表现出物质!能量和信息的多相聚合 过程,进而可以断定灾害之间的祸合关系存在间断性和隐蔽性\同时,由于灾害 之间祸合过程中外部环境也参与了作用,因而灾害之间的藕合关系存在不确定性 和模糊性\(4)树支叶脉链

树枝叶脉链与支干流域链恰好相反,是由一个主干向若干分枝扩展,再由分博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究

支向叶脉状逐级细分,一般在形式上具有由强到弱!由大到小逐渐向叶脉尖端扩 展的趋势,这种分支信息的交替与传递不一定意味事态的弱化,但它可遵循事物 进化的规律\具有繁殖性生态发育和扩散性链式反映的均具有树枝叶脉链式发育 关系,凡能分级分层的分支系统,均属于这类链式体系\一层分支 一/一万二 一义/硼

)一一一)!!~一)一尹

图2一10树枝叶脉示意图

灾害的树枝叶脉链式过程,一方面反映了多灾害的同源性,另一方面也反映 了灾害内部结构响应和灾害对外行为的多向传递过程\灾害的树枝叶脉链式过程中的响应行为趋向于多样性\(5)蔓延侵蚀链

蔓延侵蚀链是从一点或一个层面出发向周围或深部逐渐延伸的链式关系,这 种关系需具备如下条件:

1具有蔓延的时空点或层面,具备扩展蔓延的启动条件;

o具有性态相同或相近且逐渐同化的连续蔓延载体扩展条件\

灾害类型有火灾的蔓延!腐蚀性物质的扩散!混凝土的碳化!岩层风化等等, 经过蔓延扩展,原有物性历经物化反应起了质的变化\

这种链式传播关系不是以链的条状或带状形式出现,而是在链与链之间!环

与环之间呈时空连续分布,形成互相渗透和相互影响的整体,发散于迸发的空间, 其蔓延的强弱程度与途径将取决于时空物质条件的不断提供与交换\(6)冲淤沉积链

冲淤沉积链具有非独立的致灾因子,是其他灾害链式反映的延续作用,如山

洪暴发!洪水冲刷淹没等继续延移所形成的结果,最为典型的是水土流失!泥沙博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究

冲刷淤积\其链式过程需具备两个条件:一是具有冲刷的延续启动条件,二是具 有淤积消能的沉积条件\此外,近似冲刷淤积反映的地面沉陷,由于岩土基础遭 受水的侵蚀,或搬迁掏蚀,减小了对地面或构筑物的承载作用而产生灾害性的沉 陷,可归结为冲淤沉积链式类型\图2一11蔓延侵蚀链示意图

此类冲淤沉积链式过程需要流态载体作为冲刷媒介,同时要在载体中携带被 搬运的粒状物质,在链式作用过程中还不断地与周围介质进行信息交换,其沉积 条件主要是重力作用,也与搬运受到阻碍作用有关\

致致致 灾灾灾 启启启 动动动

冲刷媒介b!信息交换 流态载体 粒质}一-

搬运/消能减速

图2一12冲淤沉积链示意图 ?波动袭击链

波动袭击链是强烈振源产生的动力作用,经过物质媒介将动力波迅猛地在介

质中传播而形成的巨大破坏力\这种波动作用有地壳运动产生的地震波激荡!风博士学位论文

第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究

波袭击、海啸的强烈波击等，这些都是典型波动袭击链的反映。

这种振动波传播速度快，时间间隔短，通过媒介向空间传播，当其传播受阻 或受控时，瞬间将产生巨大的抗击阻碍的破坏杀伤力，建筑物等屏障将是被波动 袭击的对象。

图2-13波动袭击链示意图 ⑧放射杀伤链

放射杀伤链是指具有放射性的元素，通过扩散产生巨大杀伤作用，这种链常 通过放射性元素的扩散或病毒的蔓延与扩展产生杀伤性，其杀伤作用异常迅猛。 这种杀伤链的特点一般是直线辐射和空间传播，时空反映速度随放射物对象 和传播媒介的不同，其速度差异性较大，有的来势迅猛，有的作用缓慢。它们除 直线辐射外，在介质中也存在着由细胞起波式滚翻循回助推之势。 物化腐蚀细胞变异 物化腐蚀细胞变异

图2-14放射杀伤链示意图

灾害链式类型特征具有直观、形象以及特征鲜明的特点，而且与灾害容易形 成直接对应关系，研究灾害链式规律，从链式类型入手不失为理想的突破口。从 链式类型特征入手，构建链式类型理论模型来反映灾变的链式关系及其规律性是 博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究 构成链式理论的核心\

灾害链类型的识别和判断主要目的是为了更全面的认识灾害演化全过程和

各灾害系统之间的关联关系,为准确进行灾前预警和及时应对灾害发生提供判断 依据\水害灾害链式类型的识别!判断可以通过分析以下几点:

(l)确定水害灾害链的链源灾害;分析链源灾害的特征,包括在时间!空间 上的特征,灾害的灾变演化规律,及其灾变载体输出的特征等; (2)分析链源灾害的发展演化趋势,确定灾害链中的各种潜存灾;

(3)分析水害的灾变演化规律,判断其演化的间断性!连续性和周期性; (4)分析灾害之间的作用影响规律; (5)确定研究出发点和研究目的\

根据以上全部或若干分析的结果,可以确定水害灾害链式效应的类型\水害 灾害链类型不同于以上8种类型,但又与它们有相关性,本文将根据水害的自生

特点,综合上述8种类型,构筑水害链式图\2.4.2水害灾害链链式图建立

我国金属矿山地下水灾害较为严重,其主要表现形式为突水淹井!海水入侵! 破坏水资源!产生井下泥石流!引起地面塌陷等\近几年来我国金属矿山水害 一直呈现加速发展的态势,与水害相关的地面塌陷也呈剧增趋势\矿山水害无论 在成因上还是在危害性的表现结果上都呈现出复杂的链式效应.因此现在越来越 多的人开始重视水害问题并提出了各种各样的治理措施\此处在前人研究的基础 上以链式观点来分析水害过程,指出水害的灾害源头因素\

矿山水害导致了人员伤亡!财产损失!水资源浪费!矿产资源回采条件复杂 化等严重后果,而地面塌陷!开采条件复杂化等次生灾害的催化,又加速了矿山 水害\同时,其结果还将导致地面沉降!土地沙漠化!海水入浸以及次生灾害等 一系列的恶劣后果\这些后果又会反过来从不同的方面加重破坏生态环境的程 度,形成恶性循环,体现了一种恶性灾害链的关系,如图2一巧中黑色箭头所示\矿山水害的形成与发展有赖于三个基本条件和一个人为诱发条件:(l)充水水 源;(2)过水通道;(3)矿岩的含导水性;(4)采动影响\矿山采掘活动在

前三个条件复杂的情况下可能导致矿山水害的发生,但更多的是:由于采动的影 响使矿山开采的水文地质条件(前三个基本条件)复杂化,在采掘活动的催化下, 将大大增加矿山水害发生的机率,使地下水环境很难自我恢复并且进一步恶化\金属矿山水害的发生,导致水资源的浪费和原有地下水渗流场的改变,地下

水渗流场的改变使得矿产资源的开采条件复杂化,水害的发生也将带来土地沙漠

化!地面沉降!地面塌陷!海水入浸等次生灾害,从而破坏生态环境\次生灾害博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究 海海水入浸浸浸}破坏生态环境境境土地沙漠化化 水水资源浪费费

一一一一一一一一一一一一一一 地地地下水来源源源 矿矿矿矿矿 岩岩岩岩岩 含含含含含 一一一水水水 性性性性性

采采采动影响响响

资资源开采条件复杂化化化人员伤亡亡 财财产损失失

图2一15水害影响因素链式图

的严重后果,加上干旱!多风等恶劣气候的催化,又加速了水害发生的概率与灾 害严重度.其结果还将导致次生灾害等一系列的恶劣后果.这些后果又会反过来 从不同的方面进一步加重破坏生态环境,形成恶性循环,体现了一种恶性灾害链 的关系\

从水害影响因素链式图可以看出:水害致灾的内源主要有:地下水来源!矿

岩含水性!过水通道;外源主要是采动影响\在次生灾害与水害之间关联度最大 的是次生的地面塌陷与采动影响导致的地下水渗流条件复杂化\2.5矿山水害孕源断链减灾分析 2.5.1水害孕源断链链式图建立

水害防治的关键就在于能否消除水害发生过程的四个形成条件,即从灾害的 源头断其灾害链,其中,要消除地下水来源!矿岩含水性!过水通道引起水害,

是难以实现的;但可以通过再造技术改变这三种内源因素的状况来降低水害的危博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究

险度;通过对水害所产生的次生灾害的处治,削弱甚至隔绝次生灾害对水害危险 程度的直接加重作用,从而达到次升灾害治理!改善因采动而复杂化了的地下水 环境,完成对水害的防治\治理水害工程,应该从这些内源入手,利用地下水环 境再造技术修复因采动复杂化了的地下水环境,改变三种内源的状态,或从次生 灾害治理入手,弱甚至隔绝次生灾害对水害危险程度的直接加重作用\采取科学 的方法有计划地进行治理,改善恶化的生态环境,即从水害的孕育阶段科学有效 地进行综合治理\从而,水害的链源被/切断0,恶化的生态环境在人工的治理 与自然的自身修复的共同作用下,逐渐恢复和改善,从而达到逐步消除灾害的恶 性循环,改善生态环境的目的\

如上所述,矿山水害防治的关键就在于从灾害的源头减灾,断其灾害链\其 中,由于范围广,又有一定的盲目性,要消除充水水源!过水通道和矿岩的含导 水性是难以实现的,因此就集中在恢复因采掘复杂化了的地下水开采环境,削弱 甚至隔绝直接作用,从而达到封堵通道!改善环境!保护地下水资源,完成对矿 山水害的防治\由此可认为/复杂0的水文地质条件!采动恶化的地下水环境

是形成矿山水害灾害链的源头,如图2一16\治理矿山水害工程,应该从这些因素 入手,变/复杂0为/适度0,改变不合理的采掘方式,并采取科学的方法有计

划地进行治理以改善恶化的地下水环境,即在水害的孕育阶段科学有效地进行综 合治理\从而/切断0矿山水害的链源,使恶化的地下水环境在人工治理与自然 自身修复的共同作用下,逐渐恢复和改善,从而达到逐步消除灾害的恶性循环, 改善生态环境的目的\

由前述可知灾害以及灾害链都是一个复杂的开放系统,有人曾经用各种方法

研究灾害的复杂性167一69,76一79,88,89]\灾害链的表现行为是由其系统本身状态和系 统所处周边环境共同决定的\为此,拟通过对灾害链内部状态!周围环境和外部 表现行为的关系进行断链减灾分析\

几十年来的矿山水害治理工程中,工程技术人员一直在探索有效的治水方法 195一99J,但由于各种技术没有很好集成,很难发挥综合优势:一开始从矿山水害 引发的次生灾害入手,形成了统治一段时间的/事后处理0阶段,发现很难在灾 变过程对次生灾害治理,且成本相当高,而且效果不大\毛断面注浆0!/断面 预注浆0等因存在工程繁重!采掘与注浆协调管理等问题,无法达到和谐开采的 效果\相反,如果能从这些灾害的源头因素入手,极力改造导致矿山水害形成的 源头因素,就可通过使矿山水害灾害链中所包含的要素很难达到其发生灾变的临

界闽值的方法达到切断矿山水害灾害链引发的次生灾害的效果\博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究 2.5.2水害断链减灾技术

由图2一16可知:矿山水害孕源断链防治水主要集中于(l)内部灾源)三 个基本条件;(2)次生灾害所孕育的灾源)地面塌陷(改变了原有的汇水区 域!过水通道等)和采动对地下水环境的复杂化(破坏)\对于(l)一般在采

掘活动中采取/预处理0的防治水技术与措施,包括:掘进断面的/中深孔预注 浆0!/含水断层预注浆0!/帷幕预注浆0!/矿体包络体预注浆0!/含水 层的隔水化再造技术0!/含!隔水层再造技术0!/过水通道再造技术0等;

对于(2)一般采用综合防治水技术,包括:/塌陷治理技术0!/地下水环境 恢复技术0!/地下水环境再造技术0!/地下水库蓄水技术0等\图2一16水害孕源断链图

因此,矿山水害防治技术的研究应立足于系统科学,可持续发展理论!/节

能减排0!环境友好模式;加强对地下水资源化的研究,走出一条科学的防治水 新路子\博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究 水害断链减灾技术的关键是引入注浆技术,系指通过专门的设备和工程,根

据复杂化的矿井水文地质条件和水害类型与特点,将预先研究配制成的浆液或骨 料注入含水层!隔水层中的空隙!断裂破碎带!岩溶陷落柱!井巷或出水口等,

并使之与围岩固结成不透水的!具有一定强度的整体而起到堵塞过水通道!降低 受注岩体渗透性的技术方法\注浆断链减灾技术具有以下优点:

(l)节能减排,减少排水电费!降低生产成本; (2)保护地下水资源;

(3)有效阻止因地下水环境扰动而诱发的次生灾害发生所造成的生态环境 恶化;

(4)有效阻止原生灾害与次生灾害之间的恶性循环; (5)改善工作环境,快速恢复被淹矿井\注浆断链减灾技术的应用领域:

(l)改造水害的内源条件:注浆改造导水断层及断裂破碎带;注浆改造导水 岩溶陷落柱;注浆改造人工扰动所产生的过水通道与裂隙\

(2)含水层的隔水化:对薄层含水层实施注浆改造,变薄层含水层为隔水层; 或者降低含水层的渗透性,变强含水层为弱含水层\

(3)隔水层的可靠化:由于构造运动或采动影响,减弱了隔水层的阻水性能

或抗水压能力\应对隔水层中的破碎带!采动裂隙带进行注浆改造,提高隔水层 的整体完整性\

(.)注浆防渗帷幕:是一种人工改造含水层水文地质条件或矿井充水条件的

方法,其实质是把含水介质层的补给边界改造成阻水边界,减少含水层的侧向动 态补给\

2.6本章小结

(l)目前灾害链式效应的探讨研究更多的是从因果关系!连锁反应出发定性

分析灾害之间的相关性,而本章通过对灾害链源头特性辨识得出:凡能阻止或预 防灾害启动因素的形成,以及通过单种灾害灾后的治理而减少次级灾害的发生, 都可认为是孕源断链减灾的过程,为矿山水害的防治提供了科学思路\(2)矿井水害影响因素复杂,为了便于复杂问题的分析,本章将矿山水害的

形成与发展归于三个基本条件和一个人为诱发条件(内源与外源),并构建了矿 山水害灾害链模型,为孕源断链减灾研究提供了基础\

(3)在矿山水害灾害链模型的基础上,通过孕源断链减灾分析,建立了矿山

水害孕源断链减灾模型,开发出塌陷次生灾害注浆处治断链减灾防治水技术!地博士学位论文第二章水害灾害链结构与孕源断链减灾模式研究

下水环境恢复与再造的防治水技术!隔水层再造防治水技术三种途径\博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究

第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究 3.1矿山地下水自然渗流场分类

地下水渗流场分类极其复杂,它必须在研究确定矿床的水文地质条件!预

测矿坑涌水量以及由于开采可能引起的地下水动态变化的基础上进行\分类的主 要依据是:

(l)受采掘破坏或影响的含水层的性质!富水性!补给条件; (2)单井年平均涌水量和最大涌水量; (3)开采受水害影响程度; (4)防治水工作难易程度\

矿山地下水自然渗流场的类型分为:简单类型!中等类型!复杂类型!极复 杂类型\

3.2基本特征分析

由2.4章节可知,导致矿山水害的三个基本条件(内源):地下水来源!过

水通道和矿岩含导水性,是地下水自然环境的本构特征要素\在不同的采掘作业 阶段,对其辨识认识的要求程度不一样l./0一.021\普查一勘探阶段的基本条件分析, 主要是依据矿床所处的自然地理!地质构造和矿区水文地质特征,重点分析天然 条件下,主要充水岩层的地下水类型!赋存条件!循环条件和补给条件等,并初 步预测矿床开采后矿床主要的充水水源和通道1103]\

矿床开采阶段,井巷工程已形成,基本条件分析更为具体,改变为矿坑涌水

或矿井涌水条件分析,该阶段的基本条件分析工作的重点是解决在开采条件下矿 床充水的水源和通道问题,也是该阶段矿井水文地质工作的中心环节,可用来预 测矿井正常和最大涌水量,为防止矿井突水提供水文地质资料,并为确定合理治 水方案提供依据I.04,,/习\(l)地下水水源 l)大气降水

大气降水是地下水的主要补给来源,所有矿床充水都直接或间接地与大气降 水有关\

2)地表水水源

在有大型地表水体分布(海!湖!大河流!水库!水池)的矿床地区,查清博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究

天然条件下和矿床开采后的地表水对矿床开采的影响,是矿区水文地质勘探和矿 井水文地质工作的头等重要大事,是评价矿床开采价值的重要内容\3)围岩地下水水源

围岩地下水充水类型划分:1根据充水岩层性质不同可分为:砂砾石孔隙 充水矿床,坚硬岩层裂隙充水矿床,岩溶充水矿床\o根据矿层与充水岩层接 触关系不同可分为:直接充水矿床,间接充水矿床\根据矿层与充水岩层相 对位置不同可分为:顶板水充水矿床,底板水充水矿床,周边水充水矿床\(2)过水通道

l)点状岩溶陷落柱通道 2)断裂(裂隙)带通道

1隔水断层一般为压性断层或断层带被粘土质充填,使两侧含水层不发生 水力联系\

o导水断层导水断层所处位置不同其水文地质意义亦不同\当导水断层位

于区域边界时,常形成充水含水层或临近充水含水层的补给通道;当导水断层与 地表水连通时,常形成地表水体补给矿床的主要通道;当充水岩层分布导水断层 时,将增加充水岩层与外界的水力联系程度;当导水断层切割矿层隔水顶!底板

时,断层常引起顶板或底板突水问题\

l)面状裂隙网络(局部面状隔水层变薄区)通道\

2)顶板冒落裂隙带\采空区冒落后,形成的冒落带和导水裂隙带是矿坑充 水的人为通道\

3)地面岩溶塌陷带\随着我国岩溶充水矿床大规模抽放水试验和疏干实践,

矿区及其周围地区的地表岩溶塌陷随处可见,地表水和大气降水通过塌陷坑充入 矿井\

4)封孔质量不佳钻孔\底板充水矿床常因封孔质量不佳,某些钻孔变成了

人为导水通道,当掘进巷道或采区工作面经过没有封好的钻孔时,顶!底板含水 层地下水将沿着钻孔补给矿层,造成涌(突)水事故1106]\(3)灾害模式[,07-

l)直接充水的矿床:矿床主要充水含水层(含冒落带和底板破坏厚度),与矿 体直接接触,地下水直接进入矿坑\

2)顶板间接充水的矿床I.081:矿床主要充水含水层位于矿层冒落带之上,矿 层与主要充水含水层之间有隔水层(注)或弱透水层,地下水通过构造破碎带!导 水裂隙带或弱透水层进入矿坑\

3)底板间接充水的矿床I.\一川]:矿床主要充水含水层位于矿层之下,矿层

与主要充水含水层之间有隔水层或弱透水层\承压水通过底板薄弱地段!构造破博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究 碎带!弱透水层或导水的岩溶陷落柱进入矿体\(4)灾害强度

矿床开采后矿井充水强度除取决于充水含水层的富水性!导水性!厚度和分

布面积外,还取决于三个防线\第一防线是充水含水层出露和接受补给源的条件; 第二防线是充水含水层侧向边界的导水与隔水条件;第三防线是矿层顶!底隔水 岩层的隔水条件[02,03]\(5)矿坑涌水量预测I0冬川]

矿坑涌水量预测是一项重要而复杂的工作,是矿床水文地质勘探的重要组成 部分\矿坑涌水量是指矿山开拓与开采过程中,单位时间内涌入矿坑(包括井! 巷和开采系统)的水量\通常以m3爪表示\它是确定矿床水文地质条件复杂程度 的重要指标之一,关系到矿山的生产条件与成本,对矿床的经济技术评价有很大 的影响\并且也是设计与开采部门选择开采方案!开采方法,制定防治水疏干措 施,设计水仓!排水系统与设备的主要依据\因此,在矿床水文地质调查中,要 求正确评价未来矿山开发各个阶段的涌水量\

根据当前矿床水文地质计算中常用的各种数学模型的地质背景特征及其对 水文地质模型概化的要求,可作如下图3一1类型的划分:

/卜确定-陛统计/型{Q一:曲线方程回归方程解析解一一井流方程{稳定井流公式非稳定井流公式

数学模型分类确定模型 数值解{有限元法有限差法 水均衡法 混合型模型

图3一l矿坑涌水预测模型分类图 3.3采动动力效应理论分析

岩石变形后,其孔裂隙结构发生变化,因而渗透特性发生变化\

3.3.1采场顶板应力分析

顶板应力分布是研究顶板巷道合理布置!开采解放层等问题的基础\在正常 采掘过程中,由于矿岩体被采出,顶板发生冒落!离层!弯曲沉降等运动,致使

在矿层顶板中也相应地出现垂直应力集中区和卸压区\如图3一2~3一5\博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究 带

俨肠j移动岭~一,乙.一洲尸,一{月十一陷落带一寸什叫一L)陷落带 表土层 Y=50

上盘 a=400

济采的最低水平

图3一2岩层移动带与移动界线 一一~一~-

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图3一3硬岩模式矿层顶板采动影响图图3一4软岩模式矿层顶板采动影响图 \\32r;

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一岁一24一20一16一12--8一O图3一5某矿采场顶板应力分布示意图 3.3.2顶板变形分析

(l)顶板岩层中的移动分带

采掘活动一般留下采空区,如果采空区相当大,空区上方的冒落拱己不能维

持应力平衡,采空区直接顶板的移动就会发展到上部\由于沿层面发生水平错动, 层间失去了结合力,所以下部岩层下沉后,上部岩层就失去支撑\上部失去支撑 的岩层在自重和外荷载作用下,开始下沉并坐落于已下沉的岩层之上\这样,下

沉过程迅速地由一层传播到另一层,直至地表\博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究 1PI 一一.户 钮 L 一l,l }

丫浑了

~,一.气一 夕! 3-

充分采动面积

伙,k一I一n一111一一一一jIVv: V

图3一6水平矿层开采时岩体中垂直变形分布

I一临近地表带;11一中间带;m一老顶;W一直接顶;V一矿层,充填全;vi- 绷一垂直方向拉伸变形带;1一直接顶板下沉;2一工作面前方的下沉; 底板;VII一压缩带; 采区

(2)岩体的竖向移动和变形

表3一l岩体的竖向移动和变形 岩层 底板 矿层 充填体

移动性质变形性质变形形式影响因素 隆起鼓出 受压,压实 直接顶 老顶 中间带

沿断裂面发生 有方向的位移 弯曲(形成局部 离层空洞) 均匀弯曲(可能 有滑移面) 岩层在刚性基 础上的下沉 弹性卸载

非弹性变形,脆性破 坏,沿弱面的横向变形 断裂变形,块度不大的 碎块

弹性变形,周期性顶板 断裂

弹性变形,岩体强度有 所削弱

地表带塑性变形 垂直层面方 向:_工作面前上 方受压;开采区

上方受拉\平行层面方 向:顶部下部岩 层和工作面前方 上部岩层受拉; 顶部上部岩层和 工作面前方下部 岩层受压 采区大小, 开采厚度,开采 深度,充填体沉 缩,弯曲刚率, 相对于_l:作面的 位置,矿层倾角, 岩层破坏程度

(3)岩体的水平移动和变形

对于均质弹性岩体,用有限元法计算的开采区上!下岩层的水平移动都向外 指向支撑压力区\采空区上方增大的移动量相当于几个毫米每米的岩石拉伸变 形;而在支撑压力区上方下降曲线段范围内顶板受压缩变形\相反在地表上,水 平移动指向下沉盆地中央,在盆地边缘产生拉伸,在其中部为压缩\最大水平移 动发生在相对变形符号变化处\在中间带内边缘的岩石点向外移动,而采空区上 方的点向里移动(如图3一7)\

对照竖直方向和水平方向的变形可得知,一个单元立方体,在支撑压力区下

部受到三向压缩,岩体中部的下方受到三向拉伸,在支撑压力区上部立方体变为博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究

横卧长方体,而在岩体中部上方立方体变为竖直长方体\在充分采动面积上方沿 中心线Pl.PI,岩石恢复其最初的变形状态,既不受拉亦不受压\;;;;;

\\\\\\\\\\旨翻翻!!砂#一砂砂砂 }}}拉伸lll!!! ,二,/#夕

3.4采动与地下水渗流场的藕合效应研究

在本文的研究中,基于以下基本假设:1岩石材料介质中的流体遵循BIOt 渗流理论[0/>;o岩石介质为带有残余强度的弹脆性材料,其加载和卸载过程 的力学行为符合弹性损伤理论;?最大拉伸强度准则和Mohr一Coul\准则作 为损伤阂值对单元进行损伤判断;?在弹性状态下,材料的应力一渗透系数关 系按负指数方程描述\材料破坏后,渗透系数明显增大;?材料细观结构的 力学参数,按Weibull分布进行赋值,以引入非均匀性\Biot的渗流祸合作用的基本方程为平衡方程: \可,一o(i,j一l,2,3)(3一1) 几何方程:

#\一合(u,,,二,,,)一+一(3一2) 本构方程:

或一二\一砂凡二兄氏-,+2G凡(3一3)

渗流方程:

Kv,P=工丝一a鱼Q次次(3一4)

式中:p)体力密度;博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究 内)正应力之和;

街!\体应变和正应变; 手一一枪\常量怡 好一一Biot常量;

G!又一剪切模量和拉梅系数; 萨)拉普拉斯算子\

式(3一l)~式(3一4)是基于Biot经典渗流理论的表达式,在经典的Biot渗

流祸合方程中,在渗流非稳定流方程增加了应力对渗流方程的影响项,是Biot固 结理论的特征项,反映了应力对流体质量守恒的影响\在稳定流计算时,渗透方 程的右端项为零,忽略了总应力和孔隙水压力相互作用的时间过程\按有效应力 原理,岩体变形中由于增加了孔隙水压力项,反映了岩体变形特性参数受孔隙水 压的影响,同时把引起孔隙变形的介质应力和孔隙水压力分开讨论\但是,在该 理论中没有考虑应力引起的渗透性的变化,不能满足动量守恒\当考虑应力对渗 流的影响时,需要补充祸合方程: K(a,P)#抓\一0阮/.一aP)(3一5)

式中:K0和K)渗透系数初值和渗透系数; 尸)孔隙水压力;

毛!a!声一一分别为渗透系数突跳倍率!孔隙水压系数!祸合系数(应力敏 感因子),由实验确定\

式(3一5)为本文模型引入了应力对渗透系数的影响[l.4]\此外,大量的实

验结果表明,渗透系数不仅是应力的函数,而且随着应力诱发损伤破裂演化,渗 透系数发生显著变化[09一.241\3.4.1裂隙岩体自然渗流场特性

20世纪30年代,人们注意到地下水的不稳定流动和承压含水层的储水性 质,考虑了岩层的储水性质及水头随时间的变化,Jacob(1940)根据热传导理论 建立了地下水渗流运动的基本微分方程: a__日万!日_,刁万!a,_,

一(K__))+)(K一,))+一(入一ax.一瑟.即.刀口Y.由. 日万 份)

一二(,l#叨)臀(3一6)

式中:Ki一i方向的渗透系数; H)水头;

刀)水的密度;博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究 g-重力加速度;

K一骨架的弹性压缩系数; 户一水的弹性压缩系数; ~介质孔隙率\

20世纪50年代,人们才开始对裂隙岩体的水力性质以及其中流体的流动 进行定量评价,并力图解释裂隙水流的特点,但未能引起工程界的普遍重视\刘 天泉(1975!1981)针对煤层开采后岩体的破坏及渗流问题进行了系统的试验与

研究;田开铭(1989!1992)提出了裂隙偏流及岩溶水双层水位的概念;张金才 (1987!1992)研究了煤层开采后底板岩体的破坏!渗流及突水规律等\(l)单一裂隙水力特征

研究裂隙岩体渗透特性的一条重要途径是对裂隙水流进行模拟试验\把岩体 裂隙简化成平行板之间的裂缝\实际岩体裂隙粗糙不平,并带有充填物阻塞\Louis在Darey定律基础上推导出计算裂隙渗透系数的公式: 一上(粤)2=鱼12户.VC.12刀(3一7) ,-一J瓜 一月1. K, K=一仁二 C

式中 把 bb

(3一8) -+8#8-会,

C一~一裂隙粗糙度修正系数; 声)水的运动勃滞系数; K一裂隙渗透系数\

式(3一7)说明,我们可以把有粗糙度的裂隙面等效为一个隙宽b泛b的裂 隙来计算其水力参数\

(2)一组平行裂隙的水力特征

若岩体中只有一组裂隙发育,忽略其他裂隙的渗水性,将本组裂隙内的水流 平均到岩体中去,则可得岩体裂隙走向的等效渗透系数为(Louls): b__

人=一K,+人_ S(3一9)

式中:S)裂隙平均间距;

Km)岩块的渗透系数,其值很小,可忽略不计\

Po~(1996)假定裂隙岩体为拟连续介质,水在整个岩体中的流动规律服

从Darey定律,即博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究 一K,合J,(3一10)

从以上的研究结果可以得出对于一组平行裂隙,其渗透系数为: K_业些立12产巧U(3一11) 渗流方程为: 妙.F二)J了

121巧C.(3一12)

即流速v与隙宽b的三次方成正比,即裂隙岩体水力学中的立方定律 (Cubiela!v)\

若有多组裂隙发育,或岩体中有几条较大裂隙流向任一结点的流量之和为 零\利用边界条件求解方程组,即可求网络结点处的水头值\3.4.2采动对地下水渗流场的改造

采动条件下矿层顶板应力分布发生改变,变化的结果是使采空区中心部位以

上的矿层顶板受到卸荷的作用并发生垂直方向拉伸变形,裂隙发育,渗透性明显 变大,从而渗透张量随深度由竖立椭球变为水平椭球的程度减弱,有些情况下会 使比值变大,随深度变化使椭球更趋向竖扁,即垂直渗透性(K刃)与水平渗透 性(K万)比值变的更大\相反,离中心区以外渗透张量随深度由竖立椭球变为 水平椭球的程度增强,随深度变化使椭球更趋向扁平,水平方向渗透性与垂直方 向渗透性比值增大,水平方向渗透主值也增大K刃>K万(图3一8)\

岩体裂隙中地下水对岩体的作用力表现为静水压力和动水压力,这两种力合 称为渗透压力(或渗透力)\渗透压力为表面力,它作用在裂隙壁上,其力的方 向垂直隙壁,静水压力的大小可表述为: 缘=爪(3一13)

式中:为-一~裂隙中水头(L); 尸静)静水压力(Ml,T-2)\

当裂隙中充填松散物,且松散物的孔隙度为np时 可表述为: 缘=气rH

,裂隙水静水压力的大小

(3一14)博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究 I WIII V一 VI

穿呱\甲丸\

只\丫畔义一皿岁K0//-班卜 /久\丫丈.上岁嵘一心Kho \〔己畔风\(三乡!\

图3一8采动条件下裂隙渗透张量随埋深的变化特征 由单裂隙水流公式可知:

几-于于D12声12刀甘=爪几产b-(3一15)

从式(3-15)知,动水压力与水流速度成正比,而与裂隙隙宽的平方成反比\

岩体裂隙中地下水对岩体裂隙隙壁产生静水压力和动水压力,引起岩体裂隙变 形\这种变形可应用弹性理论方法研究\

假定单个裂隙面在空间上的展布呈近似圆形,由于裂隙两壁面承受同样大小 的渗透力,因而仅研究裂隙面一侧承受的均匀静水压力问题\把这种受力问题可 近似看作半无限球体表面圆形区域内受均布压力作用\

设圆形裂隙面半径为八单位面积上的静水压力为迢\先计算受静水压力 的圆中心以下任一点M处的位移表达式\

由半空间在边界上受法向集中力的Boussineq问题的位移方程式中,可推出

受均布静水压力作用时,半无限表面圆形区域内,垂向位移为:博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力塑塑堕

u,=广-刃沙众(l+v\八/-!slnp!乙(1一Vol)L!U,-J,COSP+sin刀哪(3一16) _旦竺旦丝(月了户万落丁一z)[2(l一v\Z

了;.+z.

从式(3一16)中显见,当z=O时,即在受均布静水压力作用的圆形域中心处 的位移量(垂向)为:

U.}_==-12二V2(l一v孟)沙E0(3一17) 式中:一圆形裂隙半径长度; 卜一-地下水重度;

月二一一裂隙中水头高度; 局)裂隙附近综合弹性模量; v9一一一泊松比\rrr!!r!!lllr,,r闷闷澎澎 !!!!!!!!!!!!!!! rrrrrrrt,,,,,

图3一9裂隙面承受静水压力时的力学分析

若M点在圆形域之外,由图3一9(b)可知阴影部分的面积ds=LdadL 元面积上的静水压力为沙故夕=rHLdadL,于是,在M点的垂向位移量为: 4(l一心)rH衅U:=)~二下一一户玉 万乃\一

rZeosZ夕d夕 4(1一v孟) -凡 一挤/2 rH[儿 *价不再

!几牙品,2\耐210一(-一万s-n-/)工甲了不于下/U,/V-一了s-n./ (3一18)

从式(3~18)中显见:当R=;时,则在圆周上垂向位移为:博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究

\一92丝毛生2!\司左七\生旦竺赵丝;滤0(3一19) 当M点在圆形域之外时(推导同前),其垂向位移为七

4(l一F了)声衅______J__4(l一v扔__;\沙厂不万{,U:=)-二)Ir-05uau=-一下,)刀lrL!{1一二丁slnaaaLJ一乙U) 劝\司愁\司v大-

从式(3一20)显见,当R=0时,即在圆心处为最大位移量,即

4(l一心)rH砂_,2(l一心)_J\一一一一二一一一taa=~一一二二一一7们r 左七\刃左也\(3一21)

从上述可得出,空间分布的单裂隙面承受均布压力作用时,其周边上!中心 处及裂隙面上任一点处的总位移量分别为: v,=ZU:}*_,8(l一心)rHr武

v,=Zv:},=\一v考)yHrE0(3一22) vb=ZU:8(l一卫了)yHr 鸡厂.

式(3一22)描述了空间单裂隙面受静水压力作用时,岩体裂隙的弹性变形公 式\这里没有考虑裂隙的塑性变形,也没有考虑动水压力\

在静水压力和动水压力共同作用下,空间圆形裂隙面法向位移量为:

v,一Zu:=鲤毛鱼:(H+左也\犷弃答二瓦.*(3一23) 裂隙面的切向位移量为:

U,=8(l一v考)云立份六竿气对厂rcos咨 7丈乙\吸乙一Vol U!V工 厂(3一24) U二=

尹--二-一一二匕二一灯,rsi_刀,l内.!,J2习已\暇-一F\U!UJ

8(l一v考)in占了. -价不公离

价票认瓦.(3一25)

式中:口)裂隙水流梯度方向与x方向的夹角;Jr一裂隙中地下水水力梯度\3.5本章小结

矿井水害灾害链显示:采动是导致矿井水害的主要因素\采动动力效应的研

究,将为防治水方案的制订提供理论支撑\论文通过对采场顶板应力!应变的分博士学位论文第三章开采扰动条件下地下水渗流动力效应研究

析,以hiot渗流理论!渗流祸合作用的基本方程为基础,分析了采动对地下水渗 流场的改造,并利用同行的相关研究成果,推导出影响水文地质环境再造的位移

特征量计算公式\博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究 第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾防治水技术研究 4.1概述

凡口矿是我国有名的岩溶大水矿山,矿区内降雨充沛,地表水系发育,地下

水储量丰富,对矿床开采构成了威胁1125]\主要有以下三方面:一是地面塌陷规 模大!复活率高,地表水下灌量有增大趋势;二是井下排水电费每年高达1200万 元,塌陷治理费用每年也高达400万元;三是矿区地质环境遭到破坏,工农矛 盾日益突出\上述突出问题严重影响了矿山的经济效益,阻碍了矿山的可持续发 展,因此采用新的或改进的防治水方法己显得非常必要\

地面塌陷是我国南方岩溶矿区遇到的普遍性问题,国内至今尚未找到通用性 强!效果持久的治理方案\本次研究在矿山水害灾害链的孕源断链理论基础上, 通过对塌陷的分布规模!活动规律及成因进行研究,找出致塌的内源,研究并提 出了适合凡口矿塌陷特点的几种塌陷治理方案,杜绝地面塌陷对地下水水害的影 响\

4.2地面塌陷分布活动规律

地面塌陷是凡口矿区地面变形的主要方式,其危害较大\根据多年来的塌陷 资料,塌陷平面形态以圆形为主,其次为椭圆形;空间形态以圆锥形!锅底形为 主,其次为圆柱形,塌陷规模大小悬殊,一般直径1一10m,最大直径达44m, 深度一般小于sm,最大深度大于30m,最大塌陷体积达9308.5m3\4.2.1地面塌陷分布规律

(l)塌陷分布范围与地下水降落漏斗范围一致;

(z)断层附近!背斜轴部塌陷发育\如金星岭背斜轴部!p3!F4等断层中 部地段塌陷相对密集\

(3)S久一Ca(Mg)水或-认\一Ca(Mg)水地段塌陷发育\如金星岭南

部由于受硫化矿体氧化影响,地下水呈酸性,导致岩溶特别发育,从而该地段塌

陷相对密集\

(4)地下水迁流方向上塌陷密集\如壶天群含水层原排泄方向上(金星岭至 铁石岭)塌陷特别发育\

(5)塌陷多发生于覆盖层厚度20m以下且结构较松散地段\如矿区南部及东博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究

南部土层厚度(10~2om)比矿区北部()20m)薄,且岩性以结构松散的粉质粘 土!粉土夹砾石为主,而北部以结构致密的粘土为主,故前者塌陷较密集;又如 凡口河漫滩等地势低洼地段,岩性以松散的砂卵石为主,塌陷最易发生\4#2.2地面塌陷活动规律[,2卜-28]

(l)塌陷产生频率与地下水位下降速度成正比\

(2)地下水位在基岩面上波动时,易产生塌陷\如士om中段突水期间,

204/ck5孔附近共产生塌陷20个,其中12个是在地下水刚刚降到基岩面以下产 生的,而有7个是水位恢复过程中接近基岩面或刚超过基岩面时产生的;又如凡 口河沿岸压风机房一带,当旱季地下水位下降至基岩面以下或雨季地下水位止升 接近基岩面时,塌陷均加剧\

(3)当地下水位处于基岩面至基岩面以下20m范围内时,塌陷最易发生\如

近几年来塌陷主要活跃于7%一董塘公路以东至信宜村铜鼓地一带,以及银场坪 一老贵地一白屋砖厂一带附近,该塌陷活跃区域多处于60一90m等水位线之间,而 该区域基岩面大致在85一95m标高间\

(4)井下涌水点含砂量增大,则地表易塌陷\如巧om中段西部放水时,曲

塘塌陷产生前,含砂量为8.8%,当含砂量猛增到69.55%时,地表即大量产生塌 陷;又如狮岭南放水巷泥砂量增加时,南风井以南地表即发生塌陷\

(5)塌陷产生与季节有关\统计表明,每年12月至翌年4月塌陷频率较大\(6)塌陷与昼夜温差有关,温度降低幅度大,则容易产生塌陷\如矿区塌陷 多发生于温度降幅较大的深夜一凌晨时间段\4.2.3塌陷活跃程度分区

根据凡口矿近几年(1997一2000年)地面塌陷的特点=.29一,32]及塌陷统计表(表 4一l),可将塌陷区按塌陷程度分为四个区\

A区(塌陷高发区):主要有3个地段,从西往东分别是老气象站一一老铁 路!水沟一带(CK47孔附近)!大河塘一一铜鼓地!凡口河一带(CK48孔以 东)!富屋村的下水东一带(CK4O孔以北300m)\上述地段均处于河床!水沟 等地势低洼地带,地表水下渗强烈,塌陷数量多!规模大,塌陷复发频率高,也 是注浆封堵的难点地区\

B区(塌陷活跃区):主要处于凡口河床及其附近一带,平面上大致呈西窄

东宽的半环形,该区域地下水位处于60一90m等水位线之间,而基岩面标高为 85一95m,潜蚀作用及吸蚀作用均较强烈,为塌陷的多发地带,A区即分布于其

中,属主要塌陷治理区域\博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究

表4一1凡口矿近几年塌陷统计表

塌陷分区编号塌陷个数塌陷形状塌陷规模

圆形或椭圆形塌陷体积一般5一30m3,最大达81Om3 30 l5

圆形!椭圆!槽形

,.盈,-AA A区 B区 C区 D区

圆形为主,个别为坛形规模不等,塌陷体积一般lom3以下 圆柱状塌陷体积一般5m3以下 圆柱状塌陷体积一般5m3以下 合计114

C区(塌陷低发区):主要处于疏干漏斗范围内B区以南的大片地区,该区 域地下水位一般高于基岩面,潜蚀作用较弱,塌陷发生率较低\

D区(塌陷趋稳区):主要处于B区以北的疏干漏斗范围内,该区域地下水

位大多超过基岩面以下ZOm,在目前疏干状态下水位变幅不大,潜蚀及吸蚀作用 均较弱,难以发生塌陷,地表趋于稳定,矿山己在该区域内修建沉淀池\4.3地面塌陷形成机理

塌陷产生的基本条件是存在开口型岩溶通道的隐伏岩溶含水层,上覆结构疏 松,厚度较薄的第四系土层,当水位降至基岩面以下或地表水渗透改变岩土应力 平衡时,土层由下往上逐渐崩落,形成隐伏土洞,之后继续崩落,最后导致在地 表产生塌陷\

关于塌陷成因,目前国内尚存在不同观点,针对凡口矿塌陷特点,存在6个 方面的原因\(l)垂向潜蚀

主要指地表水沿土层孔隙!裂缝向下渗透过程中对土体进行潜蚀!冲刷!搬 运等作用,一般发生于土层结构松散的河漫滩!水沟!水田等地势低洼地带\其 塌陷形态以圆锥形!锅底状为主,凡口矿区的塌陷高发区(A区)即主要以这 种作用为主\(2)真空吸蚀

指隐伏岩溶含水层的开口型岩溶通道上覆隔水性能良好的粘性土,当地下水 位急剧降至基岩面以下时,所产生的作用于土体的下向负压作用\以这种作用为 主的塌陷一般发生于土层结构致密的河床阶地!山脚等地势稍高地带,其塌陷形 态以圆柱状为主,凡口矿区的塌陷活跃区(B区)和塌陷趋稳区(D区)即大

量存在这种作用\博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究 (3)横向潜蚀

它主要是指地下水位下降时,在动水压力作用下(动水压力与水力坡度成正 比关系),地下水对溶洞充填物或溶沟沉淀物的冲刷!搬运!捣空作用\一般发

生于浅部岩溶发育且充填物较多的地段,如金星岭南部士O~一SOm标高间溶洞充 填率仍达56.7%,故在地下水位大幅下降的疏干初期,塌陷频率很大\(4)浮托力变化

其前提是地下水位下降之前,土层下为承压岩溶水,当地下水位逐渐下降至 基岩面以下时,开口型岩溶通道上的土层底板即失去了原有支撑,浮托力逐渐下 降直至消失,当土层底板内聚力不足以抵抗应力失衡时,土层底部即会发生挠曲! 开裂!崩落等变形!位移,随即产生隐伏土洞,逐渐发展最终在地表产生塌陷\

该类作用常与垂向潜蚀或真空吸蚀共同作用产生塌陷,其塌陷的产生与地下水位 由承压转无压有明显的时空关系,一般发生于地下水位大幅下降时或疏干排水初

期地下水降至土层底板以下时\(5)浸润潜蚀

土体内因含伊利石!蒙脱石!高岭石等矿物,它具有如下特性:脱水状态下

干燥的土体遇水后则迅速崩解,其崩解程度与土的饱和度密切相关,饱和度越低 时崩解作用越激烈\利用土的这一特性,可以解释凡口矿区当农田灌水!大气降 水时或水位恢复阶段地下水位达到土层底板时,塌陷频率较高的原因\因此,地 下水位在基岩面波动时,久早逢雨或秋收后翌年农田灌水时,塌陷频率较高\(6)昼夜温度变化

土体同样具有热胀冷缩的特性,当土体温度降幅较大时,由于土体的收缩, 土层结构遭到破坏,内聚力下降,从而更易发生崩解!崩落,导致塌陷产生\根 据这个认识,可以解释凡口矿区塌陷多发生于温度降幅较大的深夜)凌晨时间 段的原因\

总之,矿区地面塌陷的形成,实际上是多种因素综合作用的结果,即使是同

一处塌陷在从隐伏土洞到地面塌陷的发展过程中,也可能存在着多种类型的作 用\

4.4塌陷灾害链结构及断链减灾分析

通过4.3节对凡口铅锌矿塌陷的原因分析,从理论上对岩溶致塌机理进行

分析得出:博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究 岩溶致塌机理模型

致塌动加载力加载致塌静力水渗致地表下塌恢致塌水位复致塌水位下降 图4一1岩溶致塌机理模型

渗透力改变地下水位升降失托增荷 空吸蚀真爆效应气

图4一2塌陷灾害链结构

从图4一2可知:塌陷灾害链由两个方面的因素组成,一是客观存在的塌陷范 围的本构特征,包括:范围内的静!动力特征(如土层自然静荷载!振动能量等)! 上伏土层特征(土层成分!粒径级配!厚度与分布!土洞发育情况等)!下伏基 岩特征(岩性组分!水理性质!含导水性!岩溶发育情况等)与地下水自然状况 下的渗流场(地下水位!渗流通道!径流方向!径流量!地下水水源等);二是

主观因素(采掘作业!水利工程等)[l33一,351\塌陷灾害链表明,致塌的关键因素 是主观因素,称之为诱发因素)地下水位升降\

通过对灾害链的孕源断链减灾理论进行了分析研究表明,对于塌陷灾害链博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究 [.36一.39]来说,孕源断链主要是: (l)改良范围内的本构特征\裂隙,溶洞的注浆处理; (2)恢复自然地下水渗流场\

上伏土层隐伏土洞的注浆处理!下伏岩层岩溶 对已形成的地面塌陷进行治理\

4.5塌陷注浆处治断链减灾技术研究 地面塌陷的预防

采用疏干方法治理地下水害的岩溶矿山,在治水过程中作好地面塌陷的预防 工作尤为重要,针对凡口矿区水文地质条件及地面塌陷规律,可采取如下预防措 施\

(l)地面塌陷的预测[.4小.42]\

由于矿床疏干所引发的塌陷只产生于地下水位降落漏斗范围内的隐伏可溶 岩分布地段,所以可将降落漏斗内隐伏可溶岩地段圈定为塌陷区\对于浅部岩溶 发育!溶洞充填率高!盖层厚度薄!松散!透水性好的河床等地势低洼地段,可 预测为塌陷高发区;对于凡口河床附近!地下水位处于60~90m标高的地段, 可预测为塌陷活跃区,在上述两地段,应撤出重要设施!居民,并加强观测监视, 以确保人民生命财产的安全\对于地下水位处于95m以上及60m以下地段,可 分别预测为塌陷低发区及塌陷趋稳区,开展必要的动态观测即可\

对于塌陷产生的大致时段及地段,也应开展必要的预测工作\当井下突水后 地下水位急剧降至基岩面以下或水位恢复至土层底板时,均是塌陷产生的高峰 期;当涌水点含砂量突然增大时,邻近塌陷区即刻或不久会产生塌陷;当地面产 生开裂,特别是环形裂缝出现时,该地段可能不久产生塌陷;当地表设施出现裂 缝或移位,并有急剧发展趋势时,该设施附近将有塌陷产生;当塌陷区内水田脱 水开裂,恢复灌水时或大气降水后,也是塌陷产生的常见时段及地段\(2)动态调整地表水迁流方向\

地表水渗透及溃入是河床地段产生塌陷的主要因素,因此将地表水引出塌陷 高发区,并对原河床进行加固防渗是预防塌陷产生的重要措施\根据凡口矿塌陷 区地表水系分布情况及农用灌溉水需求情况,在非灌溉期,可于水沟与凡口河支 流的交汇处用粘土袋筑坝,将流经Al塌陷高发区(CK47孔附近)的水沟水引 流至凡口河中,然后对Al区内的水沟地段进行块石护坡!硷铺底的加固防渗: 在灌溉期,则拔除粘土挡水坝,让地表水重新流入水沟中,满足农田的灌溉需要, 进入非灌溉期,又再筑粘土坝,,\如此往复,从而达到既减少地表水大量下渗 造成Al区频繁塌陷,又满足农田灌溉需要的双重目的\

(3)控制地下水位下降速度\博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究

当地下水位骤降时,产生塌陷的强度及频率都大,因此,可在新南截流巷(狮 岭放水巷)南端的主要涌水孔安装闸阀,动态地调节排水量,从而达到控制地下 水位下降速度的目的\具体实施方法为:当进入地下水位下降的旱季时,可适当 减少单孔放水量,促使水位缓慢下降;而进入水位回升的雨季时,可逐步增大单 孔放水量,促使水位缓慢上升\

(4)减少泥砂排放量当井下排水泥砂量增大时,地表将产生塌陷,因此控制

井下泥砂的排放,将能大幅降低地表塌陷产生的规模及频率\针对凡口矿井下涌 水情况,可尽量在主要浑水放水孔内安装过滤器,以减少泥砂的排出\(5)灌注地面裂缝

当地表出现裂缝,特别是环形裂缝时,预示着塌陷将发生,为此可及时配制 粘土水泥浆或双液浆,对着地裂缝进行自溜灌浆,将塌陷消除在陷落之前\4.5.2注桨断链减灾技术的工程应用

矿山目前对已有塌洞根据其是否为主要治理对象而分别采取不同措施,对非 主要治理对象,则采取一般的粘性土回填方案;而对于主要治理对象,一是采取 先回填粘性土,再打钻进行注浆加固的方案;二是利用塌陷产生的裂缝或塌陷口 直接进行水泥一一水玻璃双液浆自溜灌浆的方案\上述方案有以下特点: (l)松散土层中采用低压慢注,终压100KPa以上; (2)单液水泥浆或水泥水玻璃双液浆;

(3)孔距一般4m,采用分段下行式注浆,分序施工,最后施工检查孔;

(4)为防地面跑浆,孔口下入4m长\孔口管,先注中上部土层,后注下 部土层及基岩面裂隙;

(5)当地面冒浆时,采用加浓浆液!掺水泥快干剂!低压!间歇注浆等措施; (6)当地层吸浆量大时,在孔内加入磨砂\

(7)当塌洞周边有裂缝或塌洞底暴露洞口时,采用双液浆或水泥粘土浆自溜 灌入\

凡口矿在塌陷治理中针对不同的灾源采用了不同的注浆断链减灾的治理方 案\详见图4一3至4一10\(l)埋管回填注浆塌陷治理\

断链减灾的关键是注浆花管的布设,减灾效果的可靠性在于注浆体浆液的饱 和度\其一是回填体的浆液饱和度,其二是下伏岩层岩溶裂隙!溶洞的浆液饱和 度\博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究 图4一3塌陷埋管回填注浆处理示意图 (2)钻杆注浆塌陷治理\曰曰曰曰曰曰口口口口口

图4一4塌洞钻杆注装治理示意图

钻杆注浆塌陷治理的适应条件是:塌陷刚开始表象,引起塌陷的下伏溶洞 远没有完全暴露,塌陷表象层位与岩层之间还存在较厚的松散土层\

断链减灾的关键在于钻孔的精确定位:下伏溶洞口应处在以钻孔终孔为圆

点,设计的浆液扩散半径为半径的圆形范围内,同时松散土层的浆液渗透性应满 足一定要求\

(3)套管注浆塌陷治理\博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究

图4一5塌陷洞口套管注浆治理示意图

套管注浆塌陷治理的适应条件是:塌陷刚开始表象,下伏溶洞远没有完全

暴露,塌陷表象层位与岩层之间还存在较厚的松散土层,下伏土洞是引起塌陷的 主要原因\断链减灾的关键在于注浆花管的精确定位以及套管的埋深\(4)隐伏土洞注浆塌陷治理\久2小梦!,!! 土层 !!之

图4一6隐伏土洞透气防治塌陷示意图图4一7隐伏土洞注浆封堵示意图 隐伏土洞注浆塌陷治理的适应条件是:塌陷处于灾害链正在形成阶段,该阶 段下伏土洞是引起塌陷的主要原因,下伏溶洞远没有完全暴露,塌陷表象层位与 岩层之间还存在较厚的松散土层,致塌的机理主要是真空吸蚀\断链减灾的关键 在于注浆花管的精确定位!套管的埋深以及透气孔的布设\

(5)高压旋喷帷幕注浆塌陷治理\博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究 中心孔(l个夕 .

,,,一于一丫塌,0.外圈孔(12个) 一_口

中圈孔(8个) 月月月日日}}}}

国国国)))77777777777{{{.11111)))尹沪qq-,!.q!! 图4一8高压旋喷帷幕注浆防治塌陷示意图

(a)高压旋喷帷幕注浆防治塌陷俯视图(b)高压旋喷帷幕注浆防治塌陷剖面图 高压旋喷帷幕注浆塌陷治理的适应条件是:单个规模大的塌陷或者塌陷群,

该塌陷灾害链中地下水的垂向潜蚀!横向潜蚀作用为主,必须人工构筑垂向的防 渗拱体和侧向的防渗幕体\旋喷注浆是利用钻机把带有特殊喷嘴的钻杆钻进至预 定深度后,使浆液在高压下经喷嘴以高速喷出,同时钻杆边旋转边提升,经过切 割!混合搅拌!置换!充填!渗透固结和压密等过程,在土中形成一个固结体,

以达到加固地基和止水防渗的目的\该技术具有适用地层较广!施工灵活简便! 可控制固结体形状!不会造成环境和地下水的污染,所用设备简单,体积小,机 动性强,操作容易,噪音小,冒出的浆液可以回收再用等特点\该类塌陷灾害断 链减灾的关键是帷幕注浆孔的深度!帷幕参数的确定\

凡口矿在塌陷注浆治理工艺中对注浆参数进行了复核与优化: (1)注浆材料的选择:

为提高浆液的扩散半径,保证注浆效果,采用以单液水泥浆为主,水泥一水

玻璃双液浆为辅,只有当注浆段进浆量特别大时,才采用水泥一水玻璃双液浆注 入至结束注浆\

(2)单液水泥浆的水灰比为:2:1一卜1,当注浆施工超过一定时间而注浆压 力不升高!进浆量不减少时,提高浆液浓度\水泥一水玻璃双液浆的体积比为: l:0.6~l:l\

(3)注浆结束标准:

注浆终压标准:3~SMPa,实际施工中,注浆终压均超过8MPa\预计浆液

总注入量采用:博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究 _,_Vg=兄x卢x粉x:万 八夕(4一l)

式中:又一浆液损失系数; 声一浆液有效充填系数; 粉一岩层裂隙率; 环-待注浆体积; 刀-浆液结石率\

长孔预注浆堵水(加固)注浆结束标准:注浆压力达到设计终压值,并维持 10一15分钟;每孔浆液注入量达到设计总量\!!!

搅搅搅搅搅搅搅 JJJ-.,,拌拌 !!!!机机 水泥代用品

图4一9单液注入方式工艺流程图 搅拌机贮浆池 /////////// \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

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图4一10双液注入方式工艺流程图 4.5.3防治效果评价

凡口矿利用单液浆!双液浆的注浆工艺流程,采用回填充填注浆!钻杆注 浆!套管注浆!高压旋喷注浆!隐伏土洞注浆!透气法等治理塌陷,减少塌陷的 复活率90%,从而有效地减少了地表水的下灌,杜绝了恶性循环\4.6本章小结

次生灾害是引起矿井水害的主要因素\针对地面塌陷次生灾害,本章构建了博士学位论文第四章塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的防治水技术研究

塌陷灾害链模型,确定了防治塌陷灾害的孕源断链减灾途径\以凡口铅锌矿为例, 分析研究了该矿地面塌陷分布活动规律,有针对性地提出了各种灾源的治塌技术 并付之于工程实际,且取得可喜的效果,为/塌陷次生灾害注浆处治断链减灾的

防治水技术研究0提供了范例\博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究

第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究 5.1概述

地下水环境恢复是指因采掘作业破坏了原有的地下水渗流环境:如胶东半岛 区域地下水来源为大气降水的补给,降水入渗补给地下水的途径一是直接在基岩 出露的丘陵区渗入补给,一是以地表临时水体的形式补给地下水\基岩出露的丘 陵区坡降大,迁流条件好,降水入渗时间短,补给条件差;平原区,地势平坦,

迁流条件较差,降水入渗补给时间长,除直接接受大气降水补给外,还接受地表 临时水体的补给,补给条件较好\地下水流向与地表水流向基本一致,由南!南 东向北!北西方向运动,最后注入渤海\地表发育的朱桥河!诸流河!界河是区 域内地下水排泄的通道1143一,471\由于三山岛!焦家!新城!望儿山!河东!灵山 沟!北戴等矿产资源的开采l.48一,57],因开采生产规模!开采深度不同,加之含水 构造性质不同,区域内不同地段形成了不同的地下降落漏斗,从而改变了局部地 下水排泄的途径,矿区地下水向各自矿坑排泄\使地下水条件复杂化,导致了一 系列的次生灾害的发生,也增加了矿产资源的开采难度,形成了恶性的灾害链 [158一162]

地下水环境再造是指矿层顶板结构在采动条件下原有应力发生改变,应力的 变化导致矿层顶板的损伤,损伤的结果是矿层顶板裂隙性发生改变,矿层顶板有 的被错断,使本以张开的裂隙和相连通的裂隙变得闭合或互不连通,原来闭合的 或不相连通的裂隙张开或变长以至相互连通,从而引起矿层顶板固有含水层结构 特性的变化\如果采取一定措施使其变化控制在一定限度内,便可以增大储水空 间,使水位降低,减少对矿层开采的水压威胁,若条件允许或采取一定措施还可 以使更多的地下水资源储存其中而不去破坏,使水资源保护向着有利方向发展; 若措施不当则会使含水层破坏超过一定限度,造成采空区与含水层之间的连通, 既威胁采矿安全,又造成水资源的破坏\因此,研究如何控制含水层再造的/度0 是/既保矿产资源又保护水资源0的重要课题1163一,72]\

采掘对地下水渗流条件的影响第三章已经论述,本章主要立足于恢复与再造

因采掘作业影响的地下水环境,实现对矿山水害灾害链/恶意0灾源输入的/断链0,

提出综合防治水方案,并在工程中运用落实\博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究

5.2顶板帷幕注桨防治水技术研究与运用

我国幅员辽阔,灰岩分布广,岩溶矿床水文地质条件复杂,单纯采用疏干降

压方法,不仅排水费用高,而且易引发地面塌陷!地下水资源枯竭等严重环境问 题,如水口山铅锌矿!凡口矿[l731!张马屯铁矿等\

业庄铁矿[.74,.75]为我国有名的大水岩溶矿床,70年代初进行井下疏干放水实 验时,曾在第三系缺失的天窗部位产生地表塌陷,随着矿区地下水位下降,形成 了范围较大的降落漏斗,部分民井干涸\因此采取疏干排水为主的防治水方案, 必将破坏矿区地质环境,消耗地下水资源,引发工农矛盾并大幅增加矿山排水负 担,致使矿床无法开采\如仍采取预留护顶矿,以10mXIOm网度向含水顶板

施工水平法向注浆孔的防治水方案,则不仅浪费大量矿产资源(采出的矿量仅占 剩余矿量的三分之一左右),而且存在突水淹井的威胁\因此,研究既能保护矿 区地下水资源,又能安全回采护顶矿层的防治水方案己势在必行\要达到上述目 的,只有在矿体顶板形成一定厚度的连续人工隔水层,进行/含水层的隔水 化0)隔水层再造技术研究\

5.2.1顶板注浆防渗帷幕厚度的确定

人工再造的隔水层既是隔水体又是采场的顶板,因而兼有隔水和保持顶板稳

定的双重作用\一方面注浆帷幕体要承受采矿时的爆破震动及平衡采空区顶板应 力集中,另一方面要抵抗幕外20一30k沙mZ的静水压,因此注浆帷幕厚度是注浆 工艺系统中的一个重要参数,帷幕厚度过小,则在采矿作业过程中可能有突水的 隐患,厚度过大则施工成本变高,施工周期变长\

帷幕注浆厚度分为有效厚度和无效厚度两部分,如图5一1所示\无效厚度是 采矿的爆破作用及采场应力重分布作用在顶板注浆帷幕一定范围内产生的松动 圈(或称裂隙带)的厚度,相对有效厚度而言,该层防渗和自稳能力稍差\有效 厚度是注浆帷幕中未受采矿作业破坏的部分,是防渗和自稳的主体\(l)帷幕注浆无效厚度(hl)的计算[,76]

根据业庄矿区采矿参数,采矿分层高度为1om,相邻穿脉的间距也是IOm,

以最不利情况考虑,将其开采宽度设为Lx一20m,高度为与一10m,其力学模型如 图5一2所示\博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究 YYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYYY

丫丫丫-----奋奋叮叮叮叮叮叮叮叮叮叮叮叮口口口口口口口口 JJJJJJJJJJJJJ!了!!!

图5一1顶板帷幕注浆结构示意图图5一2帷幕注浆应力计算模型 考虑边界条件则帷幕注浆的应力场: 0

COS一 2 0.

一Slfl一5111 2扑一/一/卜#

g]a#(5一l)Sn0一2n门西+ rsell|Jrll卜|J 口二#捺 \夕#捺 T\一仔 8

COS一 2 8.838

COS一Sln一COS) 222

根据Mohr一Calomb破坏准则,采场边缘破坏区的边界方程为: JI一协3=Re(5一2) 式中l+sins:K二) l一sins J3xas_.口!,

r=-云于cos百(,+0n百,-(5一3) 式中:RC)注浆帷幕体抗压强度\

结合(3一16)至(3一25)计算公式得帷幕注浆无效厚度h,: 气=场\一兰七下一.cos丁(l+sln二)-ZK言z艺(5一4)

(2)帷幕注浆有效厚度(场)的计算博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究

图5一3帷幕注浆有效厚度计算力学模型

有效厚度hZ基本不受采掘作业扰动的影响,可以看成是连续介质;它主要承

受矿体上盘含水层水压的作用,其变形近似薄板的弯曲变形,力学模型如图5一3 所示\隔水体作为四边固支的矩形平板,板上受均布荷载P(水压)的作用,采 用弹性力学薄板理论,可得帷幕注浆隔水体内部的应力表达式: 一:!圣\瞥一锣#叹\普一鲁)

一!!二一鲁\锣#!\鲁\弩)(5一5) =上工通\竺51\鲤ZL,L, 二O 式中

A=24赚片qz

二.以+弓)+2L二片伍一气), (5一6)

F少卜势能)一专qwL,L夕(5一7)

根据H一肠esca屈服准则,当隔水体产生屈服时,主应力应满足下式: 口l一吼=ZT\一8)

隔水层再造体所承受的水压与再造隔水层的厚度关系如下: 尸二AO对:\一9)

式中:几)再造隔水体的平均抗剪强度博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究

产一一矿体顶板静水压力 A\二卜伙+引+2嵘引 6嵘片帐+动(5一10)

由(5一9)式可以计算出肠,则注浆帷幕总厚度h二hl十h:,经计算取ZOm\5.2.2顶板地下水分布特征

矿体顶板地下水主要沿断裂及其岩溶带分布,矿体顶板主要构造有F\F\等,相应地沿上述构造即形成5条主要的含水带,顶板钻孔涌水

或巷道揭露涌水基本来自上述构造含水带!岩溶带及其伴生裂隙,根据大量探查 资料分析,顶板地下水分布有如下规律:

(l)顶板地下水分布于矿体与中奥陶纪灰岩的接触面及其附近,北至6501 线以北,南至6525线,上至第三系底板(50m标高),下至一65m以下\横向

上,北部地下水较南部丰富,垂向上,深部地下水较浅部丰富\

(2)断裂构造!接触岩溶带规模大,则涌水量较大,如F\单点涌水量 可达700m3/h以上\

(3)张性断裂,涌水量较大,如NE向的F\单点涌水量一般为100m3爪以 上,最大一次达1500m,爪\

砰)接触破碎带含!导水性不均,如Fd,在6505线以北,溶洞发育,涌水

量较大,单孔水量可达500m3爪以上,而在6505一6515线之间,涌水量一般 为20一6om3/h,仅在局部地段(一65m水平65一oB穿脉线)水量达25om3/h\(5)导水构造被红泥!第三系泥质物充填后,含!导水性变弱,甚至处于无

水状态\如矿体南部的NE向破碎带Fb,尽管构造规模较大,发育多条平行断 裂,但因被泥状物胶结充填,其涌水量并不大,一般小于100m3瓜,特别是一29m 水平以上,单孔涌水量均小于10m3瓜,甚至干燥无水\

(6)南部第三系地层深埋,其下覆大理岩裂隙大量充填红泥,含导水性减弱, 而北部及中部第三系地层埋深较浅,则红泥充填较少,含导水性较好\(7)近顶板矿体内发育一定量裂隙,因较闭合或被红泥充填胶结,大都富水 性较差,但在深部,因红泥胶结不紧密,被巷道或钻孔揭露后,在高水头压力作

用下,红泥易溃出导致突水\如一52m水平6517穿脉,巷道揭露红泥充填的NE向 断裂后,红泥溃出突水量达5万m3/d\

(8)第三系底部砾岩!被泥状物充填的破碎带!溶洞充填物普遍胶结不紧密, 结构疏松,遇水易崩落;有一定量孔隙,存在透水但不含水现象,当钻孔揭露深

部奥灰水后,地下水易透过上述地层或部位导入矿坑\博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究

5.2.3采掘活动与顶板突水的关系=.7川/.]

采掘活动与顶板突水的关系表现为五个方面:1对于导水的断裂构造和岩 溶陷落柱,采掘一旦揭露就会引发突水;o开采造成顶板应力场变化,造成采 场顶板变形破坏,从而增大了采场顶板突水的可能性;?开采活动和矿山压力 弓l起断裂构造活动,从而引发突水;?矿压作用下顶板裂隙进一步扩展!连通, 造成顶板突水;?矿压作用在顶板灰岩岩溶发育带引起隔水层的塌落破坏,发 生顶板突水\业庄铁矿的部分突水即与采掘活动及矿山压力有关\5.2.4治水工程的实施

矿山目前采取预留护顶矿的顶板水平孔注浆方案,该方案具有如下特点: (l)预留10m厚度的护顶矿;

(2)以IOm-10m网度,在各穿脉内向含水层顶板施工水平注浆孔;

(3)开孔位置距灰岩顶板水平距离约1.5一20m,进入含水层深度约40米左右; (4)采用纯水泥浆灌注,注浆终压一般为3.5一6MPa;

(5)一2.5m!一6.5m水平放水孔用速凝浆封堵,其他水平注浆孔尽量多注浆液, 浆液扩散距离达100m以上;

(6)采用地面集中造浆系统,用输浆管输送到井下注浆工作面,再由泵压入 孔内;

(7)采用充填采矿法,严禁放大炮,控制临空面积过大\

业庄矿采用穿脉水平法向孔探水注浆,目前己累计进尺9O00m,注入水泥 累计达6000余吨,在护顶矿的保护下,基本保证了矿床的正常开采\根据前述 技术路线,水平法向孔注浆属于顶板帷幕注浆的前期工程\而要形成高堵水率帷 幕,须在顶板构筑由纵横交错钻孔控制的立体结构体系,以便大大增加揭露并封

堵不同方向裂隙的机率,从而极大地减少突水隐患,降低矿坑涌水量,并最终在 矿体顶板灰岩中形成一定厚度(20m)的隔水帷幕,确保护顶矿层的安全回采\先在灰岩顶板内布置大致平行矿体走向的少量近水平探测孔,开展孔间CT 透视工作,根据前期钻注资料及物探成果,采用适宜的布孔方式在顶板进行加密 注浆,最终形成由纵横交错钻孔控制的注浆帷幕\其施工步骤如下: (l)联络巷道,钻注铜室的布置

顶板灰岩内开挖巷道及铜室,必须进行工作面预注浆(布孔4~6个),以

确保施工过程中的安全\首先,在+6m!一29m!一65m水平的6502线!6518线 上朝顶板各施工一条联络巷道(3x2.8扩),+6m水平的6502线!6518线进入灰

岩深度分别为20m!50m!一29m水平进入灰岩深度分别为20m!25m,一65m博士学位论文 第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究

水平分别为25m、l Om;然后，在联络巷道的终端施工钻注酮室(8X3.SX4m3)， 铜室长度方向平行于矿体走向。 (2)探测孔施工

在每个钻注铜室中，布置两个不同方向的钻孔，钻孔方向大致平行于矿体走 向，同一水平四个钻孔深度从北向南分别为120m、100m、100m、130m，

钻孔均为倾角5。的近水平钻孔，同时要求上下相邻两孔应大致平行。钻孔开孔 口径1 SOmm，钻进4m后，采用注浆办法埋设孔口管，安装好高压阀门等防突水 应急措施，变径91 mm继续钻进，遇涌水及破碎地段均用注浆办法通过(要求 达到设计的注浆结束标准)，直至终孔。扫孔后保持孔壁完整，以便后续物探工 作的顺利实施。 (3)孔I}} CT透视

在上下相邻同一方向的两个水平钻孔中，利用孔底锚头分别下入发射极及接 收极，采用孔间超声波(或无线电波)透视手段，对两孔间的岩溶裂隙进行探测， 最终通过8个测试剖面，从宏观上掌握灰岩顶板的岩溶裂隙发育程度、溶洞规模、 富水程度及注浆体充填情况。其成果可以为井下顶板帷幕注浆工程的布置、注浆 设计提供依据，同时也能够检查注浆堵水效果。 布孔进行加密注浆

根据顶板地下水分布规律，有四种布孔方式可供选择:

a,丛状孔:在相对安全地带施工联络巷道和钻注铜室，然后在铜室中布置 多方向的丛状注浆孔，以揭露多处含水构造并注浆封堵。

b、下行纵向孔:当某一法向剖面上含水构造较密集，则可在上部中段(+11 m, +5m, +6m, Om)施工联络巷道及铜室，然后布置下行斜孔揭露含水部位， 并采用下行式注浆，直到达到注浆结束标准。 (a) -8m帷幕注浆工程布置图

博士学位论文第五章竺二些喳遨复与再造的防治水技术研究 Mb8

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(b)一29m帷幕注浆工程布置图

c!上行纵向孔:考虑到矿山施工下向斜孔,易出现取芯难!卡钻等事故,

因而可在一65m水平施工联络巷道及铜室,布置上向斜孔,倾角为30一350,即 可解决取芯!卡钻等问题\

d!近水平法向孔:对于位置较明确的局部含水部位,可采用水平法向孔进 行顶板注浆,该类孔更具针对性,且成本较低\,,\\}\\\\\\七---/// 匕匕匕

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(c)一42m帷幕注浆工程布置图

60博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究 (d)一52m帷幕注浆工程布置图

图5一4各中段(一sm!一29m!一42m!一52m)帷幕注浆工程布置图 上述四种布孔方式各有特点,应灵活掌握,以求达到经济且有效的目的\5.3 5.3.1

地表帷幕截流防治水技术研究与运用 工程简介

岭南铅锌公司凡口矿为我国有名的岩溶大水矿山,水文地质条件复杂,矿坑 涌水量在旱季一般为28000m3/d,雨季达38000m3/d\建矿初期该矿曾发生多 次突水淹井事故,为防治地下水害,矿山老一辈工程技术人员进行了长期的!艰 苦的防治水工作,并于1984年建成了完善的浅部截流疏干系统,保证了矿床的 顺利开采[-82一.84]\

但随着矿山长期的疏干排水,也暴露出了一些问题,主要表现为以下三方面: 一是地面塌陷频繁发生,地表水下渗量增大[l85,186];二是防治水费用高昂,井下 排水电费每年达1100万元以上,塌陷治理费用每年达400万元[l/7];三是矿区 地质环境被破坏,地下水资源浪费严重,工农矛盾日益突出[.88,.89]\

岩溶矿床的水文地质条件比较复杂,国外一般采用疏干排水为主的防治水方 法\地下矿大多采用联合疏干或地下疏干法,且逐渐向单一的地下疏干过渡,如 秘鲁的卡萨帕尔卡铜铅锌铁矿,采用巷道疏干与丛状放水孔相结合的方法对上部 含水层进行有效疏干;露天矿大多采用联合疏干法或地表疏干法,如俄罗斯的列 别金和斯托依林露天矿,采用地下排水巷道和直通式放水孔以及水平排水钻孔进

行联合疏干[.90,.9.]\博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究 我国灰岩分布较广,岩溶特别发育,60年代以来,采用疏干降压技术成功

地开发了一批大水矿床,然而单独的疏排治水方法也带来了一系列问题除排水费 用高之外,还引起地面塌陷!浪费地下水资源!破坏地质环境\于是我国矿山防 治水工作者借鉴水电部门坝基灌浆防渗技术,提出利用钻孔注浆建造帷幕,堵截 矿区地下水流的方法\为矿山防治水开辟了一个新的途径\

矿区注浆帷幕截流技术能大量节省排水用电和经营费用,有显著的经济效

益\更可贵的是还能解决用传统的治水方法所无法解决的水文地质!工程地质问 题以及社会环境问题,如地下水资源枯竭!地面塌陷等环境危害,其社会效益则 是难以衡量的\

5.3.2矿区水文地质环境

凡口铅锌矿位于董塘盆地北缘,地势北西高,南东低,地面标高一般在100

一15Om之间\矿区年平均降雨量约为1500rnlll,3一9月为雨季\凡口河为流经矿 区的主要地表水体,已在河流上游采用人工渠道分流,对塌陷区的河道进行了局 部改道和河床铺砌防渗\矿区内出露的地层以泥盆!石炭纪的浅海!滨海相沉积 建造为主,岩性为碎屑岩和碳酸盐岩\地表普遍分布着厚10一30m左右的第四系 松散堆积层,主要为冲洪积或坡残积的粉质粘土或粘土!粉砂土夹砂砾石\矿区 地质构造在宏观上为一复式向斜,轴向北西,向南东倾伏\复式向斜内发育有近 南北和东西向的次一级褶曲(如金星岭背斜!狮岭背斜),以及一系列走向北东 或北北东的压扭性断层(如F3!F4!FS等)\矿体赋存于当地侵蚀基准面以下的

泥盆系中统至石炭系下统的碳酸盐岩中,主要集中在金星岭背斜南北两翼及狮岭 背斜东翼\矿体上部普遍被石炭系中上统壶天群白云岩岩溶含水层覆盖[-87一.90]\(l)含水层与隔水层

矿区内存在着强!弱两个含水层,即石炭系壶天群岩溶强含水层和泥盆系东

岗岭上亚阶一天子岭下亚组裂隙弱含水层,它们都对矿床开采有着直接的影响\其它地层均可视为隔水层或相对隔水层,对两含水层内地下水的补给!径流和排 泄关系起着一定的控制作用\(2)矿坑充水水源

该矿自采取地下疏干以来,于六十年代末降落漏斗基本处于动平衡状态,即 旱季漏斗向外扩张,雨季又向内收缩,如此往复\根据长期观测资料,矿坑水的 补给来源主要是大气降水和地表水的垂向入渗(或下灌),其次为降落漏斗外围 地下水的侧向径流\

(3)地下水边界条件博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究 矿区西部天子岭组条纹状灰岩!泥质灰岩和石炭系下统砂页岩组成西部隔水 边界,矿区北部石炭系下统砂页岩和泥盆系上统帽子峰组砂页岩组成北部隔水边 界,矿床东部存在FS隔水带(或隐伏隔水墙),矿床中部则存在金星岭背斜一 曲塘隐伏背斜隔水体,狮岭矿体以东存在凡隐伏隔水墙\而对于狮岭采区而言, 其北!西!东面均为隔水边界,只有南部集中进水,这就为帷幕截流提供了良好 条件\

(4)地下水过水通道

从长期观测资料分析,矿坑主要存在三个明显的进水通道\

一是F;至FS之间的金星岭南部进水通道,水量约16000一25000时/d,集中 从一40m新南截流巷涌出,雨季流量在旱季的基础上增大约50%,部分水点水 质浑浊,且离CK47孔东侧塌陷群水平距离仅500余米,说明进水方向以南面

为主,进水通道主要是溃入型通道\

二是西部隔水边界至F;之间的狮岭南部进水通道,水量约lo00m3/d,主要

从狮岭南放水巷涌出,其中28号铜室涌水点水量随降雨陡涨陡落,水质十分浑 浊,且与214亿Kn孔北东侧塌陷的产生具有相关性,说明进水主向也是以南面 为主,其进水通道也是以溃入型通道为主\

三是金星岭北部进水通道,水量约3800m3/d,主要从om北截流巷涌出,

水质清澈,附近地表稳定,表明进水通道以渗入型通道为主,进水方向为正东方 向\

而金星岭以南一4Om中段以下,出水地层包括石炭系壶天群和泥盆系地层, 前者比后者的流量略小\涌水点较分散,流量一般较小,水质较清\进水通道应 以渗入型通道为主,无明确的进水方向\5.3.3帷幕注桨截流方案研究

金星岭以南最突出的水文地质特征是1196]:补给来源以大气降水和地表水的 垂直下灌为主,进水方向集中在南部,北!西!东三面相对隔水,过水通道相对 较窄!较浅,且以溃入型通道为主\针对这一特征,帷幕注浆截流应是较适宜的 防治水方案\对于幕址的选择,经综合考虑边界条件!F;!FS隐伏隔水墙!主

要涌水点位置!注浆难易程度!地表施工条件及有效利用现有疏干系统等方面因 素后,对内帷幕方案!中帷幕方案!外帷幕方案从可行性!技术与经济方面进行 了评价\

(l)方案对比论证

l)内帷幕方案博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究 其具体位置参见帷幕布置平面图5一5中的A*B*C*F一G线,该帷幕为封 底式,主要利用隐伏隔水墙建造,全长1050m,平均孔深12Om\其中ABC段 长26Om,平均孔深145m,以向东倾伏的石炭系下统测水段砂页岩(C;)和泥 盆系上统天子岭组上亚组杂质灰岩(D3tc)相对隔水层为底界,主要拦截西部隔 水边界与F;隐伏隔水墙之间的过水通道;CF段长410m,平均孔深103m,以 F;隐伏隔水墙上部的C:和D3tc隔水层为底界,拦截新南截流巷关闭后越过F4 隔水墙进入狮岭采区的地下水侧向渗流;FG段长38Om,以FS隔水带为东边界, 平均孔深12Om,以金星岭南侧隐伏的CI层和泥盆系上统帽子峰组砂页岩(D3ma) 隔水层为底界,主要防止新南截流巷关闭后,南部地下水涌入金星岭采区或东风 井,并保护未来金星岭南矿体的开采\

该方案充分利用了F;隐伏隔水墙及现有疏干系统,主要在疏干区域内建造 帷幕,使得钻孔深度较浅,避免了动水注浆,甚至在CF段相当于无水空洞充填 灌浆,能保证注浆体质量,但该方案也存在着帷幕线较长!新建疏干系统及施工 工期长等缺点\2)中帷幕方案

具体位置参见图5一5中的A*B*C*D*E线,该帷幕也为封底式,大致垂 直于地下水流向,全长710m,平均孔深141m\其中ABC段同内帷幕方案,CD 段长210m,平均孔深110m,主要以F;隐伏隔水墙上部的CI和D3tc层为帷幕底 界,拦截新南截流巷南端关闭后将进入狮岭采区的侧向渗流;DE段长240m, 平均孔深165m,西边界为F;隔水墙,东边界为FS隔水带,底界为向东缓倾斜

的Cl和D3tc相对隔水层,主要防止新南截流巷南端关闭后南部地下水进入狮岭 采区和金星岭采区,并保护未来金星岭南矿体及部分东矿带的开采\

该方案帷幕线较短,工期不长,不须另建疏干系统,同时兼顾了新矿体的开

采,但存在着动水注浆!浆液易流失等缺陷\3)外帷幕方案

其具体位置参见图5一5中的I一J线,该帷幕为封底线,垂直于地下水流向 布置,全长550m,平均孔深170m,西边界为西部隔水边界,东边界为FS隔水 墙(带),底界为CI和D3tc相对隔水层,主要拦截从南部进入狮岭采区的侧向 渗流\该方案完整地保留了原有的浅部截流疏干系统,但存在着强动水条件下注 浆难度大!注浆质量难以保证甚至失败的风险以及征地!处理工农关系等难题\中帷幕方案无论是在截流效果上,工程投资上,还是在注浆难度上,均存在

明显的优势,因此优先推荐该方案\博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究

{{{{{卜!!!{絮絮////////////////////////澎澎}}}}}........... 厂厂厂之之!!!箔箔汉汉汉汉处一一一((((((( ((((({C{{{扮-,,FFFFF,!..... 图5一5帷幕布置平面图 (2)数值模拟分析 l)水文地质条件概化

根据前述水文地质条件,壶天群岩溶含水层与泥盆系裂隙含水层之间的水力 联系不明显,故可将矿区西部的CI和D3ma相对隔水地层与壶天群的交界线作 为壶天群含水层的西部隔水边界\金星岭背斜的隆起将壶天群含水层分隔为南! 北两个相对独立的水文地质单元\北部及东北部由C,和D3ma等地层组成的隔 水边界较明确,大致沿地层出露线确定\矿区南部及东南部的壶天群分布很广, 近似将旱季降落漏斗的边缘作为计算边界\

根据勘探报告,壶天群含水层的顶板平均标高为90m,底板标高变化很大\

综合勘探资料和岩溶发育特征,计算中将含水层的底板标高取为+sm至一80m, 含水层的天然静止水位标高为10lm\2)计算单元

由于岩溶含水层存在着明显的非均质性和各向异性\根据勘探报告中对岩溶 发育程度的分区,并参考地面塌陷的分布密度以及历年来的地下水实测数据变化 情况,将南北方向定为主渗透方向,将整个计算范围划分为17个单元\计算单元

划分如图5一6所示\博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究 犷布 舒

口口口n日n目 医互10皿0日日 〔二>n日口

图5一6计算单元划分图 3)数值模型与模拟

地下水稳定运动的偏微分方程为:

\解!\子,胡!\二!\无:,扭:,一万)兰Ik一竺竺I+兰Ik!.竺二{+yo!占(XIX)+),兰生生二里一-二匕=0(5一11)

叙戈一-击少一即甲即少/一//.-Mz,

上式中X!Y代表平面坐标值,且(X,Y)\为计算渗流区范围,H

为含水层水位高度,Kx,玛为含水层(这里指壶天群)的主!次渗透系数\为 越流含水层(第四系)的渗透系数;Hzi为越流含水层的水头;Mzi为弱透水层

垂直渗透距离;q为第i个井下涌水点或地表塌陷下灌点的流量(涌出为负,灌 入为正);占(x),占(y)是占函数\

对于中部帷幕,假设帷幕体渗透系数为0.06而d(根据国内类似帷幕工程经 验)\在地表入渗及塌陷下灌保持原样的条件下,利用前面建立的数值模型求得 各节点水位\根据求得的节点水位绘制而成的等值线图见图5一7\

从模拟的结果看,如果使矿坑降落漏斗中心水位降低到一40m标高,则旱季 矿坑只需排水6500扩/d(金星岭以南壶天群内),堵水率将达到56.03%\幕内 凡2亿Kl水位降低53.33m,幕外CK52孔水位抬高69.82m,幕内外(帷幕两侧)

水位差达49.39m\地下水降落漏斗和塌陷扩散范围大大收缩\博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究

图5一7中帷幕方案旱季模拟等水位线图

假设雨季的北截流巷涌水量!地表入渗及塌陷下灌保持不变(等同于2000年 6月29日的值),雨季时使矿坑降落漏斗中心水位降低到一40m标高,则矿坑只 需排水6965m3/d\帷幕堵水率将达到75.43%;幕内凡2/2习孔水位降低53.93m, 幕外CK52孔水位抬高72.94m,帷幕两侧(内外)水位差达5o.76m\见模拟等 水位线图5一8\

5.3.4帷幕注桨截流方案现场试验研究 (l)注浆施工 l)注浆孔的布置

在帷幕线上狮岭南202线)204线注浆段,F4断层上盘共施工4个注浆孔 (试l#!试2#!试3#!试4#),孔距lom,检查孔l个(检l#检查孔布置在 试2#!试3#中心线偏东3m的位置)\2)施工顺序

本次试验按设计先施工试1#!试4#钻孔,再施工试2#!试3#钻孔,最

后施工检查孔\每个钻孔终孔直径不小于91~;插入稳定隔水层10m以上, 当隔水层破碎时,加深钻孔深度;每隔20m至3Om做一次压水试验,收集岩层 渗透系数!检查浆液的扩散半径,充填胶结情况等水文地质资料\

3)注浆方式及段长博士学位论文第五章地下水环境恢复与再造的防治水技术研究 比红, 石尹 咔洲 21,曲 JzI!月.矛 1!11含.!... It-.1

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图5一8中帷幕方案雨季模拟等水位线图

因钻孔的吸浆量较大,为保证注浆效果,所有的钻孔均采用下行式注浆,注 浆段长5一10m,在遇到破碎带或溶洞时,钻穿该段1一Zm,立即注浆\注浆没 达到结束标准时,扫孔再注,直至达到设计要求\4)注浆压力

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