礦區水文地質條件分類分析與防治水害措施研究

姜 平，左 騰

（江西省地質礦產勘查開發局贛西北大隊，江西 九江 332000）

水文地質條件直接決定了礦井建設及開采工作中防治水害措施的制定。前期階段對礦井水文地質條件進行分類分析，是影響煤礦安全生產的重要因素。由于礦井水害對煤礦的安全生產具有重大的影響，國內在煤礦的水害防治措施研究方面起步較早。雖然我國已建立了一套較為完整的體系，并得到了廣泛地應用，但在礦區水文地質條件分類分析與防治水害措施研究方面的內容相對不夠全面，使我國大量受水害威脅的煤炭資源無法得到釋放。礦井水害儲水能力強且排水功能較弱，導致地表水不易疏導，水害防治難度系數較高。因此，通過研究礦區水文地質條件分類分析與防治水害措施去彌補內容不夠全面的不足。

1 礦區水文地質條件分類

1.1 礦區水體含水層特征

石炭系系泥灰巖從垂向上看，隨著深度增加，礦區砂巖水值會隨著土壤堿度增加，含水層容量減小是砂巖含水層水徑流過程中的化學特征。本層圍巖由于此類石炭系泥灰巖的存在，像大部分礦區煤礦含水層一樣，具有巨厚松散覆蓋的巖層，含水層通常是煤層開采間接或直接補給水源，所以含水樣數據相對較為豐富。地表下各含水層之間的水流路徑也因此形成，是研究礦區內各含水層的重要參考信息。二疊系各煤層之間都有者結構較為穩定的大粒砂巖、香炭砂巖等含水層分布。在抽水化驗過程中，二疊系含水層水量較小、水位下降快且自我恢復速度較慢[1]。對礦井含水層的相關資料顯示，礦區砂巖含水層的透水特征基本相似，體現在橫向以及縱向上的透水路徑中，煤層含水層的補給水也因此含水量較少。在礦井開采過程中轉化為砂巖，砂巖局部地區深部可能受到外圍巖層影響，裂隙層開采段煤層礦井涌水量對礦井生產不會造成實質影響。變質巖類礦全硬度相對較高，由砂巖及其以前的古老變質巖系組成，該地區則很可能受到巖層灰水的影響。

礦區會呈現地形平坦的特征，多為大片農田或分散濕地，局部為沼澤地貌，形成流動或者固定的含水層。因此區域砂巖含水層的儲水以及透水特征都受到礦區斷塊構造的控制，在板塊邊緣區域容易受煤層裂隙的影響，變成新月形沙丘形狀。固定沙巖煤田內褶曲線性排列明顯，褶曲多呈不對稱狀廣泛分布在礦區煤層底端，為松散沙巖石。該巖石含水層的表層排列變化較大且分散性較好，通常在斷壓性巖層逆向發育。發過程大多具有斷裂性質的巖層。礦井的含水層會有多個滲透路徑，導水鉆孔發育活動以及巖層斷裂及礦井的地質異常體等。巖層松動會導致含水層的落差變大，并且含水層的透水路徑更加難以預測。新生巖含水層沉積致使巖層裂隙在礦井內中發生變質，使巖層裂隙含水層無法通過自循環的方式完成水循環，也就無法疏導含水層的水量。一般情況下，地下水由礦區凸起巖石帶向平坦地段緩慢順層徑流大斷層形成含水層，由于裂隙較多很不容易疏干。在含有裂隙的礦井內上、下含水層聯系在一起形成滲水路徑。處在同煤層的整體滲透性能具有較強的水力聯系，在這種大體量的向斜基巖含水層中地下水的天然徑流速度比較緩慢。礦體空洞是伴隨著礦井的開采緩慢形成，由于井內巷道在回采后裂隙變大以及導水裂隙帶的導通。各煤系含水層水位在回采區域內均有不同程度的下降就形成了很多的煤層裂隙和滲水裂隙。裂隙將含水層連接成封閉不良的孔隙，除了自身含水量較多，還能將各個含水層聯系在一起。

1.2 礦區水體隔水層特征

寒武系底部隔水層是由寒武系砂巖和中統毛莊組的泥巖組成的。由于各巖層存在水位差，其他隔水層通過礦體甬道或構造以下滲或越流的形式補給此隔水層。

自然狀態下，巖層的隔水層是可以阻隔灰其他類巖隔水層之間的水流聯系的。根據大型群孔抽水試驗資料顯示，隔水層補給區是由代斷層系沉積巖及其代基底系變質巖表層組成的。風化裂隙特征造成其水量充足且壓力傳遞速度快，因此形成的隔水層降落面積角度平緩且擴展范圍大。一般在每個巖層內形成統一的水流場，礦區含水層下滲明顯，地表水下滲時路徑較為顯著，因而礦區含水層的各個層面含水量差異較大[2]。隔水層的沉積厚度主要是由巖層區域上方的破碎巖層造成的，起著引流并疏導地下水的作用，其總體特點是中間厚、邊緣薄。其主要容水空間由于地勢坡度較大，使該隔水層裂隙在巨大落差斷層中無法順利進行透水而成為區域地下隔水層補給區。有各種規模的巖溶和各種空間大小的裂隙，構成了礦區流域孔洞斷層帶。在溝谷分布影響下的隔水層的巖溶含水層的方向通常是垂直向上的，由于地下水位和可溶巖巖性影響，也存在隔水層分層特點。位于充填帶上的巖層，隔水層可充分對巖石進行溶蝕作用，隔水層主要也是起著聚集和輸導地下水作用并具有較好輸導性能和較大的滲透系數。當溶蝕孔隙發育時，則以水平方向為主。斷層帶巖溶發育受可溶巖巖性控制，導致裂隙隔水層成為降水的垂直入滲區域，并且具有順層水平發育的特點。砂系泥巖段隔水層由疊系泥巖、砂質泥巖和L4、L5 灰巖組成，一般厚22m～47m，局部L5 灰巖與L6 灰巖位于同一隔水層。構造運動使巖層破碎地帶隔水層高度上升，一旦達到地表高度就會斷裂切割巖層，使隔水層構造巖溶透水速度下降。

位于礦區巖層底板L1 至L7 層間的泥灰巖、砂質泥巖、粉砂巖和結構復雜的L8 泥灰巖，厚度區間范圍為0.82m～36.93m，平均厚度為9.89m。其中L2 層巖底板中的泥漿巖、砂質泥巖抗壓強度為13.185MPa～29.37MPa，垂直抗拉強度0.62993MPa～1.561MPa，平均值為0.9635MPa。據此推算，正常情況下，每米隔水層可抵抗0.098MPa 的水柱壓力，若沿著斷塊巖層的邊界繼續深入，則斷裂帶形成孔隙較多的巖溶發育帶會導致隔水層透水能力較弱。

2 礦區防治水害措施

2.1 大氣降水和地表水害防治措施

針對大氣降水和地表水害，如圖1 所示，首先要對礦區井筒的位置進行提前規劃和安排。需要保證井口及周邊建筑高于地面最高洪水位，這樣的話即使大氣降水量大或者地表滲透能力較差也能確保井口不會被淹沒。如果地勢條件不允許，井口及周邊建筑物的高度無法高于地面最高洪水位時，則必須采取挖通溝渠或修筑水壩等排水措施，以確保不會發生礦區水害。對河流改道也是對大氣降水和地表水防治的有效措施[3]。在礦區的上游地段選擇合適的地點修建堤壩，起到阻隔截斷的作用，再朝其他多個方向進行挖掘引流，將河水徹底改道。

位于山里的礦區降水后流入礦區，導致礦井突水量瞬時增大。由于是山區地段，更要防范可能會發生泥石流或者滑坡等地質災害。在這種情況下修建排水溝渠是最佳選擇，可在礦井地面及周圍建筑外修建排水溝，將水排至離礦區距離較遠的范圍。對于礦區地表已經產生的巖層裂隙和破碎地帶等無法隔水的地段，用密度較高的粘土進行填堵并將其壓實，以防止積水透過裂隙流進礦井中。在每年雨季到來之前，要對礦區地面塌陷和礦井結構穩定情況進行詳細檢查，將出現的塌陷和巖層縫隙進行提前填充。

圖1 大氣降水及地表水害圖

2.2 井下水害防治措施

由于礦井內是一個封閉區間，如圖2 所示，所以更適合采用物探、鉆探、化探等手段，對于巖層底板的含水層承壓能力檢驗過程中，當井內水壓大于含水層可承受的壓力時，必須采用打孔放水的方式，把井內水壓降到可承受范圍之內，則極有可能會造成礦區井內突水事故，因此，疏水降壓的方式最適合帶壓開采。當礦區底板巖層的含水層的水量充足且水壓較高時，同樣需要采用疏水降壓方法實現安全開采。一旦出現含水層隔水底板變薄、結構被破壞的地帶及斷層帶，則會加大疏排水費用的成本投入。

當礦井被開采過度，井內含水量較高的巖層變成小窯老空得狀態時，井內斷層及含水豐富個隔水層可能造成井下突水事故。為了消除這些水害隱患，可適當采取井下探放水的手段[4]。探水方法目前主要分兩大類，即物探和鉆探。針對不同的礦區井筒，物探和鉆探在使用時可以靈活組合。根據兩種手段的探測特點，通常由物探先行下井，得出基礎信息后，再使用鉆探驗證結果。當二者配合使用一段時間后，對儀器使用以及礦井地質條件都較為熟悉后，應以物探方式為主，針對極個別重要地段用鉆探證實，在保證礦井安全生產的前提下，可以縮短工程周期。

在近些年的礦井開采工作中也被用于井下水害防治措施。注漿堵水的方式有兩種，分別為地面打鉆注漿和井下打鉆注漿。地面打鉆注漿適用于地表水滲透量大不易疏排的礦井內。將地表水滲透層進行源頭上的攔截，并對下滲路徑進行截斷，以助于礦采區域的工作順利進行。對中大型礦井來說，建立完整的礦井防治水害機制是保證煤礦安全生產的必要條件。根據生產經驗，在水患威脅較為嚴重的地段修建隔斷閘門，對礦井進行劃區開采，利用閘門形成隔離帶，也能對發生水害地段進行小范圍治理。

圖2 井下水害圖

3 結束語

本文對當前我國礦區的水文地質條件進行分類分析，以及提出相關水害防治措施。從長遠發展角度來看，由于礦區水害的相通性，有時水害防治已經不僅僅是單個煤礦的內部責任，而是礦區所在地方需要共同解決的難題，精準地進行礦區水害防治可以節約資金與人力的投入，實現礦區水文地質條件分類分析以及水害防治工作的和諧發展。主要途徑是通過分析礦內水文地質條件，建立區域水害防治體系，適用于更精準的煤礦開采工作以及礦區安全保障得到穩步提高。從而對于全面釋放我國煤炭資源、提升煤礦的安全生產能力，具有重要推動作用。