礦區(qū)水文地質(zhì)條件分類分析與防治水害措施研究

姜 平，左 騰

（江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局贛西北大隊，江西 九江 332000）

水文地質(zhì)條件直接決定了礦井建設(shè)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(zhì)條件進行分類分析，是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。由于礦井水害對煤礦的安全生產(chǎn)具有重大的影響，國內(nèi)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(yīng)用，但在礦區(qū)水文地質(zhì)條件分類分析與防治水害措施研究方面的內(nèi)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(shù)較高。因此，通過研究礦區(qū)水文地質(zhì)條件分類分析與防治水害措施去彌補內(nèi)容不夠全面的不足。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件分類

1.1 礦區(qū)水體含水層特征

石炭系系泥灰?guī)r從垂向上看，隨著深度增加，礦區(qū)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?guī)r的存在，像大部分礦區(qū)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(shù)據(jù)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(qū)內(nèi)各含水層的重要參考信息。二疊系各煤層之間都有者結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)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(fù)速度較慢[1]。對礦井含水層的相關(guān)資料顯示，礦區(qū)砂巖含水層的透水特征基本相似，體現(xiàn)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(zhuǎn)化為砂巖，砂巖局部地區(qū)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(chǎn)不會造成實質(zhì)影響。變質(zhì)巖類礦全硬度相對較高，由砂巖及其以前的古老變質(zhì)巖系組成，該地區(qū)則很可能受到巖層灰水的影響。

礦區(qū)會呈現(xiàn)地形平坦的特征，多為大片農(nóng)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(qū)域砂巖含水層的儲水以及透水特征都受到礦區(qū)斷塊構(gòu)造的控制，在板塊邊緣區(qū)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(nèi)褶曲線性排列明顯，褶曲多呈不對稱狀廣泛分布在礦區(qū)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(fā)育。發(fā)過程大多具有斷裂性質(zhì)的巖層。礦井的含水層會有多個滲透路徑，導水鉆孔發(fā)育活動以及巖層斷裂及礦井的地質(zhì)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(yù)測。新生巖含水層沉積致使巖層裂隙在礦井內(nèi)中發(fā)生變質(zhì)，使巖層裂隙含水層無法通過自循環(huán)的方式完成水循環(huán)，也就無法疏導含水層的水量。一般情況下，地下水由礦區(qū)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(nèi)上、下含水層聯(lián)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(lián)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(nèi)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(qū)域內(nèi)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(lián)系在一起。

1.2 礦區(qū)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(tǒng)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(gòu)造以下滲或越流的形式補給此隔水層。

自然狀態(tài)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(lián)系的。根據(jù)大型群孔抽水試驗資料顯示，隔水層補給區(qū)是由代斷層系沉積巖及其代基底系變質(zhì)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(nèi)形成統(tǒng)一的水流場，礦區(qū)含水層下滲明顯，地表水下滲時路徑較為顯著，因而礦區(qū)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(qū)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(qū)域地下隔水層補給區(qū)。有各種規(guī)模的巖溶和各種空間大小的裂隙，構(gòu)成了礦區(qū)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(shù)。當溶蝕孔隙發(fā)育時，則以水平方向為主。斷層帶巖溶發(fā)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(qū)域，并且具有順層水平發(fā)育的特點。砂系泥巖段隔水層由疊系泥巖、砂質(zhì)泥巖和L4、L5 灰?guī)r組成，一般厚22m～47m，局部L5 灰?guī)r與L6 灰?guī)r位于同一隔水層。構(gòu)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(gòu)造巖溶透水速度下降。

位于礦區(qū)巖層底板L1 至L7 層間的泥灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的L8 泥灰?guī)r，厚度區(qū)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(zhì)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(jù)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(xù)深入，則斷裂帶形成孔隙較多的巖溶發(fā)育帶會導致隔水層透水能力較弱。

2 礦區(qū)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(qū)井筒的位置進行提前規(guī)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(fā)生礦區(qū)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(qū)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(qū)降水后流入礦區(qū)，導致礦井突水量瞬時增大。由于是山區(qū)地段，更要防范可能會發(fā)生泥石流或者滑坡等地質(zhì)災(zāi)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(qū)距離較遠的范圍。對于礦區(qū)地表已經(jīng)產(chǎn)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(qū)地面塌陷和礦井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況進行詳細檢查，將出現(xiàn)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(nèi)是一個封閉區(qū)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(nèi)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(nèi)水壓降到可承受范圍之內(nèi)，則極有可能會造成礦區(qū)井內(nèi)突水事故，因此，疏水降壓的方式最適合帶壓開采。當?shù)V區(qū)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(xiàn)安全開采。一旦出現(xiàn)含水層隔水底板變薄、結(jié)構(gòu)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?shù)V井被開采過度，井內(nèi)含水量較高的巖層變成小窯老空得狀態(tài)時，井內(nèi)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(qū)井筒，物探和鉆探在使用時可以靈活組合。根據(jù)兩種手段的探測特點，通常由物探先行下井，得出基礎(chǔ)信息后，再使用鉆探驗證結(jié)果。當二者配合使用一段時間后，對儀器使用以及礦井地質(zhì)條件都較為熟悉后，應(yīng)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(chǎn)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(nèi)。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(qū)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(chǎn)的必要條件。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)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(qū)開采，利用閘門形成隔離帶，也能對發(fā)生水害地段進行小范圍治理。

圖2 井下水害圖

3 結(jié)束語

本文對當前我國礦區(qū)的水文地質(zhì)條件進行分類分析，以及提出相關(guān)水害防治措施。從長遠發(fā)展角度來看，由于礦區(qū)水害的相通性，有時水害防治已經(jīng)不僅僅是單個煤礦的內(nèi)部責任，而是礦區(qū)所在地方需要共同解決的難題，精準地進行礦區(qū)水害防治可以節(jié)約資金與人力的投入，實現(xiàn)礦區(qū)水文地質(zhì)條件分類分析以及水害防治工作的和諧發(fā)展。主要途徑是通過分析礦內(nèi)水文地質(zhì)條件，建立區(qū)域水害防治體系，適用于更精準的煤礦開采工作以及礦區(qū)安全保障得到穩(wěn)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(chǎn)能力，具有重要推動作用。