礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其采動(dòng)響應(yīng)分析

楊林春

（中國(guó)冶金地質(zhì)總局三局，山西太原 030002）

通過研究水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概念基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)煤礦的宏觀地質(zhì)背景和最近幾年的礦井水害日益增重，為了進(jìn)一步找尋導(dǎo)致其增重的因素，從而深入考慮其水源和通道以及采掘活動(dòng)等致害起源。因此，對(duì)礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行深入探究，研究采動(dòng)活動(dòng)時(shí)，對(duì)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的機(jī)制和水害防控。

1 礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

1.1 礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概念

通過深入了解礦山水文地質(zhì)系統(tǒng)的過程，發(fā)現(xiàn)水文的地質(zhì)系統(tǒng)定義通常是為：不同等級(jí)、不同類型等水文地質(zhì)綜合體，礦山地下水體相互結(jié)合而構(gòu)成的。相對(duì)于周圍較高的水來說，水力的梯度界面是有所限定的，其能量能夠不斷進(jìn)行更新，在逐步的新陳代謝的過程中形成有機(jī)整體。水文地質(zhì)單元系統(tǒng)構(gòu)造主要是由地下水補(bǔ)給、排泄邊界、隔水邊界等構(gòu)成的完整地下水循環(huán)系統(tǒng)或蓄水構(gòu)造，而水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)即是水文地質(zhì)單元內(nèi)含水層（組）和隔水層（組）及水文地質(zhì)邊界等之間的組合和補(bǔ)給及排泄關(guān)系，充分彰顯了自然狀態(tài)下的水文地質(zhì)單元立體組合特征。礦山水文地質(zhì)具體的結(jié)構(gòu)主要是指：采煤層、含水層、隔水層以及各種充水水源等空間位置和組合之間形成的關(guān)系，對(duì)于礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，需要深入探究其綜合體現(xiàn)在礦井水文地質(zhì)存在的條件差異，進(jìn)而明確開采煤層和充水水源等相應(yīng)的關(guān)系。礦山水文結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)發(fā)展需要通過巖體的物理學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及地下滲水流暢等為發(fā)展基礎(chǔ)。相同的礦區(qū)在同一個(gè)水文地質(zhì)單元內(nèi)可能發(fā)生跨越不同水文地質(zhì)單元情況，因此，需要從平面延伸和剖面分布方面分析礦山水文地質(zhì)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，需要有效的將采掘活動(dòng)，作為水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響因素進(jìn)行深入考量。

1.2 礦井水害類型劃分

礦井水害類型劃分主要是通過結(jié)合開采煤層和充水水源的相應(yīng)空間位置關(guān)系進(jìn)而展開劃分思路，同時(shí)，將水害的類型分別劃分為大氣降水水害、地表水水害、頂板水害、底板水害等一系列類型水害，并把以往典型的老空水害問題和近幾年來呈現(xiàn)的新水害情況，進(jìn)行針對(duì)性的劃分。

1.3 基于礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的水害特征

上述案例中，大氣降水水害，主要是指大氣降水作為礦井唯一的直接充水水源渠道，進(jìn)而導(dǎo)致了礦井水害和降水具備的強(qiáng)度在同一時(shí)間內(nèi)發(fā)生了同步上升，進(jìn)而導(dǎo)致了嚴(yán)重的水害。但是站在礦山水文地質(zhì)多重角度上看待其結(jié)構(gòu)問題，大氣進(jìn)水水害的主要防治途徑，必須要從隔絕大氣降水和開采而導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶發(fā)生或者是地面裂縫等形成的水害。因此，在雨季的地面發(fā)生裂縫或者是封堵時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行改道等，進(jìn)行有效預(yù)防。

2 礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采動(dòng)響應(yīng)存在的問題

2.1 煤層頂?shù)装逄幍淖冃?/h3>

礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采動(dòng)響應(yīng)主要呈現(xiàn)于礦山水層和隔水層等采掘活動(dòng)中，進(jìn)行采掘的過程中，其水文地質(zhì)特征會(huì)因?qū)嶋H活動(dòng)情況發(fā)生相應(yīng)變化。開展活動(dòng)時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)以下方面影響和破壞：對(duì)礦山進(jìn)行采掘的過程中其巖土體會(huì)發(fā)生變形破壞，巖土體破壞主要包括頂板和底板巖土層的變形，同時(shí)，影響地下水的滲流狀態(tài)，導(dǎo)致地下水發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，甚至?xí)l(fā)水害事故，進(jìn)而將采掘人員的人身安全置于危險(xiǎn)之中，同時(shí)，煤層的頂?shù)装逄幍淖冃纹茐?，?dǎo)致其發(fā)生了彎曲變化和脆性變化，隨著時(shí)間的推移，其會(huì)發(fā)生松動(dòng)破裂和變形，以上講述的這些在采掘過程中發(fā)生的效應(yīng)，都對(duì)礦山采掘有密切的關(guān)系[1]。

2.2 底板采動(dòng)響應(yīng)及水害

目前，我國(guó)諸多煤礦都受到了底板高承壓石灰含水層的相應(yīng)威脅，比如XX 煤田的基地相應(yīng)的石灰?guī)r（厚200～800im）和XXX煤田的茅口灰?guī)r（厚100～200im）等等，以上煤田在通過采掘活動(dòng)后，因?yàn)椴删虻纳疃容^大水壓增大，而受到高水壓和高地應(yīng)力等相應(yīng)的威脅，進(jìn)而導(dǎo)致在開采煤層的過程中對(duì)巖體的應(yīng)力和巖體的形態(tài)發(fā)生相應(yīng)的演變[2]。我國(guó)著名教授曾劃分的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采動(dòng)相應(yīng)為完善的結(jié)構(gòu)底板，其無任何斷裂和破壞構(gòu)造情況，由此可見著名教授在進(jìn)行劃分煤層開采時(shí)注重底板深度和承壓程度。因此，在進(jìn)行煤層開采的過程中，相關(guān)人員需要注重礦井突水和礦井涌水量等重要因素[3]。比如，在XX 礦發(fā)生的含水層突水事故中，明顯可以看出，附近的水文孔水位下降了15.50cm，隨之，發(fā)生嚴(yán)重的底板突水，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的事故。所以，需要注重關(guān)注進(jìn)行采動(dòng)前后的礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)現(xiàn)底板變形和巖層深度破壞等情況時(shí)，應(yīng)立即停止工作，避免發(fā)生安全事故[4]。由此可見，劃分礦山水文地質(zhì)相應(yīng)的重要性。劃分的結(jié)果不同直接制約著水文地質(zhì)的底板突水情況的不同[5]，如圖1 所示。

圖1 地表沉降

3 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究在水害防控中的意義

基于煤礦采動(dòng)響應(yīng)背景下，明確水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的水害產(chǎn)生的機(jī)制：不同的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)則需要采用不同的防控技術(shù)，在進(jìn)行礦井水害防控事故中需要注重考慮保護(hù)和利用水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步實(shí)施阻水結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)需要充分完善水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，必要時(shí)借助地質(zhì)工程有利的手段，進(jìn)行增強(qiáng)隔水結(jié)構(gòu)的性能，根據(jù)實(shí)際情況需求可以進(jìn)行再造隔水結(jié)構(gòu)[6]。

（1）含水層改造及隔水層加固，水害防治中可以采取天然阻水結(jié)構(gòu)方式，其結(jié)構(gòu)在水文地質(zhì)中能夠有效的起到隔水作用，在實(shí)際煤層工程中，阻水結(jié)構(gòu)的相應(yīng)空間位置和阻水性能以及穩(wěn)定性都是在災(zāi)害預(yù)防中需要注重考慮的重要環(huán)節(jié)，所以，相關(guān)人員應(yīng)該對(duì)含水層和隔水層進(jìn)行有效改造加固[7]。

（2）保護(hù)和利用有效的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在礦井中設(shè)置的各類安全煤柱主要是為了有效預(yù)防在進(jìn)行煤層開采過程中縮小破壞范圍，在設(shè)計(jì)安全煤柱的背景下，充分減少了地下水和地表水以及水砂涌入等現(xiàn)象。比如，在水體下進(jìn)行開采，煤柱的留設(shè)此時(shí)會(huì)充分發(fā)揮其作用，充分的發(fā)揮了自身的效能有效起到防水防砂及防塌陷等等。因此，進(jìn)行開采煤層時(shí)，相關(guān)人員需要注重結(jié)合水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，充分考慮其結(jié)構(gòu)的發(fā)育和含水層等事項(xiàng)[8]。

（3）按照相關(guān)合理技術(shù)，改變地下滲水流的狀態(tài)，起到良好的作用——巷道阻水結(jié)構(gòu)。比如，防水閘門和水閘墻等相關(guān)設(shè)計(jì)和布置，都能夠在水害發(fā)生過程中有效的減輕災(zāi)情的影響，縮小水害因素造成的影響范圍，在最短的時(shí)間內(nèi)控制住水災(zāi)害。顯而易見，地下防滲墻在水災(zāi)害發(fā)生時(shí)發(fā)揮的充分作用，其在徹底截?cái)嗟叵聺B流的同時(shí)有效疏放水工程含水層中的含水量，從本質(zhì)上解決并減少水體對(duì)巖土體的作用。上述方式，是目前對(duì)于礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)防發(fā)生水災(zāi)害的有效措施之一。

4 結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的采動(dòng)響應(yīng)的相應(yīng)研究，充分了解水害防控的重要意義，在礦山水害良好的控制措施過程中，充分體現(xiàn)巖體工程地質(zhì)力學(xué)在煤礦水文地質(zhì)工程中的重要性，充分發(fā)揮正確指導(dǎo)的作用。