地質構造對巖層富水性的控制作用分析

李龍龍

（山東能源臨礦集團古城煤礦，山東 濟寧 272000）

我國現(xiàn)代礦產產業(yè)開采發(fā)展中，水害問題時有發(fā)生，不僅給礦井開采企業(yè)造成了巨大的經濟損失，更對礦井開采人員的生命安全產生了嚴重威脅。因此，在現(xiàn)代地質工程研究工作發(fā)展中，對地質巖層富水性的控制研究已經成為企業(yè)工作開展的重要內容。而經過研究發(fā)現(xiàn)，地質構造對于巖層富水性有著極為明顯的控制作用，不僅關系到了巖層地下水的邊界關系、儲水程度，更在一定程度上決定了礦井突水通道的性質和突水量大小，并且對礦井水害也有著明顯的控制作用。

1 地質構造成因及常見類型

地質構造本身是在地球內、外應力的共同作用下形成的，是地質巖層、掩體結構受位移作用以及變形力的影響下最終形成的地質結構形態(tài)。地質構造多分布于層狀巖石地帶，但是在巖漿巖、變質巖的地質區(qū)域內，也會有地質構造的存在。地質構造的主要表現(xiàn)形態(tài)包含了巖層褶皺、巖層斷裂、巖層劈理以及各種面狀或者線狀的類型。

地質構造的常見類型根據(jù)其生成時間可以分為原生和次生兩種。現(xiàn)代地質工程產業(yè)研究中，地質次生構造是主要的構造地質學研究對象。而地質原生構造則多用于地下巖層變形情況以及變形方式的判斷[1]。而在地質構造類型劃分中，根據(jù)地質結構形態(tài)進行劃分，也可以分為水平地質構造、傾斜地質構造以及斷裂地質構造和褶皺地質構造。地質構造的規(guī)模也會存在較大差異，大型地質構造長度可達上千里，而小型地質構造則可能以毫米、微米計算，觀察中需要光學顯微鏡或者電子顯微鏡才能看到。

2 巖層富水性的主要影響因素

巖層富水性是指巖層結構所具有地給出水能力，巖層富水性取決于含水層的巖性結構、巖層厚度、地質構造以及補給條件等等。而影響巖層富水性的因素也是包含多個方面的，例如區(qū)域地質構造因素、巖性結構因素、巖層空隙特性、裂隙率、儲存條件等等[2]。在礦井開采中，通過相應的研究方法，總結了巖層富水性的五個主要影響因素。

第一，平均孔隙度影響因素。巖層富水性主要影響因素就是掩體結構平均孔隙度的發(fā)育情況。在礦井開采過程中，常采用巖體孔隙度來對巖層富水性度進行劃分，以γ-γ法的入射伽馬射線的散射和接收特性，對礦井內的巖層平均空隙度進行核測，并以該核測結果，結合加強平均算法，來計算巖層的平均孔隙度，并根據(jù)繪制的等值線圖來確定巖層富水性的主要情況。

第二，巖體斷層結構密度影響因素。巖體斷層結構巖層富水性情況的主要影響因素，在巖體斷層的地質結構附近，會形成較為發(fā)育的地質構造裂隙，進而形成富水地段。根據(jù)對我國礦產資源開采相關數(shù)據(jù)報告的研究與分析，在地質結構中斷裂構造較為發(fā)育、斷層結構較為密集的礦井區(qū)域，發(fā)生突水情況的概率更高，并且突水量也更大，給煤礦開采造成嚴重的不利影響。

第三，沖洗液漏失量影響因素。在礦井開采產業(yè)中，礦井砂巖中富水分布極為不均，會受巖體結構裂隙以及空隙發(fā)育情況的控制。在礦井地鉆進過程中，常會通過對沖洗液消耗量的曲線情況對巖層富水性進行研究，根據(jù)礦井開采中的實際情況和沖洗液消耗情況，把礦井鉆孔沖洗液漏失量分為五個等級對其進行漏失量等值線圖進行分析與研究，以得出巖層富水性情況報告，鉆孔沖洗液漏失量的等級劃分為0～0.3、0.3～0.6、0.6～0.9、0.9～1.2以及＞1.2（單位 ：m3/h）等五個等級。

第四，砂巖總厚度影響因素。在地質構造的巖層富水性研究中，巖體構造的砂巖總厚度不僅是影響富水性的先決條件，更和巖層結構水賦存的直接因素。在礦井開采中，常將礦井范圍內的砂巖厚度情況作為含水層相對厚度的主要參考因素，并通過對礦井地質巖層結構的山巖厚度分布等值線圖，來對巖層富水性進行判定，為礦井開采提供必要安全保障。

第五，取芯率影響因素。在礦井開采過程中，從地質礦層結構的透水性和含水性兩個方面進行分析，可以將巖體結構的裂隙情況分為開啟性和非開啟性，也可以稱之為連通性裂隙或者非連通性裂隙，開啟性裂隙主要是由礦層富水結構與地表相連通工程構成裂隙或者是由不同裂隙組合交切形成的礦層裂隙地帶。開啟性裂隙如果與地表水或者淺層含水結構相連通，其富水量必然較為充足，甚至成為地下水流通道，會對礦井造成嚴重的突水威脅，并且突水量極大。而不開啟性裂隙則不會形成涌水通道，相對較為安全。在礦井開采中，常將超過10cm的巖芯長度與鉆孔深度的比值作為取芯率，用以對礦井內礦層裂隙情況進行判定，作為礦層富水性判定的主要因素。一般情況下，取芯率低則表示裂隙交切程度較高，為連通性裂隙；相反則表示巖體裂隙非連通性，不會形成涌水通道，給礦井造成嚴重的安全威脅。

3 礦層富水性對礦井開采的主要危害

首先，礦層富水性對礦井開采造成的安全危害。礦井開采作為高危職業(yè)，在實際開采過程中會受多方面因素的影響而增加其風險性?，F(xiàn)代礦井產業(yè)開采工作開展的首要原則要求就是安全性。但是巖層富水性會在礦井開采中對開采流程產生巨大的安全威脅，一旦礦層富水性過高，存在連通性礦層裂隙，就容易在礦井鉆進中導致礦井突水的情況發(fā)生，甚至形成涌水通道，不僅會對礦井的整體支撐結構產生影響，更會直接對開采人員的生命財產安全產生嚴重威脅。并且如果一旦形成涌水通道，就會導致礦井內的水位上升，使礦井存在塌方的安全風險問題，產生更大的開采安全隱患。

其次，礦層富水性對煤礦開采造成的經濟損害。礦產企業(yè)的主要經濟收益來源就是礦產資源開采，是其產業(yè)生產工作的核心環(huán)節(jié)。但是礦產產業(yè)作為與地質構造存在直接聯(lián)系的資源生產型企業(yè)，一旦地質構造存在問題，就會對其生產環(huán)節(jié)產生嚴重影響。礦層富水性作為地質構造控制下的地質結構問題，其會在礦井開采中對礦產企業(yè)造成巨大危害。其一，一旦礦井開采中由于礦層富水性導致突水情況發(fā)生，就會由于礦層水體在礦井中的涌入對礦井開采的一些基礎結構設施產生影響，造成礦產開采企業(yè)的直接經濟損失。其二，礦井開采中一旦發(fā)生突水情況，就會嚴重影響礦產企業(yè)開采工作的進度情況，導致其開采環(huán)節(jié)被延誤，造成時間成本的損失，對礦產企業(yè)的經濟利益產生間接威脅。其三，礦井開采過程中發(fā)生突水問題時，會給礦井開采人員造成較大的安全威脅，一旦開采工作人員發(fā)生安全事故，礦產企業(yè)也需要按照相應的補償標準對發(fā)生事故的人員及家屬進行賠償，進一步增加開采成本。其四，一旦礦井開采中發(fā)生突水事故，也會對礦產企業(yè)的聲譽產生影響，給礦產企業(yè)造成企業(yè)聲譽損失。

最后，巖層富水性給礦井開采企業(yè)市場發(fā)展造成的危害?，F(xiàn)代社會經濟發(fā)展中，礦產資源市場的競爭日趨激烈，不僅面臨著嚴重的國內市場競爭威脅，同時還承受著國際礦產資源市場的沖擊。新市場環(huán)境背景下，一旦礦產企業(yè)的資源開采中受井下礦層富水性影響而發(fā)生開采事故，就會對其市場競爭產生嚴重影響，直接對其市場發(fā)展造成危害。同時，由于事故發(fā)生導致的礦產資源開采實效下降也會導致礦產企業(yè)無法按時向采購方輸送礦產資源，進一步對企業(yè)的運營以及市場核心競爭力產生影響，會礦產企業(yè)發(fā)展造成嚴重威脅。

4 地質構造對礦層富水性的控制作用

以我國某礦區(qū)為例，礦區(qū)口包含了四個礦區(qū)，礦區(qū)域的地質構造特征按照由新到老的順序依次分為第四系、新近系、箍筋西、三疊系、二疊系、石炭系、寒武系和太古界。該礦區(qū)的主要采煤區(qū)域位于二疊系地層結構之中層，地質構造包含了新生界松散層、基巖含水層/基巖隔水層等等。在該礦區(qū)的地質結構對礦層富水性的控制作用中，主要包含了控制含水層礦層傾向、礦層露頭情況、水文邊界形式、礦體裂隙發(fā)育程度等直接控制作用；也包括了地質構造的古地貌形態(tài)而控制的上覆松散層沉積情況、松散層與基巖水力聯(lián)系的間接控制作用。

首先，地質構造對礦層富水性的直接控制作用。

其一，礦體結構含水層儲水空間的改善控制。在上述礦區(qū)的地質構造中，涉及到了寒武系灰?guī)r、太原組灰?guī)r共同構成的二疊系砂巖，都是由古生代沉積而形成的，并且通過地質調查研究，地質構造在古生代時期經歷過兩次較為嚴重的地質運動，對其礦層富水性產生了巨大的改造作用，不僅使其產生了較大的地質褶皺，也使該區(qū)域地質背斜軸部的寒武系灰?guī)r暴露出來。經過地質結構運動的強烈擠壓，是該礦區(qū)的地質構造中的含水層被結構斷層切割，形成了條帶狀、階梯狀的巖體含水層，改善了地下水的徑流條件，地質構造中大量小斷層以及礦體裂隙的存在，使該礦區(qū)的礦層儲水空間被拓展，對礦層富水性產生了增強作用。

其二，地質構造對礦體含水層富水性差異的控制作用。由于案例礦區(qū)的區(qū)域位于正處于陳橋背斜南翼和謝橋向斜北翼中間位置，受背斜存在的現(xiàn)實影響，導致其太原組地層由北部背斜軸部位置在自然界的風化作用下逐漸露出，使礦區(qū)新生界松散層發(fā)生沉積以前，灰?guī)r層得到了大量地表水以及降水的補給，大大提升了該礦區(qū)區(qū)域礦體富水性。并且礦體的流動水順層流動作用的影響下，逐漸向著位于礦區(qū)南側位置的謝橋向斜軸部位置而匯流，使礦區(qū)南部地質構造更深層次的巖層富水性得以補充，大大提升了礦區(qū)地下構造的巖層富水性。這就與地質構造控制煤田太原組灰?guī)r的富水性差異產生的控制肌理一樣，實現(xiàn)了礦區(qū)礦體地層砂巖富水性差異的控制。

其次，地質構造對礦層富水性的間接控制作用。

其一，地質構造對松散層含水層沉積特征的控制作用。在上述礦區(qū)區(qū)域的地質構造變化中，新生界松散層的沉積特征受到了古地形運動的影響，并且在古地形的運動過程中，受地質構造自身帶來的地質控制，對其礦層富水性就產生了一定影響。在該礦區(qū)現(xiàn)階段地質構造特征的影響下，再加上后期的風化作用影響而導致的礦體侵蝕，使礦區(qū)區(qū)域構造特征控制了東南高、西北低的古地貌構造特征，地質構造上覆新生界松散層特征體現(xiàn)為西北厚、東南薄的特點，與礦層富水性產生了密切關聯(lián)。因此，地質構造對礦層富水性產生了間接的控制作用。

其二，地質構造控制松散層含水層與基巖含水層形成水力聯(lián)系的控制作用。該礦區(qū)項目的地質構造中，底部基巖與地質結構的各礦層之間整體呈現(xiàn)為南傾斜構造特征，這就導致了松散層底部含水層與基巖含水層之間就產生了密切接觸，然后在通過風氧化帶形成了兩者之間的溝通聯(lián)系，產生了兩者之間的富水性補給作用。同時，在研究區(qū)域北部地區(qū)的地層基巖露出位置受埋深影響而逐漸變大，基巖位置越靠北，松散層底部的富水性也更強，水位也更高，基巖的補水能力也越強。這也是地質構造對礦層富水性的間接控制作用的重要體現(xiàn)。

5 結束語

地質構造會對巖層富水性產生直接或者間接的控制作用，礦層富水性情況對于礦井開采會產生諸多影響。因此，在礦井開采中，就需要通過對地質構造對礦層富水性控制作用的全面分析，對礦層富水性情況進行研究，以保證礦井開采工作的順利開展，保證礦井開采的安全性。