礦坑充水的形成及影響因素分析

王利強

（山西沁和能源集團九鑫煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

在礦井開采過程中，礦坑充水相關的一系列問題，給工程的實施造成了較為嚴重的困難[1]。 形成礦坑充水的因素不是固定的，會隨著周圍環(huán)境的作用發(fā)生微妙的改變。 首先是不同特征礦床與含水層相互沖擊的影響[2-3]。 這部分主要是在開采資源的過程中，水文氣象條件、 水文地質(zhì)邊界條件、 補給條件以及徑流條件等均有可能對礦坑產(chǎn)生一定的作用力或者沖擊力；而礦坑本身便具有較強的砂質(zhì)松散性，對比于礦洞相對較為薄弱，無法承受較大水流的沖擊與壓迫，更加容易造成礦坑充水現(xiàn)象的發(fā)生[4]。 礦山地層地下水分布不均。含水層通常儲存著較為豐富的水資源，這些水源大致是由自然水、縫隙水、地表水下滲而形成的，在流動或者下流的過程中，受到巖性的層級控制，一般成分相對較為均一，并且補給的渠道也多種多樣[5]。 因此，需要對礦坑充水的形成及影響因素做出對應的分析。

1 礦坑充水安全隱患分析

我國礦山在開采過程中，常會遇到較多的問題及突發(fā)情況，礦坑充水就是其中之一。 在工程施工過程中，常常會因為礦坑充水導致礦洞或者施工區(qū)域大面積坍塌，不僅如此，充水區(qū)域還會使礦山的地質(zhì)環(huán)境受到巨大的損壞，嚴重的甚至會造成大規(guī)模的地質(zhì)災害發(fā)生，時刻威脅著施工人員的安全[6]。 面對這種狀況，目前多利用物理堵塞的方式來應對，但是并不能從源頭上解決問題。 所以，需要對礦坑充水的形成條件及影響因素進行研究分析，以利于制定控制方案。

2 礦坑充水形成條件研究

形成礦坑充水這一問題最為關鍵的一個因素就是地表水及地下水的運動與流向。 地表水是各個區(qū)域地下水的匯集處與補給源。 但是不同地區(qū)的地下水對于礦坑產(chǎn)生的影響是不同的，這與巖層及巖石的種類與結構有密切的聯(lián)系，如表1 所示。

表1 巖層與巖石地表存儲情況

根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)，可以完成對巖層與巖石地表存儲情況的分析與整理。 在此基礎上，由于含水層通常是處于封閉的狀態(tài)，上部弱透水被碎巖石覆蓋，地表水的滲透能力相對較強，所以補給較好，但是相對應的排水能力欠佳。 所以，在進行研究分析過程中，可以利用特殊的方式大致測算出含水層存儲水源的實際體積，以此來降低礦坑充水的影響面積[7-8]，如公式（1）所示。

式中：H為含水層存儲水源的實際體積；d為預設體積；R為水層范圍作用值。通過上述計算，最終可以得出含水層存儲水源的實際體積。 將得出的數(shù)值代入測算公式中，繼續(xù)計算礦坑充水的極限承載值，如公式（2）所示：

式中：D為礦坑充水的極限承載值；α為補給側(cè)向誤差值；β為地表水滲入速度。 通過上述計算，最終可以得出實際礦坑充水的極限承載值。 此極限值便是礦坑充水的實際承受體積值，超過這個數(shù)值，在施工過程中便會對礦坑造成極大的影響與損害。所以，一般在挖掘礦坑之前，需要對地表層的含水量作出對應的控制。

不僅如此，地表水及砂礫層孔隙水的流動與側(cè)向補給通常也是借助地面塌陷或巖溶導水來完成的。 當水源流入坑道，原本底層下的侵入巖會由于水源流動的沖擊及壓強產(chǎn)生較大的裂隙，這樣也會導致水源的大量涌入，擴大礦坑的整體面積，造成水量滲入坑道。 井巷施工過程中，會通過坑道依次穿過孔隙層及侵入巖裂隙層，逐漸成為同一個含水體，更容易造成大面積的礦坑充水的現(xiàn)象，具體如圖1 所示。

圖1 礦坑充水形成

根據(jù)圖1 的結構示意圖，最終完成礦坑充水形成條件的分析。 以上便是對礦坑充水形成條件的分析以及簡述。

3 礦坑充水影響因素探析

3.1 徑流循環(huán)

徑流循環(huán)是一種十分常見的礦坑充水誘導因素。 一般較易發(fā)生在亞熱帶季風氣候的礦區(qū)開采工程區(qū)之中。 此種礦區(qū)的自然環(huán)境相對較好，四季較為分明，同時氣候溫暖濕潤，降水時間相對集中，寒冷季節(jié)少。 這種環(huán)境雖然有利于礦區(qū)的開采，但是對于礦坑充水問題的產(chǎn)生也有一定推動作用，所以，這樣的環(huán)境造就了循環(huán)徑流現(xiàn)象的產(chǎn)生，加大了礦坑充水的發(fā)生概率。

集中降水是不可避免的，只能依據(jù)特定的方法以及手段來預防降水給礦山開采造成影響。 徑流循環(huán)一般多出現(xiàn)在5～9月份之間，同時伴隨著大風天氣，而相對應的礦區(qū)地貌一般為構造- 剝蝕低山丘陵，這樣的地形通常是以山體熔巖以及火山碎屑巖所組成，海拔高程也在130～600 m 之間。 為了驗證不同海拔下地表水對巖層的沖擊效果以及徑流循環(huán)的作用范圍，需要利用縱剖面斜側(cè)法來計算出相關的數(shù)據(jù)，如公式（3）所示。

式中：J為縱剖面凈流循環(huán)范圍；f為側(cè)向切割距離；δ為正向切割距離。 通過上述計算，最終可以得出實際的縱剖面徑流循環(huán)范圍。 巖層與谷地和山脊之間的范圍相對一致，極限高度可以達到約105 m 左右。 礦坑與巖層會呈現(xiàn)出“V”型的橫溝，同時兩側(cè)的剖面也會隨著坡度的增加而發(fā)生變化。 地表水對巖層侵蝕最終流動于不同的巖層裂隙通道之中，水源的沖擊力逐漸成為貫通的通道，最終形成徑流循環(huán)，成為礦坑充水最為常見且重要的影響因素。

3.2 充水通道多變

在礦山施工前，通常都會對周圍的環(huán)境做一定的調(diào)研，避免外部因素對施工產(chǎn)生不利的影響。尤其是礦坑充水，可影響的因素相對較多，需要進一步加強控制與預防。 不同的礦區(qū)，礦坑充水通道的情況也存在一定的差異： 一些礦區(qū)形成礦坑充水的通道僅有一條，且地表水較淺，對礦坑的采掘產(chǎn)生的影響??；而有的礦區(qū)的充水通水數(shù)量多，這一類區(qū)域?qū)τ诘V坑的破壞較大。 多條通道同時作用于礦坑，會使地表水、地層水、縫隙水等同時涌出，灌滿整個礦坑，不僅無法施工，對于施工人員的安全也是一種威脅。 面對這種情況，可以利用空向測算法，來對礦坑周圍的充水通道進行測量。 首先可以設定對應的測量環(huán)境，如表2 所示。

表2 充水通道測量

根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)，最終可以得出實際的充水通道測量數(shù)據(jù)。 之后便完成對測量環(huán)境的設定，依據(jù)得出的信息，結合周圍環(huán)境情況，計算對應的通道數(shù)量，如公式（4）所示。

式中：V為通道數(shù)量；s為地下水涌出預估量；e為礦坑實際體積；λ為測算允許出現(xiàn)的極限誤差。 通過上述計算，最終可以得出實際的通道數(shù)量。 由于得出的數(shù)值為大致的通道數(shù)量，所以在對礦坑充水進行控制的過程中，尚需考慮其他因素的影響，以更好地得出更為精準的影響結果。

3.3 突水特征不明顯

礦坑突水產(chǎn)生的多數(shù)原因是突水特征不明顯造成的。 礦坑突水通常都具有特定的特征及環(huán)境變化，如樹木同方向傾斜、土壤潮濕、地層薄弱等。所以，可以通過這些特征來判斷充水現(xiàn)象的發(fā)生概率。 可以利用對比法，即選取礦區(qū)外的一個參照物作為測定對比目標，將礦區(qū)及礦坑周圍的同等級、同種類實物與其進行類比，同時測定計算出對應的數(shù)據(jù)信息，結合得出的充水通道的實際數(shù)量，完成對突水特征的采集與匯總。 隨后，依據(jù)對應的特征，對突水點進行挖掘。 需要注意的是，突水點如果在礦坑附近，可以通過特殊的防護手段避免礦坑充水；但如突水點在礦坑之中，則需先利用引流的方式將水側(cè)向引入其他區(qū)域，將水外放至其他區(qū)域，降低礦坑充水的危險性以及破壞程度。

4 實例分析

4.1 對D區(qū)域煤礦礦坑充水現(xiàn)狀簡述

D 礦區(qū)位于我國山西省，主要以煤礦挖掘為主，礦區(qū)的面積約為8.649 8 km2，整體的礦洞深度大致在740～600 m 之間，在開采過程中存在較多的大型礦坑。 這些礦坑多數(shù)呈不規(guī)則的多邊形狀態(tài)，且由于D 礦區(qū)的地理位置以及自然環(huán)境分布，使得大部分礦坑北寬南窄，礦坑中間多分布著0.5 m 左右的裂縫。 另外，礦坑與礦洞之間的距離也存在較大的差異，距離遠的可以達到3.9 m，近的僅為1.2 m。 由于D礦區(qū)是亞熱帶季風氣候，所以，全年的降水量相對較為集中，地下含水層以及地表水相對較為充足，且充水通道數(shù)量多，極易出現(xiàn)礦洞沖水的現(xiàn)象，給日常的施工開采造成極大的危害以及影響，相關的防治手段效果也不明顯，導致多種關聯(lián)性的災害頻發(fā)，影響工程的施工進度。

4.2 D礦區(qū)礦坑充水實例分析

在對D 礦區(qū)礦坑充水現(xiàn)狀做出分析后，也對其形成結構進行分析，最終得出的實際結果，如表3 所示。

表3 D 礦區(qū)礦坑含水層充水情況

在相同的測試環(huán)境之下，D 礦區(qū)的含水層涌向礦坑的水得到了控制。 這主要是由于加強了對含水層采厚的控制，以此來進一步劃定、堵塞充水的相關通道，開采深度越大，堵塞效果越好，地層水以及地下水向礦坑進水的概率越低，可以進一步降低礦坑充水發(fā)生的概率，確保工程順利施工。

5 預防措施

礦坑在挖掘時，極容易挖通礦巖的含水層，導致大量的巖層水外流至礦坑之中，給礦山開采造成不同程度的阻礙與困難。 第一，在施工初期，工作人員要對周圍環(huán)境做出勘察，依據(jù)存在的隱患制定一系列具有針對性的防治方案，以實現(xiàn)危害的預測與防控。 大部分的問題可以根據(jù)數(shù)據(jù)信息及特征結構推算出來，但是礦坑充水的推測有相當難度，應格外注意。 第二，應注意施工的關聯(lián)性，地下水的分布范圍通常較為廣泛，在施工過程中，由于外力的沖擊以及壓強時刻發(fā)生著不同的變化，水流的強弱也會發(fā)生變化，因而給工程的實施帶來關聯(lián)性的影響，甚至導致工程無法達到預期目標。 第三，在開采環(huán)境下，要對開采礦洞以及挖掘礦坑進行測量，以加強對突水水源的控制與引流，可以在礦坑的周圍挖掘不同長度的引流渠，將地下水引出，保持礦坑的安全性和穩(wěn)定性，提升整體工程的質(zhì)量和效果。

6 結語

通過對礦坑充水原因及影響因素進行研究，在明確礦坑充水安全隱患后，分析礦坑充水形成條件，從徑流循環(huán)、充水通道多變、突水特征不明顯這三個方面分析礦坑充水的影響因素，并進行簡單的實例分析，提出了預防礦坑突水的有關措施。 雖然本次研究略有所得，但考慮還有欠缺之處，未來將作出更詳盡的補充研究。