煤礦水害基本類型與動(dòng)態(tài)演化類型劃分

葉力進(jìn)，許進(jìn)鵬，劉統(tǒng)學(xué)，鹿存金

（1.寧夏王洼煤業(yè)有限公司，寧夏 固原 756000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

礦井突水是煤礦5 大自然災(zāi)害之一，煤礦防治水工作是保證礦井安全的重要工作。對(duì)礦井水害進(jìn)行類型劃分是防治水工作的基礎(chǔ)。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，相關(guān)技術(shù)人員在對(duì)不同礦區(qū)的水害認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)各自礦區(qū)的水害類型進(jìn)行了劃分。梁仕儒等[1]、陳建生[2]、尹會(huì)永等[3]、李新鳳等[4]、肖有才等[5]、繆協(xié)興等[6]、謝如謙[7]分別介紹了肥城礦區(qū)、鄭州礦區(qū)、山東省、平頂山礦區(qū)、神東礦區(qū)、福建省等的煤礦水害類型。

除了對(duì)不同礦區(qū)的礦井水害類型劃分，也有文獻(xiàn)研究了全國(guó)范圍內(nèi)的礦井水害類型劃分。李白英等[8]將礦井水害成因分為2 類5 種情況；謝松根[9]將礦井水害劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 類；虎維岳等[10]將水害類型劃分為4 種基本類型；武強(qiáng)等[11]詳細(xì)地將主要水害類型進(jìn)行了劃分：包括按礦井水害的充水水源分類、按可采礦層與充水含水層的彼此位置和接觸關(guān)系分類、按礦層與充水巖層相對(duì)位置分類、按礦井水害的導(dǎo)水通道分類、按礦井水害的危害形式分類、按礦井水害造成的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡分類、按礦井水害發(fā)生的時(shí)效特征分類。

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采的產(chǎn)量增大及礦區(qū)轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)了一些新水害類型，隨著煤礦防治水技術(shù)和研究水平的提高，也需要對(duì)礦井水害進(jìn)行更深層次的劃分。為此，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“礦井水害危險(xiǎn)源辨識(shí)與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)”課題組在總結(jié)前人分類成果，大量收集礦井水害案例的基礎(chǔ)上，對(duì)礦井基本水害類型進(jìn)行了總結(jié)和局部調(diào)整，提出了基于動(dòng)態(tài)演化的礦井水害類型劃分方法；其目的是滿足快速發(fā)展的以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的礦井水害防治技術(shù)和方法的需要。

1 礦井水害基本類型劃分

礦井水害的分類方法很多，如可以按水源劃分，可以按水的侵蝕性劃分等。每一類劃分方法有其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用意義。從認(rèn)識(shí)礦井水害機(jī)理及防治要求，最基本的要求還是要認(rèn)識(shí)水源和導(dǎo)水通道。因此，按水源和導(dǎo)水通道劃分礦井水害的基本類型。

1.1 分類目的原則及方法

1）基本類型的劃分目的。幫助相關(guān)技術(shù)人員了解掌握各種類型的水害形式。在礦井出水初期，可以根據(jù)出水水源和通道，能夠根據(jù)基本類型迅速對(duì)號(hào)入座，判別礦井突水類型，確定初步防治方案。

2）基本類型的分類原則。邏輯清楚，標(biāo)準(zhǔn)明確，系統(tǒng)全面，沒(méi)有重疊。

3）分類方法。礦井水害最主要的2 個(gè)因素突水水源和出水通道。因此，劃分方案按此進(jìn)行基本類型劃分。首先，基本參照武強(qiáng)院士2013 年劃分方案按以上2 個(gè)因素進(jìn)行單因素劃分，然后再綜合2 個(gè)主要因素進(jìn)行雙因素劃分。

1.2 按出水水源分類

1）地表水害（取其英文首寫(xiě)字母為其代碼s（surface water））。指水源為地表徑流及大氣降水的水害，包括江河湖海水、地表塌陷坑水、大氣降水、地表雪融水等水害。

2）孔隙水害（字母代碼p（pore water））。指充水水源為孔隙介質(zhì)含水層的水害，包括第四系松散層孔隙含水層、第三系松散層孔隙含水層等水害。

3）裂隙水害（字母代碼f（fissure water）。指充水水源為裂隙介質(zhì)含水層的水害，主要為砂巖裂隙含水層水害，包括不同時(shí)代的砂巖含水層。

4）巖溶水害（字母代碼k（karst water））。指充水水源為巖溶介質(zhì)含水層的水害，主要有我國(guó)北方煤田的太原組灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r、寒武系灰?guī)r水害以及南方茅口灰?guī)r水害等。

5）老空水害（（字母代碼g（goaf water））。指充水水源為采掘活動(dòng)造成的充水空間積水的水害，包括本礦井的采空區(qū)水害、鄰近礦井老空水害、小煤窯開(kāi)采形成的老采空區(qū)水害、廢棄井筒水害等。

6）混合型水害。當(dāng)無(wú)以上1 種水源占到70%以上，稱為混合型水，其字母代碼可以用2 個(gè)字母或2個(gè)以上字母表明，如kf 表明水源以巖溶水比例為主，其次為裂隙水。

1.3 按突水通道分類

以前劃分方法中經(jīng)常有按照空間關(guān)系劃分的頂板水害、底板水害，原定義邏輯性差，從空間上看，老空水、地表水等也可能是頂板水。本次定義為：①由頂板垮落帶、斷裂帶為導(dǎo)水通道的水害，稱為頂板水害；②由底板破壞帶為導(dǎo)水通道的水害，稱為底板水害。即頂板水害和底板水害是按導(dǎo)水通道進(jìn)行劃分的。

1）溶陷水害（字母代碼C（collapse column））。指由巖溶陷落柱或巖溶塌陷帶為通道引起的水害，包括巖溶陷落柱和巖溶塌陷引發(fā)的水害。

2）斷裂水害（字母代碼F（fault）。指由斷層和裂隙為通道引起的水害，包括斷層和裂隙引發(fā)的水害。

3）直揭水害（字母代碼E（expose））。指井巷工程及其松動(dòng)圈直接揭露含水層或水體引起的水害，包括掘進(jìn)巷道直接出水、井筒直接出水等。

4）頂板水害（字母代碼W（water flowing fractured zone））。指由頂板垮落帶和斷裂帶為導(dǎo)水通道的水害，包括導(dǎo)水?dāng)嗔褞?dǎo)通含水層的水害和垮落帶導(dǎo)通含水層的突水潰砂水害。

5）底板水害（字母代碼D（destroyed zone））。指由底板破壞帶為導(dǎo)水通道的水害，包括工作面底板破壞裂隙水害、巷道底鼓引起的水害等。

6）鉆孔水害（字母代碼B（bore））。指由人工施工的鉆孔為導(dǎo)水通道的水害，包括未封閉鉆孔導(dǎo)水、封閉不良鉆孔導(dǎo)水、凍結(jié)鉆孔解凍后導(dǎo)水等。

7）復(fù)合型水害。由2 種以上導(dǎo)水通道溝通含水層或水體引起的水害，如頂板導(dǎo)水?dāng)嗔褞贤〝鄬?，斷層再溝通含水層。?fù)合型水害的字母代碼采用2 個(gè)或2 個(gè)以上表示，如DF 表明底板斷裂帶和斷層共同導(dǎo)通含水層。

1.4 按雙因素綜合分類

在以上分類的基礎(chǔ)上，可以按水源和導(dǎo)水通道進(jìn)行綜合分類，綜合分類方案見(jiàn)表1。

表1 中，其字母代碼為通道和水源2 個(gè)因素，如導(dǎo)水通道為斷層，出水水源為裂隙水；則雙因素綜合分類為斷裂裂隙水害，字母代碼組合為Ff。對(duì)于復(fù)合通道和混合水，字母代碼則有3 個(gè)以上。如DFk為底板破壞帶和斷層為導(dǎo)水通道，出水水源為巖溶水；Bfp 為鉆孔為導(dǎo)水通道，出水水源為裂隙水和孔隙水；WFfp 為頂板導(dǎo)水裂隙帶和斷層為導(dǎo)水通道，出水水源為裂隙水和孔隙水。

表1 礦井水害雙因素分類方案表Table 1 Basic types of water disasters classified by double-factor

2 基于動(dòng)態(tài)演化規(guī)律出水類型

礦井水害的發(fā)生過(guò)程中，在開(kāi)采作用和出水過(guò)程的影響下，地下水水害呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。在基本類型劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)一步基于動(dòng)態(tài)演化規(guī)律對(duì)水害類型進(jìn)行劃分。

2.1 水源演化類型

在礦井水害發(fā)生過(guò)程中，由于水源的富水性及補(bǔ)給途徑不同，會(huì)出現(xiàn)不同的演化方向，主要有：

1）補(bǔ)給量小于出水量（用上標(biāo)“-”表示）。當(dāng)含水層富水性較差，受到補(bǔ)給量有限，而出水通道相對(duì)較大，會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)給量小于出水量。此類案例較多，不再列舉。

2）補(bǔ)給量等于或大于出水量（用上標(biāo)“+”表示）。當(dāng)含水層富水性較好，受到外界一定的補(bǔ)給量，而出水通道相對(duì)較小，在表象上會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)給量等于出水量，而含水層的潛在補(bǔ)給能力可能大于出水量。文獻(xiàn)［12］所述為此類型。

3）特殊演化類型（用上標(biāo)“？”表示）。補(bǔ)給量出現(xiàn)不規(guī)則演化，如當(dāng)直接含水層富水性弱，出水初期可能是補(bǔ)給量小于出水量，但經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間段后，直接充水含水層受到了其它含水層補(bǔ)給，甚至襲奪了地表水，補(bǔ)給量又會(huì)大于出水量。文獻(xiàn)［13］所述為1 種特殊演化類型。

2.2 突水通道演化類型

在礦井水害發(fā)生過(guò)程中，除了水源有不同的演化方向，出水通道也會(huì)有不同的演化方向，主要有：

1）通道增大型（用上標(biāo)“+”表示）。在礦井開(kāi)采及出水過(guò)程中，由于采動(dòng)影響及水力沖刷等作用，導(dǎo)水通道出現(xiàn)逐漸增大或突然增大的演變過(guò)程。如不導(dǎo)水?dāng)鄬釉诓蓜?dòng)作用下會(huì)發(fā)生活化導(dǎo)水；導(dǎo)水?dāng)鄬与S著水流沖刷通道會(huì)逐漸增大；陷落柱在水流作用下細(xì)小物質(zhì)被帶走，也會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)水通道增大等。文獻(xiàn)［14］論述了1 種通道增大型的機(jī)理。

2）通道減小型（用上標(biāo)“-”表示）。在礦井開(kāi)采及出水過(guò)程中，隨著采動(dòng)作用減弱等環(huán)境變化，導(dǎo)水通道逐漸減小甚至閉合。如頂板導(dǎo)水裂隙帶、底板導(dǎo)水裂隙帶都會(huì)隨著開(kāi)采活動(dòng)的減小而通道減小甚至閉合。文獻(xiàn)［15］論述了1 種通道減小型的機(jī)理。

3）通道穩(wěn)定型（用上標(biāo)“=”表示）。指導(dǎo)水通道不發(fā)生變化或變化量很小的通道類型。此類型較多，不舉例說(shuō)明。

4）特殊演化類型（用上標(biāo)“？”表示）。無(wú)趨向性變化的類型。如離層水現(xiàn)象[16]。文獻(xiàn)［17］分析了1 種通道特殊演化類型。

2.3 雙因素演化類型

以上2 節(jié)分別說(shuō)明了水源演化類型和突水通道的演化類型，結(jié)合基本水害類型，可以在基本水害類型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行基于演化規(guī)律的雙因素水害類型劃分。即在基本類型之上，繼續(xù)劃分演化類型。如底板巖溶水（字母代碼Dk），可以繼續(xù)劃分底板巖溶水通道穩(wěn)定水源減小型（字母代碼D=k-）、底板巖溶水通道減小水源減小型（字母代碼D-k-）、底板巖溶水通道減小水源增大型（字母代碼D-k+）。由于類型較多，不再列舉。

3 不同演化類型的特征及判別方法和防治對(duì)策

3.1 不同演化類型的出水量特征

由于出水水源和導(dǎo)水通道存在演化的過(guò)程，導(dǎo)致出水水量也有一個(gè)演化過(guò)程，出水水源和通道的演化也決定著出水量的演化。出水水量特征與演化類型關(guān)系表見(jiàn)表2。

表2 出水水量特征與演化類型關(guān)系表Table 2 Relation of outflow characteristics and evolution types

3.2 不同演化類型的判別方法

與基本類型相比，基于演化規(guī)律的礦井水害類型的判別需要更多的資料和更科學(xué)的方法，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行不同演化類型的判別：

1）可以根據(jù)含水層和出水通道的性質(zhì)加以判別。如出水水源為富水性弱、無(wú)其它補(bǔ)給的含水層，一般其演化類型為減小型，包括具有此類特征的煤系砂巖含水層、薄層灰?guī)r、松散層孔隙含水層；而巨厚灰?guī)r（如奧陶系灰?guī)r、茅口組灰?guī)r含水層）及與其有水力聯(lián)系的其它含水層，一般其演化類型為等于或大于型。在通道方面，一般陷落柱為增大型；斷層一般為增大型或穩(wěn)定型；采動(dòng)破壞帶有減小及閉合的可能性。

2）可以根據(jù)出水過(guò)程中的觀測(cè)、監(jiān)測(cè)資料加以判別。出水過(guò)程中水量、水位等常規(guī)觀測(cè)資料可以作為判別的依據(jù)；一些監(jiān)測(cè)資料如電法監(jiān)測(cè)資料、水化學(xué)資料，也可以作為判別依據(jù)。

3）可以根據(jù)鄰近礦井或本礦井前期的出水資料進(jìn)行類比判別。

3.3 基于演化的分類對(duì)水害防治的意義

礦井防治水工作中，不僅要根據(jù)礦井水害的基本類型采取相應(yīng)的防治措施，更需要根據(jù)其演化規(guī)律，對(duì)不同演化類型采用不同的防治措施。如礦井防治水工作中的最主要的也是截然相反2 種方法“疏降”和“加固堵水”，就需要針對(duì)不同的演化類型加以應(yīng)用。如果是補(bǔ)給量小于出水量，可以采用疏降的方法；如果是補(bǔ)給量大于出水量，可以采用加固堵水的方法；如果是通道為增大型，同時(shí)水源補(bǔ)給量大于出水量（陷落柱導(dǎo)通奧灰即為此類），則應(yīng)及時(shí)注漿封堵；對(duì)于通道演化無(wú)規(guī)律型（如離層水）則應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，掌握變化規(guī)律，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

4 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)出水水源和導(dǎo)水通道可以對(duì)礦井水害進(jìn)行基本類型劃分，基本類型除了單因素劃分方法之外，還可以進(jìn)行雙因素劃分，按雙因素可以劃分為37 種類型。在基本類型劃分基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)出水水源和出水通道的演化規(guī)律進(jìn)行演化類型劃分。不同的演化類型有著不同出水水量變化規(guī)律。基于不同演化類型的水害，可以采用不同的防治方法。