華北型鋁土礦床地下水充水水源特征與防治策略

豆靖濤

（河南省地質環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450016）

1 地下水礦床充水水源類型

從整個華北地臺來看，不同地區(qū)，不同的氣象、水文條件和不同的地質地貌、水文地質條件下具有不同類型的鋁土礦床充水水源以及特定的充水模式，地下水鋁土礦床充水水源，根據(jù)含水介質及空隙性質的不同，可分為孔隙水、裂隙水和巖溶水三類。

1.1 孔隙水

指賦存于疏松巖層，如第四系和部分第三系沉積物及堅硬基巖風化殼等孔隙中的地下水。孔隙含水層水的富水性和導水性受孔隙介質的粒度、分選性及充填狀況等控制，一般粒度越大，分選性越好，含泥充填物越少，其富水性和導水性越好；反之則差。由于孔隙水的分布及其形成規(guī)律直接與松散巖層的形成條件有關，因此不同成因的松散巖層中的孔隙水往往具有不同的分布規(guī)律和形成特征。礦床開采中常見的孔隙水源多是洪積物中的地下水和沖積物中的地下水，這類地下水充水水源一般導致礦床涌水量很大。而部分第三系半膠結沉積物中地下水，一般富水性、導水性較弱，補給徑流條件較差，礦床涌水量較小。多以排泄儲存量為主，初期涌水量有時較大，但隨后逐漸減少穩(wěn)定到一個較小值。

1.2 裂隙水

指賦存于基巖，如各類碎屑巖、巖漿巖、變質巖等堅硬巖層裂隙中的地下水。

由于裂隙的成因和發(fā)育程度的不同，裂隙水賦存和運動條件也各異。按巖石裂隙的成因，裂隙水可分為風化裂隙水、成巖裂隙水和構造裂隙水三種類型。按含水裂隙的產(chǎn)狀，可分為層狀裂隙水和脈狀裂隙水兩種類型。其中，層狀裂隙水和脈狀裂隙水中，層狀裂隙水對礦床充水的影響較大；脈狀裂隙（構造裂隙和巖脈裂隙）水相對影響較小。

裂隙水對礦床的充水影響具有明顯的不均勻性，一般沿一定方向的構造線附近的張性裂隙，其富水性和導水性較強，礦床涌水量與裂隙寬度直接相關，這類張性寬裂隙，當與地表水等存在水力聯(lián)系時，常常造成較大的礦床涌水量。而當裂隙較窄，特別是壓性裂隙，一般導、富水性較差，當與地表水無水力聯(lián)系時，均以消耗儲存量為主，來勢較猛，消失較快，礦床平均涌水量很小，一般為每天數(shù)方至數(shù)十方，超過5000m3/d的不多，且隨埋深減弱和隨季節(jié)而變化，絕大多數(shù)為弱充水水源。

1.3 巖溶水

系指賦存和運動于碳酸鹽巖、硫酸鹽巖等可溶巖中的地下水。這種巖溶地下水具有較強的溶蝕搬運作用，并不斷地改變和加強著自身的賦存和運動條件。巖溶的形成發(fā)育條件，空間形態(tài)等受區(qū)域地質巖性、氣候等因素所控制，表現(xiàn)出很強的區(qū)域性等特征。依溶隙空間形態(tài)的不同，巖溶地下水可劃分為溶隙水、溶洞水和暗河管道水三種。在我國北方一般以溶隙水為主，南方以溶洞水為主，西南則以巖溶管道水為主，形成三種不同的區(qū)域性巖溶地下水充水水源。從我國煤類等礦床來看，90%以上的大水礦床，均與巖溶地下水充水水源有關。

巖溶地下水具有如下主要的特征：

（1）富水性空間上變化大。巖溶介質是一種極不均質的含水介質，在巖溶體內(nèi)，存在著強含水體和弱含水體、均勻含水體和不含水體與集中流動管道等特點。之所以形成這種特點是由于連通程度在不同方向上的差異巖溶發(fā)育程度以及各種形態(tài)巖溶通道的方向性所致。

（2）導、富水性的各向異性強。當可溶巖層的某一個方向巖溶發(fā)育比較強烈，水力聯(lián)系就好，導、富水性就強，通道系統(tǒng)發(fā)育比較完善時，這個方向就成為巖溶水運動的主要方向。因此，導、富水性具有極強的各向異性，在巖溶含水層的不同方向上，透水性能差別很大的特征。

（3）動態(tài)變化顯著。巖溶地下水其水位動態(tài)年變化幅度較大，流量年變化幅度可達數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍。巖溶地下水動態(tài)變化對大氣降水的反應性靈敏，有的在雨后一晝夜甚至幾個小時即可出現(xiàn)峰值。只有在補給水源豐富、補給區(qū)分布面積大的地區(qū)，其動態(tài)變化穩(wěn)定。

2 地下水水源的充水模式

地下水作為礦床充水水源時，依其與充水特點及其被充礦床體的相互位置關系可劃分為直接式充水水源與充水模式、間接式充水水源與充水模式以及自身充水水源與充水模式三種基本類型。

（1）間接充水水源與充水模式。間接充水水源是指充水含水層主要分布于礦床體的周圍，但和礦體并未直接接觸的充水水源。間接充水水源和充水模式一般分頂板間接式充水和底板間接式充水兩種，前者系指主要充水含水層位于礦層冒落帶之上，礦層與其之間有隔水層或弱透水層存在，地下水通過構造破碎帶、弱透水層充入礦床；后者系指充水含水層位于礦層之下，礦層與其之間有隔水層，或弱透水層存在，承壓水通過底板薄弱地段、構造破碎帶、弱透水層或導水的巖溶陷落柱等充入礦床。

（2）直接充水水源與充水模式。直接充水水源和充水模式分為直接頂板式、直接底板式和露天開采直接揭穿式三種。直接式充水水源是指充水含水層與礦床體直接接觸或礦山工程直接揭露充水含水層，而導致含水層水直接進入礦床的充水含水層。不論何種直接式充水水源和充水模式，只要進行采礦工程活動，都不需要專門的導水通道，就必然會通過開挖或采空面直接進入礦床采掘的坑道，其間無任何阻擋或障礙。

（3）自身充水水源與充水模式。所謂自身充水水源是指礦床體本身就是含水層。一旦對礦床體實施開采，賦存于其中的地下水或通過某種形式補給礦床含水體的水就會涌入坑道形成充水。由于我國煤、鋁土礦床等主要礦產(chǎn)本身為隔水介質，一般不含水，故該類型充水模式在國內(nèi)并不多見。但在國外許多礦山中經(jīng)常遇到，如孟加拉國的巴拉普庫利亞煤礦即是如此。該礦主采VI煤層，層厚平均36m，該層本身就是含水層，而且露頭區(qū)有第四系含水層水的補給。

3 地下水水源的充水規(guī)律和特點

以地下水作為主要充水水源的礦床充水具有如下規(guī)律和基本特點：

（1）礦床涌水的導通性及其富水性與充水含水層（介質）的空隙性存在著密切的關系。一般地講，其充水強度小于受孔隙和巖溶水充水的礦床，受裂隙水充水的礦床影響。而巖溶水和孔隙水中受強巖溶含水層水和卵石層潛水充水的礦床，多為水量較大礦床，發(fā)生突水時，一般來勢猛、不易疏干、水量大、來勢猛，會給礦山帶來巨大災害。同它們相比，多數(shù)裂隙水充水時，主要以滲水、淋水為主，發(fā)生突水不大，通常不會給礦山帶來災害。

（2）礦床充水量變化規(guī)律與充水特點、充水含水層中地下水的水量及其性質有關。通常流入礦床采掘坑道中的地下水往往包含兩種性質完全不同的部分：一部分為動儲量，該部分水量是以一定的補給和排泄為前提，以地下徑流的形式在充水含水層中不斷地進行著水交替運動。另一部分為靜儲量，這部分水量大小及其對礦床充水的能力主要取決于含水層厚度、分布規(guī)律、空隙性質以及貯存水的給出能力。當?shù)V床充水含水層中的水以靜儲量為主，則涌水的特點是初期礦床涌水量較大，隨著排水時間的延續(xù)，該類礦床易于疏干；當充水含水層以動儲量為主，則礦床涌水量相對比較穩(wěn)定，礦床涌水量的動態(tài)特點往往會受充水含水層補給量的動態(tài)變化所影響，該類型充水水源則不易疏干。

4 不同充水水源類型的防治策略與方法

不同地質、地貌、水文地質條件下會形成不同類型的礦床充水模式，具有不同類型的礦床充水水源。由于不同類型的充水水源具有不同的發(fā)育特征，故給鋁土礦山帶來的突水模式和致災強度不同。因此，相應的防治策略和方法亦不相同。

4.1 寒武、奧陶系厚層或巨厚層灰?guī)r強含水層突水

這類灰?guī)r含水層（組）巖溶十分發(fā)育，富水性、透水性極強，動、靜儲量巨大，且緊鄰鋁土礦床，是造成重大礦床底板型突水事故的主要充水水源。從豫西夾溝礦床突水機理和礦區(qū)未來開采地段地質、水文地質條件來看，當具備下述條件之一時，就會存在突水的危險：一是當采掘工作面位于它們的地下徑流帶及其附近巖溶裂隙比較發(fā)育的區(qū)域之上時；二是當采掘工作面與它們之間隔水巖層厚度小于一定值、如前述預測預報值或本礦山的經(jīng)驗值，特別是當隔水巖層的完整性遭受采動破壞時；三是雖預留安全隔水層厚度符合相關要求，但在采掘影響范圍內(nèi)隱伏有直達它們的導水斷層、組合裂隙帶或導水陷落柱、包括巖溶凸起柱時。

對于該類充水水源的防治思路應以預先防范為主，加強采掘過程中的監(jiān)測、探測工作。防治方法包括建立礦區(qū)巖溶地下水動態(tài)觀測網(wǎng)，實時掌握和分析其動態(tài)變化狀況，對于第一、二種情況應切實查明礦床隔水底板巖性的物理力學特征、結構組合及厚度變化等，依據(jù)前述預測預報值或礦區(qū)實際經(jīng)驗值，科學留設安全隔水層厚度。對不能滿足隔水厚度要求的就堅決不采，必要時可以鋁土礦層為代價，留足留夠天然隔水屏障；對于第三種情況應采用可靠有效的手段，及時進行礦床采掘過程中的超前探測工作，發(fā)現(xiàn)異常構造，立即暫停開采，開展注漿堵塞治理，或避讓繞道開采工作。

4.2 石炭系薄層灰?guī)r弱含水層突水

該類充水水源分布于鋁土礦床的上部，常構成頂板型充水的水源。其含水層的富水性、透水性相對較弱，動、靜儲量相對較小。當它不存在斷層、陷落柱等構造與其它強含水層溝通、特別是與地表水發(fā)生溝通時，一般不會造成礦床嚴重的突水事件。不論是坑采、還是巷采均屬于既難以避免，又不至于形成嚴重危害的礦床充水水源。

對于這類充水水源的防治策略和方法，一般采用與礦床開采相平行的疏排水措施。由于該含水層分布面積較大，除非與其它強含水層或地表水體發(fā)生溝通外，通?？刹徊扇∽{截流堵水等方法。但應加強礦床采掘過程中的探防水工作，必要時還要對其動態(tài)變化實施監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括水位、水質、水溫等，以及時防范可能潛在的大的突水隱患。

4.3 裂隙含水層突水

它多分布于礦床上部、二疊系砂巖里，距鋁土礦床較遠，其間有泥巖、頁巖相隔，加之富水性、透水性中等偏弱，一般不會對礦床構成大的突水危險。

對于這類充水水源，通?？刹徊扇ｉT性的措施，但必要的監(jiān)測防范工作還是應該做的。

4.4 松散巖類孔隙含水層突水

該類含水層一般分布于鋁土礦區(qū)的淺部至地表地段，對于夾溝礦區(qū)而言，主要涉及未來縱Ⅲ線以北地區(qū)。由于地下礦床開采后形成的采空區(qū)，在重力等作用下，于采空區(qū)的上部自下而上將導致冒落破壞帶、采動裂隙帶和采動下沉帶（通常稱之為“上三帶”）的產(chǎn)生和發(fā)展。其中，冒落破壞帶的導水能力最強，采動裂隙帶次之，采動下沉帶較弱。當上述冒落破壞帶直達上覆松散巖類孔隙含水層時，就會產(chǎn)生大的礦床突水事故，大量的水、甚至泥沙潰入采區(qū)或巷道。倘若采動裂隙帶達至上覆孔隙含水層時，就將發(fā)生礦床突水事故，只是在強度上與前者相比較弱罷了。只有當最上部采動下沉帶達至或尚未達至上覆孔隙含水層時，才不會發(fā)生礦床的突水。當然上述分析不包括隱伏的直通式斷層、原生裂隙密集溝通帶的導通影響。

對于這類礦床充水水源的防治，除加強采掘過程中的探測工作外，正確留設防水鋁土礦柱極為必要。我國煤炭系統(tǒng)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》（簡稱“三下開采規(guī)程”）對此有明確規(guī)定，要求孔隙（沖積）含水層下采煤，必須按規(guī)程留設防水煤柱和合理控制開采強度。從我國煤礦近20年來的采礦實踐看，此舉在正常情況下是可以避免突水的。但由于鋁土礦床埋藏條件同煤礦床不同，礦床上部覆巖的組成、巖性結構和物理力學特征同煤礦床存在較大的差異。因此，鋁土礦床巷采需要根據(jù)自身地質條件開展觀測研究工作，以更加合理地留設其防水礦柱以及限定采高、科學控制開采的強度。

除此之外，做好孔隙（沖積）含水層的動態(tài)監(jiān)測工作，并力爭使礦山具有一定的應急排水能力。

關于孔隙含水層下開采預防突水問題在豫西夾溝礦區(qū)未來地下巷采地段不會十分嚴重。但對于華北地臺其它鋁土礦區(qū)、如豫西澠池段村—雷溝礦區(qū)地下開采時，此問題需引起高度的重視。

5 結語

華北地臺鋁土礦床地下水充水水源，按其成因、屬性可分為孔隙水、裂隙水和巖溶水三類。不同地區(qū)，不同的氣象、水文條件和不同的地質地貌、水文地質條件下會具有不同類型的鋁土礦床充水水源以及特定的充水模式，形成不同的突水規(guī)模和突水強度，其防治方法和策略亦不同，需具體問題具體分析，有的放矢，精準施策，方能取得最佳防治成效。