矿区水文地质条件分类分析与防治水害措施研究

姜 平，左 腾

（江西省地质矿产勘查开发局赣西北大队，江西 九江 332000）

水文地质条件直接决定了矿井建设及开采工作中防治水害措施的制定。前期阶段对矿井水文地质条件进行分类分析，是影响煤矿安全生产的重要因素。由于矿井水害对煤矿的安全生产具有重大的影响，国内在煤矿的水害防治措施研究方面起步较早。虽然我国已建立了一套较为完整的体系，并得到了广泛地应用，但在矿区水文地质条件分类分析与防治水害措施研究方面的内容相对不够全面，使我国大量受水害威胁的煤炭资源无法得到释放。矿井水害储水能力强且排水功能较弱，导致地表水不易疏导，水害防治难度系数较高。因此，通过研究矿区水文地质条件分类分析与防治水害措施去弥补内容不够全面的不足。

1 矿区水文地质条件分类

1.1 矿区水体含水层特征

石炭系系泥灰岩从垂向上看，随着深度增加，矿区砂岩水值会随着土壤碱度增加，含水层容量减小是砂岩含水层水径流过程中的化学特征。本层围岩由于此类石炭系泥灰岩的存在，像大部分矿区煤矿含水层一样，具有巨厚松散覆盖的岩层，含水层通常是煤层开采间接或直接补给水源，所以含水样数据相对较为丰富。地表下各含水层之间的水流路径也因此形成，是研究矿区内各含水层的重要参考信息。二叠系各煤层之间都有者结构较为稳定的大粒砂岩、香炭砂岩等含水层分布。在抽水化验过程中，二叠系含水层水量较小、水位下降快且自我恢复速度较慢[1]。对矿井含水层的相关资料显示，矿区砂岩含水层的透水特征基本相似，体现在横向以及纵向上的透水路径中，煤层含水层的补给水也因此含水量较少。在矿井开采过程中转化为砂岩，砂岩局部地区深部可能受到外围岩层影响，裂隙层开采段煤层矿井涌水量对矿井生产不会造成实质影响。变质岩类矿全硬度相对较高，由砂岩及其以前的古老变质岩系组成，该地区则很可能受到岩层灰水的影响。

矿区会呈现地形平坦的特征，多为大片农田或分散湿地，局部为沼泽地貌，形成流动或者固定的含水层。因此区域砂岩含水层的储水以及透水特征都受到矿区断块构造的控制，在板块边缘区域容易受煤层裂隙的影响，变成新月形沙丘形状。固定沙岩煤田内褶曲线性排列明显，褶曲多呈不对称状广泛分布在矿区煤层底端，为松散沙岩石。该岩石含水层的表层排列变化较大且分散性较好，通常在断压性岩层逆向发育。发过程大多具有断裂性质的岩层。矿井的含水层会有多个渗透路径，导水钻孔发育活动以及岩层断裂及矿井的地质异常体等。岩层松动会导致含水层的落差变大，并且含水层的透水路径更加难以预测。新生岩含水层沉积致使岩层裂隙在矿井内中发生变质，使岩层裂隙含水层无法通过自循环的方式完成水循环，也就无法疏导含水层的水量。一般情况下，地下水由矿区凸起岩石带向平坦地段缓慢顺层径流大断层形成含水层，由于裂隙较多很不容易疏干。在含有裂隙的矿井内上、下含水层联系在一起形成渗水路径。处在同煤层的整体渗透性能具有较强的水力联系，在这种大体量的向斜基岩含水层中地下水的天然径流速度比较缓慢。矿体空洞是伴随着矿井的开采缓慢形成，由于井内巷道在回采后裂隙变大以及导水裂隙带的导通。各煤系含水层水位在回采区域内均有不同程度的下降就形成了很多的煤层裂隙和渗水裂隙。裂隙将含水层连接成封闭不良的孔隙，除了自身含水量较多，还能将各个含水层联系在一起。

1.2 矿区水体隔水层特征

寒武系底部隔水层是由寒武系砂岩和中统毛庄组的泥岩组成的。由于各岩层存在水位差，其他隔水层通过矿体甬道或构造以下渗或越流的形式补给此隔水层。

自然状态下，岩层的隔水层是可以阻隔灰其他类岩隔水层之间的水流联系的。根据大型群孔抽水试验资料显示，隔水层补给区是由代断层系沉积岩及其代基底系变质岩表层组成的。风化裂隙特征造成其水量充足且压力传递速度快，因此形成的隔水层降落面积角度平缓且扩展范围大。一般在每个岩层内形成统一的水流场，矿区含水层下渗明显，地表水下渗时路径较为显著，因而矿区含水层的各个层面含水量差异较大[2]。隔水层的沉积厚度主要是由岩层区域上方的破碎岩层造成的，起着引流并疏导地下水的作用，其总体特点是中间厚、边缘薄。其主要容水空间由于地势坡度较大，使该隔水层裂隙在巨大落差断层中无法顺利进行透水而成为区域地下隔水层补给区。有各种规模的岩溶和各种空间大小的裂隙，构成了矿区流域孔洞断层带。在沟谷分布影响下的隔水层的岩溶含水层的方向通常是垂直向上的，由于地下水位和可溶岩岩性影响，也存在隔水层分层特点。位于充填带上的岩层，隔水层可充分对岩石进行溶蚀作用，隔水层主要也是起着聚集和输导地下水作用并具有较好输导性能和较大的渗透系数。当溶蚀孔隙发育时，则以水平方向为主。断层带岩溶发育受可溶岩岩性控制，导致裂隙隔水层成为降水的垂直入渗区域，并且具有顺层水平发育的特点。砂系泥岩段隔水层由叠系泥岩、砂质泥岩和L4、L5 灰岩组成，一般厚22m～47m，局部L5 灰岩与L6 灰岩位于同一隔水层。构造运动使岩层破碎地带隔水层高度上升，一旦达到地表高度就会断裂切割岩层，使隔水层构造岩溶透水速度下降。

位于矿区岩层底板L1 至L7 层间的泥灰岩、砂质泥岩、粉砂岩和结构复杂的L8 泥灰岩，厚度区间范围为0.82m～36.93m，平均厚度为9.89m。其中L2 层岩底板中的泥浆岩、砂质泥岩抗压强度为13.185MPa～29.37MPa，垂直抗拉强度0.62993MPa～1.561MPa，平均值为0.9635MPa。据此推算，正常情况下，每米隔水层可抵抗0.098MPa 的水柱压力，若沿着断块岩层的边界继续深入，则断裂带形成孔隙较多的岩溶发育带会导致隔水层透水能力较弱。

2 矿区防治水害措施

2.1 大气降水和地表水害防治措施

针对大气降水和地表水害，如图1 所示，首先要对矿区井筒的位置进行提前规划和安排。需要保证井口及周边建筑高于地面最高洪水位，这样的话即使大气降水量大或者地表渗透能力较差也能确保井口不会被淹没。如果地势条件不允许，井口及周边建筑物的高度无法高于地面最高洪水位时，则必须采取挖通沟渠或修筑水坝等排水措施，以确保不会发生矿区水害。对河流改道也是对大气降水和地表水防治的有效措施[3]。在矿区的上游地段选择合适的地点修建堤坝，起到阻隔截断的作用，再朝其他多个方向进行挖掘引流，将河水彻底改道。

位于山里的矿区降水后流入矿区，导致矿井突水量瞬时增大。由于是山区地段，更要防范可能会发生泥石流或者滑坡等地质灾害。在这种情况下修建排水沟渠是最佳选择，可在矿井地面及周围建筑外修建排水沟，将水排至离矿区距离较远的范围。对于矿区地表已经产生的岩层裂隙和破碎地带等无法隔水的地段，用密度较高的粘土进行填堵并将其压实，以防止积水透过裂隙流进矿井中。在每年雨季到来之前，要对矿区地面塌陷和矿井结构稳定情况进行详细检查，将出现的塌陷和岩层缝隙进行提前填充。

图1 大气降水及地表水害图

2.2 井下水害防治措施

由于矿井内是一个封闭区间，如图2 所示，所以更适合采用物探、钻探、化探等手段，对于岩层底板的含水层承压能力检验过程中，当井内水压大于含水层可承受的压力时，必须采用打孔放水的方式，把井内水压降到可承受范围之内，则极有可能会造成矿区井内突水事故，因此，疏水降压的方式最适合带压开采。当矿区底板岩层的含水层的水量充足且水压较高时，同样需要采用疏水降压方法实现安全开采。一旦出现含水层隔水底板变薄、结构被破坏的地带及断层带，则会加大疏排水费用的成本投入。

当矿井被开采过度，井内含水量较高的岩层变成小窑老空得状态时，井内断层及含水丰富个隔水层可能造成井下突水事故。为了消除这些水害隐患，可适当采取井下探放水的手段[4]。探水方法目前主要分两大类，即物探和钻探。针对不同的矿区井筒，物探和钻探在使用时可以灵活组合。根据两种手段的探测特点，通常由物探先行下井，得出基础信息后，再使用钻探验证结果。当二者配合使用一段时间后，对仪器使用以及矿井地质条件都较为熟悉后，应以物探方式为主，针对极个别重要地段用钻探证实，在保证矿井安全生产的前提下，可以缩短工程周期。

在近些年的矿井开采工作中也被用于井下水害防治措施。注浆堵水的方式有两种，分别为地面打钻注浆和井下打钻注浆。地面打钻注浆适用于地表水渗透量大不易疏排的矿井内。将地表水渗透层进行源头上的拦截，并对下渗路径进行截断，以助于矿采区域的工作顺利进行。对中大型矿井来说，建立完整的矿井防治水害机制是保证煤矿安全生产的必要条件。根据生产经验，在水患威胁较为严重的地段修建隔断闸门，对矿井进行划区开采，利用闸门形成隔离带，也能对发生水害地段进行小范围治理。

图2 井下水害图

3 结束语

本文对当前我国矿区的水文地质条件进行分类分析，以及提出相关水害防治措施。从长远发展角度来看，由于矿区水害的相通性，有时水害防治已经不仅仅是单个煤矿的内部责任，而是矿区所在地方需要共同解决的难题，精准地进行矿区水害防治可以节约资金与人力的投入，实现矿区水文地质条件分类分析以及水害防治工作的和谐发展。主要途径是通过分析矿内水文地质条件，建立区域水害防治体系，适用于更精准的煤矿开采工作以及矿区安全保障得到稳步提高。从而对于全面释放我国煤炭资源、提升煤矿的安全生产能力，具有重要推动作用。