地质构造对岩层富水性的控制作用分析

2020-12-08李龙龙

中国金属通报 2020年12期

李龙龙

（山东能源临矿集团古城煤矿，山东济宁 272000）

我国现代矿产产业开采发展中，水害问题时有发生，不仅给矿井开采企业造成了巨大的经济损失，更对矿井开采人员的生命安全产生了严重威胁。因此，在现代地质工程研究工作发展中，对地质岩层富水性的控制研究已经成为企业工作开展的重要内容。而经过研究发现，地质构造对于岩层富水性有着极为明显的控制作用，不仅关系到了岩层地下水的边界关系、储水程度，更在一定程度上决定了矿井突水通道的性质和突水量大小，并且对矿井水害也有着明显的控制作用。

1 地质构造成因及常见类型

地质构造本身是在地球内、外应力的共同作用下形成的，是地质岩层、掩体结构受位移作用以及变形力的影响下最终形成的地质结构形态。地质构造多分布于层状岩石地带，但是在岩浆岩、变质岩的地质区域内，也会有地质构造的存在。地质构造的主要表现形态包含了岩层褶皱、岩层断裂、岩层劈理以及各种面状或者线状的类型。

地质构造的常见类型根据其生成时间可以分为原生和次生两种。现代地质工程产业研究中，地质次生构造是主要的构造地质学研究对象。而地质原生构造则多用于地下岩层变形情况以及变形方式的判断[1]。而在地质构造类型划分中，根据地质结构形态进行划分，也可以分为水平地质构造、倾斜地质构造以及断裂地质构造和褶皱地质构造。地质构造的规模也会存在较大差异，大型地质构造长度可达上千里，而小型地质构造则可能以毫米、微米计算，观察中需要光学显微镜或者电子显微镜才能看到。

2 岩层富水性的主要影响因素

岩层富水性是指岩层结构所具有地给出水能力，岩层富水性取决于含水层的岩性结构、岩层厚度、地质构造以及补给条件等等。而影响岩层富水性的因素也是包含多个方面的，例如区域地质构造因素、岩性结构因素、岩层空隙特性、裂隙率、储存条件等等[2]。在矿井开采中，通过相应的研究方法，总结了岩层富水性的五个主要影响因素。

第一，平均孔隙度影响因素。岩层富水性主要影响因素就是掩体结构平均孔隙度的发育情况。在矿井开采过程中，常采用岩体孔隙度来对岩层富水性度进行划分，以γ-γ法的入射伽马射线的散射和接收特性，对矿井内的岩层平均空隙度进行核测，并以该核测结果，结合加强平均算法，来计算岩层的平均孔隙度，并根据绘制的等值线图来确定岩层富水性的主要情况。

第二，岩体断层结构密度影响因素。岩体断层结构岩层富水性情况的主要影响因素，在岩体断层的地质结构附近，会形成较为发育的地质构造裂隙，进而形成富水地段。根据对我国矿产资源开采相关数据报告的研究与分析，在地质结构中断裂构造较为发育、断层结构较为密集的矿井区域，发生突水情况的概率更高，并且突水量也更大，给煤矿开采造成严重的不利影响。

第三，冲洗液漏失量影响因素。在矿井开采产业中，矿井砂岩中富水分布极为不均，会受岩体结构裂隙以及空隙发育情况的控制。在矿井地钻进过程中，常会通过对冲洗液消耗量的曲线情况对岩层富水性进行研究，根据矿井开采中的实际情况和冲洗液消耗情况，把矿井钻孔冲洗液漏失量分为五个等级对其进行漏失量等值线图进行分析与研究，以得出岩层富水性情况报告，钻孔冲洗液漏失量的等级划分为0～0.3、0.3～0.6、0.6～0.9、0.9～1.2以及＞1.2（单位：m³/h）等五个等级。

第四，砂岩总厚度影响因素。在地质构造的岩层富水性研究中，岩体构造的砂岩总厚度不仅是影响富水性的先决条件，更和岩层结构水赋存的直接因素。在矿井开采中，常将矿井范围内的砂岩厚度情况作为含水层相对厚度的主要参考因素，并通过对矿井地质岩层结构的山岩厚度分布等值线图，来对岩层富水性进行判定，为矿井开采提供必要安全保障。

第五，取芯率影响因素。在矿井开采过程中，从地质矿层结构的透水性和含水性两个方面进行分析，可以将岩体结构的裂隙情况分为开启性和非开启性，也可以称之为连通性裂隙或者非连通性裂隙，开启性裂隙主要是由矿层富水结构与地表相连通工程构成裂隙或者是由不同裂隙组合交切形成的矿层裂隙地带。开启性裂隙如果与地表水或者浅层含水结构相连通，其富水量必然较为充足，甚至成为地下水流通道，会对矿井造成严重的突水威胁，并且突水量极大。而不开启性裂隙则不会形成涌水通道，相对较为安全。在矿井开采中，常将超过10cm的岩芯长度与钻孔深度的比值作为取芯率，用以对矿井内矿层裂隙情况进行判定，作为矿层富水性判定的主要因素。一般情况下，取芯率低则表示裂隙交切程度较高，为连通性裂隙；相反则表示岩体裂隙非连通性，不会形成涌水通道，给矿井造成严重的安全威胁。

3 矿层富水性对矿井开采的主要危害

首先，矿层富水性对矿井开采造成的安全危害。矿井开采作为高危职业，在实际开采过程中会受多方面因素的影响而增加其风险性。现代矿井产业开采工作开展的首要原则要求就是安全性。但是岩层富水性会在矿井开采中对开采流程产生巨大的安全威胁，一旦矿层富水性过高，存在连通性矿层裂隙，就容易在矿井钻进中导致矿井突水的情况发生，甚至形成涌水通道，不仅会对矿井的整体支撑结构产生影响，更会直接对开采人员的生命财产安全产生严重威胁。并且如果一旦形成涌水通道，就会导致矿井内的水位上升，使矿井存在塌方的安全风险问题，产生更大的开采安全隐患。

其次，矿层富水性对煤矿开采造成的经济损害。矿产企业的主要经济收益来源就是矿产资源开采，是其产业生产工作的核心环节。但是矿产产业作为与地质构造存在直接联系的资源生产型企业，一旦地质构造存在问题，就会对其生产环节产生严重影响。矿层富水性作为地质构造控制下的地质结构问题，其会在矿井开采中对矿产企业造成巨大危害。其一，一旦矿井开采中由于矿层富水性导致突水情况发生，就会由于矿层水体在矿井中的涌入对矿井开采的一些基础结构设施产生影响，造成矿产开采企业的直接经济损失。其二，矿井开采中一旦发生突水情况，就会严重影响矿产企业开采工作的进度情况，导致其开采环节被延误，造成时间成本的损失，对矿产企业的经济利益产生间接威胁。其三，矿井开采过程中发生突水问题时，会给矿井开采人员造成较大的安全威胁，一旦开采工作人员发生安全事故，矿产企业也需要按照相应的补偿标准对发生事故的人员及家属进行赔偿，进一步增加开采成本。其四，一旦矿井开采中发生突水事故，也会对矿产企业的声誉产生影响，给矿产企业造成企业声誉损失。

最后，岩层富水性给矿井开采企业市场发展造成的危害。现代社会经济发展中，矿产资源市场的竞争日趋激烈，不仅面临着严重的国内市场竞争威胁，同时还承受着国际矿产资源市场的冲击。新市场环境背景下，一旦矿产企业的资源开采中受井下矿层富水性影响而发生开采事故，就会对其市场竞争产生严重影响，直接对其市场发展造成危害。同时，由于事故发生导致的矿产资源开采实效下降也会导致矿产企业无法按时向采购方输送矿产资源，进一步对企业的运营以及市场核心竞争力产生影响，会矿产企业发展造成严重威胁。

4 地质构造对矿层富水性的控制作用

以我国某矿区为例，矿区口包含了四个矿区，矿区域的地质构造特征按照由新到老的顺序依次分为第四系、新近系、箍筋西、三叠系、二叠系、石炭系、寒武系和太古界。该矿区的主要采煤区域位于二叠系地层结构之中层，地质构造包含了新生界松散层、基岩含水层/基岩隔水层等等。在该矿区的地质结构对矿层富水性的控制作用中，主要包含了控制含水层矿层倾向、矿层露头情况、水文边界形式、矿体裂隙发育程度等直接控制作用；也包括了地质构造的古地貌形态而控制的上覆松散层沉积情况、松散层与基岩水力联系的间接控制作用。

首先，地质构造对矿层富水性的直接控制作用。

其一，矿体结构含水层储水空间的改善控制。在上述矿区的地质构造中，涉及到了寒武系灰岩、太原组灰岩共同构成的二叠系砂岩，都是由古生代沉积而形成的，并且通过地质调查研究，地质构造在古生代时期经历过两次较为严重的地质运动，对其矿层富水性产生了巨大的改造作用，不仅使其产生了较大的地质褶皱，也使该区域地质背斜轴部的寒武系灰岩暴露出来。经过地质结构运动的强烈挤压，是该矿区的地质构造中的含水层被结构断层切割，形成了条带状、阶梯状的岩体含水层，改善了地下水的径流条件，地质构造中大量小断层以及矿体裂隙的存在，使该矿区的矿层储水空间被拓展，对矿层富水性产生了增强作用。

其二，地质构造对矿体含水层富水性差异的控制作用。由于案例矿区的区域位于正处于陈桥背斜南翼和谢桥向斜北翼中间位置，受背斜存在的现实影响，导致其太原组地层由北部背斜轴部位置在自然界的风化作用下逐渐露出，使矿区新生界松散层发生沉积以前，灰岩层得到了大量地表水以及降水的补给，大大提升了该矿区区域矿体富水性。并且矿体的流动水顺层流动作用的影响下，逐渐向着位于矿区南侧位置的谢桥向斜轴部位置而汇流，使矿区南部地质构造更深层次的岩层富水性得以补充，大大提升了矿区地下构造的岩层富水性。这就与地质构造控制煤田太原组灰岩的富水性差异产生的控制肌理一样，实现了矿区矿体地层砂岩富水性差异的控制。

其次，地质构造对矿层富水性的间接控制作用。

其一，地质构造对松散层含水层沉积特征的控制作用。在上述矿区区域的地质构造变化中，新生界松散层的沉积特征受到了古地形运动的影响，并且在古地形的运动过程中，受地质构造自身带来的地质控制，对其矿层富水性就产生了一定影响。在该矿区现阶段地质构造特征的影响下，再加上后期的风化作用影响而导致的矿体侵蚀，使矿区区域构造特征控制了东南高、西北低的古地貌构造特征，地质构造上覆新生界松散层特征体现为西北厚、东南薄的特点，与矿层富水性产生了密切关联。因此，地质构造对矿层富水性产生了间接的控制作用。

其二，地质构造控制松散层含水层与基岩含水层形成水力联系的控制作用。该矿区项目的地质构造中，底部基岩与地质结构的各矿层之间整体呈现为南倾斜构造特征，这就导致了松散层底部含水层与基岩含水层之间就产生了密切接触，然后在通过风氧化带形成了两者之间的沟通联系，产生了两者之间的富水性补给作用。同时，在研究区域北部地区的地层基岩露出位置受埋深影响而逐渐变大，基岩位置越靠北，松散层底部的富水性也更强，水位也更高，基岩的补水能力也越强。这也是地质构造对矿层富水性的间接控制作用的重要体现。