【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 其 主 要 排 泄 方 式 。 它 們 的 水 位 呈 明 顯 下降 趨 勢(shì) ， 改 變 了 以 自 然 逕 流 排 泄 為 主 的 狀 態(tài) ， 根 據(jù) 礦 井 不 同 含 水 層 突 水 點(diǎn) 的 水 量 動(dòng)態(tài) 和 水 質(zhì) 特 征 和 穩(wěn) 定 同 位 素 分 析 ， 大 氣 降 水 通 過 露 頭 區(qū) 大 面 積 入 滲 仍 然 是 二 1煤層 頂 板 碎 屑 巖 類 水 和 底 板 灰 巖 巖 溶 水 的 主 要 補(bǔ) 給 源 ， 在 淺 部 的 部 分 采 動(dòng) 塌 陷 裂 隙 區(qū)二 1煤 層 頂 板 碎 屑 巖 類 含 水 層 也 接 受 地 表 徑 流 滲 入 補(bǔ) 給 。第 5 節(jié) 地 下 水 動(dòng) 態(tài) 特 征 對(duì) 地 下 水 進(jìn) 行 動(dòng) 態(tài) 監(jiān) 測(cè) 和 動(dòng) 態(tài) 特 征 的 分 析 是 礦 井 防 治 水 工 作 的 重 要 方 面 ， 它有 助 于 我 們 掌 握 井 田 所 在 區(qū) 段 地 下 水 運(yùn) 移 規(guī) 律 ， 分 析 各 含 水 層 之 間 是 否 存 在 水 力 聯(lián)系 ， 尤 其 是 對(duì) 分 析 含 水 層 與 礦 井 之 間 是 否 有 充 水 關(guān) 系 有 著 重 要 的 意 義 。 本 區(qū) 地 下 水觀 測(cè) 網(wǎng) 絡(luò) 尚 未 建 立 ， 12 / 39第 三 章 礦 井 充 水 條 件礦井水害情況的統(tǒng)計(jì)分析礦井充水水源及其特征一般情況下，礦井的充水水源主要包括大氣降水、地表水、地下水和老空積水。從嚴(yán)格意義上講，大氣降水是一切礦井充水的最終水源，因?yàn)闊o論是地表水或地下水都直接或間接地來自于大氣降水的補(bǔ)給。但這里所指的是大氣降水本身成為礦坑充水的直接或唯一的充水水源。以大氣降水作為主要充水水源的礦坑涌水量及其涌水特點(diǎn)與當(dāng)?shù)氐哪杲邓兓^程和降水強(qiáng)度具有明顯的相關(guān)關(guān)系，其主要涌水特點(diǎn)是礦坑涌水的動(dòng)態(tài)與當(dāng)?shù)亟邓畡?dòng)態(tài)相一致，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化和多年周期性變化，這主要是因?yàn)槲覈蟛糠值貐^(qū)受季風(fēng)氣候的影響，大氣降水的年分布具有季節(jié)性，多年變化具有周期的特點(diǎn)所決定的。地下水：由于大多數(shù)采礦活動(dòng)都發(fā)生在地表面以下，所以，地下水往往是造成礦山充水的最主要水源。地下水作為礦坑充水水源時(shí)，可依其與煤層的相互位置關(guān)系及其充水特點(diǎn)分為間接式充水水源、直接式充水水源和自身充水水源三種最基本形式：所謂間接充水水源是指充水含水層主要分布于煤層的間接頂板或底板，但和煤層并未直接接觸的充水水源，常見的間接充水水源含水層有間接頂板含水層、間接底板含水層、間接側(cè)邦含水層或它們之間的某種組合。應(yīng)該指出間接充水水源的水只有通過某種導(dǎo)水構(gòu)造穿過隔水圍巖進(jìn)入礦井后才能使其作為充水水源的事實(shí)得以實(shí)現(xiàn)。所謂直接充水水源是指含水層與煤層直接接觸或礦山生產(chǎn)與建設(shè)直接揭露含水層而導(dǎo)致含水層水進(jìn)入礦井的充水含水層。常見的直接充水水源含水層有煤層直接頂板含水層、直接底板含水層。直接含水層中的地下水并不需要專門的導(dǎo)水構(gòu)造導(dǎo)通，只要采礦工程進(jìn)行，其必然會(huì)通過開挖或采空面直接進(jìn)入礦坑。所謂自身充水水源主要是指煤層本身就是含水層。一旦對(duì)煤層進(jìn)行開發(fā)，賦存于其中的地下水或通過某種形式補(bǔ)給煤層的水就會(huì)涌入礦坑形成充水，該類型礦坑在我 13 / 39國并不多見，但在國外許多礦井中經(jīng)常遇到。以地下水作為主要充水水源的礦坑充水有如下規(guī)律和基本特點(diǎn)：礦井充水的強(qiáng)度與充水含水層的空隙性及其富水程度有密切關(guān)系，不同的巖性決定著不同巖體中的空隙發(fā)育特征，按空隙性質(zhì)可把地下水水源分為孔隙水，裂隙水和巖溶水三種基本形式。一般地說，受裂隙水充水的礦床，其充水強(qiáng)度小于受孔隙水和巖溶水充水礦床，而受卵礫石層潛水和強(qiáng)巖溶含水層水充水的礦床，多成為大水礦床。巖溶水突水時(shí)，一般水量大、來勢(shì)猛、不易疏干，會(huì)給礦井帶來巨大災(zāi)害。而砂巖裂隙水充水時(shí)，主要以淋水、滲水為主、突水的瞬間沖擊力不大，不會(huì)給礦井帶來災(zāi)難。礦井充水特點(diǎn)與充水量變化規(guī)律與充水含水層中地下水的性質(zhì)及其水量有關(guān)：流入礦井的水往往包含兩個(gè)性質(zhì)完全不同的組成部分：一部分在礦床水文地質(zhì)學(xué)中稱為靜貯量，指充水含水層中貯存的水的體積，這部分水量大小及其對(duì)礦井充水的能力主要取決于含水層厚度，分布規(guī)模、空隙性質(zhì)以及貯存水的給出能力。另一部分在礦床水文地質(zhì)中稱為動(dòng)儲(chǔ)量，指含水層中獲得的補(bǔ)給水量，該部分水量是以一定的補(bǔ)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(jìn)行著水交替。若充水含水層中的水以靜貯量為主，則礦坑涌水的特點(diǎn)是：初期礦坑涌水量較大，隨著排水時(shí)間的延續(xù)，礦井涌水會(huì)逐漸減少。該類礦床易于疏干；若礦坑充水含水層以動(dòng)貯量為主，則礦坑涌水量相對(duì)比較穩(wěn)定，礦坑涌水量的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)往往會(huì)受充水含水層補(bǔ)給量的動(dòng)態(tài)變化的影響。該類型充水水源水不易疏干。老窯積水主要是指礦床體開采結(jié)束后，封存于采礦空間的地下水，近年來由于小煤窯開采和關(guān)閉礦井的迅速增加，許多正在生產(chǎn)的礦井周邊及鄰近往往分布有很多廢棄和關(guān)閉的小煤窯或礦井，而這些礦井由于排水停止而成為地下的積水空間，并積存了大量的地下水，這些水體通過某種途徑一旦進(jìn)入生產(chǎn)礦井，便形成了老窯積水充水水源，特別是一些非法開采的小煤窯由于缺乏合理的設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確的測(cè)量資料，其井下巷道的分布特征往往不清楚，很容易和生產(chǎn)礦井構(gòu)通形成水害。傳統(tǒng)意義上的老窯積水一般為封存的“死水” ，屬靜貯量，但具有一定的靜水壓力， 14 / 39所以其充水特點(diǎn)是突發(fā)性強(qiáng)，來勢(shì)猛，持續(xù)時(shí)間短，有害氣體含量高，對(duì)人身和設(shè)備的傷害較大。但對(duì)于近年來頻繁發(fā)生的小煤窯和相鄰廢棄礦井突水，除了具有上述特征外，由于廢棄礦井或小煤窯往往與地表水或某種地下含水層水勾通并接受補(bǔ)給，所以一旦發(fā)生突水，也可持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，并且很難疏干。根據(jù)礦井充水水源的基本類型和告成礦基本水文地質(zhì)條件分析，可以得到如下認(rèn)識(shí)：XXX 礦的主要充水含水層為頂板相對(duì)較厚且分布穩(wěn)定的碎屑巖及砂巖孔隙裂隙間接頂板( 有些區(qū)域可視為直接充水含水層)充水含水層、二 1 煤層底板 L78 薄層灰?guī)r巖溶裂隙直接含水層和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙間接充水含水層。大氣降水作為各個(gè)充水含水層的最終補(bǔ)給水源，但其對(duì)不同含水層的補(bǔ)給速度和補(bǔ)給量不同，根據(jù)對(duì)多種信息的綜合分析可以發(fā)現(xiàn)大氣降水對(duì)各個(gè)含水層的補(bǔ)給速度快慢和補(bǔ)給強(qiáng)度特點(diǎn)是頂板碎屑巖砂巖得到補(bǔ)給的速度最快和補(bǔ)給強(qiáng)度最大，奧陶系灰?guī)r其次，L 78 薄層灰?guī)r最差。大氣降水對(duì)各個(gè)含水層的補(bǔ)給由于受含水層滲透性能的影響，補(bǔ)給方式以緩慢滲入式為主，補(bǔ)給的水量要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的滲流才能進(jìn)入礦井。所以短時(shí)間的集中降水不會(huì)造成礦井涌水量的明顯增加。同樣，大氣降水也構(gòu)不成礦井的直接充水水源。各充水含水層的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量不夠充分，礦井充水在短時(shí)間內(nèi)主要以靜儲(chǔ)量疏干為主，所以一旦發(fā)生突水，突水量往往會(huì)在短時(shí)間內(nèi)很快減少，單點(diǎn)突水量的大小主要取決于突水裂隙的空間延展度和與其它裂隙的網(wǎng)絡(luò)連通條件。根據(jù)目前資料分析，二 1煤直接頂板逆推斷層碎屑巖具有匯集其上覆砂巖下滲水并導(dǎo)入礦井的作用。各含水層的富水性由于受循環(huán)條件和補(bǔ)給條件的限制，隨著埋深的增加，補(bǔ)給條件變差，富水性變?nèi)酢５@種減弱速度在頂板隨屑巖砂巖和底板 L78 灰?guī)r中表現(xiàn)的更為明顯。在礦區(qū)淺部地區(qū)，分布有多個(gè)小煤窯，要高度重視這些小煤窯的開采狀況和積水情況。小煤窯的積水有可能形成礦井的隱患突水水源。 15 / 39礦井充水途徑及其特征礦坑充水途徑是指連接充水水源與礦井之間的流水通道，它是礦井充水因素中最關(guān)鍵，也是最難以準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)的因素，大多數(shù)礦井突水災(zāi)害正是由于對(duì)礦井充水途徑（導(dǎo)水通道）認(rèn)識(shí)不清所致。礦坑充水的導(dǎo)水通道按其成因不同可分為：（1） 構(gòu)造類導(dǎo)水通道：如斷層、裂隙等；（2） 采礦擾動(dòng)類導(dǎo)水通道：如頂板冒落、底板破裂、煤柱擊穿等；（3） 人類工程類導(dǎo)水通道：如封閉不良鉆孔、小煤窯等；（4） 其它：如陷落柱、巖溶塌洞等。按導(dǎo)水通道的形態(tài)可分為：（1） 點(diǎn)狀導(dǎo)水通道：如陷落柱、封閉不良鉆孔、巖溶塌洞等。（2） 線狀導(dǎo)水通道：如斷層帶或斷裂破碎帶等。（3） 面狀導(dǎo)水通道：如發(fā)育于頂、底板巖層的各類裂隙等。不同成因、不同類型的導(dǎo)水通道所誘發(fā)的礦井充水形式各不相同。常見的導(dǎo)水通道及其相應(yīng)的充水特征有：構(gòu)造斷裂：由構(gòu)造斷裂形成的斷層破碎帶，往往具有較好的透水性，會(huì)形成礦坑充水的良好通道。對(duì)于一些巨大的斷裂，由于斷層兩盤的牽引裂隙廣泛發(fā)育，該類斷層（斷層帶）除了具有導(dǎo)水性質(zhì)外，其斷裂帶本身就是一個(gè)含水體，因而還具有充水水源的性質(zhì)。由于斷層面或斷層牽引的裂隙帶導(dǎo)水而引發(fā)的礦井突水災(zāi)害在礦井突水事故中占有絕對(duì)主導(dǎo)的位置。但并不是所有斷層都可形成導(dǎo)水通道，構(gòu)造斷裂的水文地質(zhì)性質(zhì)與其斷裂的力學(xué)性質(zhì)及其兩盤巖性有著密切的關(guān)系，一般認(rèn)為張性斷裂的透水性較強(qiáng)，壓性斷裂的透水性較弱，扭性斷裂的透水性則介于與二者之間。實(shí)際上，斷層的導(dǎo)、貯性要遠(yuǎn)比上述規(guī)律復(fù)雜的多，它不僅要受斷層力學(xué)性質(zhì)和巖性的影響，而且會(huì)受到斷層面所受的應(yīng)力狀態(tài)、斷層活動(dòng)次數(shù)和序次、斷層帶膠結(jié)物性質(zhì)與膠結(jié)程度等多種因素的影響。根據(jù)大量資料和斷層導(dǎo)突水事例統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，斷層的導(dǎo)水 16 / 39性受到兩盤巖性的直接影響。一般來說，斷層帶的透水性與其兩盤巖石的透水性具有一致性。當(dāng)斷層兩盤為脆性可溶巖石時(shí)（如石灰?guī)r、白云巖） ，斷裂及其影響帶裂隙、巖溶發(fā)育，具有良好的透水性；當(dāng)斷裂兩盤為脆性但不可溶巖石時(shí)（如石英巖、石炭砂巖） ，斷層兩側(cè)往往發(fā)育有張開性較好的牽引裂隙，具有較好的透水性；當(dāng)斷層兩盤為柔性巖石（如泥巖、頁巖）時(shí)，斷層破碎帶多被低滲透性的泥質(zhì)成份充填，孔隙、裂隙率低，斷層面閉合，一般不導(dǎo)水或?qū)詷O弱。在分析斷層的導(dǎo)水性時(shí)，應(yīng)特別注意不要輕意將某條斷層簡(jiǎn)單地劃為導(dǎo)水?dāng)鄬?、隔水?dāng)鄬踊蛸A水?dāng)鄬?，而?yīng)充分注意斷層的水文地質(zhì)性質(zhì)具有方向性和局部性。即一條斷層可以在某一方向?qū)诹硪环较蛏细羲?，或同一斷層的某一部位?dǎo)水，而在另一部位隔水。有些斷層在初次揭露時(shí)隔水，但隨采礦擾動(dòng)可能發(fā)生滯后導(dǎo)水。所以，在研究和探測(cè)斷層的水文地質(zhì)性質(zhì)時(shí)，一定要將其視為一個(gè)在不同部分具有不同巖性對(duì)接關(guān)系，不同部位具有不同應(yīng)力狀態(tài)，不同部位具有不同水理性質(zhì)的復(fù)雜面狀地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，進(jìn)行整體分析和分區(qū)評(píng)價(jià)，而不應(yīng)以一點(diǎn)之見資料就對(duì)整條斷層做出評(píng)價(jià)。頂板冒落：采煤工作面回采后頂板冒落所形成的垮塌，裂隙屬典型的采礦擾動(dòng)類導(dǎo)水通道。礦床開發(fā)開采以后，由于在地下形成采空空間，如果沒有專門頂板管理技術(shù)，則必然造成采空區(qū)上方巖層的變形、移動(dòng)、破壞，甚至形成開裂、離層或碎塊狀垮塌。采空區(qū)頂板巖層的破壞變形形態(tài)與規(guī)律會(huì)受到采空空間幾何結(jié)構(gòu)，頂板巖性及其組合，礦床產(chǎn)狀及采礦方法，巖石應(yīng)力環(huán)境及其受力狀態(tài)等多種因素的控制，不同條件的組合會(huì)產(chǎn)生完全不同的頂板巖石變形破壞特征，但就一般規(guī)律而言，采空區(qū)上方可劃分出三個(gè)不同性質(zhì)的破壞和變形影響帶。（1）冒落帶：指采煤工作面放頂后引起的直接頂板垮落破壞范圍，根據(jù)冒落塊的破壞程度和堆積狀況，可分為規(guī)則冒落帶和不規(guī)則雜亂冒落帶，如果冒落帶高度達(dá)到上覆含水層，則往往引起頂板水的突發(fā)性突入，當(dāng)上覆含水層為第四紀(jì)松散沉積含水層時(shí)，不但會(huì)形成突水，還會(huì)引起潰砂和地面塌陷等災(zāi)害。 17 / 39（2）導(dǎo)水裂隙帶：指冒落帶以上大量出現(xiàn)的切層、離層和裂隙發(fā)育帶。該帶一般由下而上，其裂隙和離層程度由強(qiáng)變?nèi)?。但?dāng)頂板巖性及其組合變化比較復(fù)雜時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)不均勻發(fā)育的特點(diǎn)，總之，該層不一定具備透砂能力，但一般具有較強(qiáng)的導(dǎo)水能力。（1） 整體移動(dòng)帶：指導(dǎo)水裂隙帶以上至地表的整個(gè)范圍內(nèi)，巖體發(fā)生的整體變形和沉降移動(dòng)區(qū)。該帶主要特點(diǎn)是巖層的整體變形和移動(dòng)，而其裂隙化程度較弱，所以一般不具備導(dǎo)水能力。從礦床水文地質(zhì)角度來看，可以把工作面頂板簡(jiǎn)單地劃為兩帶，即垮落裂隙帶（冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶之和）和整體移動(dòng)帶，對(duì)礦井突水有意義的主要是垮落裂隙帶。當(dāng)頂板裂隙構(gòu)通工作面或巷道上覆含水層時(shí)，礦坑突水則不可避免。 底板破壞：當(dāng)煤層底板隔水層之下賦存有高承壓水時(shí)，在煤層未開采前，水巖處于一定的力學(xué)平衡狀態(tài)之下，一旦礦體被開發(fā)在隔水層之上形成臨空邊界并產(chǎn)生應(yīng)力釋放后，在礦壓和水壓的作用下，隔水底板巖層必然受到不同程度的破壞，形成新的破裂面或使原有的閉合裂隙活化。一旦這種破裂面或裂隙構(gòu)通底板承壓含水層水時(shí)，必然導(dǎo)致底板之下承壓含水層水涌入礦井。這種因巷道掘進(jìn)或礦床開發(fā)擾動(dòng)其底板隔水層使其形成的導(dǎo)水通道稱之為底板破壞式導(dǎo)水通道。我國是世界上煤礦水害最嚴(yán)重的國家之一，而采煤工作面或巷道底板隔水層之下巖溶承壓水突水事故占我國煤礦總突水事故的 30%以上，這主要是因?yàn)槲覈竺娣e分布的華北石炭二疊系煤層底板之下普遍發(fā)育有山西組、太原組薄層灰?guī)r承壓含水層和深部的奧陶系巨厚層灰?guī)r富水含水層，含水層的富水性是發(fā)生底板突水的內(nèi)在因素，它決定著突水水量的大小及突水量的動(dòng)態(tài)變化特征，水壓力的存在是驅(qū)動(dòng)含水層水流入礦坑的動(dòng)力，而底板破壞所形成的破裂則是地下水得以流動(dòng)的通路和咽喉，只有當(dāng)三者同時(shí)存在并達(dá)到某種特殊組合時(shí)，才能發(fā)生底板突水。封閉不良鉆孔：封閉不良鉆孔是典型的由于人類活動(dòng)所留下的點(diǎn)狀垂向?qū)ǖ?，該類?dǎo)水通道的隱蔽性強(qiáng)，垂向?qū)畷惩?，不僅會(huì)使垂向上不同層位的含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系，而且當(dāng)井下采礦活動(dòng)揭露或接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性的突水事故。由于封 18 / 39閉不良鉆孔在垂向上串通了多個(gè)含水層，所以一旦發(fā)生該類導(dǎo)水通道的突水事故，不僅突水初期水量大，而且還會(huì)有比較穩(wěn)定的補(bǔ)給量。所以在進(jìn)行礦井設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，必須查清井巷揭露區(qū)或其附近地區(qū)各種鉆孔的技術(shù)參數(shù)及其封孔