矿山水文地质结构及其采动响应分析

2020-10-13杨林春

建材与装饰 2020年28期

杨林春

（中国冶金地质总局三局，山西太原 030002）

通过研究水文地质结构概念基础，发现我国煤矿的宏观地质背景和最近几年的矿井水害日益增重，为了进一步找寻导致其增重的因素，从而深入考虑其水源和通道以及采掘活动等致害起源。因此，对矿山水文地质结构的采动响应进行深入探究，研究采动活动时，对水文地质结构产生破坏的机制和水害防控。

1 矿山水文地质结构

1.1 矿山水文地质结构概念

通过深入了解矿山水文地质系统的过程，发现水文的地质系统定义通常是为：不同等级、不同类型等水文地质综合体，矿山地下水体相互结合而构成的。相对于周围较高的水来说，水力的梯度界面是有所限定的，其能量能够不断进行更新，在逐步的新陈代谢的过程中形成有机整体。水文地质单元系统构造主要是由地下水补给、排泄边界、隔水边界等构成的完整地下水循环系统或蓄水构造，而水文地质结构即是水文地质单元内含水层（组）和隔水层（组）及水文地质边界等之间的组合和补给及排泄关系，充分彰显了自然状态下的水文地质单元立体组合特征。矿山水文地质具体的结构主要是指：采煤层、含水层、隔水层以及各种充水水源等空间位置和组合之间形成的关系，对于矿山水文地质结构，需要深入探究其综合体现在矿井水文地质存在的条件差异，进而明确开采煤层和充水水源等相应的关系。矿山水文结构基础发展需要通过岩体的物理学性质和结构以及地下渗水流畅等为发展基础。相同的矿区在同一个水文地质单元内可能发生跨越不同水文地质单元情况，因此，需要从平面延伸和剖面分布方面分析矿山水文地质的结构，同时，需要有效的将采掘活动，作为水文地质结构的影响因素进行深入考量。

1.2 矿井水害类型划分

矿井水害类型划分主要是通过结合开采煤层和充水水源的相应空间位置关系进而展开划分思路，同时，将水害的类型分别划分为大气降水水害、地表水水害、顶板水害、底板水害等一系列类型水害，并把以往典型的老空水害问题和近几年来呈现的新水害情况，进行针对性的划分。

1.3 基于矿山水文地质结构的水害特征

上述案例中，大气降水水害，主要是指大气降水作为矿井唯一的直接充水水源渠道，进而导致了矿井水害和降水具备的强度在同一时间内发生了同步上升，进而导致了严重的水害。但是站在矿山水文地质多重角度上看待其结构问题，大气进水水害的主要防治途径，必须要从隔绝大气降水和开采而导致导水裂隙带发生或者是地面裂缝等形成的水害。因此，在雨季的地面发生裂缝或者是封堵时，需要及时进行改道等，进行有效预防。

2 矿山水文地质结构的采动响应存在的问题

2.1 煤层顶底板处的变形

矿山水文地质结构的采动响应主要呈现于矿山水层和隔水层等采掘活动中，进行采掘的过程中，其水文地质特征会因实际活动情况发生相应变化。开展活动时，通常会出现以下方面影响和破坏：对矿山进行采掘的过程中其岩土体会发生变形破坏，岩土体破坏主要包括顶板和底板岩土层的变形，同时，影响地下水的渗流状态，导致地下水发生动态变化，甚至会引发水害事故，进而将采掘人员的人身安全置于危险之中，同时，煤层的顶底板处的变形破坏，导致其发生了弯曲变化和脆性变化，随着时间的推移，其会发生松动破裂和变形，以上讲述的这些在采掘过程中发生的效应，都对矿山采掘有密切的关系[1]。

2.2 底板采动响应及水害

目前，我国诸多煤矿都受到了底板高承压石灰含水层的相应威胁，比如XX 煤田的基地相应的石灰岩（厚200～800im）和XXX煤田的茅口灰岩（厚100～200im）等等，以上煤田在通过采掘活动后，因为采掘的深度较大水压增大，而受到高水压和高地应力等相应的威胁，进而导致在开采煤层的过程中对岩体的应力和岩体的形态发生相应的演变[2]。我国著名教授曾划分的水文地质结构的采动相应为完善的结构底板，其无任何断裂和破坏构造情况，由此可见著名教授在进行划分煤层开采时注重底板深度和承压程度。因此，在进行煤层开采的过程中，相关人员需要注重矿井突水和矿井涌水量等重要因素[3]。比如，在XX 矿发生的含水层突水事故中，明显可以看出，附近的水文孔水位下降了15.50cm，随之，发生严重的底板突水，进而导致发生严重的事故。所以，需要注重关注进行采动前后的矿山水文地质结构，一旦发现底板变形和岩层深度破坏等情况时，应立即停止工作，避免发生安全事故[4]。由此可见，划分矿山水文地质相应的重要性。划分的结果不同直接制约着水文地质的底板突水情况的不同[5]，如图1 所示。

图1 地表沉降

3 水文地质结构研究在水害防控中的意义

基于煤矿采动响应背景下，明确水文地质结构的水害产生的机制：不同的水文地质结构则需要采用不同的防控技术，在进行矿井水害防控事故中需要注重考虑保护和利用水文地质结构，进一步实施阻水结构和支撑结构，同时需要充分完善水文地质结构，必要时借助地质工程有利的手段，进行增强隔水结构的性能，根据实际情况需求可以进行再造隔水结构[6]。

（1）含水层改造及隔水层加固，水害防治中可以采取天然阻水结构方式，其结构在水文地质中能够有效的起到隔水作用，在实际煤层工程中，阻水结构的相应空间位置和阻水性能以及稳定性都是在灾害预防中需要注重考虑的重要环节，所以，相关人员应该对含水层和隔水层进行有效改造加固[7]。

（2）保护和利用有效的水文地质结构，在矿井中设置的各类安全煤柱主要是为了有效预防在进行煤层开采过程中缩小破坏范围，在设计安全煤柱的背景下，充分减少了地下水和地表水以及水砂涌入等现象。比如，在水体下进行开采，煤柱的留设此时会充分发挥其作用，充分的发挥了自身的效能有效起到防水防砂及防塌陷等等。因此，进行开采煤层时，相关人员需要注重结合水文地质结构，充分考虑其结构的发育和含水层等事项[8]。

（3）按照相关合理技术，改变地下渗水流的状态，起到良好的作用——巷道阻水结构。比如，防水闸门和水闸墙等相关设计和布置，都能够在水害发生过程中有效的减轻灾情的影响，缩小水害因素造成的影响范围，在最短的时间内控制住水灾害。显而易见，地下防渗墙在水灾害发生时发挥的充分作用，其在彻底截断地下渗流的同时有效疏放水工程含水层中的含水量，从本质上解决并减少水体对岩土体的作用。上述方式，是目前对于矿山水文地质结构预防发生水灾害的有效措施之一。