付成祥

（开滦（集团）有限责任公司 唐山矿业分公司，河北 唐山 063000）

水害是影响矿井安全生产的主要灾害之一，严重威胁着矿工的生命安全和造成国家经济损失。为了减少矿井水害事故的发生，前人对地表水、顶板离层水、底板水、老空水和冲积层水等常见的水害类型进行了分析总结，取得了一定的研究成果[1-3]。然而矿井水害具有复杂性、地域性和多样性等特点，需要结合具体的矿井地质及水文地质条件、总结前期的发生水害特点和采取有针对性的防治水措施，才能更有效地达到水害防治的目的。为此，以开滦唐山矿作为研究对象，通过分析其水文地质条件和历次突水特点，总结出唐山矿水害发育规律和特征，有针对性地提出矿井水害防治措施。

1 矿井概况

开滦唐山矿始建于1878年，至今已有140年余的开采历史，因为矿井特殊的地质及水文地质条件[4]，导致建井和生产过程中多次发生水害。矿井主采煤层为5、8、9、12-1煤层，开采煤层顶板上覆第四系冲积层含水层，开采层段区间含有砂岩裂隙含水层以及煤层采空后形成的老空积水区，煤系基底下伏奥陶系岩溶强含水层，加上矿井相对复杂的地质构造[5-6]，使该矿矿井水文地质条件变得复杂。

矿区内及其周边发育有青龙河和陡河2条河流，陡河流经井田边界以外的东侧，青龙河流经该矿井田西部。矿区地表范围内分布有8个地表塌陷积水坑[7-8]，积水坑总积水面积为4.2 km2。矿区自上而下划分为7个含水层，分别是第四系冲积层含水层（Ⅶ）、基岩面-A层铝质泥岩含水层（Ⅵ）、A层铝土质泥岩-5煤层含水层（Ⅴ）、5-12煤层间含水层（Ⅳ）、12-14煤层间含水层（Ⅲ）、14煤层-G层铝土质泥岩含水层（Ⅱ）、奥陶系石灰岩含水层（Ⅰ）。其中Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ含水层为直接充水含水层。

矿井各含水层之间在井田内部存在稳定的隔水层，但在井田边界处存在水力联系，地下水在此处存在越流补给，然后沿层间流动，最终以矿井排水方式排泄。

2 矿井充水条件

2.1 矿井充水水源

矿井充水水源主要有大气降水、地表水、煤系地层含水层水、采空积水以及奥灰水。其中裂隙（岩溶）水和老空水为目前主要充水来源。

Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ主要充水含水层中尤为Ⅴ含水层对矿井充水贡献最大，该含水层在岳胥区西南翼直接与冲积层底部接触，接受冲积含水层补给，不仅静储量丰富，而且补给充沛，一旦揭露不易疏干[9-10]；Ⅲ含水层静储量丰富，动水补给甚微，一般出水后3～5年内被疏干。Ⅰ含水层、Ⅱ含水层、Ⅵ含水层和Ⅶ含水层为间接充水含水层。

矿井经多年开采，部分采空区存在积水，积水量247～271 544 m3。井田内刘庄、增盛2座小煤矿闭坑后采空积水通过不同途径向下渗透进入唐山矿6水平巷道，再通过唐山矿老采空区，其与老采空区水混合，在8水平或者9水平巷道涌出[11]。

2.2 矿井充水通道

矿井充水通道主要有断裂构造破碎带、导水断裂带、封闭不良钻孔以及废弃巷道等，其中断裂构造破碎带和导水断裂带为主要充水通道。

井田内大型断层均不导水，但断层两侧出现淋水带，水量不大，一般数日之后即疏干。井田内小型断层比较发育，在采掘时不含水也不导水，但断层附近围岩受采掘活动影响，裂隙增大，会出现少量滴、淋水现象[12]。T1451运输巷掘至237 m处遇到1个既不含水也不导水的小型陷落柱[13]。

导水断裂带是矿井涌水的主要通道，具有较强的导水性。现阶段回采产生的导水断裂带主要导通上部5煤层顶板，5煤层厚度越大，导水断裂带高度越大[14]。5煤层导水断裂带高度为46.42 m，形态为两边高中间低的“马鞍型”，裂采比为15.6；9煤层导水断裂带高度为127.16 m，导水断裂带形态为两边高中间低的“马鞍型”，裂采比为12.0。9煤层开采后导水断裂带与5煤层沟通。

2.3 矿井充水强度

1904年开始随着采掘面积不断扩大，涌水量从5.0 m3/min增大到1920年30.0 m3/min，之后采掘强度和采掘面积基本稳定，涌水量呈下降趋势，到1957年20.0 m3/min；1960年随采掘强度和采掘面积增大涌水量回升到25.0 m3/min；1968—1970年，不仅采掘强度和采掘面积增大，而且水平延伸含水层富水性增强，涌水量一度达到35.0 m3/min左右；之后40多年来，涌水量基本稳定并呈下降趋势，近年来涌水量稳定在23.0 m3/min左右，1969、1976年矿井涌水出现2个峰值，与渤海地震、唐山大地震有关。1980年以前开采8、9、12煤层，之后停止了在9水平17道半石门区域的生产活动，巷道各石门涌水量基本稳定。

从2008年5月因井田内2个地方煤矿关闭排水等原因，唐山矿9水平涌水量由2.33 m3/min涨到10.0 m3/min，到目前基本稳定在7.5 m3/min。2009—2020年间矿井涌水量基本稳定在23 m3/min。

3 矿井水害事件统计分析及水害特征

3.1 建矿以来历次水害事件统计

1）历次冲积层透水事件。冲积层透水事件主要发生在1924—1961年，矿井第四系冲积层透水或突水事件共5次，唐山矿历次基岩裂隙（岩溶）水及老空水突水事件统计表见表1。其中，建国后仅1次（1961年），为老生产区急倾斜煤层开采抽冒导致。

表1 唐山矿历次基岩裂隙（岩溶）水及老空水突水事件统计表Table 1 Statistics of previous bedrock fissure（karst）water and goaf water inrush events in Tangshan Mine

2）历次基岩裂隙（岩溶）水及老空水突水事件。矿井至今共发生基岩裂隙（岩溶）水及老空水突水事件15次，均为1949年建国后发生。

3.2 水害事件分析及概率判别

3.2.1 时间序列

1957—2020年矿井突水频率统计，自1957—1990年矿井突水频率相对较低，自1990—2005年矿井突水急剧增多，2005年之后开始，突水频率呈下降趋势，总突水频次降低。自2018年以后至今未发生突水事故。

矿井开采初期，由于开采较浅而接近第四系，生产技术落后，防范煤层上覆冲积层溃水措施不到位，再加上矿井防治水意识淡薄等因素，冲积层透水事件频发。此后，在汲取多次水害事故的经验教训，加强了对煤层顶板水害的防治，至今再未发生相关冲积层透水事件。

1990年以前矿井产能稳定，突水频率较低，1990年之后开采面积和采掘范围逐步扩大，水害事件也随着增多，至2005年之后突水频率下降，直至近几年矿井未发生过水害事件。

3.2.2 地段区块

矿井突水点多集中分布在井田中部的西翼区、北翼区、铁一区、铁二区、南五区及南翼区，而在井田北部老生产区、铁三区和东翼区极少，在井田南部的岳胥区基本无突水，历次基岩裂隙（岩溶）水及老空水突水点分布示意图如图1。

图1 历次基岩裂隙（岩溶）水及老空水突水点分布示意图Fig.1 Distribution of water inrush points of bedrock fissure（karst）water and old goaf water in Tangshan Mine

突水点集中分布地段，一般来说地质及水文地质条件复杂，采掘活动集中，围岩受采动影响大，断裂构造破碎带或因开采引发的导水断裂带等导水通道与含水层、采空沟通进而发生涌（突）水，该区域应加强矿井防治水工作，开展勘查与研究工作。

3.2.3 水源类别

除冲积层5次透水事件外，根据1957—2020年矿井突水事件统计分析，突水水源来自煤系砂岩裂隙含水层12次（以Ⅴ、Ⅲ和Ⅳ含水层为水源的突水10次，为主要突水水源），自身采空区积水2次，Ⅰ含水层1次（1957年老生产区巷道掘入反山奥灰岩层中）。不同突水水源的突水次数分布饼状图如图2。

图2 不同突水水源的突水次数分布饼状图Fig.2 Pie chart of water inrush frequency distribution of different water inrush sources

由图2可以看出，突水水源占比，其中冲积层孔隙水占25%，煤系砂岩裂隙水占60%，采空区积水占10%，奥灰水（Ⅰ）占5%。目前冲积层水已不是突水水源，而煤系砂岩裂隙水为矿井主要突水水源，采空区积水和奥灰水均居次。煤系砂岩裂隙水一般水压不高，以层状渗流于岩石裂隙网络中，其水流受限于岩石裂隙空间而具有可控性，一旦发生突水不会形成直通式突水事故，只要增大矿井排水设施能力，及时采取注浆封堵裂隙通道即可治理。采空积水和奥灰水虽不是矿井主要突水水源，但一旦发生突水危害性极大，因而今后仍应对其注意防范。

3.2.4 导水通道

根据20次突水事件统计，从导水通道分析，其中2次突水通道为断层，18次为裂隙作为突水通道（其中建国前后5次冲积层透水亦为煤层顶板抽冒或垮落形成的导水裂隙），未出现其它导水通道。

井田内大型断层较少，小型断层导水性较差，因而断层仅是该矿次要导水通道。而煤层顶板导水裂隙带及底板扰动破坏带为主要导水通道，其将可能沟通煤层顶板以上含水层、采空积水以及奥灰水。今后应进一步加强煤层顶板“上三带”和煤层底板“下三带”的勘查和研究工作，以防患于未然。

3.2.5 突水涌水量

根据突水事件突水涌水量资料统计分析，最大突水量为5.5 m3/min，0.5～1.5 m3/min的占26.67%，大于1.5 m3/min占13.33%；突水后涌水量大多数稳定在0～0.5 m3/min，稳定涌水量大于1.0 m3/min的仅有3次。

突水涌水量一般不大，突水后涌水量很快衰减并趋于稳定，多以消耗砂岩含水层静储量为主，在局部补给条件较好地段涌水量大且衰减缓慢。该矿突水量总体较小，易于疏排可控，一般不会对矿井安全生产构成严重影响。但今后仍应加强矿井涌水量及突水点涌水量观测，密切分析矿井涌水变化情况，防止水害事故发生。

4 防治水对策及建议

根据矿井水文地质条件和矿井充水因素，并结合该矿历次透水（突水）水害事件统计分析，为了适应现代化矿井安全生产管理，杜绝重大水害事故发生，提出矿井防治水工作建议：

1）坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则和“探、防、堵、疏、排、截、监”7项综合治理措施。

2）坚持防治水工作由过程治理向源头预防、局部治理向区域治理、井下治理向井上下结合治理、措施防范由工程治理为主向治保结合转变的原则。

3）不断完善矿井排水系统，加强排水系统检测与维修，时刻保持排水系统运转正常。

4）建立、健全井上下水位动态观测系统，及时掌握含水层水位变化情况。

5）增加未来开采区域的水文地质补充勘探及超前探测工程，查明构造发育及水文地质情况。

6）加强奥灰含水层水文地质补充勘探和带压开采评价工作，建立奥灰水水位动态监测系统。

7）详细掌握矿井采空区积水分布情况，接近积水区时应进行超前探放水，避免采空突水。

8）加强防治水技术研究和科技攻关，积极采用防治水新技术、新装备和新工艺，提高防治水工作科技水平。

5 结 语

通过分析唐山矿井的水文地质条件和矿井充水因素，及统计分析矿井历年发生的水害类型和频次，总结出唐山矿突水的主要水源为冲积层孔隙水、基岩裂缝水和老空水，其中砂岩裂缝水和老空水在过去几十年发生频次较高。但随着国家安全政策的深入和矿井防治水技术的发展，此类水害事故逐年降低。然而随着矿井生产区域向西南边界延伸，冲积层孔隙水和奥陶系灰岩岩溶水的威胁越来越大，是矿井今后防治的重点。