付成祥

（開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 唐山礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000）

水害是影響礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著礦工的生命安全和造成國(guó)家經(jīng)濟(jì)損失。為了減少礦井水害事故的發(fā)生，前人對(duì)地表水、頂板離層水、底板水、老空水和沖積層水等常見(jiàn)的水害類(lèi)型進(jìn)行了分析總結(jié)，取得了一定的研究成果[1-3]。然而礦井水害具有復(fù)雜性、地域性和多樣性等特點(diǎn)，需要結(jié)合具體的礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、總結(jié)前期的發(fā)生水害特點(diǎn)和采取有針對(duì)性的防治水措施，才能更有效地達(dá)到水害防治的目的。為此，以開(kāi)灤唐山礦作為研究對(duì)象，通過(guò)分析其水文地質(zhì)條件和歷次突水特點(diǎn)，總結(jié)出唐山礦水害發(fā)育規(guī)律和特征，有針對(duì)性地提出礦井水害防治措施。

1 礦井概況

開(kāi)灤唐山礦始建于1878年，至今已有140年余的開(kāi)采歷史，因?yàn)榈V井特殊的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件[4]，導(dǎo)致建井和生產(chǎn)過(guò)程中多次發(fā)生水害。礦井主采煤層為5、8、9、12-1煤層，開(kāi)采煤層頂板上覆第四系沖積層含水層，開(kāi)采層段區(qū)間含有砂巖裂隙含水層以及煤層采空后形成的老空積水區(qū)，煤系基底下伏奧陶系巖溶強(qiáng)含水層，加上礦井相對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造[5-6]，使該礦礦井水文地質(zhì)條件變得復(fù)雜。

礦區(qū)內(nèi)及其周邊發(fā)育有青龍河和陡河2條河流，陡河流經(jīng)井田邊界以外的東側(cè)，青龍河流經(jīng)該礦井田西部。礦區(qū)地表范圍內(nèi)分布有8個(gè)地表塌陷積水坑[7-8]，積水坑總積水面積為4.2 km2。礦區(qū)自上而下劃分為7個(gè)含水層，分別是第四系沖積層含水層（Ⅶ）、基巖面-A層鋁質(zhì)泥巖含水層（Ⅵ）、A層鋁土質(zhì)泥巖-5煤層含水層（Ⅴ）、5-12煤層間含水層（Ⅳ）、12-14煤層間含水層（Ⅲ）、14煤層-G層鋁土質(zhì)泥巖含水層（Ⅱ）、奧陶系石灰?guī)r含水層（Ⅰ）。其中Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ含水層為直接充水含水層。

礦井各含水層之間在井田內(nèi)部存在穩(wěn)定的隔水層，但在井田邊界處存在水力聯(lián)系，地下水在此處存在越流補(bǔ)給，然后沿層間流動(dòng)，最終以礦井排水方式排泄。

2 礦井充水條件

2.1 礦井充水水源

礦井充水水源主要有大氣降水、地表水、煤系地層含水層水、采空積水以及奧灰水。其中裂隙（巖溶）水和老空水為目前主要充水來(lái)源。

Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ主要充水含水層中尤為Ⅴ含水層對(duì)礦井充水貢獻(xiàn)最大，該含水層在岳胥區(qū)西南翼直接與沖積層底部接觸，接受沖積含水層補(bǔ)給，不僅靜儲(chǔ)量豐富，而且補(bǔ)給充沛，一旦揭露不易疏干[9-10]；Ⅲ含水層靜儲(chǔ)量豐富，動(dòng)水補(bǔ)給甚微，一般出水后3～5年內(nèi)被疏干。Ⅰ含水層、Ⅱ含水層、Ⅵ含水層和Ⅶ含水層為間接充水含水層。

礦井經(jīng)多年開(kāi)采，部分采空區(qū)存在積水，積水量247～271 544 m3。井田內(nèi)劉莊、增盛2座小煤礦閉坑后采空積水通過(guò)不同途徑向下滲透進(jìn)入唐山礦6水平巷道，再通過(guò)唐山礦老采空區(qū)，其與老采空區(qū)水混合，在8水平或者9水平巷道涌出[11]。

2.2 礦井充水通道

礦井充水通道主要有斷裂構(gòu)造破碎帶、導(dǎo)水?dāng)嗔褞?、封閉不良鉆孔以及廢棄巷道等，其中斷裂構(gòu)造破碎帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞橹饕渌ǖ馈?/p>

井田內(nèi)大型斷層均不導(dǎo)水，但斷層兩側(cè)出現(xiàn)淋水帶，水量不大，一般數(shù)日之后即疏干。井田內(nèi)小型斷層比較發(fā)育，在采掘時(shí)不含水也不導(dǎo)水，但斷層附近圍巖受采掘活動(dòng)影響，裂隙增大，會(huì)出現(xiàn)少量滴、淋水現(xiàn)象[12]。T1451運(yùn)輸巷掘至237 m處遇到1個(gè)既不含水也不導(dǎo)水的小型陷落柱[13]。

導(dǎo)水?dāng)嗔褞堑V井涌水的主要通道，具有較強(qiáng)的導(dǎo)水性。現(xiàn)階段回采產(chǎn)生的導(dǎo)水?dāng)嗔褞е饕獙?dǎo)通上部5煤層頂板，5煤層厚度越大，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨仍酱骩14]。5煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?6.42 m，形態(tài)為兩邊高中間低的“馬鞍型”，裂采比為15.6；9煤層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?27.16 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞螒B(tài)為兩邊高中間低的“馬鞍型”，裂采比為12.0。9煤層開(kāi)采后導(dǎo)水?dāng)嗔褞c5煤層溝通。

2.3 礦井充水強(qiáng)度

1904年開(kāi)始隨著采掘面積不斷擴(kuò)大，涌水量從5.0 m3/min增大到1920年30.0 m3/min，之后采掘強(qiáng)度和采掘面積基本穩(wěn)定，涌水量呈下降趨勢(shì)，到1957年20.0 m3/min；1960年隨采掘強(qiáng)度和采掘面積增大涌水量回升到25.0 m3/min；1968—1970年，不僅采掘強(qiáng)度和采掘面積增大，而且水平延伸含水層富水性增強(qiáng)，涌水量一度達(dá)到35.0 m3/min左右；之后40多年來(lái)，涌水量基本穩(wěn)定并呈下降趨勢(shì)，近年來(lái)涌水量穩(wěn)定在23.0 m3/min左右，1969、1976年礦井涌水出現(xiàn)2個(gè)峰值，與渤海地震、唐山大地震有關(guān)。1980年以前開(kāi)采8、9、12煤層，之后停止了在9水平17道半石門(mén)區(qū)域的生產(chǎn)活動(dòng)，巷道各石門(mén)涌水量基本穩(wěn)定。

從2008年5月因井田內(nèi)2個(gè)地方煤礦關(guān)閉排水等原因，唐山礦9水平涌水量由2.33 m3/min漲到10.0 m3/min，到目前基本穩(wěn)定在7.5 m3/min。2009—2020年間礦井涌水量基本穩(wěn)定在23 m3/min。

3 礦井水害事件統(tǒng)計(jì)分析及水害特征

3.1 建礦以來(lái)歷次水害事件統(tǒng)計(jì)

1）歷次沖積層透水事件。沖積層透水事件主要發(fā)生在1924—1961年，礦井第四系沖積層透水或突水事件共5次，唐山礦歷次基巖裂隙（巖溶）水及老空水突水事件統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。其中，建國(guó)后僅1次（1961年），為老生產(chǎn)區(qū)急傾斜煤層開(kāi)采抽冒導(dǎo)致。

表1 唐山礦歷次基巖裂隙（巖溶）水及老空水突水事件統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of previous bedrock fissure（karst）water and goaf water inrush events in Tangshan Mine

2）歷次基巖裂隙（巖溶）水及老空水突水事件。礦井至今共發(fā)生基巖裂隙（巖溶）水及老空水突水事件15次，均為1949年建國(guó)后發(fā)生。

3.2 水害事件分析及概率判別

3.2.1 時(shí)間序列

1957—2020年礦井突水頻率統(tǒng)計(jì)，自1957—1990年礦井突水頻率相對(duì)較低，自1990—2005年礦井突水急劇增多，2005年之后開(kāi)始，突水頻率呈下降趨勢(shì)，總突水頻次降低。自2018年以后至今未發(fā)生突水事故。

礦井開(kāi)采初期，由于開(kāi)采較淺而接近第四系，生產(chǎn)技術(shù)落后，防范煤層上覆沖積層潰水措施不到位，再加上礦井防治水意識(shí)淡薄等因素，沖積層透水事件頻發(fā)。此后，在汲取多次水害事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，加強(qiáng)了對(duì)煤層頂板水害的防治，至今再未發(fā)生相關(guān)沖積層透水事件。

1990年以前礦井產(chǎn)能穩(wěn)定，突水頻率較低，1990年之后開(kāi)采面積和采掘范圍逐步擴(kuò)大，水害事件也隨著增多，至2005年之后突水頻率下降，直至近幾年礦井未發(fā)生過(guò)水害事件。

3.2.2 地段區(qū)塊

礦井突水點(diǎn)多集中分布在井田中部的西翼區(qū)、北翼區(qū)、鐵一區(qū)、鐵二區(qū)、南五區(qū)及南翼區(qū)，而在井田北部老生產(chǎn)區(qū)、鐵三區(qū)和東翼區(qū)極少，在井田南部的岳胥區(qū)基本無(wú)突水，歷次基巖裂隙（巖溶）水及老空水突水點(diǎn)分布示意圖如圖1。

圖1 歷次基巖裂隙（巖溶）水及老空水突水點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Distribution of water inrush points of bedrock fissure（karst）water and old goaf water in Tangshan Mine

突水點(diǎn)集中分布地段，一般來(lái)說(shuō)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，采掘活動(dòng)集中，圍巖受采動(dòng)影響大，斷裂構(gòu)造破碎帶或因開(kāi)采引發(fā)的導(dǎo)水?dāng)嗔褞У葘?dǎo)水通道與含水層、采空溝通進(jìn)而發(fā)生涌（突）水，該區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)礦井防治水工作，開(kāi)展勘查與研究工作。

3.2.3 水源類(lèi)別

除沖積層5次透水事件外，根據(jù)1957—2020年礦井突水事件統(tǒng)計(jì)分析，突水水源來(lái)自煤系砂巖裂隙含水層12次（以Ⅴ、Ⅲ和Ⅳ含水層為水源的突水10次，為主要突水水源），自身采空區(qū)積水2次，Ⅰ含水層1次（1957年老生產(chǎn)區(qū)巷道掘入反山奧灰?guī)r層中）。不同突水水源的突水次數(shù)分布餅狀圖如圖2。

圖2 不同突水水源的突水次數(shù)分布餅狀圖Fig.2 Pie chart of water inrush frequency distribution of different water inrush sources

由圖2可以看出，突水水源占比，其中沖積層孔隙水占25%，煤系砂巖裂隙水占60%，采空區(qū)積水占10%，奧灰水（Ⅰ）占5%。目前沖積層水已不是突水水源，而煤系砂巖裂隙水為礦井主要突水水源，采空區(qū)積水和奧灰水均居次。煤系砂巖裂隙水一般水壓不高，以層狀滲流于巖石裂隙網(wǎng)絡(luò)中，其水流受限于巖石裂隙空間而具有可控性，一旦發(fā)生突水不會(huì)形成直通式突水事故，只要增大礦井排水設(shè)施能力，及時(shí)采取注漿封堵裂隙通道即可治理。采空積水和奧灰水雖不是礦井主要突水水源，但一旦發(fā)生突水危害性極大，因而今后仍應(yīng)對(duì)其注意防范。

3.2.4 導(dǎo)水通道

根據(jù)20次突水事件統(tǒng)計(jì)，從導(dǎo)水通道分析，其中2次突水通道為斷層，18次為裂隙作為突水通道（其中建國(guó)前后5次沖積層透水亦為煤層頂板抽冒或垮落形成的導(dǎo)水裂隙），未出現(xiàn)其它導(dǎo)水通道。

井田內(nèi)大型斷層較少，小型斷層導(dǎo)水性較差，因而斷層僅是該礦次要導(dǎo)水通道。而煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶及底板擾動(dòng)破壞帶為主要導(dǎo)水通道，其將可能溝通煤層頂板以上含水層、采空積水以及奧灰水。今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)煤層頂板“上三帶”和煤層底板“下三帶”的勘查和研究工作，以防患于未然。

3.2.5 突水涌水量

根據(jù)突水事件突水涌水量資料統(tǒng)計(jì)分析，最大突水量為5.5 m3/min，0.5～1.5 m3/min的占26.67%，大于1.5 m3/min占13.33%；突水后涌水量大多數(shù)穩(wěn)定在0～0.5 m3/min，穩(wěn)定涌水量大于1.0 m3/min的僅有3次。

突水涌水量一般不大，突水后涌水量很快衰減并趨于穩(wěn)定，多以消耗砂巖含水層靜儲(chǔ)量為主，在局部補(bǔ)給條件較好地段涌水量大且衰減緩慢。該礦突水量總體較小，易于疏排可控，一般不會(huì)對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重影響。但今后仍應(yīng)加強(qiáng)礦井涌水量及突水點(diǎn)涌水量觀測(cè)，密切分析礦井涌水變化情況，防止水害事故發(fā)生。

4 防治水對(duì)策及建議

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件和礦井充水因素，并結(jié)合該礦歷次透水（突水）水害事件統(tǒng)計(jì)分析，為了適應(yīng)現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)管理，杜絕重大水害事故發(fā)生，提出礦井防治水工作建議：

1）堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則和“探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)”7項(xiàng)綜合治理措施。

2）堅(jiān)持防治水工作由過(guò)程治理向源頭預(yù)防、局部治理向區(qū)域治理、井下治理向井上下結(jié)合治理、措施防范由工程治理為主向治保結(jié)合轉(zhuǎn)變的原則。

3）不斷完善礦井排水系統(tǒng)，加強(qiáng)排水系統(tǒng)檢測(cè)與維修，時(shí)刻保持排水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

4）建立、健全井上下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)掌握含水層水位變化情況。

5）增加未來(lái)開(kāi)采區(qū)域的水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探及超前探測(cè)工程，查明構(gòu)造發(fā)育及水文地質(zhì)情況。

6）加強(qiáng)奧灰含水層水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探和帶壓開(kāi)采評(píng)價(jià)工作，建立奧灰水水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

7）詳細(xì)掌握礦井采空區(qū)積水分布情況，接近積水區(qū)時(shí)應(yīng)進(jìn)行超前探放水，避免采空突水。

8）加強(qiáng)防治水技術(shù)研究和科技攻關(guān)，積極采用防治水新技術(shù)、新裝備和新工藝，提高防治水工作科技水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析唐山礦井的水文地質(zhì)條件和礦井充水因素，及統(tǒng)計(jì)分析礦井歷年發(fā)生的水害類(lèi)型和頻次，總結(jié)出唐山礦突水的主要水源為沖積層孔隙水、基巖裂縫水和老空水，其中砂巖裂縫水和老空水在過(guò)去幾十年發(fā)生頻次較高。但隨著國(guó)家安全政策的深入和礦井防治水技術(shù)的發(fā)展，此類(lèi)水害事故逐年降低。然而隨著礦井生產(chǎn)區(qū)域向西南邊界延伸，沖積層孔隙水和奧陶系灰?guī)r巖溶水的威脅越來(lái)越大，是礦井今后防治的重點(diǎn)。