礦井水文地質條件分類評價是礦井水害防治的重要工作，是礦井建設、生產不可缺少的基礎工作，直接關系到礦產資源開發(fā)的經濟合理性、礦井安全生產、區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全等可持續(xù)發(fā)展。由于礦井水文地質條件不清、未進行評價等原因導致了礦井水害持續(xù)發(fā)生，給國家和人民生命財產帶來嚴重損失。

 

  因此，礦井水文地質條件分類與評價研究對礦井水害防治和礦井安全生產具有重要的意義。

 

  1 水文地質條件分類

 

  1.1 分類研究現狀

 

  1.1.1 國外研究現狀

 

  國外研究礦井水文地質條件分類主要是原蘇聯，其他國家沒有獨立的學科[2-5]。1940 年，原蘇聯謝戈列夫把礦井水文地質條件分類為裂隙性堅硬巖層、疏松的砂質粘土巖層、巖溶的和易溶解巖層3 種類型；1944 年聶留波夫和謝戈列夫又根據地質及水文地質條件把金屬礦井分為4 個基本類型和8 個組；1947年特羅揚斯基、普羅霍洛夫在1945 年、1951 年和1955年及卡丘金在1955 年都曾對礦井水文地質條件的類型進行過分類，把礦井分為簡單、復雜及極復雜3種；克利門托夫在1953 年又按不同標準將礦井水文地質條件分類為8 類[2-3]。此后的礦井水害水文地質條件分類趨于以多因素與多元信息組合為基礎。以原蘇聯為主的礦井水文地質條件分類，最初偏重于礦井地質巖性、礦井的產狀等，其后主要考慮礦井充水條件和礦井開采條件等。蘇聯解體后，俄羅斯的礦井水文地質條件的分類理論和方法與世界格局一樣，基本處于滯后狀態(tài)，已不能滿足礦井安全生產和礦井防治水害的要求。

 

  1.1.2 國內研究現狀

 

  國內研究礦井水文地質條件分類是從新中國建國后開始的。初期由原蘇聯專家克蘭尼涅夫1955 年把煤礦井的水文地質條件分類為3 種類型；阿加比也夫1957 年分類為簡單、復雜、極復雜3 類。1958年我國水文地質工作者沈爾炎將礦井水文地質條件分類為簡單、復雜、極復雜3 類；1959 年王銳等人分類為簡單、中等、復雜，極復雜4 種類型。1962年、1974 年、1981 年、1982 年原國家相關部委對煤礦井、金屬礦井等礦井水文地質條件分類進行完善與補充，提出了以含水巖層的空隙特征為依據的孔隙充水巖層為主礦井、裂隙充水巖層為主礦井、溶洞充水巖層為主礦井3 類分法，并按水文地質工程地質條件的復雜程度進一步分類為簡單、中等、復雜3 種。

 

  目前水文地質條件分類研究工作多是以經驗與實踐、試驗數據為基礎的定性分類法。隨著計算機及智能化軟件的發(fā)展，水文地質條件分類逐漸向定性、定量相結合的方向發(fā)展，如水文地質條件文本分類法、Fuzzy 模糊數學分類法在水文地質條件分類中的應用等。

 

  1.2 分類依據

 

  礦井水文地質條件分類依據是礦井客觀存在的自然水文地質特征及開采后產生的新水文地質問題，分類突出水害防治基礎和水文地質工作方法、水害防治的方法和措施、水害誘發(fā)的生態(tài)環(huán)境保護的方法措施等，重點突出礦井突水、涌水等水量預計、水害預測預報、水害環(huán)境效應及采后產生、引發(fā)的水文地質工程地質問題等。

 

  1.3 分類方案

 

  a. 第一種分類方案

 

  以氣候因素、主要充水巖層巖性及空隙性質、礦床與含水層接觸組合關系及人類的影響破壞活動因素，對礦井水文地質條件進行區(qū)、類、亞類、型等4個級別的分類，將礦井水文地質條件分為兩區(qū)、三類、五亞類、四型。

 

  b. 第二種分類方案

 

  按開采礦層及相關含水層埋藏深度進行分類，按開采期間主要充水水源進行分型，按礦井富水系數(礦井總涌水量同產礦量之比)大小分類其亞型，按潛在水害因素進行輔助類型分類等，將水文地質條件分為四類、五型、四亞型、四輔助型。

 

  2 水文地質條件評價

 

  2.1 評價指標

 

  評價指標是指礦井水文地質條件的主要影響因素，也是評價內容的方向，包括：礦層與侵蝕基準面、地下水位的關系；地表水體的影響因素；含水層富水性及補給條件；斷裂構造的發(fā)育程度；地質災害的影響程度等。

 

  2.2 評價內容

 

  評價內容包括：

 

  a. 礦床(體)與當地侵蝕基準面及地下水位的關系。

 

  b. 地表水體的影響。地表水體對礦井充水的影響程度取決于地表水與礦層的距離、導水通道的性質、地表水體的規(guī)模、性質等因素。

 

  c. 含水層的富水程度及補給條件。含水層接受補給和儲存地下水的能力是控制礦床充水條件的一個重要因素。對暗河管道亞類礦井涌水量起控制作用的是其入口的匯水面積。

 

  d. 斷裂構造的發(fā)育程度。構造斷裂帶是巖溶發(fā)育帶、富水帶，構造斷裂的發(fā)育程度在一定程度上反映巖層的富水性[16]。

 

  e. 地質災害。水文地質條件評價的地質災害是評價地下水引起的或有關的地質災害；流砂沖潰主要是孔隙水礦井的水文地質條件問題。

 

  2.3 評價手段方法

 

  評價手段方法主要有：

 

  a. 水文地質測繪法。測繪方法包括地質點的觀察和描述、水點的觀察與描述。

 

  b. 鉆孔簡易水文地質觀測法。觀測內容包括詳細記錄鉆進過程中發(fā)生涌水等出現的深度及層位、巖心水文地質編錄、測定終孔穩(wěn)定水位等。

 

  c. 地球物理及地球化學方法。常用方法是物探方法、示蹤試驗、遙感技術等，其他評價的地球物理及地球化學方法有水化學勘測、環(huán)境同位素方法的應用等。

 

  d. 礦井抽水試驗法。抽水試驗常用方法有穩(wěn)定流、非穩(wěn)定流的抽水試驗，單孔抽水、多孔抽水及群孔抽水，分層抽水、混合抽水，地表抽水試驗、井下放水試驗等。

 

  e. 地下水動態(tài)研究法。地下水動態(tài)研究主要是含水層在時間及空間上的變化特征、地下水流場的現狀及演變的過程與歷史、控制含水層動態(tài)變化的因素；含水層之間及含水層與地表水體之間的相互聯系、制約的關系；含水層受區(qū)域補給的條件；褶皺、斷裂構造導水與阻水性能；礦井開采時疏干排水的效果；漏斗擴展情況等。

 

  f. 礦井涌水量預測法。礦井涌水量預測常用方法是解析法、數值法、電網絡模擬法等。常用方法是水均衡法、回歸分析法、系統理論法(T 箱)、灰色系統方法。

 

  3 礦井水文地質條件分類評價案例大屯姚橋煤礦位于江蘇省徐州市西北大約 82 km處，大屯姚橋井田地貌屬黃淮沖積平原，為第四系地層覆蓋地區(qū)，地勢平坦，東部有常年積水的湖區(qū)。姚橋煤礦于1976 年投產，設計年生產能力為120 萬t，現生產規(guī)?？蛇_300 萬t/a。姚橋井田為全掩蓋式煤田，由于受區(qū)域構造的影響，斷裂構造較發(fā)育，湖區(qū)次一級褶曲較發(fā)育。

 

  3.1 邊界水文地質條件

 

  姚橋井田南、北、西三面被大斷層所切割，為一傾向NNW的單斜構造，是補給不暢的相對隔水邊界，但在袁堂斷層局部及井田東南、西南煤層露頭區(qū)存在水源補給，為一相對獨立的封閉—半封閉的水文地質單元。

 

  3.2 含水層水文地質條件

 

  礦井主要含水層為：第四系松散含水層組，由北東向南西逐漸增厚，含水砂層厚度變化較大，井田東南、西南煤層露頭區(qū)；上侏羅統底部礫巖含水層溶洞裂隙發(fā)育，鉆孔揭露時普遍漏水；下石盒子組底部分界砂巖含水層，一般情況下對煤層開采無影響，當綜采放頂煤厚度較大，“兩帶”發(fā)育高度增大時，導水裂隙帶波及到該含水層，通過采后老空區(qū)補給礦井；太原組灰?guī)r含水層，總厚一般為160 m，共含灰?guī)r14層，與煤層開采有關的是L4 灰、L8—L9 灰和L12灰4 層灰?guī)r，L8—L9 灰為17 煤頂板上覆充水含水層，屬弱含水層，L12 灰是21 煤開采直接充水含水層，該灰?guī)r富水性弱；奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層分為中、下奧陶統6 個地層組，為區(qū)域性強含水層，正常開采山西組煤層時，由于與奧灰相距較遠，一般威脅不大，受袁堂斷層等大斷層的影響，由于斷層上盤開采煤層與奧灰含水層對接，在其附近開采煤層時，或當開采太原組17、21 煤層時，由于與奧灰相距較近，奧灰水壓較大、斷裂發(fā)育時，存在水害威脅。

 

  3.3 礦井水源的水文地質條件分類

 

  a. 第四系松散層中間隔水層厚度較大，有效阻隔了大氣降水、地表水、第四系淺部松散層水與第四系底部砂礫層水、基巖含水層水之間的水力聯系，淺部松散層水、大氣降水、地表水一般不會對礦井充水。

 

  b. 第四系底部砂礫層水(底含水) 可通過煤層頂板砂巖露頭或其風氧化帶、構造裂隙帶或采動后的導水裂隙帶補給礦井，而第四系底部砂礫層水又可接受奧陶系灰?guī)r水等其它含水層的補給，從而造成奧灰等強含水層間接補給礦井。

 

  c. 太原組L4 灰?guī)r水 在露頭區(qū)通過第四系底部砂礫層接受底含水、奧灰含水層的補給；在袁堂斷層局部區(qū)段接受奧灰水的側向補給；通過鉆孔放水、巷道揭露L4 灰含水層突水、受斷層裂隙或工作面底板突水、斷層對工作面煤系砂巖含水層的側向補給而突水等方式補給礦井。

 

  d. 斷層水巷道揭露不導水的斷層受采動影響，在工作面采后可以轉化為導水斷層；當斷層一側(或兩側)為含水層時，造成局部含水或導水。

 

  3.4 礦井含水層的水力類型評價

 

  a. 第四系粘土層的3 隔水層、4 隔水層巖性主要為粘土，厚度分別為33.56 m、13.79 m，塑性指數14~32，分布穩(wěn)定，隔水性強，有效地阻隔了大氣降水、地表水、第四系中上部砂層水與第四系底部含水層水、基巖地下水的水力聯系。

 

  b. 在井田東南、西南煤層露頭區(qū)，第四系沖積層底部含水層直接覆蓋在露頭區(qū)各基巖含水層上，使底含水與煤層頂板砂巖、L4 灰?guī)r、奧灰等基巖含水層水直接產生水力聯系，當井巷揭露底含及下伏風化砂巖、工作面回采導水裂隙帶波及底含和地層傾角及斷層影響，第四系沖積層底部含水層就成為礦井充水主要補給水源。

 

  c. 煤層頂板露頭風化帶與第四系沖積層底部含水層直接接觸時，頂板砂巖水與底含水產生水力聯系，接受底含水的補給，可形成局部煤層頂板風化裂隙帶、第四系底含復合含水體，對礦井充水。

 

  d. 井田內 7、8 煤層距L4 灰距離較大，中間地層有良好的隔水層，當斷層落差接近于煤層與太原組L4 地層的層間距時，煤層頂板砂巖裂隙水與L4 含水層產生水力聯系，工作面將接受L4 水的側向補給，對礦井充水影響較大。

 

  e. 袁堂斷層下盤奧灰強含水地層與上盤煤系地層對接，奧灰含水層在袁堂斷層局部區(qū)段與煤層頂板砂巖裂隙含水層及L4 灰含水層產生水力聯系，對礦井充水。

 

  3.5 礦井水文地質條件評價

 

  礦井水文地質條件評價見圖4。通過分析井田內各主要含水層的分布規(guī)律及其對煤炭開采的影響、礦井的充水因素及突水規(guī)律，得出礦井主要水害類型有第四系底含水、分界砂巖水、7 號煤層頂底板砂巖水、太原組L4 灰?guī)r含水層水、奧陶系灰?guī)r水、斷層水以及老塘老硐水，特別是7 號煤層的頂板砂巖水是礦井突水的主要含水層，通過評價得出煤礦水文地質條件為中等類型。