基于充水要素的矿井水害类型三线图划分方法_虎维岳.pdf

第 47 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.5 2019 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China Abstract The results of the classification of hydrogeological types in coal mines are relatively inadequate to reflect the char- acteristics of water hazards such as water sources and water inrush channels. It is not very instructive to carry out water control work in coal mines starting from the basic elements of mine water hazard ation, this paper analyses the characteristics and harm degree of mine water hazard under different types of mine water sources, water inrush channels and their combination conditions, the water inrush source can be divided into 4 types according to its water-rich degree and supply capacity weak sup- ply of slow seepage, fast supply of gushing, strong supply of sudden outflow and non-blocking full supply. The channel of water inrush can be divided into 4 types according to its unblocked degree low seepage flow, high seepage flow, small sectional free flow pipeline and large sectional free flow channel. Moreover, according to the combination relationship between different water source and water inrush channel, the mine water threat degree is divided into 4 grades slight, medium, serious and extremely se- rious. Based on Pipers trilinear chart and Kurlovs principle of groundwater chemical analysis, this paper puts forward the of water hazard type classification, disaster degree uation and the naming according to the “4-4-4“ trilinear chart which is more instructive to mine water hazard prevention and control. Keywords coal mine; water hazard; water recharge source; water-filling channel; 4-4-4 trilinear chart; water hazard ChaoXing 2 煤田地质与勘探 第 47 卷 prevention and control 矿井水害类型的科学合理划分是煤矿制定防治水 中长期规划、保障和指导煤矿安全开采的重要前提条 件，是科学开展煤矿水害防治工作重要组成部分。大量 学者对此进行了相关研究，董书宁等[1]通过分析我国不 同聚煤区的地质、水文地质特征，将煤炭开发区域划分 西北、北方、南方与西南 4 大煤矿水害区域；武强等[2] 从天然和人为两个方面、可采矿层与充水含水层接触关 系、水害造成的经济损失或人员伤亡程度以及水害发生 的时效特征等， 对矿井充水水源、 导水通道进行了分类， 在此基础上结合涌水来源提出了矿井水害类型的划分。 2018 年 9 月颁布的煤矿防治水细则简称细则 从“井田内受采掘破坏或影响的含水层及水体、井田及 周边老空水分布状况、矿井涌水量、突水量、开采受水 害影响程度、 防治水工作难易程度” 6 个方面， 采用 “就 高不就低”为原则，将矿井水文地质类型划分为简单、 中等、复杂、极复杂 4 种[3]。煤矿水害分区、矿井水害 类型与水文地质类型多角度划分等工作，体现了矿井水 害的宏观严重程度，推动了我国煤矿水害防治工作深入 发展，但划分结果在矿井水害的特征、基本要素、属性 等具体信息表征方面相对不足，对煤矿防治水工作指导 性不强。为了进一步响应细则中提出的推动煤矿企 业查清水文地质条件、认识水害威胁类型以及水患严重 程度，明确水害防范重点和技术路线等煤矿防治水工作 要求，本文从矿井充水要素分析入手，提出了反映矿井 关键充水要素、水害特征以及危害程度的三线图矿井水 害类型划分方法，以期为煤矿开展具体的水害防治工作 提供指导。 1 矿井充水要素划分 矿井充水要素是指形成矿井涌突的充水水源 与充水通道，煤矿开采时单位时间进入采掘空间的 水量即为充水强度，充水强度越大水害威胁程度越 高。因此，不同的充水水源水压、补给条件等和 充水通道孔隙、裂隙、管道等的组合会构成不同 的矿井充水强度与水害威胁程度。 1.1 充水水源分类 充水水源是煤矿水害形成的最关键要素之一， 充水水源富水程度、供给水能力直接影响着矿井的 充水强度及其致灾特征。按照一般矿井充水水源的 富水性、补给条件与供给水特征，将其划分为缓渗 式弱供给、溃涌式快供给、突涌式强供给和无阻滞 式充分供给 4 种类型，如表 1 所示。 表 1 矿井充水水源分类 Table 1 Classification of mine water resharge sources 类型 缓渗式弱供给型 溃涌式快供给型 突涌式强供给型 无阻滞式充分供给型 补给条件及 供给水特点 瞬间涌水量较小， 补给量较小 但持续稳定 瞬间涌水量大，补给持续 时间较短 瞬时涌水量大，补给充 沛，且持续稳定 瞬间涌水量极大，补给 极大 代表性水源 基岩裂隙含水层、 胶结性孔隙 含水层 弱胶结水砂体，离层水 高承压岩溶裂隙水 老空水、地表水 a. 缓渗式弱供给型 赋存于含水层空隙里的地 下水，富水程度受介质空隙尺度控制。常见的砂质 基岩类裂隙地层、胶结性较好的黏土质孔隙地层等 结构相对致密，空隙性较差，孔隙率一般小于 15， 渗流速度与补给条件较差，一般形成小而稳定的顶 板淋水或渗水。 b. 溃涌式快供给型 松散岩层孔隙含水层富水 性一般较好，如陕北地区近地表发育的全新统风积 沙层和第四系萨拉乌苏组等松散、弱胶结性岩层， 结构疏松，透水性好，易接受大气降水入渗补给， 具有良好的储水条件与补给条件，富水性较强。当 煤层顶板导水裂缝带发育至胶结性差的含水层内 部，一般形成持续稳定的顶板涌水；当水流驱动使 胶结性差的砂体沿裂缝进入采掘空间，易形成短时 破坏性强的水砂溃涌灾害[4]。另外，煤层顶板离层 积水也是溃涌式快供给的一种补给水源。下软上硬 组合结构的地层在下伏煤层开采过程中易形成离 层，顶板含水层地下水先汇集在离层空腔中，而后 由于空腔破裂、积水突然溃入井下形成水害，其出 水特征是初期瞬时流量大约为正常涌水量数十 倍、持续时间较短且衰减快多持续数小时，个别 持续数天、总出水量有限，但具有周期性[5]。 c. 突涌式强供给型 华北型煤田煤层底板奥陶系 灰岩岩溶裂隙发育，具有富水性好、水压高的特征， 是水害威胁极大的充水水源，一旦通过导水地质构造 发生突水，其突水量大、持续时间长、补给充足、难 以疏降，易造成淹井等重特大突水事故[6]。因此，奥陶 系灰岩含水层水为典型的突涌式强供给型水源。由于 该含水层富水性受岩溶裂隙发育程度控制明显，其富 水性指数可按照溶隙、 溶孔、 孔洞、 溶洞 4 类来表征[7]。 d. 无阻滞式充分供给型 一般情况下， 老空积水 和地表水体可划分为无阻滞式充分供给型水源。 一旦 ChaoXing 第 5 期 虎维岳等 基于充水要素的矿井水害类型三线图划分方法 3 采掘活动直接揭露这两种水源， 瞬间涌水量极大， 突 水量大小受水体的赋存空间尺度、分布位置等控制， 易造成人身伤亡事故或淹井等特大透水事故， 危害极 大，难以防治。近年来，采空区突水事故占各类煤矿 水害事故 70以上[8-9]，是目前主要的煤矿水害事故 类型。 1.2 充水通道分类 煤矿开采过程中充水通道的过水能力与断面尺 寸是影响水害严重程度的主要因素，按照水体在通 道中的过水能力将充水通道划分为低渗流型、高渗 流型、小断面自由流管道型、大断面自由流通道型 4 类充水通道，如表 2 所示。 表 2 矿井水害充水通道分类 Table 2 Classification of water-filling channels of mine water hazard 充水通道畅通程度分类 低渗流型 高渗流型 小断面自由流管道型 大断面自由流通道型 过水能力 弱 强 极强 极强 典型突水通道 黏土类地层粒间孔隙，基岩微裂隙 顶、底板采动裂缝，导水断层 封闭不良钻孔 陷落柱，采空巷道 a. 低渗流型 一般未受采动破坏的泥岩、砂岩 及其组合岩层， 渗流通道主要为粒间孔隙或微裂隙， 岩体渗透性能差，大量井下注水试验测得其注水量 仅 1 L/min 左右[10-11]，如陕北矿区的离石黄土、保 德红土在保水采煤技术实践中被认为是良好的保水 关键层[12]，砂岩类岩体也由于其低渗透能力与较高 力学强度而作为良好的防隔水煤岩柱。因此，泥 岩、砂岩等原岩地层中的地下水流动一般为多孔介 质渗透及水压驱动的缓慢渗流。 b. 高渗流型 采动形成的顶、底板导水裂缝是 典型的高渗通道，大量现场实践表明，在采动压力 下发生破坏的岩体， 注水量可达 20 L/min 以上[13-14]。 王皓等[15]通过采用井下钻孔分段压水原位测试得 知， 某矿采厚 3 m 条件下， 煤层顶界面以上 3853 m 区段的砂岩层渗透系数是回采前的 17.79 倍；隋旺 华等[16]等在山东太平煤矿的原位测试结果显示，位 于导水裂缝带中的砂岩含水层注水能力增加 5060 倍。因此，在采动影响下岩体渗透能力增加，地下 水流动易变成高速渗流。 c. 小断面自由流管道型 封闭不良钻孔是一种 典型的小断面管道型自由流通道，成为上、下含水 层或连通水体突入矿井的大流量通道，如东风煤矿 1960 年曾因钻孔导水而导致采面被淹[17]； 龙口矿业 梁家煤矿 1995 年出现钻孔将第四系水导入井下， 导 致采面被淹的事故[18]。 d. 大断面自由流通道型 岩溶陷落柱和井下巷 道的断面尺度更大、过水能力更强，是大断面型自 由流通道。其中，岩溶陷落柱是我国华北地区石炭– 二叠纪煤田的重大安全隐患，陷落柱发育于富水 性良好的岩溶含水层内，易构成岩溶含水层和采 掘空间的直接突水通道，类似于管道型自由流通 道，突水水流在破碎岩体中的流动具有明显的紊 流特征[19-20]。1984 年开滦范各庄矿 2171 综采工作 面曾发生世界采矿史上罕见的岩溶陷落柱突水灾 害，最大瞬时突水量达 2 053 m3/min[21]；2010 年骆 驼山煤矿巷道内的陷落柱突水量也达 1 200 m3/min。 2 矿井水害危害性级别划分 水害威胁程度与充水水源、充水通道的性质及 其组合方式有着极其密切的关系，是矿井水害形成 的关键因素。 不同类型的充水水源与充水通道耦合， 形成了不同的矿井充水强度。 参照煤矿防治水细则及充水水源与充水通 道组合引起的水害威胁程度，将水害危害性级别分 为轻微-I、中等-II、严重-III 与极严重-IV 4 个等级， 具体分级标准如表 3。 a. 轻微-I 富水性中等以下含水层与弱渗透原 岩通道组合、采掘扰动导水裂缝未沟通各类充水水 源，导水裂缝与含水层之间余留完整充分的泥岩类 保护层，充水强度一般为每小时十几方，其水害级 别均定义为轻微。 b. 中等-II 当采动导水裂缝沟通富水性中等的 含水层，出现较明显的淋水问题，充水强度一般为 每小时几百方，其水害级别定义为中等。 c. 严重-III 当出现离层水体与采动裂缝、强原 生裂隙组合，或弱胶结富水砂体与导水断层、封闭 不良钻孔、采动裂缝、强原生裂隙通道组合时，易 出现较为严重的涌水、溃水问题，瞬时充水强度可 达每小时上千方，其水害级别定义为严重。 d. 极严重-IV 当采动影响范围存在地表水、老 空水，或导水断层、陷落柱、底板采动裂隙等通道 沟通高承压岩溶水时，存在极严重的突水可能，瞬 时充水强度每小时达数千方甚至上万方，其水害级 别定义为极严重。 ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 47 卷 表 3 典型矿井充水要素分类与水害威胁程度划分 Table 3 Classification of typical water-filling factors and threat degree of water hazard in coal mines 充水水源 充水通道 水害威胁程度 典型类型 级别 典型类型 级别 典型充水要素组合 级别 水害特点 胶结性好的孔隙、基岩 裂隙含水层地下水等 I 原岩空隙，包括基 岩裂隙、孔隙等 I 富水性中等以下含水层水体与弱渗透原岩通道 组合 I 轻微 渗、淋水 胶结性差的松散水砂 体、离层水体等 II 采动裂缝等 II 中等极强富水含水层与原岩裂隙组合； 中等富水以下含水层与采动导水裂缝组合 II 中等 涌溃水 高承压溶隙、溶孔型岩 溶水等 III 封闭不良钻孔、 断层带等 III 离层水体与封闭不良钻孔、采动裂缝、强原生 裂隙组合；弱胶结富水砂体与导水断层、封闭 不良钻孔、采动裂缝、强原生裂隙通道组合 III 严重 突水 老空水、 地表水等 IV 采空巷道、 陷落柱等 IV 地表水、老空水与原岩以上通道组合； 岩溶水与采动裂缝以上通道组合 IV 极严重 突水 3 矿井水害类型“三线图”划分与命名 3.1 矿井水害类型“4-4-4 三线图”划分基本原理 Piper 三线图是进行地下水水质类型分析的主 要方法，由两个三角形及一个菱形组成，左下角三 角形的三条边线分别代表水样阳离子中 NaK、 Ca2、Mg2的毫克当量；右下角三角形表示阴离 子 Cl–、SO 2– 4及 HCO – 3的毫克当量。任一水样中 各阴、阳离子相对含量的引线在上部菱形中的交点 表示水样的化学性质，该分析方法能把大量的水分 析资料点绘在同一张图上，依据其分布情况解释与 表征水化学特征及其演化情况。 借鉴 Piper 三线图，提出矿井水害类型三线图 示分析方法，如图 1 所示，对图示分类方法进行简 化，“三线图”三边分别为充水水源、充水通道和水 害威胁程度。依前文所述，充水水源按照水体的赋 存状态、给出水的能力及其强度划分为 4 个级别， 充水通道按照其渗流畅通性与空间尺寸划分 4 级， 将充水水源与充水通道组合引起的水害威胁程度分 为轻微、中等、严重与极严重 4 个等级。 如某一矿井经识别得出划分期内充水水源为富 水性强的煤层顶板松散含水层地下水，顶板采动裂 缝为直接充水通道，则充水水源和充水通道交于 A 点，其威胁程度位于严重区段；若为导水断层与补 给充沛的岩溶含水层组合时揭露与岩溶含水层沟 通隐伏导水断层，则交于 B 点，其威胁程度位于极 严重区段图 1。 3.2 矿井水害类型划分与命名 为进一步厘清矿井具体的水害问题及其威胁程 度，科学合理地指导矿井水害防治工作，在划分矿 井水害威胁程度基础上，还需明确表达出形成矿井 水害问题的关键充水要素充水水源、充水通道的类 型与属性、充水要素耦合引起的涌突水特征如水 害空间方位、 出水特征等及其危害性程度等。 因此， 在矿井水害类型划分“三线图”的基础上，参考广泛 应用的库尔洛夫式地下水水化学分类法，提出水害 类型划分表达式。 首先， 将识别得出的矿井主要充水 水源和充水通道列出； 其次， 分析充水水源与充水通 道组合下的水害类型， 并结合充水水源与采掘空间方 位、涌突水特征对水害类型进行划分如顶板涌水 型、底板突水型等，具体水害类型划分表达式为 充水水源 水害类型 充水通道 1 当矿井存在 2 种及以上复合水害类型组合时， 识别得出前 2 种关键充水要素，分别划分其水害类 型；当充水水源、充水通道、水害类型一致时可进 行合并式2。 12 12 12    充水水源 充水水源 水害 水害 复合型 充水通道 充水通道 2 根据图 1 所述的三线图进行水害威胁程度划 分。矿井水害类型与威胁程度命名按照 “充水水源‧ 充水通道水害类型‧威胁程度”格式，其中水害威 胁程度以“就高不就低”为原则。因此，通过矿井水 害类型三线图的划分与命名，简要厘清了具体矿井 的主要充水要素、 水害类型与威胁程度， 进而根据厘 定的矿井水害问题可制定针对性的防治水技术措施。 如图 1 中 A 点矿井水害类型可表示为 强富水松散含水层地下水 顶板涌水型 顶板采动裂缝 结合威胁程度可命名为“强富水松散含水层地 下水‧采动裂缝顶板涌水‧严重型水害”，该表达式 明确了矿井充水水源为顶板强富水松散含水层地下 水，充水通道为采煤形成的导水裂缝，来水方向为 工作面顶板， 出水特征为涌水， 水害威胁程度为严重。 ChaoXing 第 5 期 虎维岳等 基于充水要素的矿井水害类型三线图划分方法 5 图 1 矿井水害类型划分与威胁程度分析三线图 Fig.1 Trilinear chart of classification of mine water hazard types and analysis of threat degree B 点矿井水害类型与威胁程度可表示为 岩溶裂隙含水层地下水 底板突水型 断层 结合威胁程度可命名为 “岩溶裂隙含水层地下 水导水断层底板突水极严重型”，该表达式明确 了矿井充水水源为岩溶裂隙含水层地下水，充水通 道为隐伏导水断层，来水方向为煤层底板，出水特 征为突水，水害威胁程度为极严重，需重点开展底 板导水构造的探查与治理。 4 应用实例 4.1 实例 1 唐家会煤矿位于准格尔煤田中部，华北地台鄂尔 多斯向斜的东北缘，天桥泉域西部的径流排泄区，目 前主要综放开采石炭–二叠系太原组均厚为 18.93 m 的 6 号煤层，直接充水水源为煤层顶板太原组、山西组富 水性中等的砂岩含水层地下水，主要充水通道为顶板 采动裂缝140.03163.01 m； 间接充水水源为煤层底板 富水性中等强的奥陶系岩溶裂隙含水层地下水底板 隔水层厚 3080 m，6 号煤带水压 0.71.5 MPa。井田 范围内落差大于5 m 的断层较为发育， 2014 年5 月唐家 会煤矿在巷道揭露隐伏导水构造断层时，发生煤层底 板奥陶系灰岩水突水淹井事故突水量约为 500 m3/h， 且相邻的黄玉川煤矿也已揭露导水陷落柱，因此，唐 家会煤矿存在奥陶系灰岩水通过导水陷落柱或断层等 通道进入矿井，形成底板突水的水害问题。 根据对充水要素的分析，绘制矿井水害类型划分 三线图，如图 2 所示，其中充水水源 1 为顶板太原组、 山西组富水性中等的砂岩含水层地下水，其充水通道 为顶板采动裂缝；充水水源 2 为底板富水性中等强 的奥陶系岩溶裂隙含水层地下水，其充水通道为断层 等隐伏导水构造。在上述充水要素组合下，存在 A1 和 A2 两个水害威胁程度划分点，因此，表征该矿井的水 害类型及其水害危害程度的表达式为    风化基岩裂隙含水层地下水 底板岩溶裂隙含水层地下水 顶板涌水 底板突水复合型 顶板采动裂缝 导水构造 命名为“顶板基岩裂隙含水层地下水采动裂缝 与底板岩溶裂隙地下水导水构造顶板涌水与底 板突水复合水害极严重型”矿井，开展煤层底板断 层、陷落柱等隐伏导水构造的探查与治理是煤矿防 治水工作的主要内容。 4.2 实例 2 锦界煤矿位于陕西省榆林市，目前开采 3–1煤， 其松散层覆盖厚度一般 90120 m松散沙层与风化 ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 2 唐家会煤矿水害类型划分与威胁程度分析三线图 Fig.2 Trilinear chart of mine water hazard type classification and threat degree analysis in Tangjiahui coal mine 基岩层， 基岩厚度一般小于 60 m， 煤层赋存主要特 征可概括为浅埋深、薄基岩、厚松散覆盖层。矿井 通过钻孔漏失量实测得出导水裂缝带高度大于 45.72 m，冒落带高度为 13.22 m，导水裂缝将直接 沟通富水性中等基岩含水层，局部导水裂缝则沟通 了松散沙层潜水，均构成矿井主要充水水源。 根据矿井充水要素分析，绘制矿井水害类型划 分三线图，如图 3 所示，富水性中等的风化基岩含 水层地下水与胶结性差的松散孔隙含水层地下水为 充水水源，采煤形成的覆岩采动裂缝为主要充水通 道，在薄基岩区采动裂缝沟通了胶结性差的松散孔 隙含水层，易造成溃水溃砂，因此，同一充水通道 会直接沟通两种充水水源。 在上述充水要素组合下存在 A1 和 A2 两个水害 威胁程度划分点，因此，表征该矿井的水害类型及 其水害威胁程度的表达式为   风化基岩含水层地下水 松散孔隙含水层地下水 顶板涌水 溃水溃砂复合型 顶板采动裂缝 命名为“风化基岩裂隙含水层与松散含水层地 下水采动裂缝顶板涌水与溃水溃砂复合水害严 重型”矿井。依据水害类型划分结果，该矿主要水害 为威胁严重的顶板溃水溃砂问题，建议矿井水害防 治工作应加强薄基岩区溃水溃砂水害问题的分析与 治理。 5 结结 论论 a. 依据矿井充水水源与充水要素组合条件下 水害发生特点，以及地下水被直接揭露后的流动状 态、富水程度与供给能力等，将充水水源划分为缓 渗式弱供给、涌溃式快供给、突涌式强供给和无阻 滞式充分供给 4 类。 b. 按照通道渗流畅通性与空间尺寸，将充水通 道划分为低渗流型、高渗流型、小断面自由流管道 型、大断面自由流通道型 4 类。 c. 依据充水水源与充水通道组合引起的水害 威胁程度，将水害危害性级别分为轻微-I、中等-II、 严重-III 与极严重-IV 4 个等级。 d. 借鉴 Piper 三线图地下水水质类型分析方 法，依据充水水源、充水通道以及地下水害威胁程 度的划分，提出“4-4-4 三线图”矿井水害类型与威胁 程度划分和命名方法，该方法简洁明确地体现了矿 井的充水水源、充水通道、充水特征、方位以及水 害威胁程度等水害特征信息，对矿井水害防治工作 具有较强的指导意义。 ChaoXing 第 5 期 虎维岳等 基于充水要素的矿井水害类型三线图划分方法 7 图 3 锦界煤矿水害类型划分与威胁程度分析三线图 Fig.3 Trilinear diagram of mine water hazard type classification and threat degree analysis in Jinjie coal mine e. 根据所提出的划分和命名方法，将唐家会煤 矿划分为“顶板基岩裂隙含水层地下水采动裂缝与 底板岩溶裂隙地下水导水构造顶板涌水与底板 突水复合水害极严重型”矿井，建议该矿水害防治 工作加强导水断层探查与治理；将陕北锦界煤矿划 分为“基岩裂隙含水层与地下水松散含水层采动裂 缝顶板涌水与溃水溃砂复合水害严重型”矿井， 建议矿井水害防治工作重视薄基岩区溃水溃砂水害 问题的分析与治理。 参考文献 [1] 董书宁，虎维岳. 中国煤矿水害基本特征及其主要影响因 素[J]. 煤田地质与勘探，2007，35534–38. 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