王利強

（山西沁和能源集團九鑫煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

在礦井開采過程中，礦坑充水相關(guān)的一系列問題，給工程的實施造成了較為嚴(yán)重的困難[1]。 形成礦坑充水的因素不是固定的，會隨著周圍環(huán)境的作用發(fā)生微妙的改變。 首先是不同特征礦床與含水層相互沖擊的影響[2-3]。 這部分主要是在開采資源的過程中，水文氣象條件、 水文地質(zhì)邊界條件、 補給條件以及徑流條件等均有可能對礦坑產(chǎn)生一定的作用力或者沖擊力；而礦坑本身便具有較強的砂質(zhì)松散性，對比于礦洞相對較為薄弱，無法承受較大水流的沖擊與壓迫，更加容易造成礦坑充水現(xiàn)象的發(fā)生[4]。 礦山地層地下水分布不均。含水層通常儲存著較為豐富的水資源，這些水源大致是由自然水、縫隙水、地表水下滲而形成的，在流動或者下流的過程中，受到巖性的層級控制，一般成分相對較為均一，并且補給的渠道也多種多樣[5]。 因此，需要對礦坑充水的形成及影響因素做出對應(yīng)的分析。

1 礦坑充水安全隱患分析

我國礦山在開采過程中，常會遇到較多的問題及突發(fā)情況，礦坑充水就是其中之一。 在工程施工過程中，常常會因為礦坑充水導(dǎo)致礦洞或者施工區(qū)域大面積坍塌，不僅如此，充水區(qū)域還會使礦山的地質(zhì)環(huán)境受到巨大的損壞，嚴(yán)重的甚至?xí)斐纱笠?guī)模的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，時刻威脅著施工人員的安全[6]。 面對這種狀況，目前多利用物理堵塞的方式來應(yīng)對，但是并不能從源頭上解決問題。 所以，需要對礦坑充水的形成條件及影響因素進行研究分析，以利于制定控制方案。

2 礦坑充水形成條件研究

形成礦坑充水這一問題最為關(guān)鍵的一個因素就是地表水及地下水的運動與流向。 地表水是各個區(qū)域地下水的匯集處與補給源。 但是不同地區(qū)的地下水對于礦坑產(chǎn)生的影響是不同的，這與巖層及巖石的種類與結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系，如表1 所示。

表1 巖層與巖石地表存儲情況

根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)，可以完成對巖層與巖石地表存儲情況的分析與整理。 在此基礎(chǔ)上，由于含水層通常是處于封閉的狀態(tài)，上部弱透水被碎巖石覆蓋，地表水的滲透能力相對較強，所以補給較好，但是相對應(yīng)的排水能力欠佳。 所以，在進行研究分析過程中，可以利用特殊的方式大致測算出含水層存儲水源的實際體積，以此來降低礦坑充水的影響面積[7-8]，如公式（1）所示。

式中：H為含水層存儲水源的實際體積；d為預(yù)設(shè)體積；R為水層范圍作用值。通過上述計算，最終可以得出含水層存儲水源的實際體積。 將得出的數(shù)值代入測算公式中，繼續(xù)計算礦坑充水的極限承載值，如公式（2）所示：

式中：D為礦坑充水的極限承載值；α為補給側(cè)向誤差值；β為地表水滲入速度。 通過上述計算，最終可以得出實際礦坑充水的極限承載值。 此極限值便是礦坑充水的實際承受體積值，超過這個數(shù)值，在施工過程中便會對礦坑造成極大的影響與損害。所以，一般在挖掘礦坑之前，需要對地表層的含水量作出對應(yīng)的控制。

不僅如此，地表水及砂礫層孔隙水的流動與側(cè)向補給通常也是借助地面塌陷或巖溶導(dǎo)水來完成的。 當(dāng)水源流入坑道，原本底層下的侵入巖會由于水源流動的沖擊及壓強產(chǎn)生較大的裂隙，這樣也會導(dǎo)致水源的大量涌入，擴大礦坑的整體面積，造成水量滲入坑道。 井巷施工過程中，會通過坑道依次穿過孔隙層及侵入巖裂隙層，逐漸成為同一個含水體，更容易造成大面積的礦坑充水的現(xiàn)象，具體如圖1 所示。

圖1 礦坑充水形成

根據(jù)圖1 的結(jié)構(gòu)示意圖，最終完成礦坑充水形成條件的分析。 以上便是對礦坑充水形成條件的分析以及簡述。

3 礦坑充水影響因素探析

3.1 徑流循環(huán)

徑流循環(huán)是一種十分常見的礦坑充水誘導(dǎo)因素。 一般較易發(fā)生在亞熱帶季風(fēng)氣候的礦區(qū)開采工程區(qū)之中。 此種礦區(qū)的自然環(huán)境相對較好，四季較為分明，同時氣候溫暖濕潤，降水時間相對集中，寒冷季節(jié)少。 這種環(huán)境雖然有利于礦區(qū)的開采，但是對于礦坑充水問題的產(chǎn)生也有一定推動作用，所以，這樣的環(huán)境造就了循環(huán)徑流現(xiàn)象的產(chǎn)生，加大了礦坑充水的發(fā)生概率。

集中降水是不可避免的，只能依據(jù)特定的方法以及手段來預(yù)防降水給礦山開采造成影響。 徑流循環(huán)一般多出現(xiàn)在5～9月份之間，同時伴隨著大風(fēng)天氣，而相對應(yīng)的礦區(qū)地貌一般為構(gòu)造- 剝蝕低山丘陵，這樣的地形通常是以山體熔巖以及火山碎屑巖所組成，海拔高程也在130～600 m 之間。 為了驗證不同海拔下地表水對巖層的沖擊效果以及徑流循環(huán)的作用范圍，需要利用縱剖面斜側(cè)法來計算出相關(guān)的數(shù)據(jù)，如公式（3）所示。

式中：J為縱剖面凈流循環(huán)范圍；f為側(cè)向切割距離；δ為正向切割距離。 通過上述計算，最終可以得出實際的縱剖面徑流循環(huán)范圍。 巖層與谷地和山脊之間的范圍相對一致，極限高度可以達到約105 m 左右。 礦坑與巖層會呈現(xiàn)出“V”型的橫溝，同時兩側(cè)的剖面也會隨著坡度的增加而發(fā)生變化。 地表水對巖層侵蝕最終流動于不同的巖層裂隙通道之中，水源的沖擊力逐漸成為貫通的通道，最終形成徑流循環(huán)，成為礦坑充水最為常見且重要的影響因素。

3.2 充水通道多變

在礦山施工前，通常都會對周圍的環(huán)境做一定的調(diào)研，避免外部因素對施工產(chǎn)生不利的影響。尤其是礦坑充水，可影響的因素相對較多，需要進一步加強控制與預(yù)防。 不同的礦區(qū)，礦坑充水通道的情況也存在一定的差異： 一些礦區(qū)形成礦坑充水的通道僅有一條，且地表水較淺，對礦坑的采掘產(chǎn)生的影響??；而有的礦區(qū)的充水通水?dāng)?shù)量多，這一類區(qū)域?qū)τ诘V坑的破壞較大。 多條通道同時作用于礦坑，會使地表水、地層水、縫隙水等同時涌出，灌滿整個礦坑，不僅無法施工，對于施工人員的安全也是一種威脅。 面對這種情況，可以利用空向測算法，來對礦坑周圍的充水通道進行測量。 首先可以設(shè)定對應(yīng)的測量環(huán)境，如表2 所示。

表2 充水通道測量

根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)，最終可以得出實際的充水通道測量數(shù)據(jù)。 之后便完成對測量環(huán)境的設(shè)定，依據(jù)得出的信息，結(jié)合周圍環(huán)境情況，計算對應(yīng)的通道數(shù)量，如公式（4）所示。

式中：V為通道數(shù)量；s為地下水涌出預(yù)估量；e為礦坑實際體積；λ為測算允許出現(xiàn)的極限誤差。 通過上述計算，最終可以得出實際的通道數(shù)量。 由于得出的數(shù)值為大致的通道數(shù)量，所以在對礦坑充水進行控制的過程中，尚需考慮其他因素的影響，以更好地得出更為精準(zhǔn)的影響結(jié)果。

3.3 突水特征不明顯

礦坑突水產(chǎn)生的多數(shù)原因是突水特征不明顯造成的。 礦坑突水通常都具有特定的特征及環(huán)境變化，如樹木同方向傾斜、土壤潮濕、地層薄弱等。所以，可以通過這些特征來判斷充水現(xiàn)象的發(fā)生概率。 可以利用對比法，即選取礦區(qū)外的一個參照物作為測定對比目標(biāo)，將礦區(qū)及礦坑周圍的同等級、同種類實物與其進行類比，同時測定計算出對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合得出的充水通道的實際數(shù)量，完成對突水特征的采集與匯總。 隨后，依據(jù)對應(yīng)的特征，對突水點進行挖掘。 需要注意的是，突水點如果在礦坑附近，可以通過特殊的防護手段避免礦坑充水；但如突水點在礦坑之中，則需先利用引流的方式將水側(cè)向引入其他區(qū)域，將水外放至其他區(qū)域，降低礦坑充水的危險性以及破壞程度。

4 實例分析

4.1 對D區(qū)域煤礦礦坑充水現(xiàn)狀簡述

D 礦區(qū)位于我國山西省，主要以煤礦挖掘為主，礦區(qū)的面積約為8.649 8 km2，整體的礦洞深度大致在740～600 m 之間，在開采過程中存在較多的大型礦坑。 這些礦坑多數(shù)呈不規(guī)則的多邊形狀態(tài)，且由于D 礦區(qū)的地理位置以及自然環(huán)境分布，使得大部分礦坑北寬南窄，礦坑中間多分布著0.5 m 左右的裂縫。 另外，礦坑與礦洞之間的距離也存在較大的差異，距離遠的可以達到3.9 m，近的僅為1.2 m。 由于D礦區(qū)是亞熱帶季風(fēng)氣候，所以，全年的降水量相對較為集中，地下含水層以及地表水相對較為充足，且充水通道數(shù)量多，極易出現(xiàn)礦洞沖水的現(xiàn)象，給日常的施工開采造成極大的危害以及影響，相關(guān)的防治手段效果也不明顯，導(dǎo)致多種關(guān)聯(lián)性的災(zāi)害頻發(fā)，影響工程的施工進度。

4.2 D礦區(qū)礦坑充水實例分析

在對D 礦區(qū)礦坑充水現(xiàn)狀做出分析后，也對其形成結(jié)構(gòu)進行分析，最終得出的實際結(jié)果，如表3 所示。

表3 D 礦區(qū)礦坑含水層充水情況

在相同的測試環(huán)境之下，D 礦區(qū)的含水層涌向礦坑的水得到了控制。 這主要是由于加強了對含水層采厚的控制，以此來進一步劃定、堵塞充水的相關(guān)通道，開采深度越大，堵塞效果越好，地層水以及地下水向礦坑進水的概率越低，可以進一步降低礦坑充水發(fā)生的概率，確保工程順利施工。

5 預(yù)防措施

礦坑在挖掘時，極容易挖通礦巖的含水層，導(dǎo)致大量的巖層水外流至礦坑之中，給礦山開采造成不同程度的阻礙與困難。 第一，在施工初期，工作人員要對周圍環(huán)境做出勘察，依據(jù)存在的隱患制定一系列具有針對性的防治方案，以實現(xiàn)危害的預(yù)測與防控。 大部分的問題可以根據(jù)數(shù)據(jù)信息及特征結(jié)構(gòu)推算出來，但是礦坑充水的推測有相當(dāng)難度，應(yīng)格外注意。 第二，應(yīng)注意施工的關(guān)聯(lián)性，地下水的分布范圍通常較為廣泛，在施工過程中，由于外力的沖擊以及壓強時刻發(fā)生著不同的變化，水流的強弱也會發(fā)生變化，因而給工程的實施帶來關(guān)聯(lián)性的影響，甚至導(dǎo)致工程無法達到預(yù)期目標(biāo)。 第三，在開采環(huán)境下，要對開采礦洞以及挖掘礦坑進行測量，以加強對突水水源的控制與引流，可以在礦坑的周圍挖掘不同長度的引流渠，將地下水引出，保持礦坑的安全性和穩(wěn)定性，提升整體工程的質(zhì)量和效果。

6 結(jié)語

通過對礦坑充水原因及影響因素進行研究，在明確礦坑充水安全隱患后，分析礦坑充水形成條件，從徑流循環(huán)、充水通道多變、突水特征不明顯這三個方面分析礦坑充水的影響因素，并進行簡單的實例分析，提出了預(yù)防礦坑突水的有關(guān)措施。 雖然本次研究略有所得，但考慮還有欠缺之處，未來將作出更詳盡的補充研究。