矿坑充水的形成及影响因素分析

王利强

（山西沁和能源集团九鑫煤业有限公司，山西 晋城 048200）

在矿井开采过程中，矿坑充水相关的一系列问题，给工程的实施造成了较为严重的困难[1]。 形成矿坑充水的因素不是固定的，会随着周围环境的作用发生微妙的改变。 首先是不同特征矿床与含水层相互冲击的影响[2-3]。 这部分主要是在开采资源的过程中，水文气象条件、 水文地质边界条件、 补给条件以及径流条件等均有可能对矿坑产生一定的作用力或者冲击力；而矿坑本身便具有较强的砂质松散性，对比于矿洞相对较为薄弱，无法承受较大水流的冲击与压迫，更加容易造成矿坑充水现象的发生[4]。 矿山地层地下水分布不均。含水层通常储存着较为丰富的水资源，这些水源大致是由自然水、缝隙水、地表水下渗而形成的，在流动或者下流的过程中，受到岩性的层级控制，一般成分相对较为均一，并且补给的渠道也多种多样[5]。 因此，需要对矿坑充水的形成及影响因素做出对应的分析。

1 矿坑充水安全隐患分析

我国矿山在开采过程中，常会遇到较多的问题及突发情况，矿坑充水就是其中之一。 在工程施工过程中，常常会因为矿坑充水导致矿洞或者施工区域大面积坍塌，不仅如此，充水区域还会使矿山的地质环境受到巨大的损坏，严重的甚至会造成大规模的地质灾害发生，时刻威胁着施工人员的安全[6]。 面对这种状况，目前多利用物理堵塞的方式来应对，但是并不能从源头上解决问题。 所以，需要对矿坑充水的形成条件及影响因素进行研究分析，以利于制定控制方案。

2 矿坑充水形成条件研究

形成矿坑充水这一问题最为关键的一个因素就是地表水及地下水的运动与流向。 地表水是各个区域地下水的汇集处与补给源。 但是不同地区的地下水对于矿坑产生的影响是不同的，这与岩层及岩石的种类与结构有密切的联系，如表1 所示。

表1 岩层与岩石地表存储情况

根据表1 的数据，可以完成对岩层与岩石地表存储情况的分析与整理。 在此基础上，由于含水层通常是处于封闭的状态，上部弱透水被碎岩石覆盖，地表水的渗透能力相对较强，所以补给较好，但是相对应的排水能力欠佳。 所以，在进行研究分析过程中，可以利用特殊的方式大致测算出含水层存储水源的实际体积，以此来降低矿坑充水的影响面积[7-8]，如公式（1）所示。

式中：H为含水层存储水源的实际体积；d为预设体积；R为水层范围作用值。通过上述计算，最终可以得出含水层存储水源的实际体积。 将得出的数值代入测算公式中，继续计算矿坑充水的极限承载值，如公式（2）所示：

式中：D为矿坑充水的极限承载值；α为补给侧向误差值；β为地表水渗入速度。 通过上述计算，最终可以得出实际矿坑充水的极限承载值。 此极限值便是矿坑充水的实际承受体积值，超过这个数值，在施工过程中便会对矿坑造成极大的影响与损害。所以，一般在挖掘矿坑之前，需要对地表层的含水量作出对应的控制。

不仅如此，地表水及砂砾层孔隙水的流动与侧向补给通常也是借助地面塌陷或岩溶导水来完成的。 当水源流入坑道，原本底层下的侵入岩会由于水源流动的冲击及压强产生较大的裂隙，这样也会导致水源的大量涌入，扩大矿坑的整体面积，造成水量渗入坑道。 井巷施工过程中，会通过坑道依次穿过孔隙层及侵入岩裂隙层，逐渐成为同一个含水体，更容易造成大面积的矿坑充水的现象，具体如图1 所示。

图1 矿坑充水形成

根据图1 的结构示意图，最终完成矿坑充水形成条件的分析。 以上便是对矿坑充水形成条件的分析以及简述。

3 矿坑充水影响因素探析

3.1 径流循环

径流循环是一种十分常见的矿坑充水诱导因素。 一般较易发生在亚热带季风气候的矿区开采工程区之中。 此种矿区的自然环境相对较好，四季较为分明，同时气候温暖湿润，降水时间相对集中，寒冷季节少。 这种环境虽然有利于矿区的开采，但是对于矿坑充水问题的产生也有一定推动作用，所以，这样的环境造就了循环径流现象的产生，加大了矿坑充水的发生概率。

集中降水是不可避免的，只能依据特定的方法以及手段来预防降水给矿山开采造成影响。 径流循环一般多出现在5～9月份之间，同时伴随着大风天气，而相对应的矿区地貌一般为构造- 剥蚀低山丘陵，这样的地形通常是以山体熔岩以及火山碎屑岩所组成，海拔高程也在130～600 m 之间。 为了验证不同海拔下地表水对岩层的冲击效果以及径流循环的作用范围，需要利用纵剖面斜侧法来计算出相关的数据，如公式（3）所示。

式中：J为纵剖面净流循环范围；f为侧向切割距离；δ为正向切割距离。 通过上述计算，最终可以得出实际的纵剖面径流循环范围。 岩层与谷地和山脊之间的范围相对一致，极限高度可以达到约105 m 左右。 矿坑与岩层会呈现出“V”型的横沟，同时两侧的剖面也会随着坡度的增加而发生变化。 地表水对岩层侵蚀最终流动于不同的岩层裂隙通道之中，水源的冲击力逐渐成为贯通的通道，最终形成径流循环，成为矿坑充水最为常见且重要的影响因素。

3.2 充水通道多变

在矿山施工前，通常都会对周围的环境做一定的调研，避免外部因素对施工产生不利的影响。尤其是矿坑充水，可影响的因素相对较多，需要进一步加强控制与预防。 不同的矿区，矿坑充水通道的情况也存在一定的差异： 一些矿区形成矿坑充水的通道仅有一条，且地表水较浅，对矿坑的采掘产生的影响小；而有的矿区的充水通水数量多，这一类区域对于矿坑的破坏较大。 多条通道同时作用于矿坑，会使地表水、地层水、缝隙水等同时涌出，灌满整个矿坑，不仅无法施工，对于施工人员的安全也是一种威胁。 面对这种情况，可以利用空向测算法，来对矿坑周围的充水通道进行测量。 首先可以设定对应的测量环境，如表2 所示。

表2 充水通道测量

根据表2 中的数据，最终可以得出实际的充水通道测量数据。 之后便完成对测量环境的设定，依据得出的信息，结合周围环境情况，计算对应的通道数量，如公式（4）所示。

式中：V为通道数量；s为地下水涌出预估量；e为矿坑实际体积；λ为测算允许出现的极限误差。 通过上述计算，最终可以得出实际的通道数量。 由于得出的数值为大致的通道数量，所以在对矿坑充水进行控制的过程中，尚需考虑其他因素的影响，以更好地得出更为精准的影响结果。

3.3 突水特征不明显

矿坑突水产生的多数原因是突水特征不明显造成的。 矿坑突水通常都具有特定的特征及环境变化，如树木同方向倾斜、土壤潮湿、地层薄弱等。所以，可以通过这些特征来判断充水现象的发生概率。 可以利用对比法，即选取矿区外的一个参照物作为测定对比目标，将矿区及矿坑周围的同等级、同种类实物与其进行类比，同时测定计算出对应的数据信息，结合得出的充水通道的实际数量，完成对突水特征的采集与汇总。 随后，依据对应的特征，对突水点进行挖掘。 需要注意的是，突水点如果在矿坑附近，可以通过特殊的防护手段避免矿坑充水；但如突水点在矿坑之中，则需先利用引流的方式将水侧向引入其他区域，将水外放至其他区域，降低矿坑充水的危险性以及破坏程度。

4 实例分析

4.1 对D区域煤矿矿坑充水现状简述

D 矿区位于我国山西省，主要以煤矿挖掘为主，矿区的面积约为8.649 8 km2，整体的矿洞深度大致在740～600 m 之间，在开采过程中存在较多的大型矿坑。 这些矿坑多数呈不规则的多边形状态，且由于D 矿区的地理位置以及自然环境分布，使得大部分矿坑北宽南窄，矿坑中间多分布着0.5 m 左右的裂缝。 另外，矿坑与矿洞之间的距离也存在较大的差异，距离远的可以达到3.9 m，近的仅为1.2 m。 由于D矿区是亚热带季风气候，所以，全年的降水量相对较为集中，地下含水层以及地表水相对较为充足，且充水通道数量多，极易出现矿洞冲水的现象，给日常的施工开采造成极大的危害以及影响，相关的防治手段效果也不明显，导致多种关联性的灾害频发，影响工程的施工进度。

4.2 D矿区矿坑充水实例分析

在对D 矿区矿坑充水现状做出分析后，也对其形成结构进行分析，最终得出的实际结果，如表3 所示。

表3 D 矿区矿坑含水层充水情况

在相同的测试环境之下，D 矿区的含水层涌向矿坑的水得到了控制。 这主要是由于加强了对含水层采厚的控制，以此来进一步划定、堵塞充水的相关通道，开采深度越大，堵塞效果越好，地层水以及地下水向矿坑进水的概率越低，可以进一步降低矿坑充水发生的概率，确保工程顺利施工。

5 预防措施

矿坑在挖掘时，极容易挖通矿岩的含水层，导致大量的岩层水外流至矿坑之中，给矿山开采造成不同程度的阻碍与困难。 第一，在施工初期，工作人员要对周围环境做出勘察，依据存在的隐患制定一系列具有针对性的防治方案，以实现危害的预测与防控。 大部分的问题可以根据数据信息及特征结构推算出来，但是矿坑充水的推测有相当难度，应格外注意。 第二，应注意施工的关联性，地下水的分布范围通常较为广泛，在施工过程中，由于外力的冲击以及压强时刻发生着不同的变化，水流的强弱也会发生变化，因而给工程的实施带来关联性的影响，甚至导致工程无法达到预期目标。 第三，在开采环境下，要对开采矿洞以及挖掘矿坑进行测量，以加强对突水水源的控制与引流，可以在矿坑的周围挖掘不同长度的引流渠，将地下水引出，保持矿坑的安全性和稳定性，提升整体工程的质量和效果。

6 结语

通过对矿坑充水原因及影响因素进行研究，在明确矿坑充水安全隐患后，分析矿坑充水形成条件，从径流循环、充水通道多变、突水特征不明显这三个方面分析矿坑充水的影响因素，并进行简单的实例分析，提出了预防矿坑突水的有关措施。 虽然本次研究略有所得，但考虑还有欠缺之处，未来将作出更详尽的补充研究。