煤矿水害基本类型与动态演化类型划分

叶力进，许进鹏，刘统学，鹿存金

（1.宁夏王洼煤业有限公司，宁夏 固原 756000；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116）

矿井突水是煤矿5 大自然灾害之一，煤矿防治水工作是保证矿井安全的重要工作。对矿井水害进行类型划分是防治水工作的基础。认识来源于实践，相关技术人员在对不同矿区的水害认识的基础上，对各自矿区的水害类型进行了划分。梁仕儒等[1]、陈建生[2]、尹会永等[3]、李新凤等[4]、肖有才等[5]、缪协兴等[6]、谢如谦[7]分别介绍了肥城矿区、郑州矿区、山东省、平顶山矿区、神东矿区、福建省等的煤矿水害类型。

除了对不同矿区的矿井水害类型划分，也有文献研究了全国范围内的矿井水害类型划分。李白英等[8]将矿井水害成因分为2 类5 种情况；谢松根[9]将矿井水害划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 类；虎维岳等[10]将水害类型划分为4 种基本类型；武强等[11]详细地将主要水害类型进行了划分：包括按矿井水害的充水水源分类、按可采矿层与充水含水层的彼此位置和接触关系分类、按矿层与充水岩层相对位置分类、按矿井水害的导水通道分类、按矿井水害的危害形式分类、按矿井水害造成的经济损失或人员伤亡分类、按矿井水害发生的时效特征分类。

近年来，随着我国煤矿开采的产量增大及矿区转移，出现了一些新水害类型，随着煤矿防治水技术和研究水平的提高，也需要对矿井水害进行更深层次的划分。为此，国家重点研发计划课题“矿井水害危险源辨识与动态评价技术”课题组在总结前人分类成果，大量收集矿井水害案例的基础上，对矿井基本水害类型进行了总结和局部调整，提出了基于动态演化的矿井水害类型划分方法；其目的是满足快速发展的以动态监测技术为基础的矿井水害防治技术和方法的需要。

1 矿井水害基本类型划分

矿井水害的分类方法很多，如可以按水源划分，可以按水的侵蚀性划分等。每一类划分方法有其对应的应用意义。从认识矿井水害机理及防治要求，最基本的要求还是要认识水源和导水通道。因此，按水源和导水通道划分矿井水害的基本类型。

1.1 分类目的原则及方法

1）基本类型的划分目的。帮助相关技术人员了解掌握各种类型的水害形式。在矿井出水初期，可以根据出水水源和通道，能够根据基本类型迅速对号入座，判别矿井突水类型，确定初步防治方案。

2）基本类型的分类原则。逻辑清楚，标准明确，系统全面，没有重叠。

3）分类方法。矿井水害最主要的2 个因素突水水源和出水通道。因此，划分方案按此进行基本类型划分。首先，基本参照武强院士2013 年划分方案按以上2 个因素进行单因素划分，然后再综合2 个主要因素进行双因素划分。

1.2 按出水水源分类

1）地表水害（取其英文首写字母为其代码s（surface water））。指水源为地表径流及大气降水的水害，包括江河湖海水、地表塌陷坑水、大气降水、地表雪融水等水害。

2）孔隙水害（字母代码p（pore water））。指充水水源为孔隙介质含水层的水害，包括第四系松散层孔隙含水层、第三系松散层孔隙含水层等水害。

3）裂隙水害（字母代码f（fissure water）。指充水水源为裂隙介质含水层的水害，主要为砂岩裂隙含水层水害，包括不同时代的砂岩含水层。

4）岩溶水害（字母代码k（karst water））。指充水水源为岩溶介质含水层的水害，主要有我国北方煤田的太原组灰岩、奥陶系灰岩、寒武系灰岩水害以及南方茅口灰岩水害等。

5）老空水害（（字母代码g（goaf water））。指充水水源为采掘活动造成的充水空间积水的水害，包括本矿井的采空区水害、邻近矿井老空水害、小煤窑开采形成的老采空区水害、废弃井筒水害等。

6）混合型水害。当无以上1 种水源占到70%以上，称为混合型水，其字母代码可以用2 个字母或2个以上字母表明，如kf 表明水源以岩溶水比例为主，其次为裂隙水。

1.3 按突水通道分类

以前划分方法中经常有按照空间关系划分的顶板水害、底板水害，原定义逻辑性差，从空间上看，老空水、地表水等也可能是顶板水。本次定义为：①由顶板垮落带、断裂带为导水通道的水害，称为顶板水害；②由底板破坏带为导水通道的水害，称为底板水害。即顶板水害和底板水害是按导水通道进行划分的。

1）溶陷水害（字母代码C（collapse column））。指由岩溶陷落柱或岩溶塌陷带为通道引起的水害，包括岩溶陷落柱和岩溶塌陷引发的水害。

2）断裂水害（字母代码F（fault）。指由断层和裂隙为通道引起的水害，包括断层和裂隙引发的水害。

3）直揭水害（字母代码E（expose））。指井巷工程及其松动圈直接揭露含水层或水体引起的水害，包括掘进巷道直接出水、井筒直接出水等。

4）顶板水害（字母代码W（water flowing fractured zone））。指由顶板垮落带和断裂带为导水通道的水害，包括导水断裂带导通含水层的水害和垮落带导通含水层的突水溃砂水害。

5）底板水害（字母代码D（destroyed zone））。指由底板破坏带为导水通道的水害，包括工作面底板破坏裂隙水害、巷道底鼓引起的水害等。

6）钻孔水害（字母代码B（bore））。指由人工施工的钻孔为导水通道的水害，包括未封闭钻孔导水、封闭不良钻孔导水、冻结钻孔解冻后导水等。

7）复合型水害。由2 种以上导水通道沟通含水层或水体引起的水害，如顶板导水断裂带沟通断层，断层再沟通含水层。复合型水害的字母代码采用2 个或2 个以上表示，如DF 表明底板断裂带和断层共同导通含水层。

1.4 按双因素综合分类

在以上分类的基础上，可以按水源和导水通道进行综合分类，综合分类方案见表1。

表1 中，其字母代码为通道和水源2 个因素，如导水通道为断层，出水水源为裂隙水；则双因素综合分类为断裂裂隙水害，字母代码组合为Ff。对于复合通道和混合水，字母代码则有3 个以上。如DFk为底板破坏带和断层为导水通道，出水水源为岩溶水；Bfp 为钻孔为导水通道，出水水源为裂隙水和孔隙水；WFfp 为顶板导水裂隙带和断层为导水通道，出水水源为裂隙水和孔隙水。

表1 矿井水害双因素分类方案表Table 1 Basic types of water disasters classified by double-factor

2 基于动态演化规律出水类型

矿井水害的发生过程中，在开采作用和出水过程的影响下，地下水水害呈现动态变化过程。在基本类型划分的基础上进一步基于动态演化规律对水害类型进行划分。

2.1 水源演化类型

在矿井水害发生过程中，由于水源的富水性及补给途径不同，会出现不同的演化方向，主要有：

1）补给量小于出水量（用上标“-”表示）。当含水层富水性较差，受到补给量有限，而出水通道相对较大，会出现补给量小于出水量。此类案例较多，不再列举。

2）补给量等于或大于出水量（用上标“+”表示）。当含水层富水性较好，受到外界一定的补给量，而出水通道相对较小，在表象上会出现补给量等于出水量，而含水层的潜在补给能力可能大于出水量。文献［12］所述为此类型。

3）特殊演化类型（用上标“？”表示）。补给量出现不规则演化，如当直接含水层富水性弱，出水初期可能是补给量小于出水量，但经过一个时间段后，直接充水含水层受到了其它含水层补给，甚至袭夺了地表水，补给量又会大于出水量。文献［13］所述为1 种特殊演化类型。

2.2 突水通道演化类型

在矿井水害发生过程中，除了水源有不同的演化方向，出水通道也会有不同的演化方向，主要有：

1）通道增大型（用上标“+”表示）。在矿井开采及出水过程中，由于采动影响及水力冲刷等作用，导水通道出现逐渐增大或突然增大的演变过程。如不导水断层在采动作用下会发生活化导水；导水断层随着水流冲刷通道会逐渐增大；陷落柱在水流作用下细小物质被带走，也会出现导水通道增大等。文献［14］论述了1 种通道增大型的机理。

2）通道减小型（用上标“-”表示）。在矿井开采及出水过程中，随着采动作用减弱等环境变化，导水通道逐渐减小甚至闭合。如顶板导水裂隙带、底板导水裂隙带都会随着开采活动的减小而通道减小甚至闭合。文献［15］论述了1 种通道减小型的机理。

3）通道稳定型（用上标“=”表示）。指导水通道不发生变化或变化量很小的通道类型。此类型较多，不举例说明。

4）特殊演化类型（用上标“？”表示）。无趋向性变化的类型。如离层水现象[16]。文献［17］分析了1 种通道特殊演化类型。

2.3 双因素演化类型

以上2 节分别说明了水源演化类型和突水通道的演化类型，结合基本水害类型，可以在基本水害类型的基础上，进一步进行基于演化规律的双因素水害类型划分。即在基本类型之上，继续划分演化类型。如底板岩溶水（字母代码Dk），可以继续划分底板岩溶水通道稳定水源减小型（字母代码D=k-）、底板岩溶水通道减小水源减小型（字母代码D-k-）、底板岩溶水通道减小水源增大型（字母代码D-k+）。由于类型较多，不再列举。

3 不同演化类型的特征及判别方法和防治对策

3.1 不同演化类型的出水量特征

由于出水水源和导水通道存在演化的过程，导致出水水量也有一个演化过程，出水水源和通道的演化也决定着出水量的演化。出水水量特征与演化类型关系表见表2。

表2 出水水量特征与演化类型关系表Table 2 Relation of outflow characteristics and evolution types

3.2 不同演化类型的判别方法

与基本类型相比，基于演化规律的矿井水害类型的判别需要更多的资料和更科学的方法，从以下几个方面进行不同演化类型的判别：

1）可以根据含水层和出水通道的性质加以判别。如出水水源为富水性弱、无其它补给的含水层，一般其演化类型为减小型，包括具有此类特征的煤系砂岩含水层、薄层灰岩、松散层孔隙含水层；而巨厚灰岩（如奥陶系灰岩、茅口组灰岩含水层）及与其有水力联系的其它含水层，一般其演化类型为等于或大于型。在通道方面，一般陷落柱为增大型；断层一般为增大型或稳定型；采动破坏带有减小及闭合的可能性。

2）可以根据出水过程中的观测、监测资料加以判别。出水过程中水量、水位等常规观测资料可以作为判别的依据；一些监测资料如电法监测资料、水化学资料，也可以作为判别依据。

3）可以根据邻近矿井或本矿井前期的出水资料进行类比判别。

3.3 基于演化的分类对水害防治的意义

矿井防治水工作中，不仅要根据矿井水害的基本类型采取相应的防治措施，更需要根据其演化规律，对不同演化类型采用不同的防治措施。如矿井防治水工作中的最主要的也是截然相反2 种方法“疏降”和“加固堵水”，就需要针对不同的演化类型加以应用。如果是补给量小于出水量，可以采用疏降的方法；如果是补给量大于出水量，可以采用加固堵水的方法；如果是通道为增大型，同时水源补给量大于出水量（陷落柱导通奥灰即为此类），则应及时注浆封堵；对于通道演化无规律型（如离层水）则应加强监测，掌握变化规律，及时采取应对措施。

4 结 语

依据出水水源和导水通道可以对矿井水害进行基本类型划分，基本类型除了单因素划分方法之外，还可以进行双因素划分，按双因素可以划分为37 种类型。在基本类型划分基础上，还可以根据出水水源和出水通道的演化规律进行演化类型划分。不同的演化类型有着不同出水水量变化规律。基于不同演化类型的水害，可以采用不同的防治方法。