华北型铝土矿床地下水充水水源特征与防治策略

豆靖涛

（河南省地质环境监测院，河南 郑州 450016）

1 地下水矿床充水水源类型

从整个华北地台来看，不同地区，不同的气象、水文条件和不同的地质地貌、水文地质条件下具有不同类型的铝土矿床充水水源以及特定的充水模式，地下水铝土矿床充水水源，根据含水介质及空隙性质的不同，可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水三类。

1.1 孔隙水

指赋存于疏松岩层，如第四系和部分第三系沉积物及坚硬基岩风化壳等孔隙中的地下水。孔隙含水层水的富水性和导水性受孔隙介质的粒度、分选性及充填状况等控制，一般粒度越大，分选性越好，含泥充填物越少，其富水性和导水性越好；反之则差。由于孔隙水的分布及其形成规律直接与松散岩层的形成条件有关，因此不同成因的松散岩层中的孔隙水往往具有不同的分布规律和形成特征。矿床开采中常见的孔隙水源多是洪积物中的地下水和冲积物中的地下水，这类地下水充水水源一般导致矿床涌水量很大。而部分第三系半胶结沉积物中地下水，一般富水性、导水性较弱，补给径流条件较差，矿床涌水量较小。多以排泄储存量为主，初期涌水量有时较大，但随后逐渐减少稳定到一个较小值。

1.2 裂隙水

指赋存于基岩，如各类碎屑岩、岩浆岩、变质岩等坚硬岩层裂隙中的地下水。

由于裂隙的成因和发育程度的不同，裂隙水赋存和运动条件也各异。按岩石裂隙的成因，裂隙水可分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三种类型。按含水裂隙的产状，可分为层状裂隙水和脉状裂隙水两种类型。其中，层状裂隙水和脉状裂隙水中，层状裂隙水对矿床充水的影响较大；脉状裂隙（构造裂隙和岩脉裂隙）水相对影响较小。

裂隙水对矿床的充水影响具有明显的不均匀性，一般沿一定方向的构造线附近的张性裂隙，其富水性和导水性较强，矿床涌水量与裂隙宽度直接相关，这类张性宽裂隙，当与地表水等存在水力联系时，常常造成较大的矿床涌水量。而当裂隙较窄，特别是压性裂隙，一般导、富水性较差，当与地表水无水力联系时，均以消耗储存量为主，来势较猛，消失较快，矿床平均涌水量很小，一般为每天数方至数十方，超过5000m3/d的不多，且随埋深减弱和随季节而变化，绝大多数为弱充水水源。

1.3 岩溶水

系指赋存和运动于碳酸盐岩、硫酸盐岩等可溶岩中的地下水。这种岩溶地下水具有较强的溶蚀搬运作用，并不断地改变和加强着自身的赋存和运动条件。岩溶的形成发育条件，空间形态等受区域地质岩性、气候等因素所控制，表现出很强的区域性等特征。依溶隙空间形态的不同，岩溶地下水可划分为溶隙水、溶洞水和暗河管道水三种。在我国北方一般以溶隙水为主，南方以溶洞水为主，西南则以岩溶管道水为主，形成三种不同的区域性岩溶地下水充水水源。从我国煤类等矿床来看，90%以上的大水矿床，均与岩溶地下水充水水源有关。

岩溶地下水具有如下主要的特征：

（1）富水性空间上变化大。岩溶介质是一种极不均质的含水介质，在岩溶体内，存在着强含水体和弱含水体、均匀含水体和不含水体与集中流动管道等特点。之所以形成这种特点是由于连通程度在不同方向上的差异岩溶发育程度以及各种形态岩溶通道的方向性所致。

（2）导、富水性的各向异性强。当可溶岩层的某一个方向岩溶发育比较强烈，水力联系就好，导、富水性就强，通道系统发育比较完善时，这个方向就成为岩溶水运动的主要方向。因此，导、富水性具有极强的各向异性，在岩溶含水层的不同方向上，透水性能差别很大的特征。

（3）动态变化显著。岩溶地下水其水位动态年变化幅度较大，流量年变化幅度可达数十倍，甚至数百倍。岩溶地下水动态变化对大气降水的反应性灵敏，有的在雨后一昼夜甚至几个小时即可出现峰值。只有在补给水源丰富、补给区分布面积大的地区，其动态变化稳定。

2 地下水水源的充水模式

地下水作为矿床充水水源时，依其与充水特点及其被充矿床体的相互位置关系可划分为直接式充水水源与充水模式、间接式充水水源与充水模式以及自身充水水源与充水模式三种基本类型。

（1）间接充水水源与充水模式。间接充水水源是指充水含水层主要分布于矿床体的周围，但和矿体并未直接接触的充水水源。间接充水水源和充水模式一般分顶板间接式充水和底板间接式充水两种，前者系指主要充水含水层位于矿层冒落带之上，矿层与其之间有隔水层或弱透水层存在，地下水通过构造破碎带、弱透水层充入矿床；后者系指充水含水层位于矿层之下，矿层与其之间有隔水层，或弱透水层存在，承压水通过底板薄弱地段、构造破碎带、弱透水层或导水的岩溶陷落柱等充入矿床。

（2）直接充水水源与充水模式。直接充水水源和充水模式分为直接顶板式、直接底板式和露天开采直接揭穿式三种。直接式充水水源是指充水含水层与矿床体直接接触或矿山工程直接揭露充水含水层，而导致含水层水直接进入矿床的充水含水层。不论何种直接式充水水源和充水模式，只要进行采矿工程活动，都不需要专门的导水通道，就必然会通过开挖或采空面直接进入矿床采掘的坑道，其间无任何阻挡或障碍。

（3）自身充水水源与充水模式。所谓自身充水水源是指矿床体本身就是含水层。一旦对矿床体实施开采，赋存于其中的地下水或通过某种形式补给矿床含水体的水就会涌入坑道形成充水。由于我国煤、铝土矿床等主要矿产本身为隔水介质，一般不含水，故该类型充水模式在国内并不多见。但在国外许多矿山中经常遇到，如孟加拉国的巴拉普库利亚煤矿即是如此。该矿主采VI煤层，层厚平均36m，该层本身就是含水层，而且露头区有第四系含水层水的补给。

3 地下水水源的充水规律和特点

以地下水作为主要充水水源的矿床充水具有如下规律和基本特点：

（1）矿床涌水的导通性及其富水性与充水含水层（介质）的空隙性存在着密切的关系。一般地讲，其充水强度小于受孔隙和岩溶水充水的矿床，受裂隙水充水的矿床影响。而岩溶水和孔隙水中受强岩溶含水层水和卵石层潜水充水的矿床，多为水量较大矿床，发生突水时，一般来势猛、不易疏干、水量大、来势猛，会给矿山带来巨大灾害。同它们相比，多数裂隙水充水时，主要以渗水、淋水为主，发生突水不大，通常不会给矿山带来灾害。

（2）矿床充水量变化规律与充水特点、充水含水层中地下水的水量及其性质有关。通常流入矿床采掘坑道中的地下水往往包含两种性质完全不同的部分：一部分为动储量，该部分水量是以一定的补给和排泄为前提，以地下径流的形式在充水含水层中不断地进行着水交替运动。另一部分为静储量，这部分水量大小及其对矿床充水的能力主要取决于含水层厚度、分布规律、空隙性质以及贮存水的给出能力。当矿床充水含水层中的水以静储量为主，则涌水的特点是初期矿床涌水量较大，随着排水时间的延续，该类矿床易于疏干；当充水含水层以动储量为主，则矿床涌水量相对比较稳定，矿床涌水量的动态特点往往会受充水含水层补给量的动态变化所影响，该类型充水水源则不易疏干。

4 不同充水水源类型的防治策略与方法

不同地质、地貌、水文地质条件下会形成不同类型的矿床充水模式，具有不同类型的矿床充水水源。由于不同类型的充水水源具有不同的发育特征，故给铝土矿山带来的突水模式和致灾强度不同。因此，相应的防治策略和方法亦不相同。

4.1 寒武、奥陶系厚层或巨厚层灰岩强含水层突水

这类灰岩含水层（组）岩溶十分发育，富水性、透水性极强，动、静储量巨大，且紧邻铝土矿床，是造成重大矿床底板型突水事故的主要充水水源。从豫西夹沟矿床突水机理和矿区未来开采地段地质、水文地质条件来看，当具备下述条件之一时，就会存在突水的危险：一是当采掘工作面位于它们的地下径流带及其附近岩溶裂隙比较发育的区域之上时；二是当采掘工作面与它们之间隔水岩层厚度小于一定值、如前述预测预报值或本矿山的经验值，特别是当隔水岩层的完整性遭受采动破坏时；三是虽预留安全隔水层厚度符合相关要求，但在采掘影响范围内隐伏有直达它们的导水断层、组合裂隙带或导水陷落柱、包括岩溶凸起柱时。

对于该类充水水源的防治思路应以预先防范为主，加强采掘过程中的监测、探测工作。防治方法包括建立矿区岩溶地下水动态观测网，实时掌握和分析其动态变化状况，对于第一、二种情况应切实查明矿床隔水底板岩性的物理力学特征、结构组合及厚度变化等，依据前述预测预报值或矿区实际经验值，科学留设安全隔水层厚度。对不能满足隔水厚度要求的就坚决不采，必要时可以铝土矿层为代价，留足留够天然隔水屏障；对于第三种情况应采用可靠有效的手段，及时进行矿床采掘过程中的超前探测工作，发现异常构造，立即暂停开采，开展注浆堵塞治理，或避让绕道开采工作。

4.2 石炭系薄层灰岩弱含水层突水

该类充水水源分布于铝土矿床的上部，常构成顶板型充水的水源。其含水层的富水性、透水性相对较弱，动、静储量相对较小。当它不存在断层、陷落柱等构造与其它强含水层沟通、特别是与地表水发生沟通时，一般不会造成矿床严重的突水事件。不论是坑采、还是巷采均属于既难以避免，又不至于形成严重危害的矿床充水水源。

对于这类充水水源的防治策略和方法，一般采用与矿床开采相平行的疏排水措施。由于该含水层分布面积较大，除非与其它强含水层或地表水体发生沟通外，通常可不采取注浆截流堵水等方法。但应加强矿床采掘过程中的探防水工作，必要时还要对其动态变化实施监测，监测内容包括水位、水质、水温等，以及时防范可能潜在的大的突水隐患。

4.3 裂隙含水层突水

它多分布于矿床上部、二叠系砂岩里，距铝土矿床较远，其间有泥岩、页岩相隔，加之富水性、透水性中等偏弱，一般不会对矿床构成大的突水危险。

对于这类充水水源，通常可不采取专门性的措施，但必要的监测防范工作还是应该做的。

4.4 松散岩类孔隙含水层突水

该类含水层一般分布于铝土矿区的浅部至地表地段，对于夹沟矿区而言，主要涉及未来纵Ⅲ线以北地区。由于地下矿床开采后形成的采空区，在重力等作用下，于采空区的上部自下而上将导致冒落破坏带、采动裂隙带和采动下沉带（通常称之为“上三带”）的产生和发展。其中，冒落破坏带的导水能力最强，采动裂隙带次之，采动下沉带较弱。当上述冒落破坏带直达上覆松散岩类孔隙含水层时，就会产生大的矿床突水事故，大量的水、甚至泥沙溃入采区或巷道。倘若采动裂隙带达至上覆孔隙含水层时，就将发生矿床突水事故，只是在强度上与前者相比较弱罢了。只有当最上部采动下沉带达至或尚未达至上覆孔隙含水层时，才不会发生矿床的突水。当然上述分析不包括隐伏的直通式断层、原生裂隙密集沟通带的导通影响。

对于这类矿床充水水源的防治，除加强采掘过程中的探测工作外，正确留设防水铝土矿柱极为必要。我国煤炭系统《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（简称“三下开采规程”）对此有明确规定，要求孔隙（冲积）含水层下采煤，必须按规程留设防水煤柱和合理控制开采强度。从我国煤矿近20年来的采矿实践看，此举在正常情况下是可以避免突水的。但由于铝土矿床埋藏条件同煤矿床不同，矿床上部覆岩的组成、岩性结构和物理力学特征同煤矿床存在较大的差异。因此，铝土矿床巷采需要根据自身地质条件开展观测研究工作，以更加合理地留设其防水矿柱以及限定采高、科学控制开采的强度。

除此之外，做好孔隙（冲积）含水层的动态监测工作，并力争使矿山具有一定的应急排水能力。

关于孔隙含水层下开采预防突水问题在豫西夹沟矿区未来地下巷采地段不会十分严重。但对于华北地台其它铝土矿区、如豫西渑池段村—雷沟矿区地下开采时，此问题需引起高度的重视。

5 结语

华北地台铝土矿床地下水充水水源，按其成因、属性可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水三类。不同地区，不同的气象、水文条件和不同的地质地貌、水文地质条件下会具有不同类型的铝土矿床充水水源以及特定的充水模式，形成不同的突水规模和突水强度，其防治方法和策略亦不同，需具体问题具体分析，有的放矢，精准施策，方能取得最佳防治成效。