趙亞飛，王經明

(華北科技學院，北京 東燕郊 101601)

黔西北礦區(qū)隱蔽水害致災因素及對策分析

趙亞飛，王經明

(華北科技學院，北京 東燕郊 101601)

通過對黔西北礦區(qū)的調查和會診發(fā)現礦區(qū)各煤礦的主要隱蔽水害致災因素主要為次生離層水，頂板暗河和底板隱伏斷層水，沖溝洪水致災因素和老空積水。認為黔西北礦區(qū)的次生離層水是由于煤層地層具備上部離層空間的形成條件、離層空間的底板的隔水層的完整性沒有遭到破壞、大氣降水補給的離層水3項必要條件而造成的。相似材料模擬試驗再現了次生離層水害的形成過程。暗河水害主要形成于遵義斷拱地區(qū)，其成因為峨眉地幔柱地熱造成的強對流或喜山隆起造成的水位下降的下蝕作用，其位置為斷層或隱伏斷層帶。認為暗河具有很強的偏流效應，造成暗河與裂隙水位的顯著差異。根據致災因素的成因，認為預疏干技術是防治離層水的最佳方法；鉆孔超聲波、雷達探查和利用水位分析可以查明暗河；地面引流或地面封填裂縫可以消除洪水滲入災害；按照《煤礦防治水規(guī)定》布置探放水鉆孔可以消除老空水隱患。

黔西北礦區(qū)；隱蔽水害致災成因；暗河；離層水

0 引言

黔西地區(qū)煤礦資源比較豐富，煤礦較多，中小型煤礦也較多，其中存在著礦區(qū)隱蔽水害致災因素。在貴州安全生產監(jiān)督管理局的組織下，對黔西地區(qū)六十多個煤礦進行調查，調查存在的安全問題以及潛在問題。通過對黔西北部分縣整合煤礦調查和會診，發(fā)現許多煤礦存在著嚴重的隱蔽水害致災因素，對礦井的安全構成嚴重的威脅。這些致災因素已經在某些煤礦造成了災害，例如，2016年7月3日，貴州弘財煤礦發(fā)生一起較大透水事故，造成3人死亡；2016年8月15日納雍縣的中嶺煤礦發(fā)生頂板潰水淹沒工作面災害；2016年8月15納雍縣恒旺煤礦發(fā)生洪水灌入淹井災害。通過現場考察和井下觀察、對黔西北礦區(qū)水文地質條件的分析和對既發(fā)礦井水害的成因分析，該地區(qū)的煤礦主要存在著頂板次生離層水、沖溝洪水灌入、暗河涌水和底板突水等隱蔽水害致災因素。確切地指出煤礦的致災因素、隱蔽水害危險源可能存在的位置、可能發(fā)生的時間，對采取防治措施，確保礦井安全具有很大的意義。

1 黔西北礦區(qū)隱蔽水害類型

(1) 次生離層水害致災因素。次生離層水害是儲存于頂板離層帶內的地下水突然潰入的災害形式，在頂板沒有強含水層的礦區(qū)此類災害的隱蔽性很強，極難預防，極易造成很大的損失。例如2007年3月10日撫順老虎臺煤礦發(fā)生頂板次生離層水害，造成29人死亡；2007年7月4日淮北海孜煤礦發(fā)生次生離層水害，造成5人遇難；銅川照金煤礦發(fā)生頂板次生離層水害，造成12人遇難；貴州納雍中嶺煤礦于2016年7月5日11034工作面在頂板發(fā)生次生離層水害，工作面被淹。此類災害容易形成于頂板存在堅硬砂巖、灰?guī)r或火成巖床的井田。本次調研的礦區(qū)中位于揚子準地臺(Ⅰ級)上揚子臺褶帶(Ⅱ級)黔中早古拱斷褶束(Ⅲ級)的納雍礦區(qū)的中嶺煤礦、富民煤礦、月亮灣煤礦、大偏坡煤礦、左家營煤礦、金欣鑫煤礦頂板存在著龍?zhí)督M上段厚層砂巖，頂板容易形成顯著的離層，在雨季容易產生離層水害。

(2) 頂板暗河和底板隱伏斷層水害致災因素。暗河是云貴湘桂等石灰?guī)r地區(qū)特有的水文地質現象，暗河發(fā)育深度和位置很難從地貌上發(fā)現，因為地形復雜和管道直徑的變化大，物探也難以查明，因此，在煤礦區(qū)該現象就成為隱蔽水害致災因素。黔西礦區(qū)處于揚子準地臺上黔北臺隆遵義斷拱區(qū)內地層區(qū)屬于巖溶型礦區(qū)。調研會診的黔西和金沙礦區(qū)都處于黔西北地層區(qū)內，面臨著暗河致災因素的危險或危害。例如，金沙礦區(qū)的新田煤礦主斜井在掘進過程中，3次揭露玉龍山組灰?guī)r的暗河而造成3次淹井，造成很大的經濟損失；相鄰的林華煤礦以及黔西縣境內的桂箐煤礦鑒于這一隱蔽致災因素，開展了暗河展布規(guī)律的研究，其中林華煤礦發(fā)現4條地下暗河，桂箐煤礦已采區(qū)查明暗河2條。查閱資料[1]得知，黔西礦區(qū)所有煤礦約有23條暗河，金沙礦區(qū)約有33條，大方礦區(qū)約31條，桐梓礦區(qū)約18條，二郎礦區(qū)約15條，遵義斷拱內地層區(qū)共發(fā)育暗河約123條，可見暗河致災因素在黔西北地區(qū)普遍存在。

底板隱伏斷層水害致災因素指煤層底板隱伏導水斷層。此類致災因素在華北型石炭二疊系煤田普遍存在，在華南大羽羊齒煤系的某些煤礦區(qū)也有存在。在遵義斷拱內地層區(qū)的承壓井田存在這種因素，在底板隔水層厚度較小的井田可能造成災害，例如，金沙縣的林華煤礦在底板上山的掘進過程中，揭露一條裂隙帶發(fā)生約180 m3/h的突水，后來在超前探查中有發(fā)生約120 m3/h的鉆孔涌水，迫使上山改道。

(3) 洪水致災因素。黔西北礦區(qū)的洪水致災因素分為兩種形式：大氣降水滲入和溝谷洪水灌入。黔西北礦區(qū)都位于山區(qū)，由于喜山運動影響較大，礦區(qū)的裂隙導水較強，或因為開采深度較小，使得許多大氣降水都滲入地下。在揚子準地臺(Ⅰ級)上揚子臺褶帶(Ⅱ級)黔中早古拱斷褶束(Ⅲ級)區(qū)(納雍礦區(qū))，開采深度較小，導水裂隙帶直接到達地面，大氣降水直接向礦坑充水。例如納雍縣大多數煤礦的開采深度都小于100米，風化裂隙、構造裂隙和采動裂隙三者疊加往往大于該深度，造成大氣降水滲入井下，使得大氣降水和礦井涌水量響應度極高，納雍礦區(qū)的22個煤礦調查得到暴雨造成的礦井實測最大涌水量是正常涌水量的2.24倍。響應時間都在2小時以內。如果某些井田的回采工作面位于沖溝下方的淺部，匯水區(qū)暴雨將集中滲入井下開采空間。例如，納雍縣沙田井田內發(fā)育有兩條沖溝，平行地分布于斜井的兩側，煤礦所有的工作面都位于沖溝下方，沖溝一下方的工作面距離地表均不足100 m，其中10601首采工作面的最小埋深不足30 m；沖溝二下方的工作面最小深度也都不足100 m，頂板垮落以后導水裂隙帶將波及地表，大氣降水和洪水將灌入工作面形成災害。具有此類致災因素的煤礦有恒旺煤礦、木蘭煤礦、興騰煤礦、中嶺煤礦和金發(fā)煤礦。

洪水灌入致災因素在黔西北地區(qū)的某些井筒靠近季節(jié)性流水的沖溝的煤礦是存在的，由于許多沖溝僅在百年一遇的雨季才有水流，所以很多井筒選擇在溝邊。2016年6～7月納雍縣發(fā)生了百年一遇的暴雨，造成了新旺煤礦被淹。此外木蘭煤礦和興騰煤礦發(fā)生了險情，采取了井口沙袋圍堰措施方保平安。

(4) 老空水害隱蔽致災因素。本次調查和會診的煤礦都是由多個小煤礦整合而成的，整合前的小煤礦都是資料不全，開采不規(guī)范的礦井。采空區(qū)的位置，開采范圍資料多為訪問獲得，可信度不高。盡管知道采空區(qū)的位置和范圍資料不可靠，但目前的技術也很難將其探明，因此，老空積水區(qū)構成了黔西北礦區(qū)共同的隱蔽致災因素，某些煤礦已經造成了災害。例如，2016年7月3日，貴州弘財煤礦發(fā)生一起較大透水事故，造成3人死亡。還有某些煤礦發(fā)生險情，例如，納雍縣沙田煤礦10601首采工作面在掘進過程中揭露廢棄的巷道，由于水量不大，沒有造成災害。

2 隱蔽水害致災因素的成因

盡管黔西北礦區(qū)存在著4種隱蔽水害致災因素，但僅頂板次生離層水害、暗河水害兩種致災因素為地質作用，具有學術研究價值，可以將隱蔽致災因素轉化為顯性因素。老空水害致災因素和洪水致災因素為人為因素，沒有地質研究價值。

(1) 次生離層水害致災因素成因分析。次生離層水是儲存于頂板離層帶內的地下水突然釋放而發(fā)生的水害。離層水產生的重要條件是：①在煤層頂板彎曲沉降帶底部存在著一定厚度的堅硬巖層；②其下伏為較為完整的隔水層；③具有充水水源。為了說明水害的產生過程，現對中嶺煤礦11034工作面的淹沒工作面的災害加以分析。2016年7月14日，天降120 mm暴雨，11034工作面水量增加至320 m3/h，15日凌晨在不足20分鐘內約有5000 m3水量突然涌入，流量約為15000 m3/h，造成工作面被淹。由于工作面上方沒有含水層，側方采空區(qū)沒有帶壓積水，地面沒有水體，在井下沒有原生水源的情況下發(fā)生如此大的突水，只能是次生水源。據工作面附近的鉆孔62、65資料，煤層厚度為1.50～1.67 m，頂板上方分別在22.81 m、22.44 m處為厚度分別為11 m、9.60 m的細砂巖，其下為黏土巖，具有良好的隔水性。據計算采礦造成的兩帶高度為19.2 m～19.3 m，即厚層細砂巖和泥巖位于彎曲沉降帶的底部，而不是導水裂隙帶內，符合離層的條件。據氣象記載，2016年6月22日至2016年7月15日，礦區(qū)共發(fā)生了4次暴雨級的降雨，雨量第1次為40 mm，第2次為80 mm，第3次為120 mm，這為離層帶內充水提供了充足的水源。在離層空間充水期間，底板的泥巖遇水而膨脹，將原有的裂隙封堵，使得離層帶的水得以保存。當離層帶頂板發(fā)生斷裂后，對離層水體造成猛烈沖擊，離層帶底板發(fā)生破裂形成水害。

這種分析的準確性可以從相似材料模擬實驗得到證實。模擬的開采條件、頂板巖性、邊界條件為11034工作面。根據相似材料模擬的3個定律，進行了如表1的相似配比。

表1 745工作面次生離層水相似材料和數值模擬參數表

注：材料配比為砂∶碳酸鈣∶石膏。

相似材料模型試驗分別在平面應力模型架及立體模型架上進行，平面模型架模擬高度為1 m，長度為3 m，寬0.3 m。模型中共布置測點55個，其中壓力測點39個，位移測點16個。

觀測發(fā)現，上覆巖層的移動是分層或分組進行的，強度較低的巖層則依附于強度高的厚巖層運動，如圖1。測點#40，#44，#48，#52，距煤層頂面分別為17.5，25.5，43.3，52.3 cm，其中后兩個測點位于火成巖床內。從圖中可看出：①頂板巖體的位移以細砂巖(圖2中灰白色巖層)底面為界分為兩組，下伏泥巖內的兩個測點(測點#40，#44)的垂向位移量顯著大于細砂巖內兩個測點(測點#48，#52)，他們之間的位移量差距明顯，形成離層；②煤層頂板的巖層越靠近煤層位移量越大，測點#40的位移量>測點#44的>測點#48的>測點#52的。靠近煤層的煤系地層頂板發(fā)生的離層較小，但斷裂顯著，靠近厚層細砂巖的煤系地層(圖2中的白色層頂部)發(fā)生的離層顯著，沒有明顯的斷裂，屬于彎曲變形，這意味著離層空腔的圍巖具有一定的隔水性，具備形成離層水包的條件。

圖1 測線2頂板不同層位垂直位移曲線

圖2 相似材料模擬實驗顯示的離層現象

盡管已經在多個煤礦造成過災害，但是這種水文地質現象直到2007年淮北海孜煤礦發(fā)生死亡5人的水害以后才得到較深入的研究[2]，被少數科技人員所認識，后在榆林礦區(qū)紅柳煤礦得到應用[3]，但大多數技術人員仍然沒有認識到該水害的形成條件和危害性。

(2) 暗河和底板水害致災因素成因。在揚子準地臺上黔北臺隆遵義斷拱區(qū)內無地表河流，大氣降水以地下暗河的形式徑流和排泄。二疊系龍?zhí)睹合档貙拥纳戏绞蔷藓竦拈L興組灰?guī)r和玉龍山組灰?guī)r，是暗河發(fā)育的地層。

由于暗河在華南和西南喀斯特地區(qū)普遍發(fā)育，對大壩建設和隧道開挖造成很大威脅和危害，很多水文地質學者都進行了研究，有的學者認為暗河是碳匯作用形成的[4]，有的認為構造運動是主控因素[5]，有的認為地貌和氣候是主控因素[6,7]，還有的認為巖性是主控因素[8]。經過對桂箐煤礦和林華煤礦仔細的調查和分析，認為暗河在華南和西南地區(qū)普遍發(fā)育是地熱作用和下蝕作用的結果。

① 地熱作用。黔北臺隆遵義斷拱區(qū)的煤礦都為無煙煤等高變質礦區(qū)，鏡煤反射率在3～6之間[9]，根據鏡質體反射率對溫度的反演公式[10]，本區(qū)經歷的最高溫度為295～489℃，地熱和CO2的來源為峨眉地幔柱[12,11]。持續(xù)的地幔熱能不但造成了煤炭的高度變質，而且導致了地下水的強烈對流，對流通道就是斷裂,長期的對流和溶蝕使裂隙流變成管道流——暗河。此類暗河主要發(fā)育于煤層底板的茅口組灰?guī)r。

② 下蝕作用。云貴高原是喜馬拉雅隆起的產物，在隆起的過程中，地下水位也相應地下降，黔西北地區(qū)大氣降水通過廣泛分布的石灰?guī)r露頭滲入地下，形成了巖溶洼地和落水洞。在潛水面處，水流由垂直流變?yōu)樗搅鳎@樣就在斷裂發(fā)育的地帶形成地下強徑流帶，灰?guī)r進一步溶解就形成了管道流——暗河。暗河的形成符合裂隙偏流理論，該理論由我國田開銘教授于上世紀80年代創(chuàng)立的[13]，他有效地解決了交叉裂隙的集中徑流問題和水頭的大幅度變化問題。理論證明，寬縫水流的阻力遠較窄縫的小，其內的水位或水頭較低，可以認為暗河是地下水的低水位谷。例如，林華煤礦水淹壩暗河發(fā)育于隱伏斷層帶內，據J1602和0-2鉆孔資料，隱伏斷層與F8斷層的走向基本一致，推測為F8斷層的延伸。因此，此暗河主要沿F8斷層及其隱伏段發(fā)育，總長度為1.9 km左右。暗河處的長興灰?guī)r水位較兩側水位底32 m和36 m。其他的3條地下暗河也都發(fā)育于斷層帶，且也都處于水位谷內。桂箐煤礦暗河處的長興組灰?guī)r的水位也出現這樣的規(guī)律，暗河處于低水位谷底，較兩側水位差達163.06 m，對于陶家壩暗河，井筒內有6條勘探線穿過，其中4條勘探線的第二個鉆孔揭露暗河，水位最低，另外2條勘探線因無鉆孔打中暗河，水位較高，如圖3所示。

圖3 桂箐井田穿過長興組灰?guī)r陶家壩暗河各勘探線水位曲線圖

3 黔西礦區(qū)隱蔽水害防治方法

(1) 次生離層水害的防治。預疏干技術是防治離層水的最佳方法，即在工作面的上下巷道迎著推進方向斜向工作面內一定的間距施工鉆孔與堅硬巖層內的預疏干鉆孔，如圖4所示，使離層空腔的次生水及時排出，并可以使離層水包的水在流出時不影響工作面生產。為了保證在開采過程中鉆孔不會因為超前破壞而堵孔，在鉆孔內下入透水套管。如在中嶺煤礦中雨季時，在雨季于上巷和下巷分別迎著掌子面向煤層頂板堅硬砂巖施工一組鉆孔，并下花套管待水流出，即可避免離層水造成危害。

圖4 離層水疏干工程布置剖面圖

(2) 暗河水害的防治方法。對于暗河水害，應該使用超聲波、雷達在鉆孔內進行探查，然后超前鉆探，注漿截流。另外還可以在井下向頂板裂隙帶內灰?guī)r中施工鉆孔，測試水位和流量，低水位谷處或大流量鉆孔處即為暗河。

(3) 沖溝以及井口洪水水害防治方法。對于井口位于沖溝或河流附近的，應準備足夠黏土袋，在洪水季節(jié)圍堰井筒。對于煤層底板標高大于沖溝底標高的，可以在溝底的下游向工作面下巷打鉆，自然引流尚有滲入的洪水。例如納雍縣沙田煤礦10601首采工作面的距離溝底不足30 m，在沖溝下游的陡坎處向工作面施工108 m的鉆孔即可達到工作面下巷，實現自然排水；其他位于沖溝之下或者距離地表較近的工作面，應該封堵地表塌陷裂縫，減少地表滲入地下的水量。

(4) 老空水害的防治。嚴格執(zhí)行國家《煤礦防治水規(guī)定》中關于老空水探放的相關條款，立即廢除煤監(jiān)局關于納雍縣煤礦老空水探放的上下左右中5個鉆孔的錯誤探放方案。

4 結論

通過對黔西北礦區(qū)的調查和會診、理論分析和實驗模擬，對黔西北礦區(qū)的隱蔽水害致災因素得到以下結論：

(1) 礦區(qū)各煤礦的隱蔽水害致災因素主要為次生離層水，頂板暗河和底板隱伏斷層水，洪水和老空積水。

(2) 黔西北礦區(qū)的次生離層水是由于煤層上方沉降帶底部的地層具備上部堅硬(灰?guī)r和砂巖)，下部軟弱(泥巖和黏土巖)的地層組合，在不均勻彎曲條件下形成了離層空間、離層空間的底板的隔水層的完整性沒有遭到破壞、大氣降水補給這3項必要條件而造成的。相似材料模擬試驗再現了次生離層水害的形成過程，以中嶺煤礦11034工作面的水害為例，證明了離層水的上述成因。

(3)暗河水害主要形成于遵義斷拱地區(qū)，其成因為峨眉地幔柱地熱造成的強對流或喜山隆起造成的水位下降的下蝕作用，其位置為斷層或隱伏斷層帶。認為暗河具有很強的偏流效應，造成暗河與裂隙水位的顯著差異。

(4)預疏干技術是防治離層水的最佳方法；鉆孔超聲波和雷達可以探查出暗河位置，水位分析也可以找到暗河的位置。然后注漿截流，可以消除暗河隱患；地面引流或地面封填裂縫可以消除洪水滲入災害；按照《煤礦防治水規(guī)定》布置探放水鉆孔可以消除老空水隱患。

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Analysis of Hidden Disaster-causing Factors and the Countermeasuresfor Disasters in Northwest Guizhou Mining Areas

ZHAO Ya-fei,WANG Jing-ming

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

Based on the survey and consultation in northwest Guizhou mining area, the major hidden disaster-causing factors were found in the area,such as water formed by overburden stratum separation, underground rivers, hidden fault water in the coal floor,gully water and water in mining area.The water formed by overburden stratum separation was caused under 3 necessary conditions,such as space of separated layers in coal systerm stratums,the integrity of aquifuge in floor of separated layers and atmospheric precipitation in this area.The physical analogue of similar materials reappeared the forming process of stratum separation. The underground river disasters in Guizhou were mainly formed in Zunyi breaking arch area because of strong convective currents produced by terrestrial heat of Emei mantle plume or the incision created by drawdown of water level produced by rising of the Himalayas,and they were formed in fault areas and hidden fault areas. The underground rivers had strong drift effect, and their water levels were obviously different from fractures’ water levels. According to causes of the disaster-causing factors, drainage in advance was the best way to eliminate the water formed by overburden stratum separation;Acoustic borehole, radar detection and analyzing water level can inspect underground rivers.Drainage on the ground and grouting can eliminate infiltration disasters produced by the gully water. According toPreventionandcontrolofcoalminewaterregulations,arranging boreholes to drain away water can eliminate the hidden dangers of goaf water disasters.

Northwest Guizhou mining area;hidden water disaster-caused factors;underground rivers;water in the overburden stratum separation

2016-12-26

趙亞飛(1993-)，男，河北邯鄲人，華北科技學院在讀碩士研究生，研究方向：礦井防治水。E-mail：1026162824@qq.com

TD745.2

A

1672-7169(2017)01-0028-06