煤矿开采后水文地质特征分析与水害防治技术研究

摘要： 随着煤矿开采深度和强度的不断增加，煤矿开采后的水文地质特征发生了显著变化，水害问题日益突出，严重威胁着煤矿的安全生产。本文深入分析了煤矿开采后水文地质特征的变化，包括含水层结构破坏、水位下降、涌水量变化等方面，并对水害防治技术进行了研究，探讨了疏水降压、帷幕注浆、防水煤岩柱留设等技术的原理、应用条件及效果，旨在为煤矿水害防治提供科学依据和技术支持，确保煤矿开采的安全与可持续发展。

关键词：煤矿开采；水文地质特征；水害防治技术

引言

煤矿开采活动不可避免地会对矿区水文地质条件产生影响，改变地下水的赋存状态和运移规律，从而引发一系列水害问题，如矿井涌水、突水等，这些问题不仅会造成煤炭资源的损失，还可能导致人员伤亡和设备损坏等严重后果。因此，深入研究煤矿开采后水文地质特征变化规律，采取有效的水害防治技术措施，具有重要的现实意义。

1.煤矿开采后水文地质特征分析

1.1含水层结构破坏

煤矿开采过程中，尤其是采用长壁式采煤法等大规模开采方式，会导致上覆岩层发生垮落、断裂和弯曲变形，进而破坏含水层的原始结构。例如，煤层采出后，顶板岩层垮落形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中裂隙带的发育高度往往能够波及到上方的含水层，使含水层的完整性遭到破坏，地下水的径流通道和储水空间发生改变，原本相对稳定的含水层系统变得更加复杂和脆弱。

1.2水位下降

煤矿开采引起的含水层结构破坏以及排水疏干等工程活动，会导致矿区范围内地下水位出现不同程度的下降。一方面，采动裂隙导通含水层后，地下水会在水头压力作用下涌入矿井，矿井持续排水使得含水层的水量不断减少，水位随之降低；另一方面，矿区周边的工农业生产用水也可能进一步加剧地下水位的下降趋势。地下水位下降不仅影响了矿区的生态环境，如导致地表植被枯萎、土地沙化等，还可能引发地面沉降等地质灾害，同时也改变了地下水与地表水之间的水力联系，使水动力条件更加复杂。

1.3涌水量变化

在煤矿开采初期，随着开采面积的扩大和开采深度的增加，矿井涌水量一般呈现逐渐增大的趋势。这是因为开采活动不断揭露新的含水层或使原有含水层的富水性增强，导水通道增多。当开采达到一定程度后，涌水量可能会趋于稳定，但如果遇到地质构造异常带（如断层、裂隙密集带等）或发生突水事故，涌水量会在短时间内急剧增大，对矿井安全生产构成严重威胁。此外，矿井涌水量还具有季节性变化特征，在雨季，大气降水的入渗补给量增加，矿井涌水量往往也会相应增大。

1.4水质恶化

煤矿开采过程中，由于煤层及围岩中含有大量的矿物质和化学成分，在地下水与煤岩相互作用过程中，会发生一系列物理、化学和生物化学反应，导致地下水水质恶化。例如，矿井水中的悬浮物、重金属离子（如铁、锰、铅、锌等）以及硫酸盐、氯化物等含量明显增加，使矿井水呈现酸性或碱性，具有较强的腐蚀性。水质恶化不仅影响了矿井水的回用和排放，还可能对矿区周边的水环境造成污染，进一步破坏生态平衡。

2.水害防治技术研究

2.1疏水降压技术

疏水降压是通过钻孔、巷道等方式将含水层中的水疏放出来，降低含水层的水位和水压，减少矿井涌水的水害威胁。该技术的原理是基于地下水动力学理论，在含水层中布置疏排水工程，形成人工排水通道，使地下水在水头压力差的作用下向疏放点汇聚并排出。

疏水降压技术适用于含水层富水性较强、水压较高且与矿井开采存在直接水力联系的情况。其优点是能够有效降低含水层的水头压力，减少矿井突水的风险，同时还可以回收利用部分疏放出来的水资源。但该技术也存在一些局限性，如疏排水工程投资较大、施工周期较长，且可能会引起地面沉降等环境问题。在实施疏水降压技术时，需要合理确定疏排水方案，优化疏排水工程布置，加强对疏放水量和水位的监测，以确保技术的安全有效实施。

2.2帷幕注浆技术

帷幕注浆技术是在含水层的特定位置通过钻孔向地层中注入水泥浆、化学浆液等材料，形成一道连续的隔水帷幕，截断地下水的径流通道，从而达到防治水害的目的。其技术原理是利用浆液在含水层裂隙中的扩散、凝固和结石作用，填充裂隙空间，提高地层的隔水性能。

帷幕注浆技术适用于含水层厚度较大、富水性较强且分布相对稳定的区域，尤其是在防治矿井底板突水方面具有显著效果。与疏水降压技术相比，帷幕注浆技术对环境的影响较小，能够有效保护地下水资源。但该技术对注浆材料的性能和注浆工艺要求较高，施工过程中需要精确控制注浆参数，如注浆压力、注浆量、浆液配比等，以确保帷幕的质量和隔水效果。

2.3防水煤岩柱留设技术

防水煤岩柱留设是在煤矿开采过程中，根据矿井的水文地质条件和开采方式，在煤层与含水层或导水通道之间预留一定宽度的煤岩柱，以阻止地下水涌入矿井。防水煤岩柱的留设依据是“三下”采煤理论和岩石力学相关原理，通过计算煤岩柱的合理尺寸，使其能够承受含水层的水压和采动附加应力，保持自身的稳定性和隔水性能。

防水煤岩柱留设技术是一种较为传统且应用广泛的水害防治措施，具有施工简单、成本较低等优点。但在实际应用中，需要准确掌握煤层与含水层之间的空间位置关系和地质构造特征，合理确定煤岩柱的尺寸和留设位置，否则可能会因煤岩柱留设不当而导致水害事故的发生。同时，随着煤矿开采深度和强度的增加，对防水煤岩柱的稳定性和隔水性能也提出了更高的要求，需要进一步加强对其力学性能和渗流特性的研究。

2.4地下水动态监测技术

地下水动态监测是煤矿水害防治的重要基础工作，通过在矿区及周边布置地下水监测孔、水位计、流量计等设备，实时监测地下水位、水温、水质、涌水量等参数的变化情况，及时掌握水文地质条件的动态变化趋势，为水害预测预报和防治决策提供科学依据。

地下水动态监测技术应遵循系统性、准确性和及时性的原则，建立完善的监测网络和数据传输处理系统。监测孔的布置应具有代表性，能够覆盖矿区内不同含水层和地质构造区域。同时，要加强对监测数据的分析和处理，运用现代信息技术和数学模型方法，如时间序列分析、灰色系统理论、数值模拟等，对地下水动态变化规律进行深入研究，建立地下水动态预测模型，提高水害预测预报的精度和可靠性。

结论

煤矿开采后水文地质特征发生了复杂的变化，水害防治工作面临着严峻的挑战。通过对煤矿开采后水文地质特征的深入分析，明确了含水层结构破坏、水位下降、涌水量变化和水质恶化等主要特征及其相互关系。针对这些特征，研究了疏水降压、帷幕注浆、防水煤岩柱留设和地下水动态监测等水害防治技术，每种技术都有其适用条件和优缺点，在实际应用中需要根据具体的水文地质条件和开采情况进行合理选择和优化组合。未来，随着煤炭资源开采深度和强度的进一步增加，以及对环境保护要求的不断提高，煤矿水害防治技术将朝着智能化、精细化、绿色化的方向发展。需要进一步加强水文地质基础理论研究，研发新型高效的水害防治技术和装备，完善水害监测预警体系，提高煤矿水害防治的整体水平，确保煤矿安全生产和矿区生态环境的协调发展。

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