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1、煤矿水害防治理论与技术 武 强 国际水文地质学家协会（IAH）中国国家委员会 副主席 国家安全生产专家组 成员 国家煤监局”水害防治”专家组 组长 中国矿业大学（ 北京) 水害防治与水资源研究所,第一节 我国煤矿水害类型及分布,第二节 矿床充水条件分析,矿床充水的基本条件可分为自然条件和人为条件两大类。（一）自然充水水源 1.大气降水大气降水是地下水的主要补给来源，所有矿床充水都直接或间接地与大气降水有关。但这里所讲大气降水水源，是指矿床直接充水的唯一水源。,2. 地表水水源在有大型地表水体分布（海、湖、大河流、水库、水池）的矿床地区，查清天然条件下和矿床开采后的地表水对矿床开采的影响，是矿区
2、水文地质勘探和矿井水文地质工作的头等重要大事，是评价矿床开采价值的重要内容。 3.围岩地下水水源 围岩地下水充水类型划分: 根据充水岩层性质不同可分为：砂砾石孔隙充水矿床，坚硬岩层裂隙充水矿床，岩溶充水矿床。根据矿层与充水岩层接触关系不同可分为：直接充水矿床，间接充水矿床。 根据矿层与充水岩层相对位置不同可分为：顶板水充水矿床，底板水充水矿床，周边水充水矿床。,1.点状岩溶陷落柱通道岩溶陷落柱在我国北方较为发育，在地下水的长期物理和化学作用下, 中奥陶统灰岩形成了大量的古喀斯特空洞, 在上覆岩层和矿层的重力作用下, 空洞溃塌并被上覆岩层下陷填实，被下塌的破碎岩块所充填的柱状岩溶陷落柱像一导水管
3、道沟通了煤系充水含水层中地下水与中奥陶统灰岩水的联系, 特别位于富水带上的岩溶陷落柱, 可造成不同充水含水层组中地下水的密切水力联系。岩溶陷落柱的地表特征比较明显, 特别在基岩裸露区更为明显。,(二) 充水天然通道矿床充水天然通道主要包括点状岩溶陷落柱、线状断裂（裂隙）带、窄条状隐伏露头、面状裂隙网络（局部面状隔水层变薄或尖灭）和地震裂隙等。,2.线状断裂(裂隙)带通道断裂带是否能够成为充水通道主要取决于断裂带性质和矿床开采时人为采矿活动方式与强度。这里重点分析断裂带的性质，后面问题在充水人为因素部份讲述。,3 窄条状隐伏露头通道 在我国大部分煤矿山, 煤系薄层灰岩含水层和中厚层砂岩裂隙含水层
4、以及巨厚层的碳酸盐岩含水层多呈窄条状的隐伏露头形式与上覆第四系松散沉积物不整合接触. 影响隐伏露头部位多层充水含水层组地下水垂向间水力交替的因素主要有两个.,4.面状裂隙网络(局部面状隔水层变薄区)根据含煤岩系和矿床水文地质沉积环境分析, 在华北型煤田的北部一带, 煤系含水层组主要以厚层状砂岩含水层组为主, 薄层灰岩沉积较少。 在厚层砂岩含水层组之间沉积了以细砂岩、粉细砂岩和泥岩为主的隔水层组. 在地质历史的多期构造应力作用下, 脆性的隔水岩层受力后以破裂形式释放应力, 致使隔水岩层产生了不同方向的较为密集的裂隙和节理, 形成了较为发育的呈整体面状展布的裂隙网络。,二 矿床充水的人为条件 （一
5、）人为充水水源1.袭夺水 由于矿床开采，降落漏斗不断扩展，人工流场强烈改造矿区天然地下水流场，人工地下水流场获得新的补给水源称为袭夺水源。袭夺水源存在下列几种情况；位于矿床地下水排泄区的泉水；位于矿床地下水排泄区的地表水（海、湖、河）体；位于矿床地下水迳流带内的排泄区一侧相邻含水层；相邻水文地质单元地下水。2.老窑水老窑水一般分布在老矿山的浅部，它具有下列充水特点： 老窖水以静储量为主，静储量与采空区分布范围有关；老窖水为多年积水，水循环条件差，水中含有大量H2S气体，并多为酸性水，有较强的腐蚀性。老窑突水一般水势迅猛，硫化氢气体危害性大。,（二） 充水人为通道矿坑充水人为通道包括顶板冒落裂隙
6、带、地面岩溶疏干塌陷带和封孔质量不佳钻孔等。1.顶板冒落裂隙带 采空区冒落后，形成的冒落带和导水裂隙带是矿坑充水的人为通道，其特点如下：当冒落裂隙带发育高度达到顶板充水岩层时，矿坑涌水量将有显著增加，当未能达到顶板充水岩层时，矿坑涌水无明显变化；当顶板冒落裂隙带发育高度达到地表水体时，矿井涌水量将迅猛增加，同时常伴有井下涌砂现象。,2.地面岩溶疏干塌陷带随着我国岩溶充水矿床大规模抽放水试验和疏干实践，矿区及其周围地区的地表岩溶塌陷随处可见，地表水和大气降水通过塌陷坑充入矿井。有时随着塌陷面积的增大，大量砂砾石和泥砂与水一起溃入矿坑。,三 矿床充水强度分析在自然界分布矿床中，单一充水水源和充水通
7、道是少见的。从水文地质剖面可以看出，矿层（体）上部和下部往往分布多个充水含水层组。究竟哪个是充水岩层？哪个不是充水岩层？哪个是强充水岩层？哪个是弱充水岩层？回答这些问题的方法称为矿床充水强度分析。根据矿山调查资料表明，矿床开采后矿井充水强度除取决于充水含水层的富水性、导水性、厚度和分布面积外，还取决于三个防线。第一防线是充水含水层出露和接受补给源的条件；第二防线是充水含水层侧向边界的导水与隔水条件；第三防线是矿层顶、底隔水岩层的隔水条件。,二、 水灾预兆 一般突水事故可归纳为两种情况，一是突水量小于矿井最大排水能力，地下水形成稳定的降落漏斗，迫使矿井长期大量排水；另一种是突水量超过矿井的最大排
8、水能力，造成整个矿井或局部采区淹没。在各类突水事故发生之前，均可能表现出多种突水预兆，下面分别予以介绍。,（一） 一般预兆 （1）煤层变潮湿、松软；煤帮出现滴水、淋水现象，且淋水可由小变大；有时煤帮出现铁锈色水迹； （2）工作面气温降低，或出现雾气及硫化氢气味； （3）有时可闻到水的“嘶嘶”声； （4）矿压增大，发生片帮冒顶及底臌。（二） 工作面底板灰岩含水层突水预兆 （1）工作面压力增大，底板臌起，底臌量可达500mm以上； （2）工作面底板产生裂隙，并逐渐增大； （3）沿裂隙或煤帮向外渗水，随着裂隙的增大，水量增加，当底板渗水量增大到一定程度时，煤帮渗水可能停止，此时水色时清时浊，底板活动
9、时水变浑浊、底板稳定时水色变清； （4）底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并有“嘶嘶” 或刺耳水声；（5）底板发生“底爆”，伴有巨响，水大量涌出，水色乳白或呈黄色。,（三） 冲击层水的突水预兆（1）突水部位发潮、滴水，滴水逐渐增大，仔细观察可发现水中有少量细砂；（2）发生局部冒顶，水量突增并出现流砂，流砂常呈间歇性，水色时清时混，总的趋势是水量、砂量增加，直至流砂大量涌出；（3）顶板发生溃水、溃砂，这种现象可能影响到地表，致使地表出现塌陷坑。,三、 突水后水量估算发生突水后，水量的估算是一项必不可少的工作，根据现场具体条件，迅速而准确地对突水水量做出估算，是突水事故处理和抢救的重要依据。,当突水量
10、增大到不能采用水沟测量时，可选用大巷中较为平直的一段，测量大巷内的水流量，其方法与在水沟内测量相同。采用浮标法测定水量时，系数K可按表7-3-1选择：,第四节 井下防水煤（岩）柱留设,一 防水煤（岩）柱的类型及留设原则在水体下、含水层下、承压含水层上或导水断层附近采掘时，为防止地表水或地下水溃入工作地点，需要留出一定宽度或高度的煤（岩）层不采动，这部分煤（岩）层称为防隔水煤（岩）柱或防水煤（岩）柱。根据防水煤（岩）柱所处的位置，可以分成不同的类型。（一） 常用的防水煤（岩）柱类型 (1)断层防水煤（岩）柱：在导水或含水断层两侧，为防止断层水溃入井下而留设煤（岩）柱，或当断层使煤层与强含水层接触
11、或接近时，为防止含水层水溃入井下而留设的煤柱。,(2)井田边界煤柱：相邻两井田以技术边界分隔时，为防止一个矿井淹没（由突水或矿井报废引起）后影响另一个矿井的安全生产而留设的煤柱。(3)上、下水平（或相邻采区）防水煤（岩）柱：在上、下两水平（或相邻两采区）之间留设的防水煤（岩）柱。 这种煤（岩）柱为暂时性的煤（岩）柱，在上、下两水平（或相邻两采区）开采末期或透水威胁消除后，这部分煤（岩）柱中的煤，仍然可以回收出来。(4)水淹区防水煤（岩）柱：在水淹区（包括老窑积水区）四周和上、下水平留设的防止水淹区水溃入井下采掘工作面的煤（岩）柱。(5)地表水体防水煤（岩）柱：为防止采煤后地表水经塌陷裂缝溃入井
12、下而留设的煤（岩）柱。(6)冲积层防水煤（岩）柱：为防止采煤后上覆冲积层中的强含水层水溃入井下而留设的煤（岩）柱。,(1)在有突水威胁但又不宜疏放（疏放会造成成本大大提高时）的地区采掘时，必须留设防水煤（岩）柱。(2)防水煤柱一般不能再利用，故要在安全可靠的基础上把煤柱的宽度或高度降低到最低限度，以提高资源利用率。为了多采煤炭，充分利用资源，也可以用采后充填、疏水降压、改造含水层（充填岩溶裂隙）等方法，消除突水威胁，创造少留煤柱的条件。(3)留设的防水煤（岩）柱必须与当地的地质构造、水文地质条件、煤层赋存条件、围岩的物理力学性质、煤层的组合结构方式等自然因素密切结合，还要与采煤方法、开采强度、
13、支护形式等人为因素互相适应。(4)一个井田或一个水文地质单元的防水煤（岩）柱应该在它的总体开采设计中确定，即开采方式和井巷布局必须与各种煤柱的留设相适应，否则会给以后煤柱的留设造成极大的困难，甚至无法留设。,（二） 防水煤（岩）柱的留设原则,(5)在多煤层地区，各煤层的防水煤（岩）柱必须统一考虑确定，以免某一煤层的开采破坏另一煤层的煤（岩）柱，致使整个防水煤（岩）柱失效。(6)在同一地点有两种或两种以上留设煤（岩）柱的要求时，所留设的煤（岩）柱必须满足各个留设煤（岩）柱的要求。(7)对防水煤（岩）柱的维护要特别严格，因为煤（岩）柱的任何一处被破坏，必将造成整个煤（岩）柱失效。防水煤（岩）柱一经
14、留设即不得破坏，巷道必须穿过煤柱时，必须采取加固巷道、修建防水闸门和其它防水设施，保护煤（岩）柱的完整性。(8)留设防水煤（岩）柱所需要的数据必须在本地区取得。邻区或外地的数据只能参考，如果需要采用，应适当加大安全系数。(9)防水岩柱中必须有一定厚度的粘土质隔水岩层或裂隙不发育、含水性极弱的岩层，否则防水岩柱将无隔水作用。,第五节 矿井水害主要防治方法,一 、井下探放水 （一） 探放水概述 1。探水的目的 探水系指采矿过程中用超前勘探方法，查明采掘工作面顶底板、侧帮和前方的含水构造（包括陷落柱）、含水层、积水老窑等水体的具体位置、产状等，其目的是为有效的防治矿井水害做好必要的准备。,2。 探水
15、的原则采掘工作必须执行“有疑必探，先探后掘”的原则，因而遇到下列情况之一时，必须探水。(1)接近水淹的井巷、老空、老窑或小窑时。(2)接近含水层、导水断层、含水裂隙密集带、溶洞和陷落柱时，或通过它们之前。(3)打开隔离煤柱放水前。(4)接近可能与河流、湖泊、水库、蓄水池、水井等相通的断层破碎带或裂隙发育带时。(5)接近可能涌（突）水的钻孔时。(6)接近有水或稀泥的灌浆区时。(7)采动影响范围内有承压含水层或含水构造，或煤层与含水层间的隔水岩柱厚度不清，可能突水时。(8)接近矿井水文地质条件复杂的地段，采掘工作有涌（突）水预兆或情况不明时。(9)采掘工程接近其它可能涌（突）水地段时。,（二 ）探
16、放老空水小煤窑或矿井采掘的废巷老空积水，其几何形状极不规则，积水量大者可达数百万立方米，一旦采掘工作面接近或揭露它们时，常常造成突水淹井及人身伤亡事故，故必须预先进行探放老空水。1。探放水工程设计内容 (1)探放水巷道推进的工作面和周围的水文地质条件，如老空积水范围、积水量、确切的水头高度（水压）、正常涌水量，老空与上、下采空区、相邻积水区、地表河流、建筑物及断层构造的关系等，以及积水区与其它含水层的水力联系程度。,(2)探放水巷道的开拓方向、施工次序、规格和支护形式。(3)探放水钻孔组数、个数、方向、角度、深度和施工技术要求及采用的超前距与帮距。(4)探放水施工与掘进工作的安全规定。(5)受水威胁地区信号联系和避灾路线的确定。(6)通风措施和瓦斯检查制度。(7)防排水设施，如水闸门、水闸墙等的设计以及水仓、 水泵、管路和水沟等排水系统及能力的具体安排。(8)水情及避灾联系汇报制度和灾害处理措施。(9)附老空位置及积水区与现采区的关系图、探放水孔布置的平面图和剖面图等。,
