水灾防治(第3章).

第三章矿井突水机理第一节矿井突水指煤矿在正常生产建设过程中突然发生的来势凶猛的涌水现象。突水往往造成严重经济损失甚至人身伤亡事故。矿井突水底板水、顶板水、采空区水、老窑水、地表水等。突水水源矿井突水的原因：①地面防洪措施不当，暴雨山洪冲毁防洪工程，地面水涌入井下。②水文地质条件不清，井巷接近老窑区、充水断层、强含水层、陷落柱，不事先探放水或探放水措施不当，盲目施工。③乱采、乱掘，破坏了防水煤岩柱。④井巷位置不合理，如布置在不良地质条件中或接近强含水层附近，施工后在矿山压力与水压力共同作用下，发生顶板或底板突水。⑤工程质量低劣，井巷严重塌落冒顶，沟通强含水层。⑥井下无防水闸门或虽有防水闸门但未及时关闭。⑦测量错误，导致巷道揭露积水区或含水断层。⑧矿井排水能力不足或排水设备维护不当，水仓不按时清挖，突水时排水设备失效。⑨忽视安全生产方针，思想麻痹大意，丧失警惕，没有严格执行探放水制度、违章作业等。一、矿井突水预兆第二章充水条件第一节充水水源从采掘工作开始，发展到突水，工作面及其附近显示出的某些异常现象称突水预兆。突水预兆①煤壁挂红。此情况一般认为巷道接近积水区。②煤壁挂汗。③发生雾气。④空气变冷。⑤煤壁、岩层内听到“吱吱”的水叫声。⑥底板鼓起。突水前预兆有：二、矿井突水时的应急措施第二章充水条件第一节充水水源①发现有人被堵井下时，各级领导应首先制订营救措施。要判断被堵人员可能躲避的地点，分析其生存条件，制订营救方案。②立即加大排水量，争取缓冲时间。③检查所有排水设施和输电线路，了解水仓现有容量，清挖水沟。④测量涌水地点、涌水量及其变化，记录围岩及巷道破坏变形状况，察看观测孔(水井)水位和泉、河、地表水体的变化，分析判断突水来源、突水量及突水发展趋势，为防止淹井采取必要措施提供依据。⑤检查水闸门关闭是否灵活、严密，并清除淤渣，拆除短轨和架空线，派专人看守，待命关闭。⑥在查明地面水体与突水有关联时，应迅速派人进行堵塞、减少补给量。⑦当排水能力负担不了涌水量时，可因地制宜，采取将涌水引入下山巷道、筑坝蓄水、关闭水闸门，以延长缓冲时间，争取时间增加排水设备，保住矿井。⑧当采取上述措施仍不能阻挡淹井时，井下人员应迅速向安全出口撤退，安全出井。三、矿井突水水源的识别第二章充水条件第一节充水水源(一)水文地质分析法1．煤层底板隔水层变薄，煤层接近强含水层，致使高压水突破隔水层。2．断层使区域含水层与煤层、直接充水含水层接触，地下水发生侧向补给。3．采掘工作面接近或揭露导水陷落柱，或底板有断层、裂隙产生垂向补给。4．工作面接近或揭露封闭不良且与强含水层沟通的钻孔。5．断层带含水并与地表水或冲积层水沟通，获得地表水和冲积层水补给。6．采掘工作面揭露含水层。(二)突水点位置和出水形态分析法分析突水水源时，应以突水点的标高和它位于巷道顶部、底部或矿帮的位置，结合采场的地质、水文地质条件，从周围的含水层水、老窑水、地表水体可能存在水力联系方面去分析。(三)突水携出物分析法观察与收集突水点附近围岩物质对确定水源有很大意义。如携出物中见有铝土页岩，应是下伏强含水层水；另一矿雨季巷道出水携出大量风化灰岩碎块，确定水是来自灰岩露头。老窑水可带出巷道木屑和煤泥等。(四)地下水动态分析法井巷突水前地下水处于相对动平衡状态，在疏放流场中，其流向、水力坡度、水质、水温等都相对稳定，有一定规律。突水后势必打破原平衡状态，在水位、水质、水量等方面应有所反映。可供参考的规律有：1.长观孔、水井、泉群中水位发生剧烈变化的含水层，往往是主要突水水源；不变化的含水层一般不是突水水源。突水后，矿井中老突水点水量明显减少，表明两者为同一水源，反之为不同水源。2.不同含水层中地下水位同时(或先后)发生变化，而含水层的透水性又相类似，那么变化大的含水层是主要突水水源，变化小的是次要水源。3.两个以上含水层同时为突水水源时，含水性强的含水层动态变化小，含水性弱的含水层动态变化大。4.同一含水层由于构造分割成不同块段，突水后，不同段块上水位动态为同步同幅，表明断层透水；同步异幅则是弱透水；异步异幅则是阻水。(五)水质分析法1.单种离子含量对比法①水样若出现白色沉淀，具有H2S臭味，则属于老窑水或煤系砂岩水。②水样中若含有Mn2+、Fe2+，取样后被空气氧化产生Fe2O3沉淀，则此水一定来自薄层灰岩水。③水样中若有NH4+、NO3-、NO2-离子出现，多半是浅层污染的冲积层水或地表水。④水中氡的含量不同水源各不相同，冲积层水中氡的含量比煤系地层中高，径流条件好的奥陶系灰岩水，若属非放射性矿区，其含量小于冲积层水中含量的一半。3.综合要素法综合要素法即利用能反映水质总体特征的多种指标，进行总体对比的方法。指标包括水化学类型、离子含量、总矿化度、硬度范围(碳酸硬度、非碳酸钙硬度、负硬度)、特征比：Ca2+/Mg2+，[Ca+Mg]/[HCO3]，[K+Na]/[Cl]及其他指标等。2．水化学类型判别法该方法是以水质化验资料中的HCO3-、SO42-、Cl-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+等七种离子含量，以毫克当量百分数计，按其中大于25%含量纳入水化学类型命名。在确定不同水源水的背景水化学类型基础上，根据突水点水质分析成果确定突水点的水化学类型，以此进行对比判别，确定水源。不同水源水化学类型分别是：老窑水SO4－Ca或SO4－HCO3•Ca型；冲积层砾石层水HCO3•Cl-Ca型，煤系砂岩水HCO3-Na型；薄层灰岩水SO4•HCO3-Ca；厚层灰岩水HCO3-Ca•Mg型。4.灰色关联度法四、突水类型划分及突水资料的统计规律底板突水类型划分的目的：根据各种突水的不同特点，进行突水资料的科学分类，从而有利于突水资料的统计与突水规律的总结，便于系统、深入地研究突水机理，为底板突水的预测预报研究提供理论依据，同时也有利于现场工作人员采取更具有针对性的水灾防治措施。因此，突水类型的划分应当做到：•分类简洁、概念清晰、内涵丰富、现场适用。(一)突水类型的划分根据突水与断层的关系划分：①断层切穿煤层突水②断层接近煤层突水③断层隐忧较远突水底板突水1.断层突水2.非断层突水④断层隐忧较近突水⑤断层隐忧较远突水底板突水1.特大型突水Q＞50m3/min2.大型突水20m3/min＜Q≤50m3/min3.中、小型突水5m3/min＜Q≤20m3/min按突水量的大小划分：断裂突水为4种类型，即：•灾发型•跳跃型•缓冲型•滞后型煤矿突水A.掘进沟通(断层、陷落柱)型掘进沟通断层型突水掘进沟通陷落柱型突水B.回采影响断层型突水C.回采底板破坏型突水裂隙通道型突水陷落柱通道型突水施龙青、韩进为此根据矿山压力在采场及巷道的分布特点，提出以下的突水类型划分方案：(二)煤矿底板突水资料的统计规律根据突水水源煤矿突水事故可划分四类：地表水体事故松散层(冲积层)水水害事故砂岩类含水层水害事故灰岩岩溶水害事故据不完全统计，我国煤矿85%左右突水事故的水源来自于灰岩岩溶水，这是由中国的聚煤特征与地层结构所决定的。在中国有八个重要的聚煤作用时期，表3-2。表3-2中国主要聚煤期特征地质时代地质符号主要成煤植物成煤强度主要分布区域新生代第三纪R被子植物较强东北、华北、华南中生代晚侏罗～早白垩世J3~K1强东北早、中侏罗世J1~2裸子植物华北、西北东部晚三叠世T3较强华南晚古生代晚二叠世P2蕨类裸子植物强晚石炭世～早二叠世C3~P1华北、华南及西北东部早石炭世C1弱华南早古生代早寒武世Pre~菌藻植物①煤矿开采过程中，各种巷道掘进时发生的突水与采面推进时发生的突水概率相差不大，分别占48%和52%，无论是巷道突水还是采场突水都是以底扳突水为主。②矿山压力是造成采场突水的重要因素，有46%的采场突水与矿山压力直接相关。③所有在矿山压力影响下的突水都有预兆。④断层的导水性与断层的力学性质及其形成时代有着密切的关系。98%的断层突水是由正断层引起的，且其中的85%发生在正断层的上盘。⑤构造对煤层底板具有明显的损伤破坏作用。⑥滑动构造对底扳突水有着重大的影响作用。第二节断层突水机理一、掘进沟通断层型突水第二章充水条件第二节充水通道掘进沟通断层型突水•是指在巷道掘进过程中遇到断层时发生的突水。不受矿山压力的影响或影响极小是这种突水类型的主要特征。(一)断层的类型第二章充水条件第二节充水通道1.富水断层；发生在厚层含水岩层中的张性断层，其断层破碎带的透水性大于两盘岩石的透水性，断层含水丰富，能汇集两盘含水层的地下水。2.导水断层：能沟通各层含水层的断层，即为导水断层。3.阻水断层就是对地下水起阻隔作用的断层，可分为两种：断盘阻水的断层：•断层错动使含水层与隔水层相接触，造成地下阻水墙幕，这种断层本身可以是含水的，也可以是不含水的，它可以阻挡含水层中的地下水流，使含水层的地下水富集。构造岩阻水的断层：•透水岩层中的断层，尤其是压性断层，当其构造岩的进水性远比两盘岩层的透水性小时，即形成地下阻水墙幕，它也能阻挡含水层的地下水流，使地下水富集。第二章充水条件第二节充水通道4.储水断层断层是含水的，其破碎带具有一定的储水空间，但地下水在封闭条件下与附近含水层或含水带没有水力联系或联系极微弱。5.无水断层发生在厚层塑性岩石中的压性和压扭性断层，断层面紧密闭合或构造岩胶结致密，不含水；发生在脆性岩中的断层，早已停止活动，其构造岩带和影响带的孔隙、裂隙完全被后期物质充填胶结，不含水。(二)预兆产生机理第二章充水条件第二节充水通道•掘进沟通型断层突水通常有预兆，主要有：•顶板淋水、两帮及底板渗水•或“凸汗”、底鼓、片帮•淋渗水的水量随巷道的推进有增大的趋势、水质逐渐变浑等现象。•宏观上看不见的微观预兆主要有应力场及温度场的异常。1．宏观预兆产生机理断层两盘位移时的强大摩擦阻力作用，导致断层面附近的两盘岩石破裂，产生大量羽状的扭裂隙和张裂隙，甚至出现分次支断层，于是在断层两盘形成裂隙发育带。断层破碎带的横剖面可以分为两个带：(1)内带——构造岩带由断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩及压片岩等组成。构造岩的导水性取决于构造岩的种类及其孔隙性质，压性断层的构造岩一般为糜棱岩、压片岩，细粒物质较多，孔隙极小，孔隙率也低，一般是起隔水作用。张性断层的构造岩以断层角砾岩等粗大碎块为主，碾磨的细粒物质较少，结构比较疏松，孔隙和孔隙大，导水性较强。扭性断层的构造岩的性质一般介于压性和张性构造岩之间。(2)外带——断层影响带分布在构造岩带的两侧，母岩受断层影响而强烈破坏，产生大量张裂隙、扭裂隙及分支断层，形成裂隙发育带，宽度由数米至十米不等，变化很大，压性断层影响带的宽度常比张性断层影响带大。断层影响带岩石裂隙发育，导水性较强，所以常常成为断层的富水带。2.微观预兆产生机理温度异常的机理：影响井下围岩温度场的因素主要有岩性、地质构造、岩浆活动、地下水活动以及流经巷道或采场的空气和与采掘作业有关的外界条件等，其中地下水活动对围岩温度场的影响最为明显。当低温地下水向下运动时，将引起围岩温度降低，出现低温异常；当深循环的地下水在循环过程中被岩温加热，并在有利的地质条件下向上涌流时，将在通道及其上方引起局部温度升高，形成局部热异常。地下水赋存及循环状况的不同还会引起地温场中地温梯度的变化，水流向下时，地温梯度自上而下逐渐增大；水流向上时，地温梯度自下而上逐渐增大。掘进沟通断层型突水的断层多为富水断层或导水断层，当采掘巷道接近它们时，其附近的岩石中的地温场一定有异常，即人们不能用肉眼观察到的突水预兆。这正是能够利用井下围岩温度场来进行掘进迎头断层突水预测预报的原理。二、回采影响断层型突水采面导水性断层：原先就为导水断层与原先为非导水断层，受到矿压影响后转化为导水断层两种。无论哪一种都要受到矿压的重要影响后转化为导水断层。矿压对该类断层的突水具有重要的控制作用，这是回采影响断层型突水的重要特征。由于矿山压力的影响，非导水断层经过活化后，转化为导水断层而引发的采场突水。在采场支承压力作用下，采场断层的上，下盘