矿井防治水技术研究

煤矿防治水技术研究主讲人：李飞单位：地测科时间：2014年5月22日矿井五大自然灾害水火瓦斯煤尘顶板管理近年来发生的煤矿水灾事故时间煤矿死亡人数直接损失2013、9汾西102011、3王家岭384937万2008、2鸡西142010、3骆驼山282007年较大水灾202第一章我国煤矿防治水害的概貌我国煤田水文地质条件复杂，主要煤产地的华北石炭二叠纪煤田和南方晚二叠世煤田，属于喀斯特水文地质类型煤田，黄淮平原的煤田则受到第四冲积层水的危害。目前，在统配煤矿中，约有18%待开采的煤炭储量受到较为严重的水害威胁。1950年以后，我国煤矿曾发生过数百次突水事故，造成经济损失5亿元以上。由此可见，煤矿水害已成为影响煤矿安全生产的重大关键问题之一，对其进行防治工作具有十分重要的现实意义和长远的战略意义。第一节我国煤矿水害的分布一、水害区的划分根据我国聚煤区的不同地质、水文地质特征，并考虑到矿井水对生产的危害程度，可将我国煤矿划分为6个矿井水害区，如图1-1所示。图1-1中国煤矿水害分区示意图1—华北石炭二叠纪煤田的岩溶—裂隙水水害区；2—华南晚二叠世煤田的岩溶水水害区；3—东北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；4—西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；5—西藏—滇西中生代煤田的裂隙水水害区；6—台湾第三纪煤田的裂隙—孔隙水水害区二、各水害区的概况从表1-1中可看出，我国矿井水害主要分布在华北和华南两个区。其矿井水文地质条件极为复杂，水害十分严重。例如华北石岩二叠纪煤田的煤系基底中奥陶统岩溶—裂隙水水害；黄淮平原新生界松散层水的水害；华南晚二叠世煤田的煤系顶底板灰岩岩溶水水害。而东北侏罗纪煤田虽然存在着裂隙水及第四系松散层水的问题；西藏一滇西及台湾的中、新生代煤田的水文地质条件比较简单，水害问题也不严重。另外第四系水（孔隙水）、地表水体所造成的水害，不同程度地存在于各大类型区内。其中仅黄淮平原煤田（属华北水害类型区）第四系水造成的水害较为严重，在煤田开发过程中，流砂溃入并淹没矿井的事故很多。例如1963年７月徐州新河煤矿502工作面突然溃入冲积层水、流砂和黄泥，淤塞巷道1200m，停产58d。老空水（古井、小窑…）水害，常常造成局部停产或淹井事故，并常有人身伤亡。这种水害几乎所有矿区都存在，危害程度与其所在水害类型区相关。表1-1-1我国煤矿水害区的概况水害分区气候大区年降水量及其覆盖面积的百分数矿井水对生产危害程度附注编号名称1华北石炭二叠系岩溶—裂隙水水害区亚湿润—亚干旱气候区600—1000mm约占70%200—600mm约占20%出水、突水较频繁，涌水量大或特大（1000—123180m3/h）。常常影响生产或淹井，或负担巨大排水费用，采煤和矿井安全都受到严重威胁。由于底部强含水层的威胁，区内中深部下组煤有几百亿吨不能开采。煤田为分布范围大，可采煤层多、储量大、煤矿齐全的焦煤和主焦煤重要产地，对国民经济影响重大。2华南晚二叠统岩溶水水害区湿润气候区1200—2000mm约占95%以上出水、突水很频繁，经常影响生产或淹井，突水量大（2700—27000m3/h），矿井正常涌水量亦大（3000--8000m3/h）。负担巨额排水电费（400-1500万元/a）；地面塌陷严重，井下黄泥突出堵塞井巷。矿井安全受到严重威胁，雨季更危险。由于地面塌陷，每年矿区付出上百万元赔偿费。由于主巷布设在强含水层里，故突水、出水频繁，主要为底板茅口灰岩水，江西是顶板长兴灰岩水。3东北侏罗系裂隙水水害区湿润—亚湿润气候区400—600mm占60%600-800mm占25%一般不影响生产，部分矿区受地表水和第四系松散层水的危害较重，有时造成淹井事故。局部为亚干旱区（15%）4西北侏罗系裂隙水水害区干旱气候区25—75mm占80%75—100mm占80%100-400mm占20%本区严重缺水，存在供水问题，仅少部分地区有地表水和老空水，造成的煤矿水害。局部为亚干旱区5西藏—滇西中生界裂隙水水害区湿润—亚湿润气候区300—600mm占55%800—1000mm占35%1000—2000mm占10%西藏一滇西和台湾中、新生代煤田煤炭储量仅占全国储量0.1%，水文地质条件比较简单，水害也不严重。一小部分为亚干旱区6台湾第三系裂隙—孔隙水水害区湿润气候区1800—4000mm约占95%第二节矿井水害的名词与类型一、矿井水害的名词1、矿井水凡是在矿井开拓、采掘过程中，渗入、滴入、流入、涌入和溃入井巷或工作面的任何水源水，统称为矿井水。2、矿井突水（简称突水）凡因井巷、工作面与含水层、被淹巷道、地表水体或含水的裂隙带、溶洞、洞穴、陷落柱、顶板冒落带、构造破碎带等接近或沟通而突然产生的出水事故，称为矿井空水。3、矿井水害凡影响生产、威胁采掘工作面或矿井安全的、增加吨煤成本和使矿井局部或全部被淹没的矿井水，都称为矿井水害。二、矿井水害的类型造成矿井水害的水源有大气降水、地表水、地下水和老空水。其中地下水按其储水空隙特征又分为孔隙水、裂隙水和岩溶水等。现根据水源分类，把我国矿井水害分成若干类型（表1-1-2），作为防治矿井水害时的参考。表1-1-2矿井水害类型类别水源水源进入矿井的途径或方式发生过突水、淹井的典型矿区地表水水害大气降水、地表水体（江、河湖泊、水库、沟渠、坑塘、池沼、泉水和泥石流）井口、采后冒裂带、岩溶地面塌坑或洞、断层带及煤层顶底板或封孔不良的旧钻孔充水或导水水域汪家寨矿、内蒙古平庄古山矿、辽源梅河一井等老空水水害古井、小窑、废巷及采空区积水采掘工作面接近或沟通时，老空水进入巷道或工作面山西陵川县关岭山煤矿、徐州旗山矿、峰峰四矿等矿区都发生过老空水的水害孔隙水水害第三系、第四系松散含水层孔隙水、流沙水或泥沙等，有时为地表水补给采空冒裂带、地面塌陷坑、断层带或煤层顶、底板含水层裂隙及封孔不良的旧钻孔导水吉林舒兰煤矿、淮南孔集矿，开滦范各庄矿等煤矿区都有裂隙水水害裂隙水水害砂岩、砾岩等裂隙含水层的水，常常受地表水或其他含水层水的补给采后冒裂带、断层带、采掘巷道揭露顶板或底板砂岩水，或者封孔不良的老钻孔导水徐州大黄山煤矿、韩桥煤矿，开滦范各庄矿等煤矿区都有裂隙水水害岩溶水水害薄层灰岩水水害主要为华北石炭二叠纪煤田的太原群薄层灰岩岩溶水（山东省一带为徐家庄灰岩水），并往往得到中奥陶系灰岩水补给采后冒裂带、断层带及陷落柱、封孔不良的老钻孔，或采掘工作面直接揭露薄层灰岩岩溶裂隙带突水徐州青山泉二号井，淮南谢-一矿，肥城大封煤矿、杨庄矿（徐灰），新蜜芦沟矿厚层灰岩水水害煤层间接顶板厚层灰岩含水层，并往往受地表水补给采后冒裂带、采掘工作面直接揭露或地面岩溶塌陷坑江西丰城云庄井煤系或煤层的底板厚层灰岩水（在我国煤矿区主要是华北的中奥陶系厚层（500-600m）灰岩水和南方晚二叠统阳新灰岩水），对煤矿开采威胁最大，也最严重。采后底臌裂隙、断层带、构造破碎带、陷落柱或封孔不佳的老钻孔和地面岩溶塌陷坑吸收地表水峰峰一矿，焦作演马庄矿、冯营矿、中马村矿，淄博北大井均为断层导水淹井，开滦范各庄矿，安阳铜冶矿为中奥灰水通过陷落柱，探孔进入矿井。1、表中矿井水害类型系指按某一种水源或某一种水源为主命名的。然而，多数矿井水害往往是由2—3种水源造成的。单一水源的矿井水害很少。2、顶板水或底板水，只反映含水层水与开采煤层所处的相对位置，与水源丰富与否、水害大小无关。同一含水层，既可以是上覆煤层的底板水，又同时是下伏煤层的顶板水。例如，峰峰矿区的大青灰岩水，既是小青煤层的底板水，又是大青煤层的顶板水。因此，不按此分类。3、断层、旧钻孔、陷落柱等都可能成为地表水或地下水进入矿井的通道（水路），它们可以含水或导水，但是以它们命名的水害，既不能反映水源丰富程度，又不能表明对矿井安全危害和威胁的严重性。因为由它们导水造成的矿井水害有大有小，有的造成不了水害。其危害或威胁的程度，决定于通过它们的水的来源丰富与否。第三节煤矿防治水害的现状与方法一、煤矿防治水害的现状（一）国内现状在突水机理的研究上，曾先后提出了“突水系数”、“等效隔水层”和底板隔水层中存在“原始导高”等概念。经过多年试验、观测与研究，认为底板突水机理是“含水层富水性、隔水层厚度及其存在的天然裂隙、构造断裂与水压、矿压等因素的综合作用结果。”对突水分析采用了统计学方法，力学平衡、能量平衡方法。同时，开始应用井下物探技术，如坑道透视法、井下电法、瞬变电磁法等来预报突水。并在研究、验证预测突水量的数学模型。疏干降压是我国矿井防治水害的主要技术措施。国内除普遍地采用经常性疏干排水外，先后还进行了峰峰矿区和淄博矿区的薄层灰岩水的疏干和降压及邯郸矿区的疏干工作程序和疏干勘探方法。80年代初，在静水与动水条件下注浆封堵突水点、矿区外围注浆帷幕流等都有比较成熟的方法和经验。焦作、峰峰、煤炭坝等矿区都进行过这类工作，近年来又成功地封堵了开滦范各庄矿特大的突水。从60年代起在徐州、枣庄、新汶等煤矿和张马屯铁矿、水口山铅锌矿等不同水文地质条件下的灰岩地层中成功地建造了大型堵水截流帷幕，取得了良好的堵水效果。近年来，峰峰四矿对煤层底板注浆截断岩溶水垂向补给通道，取得了明显的效果，提供了一种截流方法。在井下排水技术水方面，已普遍采用了国产高效率离心式水泵，一些矿区已开始使用高扬程、大流量的潜水泵。除上述水害防治技术外，水害较大矿区都因地制宜地采用了井下探放水、留设各种防水煤（岩）柱、修筑防水闸门等安全技术措施。（二）国外现状目前，国外主要采用主动防护法，即采用地面垂直钻孔，用潜水泵或专门矿井疏干含水层。为了适应预先疏干方法，国外生产了高扬程（达1000m）、大排水量（达5000m3/h）\大功率（2000kW）的潜水泵。其疏干工程已逐渐采用电子计算机自动控制。国外堵水截流方法也有很大发展，建造地下帷幕方法愈来愈受到重视，苏联认为帷幕是今后疏干研究工作的方向之一。目前有些国家利用挖沟机在松散层中修建帷幕；开挖、护壁、清渣流水作业，是当前国外先进的堵水截流技术。但是，现在国外还没有在岩溶地层中建造大型帷幕的实例。为充分利用隔水层厚度，减少排水量，国外正在对隔水层的隔水机理、突水量与构造裂隙的关系、高水压作用下的突水机理以及隔水层稳定必瑟临界水力阻力的综合作用等进行研究。目前预测方法有统计学方法、灾变论方法及现场试验，如水力压裂法等。物探方法也有一定的发展。如德、英、美等国研究槽波地震法探测落差大于煤厚的断层，以及采用井下数字地震仪探测岩层中的应务分布；苏联从超前孔中用无线电波法研究岩溶发育带预防突水等。二、煤矿防治水害的方法如上所述，我国在矿井水害防治方面，已有了比较成熟的技术和措施。如疏干降压、注浆堵水、突水预测和探放水等，详见表5-1-3。其中各种防治方法及应用条件、安全措施等，将在本篇各章里详细介绍。表1-1-3煤矿防治水害的方法简介防治方法应用矿区分类主要内容地表水防治1、在河流（含冲沟、小溪、渠道）的漏水、渗水段铺底，修人工河床、渡槽或河流部分地段改道等2、在矿区外围修筑防洪泄水渠道，在采空区外围挖沟排（截）洪3、填堵通道（指对岩溶地面塌陷及采空区塌陷的处理）4、建闸设站，排队塌陷区积水或防止河水倒灌湖南恩口矿、南桐红岩矿、徐州贾注矿区井下防水设施1、留设防水煤（岩）柱2、设置防水闸门及防水闸墙3、设排水泵房、水仓、排水管路及排水沟等排水系统峰峰各矿、邯郸各矿及其他水大矿区井下探放水1、探放老空水2、探放断层水3、探放陷落柱水4、探放旧钻孔水5、探放含水层水峰峰、井陉、邯郸、淄博和肥城等矿区疏干1、地表疏干从地面施工垂直钻孔，安装潜水泵，抽排含水层水2、地下疏干1）专门疏干矿井、巷疲乏和放水孔2）疏水巷道（1）运输巷道疏干含水层（2）疏水石门（3）疏水平硐3）疏水钻孔（1）井下放水孔疏干（2）井下吸水孔疏干3、联合疏干1）地表疏干与地下疏干同时采用2）多井同时疏干同一含水层广东石碌铜矿匈牙利湖南煤炭坝矿、恩口矿等徐州夏桥井南桐红岩矿苏联北乌拉尔铝土矿湖南煤炭坝矿突水预测1、易于突水的构造部位或地段的预测2、采掘前突水预测3、采掘过程中突水预测4、突