《煤矿水害防治理论与技术》-武强

煤矿水害防治理论与技术武强院士国际矿山水协会（IMWA）执委国际矿山水协会（IMWA)中国国家委员会主席国家安全生产监督管理总局技术委员会委员国家煤监局”水害防治”专家组组长中国煤炭工业安全科学技术学会常务理事010-62314681;[e-mail](中国矿业大学,北京)第一节我国煤矿水害类型及分布阴山构造带1贺兰山构造带昆仑秦岭构造带川滇构造带24563图例：（1）华北石炭二叠纪煤田的岩溶——裂隙水水害区；（2）华南晚二叠纪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——孔隙水水害区图1我国煤矿水害分布图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:①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。②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。③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）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。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：①老窖水以静储量为主，静储量与采空区分布范围有关；②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。③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：①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；②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。第三节水灾防治预案与水灾现场处理指挥水灾防治预案一、加强矿井防治水的基础工作1、完善矿井防治水机构设置和人员、队伍配置大水矿区都要成立防治水领导小组。集团公司总经理和矿长分别是防治水的第一责任者，相应的总工程师负技术责任。每个矿要设地测科和钻探队。地测科要有3-4名矿井地质和水文地质人员，负责资料的搜集和分析工作；钻探队要有专业技术员负责钻探资料的搜集和分析工作；有条件的单位要提取吨煤防治水资金，并且落实到实处，如山东肥城矿业集团公司，在集团公司、矿分别设地测副总工程师，具体负责矿井防治水工作；2、加强水文地质条件勘探、做好防治水预测预报工作各煤田和井田在勘探时必须把水文地质情况搞清，给设计、建井、开采提供详实可靠的图纸、资料。3、建立健全防治水管理制度，严格执行防治水的有关规程井田之间的边界煤柱和防煤柱，要按《煤矿安全规程》和有关规定留设。附近有小煤窑开采的矿井，要把其开采范围和与水害有关的情况调查清楚，对大矿有威胁的小煤窑要坚决关掉，决不迁就姑息。4、加强职工技术培训、增强抵御水害的能力要通过不同形式的教育培训，使职工了解透水前的各种预兆及其规律，做到发现透水预兆，能立即停止工作，采取措施，进行处理。为防止突水事故造成人员伤亡，井下要设置安全出口，标出避灾线路，一旦发生突水事故，可以安全撤出险区。矿井发生突水事故后，应立即通知救护队组织抢救。同时，根据事故水源启动全部排水设备加速排水，防止整个矿井被淹。二、水灾预兆（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。（一）现场测量突水量方法1浮标法矿井发生突水后，初期水量一般较小，可在巷道的水沟内测定其水量。选用规整的水沟长5m左右，清除沟内的杂物，选择上、中、下三个断面，测其宽度及3—5个水深值，并用木屑、纸屑作浮标，测量水的流速，反复测量3—5次，采用下式计算突水水量。minm333331603321987365423211/,ttt)hhhWhhhWhhhW(KLQ式中L——水沟测量段长度,m；Wi——水沟断面宽度,m；hi——水沟内水深,m；ti——浮标在乙段内运动的时间,min；K——断面系数。2水泵标定法突水后，一般应增开水泵或增加水泵运转时间，水仓内增加的水量可用下式计算min/m,tSHKNWQ3式中W——水泵的铭牌排水量（m3／min）；N——增开的水泵台数；K——水泵的排水系数，可参照表7-3-2选取；H——t时间内水位上升高度（m）；S——水仓的水平断面面积，m2；t——水位上涨H所用的时间，min3．容积法矿井突水时，如水由下向上充满井下巷道及其它空间，可利用下水平巷道硐室的淹没时间来估算突水量，即minm3/,tSHQtVQ或式中V——下水平巷道的淹没体积，m3：t——淹没时间，min；S——下水平硐室巷道的水平断面，m2；H——在t时间内水位上升高度，m。（二）突水总水量的估算突水抢险过程中，需及时掌握从突水开始到某一时刻的突水总水量，其计算方法如下：1算术迭加法V=Q1t1+Q2t2+Q3t3+……+Qntn，m3式中V——从突水开始到某一时刻止突水总体积，m3Q1~Qn——从突水开始分段计算突水的涌水量，m3/mint1~tn——从突水开始到某一时刻止，与上述涌水量相对应的连续时间段（t1+t2+t3+……+tn=t，min）。2．曲线求积仪法在直角坐标纸上，绘出涌水量变化曲线，其横坐标为时间,纵坐标为涌水量,绘出从突水开始到某一时刻涌水量变化曲线，在曲线图上用求积仪量出坐标轴与曲线所包围的全面积，然后用该面积乘以单位面积所代表的水量，得出水淹没的总体积。水灾现场处理与指挥一、井下发生水灾初期的自救1、井下发生突水后，应立即用最快的方法通知附近地区的人员一起按照《矿井灾害预防和处理计划》中所规定的路线撤出。2、在撤退中，如出路已被水隔断，就要寻找井下位置最高、离井筒和大巷最近的地方暂时躲避.3、如突水区设立水闸门时，在人员撤出后，要立即紧紧关死水闸门，把水流完全隔断。4、水泵房人员在接到突水事故报警后，要立即关闭泵房两侧的密闭门，启动所有水泵.5、突水后，特别是老空区的积水突出以后，往往会从积水的空间放出大量有害气体，如瓦斯、硫化氢等.二、水灾现场处理1、应迅速判定水灾的性质。2、要掌握灾区范围，分析被困人员可能躲避的地点以便迅速组织抢救3、加强通风，防止瓦斯和其他有害气体的积聚和发生熏人等意外事故。4、在排水后进行侦察、抢险时，要防止冒顶、掉底和二次突水。5、在抢救和运送长期被困井下的人员时要采取措施，要防止突然改变他们已适应的环境和生存条件，造成不应有的伤亡。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。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。疏干开采是指对煤层顶板或煤层含水层的疏干；而疏水降压是指对煤层底板含水层而言，其目的是使煤层底板含水层水压降低至采煤安全水压（该部分将在下节论述）。矿井疏干的目的是预防地下水突然涌入矿井，避免灾害事故，改善劳动条件，提高劳动生产率，消除地下水静水压力造成的破坏作用等，是煤矿防治水的一种主要措施。对于大水矿区，为了减少矿井涌水量，应采取截流、浅排和排、供、生态环保三位一