煤矿水害综合防治技术讲座

河南工程学院王国际电话：[phone]E-mail:[e-mail]第一部分我国煤矿水害治理技术现状一、我国煤矿水害的基本特征•我国是世界最大的产煤国，煤炭产量比整个欧洲国家煤炭产量的总和还要多。但是，随着我国煤矿开采规模的迅速扩大，开采深度的不断增加，开采时所承受的水压越来越大。近年来，煤矿井下突水事故呈增加趋势，轻者影响矿井正常生产，造成经济损失，重者造成矿井局部或全部被淹，甚至造成重大的人员伤亡事故，我国煤矿已成为受水灾危害最严重的国家之一。•据不完全统计，在过去的5年里，全国有300多个矿井由于突水被淹没，死亡1360多人，经济损失高达600多亿元人民币。底板高压水通过导水构造突入矿井、采空区及老窑积水突入矿井的水灾事故占水灾事故的85%以上。•华北地区受底板承压水威胁的矿区较多，由于奥陶系灰岩富水性强、水压高、补给水源区域广、隔水层薄，而区内断裂构造及陷落柱较发育，致使华北地区煤矿重特大突水事故多发。奥陶系灰岩•其中，太行山东麓各矿区在开采石炭、二叠纪煤层时，频繁发生突水事故。特别是当煤层底板隔水层太薄或断层破碎带削弱了底板隔水层强度，而无法承受底板水头压力时，导致突水次数增多、突水强度增大。•许多矿区奥陶系喀斯特溶洞发育，使上覆岩层陷落或裂隙发育，塌陷裂隙把灰岩岩溶承压水突然导入矿井引发突水事故，其后果往往是灾难性的。喀斯特溶洞•由于大量乡镇煤矿无序开采，导致矿井之间的隔水煤柱遭到破坏，使得废弃矿井、老空区积水瞬间溃入采掘巷道，造成严重灾害的现象近年来呈多发趋势。•1986~1995年、2000~2005年期间，由于煤炭企业规模迅速扩张，是我国煤矿水灾最为严重的时期，当时华北各矿区以及广东、广西、湖南、山西等矿区连续发生了多起灾难性突水淹井事故。•2006年以来，国家安全监察总局对矿井水灾防治工作监管力度加大，我国煤矿水害事故呈现出逐年减少的趋势，但重特大事故并没有降下来。•随着科学技术的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了很大的提高，矿井生产和建设规模迅速扩张，而矿井水灾防治技术的发展远不能适应矿井生产与防治水灾工作的需求，从而形成了某些矿区矿井突水事故、死亡人数及经济损失的反弹和上升，特别是重、特大型矿井突水事故时有发生。通过近年来对我国一些突水事故的调查与分析，总结出我国煤矿水害事故有如下特点：①重特大水灾事故增多，事故后果严整，社会影响面大。②重特大水灾事故多是底板高压突水和老空老窑突水。③大的水灾事故主要源自华北型煤田。④水灾事故与矿井防治水措施落实不到位有着密切的关系。在近期发生的突水事故中70～80%的矿井防治水措施落实不到位，矿井水灾防治技术人员缺乏，安全管理水平低下。⑤突水事故的高发期往往出现在煤炭工业的快速发展期，矿井超设计能力生产往往是水灾事故孕育和发生根本原因。⑥矿井涌水量随季度变化较大，汛期是水灾事故多发期，大量的降水致使地面河流、湖泊水位上升，造成淹井事故。•煤矿突水事故所造成的经济损失是巨大的。•如我国永城、井陉、淄博、郑州、新汶等矿区均发生过突水量在50m3/min以上的重大突水事故，各矿区总排水量均大于500m3/min。吨煤排水成本为10～40元，占原煤成本中的比例较大，年排水费高达数千万元，部分矿区由于排水费用过高，长期亏损，严重影响到企业的发展。•据统计，目前我国受水害威胁的矿井8000多处，核定生产能力占总产量的60%以上。其中受水患威胁比较严重的矿井有3000多处，煤炭产量15亿吨，占总产量的60%，这种局面严重影响到各矿区的安全生产，影响矿井的正常接替，阻碍煤炭企业的发展。•华北的一些主要矿区，如焦作、峰峰、邯郸、邢台、井陉、淄博、肥城、韩城、郑州、永城等矿区受水威胁的储量占矿井总储量的80%以上。因此，不迅速解决水灾事故上升问题，煤矿安全生产形势难以扭转。•目前不少矿井已进入深部开采，个别矿井开采标高已超过-800m，最深的已过-1000m。煤层底板承受岩溶承压水的水压已达6～7MPa，而开采煤层与其下伏的灰岩岩溶含水层之间的隔水层厚度一般只有8～40m，突水的机率增大，淹井事故也逐年上升。矿井水灾已成为影响煤矿安全生产的重大问题之一，水灾防治工作已经成为各矿区保证安全生产所必须面对的重大研究课题之一。二、我国华北各矿区矿井水害防治技术现状•近年来，国家安全监察总局、各省市煤矿安全监察局以及各级煤炭行业管理部门、煤炭企业已经把矿井水灾防治工作列入重要议事日程。新出台的《煤矿防治水规定》对矿井防治水工作提出了更高的要求。1.建立健全水灾防治组织机构。2.进一步完善了矿井水灾防治措施。3.各煤炭企业必须设专职主要管理人员主抓矿井水灾防治工作。4.各煤矿必须健全矿井水文地质图件、水文地质台帐。5.必须按相关法律、法规、规程及标准要求建立专业的探放水队伍，配备探放水技术装备。6.必须建立完善的矿井主排水系统，并保证其可靠性。7.制定矿井中长期防治水规划和年度防治水计划、汛期防洪计划，为防治水工作做好充分的思想准备、物质准备和组织准备。各矿区对水灾防治工作进行了全方位整改:•受底板灰岩水威胁的华北各矿区在水灾防治策略方面基本上理清了思路，认真贯彻“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水方针，确立了以疏放结合的带压开采为主的防治水策略。•肥城、焦作、永城及郑州等矿区近几年大力开展了对二1煤底板进行注浆改造方面的研究，部分矿区在底板改造方面取得了重大研究成果，并逐步得到了推广应用。从我国各矿区水灾防治工作的全局来看，还存在有明显不足的问题。主要表现:1.在矿井水灾防治专业技术人员严重缺乏，对水灾防治工作的重大问题研究深度不够；2.少数煤矿对水灾防治工作的认识不够深入，投资力度不够，安全技术措施制定不规范，落实不到位；3.各矿区水文地质工作不够规范，缺少强有力的专业技术措施；4.尽管有些煤矿建立起了水文地质台帐、水文地质图件等，但由于日常的矿井地质和水文地质工作不够规范，对矿井水文地质的变化情况掌握不够，对未来水灾隐患预测不准；5.对矿井主要的突水水源、各含水层的涌水特性、涌水量及突水压力认识模糊，对带压开采所存在的潜在危险认识不足；6.个别煤矿由于井田勘探程度不够，对井田内的地质构造掌握不清，对矿井的突水机理、容易发生突水的区域、矿井涌水量随季度的变化规律认识不足；7.相当一部分煤矿主排水系统及次级排水系统还不够完善，所配备的排水设备能力偏小，综合排水能力达不到水灾防治要求；8.主排水系统安全设备存在缺陷，相当一部分煤矿主排水管路没有实现双电源供电；9.矿井主水仓不符合《煤矿安全规程》要求，水仓容量不够，水仓淤煤没有得到及时清理，有效容积没有得到充分发挥；10.一部分矿井没有按要求进行每年一度的水泵联合试运转演习，对主排水系统的实际排水能力掌握不够；11.相当一些煤矿没有坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，物探工作基本没有进行，钻探工作不够规范，探水过程中的安全技术措施不够完善，存在盲目掘进，盲目开采的现象；12.部分矿区注浆堵水工作开展得不够及时，注浆堵水技术普及率太低，专业技术人员短缺，水灾治理不够及时，造成了很大的经济损失。由于存在以上不足，近年来我国煤矿重特大水灾事故时有发生，矿井水灾防治工作任重而道远。三、我国煤矿水灾事故频繁发生的原因分析•造成矿井水害频发的根本原因主要有水灾防治技术手段推广应用不够，防治水工作投人不足，矿井水文地质基础工作薄弱等。•长期以来我国政府和广大科技人员为煤矿水灾防治工作付出了艰苦的努力，在长期与煤矿水灾事故斗争的过程中，以中国煤炭科学总院西安分院及有关高校和科研院所为代表的防治水科研队伍，研发形成了较为系统完善的适合我国国情的煤矿水害防治技术、方法和相关的仪器装备。但由于生产企业在市场经济条件下没有及时调整好快速增长的生产方式与安全配套的防治水技术与措施之间的协调关系，致使矿井水灾防治技术难以满足矿井的满负荷甚至超负荷生产要求。•许多煤炭企业在1997~2000年期间因效益不好，造成高素质专业水文地质人才流失，2001年以来煤炭企业规模迅速扩大，产量大幅度提高，防治水技术与管理人员力量不足，加上规范化监管力度不够，使得现有的防治水技术和手段没有得到充分应用，矿井基础水文地质工作力度不够。•据专家研究，防治水技术手段落后，矿井水灾条件预测的准确度不能满足机械化生产的要求，是造成矿井水灾的重要原因之一。•近年来，煤矿开采方式有了很大改进，开采深度和工作面开采空间尺度不断增大，致使水灾产生的条件、水灾威胁的程度以及水灾形成的机理都发生了较大的变化。而目前我国防治水技术和水害预测评价的理论基础仍然以我国20世纪80年代所积累的防治水经验及其相关研究成果为主。矿井水灾防治作为一门实践性很强的学科，其特定历史阶段的研究成果都具有极强的时间效应和对特定采矿方式与采矿环境的适应性。•历史所形成的传统的防治水技术措施已经不能完全满足新形势下现代化矿井建设与生产的要求，矿井防治水技术与生产的高产高效技术发展水平不平衡必然会产生矿井水灾事故的上升。•在煤炭工业快速发展时期，没有研制出对于含水构造和涌水通道进行准确探查的技术与装备，造成了对矿井导水通道的位置、分布、含水性、导水性等探测不准，所制定的防范措施不到位，缺少针对性，这是导致灾难性水灾事故的直接原因。•水源、水量、导水通道是煤矿水灾产生的三大因素，矿井水文地质工作的核心内容就是要查明这三大因素。–含水层对水源和水量起决定作用，其补给和排泄条件具有区域性和面状分布特点，因此往往是易于查明和预测分析的；–但导水通道（断层、陷落注、不良封闭钻孔等）具有显著的局部性和难以预测性，大多数灾难性突水事故都起因于对导水通道的不可预知性。•煤矿水灾存在最为普遍、突水灾害最为严重、突水因素最为隐蔽、水害安全最难预知的莫过于华北型石炭系、奥陶系岩溶水通过断层或陷落柱突水，而我国目前拥有的矿井水文地质条件探查技术与设备对于断层和陷落柱等导水构造的探查精度和超前探测距离都不能满足现代化矿井对防治水工作的基本要求。•越层越界等非法开采的人类活动所诱发的突水条件和水灾隐患，是造成了老空、老窑突水的根本原因。•近年来，政府对乡镇煤矿进行资源整合，大量小煤矿被关闭，部分国有煤矿因资源枯竭而关闭，使得生产矿井周边形成了新的水源和涌水通道，由于没有对矿井关闭可能诱发生产矿井水文地质条件恶化的危险度进行系统评价，没有采取切实可行的水灾监测和防范措施，缺乏关闭矿井相关工程和技术资料的系统整理，对废弃矿井突水条件的认识及防范措施准备不足，频繁发生灾难性的突水事故，而且这类事故呈现出明显的上升趋势。四、矿井安全生产对水灾防治技术的基本要求1.矿井水文地质条件的探查和水文地质信息的分析与管理技术，必须满足矿井建设与生产在时间与空间方面的要求。2.煤层顶、底板含、导水构造的探测精度和探测深度，必须满足矿井巷道采掘工作在速度和空间尺度方面的要求。3.矿井充水因素的预测预报，必须实现适时性和定量性。五、煤矿水灾防治技术发展需要解决的重要问题•多年来沿用的突水系数理论是在浅、中部煤炭资源小尺度工作面开采过程中总结出的经验理论，而深部开采的围岩应力条件、矿压扰动和开采破坏条件都与浅、中部开采有很大的不同。•如果沿用原有的突水系数理论来指导大埋深、高水压、高应力、综合机械化开采条件下的矿井水灾防治工作，必然会给生产和安全带来误导。•必要通过现场观测与试验研究、理论计算与分析、室内物理与数字模拟等，研究在新的地质与水文地质条件下、在综合机械化开采条件下，煤层底板水的突出机理和控制因素，为有效实施底板水的预测预报提供理论依据。1.加强对现代采矿条件下开采煤层底板水突水机理的研究•过去的研究成果主要集中于水量和水源，而对导水通道的研究较少，特别是对煤层底板隔水层的隔水性能的研究较少。•随着开采深度的增加，深部疏水降压难度加大，深入认识煤层底板隔水层的隔水性能，进而有效利用隔水层的自然隔水能力，减少或防止底板突水尤为重要。因此有必要通过对煤层底板隔水层的节理裂隙发育程度、岩石力学性