第六章矿山水灾防治技术

第一节矿井水灾概述第二节矿井充水条件分析第三节矿井突水与水量估算第四节矿井水害防治技术第一节矿井水灾概述一、矿井水基本知识二、我国矿井水灾现状与致因分析三、矿井水害类型一、矿井水基本知识(一)水循环及地下水来源(二)地下水的存在形式(三)含水层及隔水层(四)地下水的分类和特征(一)水循环及地下水来源自然界中的水，以气态、液态和固态分布于地球的大气圈、水圈和岩石圈中，各相应圈中的水，分别被称为大气水、地表水和地下水。大气水和地表水在一定条件下才渗入地下转化为地下水，从而使地下水获得水量，这个过程被称为地下水的补给。正因为地下水不断地获得补给，所以才能不断地在岩石空隙中运动，这个过程称为地下水的径流。而地下水水量减少的过程，则是地下水的排泄。地下水的补给、径流和排泄及其变化的全过程，称为地下水的形成。(二)地下水的存在形式自然界中的地下水，主要赋存在岩石的空隙中。水在岩石空隙中有着各种各样的存在形式，在有表土层覆盖的地区，按其物理性质从地表向下可以分为气态水、吸着水、薄膜水、毛细水、重力水和固态水。(三)含水层及隔水层1.含水层2.隔水层的概念3.隔水层的转化1.含水层当井下开掘巷道时，打到某些岩层，水就从岩层中湍湍流淌。那么，地下水为什么能在某些岩层中存在呢？这是因为在一些砂土层或岩层中存在有很多空隙(如孔隙、裂隙或溶隙)，这些空隙之间又相互连通，当大气降水或地表水渗入地下时，岩层中的空隙就成为地下水聚集的场所，这些既含地下水而又透水的岩层，称为含水层。如在表土层中的含水砂层或砂砾石层，以及矿区含煤地层中饱含地下水的砾岩、砂岩或石灰岩层等都是含水层。2.隔水层的概念地壳中的各种岩石，其空隙性质有很大差别，尤其是那些十分致密的岩石，不仅地下水难以渗入，而且上部含水层中的地下水也无法透过，起着阻隔作用。这些不透水的岩层被称为隔水层。但应指出，在自然界中没有绝对不透水的岩层，只是透水性能强弱不同而已，因而一般把透水性差、含水很少的岩层划为隔水层。3.隔水层的转化隔水层在一定的自然条件下，有可能转化为含水层或透水性能较好的岩层。例如粘土物质，由颗粒细微的粘土矿物所组成，其颗粒直径一般不超过0.001～0.002mm，在微粒之间多被结合水所占据，几乎不含重力水，故为隔水层。但有时因粘土干裂而收缩，裂隙很发育，具有一定透水性，能储存地下水，从而失去原有的隔水性，由隔水层转变为透水层或含水层。此外，有的粘土和粘土岩在较大的水压作用下，可使其中一部分结合水产生运动而具有透水性，同样可由隔水层转化为含水层。(四)地下水的分类和特征图6-1地下水的类型(四)地下水的分类和特征表6-1地下水分类表二、我国矿井水灾现状与致因分析(一)我国矿井水灾现状(二)我国矿井水灾特点(三)我国矿井水灾致因(一)我国矿井水灾现状矿区内大气降水、地表水、地下水通过各种通道涌入井下，成为矿井涌水。当矿井涌水量超过矿井正常排水能力时就会发生水患，称为矿井水灾。也可以理解为凡影响生产、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)我国矿井水灾特点(1)突(透)水类型(按充水水源划分)。(2)随着已关闭矿井特别是乡镇个体小矿的大量增加，近几年老空水透水事故明显增多，造成的灾害明显增强，已成为目前我国煤矿水害的主要类型之一。(3)近几年煤矿水害有上升的势头(包括事故起数和伤亡人数)。(4)雨季发生的透水事故约占50%。(5)70%的水害事故发生在掘进工作面。(6)全国煤矿水害事故从煤矿所有制形式来看主要发生在乡镇煤矿、改制矿井及基建矿井。(7)水害事故给乡镇煤矿带来的人员伤亡惨重，对国有煤矿造成的经济损失巨大。(8)事故发生后抢险救灾难度大、时间长、费用高、社会影响恶劣。(三)我国矿井水灾致因(1)安全意识淡薄，技术素质不高。(2)水文地质情况不清。(3)没有坚持“有疑必探，先探后掘”的原则。(4)防排水工程质量低劣，致使矿井井巷严重塌落、冒顶、跑砂从而导致漏水，或者工程钻孔在固井止水前误穿巷道，导致顶板强含水层透水。(5)无序开采，先天不足。(6)排水设施平时维护不当，如水仓不按时清挖，突水时煤、岩块堵塞小井，致使排水设备失效而淹井。三、矿井水害类型(一)地表水水害(二)老窑水水害(三)孔隙水水害(四)裂隙水水害(五)岩溶水水害(一)地表水水害水源是大气降水、地表水体(江河、湖泊、水库、坑塘、泥石流)。水源通过井口、采后冒裂带、岩溶塌陷坑、断层带及封闭不良、钻孔充水或导水进入矿井。例如，发生此类水害的情形有：因特大暴雨、山洪、泥石流冲毁工业广场，洪水从井口直接溃入井下；因工作面超限回采，破坏冲积层下防隔水煤柱，导致冲积层水和地表水溃入采煤工作面等。(二)老窑水水害水源是老窑、小窑、废巷及采空区积水。当巷道接近或遇到老窑积水区时，往往在短时间内涌出大量老窑水，来势凶猛，具有很大的破坏性，常造成恶性事故。(三)孔隙水水害水源是第三系、第四系松散层中的孔隙水。当煤层被第四纪松散含水的流砂层、砂层、砂砾层、卵石层、粘土砂层所覆盖，在开采第一水平时，煤岩柱留得不够，往往是冒落带直接进入松散层，或是松散层底部存在富水含水层，开采前水文地质情况不清，没有按含水层下回采条件留设煤柱，回采后水、砂或泥溃入井下；超限出煤，破坏煤岩柱或在煤岩柱中开拓巷道、硐室，破坏了隔水煤岩柱的完整性，年久渗水，冒顶坍塌，使冲积层水或流砂、流泥溃入井下，淤塞巷道甚至造成淹井。(四)裂隙水水害水源为砂岩、砾岩等裂隙含水层的水。这种水害发生在开采北方二叠纪山西组煤层和侏罗纪煤层以及开采南方侏罗纪的煤层中。这些煤层顶部常有厚层砂岩和砾岩，其中裂隙发育，如与上覆第四纪冲积层和下伏奥陶系含水层有水力联系时，可导致大突水事故以及建井时期发生淹井事故。若砂岩层缺乏补给水源时，则涌水很快变小甚至疏干。(五)岩溶水水害水源主要是华北石炭二叠纪煤田的太原群薄层灰岩岩溶水。这种水害以河南、河北、山东、江苏居多。这些地区太原群煤层的顶底板均有薄层灰岩含水层存在，在开采中必然要揭露这些含水层并予以疏干。一般情况下，这些含水层是可以疏干的，但是，当这些薄层灰岩含水层与地表水体发生水力联系时或被地质构造切割，造成垂向的导水通路和横向与厚层灰岩含水层对接水力联系时，这些含水层的富水性便大大增加。因此，在具有强水源补给和接近导水通道的部位，常发生较大灾害性突水事故。典型矿井有徐州青山泉矿二号井、淮南谢一矿、肥城大封矿、新密芦沟矿等。第二节矿井充水条件分析一、矿井充水水源二、矿井充水通道一、矿井充水水源(一)大气降水水源(二)地表水水源(三)地下水水源(四)老空(窑)水水源(一)大气降水水源(1)在渗入条件相似的情况下，矿床充水程度与地区降水量的大小、降水性质、降水强度和延续时间有关。(2)矿井涌水动态与当地降水动态相一致，矿井涌水量随气候具有明显的季节性、多年周期性的变化规律。(3)降水对分水岭地段及地形低洼浅埋矿床的充水影响最明显，但同一矿井随开采深度的增加影响逐渐降低，且涌水高峰值出现后延的现象。(二)地表水水源(1)矿井涌水动态随地表水的丰枯呈季节性变化，且其涌水强度与地表水的类型、性质和规模有关。(2)矿井涌水强度还与井巷到地表水体间的距离、岩性与构造条件有关。(3)采矿方法的影响。(三)地下水水源1.间接充水水源2.直接充水水源1.间接充水水源间接充水水源是指充水含水层主要分布于矿床体的周围，但和矿体并未直接接触的充水水源。常见的间接充水水源含水层有间接顶板充水水源含水层、间接底板含水层、间接侧帮含水层或它们之间的某种组合。应该指出间接充水水源的水只有某种导水构造穿过隔水围岩进入矿井后才能使其作为充水水源的事实得以实现。2.直接充水水源直接充水水源是指含水层与矿床体直接接触或矿山生产与建设工程直接揭露含水层，从而导致水源进入矿井的充水含水层。常见的直接充水水源含水层有矿床体直接顶板含水层、直接底板含水层、露天矿剥离第四纪(含水层)直接穿过含水层。直接含水层中的地下水需要专门的导水构造导通，只要采矿或地下工程进行，其必然会通过开挖或采空区直接进入矿井。(四)老空(窑)水水源(1)在短促的时间内可以有大量的水涌入矿井，来势猛，有害气体含量高，对人身和设备的伤害非常大。(2)水中含有大量的硫酸根离子，具有腐蚀性，容易损坏井下设备。(3)当其与其他水源无联系时，则易于疏干；若与其他水源有联系时，则可造成量大而稳定的涌水，危害较大。二、矿井充水通道(一)充水天然通道(二)充水人为通道(一)充水天然通道1.点状岩溶陷落柱通道2.断裂(裂隙)带通道3.窄条状隐伏露头通道4.面状裂隙网络(局部面状隔水层变薄区)通道5.地震通道1.点状岩溶陷落柱通道岩溶陷落柱在我国北方较为发育，这是由于我国广泛分布的华北石炭二叠系煤层的基底发育有巨厚的奥陶系石灰岩含水层(一般厚度在600～800m)，巨厚层可溶碳酸岩的存在使得其在漫长的地质历史过程中在地下水的长期物理和化学作用下，形成了大量的巨大的古岩溶空洞，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。2.断裂(裂隙)带通道(1)隔水断层。(2)导水断层。(1)隔水断层。一般为压性断层或断层带被粘土质充填，使两侧含水层不发生水力联系。在矿床开采时，由于人为活动，天然状态下隔水断层常变为导水断层。隔水断层处于不同位置其水文地质意义亦不同，隔水断层分布于主要充水岩层内时，常分割充水岩层的水力联系；隔水断层在边界上时，阻止区域地下水补给。(2)导水断层。导水断层所处位置不同其水文地质意义亦不同。当导水断层位于区域边界时，常形成充水含水层或临近充水含水层的补给通道；当导水断层与地表水连通时，常形成地表水体补给矿床的主要通道；当充水岩层分布导水断层时，将增加充水岩层与外界的水力联系程度；当导水断层切割矿层隔水顶、底板时，断层常引起顶板或底板突水问题。沟通充水含水层组密切水力联系的线状断裂(裂隙)带多发生在断层密集带、断层交叉点、断层收敛处或断层尖灭端等部位。3.窄条状隐伏露头通道(1)隐伏露头部位基岩风化带的渗透能力大小。(2)上覆第四系底卵砾石孔隙含水层组底部是否存在较厚的粘性土隔水层。探测隐伏露头基岩风化带的渗透能力，一般可采用压(抽)水试验方法。4.面状裂隙网络(局部面状隔水层变薄区)通道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。这种面状展布的裂隙网络随着上、下充水含水层组地下水水头差增大，以面状越流形式的垂向水交换量也将增加。5.地震通道根据开滦唐山矿在唐山地震时矿井涌水量和矿区地下水水位观测资料可知，地震前区域含水层受张力时，区域地下水水位下降，矿坑涌水量明显减少；地震发生时，区域含水层压缩，区域水位瞬时上升数米，矿坑涌水量瞬时增加数倍；强烈地震过后，区域含水层逐渐恢复正常状态，区域地下水逐渐下降，矿井涌水量也逐渐减少。震后区域含水层仍存在残余变形，所以矿井涌水在很长时间内恢复不到正常涌水量。矿井涌水量变化幅度与地震强度成正比，与震源距离成反比。(二)充水人为通道1.顶板冒落裂隙带2.地面岩溶疏干塌陷带3.封孔质量不良钻孔1.顶板冒落裂隙带(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。1.顶板冒落裂隙带图6-2煤层采空上方岩层破坏三带图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