第6章 矿井突水预兆及预测预报

第六章矿井突水预兆及预测预报第一节矿井突水预兆第二节突水量估算第三节矿井排水系统第四节矿井水害预测预报复习思考题第一节矿井突水预兆矿井突水是因为井下采掘活动破坏岩体天然平衡，采掘工作面周围水体在静水压力作用下，通过断层、隔水层和矿层的薄弱处进入采掘工作面。矿井突水这一现象的发生与发展是一个逐渐变化的过程，有的表现很快，有的表现很慢，这与工作面的具体位置、采场地质情况、水压和矿山压力有关。第一节矿井突水预兆从开拓工作面开始，发展到突水这段时间内，在工作面及其附近显示出的某些异常现象统称为突水预兆。识别和掌握这些预兆，可以及时采取应急措施，撤离危险区人员，防止伤人事故的发生。第一节矿井突水预兆一、突水一般预兆（1）煤壁挂红。这是因为水中含有铁的氧化物，在通过煤层和岩层裂隙时，在裂隙表面会出现暗红色水锈，一般认为巷道接近积水区。（2）煤壁挂汗。当采掘工作面接近积水区时，因水在自身压力作用下，通过煤岩裂隙透过煤岩壁，聚成水珠，俗称煤壁挂汗。第一节矿井突水预兆（5）有时有“嘶嘶”的水叫声。这是因为水体的水压大，水向裂隙中挤压发出的响声，此时，预示着离水体不远，即将突水。（6）矿压增大，发生片帮、冒顶及底鼓。第一节矿井突水预兆二、老空水突水预兆老空水突水前，除有上述突水的一般预兆外，还有以下其特有的预兆：（1）有臭鸡蛋味。老空水一般有臭鸡蛋气味，在工作面如果闻到有这种气味时，就基本上可以判定前方有老空水。也可以用嘴来尝尝从工作面渗出的水，如果感到水味发涩，或者把水在手指间摩擦有发滑的感觉，可判断是老空水突水的征兆。第一节矿井突水预兆（2）煤体松软。由于前期开采活动的影响（如前期开采活动引起的矿压、爆破震动等），在接近老空水时，煤体与正常情况相比，一般比较破碎松软。（3）煤体颜色变暗无光泽。这是因为在老空水附近，煤体长期受到老空水的浸入，使煤体颜色变暗，失去光泽。第一节矿井突水预兆（3）空气变冷。当工作面接近积水区时，气温骤然下降，煤壁发凉，人一进去有阴冷的感觉，时间越长就越感到阴凉。（4）发生雾气。当巷道内温度很高时，积水渗到煤壁后，引起蒸发而形成雾气。第一节矿井突水预兆三、工作面底板水突水预兆（1）工作面压力增大，底板鼓起。造成底鼓的原因有两种：一种是底板承压含水体静水压力和矿山压力共同作用的结果，这是突水预兆；另一种是受矿山压力单方面作用而产生底鼓，一般不突水。第一节矿井突水预兆（2）工作面底板产生裂隙，并逐渐增大。（3）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。第一节矿井突水预兆（4）底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并伴有“嘶嘶”声或刺耳的水声。（5）底板发生“底爆”，伴有巨响，地下水大量涌出，水色呈乳白或黄色。第一节矿井突水预兆四、松散孔隙含水层突水预兆（1）突水部位发潮、滴水、淋水，且滴水现象逐渐增大或滴水、淋水现象持续时间较长，仔细观察有时会发现水中含有少量细沙。（2）发生局部冒顶，水量突增并出现流沙，流沙常呈间歇性，水色时清、时浊，总的趋势是水量、沙量增加，直至流沙大量涌出。第一节矿井突水预兆（3）顶板发生溃水、溃沙。这种现象可能影响到地表，致使地表出现塌陷坑。在具体的突水事故过程中，上述预兆并不一定全部表现出来，所以应该细心观察，认真分析和判断。第一节矿井突水预兆事故发生的直接原因是：该矿20101回风巷掘进工作面附近小煤窑老空区积水情况未探明，且在发现突水预兆后未能准确识别和判断，也没有及时采取撤人措施。第一节矿井突水预兆【案例6-1】2010年3月28日，山西一基建煤矿在施工过程中，在掘进工作面迎头后方7～8m处的巷道右帮渗水，当班技术员和项目部副经理命令停止掘进，并向项目经理汇报，也咨询了物探技术员。但是，项目经理没能作出正确判断，也没有采取有效防范措施，结果发生了重大透水事故，造成38人死亡，115人受伤，直接经济损失4900万元。第二节突水量估算一、突水量现场测量方法矿井突水时期，现场实际突水量的估算通常采用浮标法、水泵标定法、容积法等3种方法。这3种方法均未考虑突水前的水量，计算时若有原出水量，则减去。第二节突水量估算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。第二节突水量估算选用一段长5m左右的规整水沟，清除沟内杂物，选择上下两个断面，测出其过水断面面积之和，取过水断面面积的平均值（F），测量这两断面之间的距离（L），然后将一很轻的浮标从水沟上游断面处投入水中，同时记下起始时间，当浮标到达下游断面时，再下到达时间，其时间差即为浮标流经距离（L）所需的时间（t）。第二节突水量估算其突水量的计算公式为：Q=KFL/t式中Q—突水量，m3/min；L—两个过水断面之间的距离，m；F—两个过水断面面积的平均值，m2；t—浮标流经L距离所需时间，min；K—断面系数，与水深和水沟粗糙度有关，如表6-1所示。第二节突水量估算这里需要说明的是，在实际工作中，上述测量步骤一般要在3次以上，最后取平均值作为测量结果。第二节突水量估算2.水泵标定法矿井突水后，一般应增开水泵或增加水泵运转时间。其突水量的计算公式为：Q=KNW+SH/t（6-2）式中Q—突水量，m3/min；W—水泵的铭牌排水量，m3/min；N—增开的水泵台数，台；H—t时间内水位的上升高度，m；S—水仓的水平断面积，m2；t—水位上涨H高度所用的时间，min；K—水泵排水系数。第二节突水量估算对于K值，新泵排清水取1.0，新泵排浑水取0.9；旧泵排清水取0.8，旧泵排浑水取0.7；双台老泵单管排水取0.6。第二节突水量估算3.容积法容积法计算突水量的实质就是根据淹没巷道的体积进行计算，其采用的公式为：Q=V/t或Q=SH/t式中Q——突水量，m3/min；V——下水平巷道的淹没体积，m3；t——淹没时间，min；S——下水平不同点水平断面面积，m2；H——在t时间内水位的上升高度，m。第二节突水量估算4.堰测法堰测法是指在井下排水沟中设置测水堰板，使水流通过一定形状的堰口，实测堰口水流高度，根据相应经验公式计算涌水量。堰测法采用的测水堰板通常有三角堰、梯形堰和矩形堰。第二节突水量估算第二节突水量估算5.流速仪法流速仪法是指使用流速仪测定水流速度，实测水流断面，然后计算涌水量。测流速时断面的位置应选择在水沟平直、底部平坦、水流平稳的地段。第二节突水量估算1.算术叠加法其计算公式为：iiitQVn1式中V—突水开始到某一时刻止突水的总体积，m3；Qi—从突水开始分段计算的突水量，m3/min；ti—从突水开始到某一时刻止，与上述水量相对应的连续时间段，min。第二节突水量估算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t，纵坐标为涌水量Q，绘出从突水开始到某一时刻涌水量的变化曲线。在曲线图上用求积仪量出坐标轴与曲线所包围的全面积，用该面积乘以单位面积所代表的水量，即得出水淹没的总体积。第二节突水量估算二、突水量估算在突水抢险过程中，需及时掌握从突水开始到某一时刻的突水总量。第二节突水量估算三、淹没时间预计矿井突水后，应定时测量水量及水位上涨速度，并及时预测某一标高、某一水平和整个矿井的淹没时间，这对抢险排水具有重要意义。矿井透水时，涌水量常呈不稳定状态。在水量变化的情况下，水位上升使矿井淹没的时间可由下式计算：第二节突水量估算平QVVV321t式中t—矿井淹没时间，min；V1—矿井巷道、硐室和采掘工作面体积，m3；V2—采空区的空隙体积，m3；V3—已疏干含水层的裂隙体积，m3；Q平—预测到某一时刻涌水量与最后一次实测涌水量的平均值，m3/min。第二节突水量估算在上式中，应该认真分析矿井淹没过程，一般来说，由于矿井水是由上往下流，先淹没下部空间，再淹没上部空间；但是，当往下流水的通道被堵塞时，下部空间部分没有淹没，便迅速淹没上部空间，不了解这一点，将可能给抢险救援工作造成非常被动的局面。第三节矿井排水系统矿井排水系统是矿井必不可少的主要生产系统之一，其作用就是将煤矿井下涌出的矿井水及时、安全可靠、经济合理地排至地面，确保煤矿井下作业人员的生命安全和矿井安全生产。第三节矿井排水系统一、主排水系统矿井主排水系统由排水系统硐室和排水设备、设施两大部分组成。矿井主排水系统硐室，主要由主排水泵房硐室、水仓和管子道（管子间）组成；矿井排水设备、设施主要由水泵、电动机、供电电缆、排水管、启动控制开关等组成。第三节矿井排水系统《煤矿防治水规定》第57条规定：矿井应当配备与矿井涌水量相匹配的水泵、排水管路、配电设备和水仓等，确保矿井能够正常排水。矿井井下排水设备应当符合矿井排水的要求，除正在检修的水泵外，应当有工作水泵和备用水泵。第三节矿井排水系统工作水泵的能力，应当能在20h内排出矿井24h的正常涌水量（包括充填水及其他用水）。备用水泵的能力应当不小于工作水泵能力的70％。工作和备用水泵的总能力，应当能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。检修水泵的能力，应当不小于工作水泵能力的25％。第三节矿井排水系统水文地质条件复杂或者极复杂的矿井，还要在主泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或者增加相应的排水能力。排水管路应当有一定的备用量。工作水管的能力，应当能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应当能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。第三节矿井排水系统配电设备的能力应当与工作、备用和检修水泵的能力相匹配，并能保证全部水泵同时运转。矿井主要泵房应当至少有2个安全出口，一个出口用斜巷通到井筒，并高出泵房底板7m以上；另一个出口通到井底车场。在通到井底车场的出口通路内，应当设置易于关闭的既能防水又能防火的密闭门。泵房和水仓的连接通道，应当设置可靠的控制闸门。第三节矿井排水系统矿井主要水仓应当有主仓和副仓，当一个水仓清理时，另一个水仓能够正常使用。新建、改扩建矿井或者生产矿井的新水平，正常涌水量在1000m3/h以下时，主要水仓的有效容量应当能容纳8h的正常涌水量。第三节矿井排水系统正常涌水量大于1000m3/h的矿井，主要水仓有效容量可以按照下式计算：）（30002QV式中V——主要水仓的有效容量，m3；Q——矿井每小时的正常涌水量，m3。第三节矿井排水系统矿井最大涌水量与正常涌水量相差大的矿井，排水能力和水仓容量应当由有资质的设计单位编制专门设计，由煤矿企业总工程师组织审查批准。水仓进口处应当设置箅子，对水沙充填、水力采煤和其他涌水中带有大量杂质的矿井，还应当设置沉淀池。水仓的空仓容量应当经常保持在总容量的50%以上。第三节矿井排水系统水泵、水管、闸阀、排水用的配电设备和输电线路，应当经常检查和维护，在每年雨季前，应当全面检修1次，并对全部工作水泵和备用水泵进行1次联合排水试验，发现问题，及时处理。水仓、沉淀池和水沟中的淤泥，应当及时清理；每年雨季前，应当清理1次。第三节矿井排水系统采区水仓的有效容量应当能容纳4h的采区正常涌水量。《煤矿防治水规定》第101条规定：钻孔放水前，应当估计积水量，并根据矿井排水能力和水仓容量，控制放水流量，防止淹井；放水时，应当设有专人监测钻孔出水情况，测定水量和水压，做好记录。如果水量突然变化，应当及时处理，并立即报告矿调度室。第三节矿井排水系统二、采区排水系统采区排水系统的建立要依据采区的涌水量来建立，须配备工作水泵、备用水泵和检修水泵，水泵能力配备标准和主排水设施相同，只是依据的是采区涌水量，并要合理地配置好相关的水管、供电等设施、设备。第三节矿井排水系统钻孔放水前，在考虑矿井排水能力外，如果涉及水平、采区，还应根据水平、采区排水能力和水仓容量，控制放水流量，防止淹水平、采区。当在工作面、掘进头探水，水不能自流到采区、水平或矿井主排水系统时，则需要在工作面、掘进头低洼处建立临时排水系统，其排水能力满足探放水需要，钻孔放水时，也必须控制放水流量，防止淹工作面、掘进头。第四节矿井水害预测预报为提高矿井抗灾