第三章 礦井充水條件分析

1、第3章 礦井充水條件分析礦井充水條件是指礦井充水源、礦井充水通道和礦井充水強度。礦井充水水源和礦井充水通道時礦井充（突）水的本源，礦井充水強度是礦井充（突）水的結果。不同礦井充水水源和充水通道的結合構成了礦井充水強度，或者說礦井水文地質復雜程度。第1節(jié) 礦井充水水源礦井充水水源主要包括大氣降水水源、地表水水源、地下水水源和老空水水源。其中地下水水源又分為孔隙含水層水源、裂隙含水層水源和巖溶含水層水源（薄層灰?guī)r含水層水源和厚層灰?guī)r含水層水源）。據(jù)統(tǒng)計地下水水害占到水害事故的60，老空水水害占到30，所以地下水和老空水是礦井防治水的重點對象。一 地下水對礦井充水影響1、 直接充水含水層和間接充水含

2、水層為了區(qū)分個含水層對礦井充水性質和強度的影響差異，明確勘探工作和防治水工作的重點，將含水層分為直接充水含水層和間接充水含水層，見表3-1。表3-1 直接充水含水層和間接充水含水層含水層分類定義直接充水含水層可以通過井巷或者露天礦坑的揭露、煤層回采后的冒落帶以及底鼓充水途徑，向礦井直接充水的含水層間接充水含水層與直接充水含水層有水力聯(lián)系，但只能通過直接充水含水層向礦井充水的含水層2、 各類含水層對礦井充水的影響不同類型的含水層作為礦井充水水源引發(fā)的礦井水害與其含水空間的發(fā)育特征和補給條件有關，又與不同類型含水層和開采煤層的空間相對位置有關，即煤層與含水層的賦存條件。各類含水層對礦井水害的影響見

3、表3-2表3-2 各類含水層對礦井充水的影響含水層類型賦存條件對礦井充水的影響孔隙含水層1、 煤層賦存與疏松孔隙巖層中2、 煤層賦存與堅硬巖層上部，被厚松散層覆蓋受采掘破壞的含水層為孔隙含水層，對礦井充水的影響取決于含水層的富水性及其與其他水源的水力聯(lián)系，井筒揭露孔隙含水層直接充水，少數(shù)情況下因水位下降還會引起井壁破裂，第四紀底部為富水性強的含水層時，對淺部煤層安全開采有威脅裂隙含水層1、 煤系地層中的砂頁巖裂隙含水層組是井巷最經(jīng)常揭露的裂隙含水層，因含水空間發(fā)育不好，富水性弱至中等，很少達到富水性強的程度2、 厚層的砂巖、砂礫巖含水層有時富水性較強，但一般距開采煤層較遠，很少構成直接充水含水

4、層井巷揭露時有水，在無其他水源補給時，水量一般不大，且衰減快，可疏干，回采時頂板冒落而導致礦井充水，水量一般不大，含水較豐富的裂隙含水層多數(shù)是通過采動后的導水裂隙帶和集中導水通道進入礦井巖溶含水層薄層灰?guī)r含水層主要是華北石炭二疊系煤田中、上石炭薄層灰?guī)r含水層，既可能賦存于開采煤層的頂板，也可能賦存于開采煤層的底板除井巷直接揭露外，采動裂隙、斷層等集中導水通道都可能將其導入礦井這類含水層當其巖溶裂隙發(fā)育、厚度較大時，常富水性較強當其和其他水源無聯(lián)系時，防治難度相對較小，當其與其他水源有聯(lián)系時，常形成重大水害，防治難度較大厚層灰?guī)r含水層以華南晚二疊系煤層為主，龍?zhí)睹合淀敯鍨殚L興灰?guī)r，底板為矛口灰?guī)r

5、，這些厚層灰?guī)r不僅巖溶發(fā)育，而且與煤層之間無隔水層或隔水層較薄掘進和回采時均受到巖溶水的威脅，充水時往往來時兇猛，并伴有突泥突砂現(xiàn)象，有時涌水通道與地表巖溶塌陷相同，使河水倒灌，有些通過地下暗河的落水洞進入礦井，水量受季節(jié)降水量大小影響華北型煤礦的基底是寒武系或者奧陶系灰?guī)r，由于出露面積大、分布廣、厚度大、補給好、富水強、距下組煤相對較近、水壓高，除通過集中導水通道直接突水入礦井外，還是下組煤底板下直接充水含水層最重要的補給水源，一般被視為華北地區(qū)重特大水害的元兇奧陶系灰?guī)r距下組煤尚有一段距離，多數(shù)情況下不是礦井充水的直接充水含水層，它既可以通過補給直接充水含水層向礦井充水，也可以通過斷層、陷

6、落柱、導水鉆孔等集中導水通道向礦井充水二 地表水對礦井充水的影響地表水是指江、河、湖、海、池塘、水庫中的水。地表水對礦井充水的影響見表3-3。表3-3地表水對礦井充水的影響類型充水途徑對生產(chǎn)礦井的影響江、河、湖、海、池塘、水庫等1、 洪水沖毀井口圍堤直接灌入；2、 通過地表水體下松散巖層、基巖含水層露頭再滲人井巷；3、 通過采后頂板冒落帶貫通、地表塌陷裂縫滲人；4、 通過構造破碎帶、老窯直接潰入1、 充水程度決定于井巷距離地表水體的遠近以及地表水體下巖層巖性、厚度和構造情況；2、 地表水作為充水水源經(jīng)常構成定水頭的供水邊界，因此動水量穩(wěn)定，不易疏干；3、 貫通巖溶斷裂帶時，往往造成嚴重的淹井事

7、故三 大氣降水對礦井充水的影響除了露天煤礦大氣降水與礦坑充水有直接聯(lián)系外，井下開采的煤礦，大氣降水多事礦井充水的間接水源，通過入滲補給充水含水層進入礦井。大氣降水對礦井充水的影響見下表3-4.表3-4 大氣降水對礦井充水的影響充水方式充水途徑對礦井充水影響大氣降水的滲人1、 通過井巷上部表層滲人2、 通過采空區(qū)對應地表的裂隙水滲人3、 通過直接或間接充水含水層露頭區(qū)的孔隙、裂隙或巖溶滲人1、 涌水量有明顯的季節(jié)變化2、 涌水量“峰值”滯后于降水量“峰值”，滯后的時間長短取決于井巷深度和地表與井巷間巖層的滲透能力，一般在其他條件相同時井巷越深，滯后時間越長；3、 高寒地區(qū)受大氣降水影響出現(xiàn)兩個峰

8、值，一在雨季，一在春節(jié)融雪季節(jié)大氣降水很少造成礦井災難性水害，但暴雨徑流常沿位置較低的井口（包括廢棄井口）、采空塌陷區(qū)和巖溶塌陷坑等灌入井下，形成災難性水害。這種水害很難與地表水害嚴格區(qū)分。4、 老窯積水對礦井充水的影響老窯積水包括古代老窯積水、近代地方小窯積水、地方煤礦和國有大礦的采空區(qū)積水。當采掘工作面揭露或接近了這些采空積水區(qū)后就會造成礦井充水，甚至會引發(fā)不同程度的水害。老窯積水對礦井充水的影響見下表3-5表3-5 老窯積水對礦井充水的影響類型積水特征對生產(chǎn)礦井的影響古代老窯積水和近代小窯積水1、 因受技術條件和設備能力的限制，開采深度有限，主要分布于礦井淺部且采空范圍和積水量均不大；2

9、、 因年代久遠或無具體測量資料，采空位置，范圍、積水量一般不清；3、 因開采規(guī)模有限，積水量一般不大，主要水源為煤系含水層水，以靜儲量為主，少數(shù)有其他水源補給；4、 對國有大礦淺部開采影響較大，隨礦井開采轉入深部和小煤窯關停并轉影響較少1、 多為突然發(fā)生，發(fā)生時瞬時水量大，具強大破壞力，在水量大，水壓高，工作面位置低時常造成傷亡事故，是煤礦水害中造成傷亡事故最多的水害2、 采空積水引發(fā)的水害因其靜水量為主，一般水害發(fā)生后，水量衰減快，水壓亦隨之快速下降，不會造成特大淹井事故，但傷亡事故居高不下，是煤礦防治水的重中之重。3、 老空積水呈酸性，對排水設備和礦山機械具有腐蝕性4、 水害發(fā)生的同時還伴

10、有H2S和CH4溢出傷人鄉(xiāng)鎮(zhèn)地方煤礦和部分國有大礦采空區(qū)積水1、 整頓后的鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦和部分地方煤礦多開采國有大礦周邊煤炭資源，有時采深較大2、 現(xiàn)代煤礦企業(yè)采空位置，范圍積水量應該是比較清楚，但實際上仍然有些清楚有些不清楚，清楚與否取決于是否有準確圖紙和是否堅持“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采；3、 積水以靜儲量為主，但與其他采空區(qū)想通或其他水源補給時，水量也可能很大第二節(jié) 礦井充水通道礦井充水通道和充水含水層一樣可分為直接充水通道和間接充水通道，由于井巷的進水方式不同，同樣性質的充水通道所起的作用也不一樣。不同形式充水通道對礦井充水的影響見表3-6.表3-6 不同形式充水通道對礦井充水

11、的影響集中導水通道類型形成條件對礦井充水的影響巷道掘進形成的充水通道1、 巷道所陷落巖層的空隙（包括孔隙、裂隙和巖溶）2、 巷道松動圈范圍內溝通水源的通道，一般也已裂隙、孔隙為主3、 對于巖煤層掘進的巷道，主要在直接頂?shù)装鍘r層內；對于穿層巷道可能會影響多個巖層，包括富水性強的含水層1、 除巷道揭露巖層為厚度較大、巖溶相對發(fā)育的斷層灰?guī)r外，一般水量較小不致發(fā)生災害性充水。2、 凡厚度較大，巖溶發(fā)育的斷層灰?guī)r被揭露是會發(fā)生突水，但只要與原層灰?guī)r含水層或地表水沒有水力聯(lián)系，不致發(fā)生重大水害，治理難度也相對較小。如有聯(lián)系，則可能發(fā)生重大水害，治理難度較大回采采場引起的頂板冒落帶和底板破壞帶1、 煤層采

12、動后，由于回采冒落和底板破壞影響到較多的巖層，冒落帶的巖層和底板破壞帶內的巖層都會影響礦井充水，這時礦井充水通道主要是頂板冒落帶和底板破壞帶。2、 有一點值得注意的是迄今為止真正由于水壓和隔水層對應而發(fā)生的底板裂隙充水的實例很少，都在很大程度上與構造破壞有關1、 回采工作面充水與煤層頂?shù)装鍘r層的性質（主要是富水性）及其組合關系很大，如頂?shù)装鍘r層為砂頁巖互層時，一般水量不大，冒落后會涌水，但水量一般不大，且隨時間衰減，有富水性較弱巖層時水量可能會較大，但不致構成較大水害2、 回采工作面出大水的關鍵是頂板冒落帶（導水裂隙帶）或底板破壞帶是否會破壞到強含水層，或通過集中導水通道與強含水層或地表水體發(fā)

13、生水力聯(lián)系集中導水通道（導水陷落柱、導水斷層、導水鉆孔）1、 是導致煤礦重大水害的最重要充水通道，煤礦歷史上發(fā)生過的重特大水害無一不與其有關2、 集中導水通道除導水鉆孔是人為因素形成的，多數(shù)是地質歷史的產(chǎn)物，在多數(shù)情況下礦壓的破壞不起主要作用，只是有自然條件已處于充水的臨界狀態(tài)時，礦壓破壞起誘導作用，所以不宜過分強調礦壓的作用，必須具體問題具體分析，如果含水層或水體距開采煤層很遠，礦壓冒落高度或底板破壞深度都是無法達到的3、 只要集中導水通道溝通了工作面與強含水層（或其他水體）都可能發(fā)生重特大充水，這就是為什么開采山西組煤層和石盒子組煤層也會發(fā)生奧灰充水的原因1、 集中導水通道是采掘工作面直接

14、導通強含水層如奧灰、寒武、地表水體和斷層灰?guī)r中厚度較大，巖溶發(fā)育，單位涌水量已超過1L/s.m等，一旦溝通將構成較重大水害2、 集中導水通道充水即決定于通道本身的導水性強弱，更決定于是否導通了強含水層或其他水體，集中導水通道如不導通強含水層或水體，也不致發(fā)生較大的水害3、 在集中導水通道發(fā)生的充水中，導水通道的形成主要是地質作用的結果，礦壓破壞不起主導作用，在已接近臨界充水狀態(tài)的情況下，礦壓可能起誘發(fā)充水的作用1、 巷道直接充水通道由巷道掘進過程中揭露的巖層，主要有兩種情形：一類是煤層和煤層直接頂?shù)装鍘r層，煤層在大多數(shù)情況下是隔水的，煤層直接頂?shù)装鍘r層多以泥巖或砂質泥巖為主，或是隔水的或是富水

15、性很弱的巖層，運輸大巷和回風大巷經(jīng)常在砂巖層中掘進（因其強度大，易于維護），而且經(jīng)過錨噴支護后也很少充水；另一類是穿層巷道，揭露的巖層較多（如井筒要穿過多層孔隙含水層或流砂層，煤層砂巖或斷層灰?guī)r等）掘進過程中受水的影響也較多，部分石門有時會通過富水性較強的灰?guī)r，也常常是采用注漿方法通過。巷道掘進時，也會受到動壓破壞的影響，因松動圈影響范圍很小，較之回采情況下采動破壞要小很多，除了掘進巖層本身富水性較強之外，在富水性弱的巖層中掘進的巷道很少波及到強含水層或其他水體。2、 回采時的采動破壞裂隙通道采用全部垮落法管理頂板的條件下，只要達到一定的深度，覆巖破壞和移動自下而上可出現(xiàn)垮落帶、斷裂帶和彎曲帶

16、，稱為三帶，見表3-7.表3-7 覆巖破壞“上三帶”特征及其對礦井充水的影響分帶名稱導水特征垮落帶巖塊之間空隙多，連通性強，是水體和泥砂潰入井中的通道，也是瓦斯溢出和聚集的場所，是采煤工作面安全生產(chǎn)的主要威脅斷裂帶又稱“裂縫帶”斷裂帶時指位于垮落帶之上，具有與采空區(qū)連通的導水裂隙，但連續(xù)性未被破壞的那部分巖層，斷裂帶的裂隙有兩種，一種是垂直或斜交巖層的新生張裂隙，它可部分或全部穿過巖砂層；另一種是沿層面的離層裂隙，離層裂隙與垂向裂隙連通，并能使水向下滲透直到采空區(qū)，故斷裂帶又稱導水裂隙帶，導水裂隙帶波及到水體可將水導入井下。由于導水裂隙帶是隨采礦發(fā)生的，所以就成為礦井頂板充水最重要的通道，在分

17、析礦井充水時，導水裂隙帶最大高度是評價煤層頂板是否發(fā)生涌水的重要指標彎曲帶又稱整體移動帶，是指斷裂帶頂部到地表的那部分巖層，彎曲帶基本上是整體移動，其上部一般很少出現(xiàn)離層，其下部可能發(fā)生離層，但局部充水面不與導水裂隙帶連通，所以彎曲帶具有隔水保護層的作用由于導水裂隙帶發(fā)展高度與煤層傾角、覆巖巖性及其組合關系、煤層賦存條件、開采方法、頂板管理及采后的延續(xù)時間等有關，其中最重要的是煤層傾角和覆巖巖性及其組合關系。根據(jù)覆巖巖性及其組合，可將直接頂-基本頂簡化，歸納為四種類型見表3-8。表3-8 覆巖巖性組合對兩帶（垮落帶、斷裂帶）高度發(fā)展影響直接頂-基本頂巖性組合對兩帶高度發(fā)展的影響堅硬-堅硬型砂巖

18、一般不易垮落，不易彎曲，但條件具備時，其垮落塊度大，碎脹系數(shù)大，由于堅硬基本頂下沉緩慢，下沉量小，整個開采空間需碎脹巖塊充填，因其垮落充分，堅硬巖層彎曲易斷裂，故垮、斷兩帶均發(fā)育較高軟弱-軟弱型軟巖易垮落，易彎曲，下沉快，幅度大，采空區(qū)形成直接頂，垮落快，基本頂迅速下沉占據(jù)采空區(qū)上部空間，巖塊很快充滿，垮落終止，發(fā)育很不充分，軟巖不利于裂隙發(fā)育，故兩帶高度均較低軟弱-堅硬型直接頂垮落，基本頂不易彎曲下沉，故垮落帶高度受基本頂高度控制，若直接頂薄，基本頂位置低，則垮落不充分，冒高，裂高均小，若直接頂厚，基本頂位置高，則垮落可一直發(fā)展到基本頂，此時垮落充分，冒高大，但相對而言，裂高較小堅硬-軟弱型

19、直接頂垮落后，基本頂很快彎曲下沉，減少了開采空間，垮落及裂隙發(fā)育都很不充分，因而兩帶高度均較低3、 底板裂隙充水通道1、 安全水頭斯列薩列夫提出當工作面下方存在承壓含水層時，巷道底板隔水層承受著自下而上的水壓力，而巷道底板隔水層被看作兩端固定的不怕折彎的均勻荷載的大梁，按物質阻力理論的基本原則，隔水層剖面的任何一點上都不會發(fā)生底板變性破壞的安全水頭可由下式計算：H安=2KPt/L+rt式中H安-安全水頭，t/m KP-底板隔水層的抗拉強度，t/m t-隔水層的厚度，m L-坑道的寬度,m r-隔水層的密度，t/m由上式可見，安全水頭與隔水層底板的強度，重量和厚度成正比，而與巷道的寬度成反比。在

20、實際工作中只要底板的實際水壓不超過安全水頭H安，底板就是安全的，不會發(fā)生底板突水。（公式根據(jù)材料力學中靜定梁加以推導）。2、 突水系數(shù)1964年焦作水文地質會戰(zhàn)期間，國內學者提出了突水系數(shù)的概念，其表達式為：T=P/M (其中T突水系數(shù)Mpa/m P作用于工作面底板的水壓Mpa M底板隔水層的厚度m)。實際上突水系數(shù)只是一個概念，只能定性地說明在一定厚度的隔水層條件下底板隔水層所承受的水壓越大，越容易發(fā)生底板突水，或者在一定的水壓條件下隔水層越厚月不容易發(fā)生底板突水，要用突水系數(shù)來表示或評價底板是否會突水，還必須借助臨界突水系數(shù)Ts。突水系數(shù)計算時只反映了隔水層厚度和水壓，并未反映隔水層的強度

21、和密度。實際上強度和密度已經(jīng)模糊地隱含于臨界突水系數(shù)中，不同礦區(qū)的臨界突水系數(shù)值不同實際反映了隔水層厚度和密度不同。3、 “下三帶”理論“下三帶”理論認為隨著工作面的推進，采煤工作面底板任一斷 面都要經(jīng)歷采前支撐壓力面壓縮，采后懸頂減壓而膨脹，以及后期頂板冒落后壓實在受壓的過程。（詳見防治水手冊p49頁）。據(jù)此，認為開采煤層底板也類似似乎動覆巖破壞移動，自上而下存在著三帶。詳見表3-11（手冊p50頁）。4、 集中導水通道集中導水通道是一種與礦壓作用基本無關的通道。它在采掘工作進行前，早已將強含水層的水導至采掘工作面附近，因導水空間已經(jīng)存在，一旦與井巷溝通，水就會沿著此通道長驅直入地進入礦井，

22、對煤礦生產(chǎn)的危害性極大，煤礦中的重特大水害幾乎全都是強含水層通過這類通道引發(fā)的，主要包括“導水陷落柱、導水斷層、未封閉或封閉不良的導水鉆孔，以及與水體想通的巖溶管道和廢棄井巷”。1、 導水陷落柱陷落柱是一種在古巖溶塌陷基礎上繼續(xù)塌陷直至上覆地層、煤系地層和煤層的地質現(xiàn)象。因塌陷體的剖面形態(tài)似一錐形體，故稱為巖溶陷落柱。陷落柱不僅使煤層遭受破壞，煤層丟失開采價值，影響采掘工作面的布置或者煤炭資源的回收率，而部分采區(qū)的導水陷落柱是溝通含水層與煤礦井巷之間的集中導水通道。陷落柱突水水害發(fā)生一般條件及特征見表3-12。表3-12 陷落柱突水水害發(fā)生一般條件及特征陷落柱突水水害發(fā)生的一般條件陷落柱突水水

23、害特征陷落柱突水實例陷落柱必須是導水的，構成與奧灰直接相通的含水網(wǎng)絡；導水陷落柱必須溝通富水性強額含水層，因為迄今重大陷落柱水害的水源均為奧灰水導水陷落柱已將含水層水導至采掘工作面附近，甚至高于煤層位置，所以當工作面揭露或接近以及探水孔揭露或接近時，不采取安全措施，奧灰是不可避免的陷落柱水害的發(fā)生、發(fā)展到淹井一般都有一個較長的時間過程。2、 導水斷層導水斷層是引發(fā)礦井水害最多的一種涌水通道，據(jù)統(tǒng)計，礦井出水點90以上出現(xiàn)在斷裂帶及其附近。所以頂?shù)装甯羲畬幼杷芰κ欠从掣羲畬邮軜嬙?，裂隙破壞后的綜合阻水能力，大量的突水底板多是發(fā)生在斷層附近或褶曲的縱張裂隙部位，這些裂隙既起導水的功能，又起消弱隔水層強度的作用。斷層包括裂隙只要溝通水源就要出水，導水斷層溝通強水源就可能出大水，細小裂隙溝通弱水源也可能出小水。所以，我國開采山西組或侏羅系煤層的礦井，因其煤系地層中沒有強含水的地層，在沒有斷層溝通強含水層的情況下基本沒有水害，在有斷層或其他集中導水通道溝通強含水層時也會發(fā)生水害甚至重大水害。斷層（或稱斷裂帶、斷裂破碎帶）既可以導水，也可以隔水；同一條斷層也可以部分導水，而部分隔水或阻水；有些斷層還可能工作面開采前不導水開采后導水。所以有些斷層對地下水系統(tǒng)構成隔水邊界，有利于采礦安全，有些則構成導水邊界或導水通道。斷層是否導水主要取決于斷層的力學性質，