《煤礦水害防治理論與技術(shù)》武強(qiáng)

wuq@

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué),北京)第一節(jié)我國(guó)煤礦水害類(lèi)型及分布圖例：（1）華北石炭二疊紀(jì)煤田的巖溶——裂隙水水害區(qū)；（2）華南晚二疊紀(jì)煤田的巖溶水水害區(qū)；（3）東北侏羅紀(jì)煤田的裂隙水水害區(qū)；（4）西北侏羅紀(jì)煤田的裂隙水水害區(qū)；（5）西藏、滇西中生代煤田的裂隙水水害區(qū)；（6）臺(tái)灣第三紀(jì)煤田的裂隙——孔隙水水害區(qū)圖1我國(guó)煤礦水害分布圖第二節(jié)礦床充水條件分析

礦床充水的基本條件可分為自然條件和人為條件兩大類(lèi)。

（一）自然充水水源

1.大氣降水 大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，所有礦床充水都直接或間接地與大氣降水有關(guān)。但這里所講大氣降水水源，是指礦床直接充水的唯一水源。

2.地表水水源在有大型地表水體分布（海、湖、大河流、水庫(kù)、水池）的礦床地區(qū)，查清天然條件下和礦床開(kāi)采后的地表水對(duì)礦床開(kāi)采的影響，是礦區(qū)水文地質(zhì)勘探和礦井水文地質(zhì)工作的頭等重要大事，是評(píng)價(jià)礦床開(kāi)采價(jià)值的重要內(nèi)容。3.圍巖地下水水源圍巖地下水充水類(lèi)型劃分:①根據(jù)充水巖層性質(zhì)不同可分為：砂礫石孔隙充水礦床，堅(jiān)硬巖層裂隙充水礦床，巖溶充水礦床。②根據(jù)礦層與充水巖層接觸關(guān)系不同可分為：直接充水礦床，間接充水礦床。③根據(jù)礦層與充水巖層相對(duì)位置不同可分為：頂板水充水礦床，底板水充水礦床，周邊水充水礦床。

1.點(diǎn)狀巖溶陷落柱通道

巖溶陷落柱在我國(guó)北方較為發(fā)育，在地下水的長(zhǎng)期物理和化學(xué)作用下,中奧陶統(tǒng)灰?guī)r形成了大量的古喀斯特空洞,在上覆巖層和礦層的重力作用下,空洞潰塌并被上覆巖層下陷填實(shí)，被下塌的破碎巖塊所充填的柱狀巖溶陷落柱像一導(dǎo)水管道溝通了煤系充水含水層中地下水與中奧陶統(tǒng)灰?guī)r水的聯(lián)系,特別位于富水帶上的巖溶陷落柱,可造成不同充水含水層組中地下水的密切水力聯(lián)系。巖溶陷落柱的地表特征比較明顯,特別在基巖裸露區(qū)更為明顯。

(二)充水天然通道礦床充水天然通道主要包括點(diǎn)狀巖溶陷落柱、線狀斷裂（裂隙）帶、窄條狀隱伏露頭、面狀裂隙網(wǎng)絡(luò)（局部面狀隔水層變薄或尖滅）和地震裂隙等。

2.線狀斷裂(裂隙)帶通道斷裂帶是否能夠成為充水通道主要取決于斷裂帶性質(zhì)和礦床開(kāi)采時(shí)人為采礦活動(dòng)方式與強(qiáng)度。這里重點(diǎn)分析斷裂帶的性質(zhì)，后面問(wèn)題在充水人為因素部份講述。

3窄條狀隱伏露頭通道在我國(guó)大部分煤礦山,煤系薄層灰?guī)r含水層和中厚層砂巖裂隙含水層以及巨厚層的碳酸鹽巖含水層多呈窄條狀的隱伏露頭形式與上覆第四系松散沉積物不整合接觸.影響隱伏露頭部位多層充水含水層組地下水垂向間水力交替的因素主要有兩個(gè).

4.面狀裂隙網(wǎng)絡(luò)(局部面狀隔水層變薄區(qū))

根據(jù)含煤巖系和礦床水文地質(zhì)沉積環(huán)境分析,在華北型煤田的北部一帶,煤系含水層組主要以厚層狀砂巖含水層組為主,薄層灰?guī)r沉積較少。在厚層砂巖含水層組之間沉積了以細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖和泥巖為主的隔水層組.在地質(zhì)歷史的多期構(gòu)造應(yīng)力作用下,脆性的隔水巖層受力后以破裂形式釋放應(yīng)力,致使隔水巖層產(chǎn)生了不同方向的較為密集的裂隙和節(jié)理,形成了較為發(fā)育的呈整體面狀展布的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

二礦床充水的人為條件（一）人為充水水源

1.襲奪水由于礦床開(kāi)采，降落漏斗不斷擴(kuò)展，人工流場(chǎng)強(qiáng)烈改造礦區(qū)天然地下水流場(chǎng)，人工地下水流場(chǎng)獲得新的補(bǔ)給水源稱(chēng)為襲奪水源。

2.老窯水老窯水一般分布在老礦山的淺部，它具有下列充水特點(diǎn)：①老窖水以靜儲(chǔ)量為主，靜儲(chǔ)量與采空區(qū)分布范圍有關(guān)；②老窖水為多年積水，水循環(huán)條件差，水中含有大量H2S氣體，并多為酸性水，有較強(qiáng)的腐蝕性。③老窯突水一般水勢(shì)迅猛，硫化氫氣體危害性大。

（二）充水人為通道

礦坑充水人為通道包括頂板冒落裂隙帶、地面巖溶疏干塌陷帶和封孔質(zhì)量不佳鉆孔等。

1.頂板冒落裂隙帶

采空區(qū)冒落后，形成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶是礦坑充水的人為通道，其特點(diǎn)如下：①當(dāng)冒落裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到頂板充水巖層時(shí)，礦坑涌水量將有顯著增加，當(dāng)未能達(dá)到頂板充水巖層時(shí)，礦坑涌水無(wú)明顯變化；②當(dāng)頂板冒落裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到地表水體時(shí)，礦井涌水量將迅猛增加，同時(shí)常伴有井下涌砂現(xiàn)象。

2.地面巖巖溶疏疏干塌塌陷帶帶隨著我我國(guó)巖巖溶充充水礦礦床大大規(guī)模模抽放放水試試驗(yàn)和和疏干干實(shí)踐踐，礦礦區(qū)及及其周周?chē)氐貐^(qū)的的地表表巖溶溶塌陷陷隨處處可見(jiàn)見(jiàn)，地地表水水和大大氣降降水通通過(guò)塌塌陷坑坑充入入礦井井。有有時(shí)隨隨著塌塌陷面面積的的增大大，大大量砂砂礫石石和泥泥砂與與水一一起潰潰入礦礦坑。。三礦礦床充充水強(qiáng)強(qiáng)度分分析在自然然界分分布礦礦床中中，單單一充充水水水源和和充水水通道道是少少見(jiàn)的的。從從水文文地質(zhì)質(zhì)剖面面可以以看出出，礦礦層（（體））上部部和下下部往往往分分布多多個(gè)充充水含含水層層組。。究竟竟哪個(gè)個(gè)是充充水巖巖層？？哪個(gè)個(gè)不是是充水水巖層層？哪哪個(gè)是是強(qiáng)充充水巖巖層？？哪個(gè)個(gè)是弱弱充水水巖層層？回回答這這些問(wèn)問(wèn)題的的方法法稱(chēng)為為礦床床充水水強(qiáng)度度分析析。根據(jù)礦礦山調(diào)調(diào)查資資料表表明，，礦床床開(kāi)采采后礦礦井充充水強(qiáng)強(qiáng)度除除取決決于充充水含含水層層的富富水性性、導(dǎo)導(dǎo)水性性、厚厚度和和分布布面積積外，，還取取決于于三個(gè)個(gè)防線線。第第一防防線是是充水水含水水層出出露和和接受受補(bǔ)給給源的的條件件；第第二防防線是是充水水含水水層側(cè)側(cè)向邊邊界的的導(dǎo)水水與隔隔水條條件；；第三三防線線是礦礦層頂頂、底底隔水水巖層層的隔隔水條條件。。第三節(jié)節(jié)水水災(zāi)防防治預(yù)預(yù)案與與水災(zāi)災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)處理理指揮揮水災(zāi)防防治預(yù)預(yù)案一、加加強(qiáng)礦礦井防防治水水的基基礎(chǔ)工工作1、完善礦礦井防防治水水機(jī)構(gòu)構(gòu)設(shè)置置和人人員、、隊(duì)伍伍配置置大水礦礦區(qū)都都要成成立防防治水水領(lǐng)導(dǎo)導(dǎo)小組組。集集團(tuán)公公司總總經(jīng)理理和礦礦長(zhǎng)分分別是是防治治水的的第一一責(zé)任任者，，相應(yīng)應(yīng)的總總工程程師負(fù)負(fù)技術(shù)術(shù)責(zé)任任。每每個(gè)礦礦要設(shè)設(shè)地測(cè)測(cè)科和和鉆探探隊(duì)。。地測(cè)科要要有3-4名礦井地地質(zhì)和水水文地質(zhì)質(zhì)人員，，負(fù)責(zé)資資料的搜搜集和分分析工作作；鉆探隊(duì)要要有專(zhuān)業(yè)業(yè)技術(shù)員員負(fù)責(zé)鉆鉆探資料料的搜集集和分析析工作；；有條件的的單位要要提取噸噸煤防治治水資金金，并且且落實(shí)到到實(shí)處，，如山東東肥城礦礦業(yè)集團(tuán)團(tuán)公司，，在集團(tuán)團(tuán)公司、、礦分別別設(shè)地測(cè)測(cè)副總工工程師，，具體負(fù)負(fù)責(zé)礦井井防治水水工作；；2、加強(qiáng)水水文地質(zhì)質(zhì)條件勘勘探、做做好防治治水預(yù)測(cè)測(cè)預(yù)報(bào)工工作各煤田和和井田在在勘探時(shí)時(shí)必須把把水文地地質(zhì)情況況搞清，，給設(shè)計(jì)計(jì)、建井井、開(kāi)采采提供詳詳實(shí)可靠靠的圖紙紙、資料料。3、建立健全全防治水水管理制制度，嚴(yán)嚴(yán)格執(zhí)行行防治水水的有關(guān)關(guān)規(guī)程井田之間間的邊界界煤柱和和防煤柱柱，要按按《煤礦安全全規(guī)程》和有關(guān)規(guī)規(guī)定留設(shè)設(shè)。附近近有小煤煤窯開(kāi)采采的礦井井，要把把其開(kāi)采采范圍和和與水害害有關(guān)的的情況調(diào)調(diào)查清楚楚，對(duì)大大礦有威威脅的小小煤窯要要堅(jiān)決關(guān)關(guān)掉，決決不遷就就姑息。。4、加強(qiáng)職職工技術(shù)術(shù)培訓(xùn)、、增強(qiáng)抵抵御水害害的能力力要通過(guò)不不同形式式的教育育培訓(xùn)，，使職工工了解透透水前的的各種預(yù)預(yù)兆及其其規(guī)律，，做到發(fā)發(fā)現(xiàn)透水水預(yù)兆，，能立即即停止工工作，采采取措施施，進(jìn)行行處理。。為防止止突水事事故造成成人員傷傷亡，井井下要設(shè)設(shè)置安全全出口，，標(biāo)出避避災(zāi)線路路，一旦旦發(fā)生突突水事故故，可以以安全撤撤出險(xiǎn)區(qū)區(qū)。礦井井發(fā)生突突水事故故后，應(yīng)應(yīng)立即通通知救護(hù)護(hù)隊(duì)組織織搶救。。同時(shí)，，根據(jù)事事故水源源啟動(dòng)全全部排水水設(shè)備加加速排水水，防止止整個(gè)礦礦井被淹淹。二、水水災(zāi)預(yù)兆兆（一）一一般預(yù)預(yù)兆（1）煤層變變潮濕、、松軟；；煤幫出出現(xiàn)滴水水、淋水水現(xiàn)象，，且淋水水可由小小變大；；有時(shí)煤煤幫出現(xiàn)現(xiàn)鐵銹色色水跡；；（2）工作面面氣溫降降低，或或出現(xiàn)霧霧氣及硫硫化氫氣氣味；（3）有時(shí)可可聞到水水的“嘶嘶”聲；（4）礦壓增增大，發(fā)發(fā)生片幫幫冒頂及及底臌。。（二）工工作面面底板灰灰?guī)r含水水層突水水預(yù)兆（1）工作面面壓力增增大，底底板臌起起，底臌臌量可達(dá)達(dá)500mm以上；（2）工作面面底板產(chǎn)產(chǎn)生裂隙隙，并逐逐漸增大大；（3）沿裂隙隙或煤幫幫向外滲滲水，隨隨著裂隙隙的增大大，水量量增加，，當(dāng)?shù)装灏鍧B水量量增大到到一定程程度時(shí)，，煤幫滲滲水可能能停止，，此時(shí)水水色時(shí)清清時(shí)濁，，底板活活動(dòng)時(shí)水水變渾濁濁、底板板穩(wěn)定時(shí)時(shí)水色變變清；（4）底板破破裂，沿沿裂縫有有高壓水水噴出，，并有“嘶嘶”或刺耳水水聲；（（5）底板發(fā)發(fā)生“底爆”，伴有巨巨響，水水大量涌涌出，水水色乳白白或呈黃黃色。（三）沖沖擊層層水的突突水預(yù)兆兆（1）突水部部位發(fā)潮潮、滴水水，滴水水逐漸增增大，仔仔細(xì)觀察察可發(fā)現(xiàn)現(xiàn)水中有有少量細(xì)細(xì)砂；（2）發(fā)生局局部冒頂頂，水量量突增并并出現(xiàn)流流砂，流流砂常呈呈間歇性性，水色色時(shí)清時(shí)時(shí)混，總總的趨勢(shì)勢(shì)是水量量、砂量量增加，，直至流流砂大量量涌出；；（3）頂板發(fā)發(fā)生潰水水、潰砂砂，這種種現(xiàn)象可可能影響響到地表表，致使使地表出出現(xiàn)塌陷陷坑。三、突突水后水水量估算算發(fā)生突水水后，水水量的估估算是一一項(xiàng)必不不可少的的工作，，根據(jù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)具體體條件，，迅速而而準(zhǔn)確地地對(duì)突水水水量做做出估算算，是突突水事故故處理和和搶救的的重要依依據(jù)。水災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)處處理與指揮揮一、井下發(fā)生水水災(zāi)初期的的自救1、井下發(fā)生突突水后，應(yīng)應(yīng)立即用最最快的方法法通知附近近地區(qū)的人人員一起按按照《礦井災(zāi)害預(yù)預(yù)防和處理理計(jì)劃》中所規(guī)定的的路線撤出出。2、在撤退中中，如出路路已被水隔隔斷，就要要尋找井下下位置最高高、離井筒筒和大巷最最近的地方方暫時(shí)躲避避.3、如突水區(qū)區(qū)設(shè)立水閘閘門(mén)時(shí)，在在人員撤出出后，要立立即緊緊關(guān)關(guān)死水閘門(mén)門(mén)，把水流流完全隔斷斷。4、水泵房人人員在接到到突水事故故報(bào)警后，，要立即關(guān)關(guān)閉泵房?jī)蓛蓚?cè)的密閉閉門(mén)，啟動(dòng)動(dòng)所有水泵泵.5、突水后，，特別是老老空區(qū)的積積水突出以以后，往往往會(huì)從積水水的空間放放出大量有有害氣體，，如瓦斯、、硫化氫等等.二、水災(zāi)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)處理1、應(yīng)迅速判判定水災(zāi)的的性質(zhì)。2、要掌握災(zāi)災(zāi)區(qū)范圍，，分析被困困人員可能能躲避的地地點(diǎn)以便迅迅速組織搶搶救3、加強(qiáng)通風(fēng)風(fēng)，防止瓦瓦斯和其他他有害氣體體的積聚和和發(fā)生熏人人等意外事事故。4、在排水后后進(jìn)行偵察察、搶險(xiǎn)時(shí)時(shí)，要防止止冒頂、掉掉底和二次次突水。5、在搶救和和運(yùn)送長(zhǎng)期期被困井下下的人員時(shí)時(shí)要采取措措施，要防防止突然改改變他們已已適應(yīng)的環(huán)環(huán)境和生存存條件，造造成不應(yīng)有有的傷亡。。第四節(jié)井井下防水煤煤（巖）柱柱留設(shè)一防水煤煤（巖）柱柱的類(lèi)型及及留設(shè)原則則在水體下、、含水層下下、承壓含含水層上或或?qū)當(dāng)鄬訉痈浇删蚓驎r(shí)，為防防止地表水水或地下水水潰入工作作地點(diǎn)，需需要留出一一定寬度或或高度的煤煤（巖）層層不采動(dòng)，，這部分煤煤（巖）層層稱(chēng)為防隔隔水煤（巖巖）柱或防防水煤（巖巖）柱。根根據(jù)防水煤煤（巖）柱柱所處的位位置，可以以分成不同同的類(lèi)型。。第五節(jié)礦礦井水害主主要防治方方法一、井下下探放水（一）探探放水概述述探水的目的的：探水系指采采礦過(guò)程中中用超前勘勘探方法，，查明采掘掘工作面頂頂?shù)装濉?cè)側(cè)幫和前方方的含水構(gòu)構(gòu)造（包括括陷落柱））、含水層層、積水老老窯等水體體的具體位位置、產(chǎn)狀狀等，其目目的是為有有效的防治治礦井水害害做好必要要的準(zhǔn)備。。疏干開(kāi)采是是指對(duì)煤層層頂板或煤煤層含水層層的疏干；；而疏水降降壓是指對(duì)對(duì)煤層底板板含水層而而言，其目目的是使煤煤層底板含含水層水壓壓降低至采采煤安全水水壓（該部部分將在下下節(jié)論述））。礦井疏干的的目的是預(yù)預(yù)防地下水水突然涌入入礦井，避避免災(zāi)害事事故，改善善勞動(dòng)條件件，提高勞勞動(dòng)生產(chǎn)率率，消除地地下水靜水水壓力造成成的破壞作作用等，是是煤礦防治治水的一種種主要措施施。對(duì)于大大水礦區(qū)，，為了減少少礦井涌水水量，應(yīng)采采取截流、、淺排和排排、供、生生態(tài)環(huán)保三三位一體結(jié)結(jié)合等輔助助措施，與疏干工作作統(tǒng)籌考慮慮，進(jìn)行綜綜合防治。。二疏干干開(kāi)采（一）疏干程序礦井疏干過(guò)過(guò)程可分為為疏干勘探探、試驗(yàn)疏疏干和經(jīng)常常疏干三個(gè)個(gè)逐漸過(guò)渡渡程序，應(yīng)應(yīng)與礦井的的開(kāi)發(fā)工作作密切配合合。1。疏干勘探探疏干勘探是是以疏干為為目的的補(bǔ)補(bǔ)充水文地地質(zhì)勘探。。其目的是是進(jìn)一步查查明礦區(qū)疏疏干所需要要的水文地地質(zhì)資料；；確定疏干干的可能性性，提出疏疏干方案。。2。試驗(yàn)性疏疏干試驗(yàn)性疏干干方案的正正確制定表表現(xiàn)在礦井井開(kāi)采初期期能降低水水位，并能能經(jīng)過(guò)6～12個(gè)月，尤其其是雨季的的考驗(yàn)。要要盡可能利利用疏干勘勘探工程，，并補(bǔ)充疏疏干給水裝裝置。通過(guò)過(guò)試驗(yàn)，視視干擾效果果及殘余水水頭的狀況況，進(jìn)行工工程調(diào)整。。3。經(jīng)常性疏疏干經(jīng)常性疏干干是生產(chǎn)礦礦井日常性性的疏干工工作，隨著著開(kāi)采范圍圍的擴(kuò)大和和水平延伸伸，疏干工工作要不斷斷地進(jìn)行調(diào)調(diào)整、補(bǔ)充充，甚至重重新制定疏疏干方案，，以滿足礦礦井生產(chǎn)的的要求。(二）、頂板水水害危險(xiǎn)性評(píng)評(píng)價(jià)方法—“三圖雙預(yù)測(cè)法法”頂板冒裂安全全性分區(qū)圖頂板含水層富富水性分區(qū)圖圖頂板突水條件件綜合評(píng)價(jià)分分區(qū)圖天然狀態(tài)下工工作面涌水量預(yù)預(yù)測(cè)人為改造狀態(tài)態(tài)下工作面涌水量預(yù)預(yù)測(cè)三帶壓開(kāi)開(kāi)采為在復(fù)雜水文文地質(zhì)條件下下進(jìn)行帶（水水）壓開(kāi)采，，并獲得效益益，以下技術(shù)術(shù)問(wèn)題應(yīng)予以以重視并付諸諸實(shí)施。（一）查清帶帶壓開(kāi)采的礦礦井或采區(qū)的的地質(zhì)、水文文地質(zhì)條件除應(yīng)對(duì)區(qū)域水水文地質(zhì)條件件有所認(rèn)識(shí)外外，對(duì)井田或或采區(qū)的水文文地質(zhì)條件更更應(yīng)了解清楚楚，對(duì)充水含含水層的補(bǔ)、、徑、排條件件和不同充水水含水層間的的水力聯(lián)系狀狀況以及保護(hù)護(hù)層的隔水性性能均應(yīng)予以以研究。以便便選擇具體防防治水方法和和制定帶（水水）壓開(kāi)采的的措施。（二）編制制突水系數(shù)圖圖前面已經(jīng)提到到，突水系數(shù)數(shù)的應(yīng)用是通通過(guò)突水系數(shù)數(shù)圖來(lái)體現(xiàn)的的。有兩種突突水系數(shù)圖，，一種是礦區(qū)區(qū)或井田的突突水系數(shù)圖，，比例尺常為為1：5000～1：10000；第二種是采采區(qū)的突水系系數(shù)圖，比例例尺一般是1：1000～1：2000，甚至更大些些。（三）編制制帶壓開(kāi)采地地質(zhì)、水文地地質(zhì)說(shuō)明書(shū)開(kāi)采受水害威威脅地區(qū)的煤煤層，在編制制開(kāi)拓、掘進(jìn)進(jìn)與回采設(shè)計(jì)計(jì)之前，必須須編制該范圍圍的地質(zhì)、水水文地質(zhì)說(shuō)明明書(shū)，以作為為設(shè)計(jì)的依據(jù)據(jù)。（四）應(yīng)用“脆弱性指數(shù)法法”評(píng)價(jià)預(yù)測(cè),其技術(shù)思路是是：（1）、首先建立立控制煤層底底板復(fù)雜突水水機(jī)理和演變變過(guò)程的底板板突水的主控控因素體系。。（2）、建立“脆弱性指數(shù)法法”的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模模型（3）工程應(yīng)用實(shí)實(shí)例下面以邢臺(tái)章章村礦三井為為例，進(jìn)行實(shí)實(shí)例分析。圖2.2構(gòu)造密度專(zhuān)題題層圖圖圖2.3隔水層等效厚厚度專(zhuān)題層圖圖圖2.4充水含水層水水壓專(zhuān)題層圖圖圖2.5奧灰古風(fēng)化殼殼厚度專(zhuān)題層層圖圖2.6含水層富水性性專(zhuān)題層圖圖圖2.7斷層斷距專(zhuān)題題層圖圖2.8礦壓破壞帶以以下脆性巖厚厚度專(zhuān)題層圖圖圖圖2.9本溪灰?guī)r厚度度專(zhuān)題層圖++++++底板突水脆弱弱性分區(qū)圖（（2）奧灰水壓專(zhuān)題題圖構(gòu)造密度專(zhuān)題題圖奧灰含水層富富水性專(zhuān)題圖圖+本溪灰?guī)r厚度專(zhuān)題圖奧灰上部古風(fēng)風(fēng)化殼厚度量量化專(zhuān)題圖斷層斷距專(zhuān)題題圖礦壓破壞帶以以下脆性巖厚厚度量化專(zhuān)題題圖