煤礦防治水基本理論及技術(shù)方法

1、煤礦防治水基本理論及技術(shù)方法導(dǎo) 語 礦井水害與瓦斯、煤塵、火和頂板災(zāi)害并稱煤礦五大災(zāi)害。災(zāi)害形成機理、災(zāi)害探測、災(zāi)害預(yù)防和治理技術(shù)是同一問題的幾個不同側(cè)面，本次講座緊緊圍繞礦井地下水害這一特定地質(zhì)災(zāi)害形成規(guī)律及防治技術(shù)進行研討。礦井水害的定義及特點 地下水廣義上講，地面以下所有的水均稱為地下水。狹義上講，地球淺表與人類活動密切相關(guān)的潛水和承壓水才稱為地下水；含水層指能夠透過并給出相當(dāng)數(shù)量水的巖層,在自然條件或人為條件下，能流出水來的巖石，由于這種含水的巖石大多呈層狀，所以叫做含水層，如砂層、砂卵石層等等。含水層松散層斷層帶含水帶可溶巖巖溶含水系統(tǒng)隔水層不能透過并給出水，或透過并給出水的數(shù)量微不

2、足道的巖層為致密巖石，其中沒有空隙，既不含水，也不透水；另一種是孔隙度很大，但孔隙直徑很小，孔隙中存在的水絕大部分是結(jié)合水，在常壓下不能靠重力自由流出，因此也不能透水。按埋藏條件（含水層在地質(zhì)剖面中所處的部位及受隔水層限制的情況）包氣帶水、潛水、承壓水、按含水介質(zhì)類型、孔隙水、裂隙水、巖溶水。 礦井水指在煤礦基建和生產(chǎn)過程中以滲、滴、淋、流、涌和潰的形式進入采掘空間（井巷、工作面）的地下水。 礦井水害凡是影響生產(chǎn)、增加噸煤成本或者使礦井局部或全部被淹的礦井水。輕則影響生產(chǎn)，重則造成淹井人亡的惡性事故，是煤礦生產(chǎn)中一種經(jīng)常性的地質(zhì)災(zāi)害。 透（Tou）水地面或井下水體引發(fā)的水害事故； 突（Tu）水

3、由于直接揭露或各種通道引發(fā)的含水層水害事故。 礦井突水是地下水非正常涌入井巷和工作面的現(xiàn)象，這里，一方面要強調(diào)它的突發(fā)性，另一方面要強調(diào)它的災(zāi)害性,其次，強調(diào)它的可預(yù)控性，即絕大多數(shù)礦井突水都是可以預(yù)防的（可預(yù)測、可控制）。 礦井突水征兆：煤層內(nèi)部有“吱吱”的水叫聲、煤層失去光澤、煤層發(fā)汗、潮濕、結(jié)成水珠掌子面變冷 、水色變?yōu)殍F銹紅、老空水具嗅雞蛋氣味、底鼓、片幫。礦井突（涌）水量變化曲線按不同分類標(biāo)準(zhǔn)劃分的礦井水害類型按水源類型劃分： 頂板水、底板水、老空水、小煤窯水、地表水、儲水?dāng)鄬铀簭埮ば詳鄬用}狀含水帶、大氣降水按導(dǎo)水通道劃分 ： 斷層突水、陷落柱突水、裂隙巖體或煤(巖)柱突水、封閉不

4、良鉆孔突水總體上講，可分為直通式通道和滲透性通道突水，前者如陷落柱、斷層，后者如節(jié)理、裂隙按水源含水介質(zhì)類型劃分： 孔隙元寶山露天煤礦；裂隙焦作九里山礦、邢臺東龐礦；巖溶以溶隙充水為主的巖溶充水礦床如焦作中馬村礦、萊蕪業(yè)莊鐵礦；以溶洞充水為主的巖溶充水礦床如廣東凡口鉛鋅礦；以暗河管道為主的巖溶充水礦床如湖南香花嶺多金屬礦礦井水文地質(zhì)條件評價礦井水文地質(zhì)條件主要包括如下5個方面： 1含水層、隔水層的結(jié)構(gòu)及空間展布規(guī)律； 2地下水的補給、徑流及排泄條件； 3不同含水層及同一含水層地下水水化學(xué)特征及分區(qū)特征； 4地下水動態(tài)及均衡特征； 5礦井涌水量大小。 礦井充水條件 研究礦井充水條件是礦床水文地質(zhì)

5、學(xué)的核心內(nèi)容，礦坑充水特點、水量大小及動態(tài)取于充水條件，只有查明礦井充水條件，才能正確預(yù)測礦坑涌水量。 礦井充水條件包括兩個方面：充水水源、充水途徑 充水水源：指與礦坑有水力聯(lián)系的水體或含水層 充水途徑：水源進入礦坑的通道，二者統(tǒng)一和有機結(jié)合構(gòu)成礦坑充水主要的充水水源總體來看，礦井充水水源主要包括大氣降水、地表水、地下水和老空積水。 地表水又可分為河水、湖水、海水、水庫水。 地下水可分為第四系松散沉積層潛水、砂巖裂隙水、巖溶裂隙水。 充水水源的分類按照水源與礦體(煤層)的相對位置關(guān)系及充水特點分為三種基本形式： 間接充水水源通過導(dǎo)水通道進入礦坑 直接充水水源直接頂板含水層、直接底板含水層及露天

6、礦井剝離第四紀(jì)含水層 自身充水水源本身就是含水層，如伊敏河露天煤礦，孟加拉國的Barapukuria煤礦主采VI煤層（平均36米厚）本身就是含水層 老空水以靜儲量為主且儲量與采空區(qū)分布范圍有關(guān) 老空水為多年積水，水循環(huán)條件差，多為酸性水含有大量H2S氣體，有較強的腐蝕性，老空突水一般水勢迅猛，硫化氫氣體對人體危害性較大采空區(qū) 采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被采出后留下的空洞區(qū),按礦產(chǎn)被開采的時間,可分為老采區(qū)、現(xiàn)采區(qū)和未來采區(qū)。礦體被采出后,自頂板巖層向上形成“三帶”垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲帶水害總體特點 華北石炭二疊紀(jì)礦區(qū)和南方晚二疊世礦區(qū)，屬典型的喀斯特水文地質(zhì)類型；黃淮一松遼平原的煤田，受第四紀(jì)沖積

7、層水危害；南方型煤田雨季充水問題，東北礦區(qū)地面塌陷坑積水，煤礦老空區(qū)積水對采掘安全的影響不容忽視突水系數(shù)理論T=P/M；當(dāng)TTs，突水；T Ts不突水或處于臨界突水狀態(tài)礦區(qū)名稱 峰峰 焦作 淄博 井陘Ts臨界突水系數(shù)(MPa/m)0.0660.0760.060.100.060.100.060.15標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325Pa=0.101325MPa =0.101325MPa×100m/MPa =10.1325m 10m1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=76厘米高水銀柱所產(chǎn)生的壓強 =1033.6厘米高水柱所產(chǎn)生的壓強 =1.013巴（bar）“下三帶”理論 山東礦業(yè)學(xué)院與井陘礦務(wù)局經(jīng)過多年實

8、際觀測并結(jié)合室內(nèi)模型試驗及有限元計算后提出的。 開采煤層底板與頂板覆巖一樣存在著三帶，從煤層往下分別是底板破壞帶（ h1）、完整巖石帶（ h2 ）、承壓水導(dǎo)高帶（ h3 ）。 當(dāng)采礦引起的“三帶”發(fā)生時，其第帶保護層帶（ h2 ）厚度很薄甚至完全沒有時，則必定造成開采不夠安全直至引起突水。“強滲通道說”中國科學(xué)院地質(zhì)研究所與開灤礦務(wù)局共同實踐的結(jié)果 底板水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在與水源溝通的固有的富水和強滲通道，當(dāng)采掘工程揭穿時，即可能發(fā)生突水。 底板中不存在這種固有的強滲通道，但在工程應(yīng)力、地殼應(yīng)力及地下水的共同作用下，沿襲底板巖體結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的有的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生變形、破壞，形成新的貫穿性強滲通

9、道而誘發(fā)突水。前者稱為原生通道突水，后者稱為次生通道突水“巖水應(yīng)力關(guān)系說” 煤炭科學(xué)研究總院西安研究院在承擔(dān)國家工業(yè)性試驗項目時在焦作試驗點提出的把復(fù)雜的底板突水問題簡單地歸結(jié)為巖（底板砂頁巖）水（底板承壓水）應(yīng)力（采動應(yīng)力和地應(yīng)力）關(guān)系，當(dāng)?shù)装甯羲畮r體的最小主應(yīng)力小于承壓水水壓時，產(chǎn)生壓裂擴容，發(fā)生突水。原始導(dǎo)高煤系地層基底巖溶承壓水,在自然狀態(tài)下往往能夠通過上覆地層的裂隙、孔隙導(dǎo)升到某一部位，形成超出含水層頂界面一定高度的越潛水柱，稱為原始導(dǎo)高，原始導(dǎo)升具有不均一性，一般沿中、小型張裂隙、張扭型裂隙及節(jié)理向上導(dǎo)升，總體上酷似一株植根于奧灰的大樹，其脈狀支干枝梢參差不齊地伸向不同空間。常用礦

10、坑涌水量預(yù)測方法礦井涌水量預(yù)測問題19771978年55個涉及煤炭、冶金、化工和建材等部門的重點巖溶充水礦床回訪調(diào)查，礦井涌水量與實際涌水量進行對比，結(jié)果如下：誤差<30%，占10% ; 誤差>50%，占80% ;個別礦區(qū)誤差達10倍，甚至100倍以上。 例如，山東葉莊鐵礦，預(yù)測±0m中段涌水量417m3/d，經(jīng)過兩次放水試驗，涌水量大于95000m3/d，實際涌水量是預(yù)測的228倍。礦井涌水量預(yù)測誤差較大的原因 水文地質(zhì)條件未查清 水文地質(zhì)參數(shù)缺乏代表性 數(shù)學(xué)模型選擇不當(dāng)可能造成的后果 已建成的開拓巷道，因?qū)嶋H涌水量大大超過預(yù)測的涌水量被擱置，本來可以開采的礦田，因預(yù)測

11、的涌水量過大而不敢開采。水文地質(zhì)比擬法基本原理應(yīng)用生產(chǎn)礦井的涌水量資料，與礦井水文地質(zhì)條件相似的設(shè)計礦井或采區(qū)作比擬，以計算新礦井或采區(qū)未來的涌水量。實際計算中所采用的礦井涌水量資料，必須是一個水文年以上。所謂水文地質(zhì)條件相似，是指設(shè)計礦井或采區(qū)礦井充水因素（水源、通道以及影響因素）與生產(chǎn)礦井大體相仿。式中：Q1、Q2分別為新老礦井（水平、采區(qū)、采面）的涌水量； F1、F2分別為對應(yīng)的開采面積； S1、S2分別為對應(yīng)的水位降深 涌水量降深曲線法（Q-S曲線法）直線型 ：Q=aS；拋物線型 ：S=aQ+BQ2；冪函數(shù)曲線型 ：Q=aS（1/b）；對數(shù)函數(shù)曲線型：Q=a+b lgS涌水量方程的建立

12、 （1）根據(jù)三次降深抽水資料，作涌水量降深曲線Q=f(S) （2）根據(jù)曲線特點，確定相應(yīng)的涌水量方程式。 若Q=f(S)為直線，可直接用直線方程式計算； 若Q=f(S)不是直線，可根據(jù)三次降深資料分別繪制S/Q=f(Q)、lgQ=f(lgS)、Q=f(lgS)曲線。相關(guān)分析法 式中：Qi為某月的礦坑涌水量(平均值)； Xi為某月的降雨量； Xi-1為前一個月的降雨量; Xi-2為前兩個月的降雨量; Qi-1為前一個月的礦坑涌水量(平均值); B0、B1、B2、B3、B4為待定系數(shù)解析法承壓含水層穩(wěn)定流：；潛水含水層穩(wěn)定流：；承壓含水層非穩(wěn)定流：；潛水含水層非穩(wěn)定流；承壓無壓穩(wěn)定流：計算實例 某

13、礦開采二迭系煤層，煤厚1.4m，煤層直接頂板為裂隙極為發(fā)育的粗粒砂巖，厚36.82m，煤層傾角4º，設(shè)計順煤層走向開拓巷道320m。根據(jù)勘探資料，砂巖水頭高159.85m，滲透系數(shù)36.158m/d，影響半徑9607m，預(yù)計水平巷道涌水量“大井法” 大井法當(dāng)?shù)V井排水時，在礦井周圍會形成以巷道系統(tǒng)為中心的具有一定形狀的降落漏斗，這與鉆孔抽水時在其周圍形成降落斗的情況類似。因此，可以將整個巷道系統(tǒng)分布的范圍假設(shè)成為一個理想的“大井”，可以直接利用地下水動力學(xué)的公式來計算“大井”的涌水量，整個坑道系統(tǒng)的涌水量就相當(dāng)于“大井”的涌水量。 用“大井法”預(yù)計涌水量時，一般要求巷道系統(tǒng)的長度與寬度

14、之比小于10，“大井法”確切地說,把復(fù)雜的坑道系統(tǒng)假想為一個與坑道系統(tǒng)面積相等的“大井”，“大井”涌水量根據(jù)一般垂直鉆孔涌水量公式確定。此時，鉆孔半徑用“大井”的引用半徑代替，影響半徑用“大井”的引用影響半徑代替，可分為承壓水“大井”、潛水“大井”、承壓無壓“大井涌水量公式 研究礦床水文地質(zhì)條件的各類探測、監(jiān)測、測試、試驗技術(shù)方法主要包括:1、物探技術(shù)方法；2、鉆探技術(shù)方法；3、化探技術(shù)方法；4、試驗技術(shù)方法物探方法 依據(jù)：介質(zhì)的電性、彈性波、磁場強度、重力場的差異對不同介質(zhì)及其界面進行判識，從而滿足礦井防治水中對異常地質(zhì)體的探測要求，優(yōu)點：體積效應(yīng)、無損探測、時間短。常見巖石電阻率 地震高分

15、辨率三維地震是一種用于探查煤層賦存形態(tài)及地質(zhì)構(gòu)造的物探方法，具有探測范圍大、見效快、精度高等優(yōu)點。 工作原理:利用人工震源激發(fā)地震波,用地震儀器錄制大地的震動信息,通過計算機處理提高信噪比,突出有效信息,分析地震波傳播規(guī)律,從而達到解決地質(zhì)問題的目的。由于斷層和陷落柱的錯斷和沉降變化，使地震波產(chǎn)生錯動或紊亂，因此，可以解釋和描述這類構(gòu)造的特征。 三維地震勘探可以基本查明落差5m以上的斷層，但與實際揭露的吻合率最高也只能達到50%左右，對小于5m的斷層吻合率很低，特別是23m的斷層，基本還屬于三維地震勘探的盲區(qū)，三維地震勘探可以基本查明波幅大于5m的褶曲，解釋35m的斷點，圈定直徑大于20m的地

16、質(zhì)異常體(如陷落柱、沖刷無煤帶及火成巖侵入體等)，在條件較好的地區(qū)精度更高。電法含、導(dǎo)水異常體探查目前主要方法：1、瞬變電磁法；2、直流電法；3、音頻電透視；4、電測井物探方法的特點1、大范圍、大尺度探測；2、全方位、全斷面；3、無損傷探測物探方法的局限性1、多解性；2、因人而異；3、往往需要通過鉆探和井巷工程實際揭露來驗證；4、不能取得涌水量資料鉆探方法 通過鉆探工程揭露和了解地層的結(jié)構(gòu)特點和含隔水層的空間特征 鉆探方法是各種試驗方法賴以實施的基礎(chǔ)，如抽水試驗、放水試驗、連通試驗等需要鉆孔形成以后才能組織實施。鉆探方法缺點1、施工周期長；2、費用高；3、揭露的水文地質(zhì)信息有限；4、常常給人“

17、一孔之見”之感 鉆探方法優(yōu)點1、直接性直接應(yīng)用；2、準(zhǔn)確性判層準(zhǔn)確、含水性準(zhǔn)確；3、能取得涌水量資料物探、鉆探方法配合原則物探先行 提供靶區(qū)鉆探驗證 準(zhǔn)確定位化探方法水化學(xué)分析方法的簡稱地下水的化學(xué)成份往往代表著其賦存地層的環(huán)境特征 按照各種特征離子的含量、礦化度、水質(zhì)類型等，可以對不同含水層地下水做出區(qū)分，從而對井下涌水的來源進行識別 主要通過水質(zhì)化驗、示蹤試驗等實（試）驗方法，利用不同時間、不同含水層的水質(zhì)差異，確定突水水源，研究各含水層的水文地質(zhì)條件，確定含水層之間的水力聯(lián)系同位素技術(shù)在礦井水害防治中的作用1、測定地下水年齡；2、徑流條件、徑流強度分區(qū)；3、補給條件、補給來源、水力聯(lián)系；

18、4、地下水的形成條件；5、天然流場與人工流場的特征與聯(lián)系底板突水監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測方法：通過埋設(shè)在鉆孔中的應(yīng)力、應(yīng)變、水溫、水壓傳感器，監(jiān)測工作面回采過程中應(yīng)力、 應(yīng)變、水壓、水溫的變化，數(shù)據(jù)傳送到地面中心站后，利用專門的數(shù)據(jù)處理軟件判斷是否會發(fā)生突水。主要應(yīng)用于具有底板突水危險的工作面回采過程中的突水監(jiān)測。原位應(yīng)力測試系統(tǒng) 原位應(yīng)力測試儀是一種以套筒致裂法原理為基礎(chǔ)的原位地應(yīng)力測試儀器，通過監(jiān)測工作面回采前、回采過程中的地應(yīng)力變化，應(yīng)用專門的數(shù)據(jù)處理軟件判斷是否發(fā)生突水。該技術(shù)建立在巖水應(yīng)力學(xué)說基礎(chǔ)上，主要用于底板突水監(jiān)測。原位地應(yīng)力測試?yán)碚摶A(chǔ)井下放水試驗技術(shù) 放水試驗是一種鉆孔試驗技術(shù)，由分布于井上、下的放水孔和觀測孔組成，放水孔布置在煤礦井下巷道中，一般地，要求最好布置在未來疏水降壓的中心附近，觀測孔一般圍繞放水孔，根據(jù)井巷工程條件，可以是井下測壓孔，也可以是井上水位觀測孔，以能夠控制疏水降壓漏斗的