第十三講煤礦水害的預(yù)防

礦井突水的主要危害有：威脅礦工生命安全；影響礦工身體健康；降低生產(chǎn)效率；增加排水費(fèi)用，提高開采成本；酸性地下水腐蝕井下機(jī)誡設(shè)備，縮短開采機(jī)械的壽命；影響煤炭回采率，降低煤質(zhì)等。另外會引起巷道積水，增加井下運(yùn)輸?shù)睦щy；破壞巷道頂?shù)装鍘r石的穩(wěn)定性，使支護(hù)工作復(fù)雜化等。

礦井水災(zāi)防治是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，礦井水災(zāi)已成為僅次于瓦斯的煤礦第二大災(zāi)害。因此，進(jìn)行水文地質(zhì)研究，降低礦井水給礦井建設(shè)和生產(chǎn)帶來的危害，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)，對于煤礦工作來說，有著重要的實(shí)際意義。我國為做好防治水災(zāi)害工作專門出臺了《煤礦防治水規(guī)定》。充分說明政府對該項(xiàng)工作的重視程度。共十章，142條。一、礦井水的概念第一節(jié)概念在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中，以各種形式涌入井筒、巷道和工作面的大氣降水、地表水、地下水、老窖積水稱為礦井水。當(dāng)?shù)V井涌水量超過礦井的正常排水能力，而造成礦井水泛濫成災(zāi)的現(xiàn)象稱為礦井水災(zāi)。評價(jià)礦井的充水程度有兩個(gè)指標(biāo)：礦井含水系數(shù)和礦井涌水量。由于礦井的地質(zhì)條件和巖石性質(zhì)不同，各礦井的充水程度也不相同。礦井水給煤礦的安全生產(chǎn)帶來影響，必須搞清礦井充水的水文地質(zhì)特征，以便選擇合理的開采方法，選擇經(jīng)濟(jì)合理的安全措施，以防止礦井水災(zāi)的發(fā)生。第二節(jié)礦井水的來源礦井水的來源，決定于一系列的自然因素和人為因素。分析研究這些因素以后，才有可能采取防止礦井水災(zāi)發(fā)生的必要措施。一、礦井充水的自然因素礦井充水的自然因素包括：大氣降水、地表水、地形、基巖出露程度、巖石成分、覆蓋層的作用、地質(zhì)構(gòu)造和埋沒的古代地形等1．大氣降水大氣降水是礦井充水主要因素之一。除了一部分被蒸發(fā)和隨河流流走以外，另一部分則沿著巖石的孔隙、裂隙滲入礦井。大氣降水在不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同開采深度對礦井充水的影響也不相同。在降雨量少的西北地區(qū)，礦井涌水量就??；在降水量多的南方地區(qū)，礦井涌水量就大．即使在同一個(gè)地區(qū)內(nèi)，由于大氣降水量是隨著季節(jié)變化的，礦井涌水量一般也隨之發(fā)生周期性的變化。在一般情況下，礦井涌水量是隨開采深度的增加而減小；也有的礦井，其涌水量卻隨開采深度的增加而增加，這是由于開采的愈深，水文地質(zhì)條件愈加復(fù)雜的原故。2．地表水地表水位于礦井附近或直接分布在礦井以上的地表水，如河流、湖泊、水溏、水庫等是礦井充水重要因素。在這種情況下，地表水直接或間接地通過巖石的孔隙、裂隙、巖溶等進(jìn)入礦井，如河南義馬礦區(qū)的個(gè)別井田在小浪底水庫附近開采，受地表水威脅很大，故必須進(jìn)行多項(xiàng)的水文地質(zhì)工作，開采時(shí)采取必要的安全生產(chǎn)措施。3．地形地形對礦井充水有很大的影響，同時(shí)也影響地下水的循環(huán)條件及含水層埋藏的深度，位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上的礦井、通常是涌水小的礦井或無水礦井。在同一地質(zhì)條件下，位于低標(biāo)高地區(qū)，如河谷，沖溝或低地，可能是涌水量大的礦井。如果四周地形高而中間為低平的盆地時(shí)，在雨季積水量大，地表排泄條件不好，地表水可大量補(bǔ)給煤系地層中的含水層，使礦井強(qiáng)烈充水；反之．在地形較陡的情況下，降水大部分形成地表水流流走，補(bǔ)給地下水量就少，如圖一所示。圖一地形對大氣降水補(bǔ)給含水層的影響示意圖

1－地表2－含水層4．基巖出露程度、巖石成分和覆蓋層的作用如果煤層或基巖巖層出露于地表，其中又有透水巖層，因而能大量吸收地表水，隨著巷道掘進(jìn)，地表水可大量進(jìn)入礦井；如果煤層或巖層上面存在弱透水層或不透水層，如粘土層或砂質(zhì)粘土層覆蓋，并且厚度穩(wěn)定，至少在5m以上，則大氣降水和地表水基本不能進(jìn)行滲透；如果覆蓋層是透水砂層，則水幾乎都可滲入。當(dāng)煤層頂板為良好隔水層時(shí)，可以把水隔開。但在某些地區(qū)由于開采地段頂板冒落，并在上部形成裂隙時(shí)，地表水可大量進(jìn)入下部的透水層或巷道中去。

我國華北地區(qū)多有基巖出露，堅(jiān)硬巖層裂隙和巖溶現(xiàn)象顯著，成為水的天然聚積區(qū)域，礦井如果不對其加以防治，就會造成大量的水涌入礦井。有時(shí)裂隙和石灰?guī)r溶洞是地表水流入礦井的通道，涌水量也會急劇增加。巖石成分也影響充水程度、膠結(jié)很好的沉積巖，如細(xì)砂巖、粉砂巖、頁巖、泥灰?guī)r等是弱透水層或隔水層，可以有效地阻擋地表水和大氣降水的滲透，使礦井充水較小。

在石灰?guī)r溶洞發(fā)育的礦井中，其充水性很強(qiáng)，對開采的影響很大。如我國華北石炭二疊紀(jì)煤田，在其煤系底部為奧陶紀(jì)石灰?guī)r，石灰?guī)r中存在大量的巖溶水，如果不及時(shí)采取措施，就有可能突然涌入礦井，造成礦井被淹事故。由此可見，在石灰?guī)r溶洞發(fā)育的地區(qū)，必須調(diào)查清楚石灰?guī)r溶洞的分布情況，研究生成過程，以及其補(bǔ)給、循環(huán)和排泄的關(guān)系，開采時(shí)，必須事先探放水，并在危險(xiǎn)地區(qū)留設(shè)防水煤柱等措施5．地質(zhì)構(gòu)造

大量流入礦井的水往往和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)有關(guān)。斷層破碎帶常是地下水的通道和聚積區(qū)，沿?cái)鄬悠扑閹Э蓽贤ǜ鱾€(gè)含水層，并與地表水發(fā)生水力聯(lián)系，是造成突然大量涌水的原因，如圖二所示。圖二斷層破碎帶引起涌水示意圖1－含水層2－煤層

但是，也不是所有的斷層都能造成礦井突水事故，一般來說，斷層破碎帶本身儲存的水量并不是很大，主要是與地表水、含水層有溝通，地下水壓力很大，當(dāng)有足夠力量突破斷層破碎帶和隔水層底板時(shí)才會引起突水，對煤礦生產(chǎn)造成威脅，如圖三所示。圖三斷層涌水示意圖1－含水層2－煤層

此外，涌水也與斷層本身透水性有直接關(guān)系，根據(jù)許多礦井的經(jīng)驗(yàn)證明，多數(shù)逆斷層透水性差，正斷層透水性強(qiáng)，如果在礦井中有多條斷層，斷層的交叉處是最容易發(fā)生突水事故的位置。如果斷層破碎帶充填的是較細(xì)的柔性顆粒巖石，如泥巖、粘土、煤粉等，經(jīng)后期膠結(jié)牢固，也可能起到隔水的作用。6．埋沒的古代地形許多礦井充水決定于埋沒的古代地形形狀。后期被易透水沉積物所覆蓋的起伏不平的古老侵蝕區(qū)，是地下水容易積聚場所。這些地區(qū)，不僅一些含水層彼此之間有水力聯(lián)系，同時(shí)含水層與地表水也有聯(lián)系，有時(shí)還有古河床的存在，都給礦井充水造成了條件。二、礦井充水的人為因素礦井充水的人為因素，包括舊淹沒巷道，未封閉的鉆孔及不正確的開采方法等1．舊淹沒巷道舊淹沒巷道在老窯或者廢棄的巷道中，積存著大量的地下水，一旦揭露舊巷道，就會造成嚴(yán)重水患，老窯和舊巷涌水時(shí)，常帶有大量碎屑物和酸性水，能破壞巷道設(shè)施和開采設(shè)備。2．未封閉的鉆孔

當(dāng)鉆孔未封閉或者封孔質(zhì)量不符合規(guī)定要求時(shí)，鉆孔可成為地下水的自然通道，巷道掘進(jìn)遇到鉆孔時(shí)會造成大量涌水。3．不正確的開采方法如巷道布置不合理、采煤方法不正確、不能很好排出礦井水的采空區(qū)等，都可能造成大量的水流入巷道。當(dāng)采空區(qū)頂板采用垮落法進(jìn)行采煤時(shí)，常引起地表下沉，造成裂隙漏斗，如果破壞了隔水層，地下水就會涌入工作面。此外，在斷層含水區(qū)由于放炮震動(dòng)或發(fā)生冒頂事故時(shí)，也會發(fā)生涌水現(xiàn)象，有時(shí)會造成突然涌水。如圖四所示圖四開采后覆巖破壞形成覆巖破壞三帶、地下水沿裂隙進(jìn)入工作面造成水災(zāi)害

在河谷地區(qū)或水體下采煤時(shí)，要特別注意巷道設(shè)計(jì)的合理性，選擇正確的采煤方法，防水措施一定要嚴(yán)密周全。所有礦井的井口，都必須布置在歷年最高洪水位以上，以免造成洪水灌入井下。綜述：煤礦的水來源于地表水和地下水。地表水主要是指礦區(qū)附近的江河、湖泊、池潭、水庫和塌陷坑的積水以及雨水、冰雪融化后匯集的水。地下水主要是指含水層、斷層裂隙水和老空水。這些水源可能從各種通道和巖層裂隙滲透進(jìn)入礦井，當(dāng)進(jìn)入煤礦的水量超過礦井的正常排水能力時(shí)，就會釀成淹井事故。

所以故有水災(zāi)害的相關(guān)概念的定義如下：凡是在煤礦開拓采掘過程中，滲入、淋入、流入、灌入和潰入井筒或工作面的任何水源水，統(tǒng)稱為煤礦水。凡因井巷、工作面與含水層、老窯采區(qū)、古井、被淹巷道，地表水體或含水的裂隙帶、溶洞、洞穴、陷落柱、頂板冒落帶、構(gòu)造破碎帶等接通或溝通而產(chǎn)生的出水事故，稱為煤礦突水。凡影響生產(chǎn)、威脅采掘工作面或煤礦安全的，增加噸煤成本和使煤礦局部或全部被淹沒的煤礦水，稱為煤礦水害。

由于突水，停電設(shè)備故障，山洪泄入，揭露富水層而導(dǎo)致煤礦被淹沒，巷道塌方，礦工被困（淹）井下，稱為煤礦水災(zāi)害。針對受水災(zāi)害的煤礦而采取的搶險(xiǎn)排水為主要技術(shù)手段，以搶救遇險(xiǎn)礦工，恢復(fù)被淹煤礦排水能力為目的的一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)社會活動(dòng)，稱為煤礦水災(zāi)害救治。

根據(jù)造成煤礦水害的水源進(jìn)行分類，我們把煤礦水災(zāi)害分成四種類型。1、地表水災(zāi)害大氣降水，江河，湖泊等，從井口或采區(qū)冒落列席帶，斷層鉆孔等進(jìn)入，如：平頂山市一小煤礦，洪水直接進(jìn)入井筒。如：洛陽市新安寺溝煤礦，河水直接與井下的護(hù)河煤柱溝通，造成淹井事故。2、老空水災(zāi)害即：古井、小窯、廢巷幾采空區(qū)積水，采掘工作面與之接近或溝通，使水體進(jìn)入巷道或工作面，造成事故的，這是無論在國有重點(diǎn)、國有地方及鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦是最多的水害事故，都一一發(fā)生過。3、孔隙或裂隙水災(zāi)害屬第三系、第四系松散含水層孔隙水，有的為頂板砂巖的含水層水；流沙水或泥沙等；有的為地表補(bǔ)給水。當(dāng)采空區(qū)冒落，裂隙導(dǎo)通后，或采面底板破裂或鉆孔封孔不良，造成突水淹采面采區(qū)，或是淹井的事故。如：永煤集團(tuán)的陳四樓、車集煤礦，鄭煤集團(tuán)的米村、裴溝礦等等。4、巖溶水災(zāi)害這主要是屬于薄層或是厚層灰?guī)r水災(zāi)害，在我省是二1煤以下的七灰、八灰水，采動(dòng)后，使得水系導(dǎo)通工作面，造成淹井等事故。我省的焦煤集團(tuán)、滎鞏煤田、禹州煤田的水害，主要是石炭二疊紀(jì)的奧灰水，或寒武紀(jì)的寒灰水。如：焦煤、滎陽的王河、平禹的新峰、梁北煤礦等，都是受到這種水的影響。水害的危害：1、通過初步統(tǒng)計(jì)，各種災(zāi)害平均每次事故的死亡人數(shù)為：瓦斯5.54人，火災(zāi)0.56人，水災(zāi)5.58人，冒頂1.18人。可以看出瓦斯和水災(zāi)每起的死亡率最高，數(shù)字驚人。2、各種災(zāi)害的損失面大。平均每起事故計(jì)算結(jié)果是瓦斯11.52萬元/起，火災(zāi)13.61萬元/起，水災(zāi)16.00萬元/起，冒頂3.22萬元/起。其中水災(zāi)害的損失最高。3、各種災(zāi)害的工作日損失統(tǒng)計(jì)為瓦斯16954工日，15500工日，水災(zāi)18590工日，冒頂5222工日，以水災(zāi)工作日損失最多。煤礦水災(zāi)害的成因分析：1、一些煤礦，特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦，在開采設(shè)計(jì)過程中，對于防治水災(zāi)害的措施不合理，沒有設(shè)計(jì)探放水措施，沒有設(shè)計(jì)防水煤柱等。2、對煤礦的水文地質(zhì)分析不夠，特別是探放水不夠，在開采中盲目掘進(jìn)，造成突水事故。3、在開采過程中，礦工違章違規(guī)操作，造成水災(zāi)事故。4、煤礦沒有制定相應(yīng)的安全規(guī)程，裝備不齊全，不到位，導(dǎo)致水災(zāi)害發(fā)生。5、煤礦供電和排水系統(tǒng)運(yùn)行可靠性能出現(xiàn)故障，造成煤礦水災(zāi)害事故。6、地震，山洪暴發(fā)等自然災(zāi)害引發(fā)了煤礦水災(zāi)還事故等。目前我國對于煤礦水災(zāi)害救治缺乏系統(tǒng)性、計(jì)劃性和應(yīng)急性。主要表現(xiàn)在：沒有從系統(tǒng)高度來分析、計(jì)劃和開展煤礦水災(zāi)害救治工作，從而使得煤礦水災(zāi)害救治缺乏整體性和計(jì)劃性，只是被動(dòng)地對水災(zāi)害采取應(yīng)急救治措施。對于煤礦水災(zāi)害救治的設(shè)備以及需要的各種物資缺乏合理和科學(xué)的管理和調(diào)度制度。

各個(gè)專業(yè)煤礦水災(zāi)害救治單位缺乏合理的人員管理和培訓(xùn)。各個(gè)專業(yè)煤礦水災(zāi)害救治單位之間，專業(yè)煤礦水災(zāi)害救治單位和各個(gè)煤礦之間以及專業(yè)煤礦水災(zāi)害救治單位和各種社會物資，專家之間沒有建立信息溝通渠道和信息庫，使得煤礦水災(zāi)害發(fā)生時(shí)，不能及時(shí)作出反應(yīng)，同時(shí)不能及時(shí)得到所需要的救治，搶險(xiǎn)物資和各個(gè)方面專家的指導(dǎo)，使得水災(zāi)害救治的工作效率低下。

各個(gè)專業(yè)煤礦水災(zāi)害救治單位現(xiàn)有救治設(shè)備缺乏合理的管理和維護(hù)，使得在需要設(shè)備時(shí)，往往不能準(zhǔn)確快速的找到，不能及時(shí)把設(shè)備運(yùn)往救治現(xiàn)場。救治缺乏合理的計(jì)劃和科學(xué)實(shí)施手段，主要是憑借救治人員的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的。缺乏高效、適用、可靠的搶險(xiǎn)排水技術(shù)裝備和技術(shù)手段。四、國內(nèi)外現(xiàn)狀1、國內(nèi)現(xiàn)狀在突水機(jī)理與突水分析方面，提出了“突水系數(shù)”、“等效隔水層”和底板隔水層中的“原始導(dǎo)高”等概念，經(jīng)多年的試驗(yàn)觀測與研究，認(rèn)為底板突水機(jī)理是“含水層富水性、隔水層厚度及其存在的天然裂隙與水壓、礦壓（采動(dòng)活動(dòng)影響）等因素的綜合作用結(jié)果”。對突水分析采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，力學(xué)平衡和能量平衡方法。同時(shí)，開始應(yīng)用井下物探技術(shù)。如坑道透視法、井下電法、氡氣測定法等來探測充水水源和充水通道，并在研究、、驗(yàn)證預(yù)測突水量的數(shù)字模型方面有了較大的進(jìn)展。

在煤礦水災(zāi)害防治技術(shù)方面，煤礦水災(zāi)害防治技術(shù)主要有疏干降壓和堵水截流等方法。疏干降壓是我國煤礦防治水災(zāi)害的主要技術(shù)措施，而堵水截流是我國煤礦防治水災(zāi)害的重要方法。2、國外現(xiàn)狀采用主動(dòng)防護(hù)法，即采用地面垂直鉆孔，用潛水泵專門疏干含水層水。德國就研制了高揚(yáng)程（700m）、大排量（5000m3/h）、大功率（2000kw）的潛水泵，并且采用電腦自動(dòng)控制來防水災(zāi)害。在堵水截流方面也有很大的發(fā)展，開挖，護(hù)壁，清渣，疏水作業(yè)，是當(dāng)前國外先進(jìn)的堵水截流技術(shù)。另外利用挖溝機(jī)在松散層中修建帷幕，建造地下帷幕方法也愈來愈受到重視。一、避免水災(zāi)害事故典型案例（一）、平禹煤電新峰一礦“10.19”突水事故案例分析

2005年10月19日某礦東大巷水閘門以東967m處，擴(kuò)修巷道時(shí)發(fā)生底板突水事故，最大突水量38056m3/h，從開始突水到礦井被淹歷時(shí)81分鐘。1、礦井概況

該礦井田西依丘陵，東臨平原，地勢由北西向南東微傾斜，地面標(biāo)高208.70m~117.70m。井田總體構(gòu)造形態(tài)為向南西傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角10~25°，局部地段大于40°。井田西部、西南部及東北部均以斷層為自然邊界，井田內(nèi)斷層比較發(fā)育，以北東向及北西向正斷層為主，構(gòu)造類別屬中等。

該礦始建于1969年12月，1976年10月簡易投產(chǎn)，主采二迭系山西組二1煤層和二3煤層，井田面積13.5km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.6Mt/a。后經(jīng)改造，2005年經(jīng)上級主管部門核定生產(chǎn)能力1.05Mt/a。礦井為立井單水平上、下山分區(qū)開拓，水平標(biāo)高-200m。中央邊界抽出式通風(fēng)，礦井正常涌水量430m3/h。承壓水位標(biāo)高﹢132m。2、事故經(jīng)過

2005年10月19日15時(shí)50分，-200m水平東大巷擴(kuò)修時(shí)，盯面檢查工發(fā)現(xiàn)擴(kuò)砌工作面附近有4m長的拱帽冒落，而且擴(kuò)砌處向后20m范圍內(nèi)巷道壓力增大，底板鼓起，該檢查工立即向礦調(diào)度室匯報(bào)。接到匯報(bào)后,礦領(lǐng)導(dǎo)派地測科科長到現(xiàn)場觀察并查明原因，同時(shí)命令現(xiàn)場作業(yè)人員撤離，當(dāng)時(shí)在井下帶班的兩名副礦長及安檢（監(jiān)）科科長得知這一情況后，迅速趕赴現(xiàn)場。16時(shí)20分碹帽塌落長度增加到8m，后方10m范圍內(nèi)砌體嚴(yán)重變形脫落，底板鼓起嚴(yán)重，17時(shí)18分，冒頂處底鼓高度達(dá)1.2m，涌水量約80m3/h，礦長立即向平禹煤電公司調(diào)度室進(jìn)行了匯報(bào)，平禹煤電公司總工程師緊急趕到礦上，同相關(guān)人員一起下井查看。18時(shí)20分，水量增大，涌水量約180m3/h，礦井立即啟動(dòng)水災(zāi)應(yīng)急救援預(yù)案，受水害威脅的人員迅速沿避災(zāi)路線進(jìn)行撤離。18時(shí)38分，冒頂處底板突然一聲巨響，噴出約0.6m見方的水柱，涌水量約5000m3/h以上，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出礦井排水能力（1400m3/h）。19時(shí)07分，水量進(jìn)一步增大，在主石門調(diào)車站處用浮標(biāo)法粗略測算，涌水量達(dá)12000m3/h以上，由于水量大、流速快和沖出的雜物使水閘門無法關(guān)閉。此時(shí)，井下其它區(qū)域人員在各級干部的帶領(lǐng)下按避災(zāi)路線撤至地面，中央泵房大泵全部啟動(dòng)。

19時(shí)59分，中央變電所及泵房被淹，司泵工、副井底信號工升井。至此，當(dāng)班井下的472名干部職工全部升井，無一人員傷亡，從礦井突水到礦井被淹只有81分鐘。3、原因分析突水點(diǎn)位于東大巷967m附近，該段巷道為砌碹支護(hù)，1999年施工，上距二1煤層20m，二1煤已于2001年回采結(jié)束，因原施工巷道斷面小，對該段巷道進(jìn)行擴(kuò)修。A、突水點(diǎn)分析突水時(shí)，現(xiàn)場有人觀察，突水點(diǎn)位置清楚。底鼓范圍大、突水迅猛，突水處呈線狀沿巷道展布，是一個(gè)長度大于10m的出水帶。B、水源分析此次突水來勢猛，水量大，最大突水量約38056m3/h，平均突水量26639m3/h。從突水到泵房被淹僅81分鐘；距突水點(diǎn)3000m處的桐樹張村供水井在突水后水位下降150m，該水井落底在寒武系灰?guī)r中，由此確認(rèn)突水水源為寒武系灰?guī)r巖溶裂隙水。C、導(dǎo)水通道分析