我國礦井水害的基本特征及防治措施

-3-我國礦井水害的基本特征及防治措施摘要：本文分析了我國礦井水害的基本特征及其產生原因，筆者通過統(tǒng)計近十年礦井水害的事故起數(shù)、死亡人數(shù)及及“十一五”期間水害類型，分析了我國礦井水害發(fā)生發(fā)展的基本規(guī)律。介紹了礦井水害的防治措施及防治技術基本路線，提出了加強對新的采礦條件下礦井底板水突出機理的研究的建議。關鍵詞：礦井水害；基本特征；發(fā)展規(guī)律；防治措施BasiccharacteristicsofminewaterhazardinChinaandthecontrolmeasuresAbstract：Thispaperanalyzedthebasiccharacteristicsofminewaterhazardanditscauses,theauthoranalyzedbasicdevelopmentandoccurrenceregularitiesofcoalminewaterhazardsinChinabystatisticingthenumberofaccidentsanddeathsduringthelastdecadeandthetypeofminewaterhazardduringthe"EleventhFive-Year".ControlmeasuresandrecommendationsoftheminewaterhazardpreventiontechnologybasiclinewereIntroduced,theauthorproposedtostrengthenthestudyoftheconditionsunderthenewminingpitfloortohighlightthemechanismofwater.Keywords:minewaterhazard;basiccharacteristics;developmentlaw;controlmeasures礦井在建設和生產過程中，地面水和地下水通過各種通道涌入礦井，當?shù)V井涌水超過正常排水能力時，就造成礦井水害。礦井水害是威脅煤礦安全生產的五大災害之一，我國煤炭資源豐富，煤田分布廣，聚煤時期多，但賦存狀態(tài)差異性大且煤礦床水文地質條件復雜，開采過程中受到多種水體的威脅，是世界上礦井水害最嚴重的國家之一。而且，隨著開采水平的延伸和開采范圍的擴大，礦井生產向縱深發(fā)展，水患威脅日益嚴重，礦井水災嚴重威脅煤礦安全生產和礦工的生命安全。我國礦井水害的基本特征礦井水害分布具有明顯的地域性特征中國煤礦水害的分布有一定的規(guī)律性，它與含煤巖系的成煤環(huán)境、成煤地質構造的變遷、煤礦區(qū)自然地理氣候特征及區(qū)域水文地質條件的因素有關。根據(jù)我國聚煤期的地質、水文地質特征，并考慮礦井水對生產的危害程度，可將我國煤礦劃分六個水害區(qū)，如圖1所示。其中華北和華南礦井水文地質條件極為復雜，水害十分嚴重。華北石炭二疊系煤田的巖溶裂隙水水害區(qū)位于中國華北斷塊范圍之內，北以陰山為界，西以賀蘭山構造帶為界，南至秦嶺構造帶，東臨黃海。該區(qū)煤田分布范圍大、可采煤層多、儲量大、煤種齊全的焦煤和主焦煤重要產地，據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局統(tǒng)計，核定生產能力為281896萬t/a，占全國能力的66%，是我國主要的產煤區(qū)[[]武強,趙蘇啟,孫文潔,崔芳鵬,吳晨.中國煤礦水文地質類型劃分與特征分析[J].煤炭學報,2013,38(6):902-905.]。該區(qū)屬亞濕潤—亞干旱氣候區(qū)，年降水量600~1000mm的約占[]武強,趙蘇啟,孫文潔,崔芳鵬,吳晨.中國煤礦水文地質類型劃分與特征分析[J].煤炭學報,2013,38(6):902-905.[]王永紅,沈文.中國煤礦水害預防及治理[M].煤炭工業(yè)出版社,1996.圖1中國煤礦水害分區(qū)示意圖1-華北石炭二疊紀煤田的巖溶裂隙水水害區(qū)；2-華南晚二疊世煤田的巖溶水水害區(qū)；3-東北侏羅紀煤田的裂隙水水害區(qū)；4-西北侏羅紀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-臺灣古近紀、新近紀煤田的裂隙-孔隙水水害區(qū)華南晚二疊世煤田的巖溶水水害區(qū)位于淮陽古陸以南、川滇古陸以東的長江流域的蘇南、皖南、江西、湖南、廣東、廣西、四川、貴州、云南等省。水害最嚴重的是晚二疊世龍?zhí)睹合档闹饕禾?，分布區(qū)屬濕潤氣候區(qū)，年降水量1200~2000mm的占95%以上。本區(qū)的煤礦水害主要以灰?guī)r充水為主，其主要巖溶含水層有泥盆紀融縣灰?guī)r，石炭紀黃龍灰?guī)r、船山灰?guī)r、壺天灰?guī)r，二疊系茅口灰?guī)r、長興灰?guī)r和三疊紀大冶灰?guī)r，而茅口灰?guī)r是厚度最大，富水性最強的含水層[[]董書寧,虎維岳.中國煤礦水害基本特征及其主要影響因素[J].煤田地質與勘探,2007,35(5):34-37.]。煤系底部和頂部都有巨厚的碳酸鹽巖溶含水層，地表溪河較多，巖溶發(fā)育。礦井主要受老空水、地表水和煤層頂、底板巖溶裂隙水等水害威脅，主巷道布設在強含水層內，出水、突水頻繁，經(jīng)常影響生產或淹井，正常涌水量較大，為23.745萬m3/h，最大涌水量達58.684[]董書寧,虎維岳.中國煤礦水害基本特征及其主要影響因素[J].煤田地質與勘探,2007,35(5):34-37.[]吳玉華,張文泉,趙開全等.礦井水害綜合防治技術研究[M].中國礦業(yè)大學出版社,2009.東北侏羅紀煤田的裂隙水水害區(qū)位于中國東北和內蒙古東部的新華夏系巨型或一級沉降帶內，屬濕潤—亞濕潤氣候區(qū)，年降水量400~600mm的占60%，600~800mm的占25%。主要受老空水、地表水和煤層頂板裂隙水等水害威脅，例如黑龍江省雞西、七臺河等煤礦經(jīng)常發(fā)生老空透水事故，部分煤礦受季節(jié)性降水形成的地表匯流和第四系松散層水的威脅。煤礦正常涌水量7.85萬m3/h，最大涌水量11.757萬m3/h。西北侏羅紀煤田的裂隙水水害區(qū)位于昆侖—秦嶺構造帶以北，包括新疆、青海、甘肅西部以及寧夏和內蒙古的西部地區(qū)。分布區(qū)屬干旱氣候區(qū)，年平均降水量25~100mm的占80%，100~400mm的占20%。本區(qū)地表和地下均嚴重缺水，礦構地下水的補給和水交替能力差，礦坑涌水量小，僅少部分地區(qū)有地表水和老空水造成煤礦水害。這一地區(qū)煤層埋藏淺，開采后工作面頂板采動破壞帶容易擴展至地面，礦井主要充水含水層為煤層頂板砂巖裂隙弱含水層和淺部第四系潛水。西藏—滇西中生代煤田的裂隙水水害區(qū)位于昆侖—秦嶺構造帶以南、川滇構造帶以西的西藏、四川西部和云南南部，屬濕潤—亞濕潤氣候區(qū)，年平均降雨量300~600mm的占55%，800~1000mm的占35%，1000~2000mm的占10%，該區(qū)煤炭儲量僅占全國的0.1%，煤系一陸相碎屑巖為主，含水性若，水文地質條件簡單，礦井水害不嚴重。礦井水害形成條件復雜我國礦井水害形成條件的復雜性主要表現(xiàn)在突水類型多樣、含水介質差異大、礦井地質構造復雜、底板含水層超高壓以及受地表水的影響等方面。礦井突水類型多樣，包括頂板突水、底板突水、斷層突水、老空突水以及陷落柱突水等。1、當采礦活動及其影響范圍（冒落裂隙帶、導水構造等）觸及礦體上部的充水巖層，便引發(fā)頂板礦井水害，其致災性與其導通的充水含水層富水性和連通性直接相關。2、當采礦活動及其影響范圍（礦壓破壞帶、導水構造等）觸及礦體下部的充水巖層時，便引發(fā)底板礦井水害，其致災性與礦壓破壞帶觸及的充水含水層富水性和連通性直接相關。3、有的煤層距離含水層比較近，斷層有可能導通含水層造成威脅，另外一些落差較大的斷層可能導水，在揭露斷層時易出現(xiàn)突水。4、由于過去的礦山開采（包括同一礦山的開采和周圍其他礦山的開采）之后遺留的一部分采空區(qū)，其被后期的地下水或地表水等充填，形成了老空積水。如果后期的地下采掘工程觸及到其水體邊緣，該部分老空水就會以突然潰入的方式涌入井下，造成突發(fā)性的礦井水害事故。惡性礦井水害以該種類型數(shù)量為最多且致災性最強，該種類型的礦井水害主要特點有：=1\*GB2⑴突發(fā)性；=2\*GB2⑵老空水往往呈酸性；=3\*GB2⑶老空水中硫化氫氣體的濃度較高；=4\*GB2⑷涌水量大，破壞性強，但因其儲水空間較封閉導致其涌水持續(xù)時間短，較易疏干。5、強充水型陷落柱內充填物未被壓實,柱內水力聯(lián)系良好，直接導通奧灰等高壓水，溝通了煤系地層各含水層，采掘工程一旦揭露就發(fā)生突水，對礦井造成災難性的淹井事故。礦井充水含水層類型包括孔隙含水層（第三系砂礫巖孔隙水、第四系松散孔隙水、未成巖古地層孔隙水）、裂隙含水層（砂巖裂隙水、礫巖裂隙水、巖漿巖和變質巖裂隙水）以及巖溶含水層（奧陶系厚層灰?guī)r水、礦系地層薄層灰?guī)r水、可溶性地層地下水）等。例如1935年5月13日山東淄博北大井突水事故便是由于采動破壞了斷層帶使得頂部厚層奧灰中高壓巖溶水突入礦井造成的水害事故；1978年3月8日河北開灤范各莊礦-490m水平204工作面底板突水事故則是由于砂巖裂隙水通過導水構造裂隙突入礦井造成。由于各地區(qū)地質條件的不同，煤層與充水含水層彼此位置和接觸關系各異，造成礦井水害的形成條件各有不同。地質構造包括斷裂構造和褶曲構造，構造型式與規(guī)模決定地下水天然儲量的大小，不同構造部位富水性差異，充水程度不同；斷裂發(fā)育程度影響含水層之間、與地表水之間的水利聯(lián)系，促使礦井充水條件復雜化。地表水是礦井充水的重要水源之一，礦井距離地表水體不同（垂直于水平方向距離），充水影響程度也不同；當與地表水發(fā)生聯(lián)系時，一般充水條件復雜，動儲量大。由于許多地區(qū)煤炭開采歷史較長，礦區(qū)低洼地點、古井、塌陷區(qū)較多，礦井周圍井口多。淺部的部分小煤礦超上限開采，造成地表斑裂，這些都是地表水導入井下的通道。我國礦井水害發(fā)生發(fā)展的基本規(guī)律長期以來，礦井水害給國家和人民帶來的人身傷亡和經(jīng)濟損失極為慘重。據(jù)不完全統(tǒng)計，在過去的10年里，共發(fā)生各類礦井水害事故679起，死亡約3275人。圖2為近10年來我國煤礦水害事故發(fā)生數(shù)及其死亡人數(shù)的基本變化規(guī)律。由圖可見，我國煤礦每年發(fā)生水害事故數(shù)及死亡人數(shù)均呈下降趨勢，這是因為全國煤礦安全監(jiān)察監(jiān)管、行業(yè)管理部門和煤礦企業(yè)，堅持“安全第一、預防為主、綜合治理”的方針，牢固樹立安全發(fā)展的科學理念，實現(xiàn)了煤礦安全狀況持續(xù)穩(wěn)定好轉。表1為“十一五”期間全國煤礦較大（3人）以上水害類型統(tǒng)計[[][]國家煤礦安全監(jiān)察局.“十一五”期間全國煤礦水害事故分析報告[R].圖22002-2012年中國煤礦水害事故數(shù)和死亡人員數(shù)變化圖表12006-2010年全國煤礦較大（3人）以上水害類型統(tǒng)計表年度老空水地表水巖溶水沖積層水其他起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)起數(shù)人數(shù)200645337200729186216200822198318200917108131420101614211813211615總計12997175523611615礦井水害的防治措施礦井水防治是一項系統(tǒng)工程，既要有強有力的領導、完善的制度，又要有先進的技術及嚴格的措施保證。要做到思想認識到位，技術措施到位，責任落實到位。同時還要求全員重視，協(xié)同防范。礦井水害事故發(fā)生大多數(shù)是由于思想麻痹、責任制不落實和防治技術措施缺陷等引起的[[]陳秀祥.[]陳秀祥.礦井水害多發(fā)原因及防治對策[J].能源與環(huán)境,2012(06).水文地質條件調查技術礦井(區(qū))水文地質勘探探查內容包括：影響采礦的含水層及其富水性、隔水層及其阻水能力、構造及“不良地質體”控水特征、老窯分布范圍及其積水情況等?？碧椒秶▍^(qū)域、井田、采區(qū)及工作面。工作順序應由面到點、由大到小、先區(qū)域后井田、先采區(qū)后工作面。傳統(tǒng)技術和手段在以往礦井水文地質勘探中發(fā)揮了極為重要的作用，但隨著科學技術的進步和發(fā)展，特別是電子技術、計算機技術的突飛猛進，使水文地質勘探技術和手段發(fā)生了質的飛躍。目前礦井水文地質探查手段包括：水文地質試驗技術、地球物理勘探技術、地球化學勘探技術、鉆探技術及監(jiān)測測試技術等，這些技術方法和手段及其綜合應用已能比較好地解決礦井水文地質勘探中的大部分問題 。 地球物理勘探技術經(jīng)過多年的發(fā)展日趨完善和成熟,其在地質、水文地質探查中的地位和作用越來越明顯、越來越重要。煤礦防治水領域得到了廣泛推廣和應用方法有以下幾種：地震勘探（包括二維和三維地震勘探，是彈性波地面探查構造及“不良地質體”的最有效方法）；電法勘探（包括直流電法、瞬變電法、音頻電透視和瞬變電磁法），瞬變電磁法應用較廣泛，可完成以下任務：=1\*GB2⑴超前預測水害體類型及位置；=2\*GB2⑵掘進巷道前方水害體超前預報；=3\*GB2⑶工作面煤層頂（底）板水害體預報；=4\*GB2⑷工作面巷道外邊界斷層賦水性預測；=5\*GB2⑸廢棄不良鉆孔賦水性探測；無線電波透視技術。地球化學勘探技術主要通過水質化驗、示蹤試驗等方法，利用不同時間、不同含水層的水質差異，確定突水水源，評價含水層水文地質條件，確定各含水層之間的水力聯(lián)系。國內外鉆探技術飛速發(fā)展，從適合地面、井下探放水、探構造及不良地質體（陷落柱、巖溶塌洞）到水文地質勘察、注漿堵水成孔等用途的地面鉆機、坑道鉆機的能力和性能均有極大提高，同時定向鉆進技術隨著鉆孔測斜技術的提高也逐步走向成熟?，F(xiàn)在不管是地面用鉆機還是井下坑道鉆機均可實現(xiàn)“隨鉆測斜、自動糾偏”，可以說現(xiàn)有鉆探技術已能很好地滿足水文地質探查中對鉆探手段的技術要求。煤礦水害防治技術煤礦水害防治工作要以“預防為主，防治結合”為基本方針。以“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”為基本原則，并根據(jù)礦井水害實際情況制定相應的“防、堵、疏、排、截”綜合防治措施。值得一提的是，煤礦水害防治技術中的疏水降（水）壓和注漿封堵技術（最常用的兩種方法），經(jīng)過多年的探索已取得長足發(fā)展。疏水降壓技術可以根據(jù)不同的水害類型和疏降目的采取有針對性的方式；注漿封堵技術不但在工藝上有大的改進如“立體注漿”技術、“導流”、“引流”注漿技術等，而且還相繼推出了一些封堵效果好、成本低廉的注漿新材料，如水泥—勃土漿、粉煤灰漿等，對于“動水”條件下的注漿封堵已探索和應用許多新辦法，取得了很好的效果。在礦井開發(fā)的不同階段，由于任務不同，相應的防治水要求也不一樣，一般的水害防治技術路線為：=1\*GB2⑴礦建中或建井前，應進行礦井水文地質綜合勘探，查清礦井的水文地質條件；預測評價礦井涌水量，進行礦井防排水系統(tǒng)的設計。在此基礎上根據(jù)礦井的未來采掘計劃制定礦井總體