2023年矿井防治水基本理论理与方法3.doc

第三章　矿井水害类型及其防治方法 矿井水害是指各种水源对矿井生产和安全造成的各种各样的影响。构成矿井水害必须有两个要素，一是水源。没有水源就不会产生水害。二是出水通道。没有通道，再丰富的水源也到不了井下。 第一节　矿井充水条件的分类 　　 一、矿井充水类型划分的依据 　　１、矿井充水程度主要取决于有无充足的水源，以及进水通道的特征。因此，水源和通道问题是充水类型划分的主要依据； 　　２、各类充水因素，如煤层埋藏条件与侵蚀基准面的关系、区域降水量、地表水的影响、地形、地表覆盖层的岩性和厚度、断层的导〔含〕水性、矿井正常涌水量的大小等诸因素，可以作为确定矿井充水复杂程度的主要指标； 　　３、矿井充水进水条件有多种，可能是直接揭露含水层进水，可能是通过断层进水，也可能是通过间接补给的途径进水。进水方向有来自顶板的，也有来自底板的。这些因素应该在分类中充分体现。 　　二、矿井充水类型的划分方案 　　 　　类型命名采用“水文地质条件〔按水文地质规程分类〕〞、“充水岩层〞、“进水方式〞三者的组合。如：水文地质条件复杂的溶隙水底板间接进水型矿井。 第二节　冲积层水害及其防治方法 　　以第四系松散层孔隙水为主要来源的出水危害叫孔隙水害。水体下开采，当由于基岩面起伏情况没有查明掘进巷道直接揭露冲积层时、当通过断层或构造裂隙导通孔隙水时、当采煤工作面冒落带〔导水裂隙带〕沟通孔隙水时、当异常冒顶区发育到冲积层时，都可能造成大量涌水、甚至溃砂，危及矿井和人身安全。 一、孔隙水害危害程度 第四系孔隙水相当丰富，但由于第四系底部隔水层的存在，一般不会造成灾害。它主要是建井时的井筒施工揭露含水层和上限开采时工作面冒落裂隙导通含水层才会造成危害。个别存在施工质量问题的井筒，第四系孔隙水沿井壁渗入，大量淋水，不仅增加排水负担，而且恶化作业环境，实际上也叫水害。 第四系孔隙水害一旦发生，危害程度极大。2023年11月25日，准备12月26日投产的祁东矿322综采工作面，冒落裂隙导通了四含发生突水，最大涌水量达1520 m3/h,超过矿井排水能力，造成淹井，损失上亿。祁东突水仅几天，桃园矿的观测孔水位下降了好几米。可见第四系孔隙水的水力联系非常密切。桃园矿1022上工作面“抽冒〞沟通四含，大量“泥岩流〞溃入，造成4人遇难。 二、防治方法 对于生产矿井，防治冲积层水害的关键问题是留设上限安全煤〔岩〕柱。上限安全煤〔岩〕柱留设要考察以下几个方面： １、水体采动等级 “三下〞规程根据水体的性质、规模、赋存条件及允许采动影响程度，将受开采影响的水体分为三个采动等级： I类水体 I类水体是指①直接位于基岩上方，底界无稳定粘土隔水层的强——中等富水性的孔隙含水层。如祁东矿3采区，桃园矿六采区上方的“四含〞。②底界面无稳定泥岩隔水层的强——中等富水性的裂隙〔岩溶〕含水层。如朱仙庄的“五含〞。③急倾斜〔55°——90°〕煤层上方各种类型的水体。④需要特殊保护的水体。 I类水体下开采，必须留设“防水安全煤〔岩〕柱〞，不允许导水裂缝带涉及到含水层。 II类水体 II类水体是指①底界无稳定粘土隔水层但含水性弱的松散含水层。②有疏降条件的松散层的基岩含水层。 II类水体下开采，必须留设“防砂安全煤〔岩〕柱〞，允许导水裂缝带涉及到弱含水层，但不允许冒落带涉及到该含水层。 III类水体 III类水体是指底界面下有稳定的粘土隔水层，或已经接近疏干的松散含水层。如芦岭矿88采区的“四含〞。 III类水体下开采，也要留设“防塌安全煤〔岩〕柱〞，允许冒落带涉及该弱含水层。 2、安全煤〔岩〕柱设计 ⑴、煤层开采覆岩破坏规律 采用垮落法开采的煤层，覆岩中依次发育有冒落带、导水裂缝带和弯曲下沉带〔整体移动带〕，俗称“上三带〞〔图3-2-1〕。其中：冒落带和导水裂缝带发育高度主要取决于采高和覆岩岩性、结构、厚度和强度。弯曲下沉带将不断向上发育，到达地表。 所谓安全煤〔岩〕柱，是指冒落带、导水裂缝带与上覆含层之间的距离。由于弯曲下沉带一般不导水，不是安全煤〔岩〕柱设计研究的对象。 ⑵、安全煤〔岩〕柱的类型 安全煤〔岩〕柱有三种： 防塌安全煤〔岩〕柱：简称防塌煤柱，是指冒落带可以进入弱含水层或已经疏干的含水层下部。即煤层与弱含水层之间的距离到达冒落带高度即可，不再另外加保护层。 防砂安全煤〔岩〕柱：简称防水煤柱，是指冒落带不能涉及弱含水层。即煤层与含水层之间的距离除冒落带高度处，还要加上保护层厚度。这时的保护层实际上还处于导水裂缝带中，弱含水层的水仍然可以进入工作面，但流砂不能进入工作面，所以叫防砂煤柱。 防水安全煤〔岩〕柱：简称防水煤柱，是指导水裂缝带不能涉及中等以上的含水层。即煤层与含水层之间的距离不仅要到达导水裂缝带高度，还要加上保护层厚度。这时的保护层是不导水的弯曲下沉带，可以防止中等以上的含水层或没有疏降条件的含水层中的水进入工作面，所以叫做防水煤柱。 ⑶安全煤(岩)柱尺寸确实定 矿井矿井水文地质规程、“三下规程〞等有关标准，都有“两带〞高度预测公式，对保护层进度也进行了具体规定，是设计安全煤〔岩〕柱的法律依据。一般采用“三下规程〞附录六计算。 在使用这些标准时特别注意：不同规程的理论体系不同，同一名词概念所表示的意义不完全相同。 由于“两带〞发育高度受多种因素影响，进行“两带〞实际观测研究是非常必要的。由于实际观测成果资料代表了该矿井真实情况下的“两带〞发育高度，是设计安全煤〔岩〕柱尺寸的首要依据。 三、冲积层下开采安全评价 1、松散含水层水文地质条件已经查明。含水层厚度、岩性、分布面积、单位涌水量和渗透系数、补给强度等参数已经掌握，并可以确定采动等级。 2、基岩界面标高和起伏变化情况已经查明。控制界面的井上下钻探网度要到达250250m。否那么，必须有用钻孔标定的三维地震资料。 3、覆岩岩性尤其是硬度指标已经查明。 4、断层构造已经查明。 5、采取了防止“抽冒〞、“切冒〞的顶板管理措施。 6、具有井上下水位动态观测系统。 7、预计了正常涌水量和最大涌水量，排水系统完善。 8、建立了通畅的避灾路线，人员可以安全撤离。 第三节 灰岩水害及其防治方法 以灰岩含水层为主要出水水源的出水灾害叫灰岩水害，也叫岩溶水害。 处于灰岩承压含水层上开采的工作面，当底板隔水层的阻水能力不能抵御水压时，就会发生灰岩含水层大量出水。按出水通道的不同，可分为陷落柱突水、断层突水和无构造底板突水等几个类型。 工作面无构造底板突水多发生在初次来压或周期来压地段。一般认为在底板隔水层中存在“三带〞， 即“下三带〞〔图3-3-1〕： 一是采矿压力对底板造成的破坏带，位于煤层直接底板下一定范围，也称底导水裂缝带，是一个丧失隔水作用的岩石段。 二是承压水在水头压力作用下向底板隔水层潜入一定范围的带，也称原始导升高度，是隔水作用很小的一个岩石段，它位于隔水层底部，发育高度极不均一，时有时无，有时可能到达煤层〔桃园矿1044工作面煤层掘进出水，表现为灰岩水质特征〕。 三是完整岩层带，即除去破坏带和导升带以后的有效隔水层带。 无构造采场底板突水，就是因为有效隔水层的阻水能力不能抵御承压的静水压力，在水头压力的作用下，突破有效隔水层而大量出水。 事实上，有效隔水层厚度是一个很难掌握的参数。实际工作中，人们总是首先根据典型工作面一般规律情况下测定的破坏带深度和物探方法探测的导升带高度，然后根据整个隔水岩柱的厚度确定有效带厚度。 灰岩突水，不仅取决于隔水层的阻水能力，而且还与含水层水头压力有关。在无压〔已经疏干〕含水层上开采，即使隔水层再薄，也不会发生突水。考察水压与有效隔水层的关系问题，是评价承压水上开采安全性的关键。 灰岩水害灾害程度，主要取决于含水层的富水性和补给强度。陷落柱突水之所以危害严重，主要是沟通了奥灰，含水层富水性强，往往发生难以预料的后果。 一、灰岩水害的危害 底板灰岩，不仅含水丰富，而且水压高；由于6〔10〕煤层底板隔水层的存在，阻止了灰岩水进入采掘工作面，多数矿井都可以进行带压开采；但是，这个隔水层并非铁板一块，有些地段可能存在断层、陷落柱、原生导水裂隙或人工钻孔等导水通道，高压灰岩水顺着这些通道进入矿井，从而造成灾害。 灰岩水害占全国各类水害事故的70％左右，往往发生恶性事故。 88年10月24日，杨庄矿2617综采面发生底板灰岩突水，水量为3153 m3/h，超过当时排水能力的3倍多，造成二水平被淹，损失上亿元。 朱庄、桃园等矿，也曾屡次发生底板灰岩突水，水量60到1400 m3/h不等，对矿井安全威胁很大。2023年1月27日，朱庄矿3622综采面发生水量达1420m3/h的突水灾害，造成重大经济损失。 96年，皖北的任楼矿8煤层工作面，遇到了陷落柱，使距煤层180多米的奥陶系灰岩水涌入矿井，涌水量近3.8万m3/h，水温42℃以上，造成淹井，损失两个多亿。 84年，开滦范各庄矿2171综采面，发生了世界罕见的突水灾害，奥灰高压水经陷落柱溃入矿井，水量达12万 m3/h，23小时就淹了一个年产310万吨，开采20年的大型机械化矿井。9名矿工未及时撤出遇难。并将与其相邻的吕家砣矿因矿界煤柱突破而淹没，同时，与这两个矿相邻的林西矿、唐家庄矿、赵各庄矿井下渗水而处于半停产警戒状态。 三、灰岩水害的防治方法 1、水文地质勘探 具有灰岩水害的矿井，要进行水文地质补充勘探。重点做好以下几项工作： 通过地面钻探或井下放水试验等方法，查明灰岩含水层富水性、厚度、补给条件和水位〔压〕等参数； 通过物探、钻探等方法，查明底板隔水层厚度及其变化情况，绘制底板隔水层厚度等值线图〔包括水压、突水系数等值线〕。 通过三维地震、电法等手段，查明陷落柱、断层构造及其含水、导水情况。 2、掘进施工超前探 具有明显出水通道的灰岩水害，大都发生在掘进施工过程中。因此，为了防止掘进施工误揭露导水构造或陷落柱，要坚持断层和陷落柱附近掘进施工超前探措施。一般是先物探，后钻探。物探方法有直流电法超前探测、瞬变电法超前探测、地质雷达超前探测等。其中，以直流电法的分辨率和可靠性为最高，瞬变电法因施工方便也被广泛使用。 3、采煤工作面底板探测 根据煤矿安全规程规定，承压水上开采必须进行工作面物探。其目的主要是查明底隔水层的厚度和完整性，尤其是确定灰岩水导升高度，以评价开采的安全性。同时，查明底板岩层和含水层富水异常区，为防治水工程设计提供技术依据。物探方法有直流电测深法、底板音频电透视法等。 4、底板注浆加固 根据“下三带〞理论，提高底板隔水岩层的阻水能力，是防止灰岩突水的有效措施之一。注浆加固的主要目的是增加有效隔水层厚度，使其到达适应承压水水头压力的要求。 “底板注浆加固〞的提法不够准确。以往认为的注浆加固是为了提高岩层强度，从而到达阻水目的的说法有一定的片面性。单层岩层的阻水能力总是有限的，一般不超过0.15 Mpa/m，提高阻水能力的关键是增加有效隔水层厚度。 所谓注浆加固，是将制备的浆液压入岩层的空隙，并扩散到一定范围，在岩层中固结成岩，到达封闭导水通道，变透水层为隔水层的目的。底板加固注浆要注意以下几个问题： ⑴、确定受注层位 受注层位选择是加固注浆的首要问题。一些矿仅在煤层下40m左右的砂岩段注浆的做法，科学依据不充分。确定受注层位要考虑以下问题： 一是保证注浆后的有效隔水层厚度到达适应水压的要求。即，根据水压按突水系数确定注浆段的深度。实践证明，注浆时顺层扩散的距离较大，层间扩散的距离非常有限。所以，受注层深度一定要到达突水系数要求的下限。 二是要选择渗透性较好的岩层。为扩大浆液的扩散范围，提高注浆效果，减少钻探工程量，一般在渗透性较好的砂岩、灰岩中注浆，而不在泥岩中注浆〔含水异常时除外〕。 三是要避开采动破坏带。矿压破坏的能力极强，控制破坏带深度的有效方法是采场尺寸的设计和顶板管理，靠加固注浆的方法是不明智的。 根据当前的工作实