煤礦防治水基本理論及技術方法

導 語

礦井水害與瓦斯、煤塵、火和頂板災害並稱煤礦五大災害。災害形成機理、災害探測、災害預防和治理技術是同一問題的幾個不同側麵，本次講座緊緊圍繞礦井地下水害這一特定地質災害形成規律及防治技術進行研討。

礦井水害的定義及特點

地下水—廣義上講，地麵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的潛水和承壓水才稱為地下水;含水層—指能夠透過並給出相當數量水的岩層,在自然條件或人為條件下，能流出水來的岩石，由於這種含水的岩石大多呈層狀，所以叫做含水層，如砂層、砂卵石層等等。

含水層—鬆散層

斷層帶—含水帶

可溶岩—岩溶含水係統

隔水層—不能透過並給出水，或透過並給出水的數量微不足道的岩層為致密岩石，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(含水層在地質剖麵中所處的部位及受隔水層限製的情況)

包氣帶水、潛水、承壓水、按含水介質類型、孔隙水、裂隙水、岩溶水。

礦井水—指在煤礦基建和生產過程中以滲、滴、淋、流、湧和潰的形式進入采掘空間(井巷、工作麵)的地下水。

礦井水害—凡是影響生產、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，重則造成淹井人亡的惡性事故，是煤礦生產中一種經常性的地質災害。

透(Tou)水—地麵或井下水體引發的水害事故;

突(Tu)水—由於直接揭露或各種通道引發的含水層水害事故。

礦井突水是地下水非正常湧入井巷和工作麵的現象，這裏，一方麵要強調它的突發性，另一方麵要強調它的災害性,其次，強調它的可預控性，即絕大多數礦井突水都是可以預防的(可預測、可控製)。

礦井突水征兆：煤層內部有“吱吱”的水叫聲、煤層失去光澤、煤層發汗、潮濕、結成水珠掌子麵變冷 、水色變為鐵鏽紅、老空水具嗅雞蛋氣味、底鼓、片幫。

礦井突(湧)水量變化曲線

按不同分類標準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、儲水斷層水：張扭性斷層脈狀含水帶、大氣降水

按導水通道劃分 ：

斷層突水、陷落柱突水、裂隙岩體或煤(岩)柱突水、封閉不良鑽孔突水

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，後者如節理、裂隙

按水源含水介質類型劃分：

孔隙—元寶山露天煤礦;裂隙—焦作九裏山礦、邢台東龐礦;岩溶—以溶隙充水為主的岩溶充水礦床如焦作中馬村礦、萊蕪業莊鐵礦;以溶洞充水為主的岩溶充水礦床如廣東凡口鉛鋅礦;以暗河管道為主的岩溶充水礦床如湖南香花嶺多金屬礦

礦井水文地質條件評價

礦井水文地質條件主要包括如下5個方麵：

1.含水層、隔水層的結構及空間展布規律;

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特征及分區特征;

4.地下水動態及均衡特征;

5.礦井湧水量大小。

礦井充水條件

研究礦井充水條件是礦床水文地質學的核心內容，礦坑充水特點、水量大小及動態取於充水條件，隻有查明礦井充水條件，才能正確預測礦坑湧水量。

礦井充水條件包括兩個方麵：充水水源、充水途徑

充水水源：指與礦坑有水力聯係的水體或含水層

充水途徑：水源進入礦坑的通道，二者統一和有機結合構成礦坑充水

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。

地下水可分為第四係鬆散沉積層潛水、砂岩裂隙水、岩溶裂隙水。

充水水源的分類

按照水源與礦體(煤層)的相對位置關係及充水特點分為三種基本形式：

間接充水水源——通過導水通道進入礦坑

直接充水水源——直接頂板含水層、直接底板含水層及露天礦井剝離第四紀含水層

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分布範圍有關

老空水為多年積水，水循環條件差，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

采空區是指地下礦產被采出後留下的空洞區,按礦產被開采的時間,可分為老采區、現采區和未來采區。礦體被采出後,自頂板岩層向上形成“三帶”——垮落帶、導水裂隙帶和彎曲帶

水害總體特點

華北石炭二疊紀礦區和南方晚二疊世礦區，屬典型的喀斯特水文地質類型;黃淮一鬆遼平原的煤田，受第四紀衝積層水危害;南方型煤田雨季充水問題，東北礦區地麵塌陷坑積水，煤礦老空區積水對采掘安全的影響不容忽視

突水係數理論

T=P/M;當T>Ts，突水;T ≤Ts不突水或處於臨界突水狀態

礦區名稱 峰峰 焦作 淄博 井陘

Ts臨界突水係數(MPa/m)0.066~0.0760.06~0.100.06~0.100.06~0.15

標準大氣壓

1標準大氣壓=101325Pa=0.101325MPa

=0.101325MPa×100m/MPa

=10.1325m

≈10m

1標準大氣壓=76厘米高水銀柱所產生的壓強

=1033.6厘米高水柱所產生的壓強

=1.013巴(bar)

“下三帶”理論

山東礦業學院與井陘礦務局經過多年實際觀測並結合室內模型試驗及有限元計算後提出的。

開采煤層底板與頂板覆岩一樣存在著三帶，從煤層往下分別是底板破壞帶( h1)、完整岩石帶( h2 )、承壓水導高帶( h3 )。

當采礦引起的“三帶”發生時，其第Ⅱ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”

中國科學院地質研究所與開灤礦務局共同實踐的結果

底板水文地質結構存在與水源溝通的固有的富水和強滲通道，當采掘工程揭穿時，即可能發生突水。

底板中不存在這種固有的強滲通道，但在工程應力、地殼應力及地下水的共同作用下，沿襲底板岩體結構和水文地質結構中的有的薄弱環節發生變形、破壞，形成新的貫穿性強滲通道而誘發突水。前者稱為原生通道突水，後者稱為次生通道突水

“岩水應力關係說”

煤炭科學研究總院西安研究院在承擔國家工業性試驗項目時在焦作試驗點提出的把複雜的底板突水問題簡單地歸結為岩(底板砂頁岩)水(底板承壓水)應力(采動應力和地應力)關係，當底板隔水岩體的最小主應力小於承壓水水壓時，產生壓裂擴容，發生突水。

原始導高

煤係地層基底岩溶承壓水,在自然狀態下往往能夠通過上覆地層的裂隙、孔隙導升到某一部位，形成超出含水層頂界麵一定高度的越潛水柱，稱為原始導高，原始導升具有不均一性，一般沿中、小型張裂隙、張扭型裂隙及節理向上導升，總體上酷似一株植根於奧灰的大樹，其脈狀支幹枝梢參差不齊地伸向不同空間。

常用礦坑湧水量預測方法

礦井湧水量預測問題

1977~1978年55個涉及煤炭、冶金、化工和建材等部門的重點岩溶充水礦床回訪調查，礦井湧水量與實際湧水量進行對比，結果如下：

誤差<30%，占10% ; 誤差>50%，占80% ;個別礦區誤差達10倍，甚至100倍以上。

例如，山東葉莊鐵礦，預測±0m中段湧水量417m3/d，經過兩次放水試驗，湧水量大於95000m3/d，實際湧水量是預測的228倍。

礦井湧水量預測誤差較大的原因

水文地質條件未查清

水文地質參數缺乏代表性

數學模型選擇不當

可能造成的後果

已建成的開拓巷道，因實際湧水量大大超過預測的湧水量被擱置，本來可以開采的礦田，因預測的湧水量過大而不敢開采。

水文地質比擬法

基本原理—應用生產礦井的湧水量資料，與礦井水文地質條件相似的設計礦井或采區作比擬，以計算新礦井或采區未來的湧水量。

實際計算中所采用的礦井湧水量資料，必須是一個水文年以上。

所謂水文地質條件相似，是指設計礦井或采區礦井充水因素(水源、通道以及影響因素)與生產礦井大體相仿。

式中：Q1、Q2分別為新老礦井(水平、采區、采麵)的湧水量;

F1、F2分別為對應的開采麵積;

S1、S2分別為對應的水位降深

湧水量—降深曲線法(Q-S曲線法)

直線型 ：Q=aS;拋物線型 ：S=aQ+BQ2;冪函數曲線型 ：Q=aS(1/b);對數函數曲線型：Q=a+b lgS

湧水量方程的建立

(1)根據三次降深抽水資料，作湧水量~降深曲線Q=f(S)

(2)根據曲線特點，確定相應的湧水量方程式。

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，可根據三次降深資料分別繪製S/Q=f(Q)、lgQ=f(lgS)、Q=f(lgS)曲線。

相關分析法

式中：Qi為某月的礦坑湧水量(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為前一個月的礦坑湧水量(平均值);

B0、B1、B2、B3、B4為待定係數

解析法

承壓含水層穩定流：;潛水含水層穩定流：;承壓含水層非穩定流：;潛水含水層非穩定流;;承壓~無壓穩定流：

計算實例

某礦開采二迭係煤層，煤厚1.4m，煤層直接頂板為裂隙極為發育的粗粒砂岩，厚36.82m，煤層傾角4º，設計順煤層走向開拓巷道320m。根據勘探資料，砂岩水頭高159.85m，滲透係數36.158m/d，影響半徑9607m，預計水平巷道湧水量

“大井法”

大井法—當礦井排水時，在礦井周圍會形成以巷道係統為中心的具有一定形狀的降落漏鬥，這與鑽孔抽水時在其周圍形成降落鬥的情況類似。因此，可以將整個巷道係統分布的範圍假設成為一個理想的“大井”，可以直接利用地下水動力學的公式來計算“大井”的湧水量，整個坑道係統的湧水量就相當於“大井”的湧水量。

用“大井法”預計湧水量時，一般要求巷道係統的長度與寬度之比小於10，“大井法”—確切地說,把複雜的坑道係統假想為一個與坑道係統麵積相等的“大井”，“大井”湧水量根據一般垂直鑽孔湧水量公式確定。此時，鑽孔半徑用“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“大井湧水量公式

研究礦床水文地質條件的各類探測、監測、測試、試驗技術方法主要包括:

1、物探技術方法;2、鑽探技術方法;3、化探技術方法;4、試驗技術方法

物探方法

依據：介質的電性、彈性波、磁場強度、重力場的差異對不同介質及其界麵進行判識，從而滿足礦井防治水中對異常地質體的探測要求，優點：體積效應、無損探測、時間短。

常見岩石電阻率

地震—高分辨率三維地震是一種用於探查煤層賦存形態及地質構造的物探方法，具有探測範圍大、見效快、精度高等優點。

工作原理:利用人工震源激發地震波,用地震儀器錄製大地的震動信息,通過計算機處理提高信噪比,突出有效信息,分析地震波傳播規律,從而達到解決地質問題的目的。由於斷層和陷落柱的錯斷和沉降變化，使地震波產生錯動或紊亂，因此，可以解釋和描述這類構造的特征。

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隻能達到50%左右，對小於5m的斷層吻合率很低，特別是2~3m的斷層，基本還屬於三維地震勘探的盲區，三維地震勘探可以基本查明波幅大於5m的褶曲，解釋3~5m的斷點，圈定直徑大於20m的地質異常體(如陷落柱、衝刷無煤帶及火成岩侵入體等)，在條件較好的地區精度更高。

電法—含、導水異常體探查

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、大範圍、大尺度探測;2、全方位、全斷麵;3、無損傷探測

物探方法的局限性

1、多解性;2、因人而異;3、往往需要通過鑽探和井巷工程實際揭露來驗證;4、不能取得湧水量資料

鑽探方法

通過鑽探工程揭露和了解地層的結構特點和含隔水層的空間特征

鑽探方法是各種試驗方法賴以實施的基礎，如抽水試驗、放水試驗、連通試驗等需要鑽孔形成以後才能組織實施。

鑽探方法缺點

1、施工周期長;2、費用高;3、揭露的水文地質信息有限;4、常常給人“一孔之見”之感

鑽探方法優點

1、直接性—直接應用;2、準確性—判層準確、含水性準確;3、能取得湧水量資料

物探、鑽探方法配合原則

物探先行 提供靶區

鑽探驗證 準確定位

化探方法—水化學分析方法的簡稱

地下水的化學成份往往代表著其賦存地層的環境特征

按照各種特征離子的含量、礦化度、水質類型等，可以對不同含水層地下水做出區分，從而對井下湧水的來源進行識別

主要通過水質化驗、示蹤試驗等實(試)驗方法，利用不同時間、不同含水層的水質差異，確定突水水源，研究各含水層的水文地質條件，確定含水層之間的水力聯係

同位素技術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;3、補給條件、補給來源、水力聯係;4、地下水的形成條件;5、天然流場與人工流場的特征與聯係

底板突水監測係統

監測方法：通過埋設在鑽孔中的應力、應變、水溫、水壓傳感器，監測工作麵回采過程中應力、 應變、水壓、水溫的變化，數據傳送到地麵中心站後，利用專門的數據處理軟件判斷是否會發生突水。主要應用於具有底板突水危險的工作麵回采過程中的突水監測。

原位應力測試係統

原位應力測試儀是一種以套筒致裂法原理為基礎的原位地應力測試儀器，通過監測工作麵回采前、回采過程中的地應力變化，應用專門的數據處理軟件判斷是否發生突水。該技術建立在岩水應力學說基礎上，主要用於底板突水監測。

原位地應力測試理論基礎

井下放水試驗技術

放水試驗是一種鑽孔試驗技術，由分布於井上、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，以能夠控製疏水降壓漏鬥的展布形態為原則。整個放水試驗工作分三步：

1、編製放水試驗設計;2、現場組織實施;3、試驗數據整理與分析

放水試驗設計中應明確放水孔、觀測孔的孔位、孔數、結構及施工技術要求，放水量、放水時間、觀測要求及放水試驗的組織保障等

礦井防治水技術體係

1、礦井水害預防技術;探測+預測(評價)+監測+預治理;l四位一體

2、礦井水害治理技術(災後恢複);探查+封堵+追排水;三位一體

探測—預測—監測—應急預案

1、探測：礦井水文地質條件、礦井充水條件;2、預測：突水危險源識別與評價;3、監測：突水條件、前兆現象;4、探測—基礎;5、預測—關鍵;6、監測—不可少;7、應急—(做)補充。

礦井綜合防治水技術體係