煤矿井下防治水技术_图文.doc

矿井防治水日常工作系列讲座 讲解人纪邦师 电话13835708950 2013年8月 一、矿井地质报告中水文地质资料的应用 在一个矿井设计、建井和投产之前,必须进行一系列的地质勘探工作,提供一整套必要的地质资料,其中水文地质资料,一般应阐明如下几方面问题 1.勘探区内主要含水层的分布范围、埋藏条件、含水层的一般特征及补给和排泄条件、含水层之间的水力联系,以及勘探区内井、泉调查资料和地表水体的分布情况。 2.井田范围内含水层岩性、埋藏深度、厚度及其变化规律、裂隙及溶洞的发育程度,以及含水层的水量大小、水位、水质和地下水动态资料。 3.矿井有关地表水体的受水面积、最大洪水量和最高洪水位,以及洪水淹没矿区范围和持续时间。 4.地表水体主要河流、沟渠、湖泊、水库等对含水层及采空塌陷区、古空区的补给范围和渗漏量。 5.主要含水层对矿井的影响程度。 6.不同成因类型的断裂构造分布规律,及其在地表水和地下水以及各含水层之间发生水力联系上所起的作用,确定最可能的导水和含水地段。 7.穿过含水层、老空区和含水断层的钻孔封闭情况。 8.预计矿井涌水量及其随季节、开采范围及深度的变化关系。 9.邻近矿井的开发情况,矿井涌水量、水质、水温、矿井充水条件、地下水出露情况、矿井突水现象及原因,涌水量与开采面积、深度、产量、降水量的关系等等。 矿井水文地质的首要工作,就是收集和整理上述资料,并对其进行分析、对比、验证,从而在此基础上去伪存真,对即将建设的矿井或采区的涌水条件作出明确的结论,指出矿井涌水的水源、通路和水量,提出今后防治水的措施和方法,并对供水水源作出评价。 但是勘探阶段所获得的水文地质资料,常常由于该阶段所做工作的局限性,与实际情况有较大的出入,不能完全满足上述要求。在这种情况下,一般需要在矿井建设和生产的同时,进行补充水文地质调查及勘探工作。 二、水文地质补充调查 水文地质条件复杂,采掘工作经常受水害威胁的矿井,在系统地分析、核对已有资料的基础上,还应该根据建设和生产的需要,进行水文地质补充调查,其主要的工作有 1、泉、井及地表水体的调查 调查内容见表1、2、3。 泉水调查记录表表1 位置 调查日期 调查人 泉 名 出露标高 泉水出露的 地形条件 泉水流出状态 泉的类型 补给泉的含水层年代和岩性、厚度 含水层的顶、底板岩性 涌 水 量 公升/秒 最近天气 泉水出露的 地质条件 测量方法 气温 泉水沉淀物 水温 泉的气体成 分 色 水样编号 嗅 泉水出露的 平面和剖面图 泉水季节变 化 味 泉水应用 透明度 引水工程 备注 水 井 调 查 记 录 表表2 调查人 井号 位置 底图编号图幅名称 地面标高 井口标高 水井深度米 静止水位深度米 井壁结构 井口形状及大小 凿井年代 汲水设备 调查日期 天气 气温℃ 井的剖面 含 水 层 地层年代及岩性 涌水 量 水位降低距离米 物 理性质 水温℃ 埋藏深度米 升/秒 色 覆盖岩层 单位涌水 量 嗅 下部岩层 测量方法 味 厚度米 水样编号 透明度 井水变化 井水用途 环境卫生 受地表水或其 他 水井影响 其他 地 表 水 调 查 记 录 表表3 调查日期 地表水性质类型 名称 所处的地形条件 补给来源 排泄消耗 边岸岩性 底床岩性 宽度 米 底床坡度 水位标高 米 水深 米 所处的地质条件 流速 米/秒 面积 平方公里 流量 米3/秒 体积 立方米 季节变化 最高 月 物理性质 水温 ℃ 最低 月 色 平均 月 嗅 平面图和部 面图 水的用途 味 堤坝建筑 透明度 与地下水补给关 系 气温 ℃ 附近的自然景观 调查人 2、第四纪地质及物理地质现象的调查 对第四纪地层研究的内容主要是定出土石的名称如砾石、砂、亚砂土、亚粘土和粘土等,描述颜色、组织结构、确定其成因和时代,并在图上画出第四纪地质界线时代、成因及岩性的界线。 对一些与地下水活动有关的自然地质现象,如滑坡、泥石流、潜蚀、岩溶、地裂缝、塌陷、沼泽、古河道等,也要进行详细的调查研究,并将其标在地形地质图上。 3、基岩含水层和地质构造调查 根据地层岩性、地质时代,岩石的孔隙性,以及泉、井等地下水的露头情况,确定基岩地层的富水性,划分出含水层和隔水层相对隔水层。 对地质构造的调查,主要是查明断裂、陷落柱构造。对断裂、陷落柱构造井下观测要掌握以下特征 1、对断层构造的观测 断层的出现不是一种孤立的现象,在断层面附近的煤岩层中,往往会伴生一些与正常情况不同的地质现象。在采掘过程中随时注意观察这些现象,可以预示前方是否会有断层的出现,以便及时采取措施,做好过断层的准备工作。在断层出现前,可能遇到的征兆,主要有如下几个方面 a煤岩层产状发生显著变化。断层附近的煤、岩层产状,由于受到断层两盘相对运动的影响,往往发生剧烈的变化。 b.煤层厚度发生变化,煤层顶、底板出现不平行现象。因煤层较松软,受到断层的影响,易发生塑性变形,并造成顶底板不平行的现象。 c.近断层处常出现牵引褶曲、煤层揉皱和破碎现象。当掘进巷道接近断层时,经常出现明显的牵引小褶曲。煤层常发生强烈揉皱,滑面增多或变为鳞片状碎煤。 e.接近断层时,煤层和顶、底板中裂隙显著增加,并且常常具有一定的规律性。一般越近断层裂隙越多。裂隙出现的频率与断层面倾角大小有关。如倾角在60以上的高角度正断层,裂隙不甚发育,一般为1-2条/米,影响范围为3米左右;断层倾角在30-40时,裂隙频率4条/米,影响范围达5-20米。 f.在大断层附近常伴生一系列小断层。 g.瓦斯大的矿井,巷道接近断层时,瓦斯涌出量往往有明显变化。掘进巷道在遇断层前后瓦斯涌出量出现驼峰现象。利用这种规律可以帮助预见掘进前方有断层存在。 h.在充水性强的矿井,巷道接近断层时,往往出现滴水、淋水甚至涌水现象,这是由于上部含水岩层或其他水体沿断层附近的裂隙下泻的结果。 上述各种征兆,不一定在所有断层附近都能出现。有的可能只出现其中某几项;有的即使已观察到一些征兆,但实际可能没有出现断层;也有的在断层揭露前未发现明显的征兆。因此,在实际工作中,要结合矿井具 体地质条件、结合已采掘地段断层资料进行综合分析,使判断更符合实际。 2、陷落柱的出露特征 利用陷落柱的出露特征,识别和圈定陷落柱的形状和大小是矿井地质工作常用的一种方法。掌握陷落柱的出露特征是分析、判断陷落柱的重要环节。 1、陷落柱在地表出露的特征 陷落柱出露在地表时,被塌陷的岩体与周围正常岩层的层位、产状和岩性都不一样,同时该处地貌呈现出各种异常现象。根据地貌的异常现象,可以判断陷落柱的存在和圈定陷落柱在地表的出露范围。根据地表特征,可以进一步预测该陷落柱在井下的位置、形状和大小。陷落柱在地表出露的特征有 a盆状塌陷区陷落柱出露在地表后常呈现盆状凹陷区。凹陷区的岩层层序遭受破坏,大小岩体混杂堆积。凹陷区周围的岩层,层位正常,裂隙比较发育,岩层产状稍有变化,均向凹陷中心倾斜。凹陷盆地有时被黄土覆盖。 b柱状破碎带在太原西山和汾西等矿区的一些自然剖面或人工剖面上,经常可见到柱状破碎带,这些柱状破碎带就是出露在地表的陷落柱。破碎带内的岩层层序遭受破坏,大小岩体混杂无序,但破碎带两侧的岩层层序正常,产状也略有变化。 c丘状凸起在阳泉、平定等矿区内,常见到在山西组的泥岩层中有隆起的石盒子组或石千峰组的砂岩堆。这是陷落柱出露在地表的又一特殊地貌。在陷落柱的形成过程中,石盒子组等的砂岩体塌陷在原来的山西组地层中,因石盒子组的砂岩体比山西组的泥岩坚硬,不易风化,经外力地质作用后,坚硬的砂岩体堆在页岩岩层中,故呈隆起的丘状、地貌。 除上述特征外,一些矿区还可在经暴雨、洪水冲刷过的山谷、河床内见到新塌陷的陷落坑。 2、陷落柱在井下揭露的特征 井下所揭露的陷落柱的主要特征有 a柱面特征陷落柱柱面是不规则的面,它的垂直剖面是两条曲折线,这是因为被塌陷的煤、岩层的性质不同造成的。例如坚硬的砂岩地层强大,不易塌落,故向塌陷的部位突出;而较松软的煤层和泥岩的强度小,很易塌落,故向松解的岩体内凹入。因而,形成的陷落柱的柱面是一个平整的,不规则的曲折面,它的垂直剖面为曲折线。 因为柱面的水平切面为一封闭曲线,所以煤层底板或巷道底面与陷落柱面接触处为一弧线。弧形的半径与陷落柱的平面形状、大小和相遇部位有关。陷落柱的平面面积大,或揭露面平行长轴方向则弧形平缓。据此,可以利用弧形接触情况判断陷落柱的大小,还可做为区别断层和陷落柱的标志。 b塌落岩体的特征多数陷落柱的塌落空间均被较新的岩石碎块或第四纪的沉积物充填着。塌落堆积的岩体特征是塌落的岩体时代较周围正常的时代新,岩块的形状很不规则,大小不一,棱角明显,是杂乱无章的堆积物。松软的岩石多成碎粒或岩粉充填在坚硬的大块中间。古老陷落柱的岩块多被胶结,晚期塌落的岩块比较松软。 c陷落柱内的沉积物陷落柱穿过地下含水层时,地下水可以流入陷落柱及其围岩的裂隙内。在地下水的流动过程中,水量含有的部分矿物会沉淀和充填在陷落柱或裂隙内,故在陷落柱的接触面上或裂隙内常可见到红色的铁质、白色的钙质或高岭土质等沉积物,有时也可见到新生代的泥质沉积物。 3、井下遇陷落柱前的预兆 当采掘工程接近陷落柱时,煤层及其顶、底板常发生各种异常现象,它预示着前方将要遇见陷落柱。遇陷落柱前的主要征兆有 a产状变化在岩溶的塌陷过程中,因牵引作用使其周围的煤、岩层向陷落柱中心方向倾斜,倾角变化一般在36之间。个别可达10以上,其影响范围一般在1520米之内,个别可达30米。煤、岩层产状变化的影响范围和变化程度与煤、岩层的物理力学性质有关。在松软的塑性较大的煤、岩层中其影响范围和变化较大;在坚硬和脆性较大的煤、岩层中其影响范围和变化程度不太显著。 b.裂隙增多在煤、岩层的塌陷过程中,其周围正常层位的煤、岩层会产生大量的裂隙。裂隙的走向平行于柱面的切线方向,裂隙面向陷落柱中心倾斜。裂隙的发育程度与围岩的物理力学性质有关,在脆性岩层中裂隙较为发育,在柔性岩层中裂隙较少见。在裂隙中常见的充填物有粘土、高岭土、碳酸钙、氧化铁等。 c.小断层增多陷落柱周围的煤层、岩层,因重力作用沿裂隙面向下发生位移而产生一些断层。此种断层的规模较小,走向延展在1020米范围内即消失,落差多在0.5米以内,且都是向陷落柱中心倾斜的小正断层。 d.煤的氧化陷落柱附近的煤层,因地下水等的作用而易发生氧化。氧化煤的光泽变暗,灰分增高,强度降低,严重者可变为煤华。煤的氧化程度和影响范围与陷落柱的大小、裂隙的发育程度和地下水的活动有关。陷落柱愈大,裂隙愈发育,离陷落柱距离愈近,水源愈丰富,影响范围就愈大;反之则小。 e.水的涌出量增大陷落柱穿过含水层时将地下水导入陷落柱内,陷落柱成了地下水的良好通道。当采掘工程接近陷落柱时,地下水涌出量会骤然增加,有时有突水现象。其涌水量的大小与该处的水文地质条件有关。涌水量过大时,可造成严重的灾害。 4、小窑老空积水的调查 老空有现代生产矿井包括已报废的矿井的老空和小窑老空之分, 前者可由采掘工程平面图和有关资料准确地确定其分布范围,后者则由于年代已久,缺乏可靠的资料,积水范围往往难于确定。小窑老空的存在常常会给矿井的建设和生产带来很多困难,甚至会造成矿井突水事故。为了保证矿井建设和生产的安全,做好对小窑老空积水的防范工作,就必须首先把小窑老空的分布情况和积水特点了解清楚。 1小窑老空积水的特点 通常小窑老空积水有下述特点 a.由于采掘条件的限制,古代小窑只能开采浅部煤层,因此小窑老空多分布于煤层标高较高的地方。 b.由于排水能力的限制,古代小窑开采顶、底板为含水层的煤层时,小窑老空多数在含水层的水位标高以上。 c.小窑老空的积水量取决于小窑的标高、开采范围、顶、底板岩性、地质构造情况及小窑与其他水源的关系等。小者可能无水,大者水量可达数万、数十万立方米。 d.小窑老空积水一般补给来源少,水量以静储量为主。 e.小窑老空水由于长期处于停滞状态,一般呈黄褐色,具有铁锈味,臭鸡蛋味或涩味,酸性较大。 f.老空内经常积存有大量CO2、CH4、和H2S等有害气体,突水时会随水溢出。 g.由于小窑老空多分布在井田的浅部及周围,其积水具有一定的静水压力。在采掘过程中,当工作面接近老空地段由于静水压力的作用,在一定条件下往往会突然涌进巷道,造成事故。 2小窑老空积水的调查 其调查的内容,主要有如下几方面 a.小窑位置及开采情况,如井深及井上下标高、井筒直径、开采煤层层数及名称、各煤层的开采范围和巷道布置情况、产量、采煤方法和顶板管理方法、通风、运输、提升、排水情况、巷道规格以及停采原因等。 b.地质情况如煤层及各分层厚度及其变化、层间距、产状及其变化、顶底板岩性及厚度、煤层的物理机械性质、断层的产状、落差及其变化、地质储量及残留煤柱的大小、与相邻小窑采空的关系。 c.水文地质情况如出水原因、来源和水量大小、水头高度、相邻小窑间及小窑与地表水或泉井的水力联系。 e.小窑采空造成的地表塌陷深度、裂缝的分布情况、塌陷的范围大小等。 通过上述调查方法,必须弄清小窑开采的是哪一层煤,开采范围有多大,以及小窑的积水量,水头压力和相互联通关系,作为确定老空边界和布置防治老空积水工程的依据。小窑老空的调查方法,可采用走出去请进来的方法,或登门拜访,或邀请熟悉情况的人员开座谈会。最好是根据上述内容拟定提纲,邀请老工人及熟悉小窑情况的矿工到现场进行调查,并 根据地面的遗迹地形、矸子堆等确定小窑位置。调查情况应进行详细记录和初步绘草图及彩色照片。而后将收集到的资料加以分析整理,绘制成适当比例尺11000,12000或15000的平面图和剖面图。此外,还可以采用物探剖面结合钻探的手段,对小窑老空进行探查。 5、收集和整理历年的水文气象资料 主要是从矿区或附近的水文、气象站收集水文、气象资料、然后分析整理成各种关系曲线图如降水量与蒸发量曲线图等,以便了解和掌握矿区的水文、气象变化规律,为分析矿井充水条件,以及为矿井防排水提供依据。 上述工作结束之后,应将所获得的资料进行整理、分析和研究,结合矿井的具体情况,写出简要的文字报告,并编制相应的图表。 三、井田水文地质观测 水文地质观测,是矿井水文地质工作的主要项目,是长期提供水文地质资料的重要手段。通过水文地质观测所获得的资料,有助于解决如下几方面的问题 1.地下水的动态与大气降水的关系。 2.各含水层之间的水力联系。 3.各含水层与矿井涌水的关系,分析矿井涌水水源。 4.分析断层、陷落柱的导水性。 5.研究含水层的富水性,以便对含水层疏干的可能性作出评价。 6.研究矿井涌水量与开采面积、深度、巷道掘进长度的关系,预计矿井涌水量。 7.为防治矿井水提供依据,以指导采掘工作的进行。 8.对矿井水文地质条件作综合性的评价。 矿井水文地质条件,不仅受自然因素的影响。同时也受采矿活动的影响。在矿井建设和生产过程中,为了及时掌握地下水的动态,保证工作安全,就必须经常了解水文地质条件的变化情况。因此,矿井水文地质观测是矿井水文地质工作必不可少的项目。 矿井建设和生产过程中的水文地质观测工作,一般包括两部分内容即地面水文地质观测和井下水文地质观测。现分别介绍于下 一、地面水文地质观测 地面水文地质观测包括气象观测、水文观测、地下水观测及采矿后形成的冒落带和导水裂隙带高度观测等四个方面。 1、气象观测 主要是降水量的观测。一般情况下可以搜集矿井附近气象站的观测资料。但有些矿井与气象站相距较远,当其资料不能说明矿井的气象特征时,应设立矿井气象站。观测内容,除降水量外,还应包括蒸发量、气温、相对湿度等。观测时间和要求应与气象站一致。 气象观测资料,应整理成气象要素变化图,,以说明矿井范围内气象要素变化情况。此外,还应当把气象要素变化同矿井建设和生产的实践结合起来分析研究,如编制降水量与矿井涌水量变化关系曲线图,以帮助分析矿井涌水条件。 2、地表水观测 地表水主要是指河流、溪流、大水沟、湖泊、水库、大塌陷坑积水等。对分布于矿井范围内的地表水,都应该对其进行定期观测。 对于通过矿井的河流、溪流、大水沟一般在其出入矿井或采区、含水层露头区、地表裂缝、塌陷区及支流汇入的上下端设立观测站,定期地测定其流量雨季最大流量、水位雨季最高洪水位,通过矿井、地表裂缝、塌陷区、含水层露头及构造断裂带、陷落柱等地段的流漏失量,河流泛滥时洪水淹没区的范围和时间。 对分布在矿井范围内的湖泊、水库、大塌陷坑积水区,也必须设立观测站,进行定期观测。观测的内容主要是积水范围、水深、水量、水质及水位标高等。 上述观测内容,在正常情况下,一般每月观测一次,但如果采掘工作面接近或通过地表水体之下,或者通过与地表水有可能发生水力联系的断裂构造带、陷落柱时,观测次数则应根据具体情况适当增加。 通过上述观测所获得的资料,应整理成曲线图,以便研究其流量水 量、水位的变化规律,找出其变化原因,并预测地表水对矿井涌水的影响。此外,还应将河水漏失地段、洪水淹没范围等标在相应的图纸上。 3、地下水观测 地下水观测,是研究地下水动态的重要手段。在矿井建设和生产过程中,应该选择一些具有代表性的泉、井、钻孔、被淹矿井以及勘探巷道等,作为观测点,进行地下水的动态观测。如果已有的观测点不能满足观测要求时,则需根据矿井的水文地质特征和建设生产要求,增加新的观测点与已有的观测点组成观测系统如观测线或观测网。 1、观测点的布置观测点的布置,除根据矿井的水文地质特征、地质构造、地表水的分布等情况外,还应该根据矿井建设和生产的分布情况及要求来确定。一般应考虑布置在以下的地段 1对矿井的建设和生产有直接影响的含水层。 2影响矿井涌水的地质构造破碎带。 3与地表水可能有水力联系的含水层。 4矿井的设计开采地段。 5水文地质条件在开采过程中可能发生变化的地段。 6人为因素对矿井涌水有影响的地段。 7井下主要突水点附近。 8具有突水威胁,但尚未发生突水的地段。 此外,观测孔要尽可能做到一孔多用,井上井下、矿区与矿区、矿井与矿井之间密切配合,先急后缓、短期使用与长期使用相结合。同时,观测孔的布置应尽量少占或不占农田,不影响农业生产。 布孔建网,必须有详细的设计。在设计中对每一个观测孔,都应该提出明确的目的和要求。如观测项目、观测层位、钻孔深度、钻孔结构、施工要求、止水方法、止水深度以及孔口装置等等。在施工过程中,设计人员必须经常深入现场,与施工人员紧密配合,发现问题及时研究处理。 2、观测要求 1根据矿井水文地质特征和要求,对观测线或观测网上的每一个观测点进行观测时,观测项目视具体情况而定。如对泉水观测,一般只要求观测其流量、水温、水质;对于井及钻孔等的观测,除在特殊情况下,要进行水文地质试验测定其流量外,一般只要求观测其水位、水温及水质。 2观测时间间隔在未掌握地下水的动态规律以前,一般每5-10天观测一次。在雨季或其他特殊情况下如矿井发生突水等,则要根据具体情况,适当增加观测次数。掌握规律后,观测的时间间隔可适当延长。 3观测点要统一编号,测定其座标和标高,设置固定标高的观测标志。这个标志不能损坏和移动,并须每年复测标高一次。 4观测流量或水位时,同时观测水温。在观测水温时,温度计沉入水中的时间,一般不应少于10分钟。 5为了减少误差,每次水位观测至少有三个读数,其误差不能超过2厘米;水温误差不超过0.2℃,如果发现有异常现象,要立即分析,必要时进行重测。 6每次观测最好能固定人员,并且尽可能在同一时间或在最短的时间内观测完毕,也可按固定时间和顺序,沿一定的路线进行,并用同一测量工具。测量工具必须在观测前进行检查校正。 7观测钻孔,一般每半年到一年检查一次孔深,如果发现有淤塞现象,应及时加以处理。 3、观测资料的整理,进行地下水动态观测的目的,在于通过日常观测,了解一个矿井水文地质条件随时间的延续所发生的变化规律。为此,对地下水的观测资料,应及时进行整理和分析。对每一个观测点的资料,应编制成水位变化曲线图、流量变化曲线图等,以便掌握该点地下水的动态。对整个观测系统的资料,应定期整理,编制成综合图件,如等水位线图等水压线图、水化学剖面图等,以掌握整个矿井范围内某一个时期的水文地质条件变化情况,以便分析矿井的涌水条件及其变化。 4、冒落带、导水裂隙带发育高度的观测 煤炭采出之后,在地下形成采空区,其上覆岩失去支撑,岩层的原始状态发生变化,顶板岩层发生移动、变形以至破坏和冒落。随着开采面积的不断扩大,岩层的移动与变形从煤层顶板一直发展到地表,最后在覆盖 岩层内部形成破坏,在地表形成下沉盆地和塌陷坑、裂隙等破坏现象。如果覆岩破坏冒落或所形成的裂隙,波及到煤层顶板以上含水层乃至地表,就有可能成为含水层水或地表水进入井下的通道。冒落带、导水裂隙带发育高度的观测主要是观测煤层采空后。其上覆岩层失去支撑而发生变形、移动以至冒落、开裂,所形成的冒落带和导水裂隙带的高度发展到地面所产生的地裂缝、塌陷坑。地裂缝、塌陷坑是地表水进入矿井的通道。为此,地裂缝、塌陷坑的观测及治理是地面防治水工作的重要环节。冒落带、导水裂隙带、整体移动带发育规律如下 1、三带的划分 在采空区上方根据岩层破坏和变形情况,可以将岩层移动划分为三个不同的区域,通常称为三带图3-1-1。根据工作面放顶直接观测和采空区上方钻探结果分析,采空区围岩破坏形成三带的过程,具有以下特征 a冒落带 煤层采出之后,如果采空区未用外部材料进行充填,顶板岩层在自重的作用下,开始弯曲,产生裂缝乃至断裂,最后冒落。冒落的岩石呈块状,不规则地在采空区堆积起来。开始是第一层冒落、接着是第二层、第三层冒落,一直到上部岩层在弯曲或开裂时,能够支撑在冒落后堆积起来的岩块之上为止。 冒落带的高度,取决于采出煤层的厚度、采煤方法和岩层的力学性质等等。从水文地质的角度来看,如果冒落带的高度直接波及到采空区上方 富含水层或地表水体时,矿井突水事故就不可避免。如图3-1-2。 b导水裂隙带 在覆岩破坏冒落的初期,冒落带内的破碎岩石之间,存在着较大的空隙,但在上覆岩层的荷重作用下,逐渐被压密压实,空隙不断缩小。这样,冒落带上方的岩层,在重力作用下,继续下沉弯曲,当其弯曲程度达到一定的极限,超过了它的力学强度,岩层就会产生张性裂隙以至断裂。离采空区越高,岩层产生的裂隙也就越少和越小,或仅产生离层现象。 与采空区构成水力联系和断裂或裂隙,称为导水裂隙。导水裂隙发育的区域,谓之导水裂隙带。导水裂隙带的最高点到回采上边界的垂直高度,称为导水裂隙带的高度。 导水裂隙带发育的高度,与岩石的抗张强度和冒落岩石的碎胀性有密切的关系。当该带的高度直接波及至富含水层或地表水体时,矿井涌水量就会急剧增加,但一般不会造成突水事故,见图3-1-3。 c整体移动带 此带位于导水裂隙带之上方,岩层呈平缓弯曲,没有大的断裂,或者在其下部有少数局部的断裂或裂隙。在一般情况下,这一带的断裂或裂隙,不与井下沟通。 此外,在这个带的上部地表,特别是在地表下沉盆地边缘,往往产生张性裂隙。这些裂隙的深度,根据一些矿的实测资料表明,一般在310米左右,并从地表向下逐渐变窄以至闭合。当采深不大时,如果矿区地表没有第四纪地层覆盖,或者第四纪覆盖层很薄,地表形成的张性裂隙就有可能与导水裂隙带互相沟通,从而成为地表水进入井下的通道。 开采倾斜煤层时,除上述三个带外,在底板岩层中也可能出现较为剧烈的移动,如底板滑落、抽冒等等,从而引起地表突然塌陷,出现塌陷坑、塌陷漏斗等。 2、水体下及富含水层下采煤常用的几种措施 在水体及富含水层下采煤,常用的措施有下面几种 a.对水体进行疏干后开采,包括对富含水层的疏干或降低水位,排除地面积水或河流改道等。 b.保留一定高度的煤柱,选择合理的采深与采高比,在安全深度下开采。 c.采用适当的采煤方法和适当的顶板管理方法如充填开采,缓和岩层移动,降低导水裂隙带的高度。 先开采深部煤层,然后逐步向上开采浅部;先开采离水体远的煤层, 后开采离水体近的煤层 ,或者是在枯水季节开采等。 水体下及富含水层下采煤,能否发生突水事故,主要取决于煤层被采出后,上覆岩层所形成的冒落带或导水裂隙带是否直接或间接地波及到富含水层或地表水体。因此,在研究水体下及富含水层下采煤时,就有必要对岩层移动的规律有所了解。 二、井下水文地质观测 井下水文地质观测工作,应随矿井巷道掘进及回采工作同时进行。其主要内容,有如下几方面。 1、巷道充水性观测 1含水层观测当巷道通过含水层时,应详细地记述其厚度、岩性、裂隙或岩溶发育情况、揭露点的标高、涌水量、水压及水温等。必要时,取水样进行水质化验。 2岩层裂隙发育调查及观测对巷道穿过的含水层,应进行裂隙发育情况调查,记述裂隙的产状要素、长度及宽度、成因类型、张开的或是闭合的、充填的程度及充填物的成分、地下水活动痕迹及裂隙的消失情况等,并选择有代表性的地段、测量其裂隙率。裂隙率的测定方法,一般是在选定的块段内,用小钢尺逐条测量裂隙的长度、宽度,然后按下式计算裂隙率 K r 100⨯∑ ∙F b a 式中 K r 裂隙率 b a ∑∙.裂隙面积,b a ∑∙.; 米22211.......n n b a b a b a ∙∙∙ F 测量块段的面积米2 3断裂构造观测断裂构造往往是地下水活动的主要通道。因此,当巷道揭露断层时,首先应确定断层的性质,同时测量断层的产状要素、落差、断层带的宽度、充填物质及其透水情况等,并一一作出详细的记录。 4出水点观测随着矿井巷道掘进或回采工作面的推进,如果发现有出水现象,水文地质工作人员应及时到现场进行观测。观测的内容包括出水时间、地点、出水层位、岩性、厚度、出水形式、水量、水压、标高、出水点围岩及巷道的破坏变形情况等,找出出水原因,分析水源。有必要时,应取水样进行化学分析。上述内容也必须作出详细的记录片,编制出水点记录卡如表3-2-1,并绘制出水点素描图彩色照片或剖面图如图3-2-1、3-2-2及出水点水量变化曲线图图3-2-3。 出水点记录卡片表3-2-1 出水 时间 出水 地点 出水 层位 出水 形式 出水口 标高m 水压MPa 出水量 m 3/h 水质 分析 出水 原因 水源 分析 对生产的影响 备注 5出水征兆的观测随着井下巷道的开拓,回采工作面的推进,水文地质工作人员,要经常深入现场,观测巷道工作面是否潮湿、滴水、淋水以及顶、底板和支柱的变形情况,如底鼓、顶板陷落、片帮、支柱折断、围岩膨胀、巷道断面缩小等。这些现象都是可能出水的征兆,在观测时,都要作出详细的记录。 此外,煤层或岩石在透水之前,一般还会有些征兆,如 1煤层里面有“吱吱”的水叫声音。煤层本身一般是不含水的,在工作面的周围,如果有压力大的含水层或积水区存在,水就要从裂隙向外挤出。只要靠近煤帮一听,就会听到“吱吱”的声音,甚至有向外渗水的现象。 2煤本身是有光泽的,遇到地下水,就会变成灰色而无光。在这种情况下,可以挖去表面一层煤,如果里面的煤是光亮的话,证明水不是由煤里面透出来的,而是前面不远有地下水。 3煤本身是不透水的,如遇到煤层“发汗”,可以挖去表面一薄层煤,用手摸摸新煤面,如果感到潮湿,并慢慢结成水珠,这说明前面不远会遇到地下水。 4煤是不传热的,如发现掌子面发潮“发汗”,可用手掌贴在潮湿的煤面上,等一个时间,如感到手变暖,说明离地下水还很远,如果一直是冰冷的,好象放在铁板上一样,就说明前面不远有地下水。 5靠近地下水的掌面子,一进去有阴凉的感觉,时间越长就越阴凉。 6老窑水一般有臭鸡蛋气味,在掌子面闻到这种气味时,就应当肯定前面有老窑水。也可以用嘴来尝尝从工作面渗出来的水,老窑水发涩味,而含水层中的水一般发甜味。 7把掌子面出现的水珠,放在大拇指与四指之间互相摩擦,如果是老窑水,手指间有发滑的感觉。 8辨别水的颜色。一般发现淌“铁锈水”水发红,是老空水和老峒水的象征;水色清、水味甜、水温低,是石灰岩水的象征;水色黄混,水味甜,是冲积层水的象征;水味发涩带咸,有时水色呈灰白,是二叠系煤系地层水的象征。 上述这些征兆,并不是说每个工作面在透水之前都必定出现,有时可能发现一个两个,有时甚至没有出现。如果发现这些征兆,就应该将位置在有关的生产图件上标出,并圈出可疑的突水范围,与此同时,和有关部门取得联系,采取措施,进一步探查清楚。 2、矿井涌水量观测 矿井涌水量观测,应根据井下的出水点及排水系统的分布情况,选择有代表性的地点,布置观测站。一般观测站多布置在各巷道排水沟的出口处、主要巷道排水沟注入水仓处、石门采区排水沟的出口处、井下出水点附近。此外对一些临时性出水点,可选择有代表性的地点,设置临时观测站。 矿井涌水量一般每旬观测一次,水文地质条件复杂的矿井,每旬应观测2-3次,雨季观测的次数还应适当增加。矿井如有数个水平,应分水平测定涌水量。 井下初揭露的涌水量未稳定和涌水规律未掌握之前,一般应每天测量一次,待涌水规律基本掌握之后,可适当延长观测的时间间隔。如果发生突然涌水,在涌水规律未掌握之前应每隔1-2小时测定一次,以后再逐步地每班、每天、每周、每旬测定一次,同时应对井下其他涌水地点或观测钻孔进行同样的观测。观测涌水量时,应同时测定水温、水压水位,必要时,采水样化验。 当井下巷道或回采工作面通过地面河流、大水沟、蓄水池及富含水层之下;穿过切割地面河流、大水沟,蓄水池及富含水层的构造断裂带;或巷道接近老空积水区时,应每天或每班测定涌水量。 井下的疏干钻孔及老窑放水钻孔,每隔3-5天测定一次涌不量和水位水压,并根据观测结果,绘制出降压曲线及水位与涌水量关系曲线图,以观测其疏干效果。 竖井一般每延深10米垂直,斜井每延深斜长20米,应测量一次涌水量。掘进至含水层时,虽不到规定距离,也应在含水层的顶、底板各侧一次。 矿井涌水量观测方法,常用的有如下几种 1 容积法用一定容积的量水桶圆的或者是方形的,放在出水点附近,然后将出水点 流出的水导入桶内,用秒表记下流满桶所需要的时间,按下述公式计算其涌水量 t V Q 式中Q 涌水量m 3/h 或m 3/min V 量水桶的容积m 3 t 流满水桶所需的时间t ,min,s 。 在井筒开凿时,常常利用迎头的水窝,来测量涌水量。其方法是用 水泵将井底水窝内的水位降低一部分,然后停泵,测量水头升高到一定位置所需的时间,按下式计算其涌水量 t H F Q ∙ 式中F 水窝断面积m 2。 H 水位上升高度m 。 其他符号的意义同前。 测量巷道顶板滴水和淋水的水量时,也可用容积法测定。一般是采用一块长约2米,宽与巷道的宽度大致相等的铁皮或塑料布,将水聚集起来,然后导入量水桶中,用前述公式计算其涌水量。 容积法测定涌水量一般比较准确,但有局限性,当涌水量过大时,这种方法不宜使用。 2浮标法这种方法是在规则的水沟上下游选定两个断面,并分别测定这两个断面的过水面积F 1和F 2,取其平均值F ,再量出这两个断面之间的距离L ,然后用一个轻的浮标如木片,树皮、厚纸片、乒乓球之类,从水沟上游的断面投入水中,同时记下时间,等浮标到达下游断面时,再记下时间,两个时间的差值,即浮标从上游断面到下游断面,流经L 长的距离所需的时间t ,然后按下式计算其涌水量 F t L Q ∙ 这种方法简单易行,特别是涌水量大时更适用,但精度不太高,一般还需乘上一个经验系数,经验系数的确定,需考虑到水沟断面的粗糙程度,巷道风流方向及大小等,一般取0.85。 3堰测法这种方法的实质,就是使排水沟的水,通过一固定形状的堰口,测量堰口上游一般在二倍h 的地点的水头高度,就可以算出流量,堰口的形状不同,计算的公式也不一样,常用的有如下三种堰形 ①三角堰这种堰适合于流量0.5m 3/s 的情况。计算公式为 h h Q 2 014.0 式中Q 流量m 3/s h 堰口上游二倍h 处的水头高度cm ②梯形堰其计算公式为 h Bh Q 186.0 其中B 堰口底宽cm 。 其他符号的意义同前。 ③矩形堰其计算公式为 有缩流时即堰口窄于水沟 h h B Q 2.001838.0- 无缩流时即堰口与水沟一样宽 h Bh Q 01838.0 式中各符号的意义同前。 使用堰测法时,必须注意堰口的上下游一定要形成水头差跌水,否则,测量的结果是不准确的。 为了计算方便,可根据上述各堰形的公式编制成水量换算表,在观测水量时,只要测出水头高度,即可从表中查出水量的数字。 4流速仪法使用流速仪测定矿井涌水量,一般是在巷道水沟中选定一个断面,然后用流速仪测定水沟过水断面中预定测点的平均流速,从而确定该断面的流量。 流速仪主要由感应部分包括旋杯、旋轴、顶针、传讯盒部分包括偏心筒、齿轮、接触丝、传导机构及尾翼等三部分组成。测量时,将仪器放入水沟中,当水流作用到仪器的感应元件旋杯时,由于左右两边的杯子具有凹凸形状的差异,因此压力不等,其压力差即形成了一转动力矩,并促使旋杯旋转。水流的速度越快,旋杯的转速也越快,它们之间存在着一定的函数关系,此关系是通过检定水槽的实验而确定的。每架仪器检定的结果均附有检定公式,其公 V Kn C 式中V流速m3/s; n旋杯转速,等于旋杯总转数“N”与相应的测速历时“T”之比,即 T N n 1/s ; K 仪器的倍常数; C 仪器的摩阻系数。 常数K 和C 是表征仪器性能的系数,与旋杯的大小、形状、旋轴的轴向间隙、顶针与顶窝的圆弧、光洁度、接触丝的松紧度等因素有关。因此,对该部分的配合关系必须严格地遵照技术要求进行检查和调整。 水流速度的测定,实际上就是测量在预定时间内旋杯被水流冲击时所产生的转数。旋杯的转数系借助于仪器的接触机构转换为电脉冲讯号,经由电线传递到水面部分的电讯设备来测得,旋杯每转5转,接触机构接通电路一次,电讯设备即发出一次讯号铃响或灯亮。测量者统计此讯号数乘以5即为旋杯的总转数“N ”和相应的测速历时“T ”,即可按上式计算水流速度。 5水泵有效功率法这种方法是利用水泵的铭牌排水量和它的实际效率来换算涌水量。例如某一个矿井,井下泵房装有三台大泵,三台大泵的排水能力都是一样的每小时240m 3,但其实际效率只有铭牌的95。每个班只需开动其中的一台工作4小时,即可将井下的水排完,则该矿井每天24h 的涌水量为2400.95432736m 3,则每分钟为1.9m 3。 3.观测资料的整理 井下水文地质观测资料,只有经过系统的、科学的整理之后,才具有 实用价值。一般都按照下列几方面进行整理。 1涌水量统计一般将井下测得的涌水量数据建立起台账。台账的形式很多,目前各矿使用的也不尽一致。下面介绍两种比较常用的格式,如表3-2-2、3-2-3。 表3-2-2是把不同时间、不同地点测得的涌水量资料统计在一起,从而可以了解涌水量随时间和空间的变化。 表3-2-2 月份 涌水量m3/h 巷道名称 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 东翼 -155水平回风巷-255水平大巷-255水平东二石门-255水平东三石门-255水平东四石门 西翼 -155水平回风巷 -255水平大巷-255水平东一石门-255水平东二石门-255水平东三石门主井井筒 副井