我国煤矿水害类型及其防治对策.pdf

第3 8 卷第1 期 2 0 1 0年 1 月 煤 炭 科学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y V0 1 ． 3 8 No ．1 J a n ．2 0 l 0 我国煤矿水 害类型及其防治对策 虎维岳，田 干 煤炭科学研究总院 西安研究 院，陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要分析了近年来我国煤矿水害的基本特点，通过对全 国不 同地域主要开采煤层赋存地质与水 文地质条件的分析，将我国煤矿水害类型划分为4大主要类型。初步分析了不同水害类型的基本特 点、形成条件和发展趋势 ，提出了有效 防治不 同类型煤矿水害的技术路线及适用条件 ，对 目前制约 煤矿水害防治技术的关键问题进行 了探讨。 关键词 煤矿水害；水害类型；防治水 中图分类号 T D 7 4 5 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 32 3 3 6 2 0 1 0 0 1 0 0 9 2 0 5 M i n e W a t e r Di s a s t e r Ty p e a n d Pr e v e n t i o n a nd Co nt r o l Co u nt e r me a s ur e s i n Ch i n a HU We i y u e，TI AN Ga n X i ’a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， X i ’ a n 7 1 0 0 5 4，C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r a n a l y z e d t h e b a s i c f e a t u r e s o f t h e mi n e w a t e r d i s a s t e r o c c u r r e d i n r e c e n t y e a r s i n C h i n a ．Wi t h t h e a n a l y s i s o n t h e d e - p o s i t g e o l o g i c a l a n d h y d r o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f t h e ma i n mi n i n g s e a ms i n d i f f e r e n t a r e a i n Ch i n a ，t h e mi n e wa t e r d i s a s t e r i n C h i n a c o u l d b e d i v i d e d i n t o f o u r ma j o r t y p e s ．T h e p a p e r h a d a p r e l i m i n a r y a n a l y s i s o n t h e b a s i c f e a t u r e s ， f o r ma t i o n c o n d i t i o n s a n d d e v e l o p m e n t t e n d e n c y o f t h e d i f f e r e n t w a t e r d i s a s t e r ，p r o v i d e d t h e e f f e c t i v e t e c h n i c a l l i n e a n d s u i t a b l e c o n d i t i o n s t o p r e v e n t a n d c o n t r o l t h e d i ff e r e n t w a t e r d i s a s - t e r a n d a n a l y z e d t h e k e y p r o b l e ms o f t h e p r e s e n t r e s t r i c t i o n s t o t h e mi n e w a t e r d i s a s t e r p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y ． Ke y wor dsmi n e wa t e r di s a s t e r ；wa t e r d i s a s t e r t y p e；wa t e r pr e v e n t i o n a nd c o n t r o l 1 我国煤矿水害的基本类型及发展趋势 我国煤矿水害的类型、特点及其近年来的变化 趋势主要受开采煤层赋存的地质 、水文地质条件及 其开采方式的控制 ，目前 占主导位置的水害类型基 本可归纳为 4种 主采煤层底板高承压岩溶水突水 水害、主采煤层顶板砂岩及其松散层孔隙水透水水 害、废弃小煤窑及老矿井采空区水溃水水害与地表 水倒灌充水水害。由于不同地区煤层赋存的地质与 水文地质条件不同，占主导地位的矿井水害类型差 别较大 ，如图 1 所示。在华北华东地区，主要开采 煤层为石炭二叠系煤层 ，以地下开采方式为主且矿 井开采深度普遍较大，据统计资料显示 ，华北东部 地区主要国有生产矿井 目前平均开采深度超过 6 5 0 基金项 目国家 重点 基 础研 究发 展 计划 9 7 3计 划 资 助项 目 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 5 ；国家 自然科学基金资助项 目 4 0 7 7 2 1 6 3 9 2 m，且平均每年以 1 2～2 0 i n的速度向深部延伸 。 主采煤层下伏有太原群多层薄层灰岩和奥陶系巨厚 灰岩含水层 ，多种构造因素通常使这些含水层之间 存在水交替和水动力联系，根据 目前的开采深度估 算 ，这些含水层作用于开采煤层底板有限厚度隔水 层 一般厚度为 2 0～5 0 m上的水压力达到 5～ 7 M P a ，按现行的突水系数理论评价 ，我国华北华东 地区已经全面进入开采受水害威胁煤炭资源阶段 ， 而且随矿井采掘深 度的增 加，隔水层厚度不会变 化 ，但水压会越来越 大，矿井 水害隐患会 1 3 趋严 重 ，所以在这一地区矿井水害的主要类型为主采煤 层底板高承压岩溶水突水水害，且随采掘深度的增 加 ，这一水害特征会更显突出。 我国煤炭资源主要富集区晋陕蒙、新疆等 地区，将成为支撑我国煤炭工业可持续发展的远景 区域 ，近年来在这一地区煤炭资源的勘探开发强度 虎维岳等我国煤矿水害类型及其防治对策 2 0 1 0年第 1 期 顺扳砂岩裂隙及第四系孔隙水害区 E三j底板高 岩溶水害 匝田 地表水搜顶板 岩溶水 害_x 图 1 我 国不 同类型煤矿水 害分 区 快速上升，长期以来人们固有观念认为这一地区属 于干旱缺水区 ，对煤炭资源开采过程中水害的严重 程度认识不足。其实地下水也是地质历史过程的产 物 ，在这一地 区主要开采煤层的上覆地层中广泛发 育有砂岩裂隙和第 四系松散含水层 ，且水量 比较丰 富。由于本区煤层厚度大 、埋藏浅 ，大尺度工作面 机械化开采后对顶板覆岩扰动强度大，采掘扰动导 水通道很 容易沟通 上覆 含水层 甚至地 表水 体 造成 回采工作面透水事故 ，有时还会造成工作面溃 砂及地面塌 陷等地质灾害。 图 2所示为内蒙古东部及 中国西部矿井水文地 质条件 的典型结构模式 ，封闭不 良钻孔 、导水断层 及采掘 冒裂 带 都会 导 致顶 板 水 溃入 采 煤 工作 面 图 2 a 。特别是很 多煤层 顶板隔水层受隐伏古 冲 沟的深切影响 ，变薄或缺失 图2 b ，当工作面回 采至这些区域时很容易发生顶板水溃人 ，且这种古 冲沟具有很强的隐蔽性 ，很难预先勘探清楚。所 以 在这一地区矿井水害的主要类型为主采煤层顶板砂 岩及其松散层孔隙水透水水害 ，必须高度重视。 由于小矿井整合和开采的规范化 ，近年来数以 万计的小煤窑关闭废弃 ，同时许多国有大矿井因上 组煤资源枯竭 ，逐渐转入下组煤开采 ，在这些矿井 存在有大量的上组煤采空积水区。废弃矿井和上组 煤开采留下的采空区充水后就像分布于生产矿井周 边的地下水库 ，严重威胁着邻近矿井 的安全生产 ， 统计资料表明 ，近年来 ，采空区及废弃的充水小煤 窑水 每年 占煤 矿 总突水 事 故 的 8 0 ％ 左 右 图 I i l j l I ／ ／ - i ／ ， ，，，，， ，，，，， ，月f f ， ， ll ，， ， ， ‘ ． ． ． ’ ’ 砂层 一．’ ． ． ． ‘ J 隔水詹顶部裂 隙相对发育带 煤层 切眼 b 丁 贞 板砂岩 承压水 浈入矿 模 』 弋 图2 内蒙古东部及 中国西部煤层顶扳水害条件模 式示意 3 。由于我国 目前 尚没有 系统 的矿井废 弃关 闭的 相关技术规程 ，许多矿井关闭废弃时缺乏完整的关 井技术资料和相应 的工程保护措施 ，对于采空区积 水及关闭废弃的小煤窑积水特征 、积水范围及其潜 在的突水危险性认识不足 ，矿井关闭过程 中的水文 地质工作及其关闭后对地下水活动情况的预测预报 和监测监控不到位 ，导致对废弃矿井采掘空间分布 情况及其积水淹没情况不清楚 ，防水煤岩柱 留设不 足或缺乏必要的防水煤岩柱 ，从而在采掘过程中直 接或间接揭露采空区积水而造成矿井溃水灾害。该 类型突水突发性强 、冲击力大 ，通常造成瞬问淹井 和惨重的人员伤亡。同时，在生产阶段 ，矿井通常 是地下水的排泄 区，大量的地下水在矿井生产过程 中被排放 ，部分含水层会因矿井排水而疏干。一旦 矿 山关闭废弃后 ，地下水 的循 环运动规律会被 打 破 ，废弃矿井因停止排水而被地下水淹没 ，废弃矿 5 0 4 O 器3 0 2 0 蒂 1 0 0 采空区积水含水层水 他水源 水源 图3 2 0 0 5 --2 0 0 7年煤矿 重大水 害事故水源分布 9 3 年年年 一 仵 ～ 2 2 2 1 ～ _l l l 一l l l0一 _ 2 0 1 0 年 第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 8 卷 井中被污染的地下水会逐渐补给在矿井采掘阶段 已 经疏干的洁净含水层直至溢 出地表 ，地下水位的抬 升会在很大程度上改变矿区区域性水文地质 、工程 地质与环境地质条件 ，使邻近矿井水文地质条件区 域复杂。 我国秦岭 以南的华南 、西南 主要煤矿 区 图 1 以低 山丘陵地形为主，属亚热带湿润气候 区， 年降水量一般在 1 0 0 0 2 5 0 0 mm，地表水系发育 ， 水量充沛 J 。煤系地层 中广泛发育泥盆纪融县灰 岩 ，石炭纪黄龙灰岩、船山灰岩 、壶天灰岩 ，二叠 系茅口灰岩 、长兴灰岩 ，三叠纪大冶灰岩等可溶岩 类地层 ，由于褶皱 、断裂和岩浆活动作用 ，容易形 成一些规模较小的褶皱、断裂盆地 ，强烈岩溶化的 灰岩直接出露或与第 四系松散层直接接触 ，地表 水、第四系水与灰岩岩溶水水力联系密切，使煤矿 床水文地质条件十分复杂 ，矿井突水通常是通过构 造断层、裂隙、岩溶塌陷等导水构造直接把地表 水、第四系水、地表洼地汇集的大气降水直接导人 矿井并造成突发性突水事故。第四系覆盖下的强岩 溶化岩溶含水层在矿区抽排水过程中经常引起大面 积的地面塌陷 ，造成地表水砂溃入矿井。由于该区 域地形起伏较大 ，地下水水力梯度大，水循环和水 交替速度较快，地下水侵蚀能力较强 ，通常在灰岩 的裂隙发育带或断层带形成地下水优先溶蚀和集 中 径流，大面积形成岩溶暗河管道。所以岩溶暗河管 道沟通地表水突水成为本区矿井岩溶水突人的独有 特点。由于暗河管道与大气降水及地表水系水力联 系密切 ，暗河水流量受 大气 降水控制 明显 ，雨季 时，水势凶猛 ，水量 可比旱季增加几 十倍到几百 倍 ，暴雨后的暗河突水通常给矿井造成非常大的灾 难。图 4所示为该类型水害发生的典型水文地质机 构结构模式。所以，该区域多数煤矿水害属于地表 水通过岩溶管道倒灌充水水害类型。该类型岩溶矿 图4 岩溶管道及地表水水害发 生条件 带 床突水的最大特点是来水突然、水量大，雨后水量 迅速衰减 ，矿井涌水的时间性和季节性极强 ，矿井 涌水与大气降水及地表水关系密切。 2 煤矿水害防治的主要技术对策 2 ． 1 顶板水害防治 由于顶板水害主要分布于地表水资源缺乏、水 环境脆弱的西部地区，所以，矿井水害防治的主体 思路必须从矿井安全生产与区域水资源及水文环境 保护相结合的角度出发，从水系统的角度查清矿区 范围内各主要含水层水资源的赋存状态、空间分布 和变化规律 ，从水均衡和水动态的角度查 明矿区三 水 大气降水 、地表 水和地下水 的转化规律和 主要控制因素，从保水采煤的角度查明主要煤炭资 源开采区含水层 、隔水层及其煤层之间的空间结构 关系 ，评价煤炭资源开采对水文地质系统的扰动与 影响程度 ，从水资源的质和量 2个方面评价研究 区 水资源对煤炭资源极限开发强度的最大承载力，在 研究矿区水资源承载力的基础上，研究可能的提高 本区水资源环境承载力 、资源开发利用率和实现可 持续发展的技术途径与技术路线 ，结合矿 区开发中 长期 目标 ，提出适用于矿区水资源承载力及其动态 评价的指标体系，建立水资源保护 、水资源承载力 扩能与煤炭资源安全开采的优化决策系统 ，形成矿 井水综合利用与优化配置的有效途径。在系统分析 研究区域水源地与煤炭资源布局 的基础上 ，合理规 划开采布局和开采顺序 ，对重点水源地分布范围内 的煤层实施保护性限制开采。就某一水源地而言， 可以根据具体水文地质条件 ，采区帷幕截流技术等 工程措施，隔离水源地和煤炭资源开采区，控制煤 炭资源开发对水源地的扰动。或在理论计算的指导 下 ，实行非完全充填式采煤方法 ，以控制采掘活动 对顶板隔水岩层的扰动。将矿区煤炭资源开发规划 和工农业生产供水需求规划有机结合起来，建立煤 矿区多种水资源 地表水、地下水、矿井水等 联合调度体系，提高矿井水资源化和水资源的原地 循环频率，实现矿井水的排供结合。 2 ． 2底板水 害 防治 底板水害发生的基本条件就是隔水层阻抗水压 能力与高压水破坏穿透隔水层能力之间相互作用的 结果 ，底板水害防治的技术思路有 2条，一是增强 隔水层阻抗高压水的能力 ；二是减小高压水对隔水 虎维岳等 我 国煤矿水 害类 型及 其防治对策 2 0 1 0年第 1 期 岩层的破坏力 。为 了提 高隔水层 阻抗 高压水 的能 力，常用的技术方法是注浆改造工程 ，注浆改造防 治矿井水害技术是指通过专门的设备和工程 ，根据 具体的矿井水文地质条件和水害类型与特点 ，将预 先研究配制成的低渗透浆液或骨料注入含水层 、隔 水层中的空隙 、断裂破碎带 、岩溶 陷落柱 、井巷或 突 出水 口等，并 使 之 与 围岩 固结 成 不 透水 或微透水的 、具有一定强度 的整体而起 到堵塞 过水通 道 、充填 导含水空 隙、降低受注 岩体渗透 性 、增大岩石强度 和隔 阻 水 作用 的一种 矿井 水害防治技术方法。该技术可广泛应用 于封堵井下 突水 口 点 以恢 复被淹矿井 、阻截水 源含水层 对矿井充水的补给以减少矿井运行排水量 、变含水 层为隔水层 以增加煤层顶底板有效 隔水层 的厚度 、 隔断连接充水水源与矿井之间的导水通道以避免矿 井突发性突水灾害的发生等。适用于注浆改造技术 进行矿井水害防治的基本水文地质条件有 6点。 1 矿井主要充水 含水层 的动态补给水量大且 稳定 ，采用疏水技术难 以使含水层水位大幅度降低 或所需的疏水量太大以至于在经济上不合理 。 2 矿井水补给通道位 置明确且相对集 中，只 要阻断局部导水通道就可使整个矿井的补给水量大 幅度减少 。 3 矿井充水含水层 又是本区主要或唯一的供 水水源含水层 ，而客观条件又不具备实现矿井水排 供结合技术方案 ，在煤炭资源开发过程 中要求充分 保护水源地和含水层。 4 矿区生态环境脆 弱，环境对矿井充水 含水 层的依赖性强，一旦含水层水位 明显下降会诱发区 域生态环境恶化或其他工程地质灾害。 5 实施注浆的 目标含水层或构造薄弱带 应具 有 良好的可注性条件。这种可注性条件包括受注层 的吸浆量 、浆液在受注层内的运移与扩散性 、浆液 的凝结与稳定性等 。 6 受注层具有合适 的水动力和水文地球化学 环境条件 ，能够确保注浆固结体 的强度稳定性和抗 渗稳定性 ，以满足工程 的使用寿命。 为了减小高压水对隔水岩层 的破坏力 ，常采用 疏水降压的防治水技术 ，所谓疏水降压防治矿井水 害技术就是对威胁矿井安全生产 的主要充水含水层 水 ，通过专门的工程和技术措施在人工受控的条件 下进行超前预疏干或疏降水压 ，进而减少或} 肖 除其 在矿山建设和生产过程 中对矿井安全的威胁 。其基 本内容可划分为疏于和疏水降压 2大方面。适用于 疏水降压技术防治矿井水害的水文地质条件有下述 5点 。 1 矿井 主要充 水含水 层属 于 自身 充水含水 层 。由于矿井的主要工程活动位于含水层之 中，或 者说矿井的采掘活动将直接揭露充水含水层 ，含水 层 中的水无法躲避 ，为了减少或消除采掘过程 中的 大量水短时问涌入矿井给矿井正常生产与建设带来 影响或超过矿井设 计的排水 能力而造成淹井事故 ， 需要在人工受控条件下预先对含水层水进行疏放。 2 矿井 主要 充水含水 层属 于直接 充水含水 层 。当含水层作为煤层的直接顶板或底板时 ，一旦 巷道进入煤层或工作面回采后 ，由于缺乏工程层位 与含水层之问的隔水保护层 ，含水层 中的水会直接 进入巷道或工作面给矿井生产造成影响或灾害 。在 这种水文地质条件下 ，通常需要采用预疏水技术防 治矿 井水 害 。 3 矿井主要充水含水层 以静储水量为主 ，动 态补给量有限。以静储水量为主的矿井充水含水层 发生矿井充水时 ，通常是瞬间冲击水量大 ，后期水 量迅速衰减甚至干枯 ，当矿井生产诱发该类含水层 突 透水时，通 常在 总出水量有 限的条件下给 矿井带来严重灾害，采用预先疏水技术可以有效地 减少峰值水量而达到消除矿井水害的目的。 4 煤层顶板问接含水层与煤层之间隔水层的 厚度小于工作面顶板 冒落带与裂隙带高度。在这种 条件下 ，尽管煤层顶板存在隔水层 ，但隔水层的厚 度小于工作面 回采后冒裂带高度 ，一旦工作面 回采 后 ，含水层中的水必然通过 冒裂带导人矿井 。为了 减少初次 冒裂后来 自顶板 的峰值水量 ，通常在工作 面回采之前 ，通过井上或井下专 门的疏水工程进行 含水层水 的预疏放 。 5 煤层底板存在高承压含水层 ，且煤层与含 水层之间的隔水层厚度较薄 ，在 自然状态下 ，隔水 层不能阻抗高压水的破坏 和侵入 。在这种条件下， 可通过疏放水技术降低含水层中的压力 ，以实现带 压开 采 。 2 ． 3废弃小煤窑与老空水害防治 首先应查明主要生产矿井周边废弃小煤窑及采 空区空问分布及其充水特征 ，目前应用效果较好的 探测技术主要有地面及井下地球物理勘探技术和井 9 5 2 0 1 0 年 第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 8 卷 上下定向钻探技术 。地球物理勘探技术基于地下积 水体与围岩具有 明显的电阻差异 ，以瞬变电磁法 、 直流电阻率法 、高密度直流 电法等 电磁法勘探为 主，瞬变电磁探测技术是基于地下低电性地质体对 高频 电磁场有二次散射的物理现象，通过地面勘 探 ，以认识低阻体的地下空问位置与分布。直流电 阻率探测技术是基于电极间距增加稳定扩散电场范 围扩大的物理基础 ，通过极距变化测量不同深度 、 不同电性地质体的分布。该方法对中浅埋地层 中含 水体的探测精度较高 ，在植被发育地区和地形变化 较大地区使用该技术也有明显优势。高密度直流电 法通过一次测量多个 电测点和 自动变换发射电极的 方法 ，实现在相同接地和发射条件下高精度的分辨 地质体的电性差异 ，从而达到探测老窑及采空积水 区的目的。定向钻探技术主要是配合物探方法准确 探测采空区边界及其充水特征 ，同时定向钻探技术 还可进行采空区水 的人工受控超前疏放。 在初步查明老窑 、采空区分布规律的情况下 ， 回采前必须进行采空区与主要采掘区之间煤岩柱安 全性的评价分析 ，留设合理的煤岩柱 ，当煤岩柱不 足时，必须进行老窑、采空区积水 的超前与疏放 。 预疏放采空区积水时，要确保疏水孔穿越积水体的 最低标高位置 ，以达到彻底疏放 的效果 图 5 。 同时 ，疏水孔必须有严格的安全防护措施 ，避免疏 水过程中发生水害安全事故。 煤 煤 煤 图 5 采空 区探放水工程 3 我国矿井水害防治技术面I临的技术难题 根据我国煤炭资源生产及采掘现状 ，矿井防治 水技术仍面临的亟待解决的技术难题有以下 4点。 1 应加强对深部煤炭高压底板水导升 、突出 机理及采动破坏等理论 的研究 。多年来 ，我国进行 的大量工业性试验、突水机理等研究 ，其大都局限 于矿井浅中部煤层开采地质条件 ，而深部煤炭 96 资源开采的高地应力 、高水压、采动破坏变化等复 杂条件与前中部煤层开采条件有很大不同，如果对 矿井开采水文地质条件的分析研究 、评价继续现有 的理论成果，会带来一定的误导。 2 应加强对矿井小构造和复杂环境条件下隐 伏地质构造探查的高精度技术与装备研发。随着矿 井采掘深度的不断增加 ，底板水压逐渐加大 ，构造 突水对矿井防治水存在很大威胁。 目前 ，构造探查 技术对小构造 、隐伏导水构造等探查精度远不能满 足生产实际的要求 ，因此 ，应加强高精度构造探查 技术装备的研发，提高对矿井开采水文地质条件的 探查精度和空间探测距离。 3 多煤层采空区和积水边界高精探查技术装 备的研发。多年来 ，我国大多地区特别在东部地区 存在许多采空区，部分区域先后开采多个煤层 ，存 在多层采空区和积水区，成为矿井下组煤开采的直 接充水水源 ，对矿井各主要含水层的补径排条件产 生较大影响 ，给矿井下组煤开采预防老窑水带来了 很大困难。 目前 ，老窑水探查技术精度还很低 ，探 查多煤层采空水更加困难。 4 加强矿 井水害实 时监测和 预警技 术 的研 究。通过突水信息 的原位采集 、突水因素的实时监 测和监控 、突水信息的动态分析 ，及时发出水害预 警信号 ，实现对复杂水文地质条件下矿井深部煤层 的安全 回采 。 参考文献 [ 1 ] 虎维岳 ，何满潮．深部煤炭资源及开发地质条件 [ M] ．北 京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 8 6 7 ． [ 2 ] 董书宁，虎维岳．中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素 [ J ] ．煤 田地质与勘探 ，2 0 0 7 ，3 5 5 3 4 3 7 ． [ 3 ] 虎维岳．矿 山水害防治理 论与方法 [ M] ．j E 京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 52 5 ． [ 4] 虎维岳．新时期煤矿水害防治技术所 面临 的基本 问题 [ J ] ． 煤炭地质与勘探 ，2 0 0 5，3 3 S 2 7 3 0 ． [ 5 ] 董书宁．矿井水害防治技术及应用 [ C ] ／ ／ 安全高效煤矿地质 保障技术及应用．北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 7 31 1 ． 作者简介虎维岳 1 9 6 3一 ，男 ，甘肃 镇原人 ，研究员 ，博 士，主要从事水文地质、工程地质及矿山安全技术专业的科学研 究、教 学和 技 术咨 询 工作。T e l 0 2 98 7 8 5 0 0 8 2 ，Em a i l x i a n t i g e r s o h u ． e o m 收稿日期2 0 0 90 81 3 ；责任编辑王晓珍