矿井水灾防治及水体下安全采煤.doc

矿井水灾防治及水体下安全采煤 一、地下水的基本知识 （一）自然界中水的循环 自然界中的水 1、大气水水蒸气、云、雾、雨、雪和冰雹； 2、地表水河流、湖泊、海洋、冰雪； 3、地下水保存在地下岩石的空隙、裂隙及岩溶中的水。 自然界中的水在太阳辐射热和重力的作用下不断地循环着。从海洋、河流、湖泊的表面，岩石的表面及植物的叶面上蒸发，变成水汽上升至大气圈中。在高空凝结，形成不同形式的降水而降落到地面。降落下来的水一部分就地蒸发，一部分通过地表和地下径流的形式回归到海洋、河流、湖泊中。 （二）岩石的空隙性和透水性 1、岩石的空隙性 （1）孔隙岩石颗粒之间存在的空隙。孔隙以孔隙度n表示。 30或更大。颗粒大小均匀，孔隙度大；大颗粒之间空隙充填有较小颗粒，孔隙度小。沉积岩孔隙度一般为10，砾岩和充填胶结差的砂岩可达20 （2）裂隙坚硬岩石受地壳运动作用，产生各式各样的裂缝，称为裂隙。 （3）岩溶地下水溶蚀了某些可溶性岩石（如石灰岩、石膏、岩盐）后，在岩石中形成了洞穴，称为岩溶溶洞。 2、岩石的透水性 岩石能使水透过本身的性能，称透水性。根据岩石透水性的大小，岩石可分为透水岩石和不透水岩石。 砂、砾石、砾岩以及裂隙与岩溶比较发育的岩石（砂岩、石灰岩）为透水性岩石；粘土及裂隙不发育的岩石（如页岩）为不透水岩石。 岩石的透水性是相对的。在普通压力下为不透水岩石，在高压力下可能是透水性岩石。 介于透水与不透水之间的岩石为半透水性岩石，如亚粘土和亚砂土等。 岩石透水性的大小，用渗透系数 表示。见图1 渗透系数是水力坡度为1时的渗透速度。测得太原组石灰岩含水层渗透系数平均为4.79210-6m/s（0.414m/d）;本溪组石灰岩含水层渗透系数平均为1.44610-6m/s0.125m/d。 3、透水层与不透水层；含水层与隔水层 能够透水或透水性强的岩石，称为透水层，如石灰岩，白云岩，空隙度大的砾岩和砂岩。充满了地下水的透水层，称为含水层。 不能透水或透水性差的岩石，称为不透水层或隔水层，如粘土，页岩，裂隙少的岩浆岩。 根据渗透系数Km/d的大小，岩石透水性可分为五级1、极强透水性岩石（K0.01；4、弱透水性岩石K0.01-0.001；5、极弱透水性或不透水性岩石K10）；2强透水性岩石K10-1；3、中等透水性岩石K1-0.001. 几种岩石的渗透系数见表1。 表1几种岩石的渗透系数 （三）地下水分类及其特征 1、潜水与承压水 潜水地下第一个稳定隔水层以上含水层中的地下水，是具有自由表面的重力水。潜水水面至地表有一定距离。潜水由高位向低位流动，又称无压水。（见图2） 承压水承压水是充满于两个隔水层之间的含水层中的重力水，又称为自流水。承压水形成条件是向斜构造和单斜构造Ⅰ区为补水区，位置较高，接受大气降水或地表水的补给，渗入地下沿含水层流动，；Ⅲ区为排泄区，位置较低，以泉的形式出露于地表；补水区与排泄区之间的Ⅱ区，充满具有静压力的地下水，就是承压水。由于充满于两个隔水层之间的地下水具有压力，钻孔通过隔水层后，地下水便涌入孔内，不断上升，有可能喷出至地表。（见图3） 2、降压漏斗的概念（见图4） 在潜水（或承压水）井中抽水，水位下降，程漏斗形，直到形成稳定的降压漏斗为止。 潜水井涌水量（即井的排水量）计算公式为 （四）地下水的化学成分 自然界有许多岩石（如石灰岩、白云岩）都溶于水，因此地下水不是化学纯水，而是复杂的溶液。已发现有几十种元素。 离子状态阴离子Cl-、SO4--、HCO3- 阳离子Na、K、Ca、Mg 化合物状态Fe2O3、Al2O3 等 气体状态 N2、O2、CO2、CH4、H2S等 以主要阴阳离子来表征地下水的化学类型。若地下水主要阴离子成分为HCO3-、阳离子为Ca 时，称为重碳酸钙型水；若地下水主要阴离子成分为SO4--、阳离子为Na 时，称为硫酸钠型水。 反映地下水化学性质常用指标有以下几个 1、水的总矿化度（矿化度） 单位体积水中所含的离子、分子和各种化合物的总量称为水的总矿化度，以克/升来表示。它表明水中含盐分的多少。矿化度高，说明地下水的循环条件差；矿化度低，说明地下水的循环条件好。按总矿化度大小，可将地下水分为以下几类（见表2） 2、氢离子浓度pH值 pH值是水中氢离子浓度的负对数值 ] H [pH-lg 当 7时，说明水呈酸性反应；7时，说明水呈碱性反应。根据pH，可将地下水分为五类 （见表3） 3、水的硬度 地下水的硬度大小取决于Ca 和Mg 的含量。硬度又有总硬度（Ca＋＋ 、 Mg＋＋的总含量）、暂时硬度（沸腾后 Ca＋＋ 、 Mg＋＋ 沉淀量）和永久硬度（沸腾后 Ca＋＋ 、 Mg＋＋ 不沉淀量）。根据总硬度，可将地下水分为五类极软水、软水、弱硬水、硬水和极硬水。 二、矿井涌（突）水条件分析 （一）矿井涌水来源与通道 1、天然水源与通道 （1）水源 a.大气降水； b.地表水河流、湖泊、洼地积水等； c.地下水孔隙水、裂隙水，断层破碎带水，岩溶水，潜水，自流水（承压水）。 （2）通道 a.岩溶陷落柱； b.断层带、裂隙； c.隐伏露头、天窗隐伏在第四系含水砂层之下的基岩风化带为隐伏露头；第四系含水砂层之下往往有粘土质隔水层，粘土质隔水层的尖灭或缺失称天窗。 d.地震裂隙。 2、人为水源与通道水源 （1）水源 a.袭夺水源由于疏干降压形成降压漏斗，获得新的补给水源，称袭夺水源； b.老窑水。 （2）通道 a.顶板垮落带、导水断裂带； b.开采引起的底板破坏带； c.岩溶地面塌陷由于抽水试验和疏干开采，形成的岩溶地面塌陷； d.封堵质量不佳的钻孔。. （二）影响矿井涌水的因素 1、地质因素 （1）地面因素地面河流，洼地，降水，地形； （2）岩石性质透水性（渗透系数）； （3）地质构造 断层断层是否与地表水及含水层连通；断层破碎带往往本身含水；若断层破碎带被粘土质岩石充填、胶结，具有隔水作用。 褶曲采掘工作面处于向斜轴处，涌水量就会增大。 2、人为因素 （1）开采活动； （2）废弃的勘探钻孔，封堵质量不佳； （3）开采面积和矿井长期排水影响 以静储量水为主初期，涌水量随开采面积增大而增加；以后会逐渐减小。以动储量水为主涌水量稳定。 （三）矿井充水程度 1、根据含水系数 含水系数 KB Q∕P Q矿井中排出的水量（m）； P同一时期煤炭采出量T （1）涌水量小的矿井KB10 2、根据涌水量 （1）涌水量小的矿井Q 1000 m/h 三、矿井突水预兆与突水量估算 （一）矿井突水预兆 1、一般预兆 （1）煤层变湿、松软，煤帮滴水，顶板淋水； （2）工作面气温降低，雾化，有硫化氢味； （3）听到水的“嘶嘶”声； （4）矿压增大冒顶，片帮，底鼓。 2、工作面底板突水预兆 （1）底鼓，有时可达500mm以上； （2）底板裂缝； （3）沿裂缝或煤帮渗水； （4）底板破裂，并喷出高压水，“嘶嘶”声； （5）底板产生“底爆”，巨响，大量涌水。 3、松散含水层突水预兆 （1）突水部位发潮，滴水； （2）发生局部冒顶，水量突增，有流砂； （3）顶板发生溃水、溃砂，地表塌陷。 （二）矿井突水量的估算 1、采用现场实际测量方法 （1）浮标法（突水初期） （2）水泵标定法（突水时） （3）容积法 突水后，如将平巷淹没，水位升老窑区，则涌水量可用下式计算 Q KSHM/tcosa m3/min K采空区的淹没系数，（见表5） S求积仪在平面图上量得的淹没面积，m2； H水位上涨的高度，m； M实际采高，m； a岩层倾角，（） t水位上升所用时间，min 2、突水总量的计算 （1）算术迭加法 （2）曲线求积仪法（略） 3、淹没时间的预计 四、矿井涌（突）水的防治方法 （一）地表水防治 1、河流改道； 2、铺设不透水的人工河床； 3、修筑排（截）水沟； 4、堵漏。 （二）老窑水的防治 1、探老窑的位置、范围、形状、水量； 2、隔老窑水与地表水的隔离；老窑水与矿井水的隔离； 3、放利用钻孔将老窑水放入矿井，增大矿井涌水量，必要时设水闸门（墙）。 （三）疏干降压 在钻孔（地面、地下巷道）内安装排水设备（如深井水泵）， 从钻孔内将水排至地面或地下巷道，以达到疏干或降低水位的目的。 1、疏干程序 （1）疏干勘探查明疏干地区的水文地质资料（地下水补给及运动规律，补水边界、隔水边界，地下水涌水量，疏干含水层与地表水或其他含水层联系，含水层特征，疏干水量等）； （2）疏干方案地面疏干，井下疏干，疏干钻孔布置； （3）试验性疏干6-12个月，了解疏干效果，调整疏干方案； （4）经常性疏干 随矿井开采范围扩大，对疏干工程进行调整、补充；观测疏干孔的水量和水位；编制疏干水量、水位动态变化曲线图以及疏干降低漏斗平面图；水质分析。 2、疏干方式 （1）地表疏干 用于预先疏干阶段，在煤层浅部及露天矿中采用。具有建设速度快、投资经营费用低、安全可靠等优点，但随深部增大，费用增加。 （2）地下疏干 采用疏干巷道和钻孔进行疏干，用于矿井较深部的疏干。 （3）联合疏干 水文地质条件复杂或水文地质条件逐向恶化的老矿井，从经济安全方面考虑，采用井上、下联合疏干。 （四）注浆堵水 1、意义将制成的浆液压入地层空隙，使其扩散凝固、硬化后，起到堵、拦补给水源或加固作用。 2、注浆堵水的应用 （1）井筒地面预注浆对要穿过含水层的井筒预先注浆，保证施工安全，减少涌水量； （2）石门预注浆对要穿过含水层或断层破碎带的石门，预先注浆，保证施工安全，减少涌水量； （3）对有强补给水源的突水点注浆堵水，治水复矿； （4）与疏放水结合，对查明的进水边界或通道，进行帷幕截源注浆，减少矿井涌水量； （5）有煤层底板突水危险的矿井，对强含水层顶面或夹存于其顶板隔水层内的弱含水层进行加固注浆； （6）其他钻孔、陷落柱注浆。 3、注浆材料 （1）水泥水泥速凝剂（缓凝剂）、速凝早强剂惰性材料（砂、砾石、粘土、矿碴）； （2）水泥水玻璃分别配制，同时注入。水玻璃凝固时间短，提高可灌性； （3）化学浆液，水玻璃类，树脂等。性能好，成本高。 4、注浆工艺 （1）注浆钻孔钻孔数目，深度，钻孔排列，钻孔方法； （2）注浆设备注浆泵，搅拌机，混合器； （3）注浆参数扩散半径，注浆压力，浆液浓度，浆液注入量，注浆效果。 5、注浆堵水的主要技术问题 （1）圈定突水点、找到补给水源通道。 （2）注浆时要准确地命中出水点。 （3）动水注浆要防止浆液的流失先下骨料，然后再注浆封堵。 （4）保证注浆堵水有足够的范围和强度。 五、水体下安全采煤 （一）水体下采煤的意义及特点 水体下地表水体、含水砂层水体、基岩水体。要防止上覆水体中的水或泥砂溃入井下，防止因涌水量增大而过分增加排水费用。 （二）影响水体下采煤的因素 1、水体类型 水体类型包括单纯地表水，单纯松散层水，单纯基岩水，地表水加松散层水，松散层水加基岩水，地表水加基岩水，地表水、松散层水加基岩水。 水体与煤层之间关系水体与煤层之间有隔水层；水体与煤层之间直接接触。 2、上覆岩层类型含水层（透水层），隔水层。 3、地层构造（见图5） （1）单一结构水体集中、水量大、渗水性强； （2）复合结构含水层与隔水层在垂直方向互相间隔，水体分散； （3）封闭或半封闭结构含水层与隔水层在垂直方向与水平方向互相间隔，形成封闭、半封闭储水条件； （4）覆盖结构隔水层与煤系地层不整合，地表水和地下水被隔水层隔阻。 （三）上覆岩层破坏规律 1、三带垮落带，导水断裂带，弯曲带； 2、垮落带、导水断裂带的形态马鞍形（缓），抛物线形（倾），断裂带向上发展、垮落带超出采空区的边界（急）；（见图6） 3、垮落带、导水断裂带高度 （1）垮落带高度 煤层顶板覆岩内有极坚硬岩层，采后能形成悬顶时，垮落带高度计算公式如下 煤层顶板覆岩为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，开采单一煤层的垮落带高度为 厚煤层分层开采垮落带高度计算公式（见表－6）。 （2）导水断裂带高度 煤层顶板覆岩为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，开采单一煤层和厚煤层分层时的导水断裂带高度（见表-7及表－8）。 （四）水体下采煤安全煤岩柱的留设 1、水体的采动等级及允许采动程度（见表-9）。 根据水体允许采动程度将水体分为三个采动等级 （1）防水安全煤岩柱不允许导水断裂带波及到水体； （2）防砂安全煤岩柱允许导水断裂带波及到松散的弱含水层，或已经疏降的松散强含水层，但不允许垮落带接近松散层底部； （3）防塌安全煤岩柱允许垮落带接近松散层底部。 2、安全煤岩柱的留设方法 （1）防水安全煤岩柱 A、地表有松散覆盖层时（图7） （2）防砂安全煤岩柱（见图10） （3）防塌安全煤岩柱 3、安全煤岩柱保护层厚度 安全煤岩柱保护层厚度Hb与煤层倾角、水体采动等级、地层构造、覆岩性质以及累计开采厚度有关。 （1）倾角035及3654煤层，防水安全煤岩柱保护层厚度， （见表10）以及防砂安全煤岩柱保护层厚度（见表－11）。 （2）倾角5590煤层，防水安全煤岩及防砂安全煤岩柱保护层厚度（见表-12） （五）水体下采煤的安全技术措施 1、防治措施 （1）留设安全煤岩柱，顶水开采； （2）疏干、疏降开采当上覆水体含水量小、补给不足时，采用疏干开采；当上覆水体含水量大，补给充足时，采用疏降开采； （3）顶疏结合开采上覆有多个含水层，且含水层与隔水层相间排列。导水断裂带以上的含水层，顶水开采；导水断裂带以内的弱含水层，实行疏干开采； （4）帷幕注浆堵水以挡水帷幕，切断地下补给通路； （5）处理好地表水源改河道，铺河底，筑拦洪坝，修拦洪沟，填渗透裂缝，切断或改变地面补给水源。 2、开采技术措施 （1）试探开采先远后近，先深后浅，先厚后薄（隔水层），先易后难，逐步接近水体； （2）分区隔离开采采区四周防水煤柱，水闸门； （3）全部充填、部分开采和分层间歇开采降低覆岩破坏高度，减小垮落带、导水断裂带的高度 （4）正常等速开采正规循环，工作面均匀推进，工作面顶板完整，使顶板含水层中的水随放顶涌入采空区。