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1、煤矿水害及其防治技术,虎 维 岳,研 究 员博士生导师,煤炭科学研究总院西安研究院,第一部分煤矿水害的基本特点及其形成机理,近10年来我国煤矿水害基本情况,在过去的10年里，共发生各类矿井水害事故1400余起，死亡近6000人，经济损失高达35亿元人民币。每生产百万吨原煤因水害死亡达0.375人，因水害造成经济损失达2000万元人民币。其中作为中国主要煤炭生产基地的华北华东地区受水害威胁的煤炭资源占已探明资源量的27。,近年来煤矿水害事故的基本特征,1乡镇煤矿 2国有地方煤矿 3国有重点煤矿,水害类型和水害事故的分布极不均匀。根据近年来水害最为严重的2005年资料分析，企业技术水平、管理水平和
2、装备水平较差的乡镇煤矿水害事故发生频次明显高于国有矿井,特征1：,特征2：,1小窑老空水 2灰岩水 3其他水源水,近年来煤矿水害事故的基本特征,就主要矿井水水害的突水源而言，采空区及废弃的充水小煤窑水成为主要突水水源。其次为岩溶含水层水，其他类型水源所占比例较少,近年来煤矿水害事故的基本特征,特征3：,1掘进巷道水害 2工作面水害 3其他水害,就主要矿井水害所发生采掘位置而言，主要突水灾害发生在矿井采掘巷道的迎头，由于掘进过程中遇到隐伏导水构造造成不同水源的水突入矿井。其次是采煤工作面突水，主要是回采过程中遇到工作面内部隐伏的点状导水构造（陷落柱、封闭不良钻孔等）和顶底板采矿扰动诱发的导水破裂
3、带导通不同水源水突入矿井。其他采掘活动所引起的矿井突水灾害较少,煤矿水害成因与致灾机理,对人类采矿工程活动所诱发的突水事故防范措施不到位，特别是对于采空区积水及其关闭废弃的小煤窑积水特征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条件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，从而形成了巷道掘进过程中直接或间接揭露采空区积水而造成矿井突水灾害。该类型突水突发性强，冲击力大，往往造成瞬间淹井和惨重的人员伤亡。,对废弃矿井及老空水危险性认识不足,煤矿水害成因与致灾机理,对隐蔽型导水构
4、造探知能力不够,现有的针对隐蔽型导水构造的超前精细探查预测技术与装备不足。隐蔽型导水构造是指无明显的地表出露和地质显现特征，发育于岩层内部的较小规模的地质构造，主要包括隐伏断层、局部构造破碎带、岩溶陷落柱及岩溶塌落洞等，他们是沟通矿区充水水源与矿井采掘工程之间的主要导水通路，在矿井采掘过程中必须超前探知该类隐伏导水构造并进行必需的治理和防范措施后才能予以揭露和通过，大量的突水事故来自掘进巷道前方说明对该类导水构造的探测预报和防治不到位，探测工程不足或探测精度不够，造成掘进巷道与隐伏导水构造不期而遇形成矿井突水灾害。,煤矿水害成因与致灾机理,煤矿水害防治技术、装备薄弱，水害安全管理水平低下。许多
5、矿井特别是乡镇煤矿缺乏专门的矿井水文地质专业人员和必需的矿井水害探测防治装备，对矿井水害防治的重要性认识和管理不到位，在矿井水文地质条件不清的条件下盲目生产是导致矿井水害事故发生的根本原因。虽然矿井突水条件十分复杂，但通过科学必要的防治水技术工作完全可以大幅度降低水害发生的条件。近年来煤矿水害的基本特点充分说明了加强矿井防治水技术与管理工作的有效性。,防治水技术力量和管理水平较差,防水煤岩柱的留设不合理，造成断层或其他含水体水突入矿井。对于一些大型导水断裂，由于断层两盘的牵引裂隙广泛发育，该类断层（断层带）除了具有导水性质外，其断裂带本身就是一个含水体，有些断层两盘的导水裂隙带十分发育，且具有
6、一定的宽度，在断层防水煤岩柱留设过程中，往往注意了掘进停头到断层面的距离而忽视了断层两侧导水破碎带的存在，导致了因防水煤岩柱留设不足而诱发的矿井水害。由于断层面或断层牵引的裂隙带导水而引发的矿井突水灾害在矿井突水事故中占有绝对主导的位置。,煤矿水害成因与致灾机理,防水煤岩柱留设不合理,煤矿水害成因与致灾机理,对断层及陷落柱的水文地质性质认识不深,由构造断裂形成的断层破碎带，往往具有较好的透水性，会形成矿坑充水的良好通道。对于一些巨大的断裂，由于断层两盘的牵引裂隙广泛发育，该类断层（断层带）除了具有导水性质外，其断裂带本身就是一个含水体，因而还具有充水水源的性质。由于断层面或断层牵引的裂隙带导水
7、而引发的矿井突水灾害在矿井突水事故中占有绝对主导的位置,B 下通式导水,C 上通式导水,A 全通式导水,煤矿水害成因与致灾机理,突水通道具有隐蔽性和难以探知性：陷落柱的形成原因决定了其具有点状导水构造的特点，尽管有些陷落柱的直径可达数百米，但和整个地质结构体相比，其仍具有很强的局部性，特别是在陷落柱的周边区域，地层层序仍保持着正常状态，这就形成了通过地层层序和构造形态分析预测陷落柱变的十分困难，甚至不可能，陷落柱的隐蔽性和难以探知性，决定了陷落柱突水具有突发性和难以防范性。,煤矿水害成因与致灾机理,控制煤矿水害频发的关键措施,加强废弃关闭矿井和老空区的矿床水文地质研究工作,在生产阶段的矿井往往
8、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，废弃矿井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或直至溢出地表。地下水位的抬升会极大的改变矿区区域性水文地质、工程地质与环境地质条件。,控制煤矿水害频发的关键措施,进一步研究规范对防水煤岩柱的正确留设,首先要确定采掘停头距断层影响带外边界的最近距离位置或采空冒落带与断层影响带外边界的最近距离位置，根据水压和岩层的阻水能力计算该位置的安全煤柱厚度（如图中的LR和LX），然后根据煤层与断层的空间位置关系及回采工作面
9、上覆地层的垮裂角计算煤柱留设厚度L，如果直接根据水压和煤层的阻水能力计算煤柱留设宽度L。必然会导致煤柱留设厚度的不足。,控制煤矿水害频发的关键措施,进一步研究规范对防水煤岩柱的正确留设,导水陷落柱防水煤柱厚度的确定方法。与断层防水煤柱的留设方法一样，对于陷落柱防水煤柱的留设，必须要考虑其周边垮落影响破裂带宽度及煤层与陷落柱的空间产状关系，首先要确定采掘停头距陷落柱影响带外边界的最近距离位置或采空冒落带与陷落柱影响带外边界的最近距离位置，根据水压和岩层的阻水能力计算该位置的安全煤柱厚度（如图中的LR），然后根据煤层与陷落柱空间位置关系、陷落柱外围导水裂隙带的宽度及回采工作面上覆地层的垮裂角计算煤
10、柱留设厚度L。,正确理解和应用突水系数概念,控制煤矿水害频发的关键措施,对残余水压的理解与应用,第二部分煤矿底板水害的基本概念,煤矿水害的基本概念及控制因素,煤矿水害是指煤矿在建设开发过程中，不同形式、不同水源的水通过特定的途径进入矿坑，并给矿山建设或生产带来影响和灾害的过程与结果。,影响煤矿水害的三大因素,煤矿水害,充水水源,充水途径,充水水量,A、充水水源是否存在，如果存在，有何特征。B、充水途径是否存在，如果存在，属何类型。C、充水强度如何，一旦出水有何后果。,煤矿底板水害的基本概念,煤矿底板水害是指发育于主要开采煤层底板直接或间接含水层中的水在矿井采掘过程中通过天然或人为扰动的导水通道
11、进入矿井并给矿井带来灾害的过程与结果,常见的底板水充水水源,奥陶系灰岩水,薄层灰岩水,底板砂岩水,复合含水层水,基本特点：高承压、非均质、与构造发育特征联系密切、垂向越流作用明显,常见的底板水充水途径,天然通道,人为通道,导水裂隙,导水断层,陷 落 柱,底板三带,隔水层损伤,不良钻孔,基本特点：隐蔽性强、分布无明显规律、滞后活化特征突出,底板水害的基本特点,1、突发性强，无明显前兆2、水量增速快，灾害控制难度大3、突水往往具有时滞性，容易造成误解4、突水量与过水通道有相互促进现象,第三部分煤矿底板水害的形成与评价,煤矿底板水害的形成条件,含水层的富水性是发生底板突水的内在因素，它决定着突水水量
12、的大小及突水量的动态变化特征。水压力的存在是驱动含水层水流入矿坑的动力。而底板破坏所形成的破裂或天然导水通道则是地下水得以流动的通路和咽喉。只有当三者同时存在并达到某种特殊组合时，才能发生底板突水。,常见底板水害类型陷落柱导水,常见底板水害类型断层导水,常见底板水害类型底板损伤导水,煤矿底板水害探查的关键任务,含水层的基本性质及其埋藏条件,开采煤层与含水层之间隔水层的 性质及其综合阻抗水能力,含水层水压及其分布与动态,采矿扰动规律及其水岩作用机理,斯列萨列夫公式,计算临界水压力和临界隔水层厚度的著名公式,评价底板隔水层稳定性的基础理论,采矿扰动与矿压破坏理论,底板破坏突水模式示意图,评价底板隔
13、水层防突水能力的下三带理论,T=P/M,T=P/M-MI-MIII=P/MII,突水系数公式的演变,评价底板隔水层防突水能力的突水系数理论,典型矿区底板突水性与隔水层厚度关系,水头衰减的试验结果,实践与测试资料表明，矿压作用下的底板破坏深度一般为614m，灰岩水的导升高度一般为37m，不难看出，上下两个破坏带厚度之和为921m，这一结果和目前实际观测到的突水条件隔水层厚度相一致。由此可见，准确查明矿压破坏带和导升裂隙带厚度是预测底板突水条件的关键因素。这一认识的建立对于正确理解为什么大量的传统突水系数概念下认为是突水危险区的矿床资源得以安全开采具有重要意义。,重新认识突水系数的概念,第三部分煤
14、矿底板水害的防治技术,底板水害水文地质工作需要查明和回答的关键问题,水源与水量,隔水层厚度与阻水能力,水压及其变化,导水构造,原始应力与采动应力,矿压及其破坏规律,底板水害预防与治理措施,防排水系统,监测探测系统,预报预警系统,灾害治理系统,泵房水仓,隔离泄水,避灾路线,掘进巷道超前探,工作面底板穿透探,井下出水化学探,物理相似模拟预报,计算机数学模拟预报,回采过程适时监测预报,底板三带探测,突水水源快速判别系统,移动式高效注浆系统,截流注浆防治矿井水害的基本概念,截流注浆防治矿井水害技术系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
15、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。该技术可广泛地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等。,掘进巷道前方导水断层注浆改造工作示意图,井下封堵突水断层进水口工程示意图,截流注浆防治矿井水害的典型类型,地面导斜注浆封堵陷落柱突水原
16、理示意图,地面注浆封堵过水巷道原理示意图,截流注浆防治矿井水害的典型类型,底板含水层注浆改造技术示意图,井下隔水层破碎带注浆加固原理示意图,截流注浆防治矿井水害的典型类型,a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；b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；c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，在煤炭资源开发的过程中要求充分保护水源地和含水层。d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
17、明显下降会诱发区域生态环境恶化或其它工程地质灾害。e实施注浆的目标含水层或构造薄弱带应具有良好可注性条件。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。f.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。,适用于注浆方法进行矿井水害防治的基本水文地质条件,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，进而减少或消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干和疏水降压两大方面。,疏
18、水降压防治矿井水害的基本概念,疏水降压防治矿井水害的典型类型,地面群孔疏水,井下巷道疏水,疏水降压防治矿井水害的典型类型,井下专用疏水巷疏水,工作面顺槽疏水,疏水降压防治矿井水害的典型类型,地面直通式疏水,井下上仰式疏水,疏水降压防治矿井水害的典型类型,井下下行式疏水,压力传递式井下疏水,疏水降压防治矿井水害技术的适用条件,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，早晚都要被释放。为了减少或消除采掘过程中大量的水短时间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，
19、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间的隔水保护层，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，往往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，往往是瞬间冲击水量大，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，往往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的消减峰值水量而达到消除矿井水害的
20、目的。4煤层顶板间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，尽管煤层顶板存在着隔水层，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入矿井。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水头以达到实现带压开采的条件。,注意事项：,1、水文地质与矿床水文地质的概念；2、水文地质条件分析与防治水工程的关系；3、防治水技术工程与矿井采掘规划；4、防治水工作的动态化与时效性。,谢 谢,2008年3月,联系电话：02987850082,
