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1、煤礦水害防治理論與技術(shù) 武 強(qiáng)國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)（IAH）中國(guó)國(guó)家委員會(huì) 副主席國(guó)家安全生產(chǎn)專家組 成員國(guó)家煤監(jiān)局”水害防治”專家組 組長(zhǎng)中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì) 理事 010-62314681; 13601225324 (中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 北京),第一節(jié) 我國(guó)煤礦水害類型及分布,第二節(jié) 礦床充水條件分析,礦床充水的基本條件可分為自然條件和人為條件兩大類。 （一）自然充水水源 1.大氣降水 大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來源，所有礦床充水都直接或間接地與大氣降水有關(guān)。但這里所講大氣降水水源，是指礦床直接充水的唯一水源。,,2.
2、地表水水源 在有大型地表水體分布（海、湖、大河流、水庫(kù)、水池）的礦床地區(qū)，查清天然條件下和礦床開采后的地表水對(duì)礦床開采的影響，是礦區(qū)水文地質(zhì)勘探和礦井水文地質(zhì)工作的頭等重要大事，是評(píng)價(jià)礦床開采價(jià)值的重要內(nèi)容。 3.圍巖地下水水源 圍巖地下水充水類型劃分: 根據(jù)充水巖層性質(zhì)不同可分為：砂礫石孔隙充水礦床，堅(jiān)硬巖層裂隙充水礦床，巖溶充水礦床。根據(jù)礦層與充水巖層接觸關(guān)系不同可分為：直接充水礦床，間接充水礦床。 根據(jù)礦層與充水巖層相對(duì)位置不同可分為：頂板水充水礦床，底板水充水礦床，周邊水充水礦床。,1.點(diǎn)狀巖溶陷落柱通道 巖溶陷落柱在我國(guó)北方較為發(fā)育，在地下水的長(zhǎng)期物理和化學(xué)作用下, 中奧陶統(tǒng)灰
3、巖形成了大量的古喀斯特空洞, 在上覆巖層和礦層的重力作用下, 空洞潰塌并被上覆巖層下陷填實(shí)，被下塌的破碎巖塊所充填的柱狀巖溶陷落柱像一導(dǎo)水管道溝通了煤系充水含水層中地下水與中奧陶統(tǒng)灰?guī)r水的聯(lián)系, 特別位于富水帶上的巖溶陷落柱, 可造成不同充水含水層組中地下水的密切水力聯(lián)系。巖溶陷落柱的地表特征比較明顯, 特別在基巖裸露區(qū)更為明顯。,(二) 充水天然通道礦床充水天然通道主要包括點(diǎn)狀巖溶陷落柱、線狀斷裂（裂隙）帶、窄條狀隱伏露頭、面狀裂隙網(wǎng)絡(luò)（局部面狀隔水層變薄或尖滅）和地震裂隙等。,2.線狀斷裂(裂隙)帶通道 斷裂帶是否能夠成為充水通道主要取決于斷裂帶性質(zhì)和礦床開采時(shí)人為采礦活動(dòng)方式與強(qiáng)度。這
4、里重點(diǎn)分析斷裂帶的性質(zhì)，后面問題在充水人為因素部份講述。,3 窄條狀隱伏露頭通道 在我國(guó)大部分煤礦山, 煤系薄層灰?guī)r含水層和中厚層砂巖裂隙含水層以及巨厚層的碳酸鹽巖含水層多呈窄條狀的隱伏露頭形式與上覆第四系松散沉積物不整合接觸. 影響隱伏露頭部位多層充水含水層組地下水垂向間水力交替的因素主要有兩個(gè).,,,4.面狀裂隙網(wǎng)絡(luò)(局部面狀隔水層變薄區(qū)) 根據(jù)含煤巖系和礦床水文地質(zhì)沉積環(huán)境分析, 在華北型煤田的北部一帶, 煤系含水層組主要以厚層狀砂巖含水層組為主, 薄層灰?guī)r沉積較少。 在厚層砂巖含水層組之間沉積了以細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖和泥巖為主的隔水層組. 在地質(zhì)歷史的多期構(gòu)造應(yīng)力作用下, 脆性的隔水巖
5、層受力后以破裂形式釋放應(yīng)力, 致使隔水巖層產(chǎn)生了不同方向的較為密集的裂隙和節(jié)理, 形成了較為發(fā)育的呈整體面狀展布的裂隙網(wǎng)絡(luò)。,二 礦床充水的人為條件 （一）人為充水水源 1.襲奪水 由于礦床開采，降落漏斗不斷擴(kuò)展，人工流場(chǎng)強(qiáng)烈改造礦區(qū)天然地下水流場(chǎng)，人工地下水流場(chǎng)獲得新的補(bǔ)給水源稱為襲奪水源。襲奪水源存在下列幾種情況；位于礦床地下水排泄區(qū)的泉水；位于礦床地下水排泄區(qū)的地表水（海、湖、河）體；位于礦床地下水逕流帶內(nèi)的排泄區(qū)一側(cè)相鄰含水層；相鄰水文地質(zhì)單元地下水。 2.老窯水 老窯水一般分布在老礦山的淺部，它具有下列充水特點(diǎn)： 老窖水以靜儲(chǔ)量為主，靜儲(chǔ)量與采空區(qū)分布范圍有關(guān)；老窖水為多年
6、積水，水循環(huán)條件差，水中含有大量H2S氣體，并多為酸性水，有較強(qiáng)的腐蝕性。老窯突水一般水勢(shì)迅猛，硫化氫氣體危害性大。,（二） 充水人為通道 礦坑充水人為通道包括頂板冒落裂隙帶、地面巖溶疏干塌陷帶和封孔質(zhì)量不佳鉆孔等。 1.頂板冒落裂隙帶 采空區(qū)冒落后，形成的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶是礦坑充水的人為通道，其特點(diǎn)如下：當(dāng)冒落裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到頂板充水巖層時(shí)，礦坑涌水量將有顯著增加，當(dāng)未能達(dá)到頂板充水巖層時(shí)，礦坑涌水無明顯變化；當(dāng)頂板冒落裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到地表水體時(shí)，礦井涌水量將迅猛增加，同時(shí)常伴有井下涌砂現(xiàn)象。,2.地面巖溶疏干塌陷帶 隨著我國(guó)巖溶充水礦床大規(guī)模抽放水試驗(yàn)和疏干實(shí)踐，礦區(qū)及
7、其周圍地區(qū)的地表巖溶塌陷隨處可見，地表水和大氣降水通過塌陷坑充入礦井。有時(shí)隨著塌陷面積的增大，大量砂礫石和泥砂與水一起潰入礦坑。,,三 礦床充水強(qiáng)度分析 在自然界分布礦床中，單一充水水源和充水通道是少見的。從水文地質(zhì)剖面可以看出，礦層（體）上部和下部往往分布多個(gè)充水含水層組。究竟哪個(gè)是充水巖層？哪個(gè)不是充水巖層？哪個(gè)是強(qiáng)充水巖層？哪個(gè)是弱充水巖層？回答這些問題的方法稱為礦床充水強(qiáng)度分析。 根據(jù)礦山調(diào)查資料表明，礦床開采后礦井充水強(qiáng)度除取決于充水含水層的富水性、導(dǎo)水性、厚度和分布面積外，還取決于三個(gè)防線。第一防線是充水含水層出露和接受補(bǔ)給源的條件；第二防線是充水含水層側(cè)向邊界的導(dǎo)水與隔水
8、條件；第三防線是礦層頂、底隔水巖層的隔水條件。,第三節(jié) 水災(zāi)防治預(yù)案與水災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)處理指揮,水災(zāi)防治預(yù)案 一、加強(qiáng)礦井防治水的基礎(chǔ)工作 1、 完善礦井防治水機(jī)構(gòu)設(shè)置和人員、隊(duì)伍配置 大水礦區(qū)都要成立防治水領(lǐng)導(dǎo)小組。集團(tuán)公司總經(jīng)理和礦長(zhǎng)分別是防治水的第一責(zé)任者，相應(yīng)的總工程師負(fù)技術(shù)責(zé)任。每個(gè)礦要設(shè)地測(cè)科和鉆探隊(duì)。 地測(cè)科要有3-4名礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)人員，負(fù)責(zé)資料的搜集和分析工作； 鉆探隊(duì)要有專業(yè)技術(shù)員負(fù)責(zé)鉆探資料的搜集和分析工作； 有條件的單位要提取噸煤防治水資金，并且落實(shí)到實(shí)處，如山東肥城礦業(yè)集團(tuán)公司，在集團(tuán)公司、礦分別設(shè)地測(cè)副總工程師，具體負(fù)責(zé)礦井防治水工作；,2、加強(qiáng)水文地質(zhì)條件勘
9、探、做好防治水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作 各煤田和井田在勘探時(shí)必須把水文地質(zhì)情況搞清，給設(shè)計(jì)、建井、開采提供詳實(shí)可靠的圖紙、資料。 在開采過程中對(duì)礦井的突水源要進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查研究，掌握可能出水的斷層及裂隙分布；要了解井下巖層的性質(zhì)、含水層的補(bǔ)給來源和通道，查清井田內(nèi)的老窯數(shù)量和分布地點(diǎn)，查清地面河流、湖泊、池塘積水區(qū)域和水量變化；編制好完整的水文地質(zhì)資料，做到心中有數(shù)，開展逐頭逐面水情水害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。 3、建立健全防治水管理制度，嚴(yán)格執(zhí)行防治水的有關(guān)規(guī)程 井田之間的邊界煤柱和防煤柱，要按煤礦安全規(guī)程和有關(guān)規(guī)定留設(shè)。附近有小煤窯開采的礦井，要把其開采范圍和與水害有關(guān)的情況調(diào)查清楚，對(duì)大礦有威脅的小煤
10、窯要堅(jiān)決關(guān)掉，決不遷就姑息。 堅(jiān)決貫徹“有疑必探、先探后掘”的原則。按照防治水工作條例的要求，制定切實(shí)可行的探放水措施，尤其是對(duì)老空水。要經(jīng)常性的對(duì)防治水煤柱、小煤窯和老空水進(jìn)行檢查，對(duì)斷裂帶“先探后注”，分清頂板水害和底板水害，以防淹采區(qū)、淹井事故的發(fā)生。,4、加強(qiáng)職工技術(shù)培訓(xùn)、增強(qiáng)抵御水害的能力 要通過不同形式的教育培訓(xùn)，使職工了解透水前的各種預(yù)兆及其規(guī)律，做到發(fā)現(xiàn)透水預(yù)兆，能立即停止工作，采取措施，進(jìn)行處理。為防止突水事故造成人員傷亡，井下要設(shè)置安全出口，標(biāo)出避災(zāi)線路，一旦發(fā)生突水事故，可以安全撤出險(xiǎn)區(qū)。礦井發(fā)生突水事故后，應(yīng)立即通知救護(hù)隊(duì)組織搶救。同時(shí)，根據(jù)事故水源啟動(dòng)全部排水
11、設(shè)備加速排水，防止整個(gè)礦井被淹。,,二、 水災(zāi)預(yù)兆,（一） 一般預(yù)兆 （1）煤層變潮濕、松軟；煤幫出現(xiàn)滴水、淋水現(xiàn)象，且淋水可由小變大；有時(shí)煤幫出現(xiàn)鐵銹色水跡； （2）工作面氣溫降低，或出現(xiàn)霧氣及硫化氫氣味； （3）有時(shí)可聞到水的“嘶嘶”聲； （4）礦壓增大，發(fā)生片幫冒頂及底臌。 （二） 工作面底板灰?guī)r含水層突水預(yù)兆 （1）工作面壓力增大，底板臌起，底臌量可達(dá)500mm以上； （2）工作面底板產(chǎn)生裂隙，并逐漸增大； （3）沿裂隙或煤幫向外滲水，隨著裂隙的增大，水量增加，當(dāng)?shù)装鍧B水量增大到一定程度時(shí)，煤幫滲水可能停止，此時(shí)水色時(shí)清時(shí)濁，底板活動(dòng)時(shí)水變渾濁、底板穩(wěn)定時(shí)水色變清； （4）底板破裂，
12、沿裂縫有高壓水噴出，并有“嘶嘶” 或刺耳水聲；（5）底板發(fā)生“底爆”，伴有巨響，水大量涌出，水色乳白或呈黃色。,,（三） 沖擊層水的突水預(yù)兆 （1）突水部位發(fā)潮、滴水，滴水逐漸增大，仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)水中有少量細(xì)砂； （2）發(fā)生局部冒頂，水量突增并出現(xiàn)流砂，流砂常呈間歇性，水色時(shí)清時(shí)混，總的趨勢(shì)是水量、砂量增加，直至流砂大量涌出； （3）頂板發(fā)生潰水、潰砂，這種現(xiàn)象可能影響到地表，致使地表出現(xiàn)塌陷坑。,,三、 突水后水量估算 發(fā)生突水后，水量的估算是一項(xiàng)必不可少的工作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體條件，迅速而準(zhǔn)確地對(duì)突水水量做出估算，是突水事故處理和搶救的重要依據(jù)。,當(dāng)突水量增大到不能采用水溝測(cè)量時(shí)，可選
13、用大巷中較為平直的一段，測(cè)量大巷內(nèi)的水流量，其方法與在水溝內(nèi)測(cè)量相同。 采用浮標(biāo)法測(cè)定水量時(shí)，系數(shù)K可按表7-3-1選擇：,水災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)處理與指揮,一、井下發(fā)生水災(zāi)初期的自救 1、井下發(fā)生突水后，應(yīng)立即用最快的方法通知附近地區(qū)的人員一起按照礦井災(zāi)害預(yù)防和處理計(jì)劃中所規(guī)定的路線撤出。 2、在撤退中，如出路已被水隔斷，就要尋找井下位置最高、離井筒和大巷最近的地方暫時(shí)躲避；同時(shí)定時(shí)在軌道和水管上敲打發(fā)出求救信號(hào)。 3、如突水區(qū)設(shè)立水閘門時(shí)，在人員撤出后，要立即緊緊關(guān)死水閘門，把水流完全隔斷。 4、水泵房人員在接到突水事故報(bào)警后，要立即關(guān)閉泵房?jī)蓚?cè)的密閉門，啟動(dòng)所有水泵，把突出的水盡快排出；沒接到救災(zāi)領(lǐng)
14、導(dǎo)人的撤退命令，絕對(duì)不可離開工作崗位。 5、突水后，特別是老空區(qū)的積水突出以后，往往會(huì)從積水的空間放出大量有害氣體，如瓦斯、硫化氫等，所以在避災(zāi)自救中要注意防止有害氣體中毒和窒息。,二、水災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)處理 1、應(yīng)迅速判定水災(zāi)的性質(zhì)，了解突水地點(diǎn)、影響范圍、靜止水位，估計(jì)突出水量、補(bǔ)給水源及有影響的地面水體。 2、要掌握災(zāi)區(qū)范圍、搞清事故前人員分布，分析被困人員可能躲避的地點(diǎn)以便迅速組織搶救（需要進(jìn)下人員定位系統(tǒng)的支持）。 3、根據(jù)突水量的大小和礦井排水能力，積極采取排、堵、截水的技術(shù)措施。 4、加強(qiáng)通風(fēng)，防止瓦斯和其他有害氣體的積聚和發(fā)生熏人等意外事故。 5、在排水后進(jìn)行偵察、搶險(xiǎn)時(shí)，要防止冒頂、掉
15、底和二次突水。 6、在搶救和運(yùn)送長(zhǎng)期被困井下的人員時(shí)要采取措施，要防止突然改變他們已適應(yīng)的環(huán)境和生存條件，造成不應(yīng)有的傷亡。,（六） 探放含水層水 由于基巖裂隙水的埋藏、分布和水動(dòng)力條件等都具有明顯的不均勻性，煤層頂、底板砂巖水、巖溶水等在某些（或某一）地段對(duì)采掘工作面沒有任何影響，而在另一些地段卻帶來不同程度的危害。為確保礦井安全生產(chǎn)，必須探清含水層的水量、水壓和水源等，才能予以治理。 防治煤層頂、底板含水層的水害，既要從整體上查明水文地質(zhì)條件，采取疏干降壓或截源堵水等防治措施，又要重視井下采區(qū)的探查。,,疏干開采是指對(duì)煤層頂板或煤層含水層的疏干；而疏水降壓是指對(duì)煤層底板含水層而言，其
16、目的是使煤層底板含水層水壓降低至采煤安全水壓（該部分將在下節(jié)論述）。 礦井疏干的目的是預(yù)防地下水突然涌入礦井，避免災(zāi)害事故，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，消除地下水靜水壓力造成的破壞作用等，是煤礦防治水的一種主要措施。對(duì)于大水礦區(qū)，為了減少礦井涌水量，應(yīng)采取截流、淺排和排、供、生態(tài)環(huán)保三位一體結(jié)合等輔助措施，與疏干工作統(tǒng)籌考慮，進(jìn)行綜合防治。,二 疏干開采,,,（一） 疏干程序 礦井疏干過程可分為疏干勘探、試驗(yàn)疏干和經(jīng)常疏干三個(gè)逐漸過渡程序，應(yīng)與礦井的開發(fā)工作密切配合。 1。疏干勘探 疏干勘探是以疏干為目的的補(bǔ)充水文地質(zhì)勘探。其目的是進(jìn)一步查明礦區(qū)疏干所需要的水文地質(zhì)資料；確定疏干的可能
17、性，提出疏干方案。 2。試驗(yàn)性疏干 試驗(yàn)性疏干方案的正確制定表現(xiàn)在礦井開采初期能降低水位，并能經(jīng)過612個(gè)月，尤其是雨季的考驗(yàn)。要盡可能利用疏干勘探工程，并補(bǔ)充疏干給水裝置。通過試驗(yàn)，視干擾效果及殘余水頭的狀況，進(jìn)行工程調(diào)整。 3。經(jīng)常性疏干 經(jīng)常性疏干是生產(chǎn)礦井日常性的疏干工作，隨著開采范圍的擴(kuò)大和水平延伸，疏干工作要不斷地進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)充，甚至重新制定疏干方案，以滿足礦井生產(chǎn)的要求。,,（二） 疏干方式 疏干工程應(yīng)與采掘工程密切結(jié)合。疏干工程按其進(jìn)行階段（或時(shí)間）可分為預(yù)先疏干和并行疏干。預(yù)先疏干在井巷開拓之前進(jìn)行；并行疏于是在井巷開拓過程中進(jìn)行，一直到礦井全部采完為止。 疏
18、干方式有三種：地表式是從地表進(jìn)行疏干；地下式是在地下進(jìn)行疏干；聯(lián)合式是同時(shí)采用上述兩種方式或多井同時(shí)疏干。目前這三種疏干方式皆有采用。 （三） 疏干工程 疏干工程的布置、規(guī)模、種類、質(zhì)量、施工設(shè)備、施工工藝及完工時(shí)間，應(yīng)按照疏干方案進(jìn)行，疏干方案的編制是在水文地質(zhì)勘探的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在試驗(yàn)性疏干結(jié)束后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)疏干方案作進(jìn)一步修訂。,,,,三 帶壓開采,為在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下進(jìn)行帶（水）壓開采，并獲得效益，以下技術(shù)問題應(yīng)予以重視并付諸實(shí)施。 （一）查清帶壓開采的礦井或采區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件 除應(yīng)對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)條件有所認(rèn)識(shí)外，對(duì)井田或采區(qū)的水文地質(zhì)條件更應(yīng)了解
19、清楚，對(duì)充水含水層的補(bǔ)、徑、排條件和不同充水含水層間的水力聯(lián)系狀況以及保護(hù)層的隔水性能均應(yīng)予以研究。以便選擇具體防治水方法和制定帶（水）壓開采的措施。 （二） 編制突水系數(shù)圖 前面已經(jīng)提到，突水系數(shù)的應(yīng)用是通過突水系數(shù)圖來體現(xiàn)的。有兩種突水系數(shù)圖，一種是礦區(qū)或井田的突水系數(shù)圖，比例尺常為1：50001：10000；第二種是采區(qū)的突水系數(shù)圖，比例尺一般是1：10001：2000，甚至更大些。,,,,（三） 編制帶壓開采地質(zhì)、水文地質(zhì)說明書 開采受水害威脅地區(qū)的煤層，在編制開拓、掘進(jìn)與回采設(shè)計(jì)之前，必須編制該范圍的地質(zhì)、水文地質(zhì)說明書，以作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。 （四）應(yīng)用“脆弱性指數(shù)法”評(píng)
20、價(jià)預(yù)測(cè),其技術(shù)思路是：,（1）、首先建立控制煤層底板復(fù)雜突水機(jī)理和演變過程的底板突水的主控因素體系。,,（2）、建立“脆弱性指數(shù)法”的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型,,,（3 ）工程應(yīng)用實(shí)例 下面以邢臺(tái)章村礦三井為例，進(jìn)行實(shí)例分析。,,,圖2.2 構(gòu)造密度專題層圖 圖2.3 隔水層等效厚度專題層圖 圖2.4 充水含水層水壓專題層圖,圖2.5 奧灰古風(fēng)化殼厚度專題層圖 圖2.6 含水層富水性專題層圖 圖2.7 斷層斷距專題層圖,圖2.8 礦壓破壞帶以下脆性巖厚度專題層圖 圖2.9 本溪灰?guī)r厚度專題層圖,,,,+,+,+,+,,,,,,+,+,,底板突水脆弱性分區(qū)圖（2）,奧灰水壓專題圖,構(gòu)造密度專題圖,奧灰含水層富水性專題圖,奧灰上部古風(fēng)化殼厚度量化專題圖,斷層斷距專題圖,礦壓破壞帶以下脆性巖厚度量化專題圖,隔水層等效厚度量化專題圖,
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