煤礦底板水害講課稿

1、煤礦水害及其防治技術(shù)虎 維 岳研 究 員煤炭科學(xué)研究總院西安研究院1第一部分煤礦水害的基本特點(diǎn)及其形成機(jī)理2近10年來(lái)我國(guó)煤礦水害基本情況 在過(guò)去的10年里，共發(fā)生各類礦井水害事故1400余起，死亡近6000人，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)35億元人民幣。每生產(chǎn)百萬(wàn)噸原煤因水害死亡達(dá)0.375人，因水害造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2000萬(wàn)元人民幣。其中作為中國(guó)主要煤炭生產(chǎn)基地的華北華東地區(qū)受水害威脅的煤炭資源占已探明資源量的27。 3近年來(lái)煤礦水害事故的基本特征1鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦 2國(guó)有地方煤礦 3國(guó)有重點(diǎn)煤礦 水害類型和水害事故的分布極不均勻。根據(jù)近年來(lái)水害最為嚴(yán)重的2005年資料分析，企業(yè)技術(shù)水平、管理水平和裝備水平較差的鄉(xiāng)

2、鎮(zhèn)煤礦水害事故發(fā)生頻次明顯高于國(guó)有礦井 特征1：4特征2：1小窯老空水 2灰?guī)r水 3其他水源水 近年來(lái)煤礦水害事故的基本特征就主要礦井水水害的突水源而言，采空區(qū)及廢棄的充水小煤窯水成為主要突水水源。其次為巖溶含水層水，其他類型水源所占比例較少 5近年來(lái)煤礦水害事故的基本特征特征3：1掘進(jìn)巷道水害 2工作面水害 3其他水害 就主要礦井水害所發(fā)生采掘位置而言，主要突水災(zāi)害發(fā)生在礦井采掘巷道的迎頭，由于掘進(jìn)過(guò)程中遇到隱伏導(dǎo)水構(gòu)造造成不同水源的水突入礦井。其次是采煤工作面突水，主要是回采過(guò)程中遇到工作面內(nèi)部隱伏的點(diǎn)狀導(dǎo)水構(gòu)造（陷落柱、封閉不良鉆孔等）和頂?shù)装宀傻V擾動(dòng)誘發(fā)的導(dǎo)水破裂帶導(dǎo)通不同水源水突入礦

3、井。其他采掘活動(dòng)所引起的礦井突水災(zāi)害較少 6煤礦水害成因與致災(zāi)機(jī)理 對(duì)人類采礦工程活動(dòng)所誘發(fā)的突水事故防范措施不到位，特別是對(duì)于采空區(qū)積水及其關(guān)閉廢棄的小煤窯積水特征及其潛在的突水危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)不足，礦井關(guān)閉過(guò)程中的水文地質(zhì)工作及其關(guān)閉后對(duì)地下水活動(dòng)條件的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)監(jiān)控不到位，導(dǎo)致對(duì)廢棄礦井采掘空間分布情況及其積水淹沒(méi)情況不清楚，防水煤巖柱留設(shè)不足或缺乏必要的防水煤巖柱，從而形成了巷道掘進(jìn)過(guò)程中直接或間接揭露采空區(qū)積水而造成礦井突水災(zāi)害。該類型突水突發(fā)性強(qiáng)，沖擊力大，往往造成瞬間淹井和慘重的人員傷亡。 對(duì)廢棄礦井及老空水危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)不足7煤礦水害成因與致災(zāi)機(jī)理 對(duì)隱蔽型導(dǎo)水構(gòu)造探知能力不夠 現(xiàn)有

4、的針對(duì)隱蔽型導(dǎo)水構(gòu)造的超前精細(xì)探查預(yù)測(cè)技術(shù)與裝備不足。隱蔽型導(dǎo)水構(gòu)造是指無(wú)明顯的地表出露和地質(zhì)顯現(xiàn)特征，發(fā)育于巖層內(nèi)部的較小規(guī)模的地質(zhì)構(gòu)造，主要包括隱伏斷層、局部構(gòu)造破碎帶、巖溶陷落柱及巖溶塌落洞等，他們是溝通礦區(qū)充水水源與礦井采掘工程之間的主要導(dǎo)水通路，在礦井采掘過(guò)程中必須超前探知該類隱伏導(dǎo)水構(gòu)造并進(jìn)行必需的治理和防范措施后才能予以揭露和通過(guò)，大量的突水事故來(lái)自掘進(jìn)巷道前方說(shuō)明對(duì)該類導(dǎo)水構(gòu)造的探測(cè)預(yù)報(bào)和防治不到位，探測(cè)工程不足或探測(cè)精度不夠，造成掘進(jìn)巷道與隱伏導(dǎo)水構(gòu)造不期而遇形成礦井突水災(zāi)害。 8煤礦水害成因與致災(zāi)機(jī)理 煤礦水害防治技術(shù)、裝備薄弱，水害安全管理水平低下。許多礦井特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦

5、缺乏專門的礦井水文地質(zhì)專業(yè)人員和必需的礦井水害探測(cè)防治裝備，對(duì)礦井水害防治的重要性認(rèn)識(shí)和管理不到位，在礦井水文地質(zhì)條件不清的條件下盲目生產(chǎn)是導(dǎo)致礦井水害事故發(fā)生的根本原因。雖然礦井突水條件十分復(fù)雜，但通過(guò)科學(xué)必要的防治水技術(shù)工作完全可以大幅度降低水害發(fā)生的條件。近年來(lái)煤礦水害的基本特點(diǎn)充分說(shuō)明了加強(qiáng)礦井防治水技術(shù)與管理工作的有效性。 防治水技術(shù)力量和管理水平較差9 防水煤巖柱的留設(shè)不合理，造成斷層或其他含水體水突入礦井。對(duì)于一些大型導(dǎo)水?dāng)嗔眩捎跀鄬觾杀P的牽引裂隙廣泛發(fā)育，該類斷層（斷層帶）除了具有導(dǎo)水性質(zhì)外，其斷裂帶本身就是一個(gè)含水體，有些斷層兩盤的導(dǎo)水裂隙帶十分發(fā)育，且具有一定的寬度，在斷

6、層防水煤巖柱留設(shè)過(guò)程中，往往注意了掘進(jìn)停頭到斷層面的距離而忽視了斷層兩側(cè)導(dǎo)水破碎帶的存在，導(dǎo)致了因防水煤巖柱留設(shè)不足而誘發(fā)的礦井水害。由于斷層面或斷層牽引的裂隙帶導(dǎo)水而引發(fā)的礦井突水災(zāi)害在礦井突水事故中占有絕對(duì)主導(dǎo)的位置。 煤礦水害成因與致災(zāi)機(jī)理 防水煤巖柱留設(shè)不合理10煤礦水害成因與致災(zāi)機(jī)理 對(duì)斷層及陷落柱的水文地質(zhì)性質(zhì)認(rèn)識(shí)不深由構(gòu)造斷裂形成的斷層破碎帶，往往具有較好的透水性，會(huì)形成礦坑充水的良好通道。對(duì)于一些巨大的斷裂，由于斷層兩盤的牽引裂隙廣泛發(fā)育，該類斷層（斷層帶）除了具有導(dǎo)水性質(zhì)外，其斷裂帶本身就是一個(gè)含水體，因而還具有充水水源的性質(zhì)。由于斷層面或斷層牽引的裂隙帶導(dǎo)水而引發(fā)的礦井突水

7、災(zāi)害在礦井突水事故中占有絕對(duì)主導(dǎo)的位置11B 下通式導(dǎo)水C 上通式導(dǎo)水A 全通式導(dǎo)水煤礦水害成因與致災(zāi)機(jī)理 12 突水通道具有隱蔽性和難以探知性：陷落柱的形成原因決定了其具有點(diǎn)狀導(dǎo)水構(gòu)造的特點(diǎn)，盡管有些陷落柱的直徑可達(dá)數(shù)百米，但和整個(gè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體相比，其仍具有很強(qiáng)的局部性，特別是在陷落柱的周邊區(qū)域，地層層序仍保持著正常狀態(tài)，這就形成了通過(guò)地層層序和構(gòu)造形態(tài)分析預(yù)測(cè)陷落柱變的十分困難，甚至不可能，陷落柱的隱蔽性和難以探知性，決定了陷落柱突水具有突發(fā)性和難以防范性。煤礦水害成因與致災(zāi)機(jī)理 13控制煤礦水害頻發(fā)的關(guān)鍵措施 加強(qiáng)廢棄關(guān)閉礦井和老空區(qū)的礦床水文地質(zhì)研究工作在生產(chǎn)階段的礦井往往是地下水的排泄

8、區(qū)，大量的地下水在礦井生產(chǎn)過(guò)程中被排放，部分含水層會(huì)因礦井排水而疏干。一旦礦山關(guān)閉廢棄后，地下水的循環(huán)運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)被打破，廢棄礦井因停止排水而被地下水淹沒(méi)，廢棄礦井被污染的地下水會(huì)逐漸補(bǔ)給在礦井采掘階段已經(jīng)疏干的潔凈含水層或直至溢出地表。地下水位的抬升會(huì)極大的改變礦區(qū)區(qū)域性水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)條件。 14控制煤礦水害頻發(fā)的關(guān)鍵措施 進(jìn)一步研究規(guī)范對(duì)防水煤巖柱的正確留設(shè)首先要確定采掘停頭距斷層影響帶外邊界的最近距離位置或采空冒落帶與斷層影響帶外邊界的最近距離位置，根據(jù)水壓和巖層的阻水能力計(jì)算該位置的安全煤柱厚度（如圖中的LR和LX），然后根據(jù)煤層與斷層的空間位置關(guān)系及回采工作面上覆地層的垮

9、裂角計(jì)算煤柱留設(shè)厚度L，如果直接根據(jù)水壓和煤層的阻水能力計(jì)算煤柱留設(shè)寬度L。必然會(huì)導(dǎo)致煤柱留設(shè)厚度的不足。 15控制煤礦水害頻發(fā)的關(guān)鍵措施 進(jìn)一步研究規(guī)范對(duì)防水煤巖柱的正確留設(shè)導(dǎo)水陷落柱防水煤柱厚度的確定方法。與斷層防水煤柱的留設(shè)方法一樣，對(duì)于陷落柱防水煤柱的留設(shè)，必須要考慮其周邊垮落影響破裂帶寬度及煤層與陷落柱的空間產(chǎn)狀關(guān)系，首先要確定采掘停頭距陷落柱影響帶外邊界的最近距離位置或采空冒落帶與陷落柱影響帶外邊界的最近距離位置，根據(jù)水壓和巖層的阻水能力計(jì)算該位置的安全煤柱厚度（如圖中的LR），然后根據(jù)煤層與陷落柱空間位置關(guān)系、陷落柱外圍導(dǎo)水裂隙帶的寬度及回采工作面上覆地層的垮裂角計(jì)算煤柱留設(shè)厚度

10、L。 16正確理解和應(yīng)用突水系數(shù)概念控制煤礦水害頻發(fā)的關(guān)鍵措施 對(duì)殘余水壓的理解與應(yīng)用17 第二部分煤礦底板水害的基本概念18煤礦水害的基本概念及控制因素 煤礦水害是指煤礦在建設(shè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不同形式、不同水源的水通過(guò)特定的途徑進(jìn)入礦坑，并給礦山建設(shè)或生產(chǎn)帶來(lái)影響和災(zāi)害的過(guò)程與結(jié)果。19影響煤礦水害的三大因素煤礦水害充水水源充水途徑充水水量A、 充水水源是否存在，如果存在，有何特征。B、 充水途徑是否存在，如果存在，屬何類型。C、 充水強(qiáng)度如何，一旦出水有何后果。20煤礦底板水害的基本概念 煤礦底板水害是指發(fā)育于主要開(kāi)采煤層底板直接或間接含水層中的水在礦井采掘過(guò)程中通過(guò)天然或人為擾動(dòng)的導(dǎo)水通道進(jìn)

11、入礦井并給礦井帶來(lái)災(zāi)害的過(guò)程與結(jié)果21常見(jiàn)的底板水充水水源奧陶系灰?guī)r水薄層灰?guī)r水底板砂巖水復(fù)合含水層水基本特點(diǎn)： 高承壓、非均質(zhì)、與構(gòu)造發(fā)育特征聯(lián)系密切、垂向越流作用明顯22常見(jiàn)的底板水充水途徑天然通道人為通道導(dǎo)水裂隙導(dǎo)水?dāng)鄬酉?落 柱底板三帶隔水層損傷不良鉆孔基本特點(diǎn)：隱蔽性強(qiáng)、分布無(wú)明顯規(guī)律、滯后活化特征突出23底板水害的基本特點(diǎn)1、突發(fā)性強(qiáng)，無(wú)明顯前兆2、水量增速快，災(zāi)害控制難度大3、突水往往具有時(shí)滯性，容易造成誤解4、突水量與過(guò)水通道有相互促進(jìn)現(xiàn)象24 第三部分煤礦底板水害的形成與評(píng)價(jià)25煤礦底板水害的形成條件 含水層的富水性是發(fā)生底板突水的內(nèi)在因素，它決定著突水水量的大小及突水量的動(dòng)

12、態(tài)變化特征。 水壓力的存在是驅(qū)動(dòng)含水層水流入礦坑的動(dòng)力。 而底板破壞所形成的破裂或天然導(dǎo)水通道則是地下水得以流動(dòng)的通路和咽喉。 只有當(dāng)三者同時(shí)存在并達(dá)到某種特殊組合時(shí)，才能發(fā)生底板突水。 26常見(jiàn)底板水害類型陷落柱導(dǎo)水27常見(jiàn)底板水害類型斷層導(dǎo)水28常見(jiàn)底板水害類型底板損傷導(dǎo)水29煤礦底板水害探查的關(guān)鍵任務(wù) 含水層的基本性質(zhì)及其埋藏條件 開(kāi)采煤層與含水層之間隔水層的 性質(zhì)及其綜合阻抗水能力 含水層水壓及其分布與動(dòng)態(tài) 采礦擾動(dòng)規(guī)律及其水巖作用機(jī)理30斯列薩列夫公式計(jì)算臨界水壓力和臨界隔水層厚度的著名公式評(píng)價(jià)底板隔水層穩(wěn)定性的基礎(chǔ)理論31采礦擾動(dòng)與礦壓破壞理論32底板破壞突水模式示意圖33評(píng)價(jià)底板

13、隔水層防突水能力的下三帶理論34 T=P/M T=P/M-MI-MIII=P/MII 突水系數(shù)公式的演變?cè)u(píng)價(jià)底板隔水層防突水能力的突水系數(shù)理論3536典型礦區(qū)底板突水性與隔水層厚度關(guān)系37水頭衰減的試驗(yàn)結(jié)果38 實(shí)踐與測(cè)試資料表明，礦壓作用下的底板破壞深度一般為614m，灰?guī)r水的導(dǎo)升高度一般為37m，不難看出，上下兩個(gè)破壞帶厚度之和為921m，這一結(jié)果和目前實(shí)際觀測(cè)到的突水條件隔水層厚度相一致。由此可見(jiàn)，準(zhǔn)確查明礦壓破壞帶和導(dǎo)升裂隙帶厚度是預(yù)測(cè)底板突水條件的關(guān)鍵因素。這一認(rèn)識(shí)的建立對(duì)于正確理解為什么大量的傳統(tǒng)突水系數(shù)概念下認(rèn)為是突水危險(xiǎn)區(qū)的礦床資源得以安全開(kāi)采具有重要意義。重新認(rèn)識(shí)突水系數(shù)的概

14、念39 第三部分煤礦底板水害的防治技術(shù)40 底板水害水文地質(zhì)工作需要查明和回答的關(guān)鍵問(wèn)題水源與水量隔水層厚度與阻水能力水壓及其變化導(dǎo)水構(gòu)造原始應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力礦壓及其破壞規(guī)律41底板水害預(yù)防與治理措施防排水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)探測(cè)系統(tǒng)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)災(zāi)害治理系統(tǒng)泵房水倉(cāng)隔離泄水避災(zāi)路線掘進(jìn)巷道超前探工作面底板穿透探井下出水化學(xué)探物理相似模擬預(yù)報(bào)計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模擬預(yù)報(bào)回采過(guò)程適時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)底板三帶探測(cè)突水水源快速判別系統(tǒng)移動(dòng)式高效注漿系統(tǒng)42截流注漿防治礦井水害的基本概念 截流注漿防治礦井水害技術(shù)系指通過(guò)專門的設(shè)備和工程，根據(jù)具體的礦井水文地質(zhì)條件和水害類型與特點(diǎn)，將預(yù)先研究配制成的低滲透漿液或骨料注入含水層、隔水層中

15、的空隙、斷裂破碎帶、巖溶陷落柱、井巷或突（出）水口等，并使之與圍巖固結(jié)成不透水（或微透水）的、具有一定強(qiáng)度的整體而起到堵塞過(guò)水通道、充填導(dǎo)含水空隙、降低受注巖體滲透性、增大巖石強(qiáng)度和隔（阻）水作用的一種礦井水害防治技術(shù)方法。該技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于封堵井下突水口（點(diǎn)）以恢復(fù)被淹礦井、阻截水源含水層對(duì)礦井充水的補(bǔ)給以減少礦井運(yùn)行排水量、變含水層為隔水層以增加煤層頂?shù)装逵行Ц羲畬拥暮穸?、隔斷連接充水水源與礦井之間的導(dǎo)水通道以避免礦井突發(fā)性突水災(zāi)害等。 43掘進(jìn)巷道前方導(dǎo)水?dāng)鄬幼{改造工作示意圖 井下封堵突水?dāng)鄬舆M(jìn)水口工程示意圖 截流注漿防治礦井水害的典型類型 44地面導(dǎo)斜注漿封堵陷落柱突水原理示意圖

16、地面注漿封堵過(guò)水巷道原理示意圖 截流注漿防治礦井水害的典型類型 45 底板含水層注漿改造技術(shù)示意圖 井下隔水層破碎帶注漿加固原理示意圖 截流注漿防治礦井水害的典型類型 46 a礦井主要充水含水層的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量大且穩(wěn)定，采用疏水技術(shù)難以使含水層水位大幅度降低或所需的疏水量太大以至于在經(jīng)濟(jì)上不合理； b礦井水補(bǔ)給通道位置明確且相對(duì)集中，只要阻斷局部導(dǎo)水通道就可使整個(gè)礦井的補(bǔ)給水量大幅度減少； c礦井充水含水層又是本區(qū)主要或唯一的供水水源含水層，而客觀條件又不具備實(shí)現(xiàn)礦井水排供結(jié)合技術(shù)方案，在煤炭資源開(kāi)發(fā)的過(guò)程中要求充分保護(hù)水源地和含水層。 d礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境對(duì)礦井充水含水層的依賴性強(qiáng)，一旦含

17、水層水位明顯下降會(huì)誘發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化或其它工程地質(zhì)災(zāi)害。 e實(shí)施注漿的目標(biāo)含水層或構(gòu)造薄弱帶應(yīng)具有良好可注性條件。這種可注性條件包括受注層的吸漿量、漿液在受注層內(nèi)的運(yùn)移與擴(kuò)散性、漿液的凝結(jié)與穩(wěn)定性等。 f.受注層具有合適的水動(dòng)力和水文地球化學(xué)環(huán)境條件，能夠確保注漿固結(jié)體的強(qiáng)度穩(wěn)定性和抗?jié)B穩(wěn)定性，以滿足工程的使用壽命。 適用于注漿方法進(jìn)行礦井水害防治的基本水文地質(zhì)條件47 所謂疏水降壓防治礦井水害技術(shù)就是對(duì)威脅礦井安全生產(chǎn)的主要充水含水層水，通過(guò)專門的工程和技術(shù)措施在人工受控的條件下進(jìn)行超前預(yù)疏干或疏降水壓，進(jìn)而減少或消除其在礦山建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)礦井安全的威脅。其基本內(nèi)容可劃分為疏干和疏水降

18、壓兩大方面。 疏水降壓防治礦井水害的基本概念48疏水降壓防治礦井水害的典型類型 地面群孔疏水井下巷道疏水49疏水降壓防治礦井水害的典型類型 井下專用疏水巷疏水工作面順槽疏水50疏水降壓防治礦井水害的典型類型 地面直通式疏水井下上仰式疏水51疏水降壓防治礦井水害的典型類型 井下下行式疏水壓力傳遞式井下疏水52 疏水降壓防治礦井水害技術(shù)的適用條件 1 礦井主要充水含水層屬于自身充水含水層。由于礦井的主要工程活動(dòng)位于含水層之中，或者說(shuō)礦井的采掘活動(dòng)將直接揭露充水含水層，含水層中的水無(wú)法躲避，早晚都要被釋放。為了減少或消除采掘過(guò)程中大量的水短時(shí)間涌入礦井給礦井正常生產(chǎn)與建設(shè)帶來(lái)影響或超過(guò)礦井設(shè)計(jì)的排水能力而造成淹井事故，需要在人工受控條件下預(yù)先對(duì)含水層水進(jìn)行疏放。 2礦井主要充水含水層屬于直接充水含水層。當(dāng)含水層作為煤層的直接頂板或底板時(shí)，一旦