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自然界岩石空隙的发育情况非常复杂。

松散岩石的空隙通常以孔隙为主，但某些松散岩石也发育裂隙，如黄土发育垂直裂隙，某些粘土干缩后可产生干缩裂隙，由于发育有干缩裂隙也可以含有一定量的地下水。

坚硬的基岩主要发育裂，但某些沉积岩也发育孔隙，如凝灰岩、风化的火山沉积岩。

可溶性岩石由于差异溶蚀，有的部位发育溶穴，有的部位发育裂隙，有的部位发育孔隙。

孔隙形成于颗粒之间，其分布均匀，连通良好，在各个方向上孔隙的大小和多少几乎接近，赋存于其中的地下水分布和流动都比较均匀。

坚硬基岩的裂隙是宽窄不等的线状缝隙，具有一定的方向性，分布不均匀。

溶隙的空隙大小悬殊，分布极不均匀，故溶隙中地下水的分布与流动也极不均匀。

1.3地下水的赋存

水在岩石中的存在形式如下：

⑴、气态水：

即水蒸汽，它来源于大气中的水汽与液态地下水的蒸发。

夏季白天的气温高于岩石的温度，于是水汽将由大气向岩石空隙中运动、聚集并凝结成为凝结水，夜晚则方向相反；

此外，在年常温带以下，深部的温度总是高于上部，水汽蒸发后总是向上运动，然后聚集凝结成为液态水。

气态水在一定温度、压力下与液态水相互转化，二者保持动平衡，因而对岩石中水的重新分配有很大意义。

⑵、结合水：

由于静电引力作用而吸附在岩石颗粒上的水叫结合水。

其中最靠近颗粒表面受静电引力最大的部分结合水称强结合水，其外层受静电引力较小的叫弱结合水。

强结合水又称吸附水，不能自由运动，只有加热到105～110℃，使其成为气态水时才能将它与岩石分开。

弱结合水又称薄膜水。

⑶、重力水：

岩石空隙全部被充满，在重力作用下运动的液态水称重力水。

重力水在自身重力影响运动，是水文地质学研究的主要对象。

⑷、毛细水：

由于毛细力的作用而充满岩石毛细空隙中的水称毛细水。

岩石的毛细孔隙（直径小于1mm）和毛细裂隙（宽度小于0.25mm）就如同细小的玻璃管一样，可以发生毛现象。

即在表面力作用下水可沿重力水面上升一定的距离，形成毛细上升带。

⑸、固态水：

以固体冰形式存在于岩石空隙中的水称固态水。

当岩石温度低于水的冰点0℃时，岩石空隙中的重力水便冻结成为固态水。

冻结岩石中并不是所有的水都呈固体状态，结合水尤其是强结合水，其冰点较低仍可保持液态。

固态水分布于多年冻结区或季节冻结区。

⑹、矿物水：

是存在于矿物晶体部或晶格之间的水，又称化学结合水，包括沸石水、结晶水和结构水等。

矿物水一般来说不能被被利用，只有当高温变质岩脱水以后，才能从矿物中析出，并转变为上述各种类型的水。

①、沸石水：

以水分子（H2O）形式存在于矿物晶格空隙之中的水称沸石水。

方沸石（Na2Al2Si4O12·

nH2O）中所含的水便是沸石水。

沸石水与矿物结合得很不牢固，矿沸石水的含量并不固定，随湿度的变化而变化。

常温下当湿度下降时，所含的水可以从沸石中逸出。

②、结晶水：

以水分子形式进入矿物结晶格架并成为某些矿物的组成成分时叫结晶水。

如将矿物加热到400℃以上时，结晶水便可从矿物中分离出来，水分离出来后，矿物本身并未遭到破坏。

如石膏（CaSO4·

2H2O）加热后，随着水分子的溢出，石膏本身并未遭到破坏，而是分解为硬石膏（CaSO4）和自由水（H2O）。

③、结构水：

结构水是以H+和OH-形式存在于矿物结晶格架中的水，在矿物中并不保持水分子（H2O）结构。

H+和OH-与矿物结合处非常紧密，如白云母（KAl2[AlSi3O10]OH2），白云母只有加热到400℃以上，H+和OH-才能分离出来，随着它们的析出，白云母也被破坏了。

1.4含水层和隔水层

含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层。

因此，含水层应是空隙发育的具有良好给水性和透水性的岩层。

如各种砂土、砾石、裂隙和容穴发育的坚硬岩石。

隔水层则是不能透过并给出或只能透过与给出极少量水的岩层。

因此隔水层具有良好的持水性，而其给水性和透水性均不良，如粘土、页岩和片岩等。

含水层首先应该是透水层，是透水层中位于地下水位以下经常为地下水所饱和的部分，地下水位上部未饱和部分则是透水不含水层。

形成含水层具备的条件：

1、岩层具有储存重力水的空间：

岩石的空隙越大，数量越多，连通性越好，储存和通过重力水就越多，越有利于形成含水层。

坚硬砂岩的孔隙虽不发育，但发育构造裂隙和风化裂隙，裂隙成为其主要的储水空间，所以砂岩是含水层。

2、具备储存地下水的地质结构：

具有空隙的岩层必须有一定的地质构造条件才能储水。

一个含水层的形成必须要有透水层和不透水层组合在一起，才能形成含水地质构造。

3、具有充足的补给水源：

充足的补给水源、丰富的补给量是决定含水层水量大小和保证程度的重要因素。

含水层与隔水层只是相对而言，并不存在截然的界限，二者是通过比较而存在的，同样的岩层在不同的地质条件下可能具有不同的含水意义。

如河床冲积相粗砂岩中夹粉砂岩，粉砂岩由于透水性小，可视为相对隔水层；

但是粉砂岩若夹在粘土中，粉砂岩因其透水性大则成为含水层，粘土层作为隔水层。

含水层的相对性表现在所给出的水是否具有实际价值，即是否能满足开采利用的实际需要或对采矿工程造成的危害。

含水层与隔水层之间可以相互转化。

如粘土，通常情况下是良好的隔水层，但在地下深处较大的水头差作用下，当其水头梯度大于起始水力坡度，也可能发生越流补给，透过并给出一定数量的水而成为含水层。

隔水层的隔水作用是防治水工作重点研究的容，煤层直接顶底板一般都是泥岩、砂质泥岩和粉砂岩等，它们将可采煤层与含水层分离，阻止充水含水层中水涌向矿井，保证煤矿的安全开采。

隔水层的隔水作用主要取决于隔水层的厚度、岩性、力学性质、岩层组合关系和裂隙发育情况等。

隔水岩层的厚度越大，力学强度越大，柔、脆性岩石配置得当，断裂裂隙不发育，则其抵抗水压的能力越大，隔水性能就越好，煤矿生产就越安全。

1.5常用水文地质参数介绍

1、单位涌水量（q）

对某一含水层进行抽（压）水，含水层在单位时间降深抽出（压入）的水量。

计算公式：

q=Q/S，Q—抽水井的涌水量，S—单位时间水位降深，单位涌水量常用来描述含水层的富水性。

含水层赋水性的等级标准：

（《矿井水文地质规程》附录一）

含水层的含水性差别很大，根据给出水量（q）的大小可划分为四个等级，即

q＜0.1l/s.m，含水小的含水层（弱含水层）

0.1≤q＜2l/s.m，含水中等含水层（中等含水层）

2≤q＜10l/s.m，含水丰富含水层（强含水层）

q≥10l/s.m，含水极度丰富含水层（极强含水层）

2、渗透系数（K）

水文地质学把岩石本身可以通过流体的能力称为渗透系数（用K表示）。

渗透系数也称水力传导系数，是描述含水层渗透能力的重要水文地质参数。

根据达西公式，渗透系数代表当水力坡度为1时，水在介质中的渗流速度，单位是m/d或cm/s。

渗透系数大小与岩石的性质（粒度成分、颗粒排列、充填情况、裂隙性质和发育程度等）和水的物理性质（粘滞性、容重等）有关。

一说是指液体在一昼夜（24小时）在固体里面流动的长度，一般用m/d。

渗透系数K能用来表示岩层的透水性，但它不能单独说明含水层的过水能力。

一个K值较大的含水层，如果厚度很小，它的过水能力也是有限的。

为此引出导水系数（T）。

又称水力传导系数（hydraulicconductivity）。

在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，表达式为：

κ=kρg/η，式中k为孔隙介质的渗透率，它只与固体骨架的性质有关，κ为渗透系数；

η为动力粘滞性系数；

ρ为流体密度；

g为重力加速度。

在各向异性介质中，渗透系数以量形式表示。

渗透系数愈大，岩石透水性愈强。

强透水的粗砂砾石层渗透系数〉10米/昼夜；

弱透水的亚砂土渗透系数为1～0.01米/昼夜；

不透水的粘土渗透系数<

0.001米/昼夜.据此可见土壤渗透系数决定于土壤质地。

达西（Dracy）渗透定律

地下水在土体孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失。

为了揭示水在土体中的渗透规律，法国工程师达西（H.darcy）经过大量的试验研究，1856年总结得出渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系即为达西定律。

图2-3达西渗透实验装置图

达西实验的装置如图2-3所示。

装置中的①是横截面积为A的直立圆筒，其上端开口，在圆筒侧壁装有两支相距为l的侧压管。

筒底以上一定距离处装一滤板②，滤板上填放颗粒均匀的砂土。

水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管③溢出，使筒的水位维持一个恒定值。

渗透过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以此来计算渗流量q。

设△t时间流入量杯的水体体积为△V,则渗流量为q=△V/△t。

同时读取断面1-1和段面2-2处的侧压管水头值h1，h2，Δh为两断面之间的水头损失。

达西分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△h成正比，与断面间距l成反比，即

（2-1）

或

（2-2）

式中i=△h/l，称为水力梯度，也称水力坡降；

k为渗透系数，其值等于水力梯度为1时水的渗透速度，cm/s。

式（2-1）和（2-2）所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。

3、导水系数（T）

导水系数也是一个重要的水文地质参数，即含水层的渗透系数与其厚度的乘积。

其理论意义为水力梯度为1时，通过含水层的单宽流量，常用单位是m2/d。

4、突水的等级标准

矿井水的概念：

凡是在矿井开拓、采掘过程中，渗入、滴入、淋入、流入、涌入和溃入井巷或工作面的任何水源，统称矿井水。

井下某一地点出水时，我们要进行现场调查，对出水的程度要进行描述，滴水、淋水，是对采掘工作面顶板来说的，渗水和流水多是对底板和煤（巷）帮来说的，出水量较大时一般称突水。

滴水：

出水以不连续且间隔时间较长的水滴方式进入工作面。

淋水：

出水以连续或不连续且间隔时间较短的水滴方式进入工作面。

涌水：

水从顶底板大面积进入工作面，或从某一通道流出，有时伴有压力。

溃水：

强调的是突发性，瞬间水量很大。

突水点突水量的等级标准：

（《矿井水文地质规程》附录二）

涌水量Q≤60m3/h，小突水点

涌水量Q：

60～600m3/h，中等突水点

60～1800m3/h，大突水点

涌水量Q≥1800m3/h，特大突水点

1.6覆岩三带（上三带）

1.6.1垮落带（冒落带）工作面回采后引起煤层直接顶板垮落，垮落的岩块堆积在一起。

如果垮落带高度达到上覆含水层，则往往引起顶板水的突入。

1.6.2裂缝带指冒落带以上大量出现的切层、离层和断裂或裂缝发育带。

靠近冒落带的岩层，断裂严重；

远离冒落带的岩层，断裂轻微，脆性薄层状砂岩会发生断裂。

该层不一定具备透砂能力，但一般具有较强的导水能力。

1.6.3弯曲带弯曲带指的是自裂缝带顶界到地表的整个岩系发生弯曲下沉的整体变形和沉降移动区。

该带的主要特点是岩层的整体变形和移动，而其断裂程度较弱，所以一般不具备导水能力。

从水文地质角度来看，可以把采后工作面顶板简单地划分为两带，即垮落断裂带（垮落带和断裂带之和，又称导水裂缝带）。

对矿井突水有意义主要是垮落断裂带，当顶板裂隙沟通工作面上覆含水层时，矿井突水则不可避免。

1.7“下三带”理论

1.7.1底板破坏带（Ⅰ）

采动对底板有破坏作用。

当工作面从开切眼开始回采之后，采面围岩应力将发生变化。

随着工作面的推进，煤层底板前方处于支承压力作用而压缩。

工作面推过后，应力释放，底板处于膨胀状态。

随着顶板的冒落，采空区冒落矸石的压实，工作面后方一定距离的底板恢复到原岩应力状态。

由于工作面是在不断推进的过程中，所以，底板处于压缩－膨胀－再压缩的状态。

而在压缩与膨胀变形的过渡区，底板最易发生破坏。

这个破坏的深度就是底板破坏带。

它的特点是岩层的连续性遭到破坏，完全失去了隔水能。

1.7.2原始导高带（Ⅲ）

具有一定压力的承压水沿着裂隙上升，冲刷结构面，使裂隙软化、蚀扩，水位逐渐上升超过含水层的顶界面，水位高于含水层顶界面的高度就是原始导升带。

1.7.3有效隔水层带（Ⅱ）

煤层底板至含水层顶板，除去采动底板破坏带和原始导升带，中间剩下的就是有效隔水层带（Ⅱ）。

Ⅱ、Ⅲ带虽有一定的阻水作用，但起主要保护作用的是Ⅱ带。

如果由于开采矿压破坏和水压的导升作用，造成Ⅱ带消失或变薄，或由于构造产生水力通道，或由于底板厚度很薄等，都会发生突水事故。

2矿区防治水现状

2.1前言

矿区位于省北部，面积1万Km2，以宿北断裂为界，分为南北两区，其中北区为濉肖区，南区又以南坪断层和丰涡断层为界分为东段的宿县区、中段的临涣区和西段的涡阳区。

矿区自1958年开发建设以来，目前已形成17对生产矿井，年产原煤近3000万吨的大型煤产地。

矿区地质构造复杂，煤层赋存不稳定，地压大，瓦斯大，岩浆岩侵蚀严重，煤系地层富水性强，开采条件恶劣。

矿区开采历史上水害事故多发，防治水工作难度较大。

2.2矿区地质概况

煤田基本为隐伏煤田，局部有震旦系、寒武系、奥系、石炭系和二叠系地层出露，其余均为新生界松散层覆盖，地面标高一般+20～+50m。

煤田处于华北板块东南缘的豫淮坳陷东部，以燕山运动后形成的断裂隆起或凹陷为主。

受多期构造运动影响，总体构造呈复杂型。

含煤地层为石炭、二叠系地层。

主采煤层为上石盒子组的3煤、下石盒子组的7、8煤（濉肖区为4、5煤）及组的10煤（濉肖区为6煤）。

2.3矿区水文地质概况

矿区有4个主要含水层，分别为第四系（第三系）孔隙含水层组、煤系砂岩裂隙含水层组、太灰岩溶含水层组及奥灰岩溶含水层组。

矿区断层较发育，部分断层导水性好，因此煤系地层含水层存在一定的水力联系。

濉肖区冲积层厚度小，底部粘土隔水层普遍发育，无“底含”，第四系松散层地下水对矿井开采无直接影响。

但太灰及奥灰岩溶水丰富，补给强度大，含水层可疏性差，对矿井安全威胁大。

朱庄、庄等矿多次发生灰岩突水事故。

宿县区、临涣区、涡阳区新生界松散层厚度大，三隔普遍发育，隔水性能好，地表水及新地层一、二、三含水对矿井安全影响不大。

“底含”分布不均，桃园、祁南等矿对浅部煤层开采有直接影响。

石灰岩岩溶水总体上不丰富，补给强度小，含水层可疏性好。

煤系地层砂岩裂隙水对煤矿安全影响相对较小，但临涣区的K3砂岩、濉肖区的5煤顶板砂岩也经常涌水影响生产。

2.4历史突水事故统计分析

矿区大部分矿井水文地质条件复杂，水害类型多样，历史上多次发生突水伤人事故。

矿区共发生大于30m3/h的水害180余次，其中砂岩裂隙水害86次，冲积层水害34次，灰岩水害22次，老塘水害21次，断层水害9次，其它水害8次。

在突水事故中，淹井2次，淹采煤工作面7次，突水伤人事故5次，死亡25人。

2.5集团公司近期几次大的突水事故简介

2.5.12005年1月25日朱庄煤矿Ⅲ622工作面发生底板灰岩突水，最大水量1420m3/h，造成工作面停产100天，直接经济损失7000多万元，总损失为1.2亿元。

2.5.2海孜煤矿2005年5月21日745工作面顶板离层水体溃出，最大涌水量3887m3/h，造成5人死亡。

查治水直接费用达800万元。

2.5.32008年9月2日，疃矿1028工作面推进100m时，风巷处老塘底板出水，至9月4日，涌水量增大并稳定在90m3/h左右。

出水水源确定为底板太灰水。

由于机巷多处低洼，水不能完全自流，因排水管路的能力限制，造成机巷低洼处运输设备被淹，不能运转，工作面停产10余天，损失巨大。

3防治水有关的规定

1、煤矿安全规程（2007年）

2、煤矿防治水工作条例（1986年）

3、矿井水文地质规程（1984年）

4、建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程（2000年）

5、矿业集团公司地测防治水工作技术管理规定（淮矿地测［2005］496号）

3.1防治水经验

3.1.1十六字原则

预测预报：

水害防治的基础。

要在查清矿井水文地质条件的基础上，对矿井生产区域的地质构造情况、水害类型等进行分析，提出预防水害的措施。

有疑必探，先探后掘：

水害防治的关键。

在预测预报工作的基础上，分析可能构成水害威胁的区域，采用钻探、物探、化探等综合技术手段查明水害隐患，研究预防水害的措施，提出水文地质分析报告。

先治后采：

水害防治的最终目标。

对排查出的水害隐患，必须先治理后开采。

3.1.2五项措施

合理留设各类防水煤柱，注浆封堵具有突水威胁的含水层，探放老空水和对承压含水层进行疏水降压，完善矿井排水系统，加强地表水的截流。

3.1.3二十字防治水工作程序

预测预报超前探查综合治理安全评估验收审批

集团公司在总结以往经验、吸取以往教训的基础上提出的二十字防治水工作程序，将防治水工作过程进行细化，进一步规了集团公司防治水工作流程。

3.1.4防治水安全保障体系

管理：

防治水不仅仅是技术问题，关键还是工程质量和措施的落实，注重过程监管。

从技术型向技术管理型转变，是防治水工作保障安全的一个很重要的方面。

投入：

没有足够的资金作保证，防治水工作无从谈起。

科研：

防治水工作的开展不能只靠经验，必须有理论作基础支撑。

培训：

除专业培训，还要开展全全员培训。

3.2防治水有关规定解读

3.2.1透水征兆

采掘工作面或其他地点发现有挂红、挂汗、空气变冷、出现雾气、水叫、顶板淋水加大、顶板来压、底板鼓起或产生裂隙出现渗水、水色发浑、有臭味等突水预兆时，必须停止作业，采取措施，立即报告矿调度室，发出警报，撤出所有受水威胁地点的人员。

－－《煤矿安全规程》第266条

“挂红”，是积水中含有铁的氧化物，煤壁出现暗红色的水锈，臭味是空气中含有硫化氢气体。

“挂汗”是采掘工作面接近积水区域，水在自身压力作用下，透过煤岩裂缝，在煤岩层表面聚成的水珠。

但有时空气中的水分遇到低温煤块也会凝结成水珠，这是一种假象，识别这种假象可以采取“剥皮”的方法，将挂汗发潮的煤面剥去一层，观察新煤面是否也挂汗，如仍有结汗、发潮现象，则是透水前兆。

空气变冷是工作面接近大量积水时的正常现象，人进去有凉爽感，时间越长，越感到阴凉。

雾气是当巷道温度很高，积水渗到煤壁后，引起蒸发而形成的。

遇到上述情况，必须立即停止掘进加固支架，进行探放水。

井下的高压水，向煤层裂缝强烈挤压与两壁摩擦会发出“嘶嘶”的声音，称作水叫。

井下出现水叫声，说明采掘工作面距积水区已很接近，这时必须立即发出警报，撤出所有受水威胁的人员。

若是煤巷掘进，透水即将发生。

顶板正常淋水不是透水征兆，但顶板淋水加大就要加以注意，说明巷道正在接近水体，要认真分析工作面附近的水源，威胁严重时要立即停头撤人，采取探放措施。

发生底板鼓起有两种原因，一种是底板受承压含水层静水压力和矿山压力共同作用的情况，这种情况属透水征兆；

另一种是受矿山压力单方面的作用而产生的，这种情况一般不突水。

因而，巷道发生底鼓时，一方面要派人监视底鼓的发展变化，另一方面报告矿调度室，值班负责人应立即通知有关人员到井下观察和查阅水文资料，如证实是由水造成的，应迅速采取处理措施。

透水前必定有征兆，这是从每次事故教训中得出的一条正确结论。

如果能掌握这一规律，发现透水征兆，立即停止作业，采取措施，很多透水淹井事故和人身伤亡是可以避免的。

上述征兆，并不是每个工作面透水前都一定要全部出现，有时可能出现一两个，一旦发生透水征兆，必须停止作业，采取措施，并报告矿调度室。

如果情况危急，必须立即发出警报，撤出所有受水威胁地点的人员。

3.2.2关于避灾路线

……特别危险的地区，应有躲避场所，并规定避灾路线。

－《煤矿安全规程》第289条

有突水威胁的矿井，要按《煤矿安全规程》的规定设置安全出口，并规定避灾路线、设置路标，一旦突水，能够安全撤离。

－《矿业集团公司地测防治水工作技术管理规定》（淮矿地测［2005］496号）第84条

检查安全退路。

避灾路线不准有杂物，要时刻保持畅通无阻。

－－对探放老塘水的要求

工作面回采期间要确保避水路线畅通无阻，避灾线路标志醒目清楚。

－－集团公司对受水害威胁严重工作面的要求

必须向受水威胁地区的施工人员贯彻、交待报警信号和避灾路线。

－－《井下探放水技术规》（MT/T632－1996）11.5

所有的作业规程都要求在图文上明确地规定了避水路线。

避灾路线要贯彻到每位作业人员，并要实地演练。

3.2.3关于老空水探放

3.2.3.1《煤矿安全规程》

探放老空水前，首先要分析查明老空水体的空间位置、积水量和水压。

老空积水区高于探放水点位置时，只准打钻孔探放水；

探放水时，必须撤出探放水点以下部位受水害威胁区域的所有人员。

探放水孔必须打中老空水体，并要监视放水全过程，核对放水量，直到老空水放完为止。

钻孔接近老空，预计可能有瓦斯或其他有害气体涌出时，必须有瓦斯检查工或矿山救护队员在现场值班，检查空气成分。

如果瓦斯或其他有害气体浓度超过本规程规定时，必须立即停止钻进，切断电源，撤出人员，并报告矿调度室，及时处理。

－－《煤矿安全规程》第292条

3.2.3.2《煤矿防治水工作条例》

第18条一、探老空水，探水钻孔应成组布设，并在平面图上呈扇形。

钻孔终孔位置以满足平距3m为准，厚煤层各孔终孔的垂距不得超过1.5m；

第20条探放小窑老空积水和本矿老空积水的超前钻孔