我国煤矿防治水概述.docx

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我国煤矿防治水概述

我国煤矿防治水概述

我国煤矿床水文地质条件复杂，主要煤产地的华北石炭二叠纪煤田和南方晚二叠世煤田，属于喀斯特水文地质类型煤田，黄淮平原的煤田则受到第四系冲洪积层水的危害。

目前，在原统配煤矿中，约有18%待开采的煤炭储量受到较为严重的水害威胁。

1950年以后，我国煤矿曾发生过数百次突水事故，其中开滦范各庄矿于1984年6月2日发生突水量为2053m3/min的特大突水事故，造成经济损失5亿元以上。

由此可见，煤矿水害已成为影响煤矿安全生产的重大关键问题之一，对其进行防治工作研究具有十分重要的现实意义和长远的战略意义。

一我国煤矿水害分布

（一）水害区的划分

根据我国聚煤区的不同地质、水文地质特征，并考虑到矿井水对生产的危害程度，可将我国煤矿划分为6个矿井水害区（1、华北石炭二叠纪煤田的岩溶—裂隙水水害区；2、华南晚二叠世煤田的岩溶水水害区；3、东北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；4、西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；5、西藏—滇西中生代煤田的裂隙水水害区；6、台湾第三纪煤田的裂隙—孔隙水水害区）

（二）各水害区的概况

从表1-1-1中可看出，我国矿井水害主要分布在华北和华南两大区。

其矿井水文地质条件极为复杂，水害十分严重。

例如华北石炭二叠纪煤田的煤系基底中奥陶统岩溶-裂隙水水害；黄淮平原新生界松散层水的水害；华南晚二叠世煤田的煤系顶底板灰岩岩溶水水害。

而东北侏罗纪煤田虽然存在着裂隙水及第四系松散层水的危害，但不严重；西北侏罗纪煤田处于干旱、半干旱气候区，区内严重缺水，存在着供水问题；西藏-滇西及台湾的中、新生代煤田的水文地质条件比较简单，水害问题也不严重。

表1-1-1我国煤矿水害区的概况

水害分区

气候大区

年降水量及其覆盖面积的百分数

矿井水对生产危害程度

附注

编号

名称

1

华北石炭二叠系岩溶-裂隙水害区

亚湿润—亚干旱气候区600~1000mm约占70%

200~600mm约占20%

出水、突水较频繁，涌水量大或特大（1000~123180m3/h）。

常常影响生产或淹井，或负担巨大排水费用，采煤和矿井安全都受到严重威胁，区内中深部下组煤有几百亿吨不能开采

煤田为分布范围大、可采煤层多、储量大、煤种齐全的焦煤和主焦煤重要产地，对国民经济影响重大

2

华南晚二叠统岩溶水水害区

湿润气候区

1200~2000mm约占95%以上

出水、突水很频繁，经常影响生产或淹井，突水量大（2700~27000m3/h），矿井正常涌水量亦大（3000~8000m3/h）。

负担巨额排水电费（400~1500万元/a）；地面塌陷严重，井下黄泥突出堵塞井巷。

矿井安全受到严重威胁雨季更危险

由于地面塌陷，每年矿区付出上百万元赔偿费。

由于主巷布设在强含水层内，故突水、出水频繁，主要为底板茅口灰岩水，江西是顶板长兴灰岩水

3

东北侏罗系裂隙水水害区

湿润-亚湿润气候区

400~600mm约占60%

600~800mm占25%

一般不影响生产，部分矿区受地表水和第四系松散层水的危害较重，有时造成淹井事故

局部为亚干旱区（15%）

4

西北侏罗系裂隙水水害区

干旱气候区

25~75mm占80%

75~100mm占80%

100~400mm占20%

本区严重缺水，存在供水问题，仅少部分地区有地表水和老空水，造成的煤矿水害

局部为亚干旱区

5

西藏-滇西中生界裂隙水水害区

湿润-亚湿润气候区

300~600mm约占55%

800~1000mm约占35%

1000~2000mm约占10%

西藏-滇西和台湾中、新生代煤田煤炭储量仅占全国储量0.1%，水文地质条件比较简单，水害也不严重

一小部分为亚干旱区

6

台湾第三系裂隙-孔隙水水害区

湿润气候区

1800~4000mm约占95%以上

另外第四系水（孔隙水）、地表水体所造成的水害，不同程度地存在于各大类型区内。

其中仅黄淮平原煤田（属华北水害类型区）第四系水造成的水害较为严重，在煤田开发过程中，流沙溃入并淹没矿井的事故很多。

例如1963年7月徐州新河煤矿502工作面突然溃入冲积层水、流沙和黄泥，淤塞巷道1200m，停产58d。

老空水（古井、小窑…）水害，常常造成局部停产或淹井事故，并常有人身伤亡。

这种水害几乎所有矿区都存在，危害程度与其所在水害类型区相关。

二矿井水害的名词与类型

（一）矿井水害名词

（1）矿井水凡是在矿井开拓、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水，统称为矿井水。

（2）矿井突水（简称突水）凡因井巷、工作面与含水层、被淹巷道、地表水体或含水的裂隙带、溶洞、洞穴、陷落柱、顶板冒落带、构造破碎带等接近或沟通而突然产生的出水事故，称为矿井突水。

（3）矿井水害凡影响生产、威胁采掘工作面或矿井安全的、增加吨煤成本和使矿井局部或全部被淹没的矿井水，都称为矿井水害。

（二）矿井水害类型

造成矿井水害的水源有大气降水、地表水、地下水和老空水。

其中地下水按其储水空隙特征又分为孔隙水、裂隙水和岩溶水等。

现根据水源分类，把我国矿井水害分成若干类型（见表1-1-2），作为防治矿井水害时的参考。

表1-1-2矿井水害类型*

类别

水源

水源进入矿井的途径或方式

发生过突水、淹井的典型矿区

地表水水害

大气降水、地表水体（江、河湖泊、水库、沟渠、坑塘、池沼、泉水和泥石流）

井口、采空冒裂带、岩溶地面塌陷坑或洞、断层带及煤层顶底板或封孔不良的旧钻孔充水或导水

水城汪家寨矿、内蒙古平庄古山矿、辽源梅河一井等

老空水水害

古井、小窑、废巷及采空区积水

采掘工作面接近或沟通时，老空水进入巷道或工作面

山西陵川县关岭山煤矿、徐州旗山矿、峰峰四矿等矿区都发生过老空水的水害

孔隙水水害

第三系，第四系松散含水层孔隙水、流沙水或泥沙等，有时为地表水补给

采空冒裂带、地面塌陷坑、断层带及煤层顶、底板含水层裂隙及封孔不良的旧钻孔导水

吉林舒兰煤矿、淮南孔集矿、徐州新河煤矿

裂隙水水害

砂岩、砾岩等裂隙含水层的水，常常受到地表水或其他含水层水的补给

采后冒裂带、断层带、采掘巷道揭露顶板或底板砂岩水，或封孔不良的老钻孔导水

徐州大黄山煤矿、韩桥煤矿，开滦范各庄矿等煤矿区都有裂隙水水害

岩溶水水害

薄层灰岩水水害

主要为华北石炭二叠纪煤田的太原群薄层灰岩岩溶水（山东省一带为徐家庄灰岩水），并往往得到中奥陶系灰岩水补给

采后冒裂带、断层带及陷落柱，封孔不良的老钻孔，或采掘工作面直接揭露薄层灰岩岩溶裂隙带突水

徐州青山泉二号井，淮南谢一矿，肥城大封煤矿，杨庄矿（徐灰），新蜜芦沟矿

厚层灰岩水水害

煤层间接顶板厚层灰岩含水层，并往往受地表水补给

采后冒裂带、采掘工作面直接揭露或地面岩溶塌陷坑

江西丰城云庄矿

煤系或煤层的底板厚层灰岩水（在我国煤矿区主要是华北的中奥陶系厚层（500~600m）灰岩水和南方晚二叠统阳新灰岩水），对煤矿开采威胁最大，也最严重

采后底臌裂隙、断层带、构造破碎带、陷落柱或封孔不佳的老钻孔和地面岩溶塌陷坑吸收地表水

峰峰一矿，焦作演马庄矿、冯营矿、中马村矿、淄博北大井均为断层导水淹井；开滦范各庄矿，安阳铜冶矿为中奥灰水通过陷落柱、探孔进入矿井

注：

①表中矿井水害类型系指按某一种水源或某一种水源为主命名的。

然而，多数矿井水害往往是由2~3种水源造成的。

单一水源的矿井水害很少。

②顶板水或底板水，只反映含水层水与开采煤层所处的相对位置，与水源丰富与否、水害大小无关。

同一含水层水，既可以是上覆煤层的底板水，又同时是下伏煤层的顶板水。

例如，峰峰矿区的大青灰岩水，既是小青煤层的底板水，又是大青煤层的顶板水。

因此，不按此分类。

③断层、旧钻孔、陷落柱等都可能成为地表水或地下水进入矿井的通道（水路），它们可以含水或导水，但是以它们命名的水害，既不能反映水源的丰富程度，又不能表明对矿井安全危害和威胁的严重性。

因为由它们导水造成的矿井水害有大有小，有的造成不了水害。

其危害或威胁程度，决定于通过它们的水的来源丰富与否。

三煤矿防治水害的现状与方法

（一）煤矿防治水害的现状

1．国内现状

在突水机理的研究上，曾先后提出了“突水系数”、“等效隔水层”和底板隔水层中存在“原始导高”等概念。

经过多年的试验、观测与研究，认为底板突水机理是“含水层富水性、隔水层厚度及其存在的天然裂隙与水压、矿压等因素的综合作用结果。

”对突水分析采用了统计学方法，力学平衡、能量平衡方法。

同时，开始应用井下物探技术，如坑道透视法、井下电法、氡气测定法等来探测充水水源和充水通道。

并在研究、验证预测突水量的数学模型方面有较大进展。

疏干降压是我国矿井防治水害的主要技术措施。

国内除普遍的采用经常性疏干排水外，先后还进行了峰峰矿区和淄博矿区的薄层灰岩水的疏干和降压及邯郸矿区的疏干工作程序和疏干勘探方法。

80年代初，在淮南矿区还总体研究了太原群灰岩水的疏干问题。

堵水截流是我国矿井防治水害的重要方法。

在静水与动水条件下注浆封堵突水点、矿区外围注浆帷幕截流等都有比较成熟的方法和经验。

焦作、峰峰、煤炭坝等矿区都进行过这类工作，近年来又成功的封堵了开滦范各庄矿特大型突水。

从60年代起在徐州、枣庄、新汶等煤矿和张马屯铁矿、水口山铅锌矿等不同水文地质条件下的灰岩地层中成功地建造了大型堵水截流帷幕，取得了良好的堵水效果。

近年来，峰峰四矿对煤层底板注浆截断岩溶水垂向补给通道，取得了明显的效果，提供了一种可借鉴的截流方法。

2．国外现状

目前，国外主要采用主动防护法，即采用地面垂直钻孔，用潜水泵专门疏干含水层。

为了适应预先疏干方法，国外生产了高扬程（达1000m）、大排水量（达5000m3/h）、大功率（2000kW）的潜水泵，其疏干工程已逐渐采用电脑自动控制。

国外堵水截流方法也有很大发展，建造地下帷幕方法愈来愈受到重视，苏联认为帷幕是今后疏干研究工作的方向之一。

目前有些国家利用挖沟机在松散层中修建帷幕；开挖、护壁、清渣流水作业，是当前国外先进的堵水截流技术。

但是，现在国外还没有在岩溶地层中建造大型帷幕的实例。

为充分利用隔水层厚度，减少排水量，国外正在对隔水层的隔水机理、突水量与构造裂隙的关系、高水压作业下的突水机理以及隔水层稳定性与临界水力阻力的综合作用等进行研究。

目前预测方法有统计学方法、突变论方法和现场试验，如水力压裂法等。

物探方法也有一定的发展。

如德、英、美等国研究槽波地震法探测落差大于煤厚的断层，以及采用井下数字地震仪探测岩层中的应力分布；苏联从超前孔中用无线电波法研究岩溶发育带预防突水。

（二）煤矿防治水害方法

如前所述，我国在矿井水害防治方面，已有了比较成熟的技术和措施，如疏干降压、注浆堵水、突水预测和探放水等（见表1-1-3）。

表1-1-3煤矿防治水害方法简介

防治水方法

应用矿区

分类

主要内容

地表水防治

1．  在河流（含冲沟、小溪渠道）的漏水、渗水段铺底，修人工河床、渡槽或河流部分地段改道等

2．  在矿区外围修筑防洪泄水渠道，在采空区外围挖沟排（截）洪

3．  填堵渠道（指对岩溶地面塌陷及采空区塌陷的处理）

4．  建闸设站，排除塌陷区积水或防止河水倒灌

湖南恩口矿、南桐红岩矿、徐州贾汪矿区

井下防水设施

1．  留设防水煤（岩）柱

2．  设置防水闸门及防水闸墙

3．  设排水泵房、水仓、排水管路及排水沟等排水系统

峰峰各矿、邯郸各矿及其他大水矿区

井下探放水

1．  探放老空水

2．  探放断层水

3．  探放陷落柱水

4．  探放旧钻孔水

5．  探放含水层水

峰峰、井陉、邯郸、淄博和肥城等矿区

疏干

1．   地表疏干从地面施工垂直钻孔，安装潜水泵，抽排含水层水

2．   地下疏干

（1） 专门疏干矿井、巷道和放水孔

（2） 疏干巷道（运输巷道疏干含水层、疏水石门、疏水平硐）

（3） 疏水钻孔（井下放水孔疏干、井下吸水孔疏干）

3．   联合疏干

（1）地表疏干与地下疏干同时进行

（2）多井同时疏干同一含水层

广东石碌铜矿

匈牙利

湖南煤炭坝矿、恩口矿等徐州夏桥矿南桐红岩矿

新汶张庄矿潞安五阳矿

苏联北乌拉尔铝土矿

湖南煤炭坝矿

突水预测

1．   易于突水的构造部位或地段的预测

2．   采掘前突水预测

3．   采掘过程中突水预测

4．   突水量预测

焦作矿区、淄博矿区井陉矿区、邯郸王凤矿

陕西韩城矿区、井陉矿区

地表水体下采煤安全措施

1．   地表水体下留设安全煤（岩）柱（含断层煤柱）

2．   选择控制采高的采煤方法，加强顶板管理

3．   保持足够的排水能力，即设计的最大排水能力

4．   建立井上、下水文动态观测网、避灾路线、报警系统等

5．   必要时探水掘进

淮南孔集矿等

乐平钟家山矿

开滦唐山矿

淮南孔集矿等

井陉矿区

注浆堵水

1．   注浆堵水的一般施工

2．   封堵突水口（点）的注浆

1）   封堵突水巷道的注浆

2）   封堵突水断裂带的注浆

3）   封堵岩溶陷落柱的注浆

4）   巷道布设在厚层灰岩的突水口的注浆

3．   封堵天然隐伏垂向补给通道的注浆

4．   堵水截流帷幕的注浆

开滦范各庄矿与吕家坨矿的边界巷道动水注浆工程新汶协庄矿；肥城大封矿开滦赵各庄矿开滦范各庄矿安阳铜冶矿

涟邵斗笠山矿、湖南恩口矿峰峰四矿徐州青山泉矿、枣庄郭东井

酸性水防治

1．   减少酸性水发生的根源

1）   检选、利用造酸矿物

2）   减少地表水渗入量

3）   减少大气降水沿煤层露头带渗入量

2．   减少排水量

3．   减少排酸性水的时间

4．   提高设备的耐酸性能

5．   中和酸性水

淄博矿务局

丰城矿务局

江苏潭山硫铁矿

井下探放水

一概述

（一）探水的目的

探水系指采矿过程中用超前勘探方法，查明采掘工作面顶底板、侧帮和前方的含水构造（包括陷落柱）、含水层、积水老窑等水体的具体位置、产状等，其目的是为有效的防治矿井水害做好必要的准备。

（二）探水的原则

采掘工作必须执行“有疑必探，先探后掘”的原则，因而遇到下列情况之一时，必须探水。

（1）接近水淹的井巷、老空、老窑或小窑时。

（2）接近含水层、导水断层、含水裂隙密集带、溶洞和陷落柱时，或通过它们之前。

（3）打开隔离煤柱放水前。

（4）接近可能与河流、湖泊、水库、蓄水池、水井等相通的断层破碎带或裂隙发育带时。

（5）接近可能涌（突）水的钻孔时。

（6）接近有水或稀泥的灌浆区时。

（7）采动影响范围内有承压含水层或含水构造，或煤层与含水层间的隔水岩柱厚度不清，可能突水时。

（8）接近矿井水文地质条件复杂的地段，采掘工作有涌（突）水预兆或情况不明时。

（9）采掘工程接近其它可能涌（突）水地段时。

二探放老空水

小煤窑或矿井采掘的废巷老空积水，其几何形状极不规则，积水量大者可达数百万立方米，一旦采掘工作面接近或揭露它们时，常常造成突水淹井及人身伤亡事故，故必须预先进行探放老空水。

（一）探放水工程设计内容

（1）探放水巷道推进的工作面和周围的水文地质条件，如老空积水范围、积水量、确切的水头高度（水压）、正常涌水量，老空与上、下采空区、相邻积水区、地表河流、建筑物及断层构造的关系等，以及积水区与其它含水层的水力联系程度。

（2）探放水巷道的开拓方向、施工次序、规格和支护形式。

（3）探放水钻孔组数、个数、方向、角度、深度和施工技术要求及采用的超前距与帮距。

（4）探放水施工与掘进工作的安全规定。

（5）受水威胁地区信号联系和避灾路线的确定。

（6）通风措施和瓦斯检查制度。

（7）防排水设施，如水闸门、水闸墙等的设计以及水仓、水泵、管路和水沟等排水系统及能力的具体安排。

（8）水情及避灾联系汇报制度和灾害处理措施。

（9）附老空位置及积水区与现采区的关系图、探放水孔布置的平面图和剖面图等。

（二）探放老空水的原则

探放老空水除了要遵循上述的探放水原则外，还应遵循下述探放老空水的具体原则。

（1）积极探放。

当老空区不在河沟或重要建筑物下面、排放老空区内积水不会过分加重矿井排水负担、且积水区之下又有大量的煤炭资源急待开采时，这部分积水应千方百计地放出来，以彻底解除水患。

（2）先隔离后探放。

与地表水有密切水力联系且雨季可能接受大量补充的老空水；老空的积水量较大，水质不好（酸性大），为避免负担长期排水费用，对这种积水区应先设法隔断或减少其补给水量，然后再进行探水，若隔断水源有困难无法进行有效的探放，则应留设煤岩柱与生产区隔开，待到矿井生产后期再进行处理。

（3）先降压后探放。

对水量大、水压高的积水区，应先从顶、底板岩层打穿层放水孔，把水压降下来，然后再沿煤层打探水钻孔。

（4）先堵后探放。

当老空区为强含水层水或其它大小水源水所淹没，出水点有很大的补给量时，一般应先封堵出水点，而后再探放水。

三探放断层水

（一）探放断层水的原则

凡遇下列情况必须探水：

（1）采掘工作面前方或附近有含（导）水断层存在，但具体位置不清或控制不够严密时。

（2）采掘工作面前方或附近预测有断层存在，但其位置和含（导）水性不清，可能突水时。

（3）采掘工作面底板隔水层厚度与实际承受的水压都处于临界状态（即等于安全隔水层厚度和安全水压的临界值），在掘进工作面前方和采面影响范围内，是否有断层情况不清，一旦遭遇很可能发生突水时。

（4）断层已为巷道揭露或穿过，暂时没有出水迹象，但由于隔水层厚度和实际水压已接近临界状态，在采动影响下，有可能引起突水，需要探明其深部是否已和强含水层连通，或有底板水的导升高度时。

（5）井巷工程接近或计划穿过的断层浅部不含（导）水，但在深部有可能突水时。

（6）根据井巷工程和自设断层防水煤柱等的特殊要求，必须探明断层时。

（7）采掘工作面距已知含水断层60m时。

（8）采掘工作面接近推断含水断层100m时。

（9）采区内小断层使煤层与强含水层的距离缩短时。

（10）采区内构造不明，含水层水压又大于2～3MPa时。

四探放陷落柱水

煤层底板为厚层石灰岩的华北型煤日，由于导水陷落柱的存在，使某些处于上覆地层本来没有贯穿煤系基底强含水层的中、小型断层或一些张裂隙，成为水源充沛、强富水的突水薄弱带，一旦被揭穿，将引起突水。

若导水陷落柱直接突水，其后果就更严重。

例如1984年开滦范各庄矿2171工作面陷落柱突水的最大涌水量达2053m3／min，使该大型矿井在21h内被全部淹没，成为世界采煤史上最大的一次突水。

有的陷落柱不导水，有的导水。

五导水钻孔的探查与处理

矿区在勘探阶段施工的各类钻孔，往往能贯穿若干含水层，有的还可能穿透多层老空积水区甚至含水断层等。

若封孔或止水效果不好，人为沟通了本来没有水力联系的含水层或水体，使煤层开采的充水条件复杂化。

山东肥城矿区的原“中一井”，因地质勘探阶段的钻孔封孔质量不好，将中奥灰水导入煤系薄层灰岩，致使开采上组煤时矿井涌水量很大，且长期达不到疏水降压的目的，矿井一直无法投产，被迫改为“水文地质试验井”，补做了10余年的水文地质补充勘探工作，将有怀疑的钻孔一一作了启封，最终才解决了这一人为造成的水文地质问题。

淄博夏庄煤矿附近的一个矿，穿越煤系地层打奥灰供水孔时，因套管止水质量不好，岩溶承压水沿钻孔上升后，使该矿七层煤残留煤柱遭到破坏，矿井突然增加12m3／min的涌水量，该矿几乎被淹。

有的矿的施工地质孔将上层煤的老空积水大量导入正在生产的下层煤采区，也曾造成严重的水害。

因此，必须采取有效的措施防止产生导水钻孔，封闭确已存在或有怀疑的导水钻孔。

六探放含水层水

由于基岩裂隙水的埋藏、分布和水动力条件等都具有明显的不均匀性，煤层顶、底板砂岩水、岩溶水等在某些（或某一）地段对采掘工作面没有任何影响，而在另一些地段却带来不同程度的危害。

为确保矿井安全生产，必须探清含水层的水量、水压和水源等，才能予以治理。

防治煤层顶、底板含水层的水害，既要从整体上查明水文地质条件，采取疏干降压或截源堵水等防治措施，又要重视井下采区的探查。

井下探查往往是疏干降压或截源、堵水等措施的先行步骤和重要依据。

如无水或补给量很小，通过探查孔放水即能达到降压或疏干的目的；若补给水源丰富，水量大，需要通过井下“大流量、深降深”的放水试验和物、化探方法的配合，查明条件后才能采取相应的防治方法。

因此，井下探放含水层水是矿井防治水的基本工作内容之一。