第三章 矿井充水条件分析.docx

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第三章矿井充水条件分析

第三章矿井充水条件分析

矿井充水条件是指矿井充水源、矿井充水通道和矿井充水强度。

矿井充水水源和矿井充水通道时矿井充〔突〕水的根源，矿井充水强度是矿井充〔突〕水的结果。

不同矿井充水水源和充水通道的结合构成了矿井充水强度，或者说矿井水文地质复杂程度。

第一节矿井充水水源

矿井充水水源主要包括大气降水水源、地表水水源、地下水水源和老空水水源。

其中地下水水源又分为孔隙含水层水源、裂隙含水层水源和岩溶含水层水源〔薄层灰岩含水层水源和厚层灰岩含水层水源〕。

据统计地下水水害占到水害事故的60％，老空水水害占到30％，所以地下水和老空水是矿井防治水的重点对象。

一地下水对矿井充水影响

1、直接充水含水层和间接充水含水层

为了区分个含水层对矿井充水性质和强度的影响差异，明确勘探工作和防治水工作的重点，将含水层分为直接充水含水层和间接充水含水层，见表3-1。

表3-1直接充水含水层和间接充水含水层

含水层分类

定义

直接充水含水层

可以通过井巷或者露天矿坑的揭露、煤层回采后的冒落带以及底鼓充水途径，向矿井直接充水的含水层

间接充水含水层

与直接充水含水层有水力联系，但只能通过直接充水含水层向矿井充水的含水层

2、各类含水层对矿井充水的影响

不同类型的含水层作为矿井充水水源引发的矿井水害与其含水空间的发育特征和补给条件有关，又与不同类型含水层和开采煤层的空间相对位置有关，即煤层与含水层的赋存条件。

各类含水层对矿井水害的影响见表3-2

表3-2各类含水层对矿井充水的影响

含水层类型

赋存条件

对矿井充水的影响

孔隙含水层

1、煤层赋存与疏松孔隙岩层中

2、煤层赋存与坚硬岩层上部，被厚松散层覆盖

受采掘破坏的含水层为孔隙含水层，对矿井充水的影响取决于含水层的富水性及其与其他水源的水力联系，井筒揭露孔隙含水层直接充水，少数情况下因水位下降还会引起井壁破裂，第四纪底部为富水性强的含水层时，对浅部煤层平安开采有威胁

裂隙含水层

1、煤系地层中的砂页岩裂隙含水层组是井巷最经常揭露的裂隙含水层，因含水空间发育不好，富水性弱至中等，很少到达富水性强的程度

2、厚层的砂岩、砂砾岩含水层有时富水性较强，但一般距开采煤层较远，很少构成直接充水含水层

井巷揭露时有水，在无其他水源补给时，水量一般不大，且衰减快，可疏干，回采时顶板冒落而导致矿井充水，水量一般不大，含水较丰富的裂隙含水层多数是通过采动后的导水裂隙带和集中导水通道进入矿井

岩溶含水层

薄层灰岩含水层

主要是华北石炭二叠系煤田中、上石炭薄层灰岩含水层，既可能赋存于开采煤层的顶板，也可能赋存于开采煤层的底板

除井巷直接揭露外，采动裂隙、断层等集中导水通道都可能将其导入矿井

这类含水层当其岩溶裂隙发育、厚度较大时，常富水性较强

当其和其他水源无联系时，防治难度相对较小，当其与其他水源有联系时，常形成重大水害，防治难度较大

厚层灰岩含水层

以华南晚二叠系煤层为主，龙潭煤系顶板为长兴灰岩，底板为矛口灰岩，这些厚层灰岩不仅岩溶发育，而且与煤层之间无隔水层或隔水层较薄

掘进和回采时均受到岩溶水的威胁，充水时往往来时凶猛，并伴有突泥突砂现象，有时涌水通道与地表岩溶塌陷一样，使河水倒灌，有些通过地下暗河的落水洞进入矿井，水量受季节降水量大小影响

华北型煤矿的基底是寒武系或者奥陶系灰岩，由于出露面积大、分布广、厚度大、补给好、富水强、距下组煤相对较近、水压高，除通过集中导水通道直接突水入矿井外，还是下组煤底板下直接充水含水层最重要的补给水源，一般被视为华北地区重特大水害的元凶

奥陶系灰岩距下组煤尚有一段距离，多数情况下不是矿井充水的直接充水含水层，它既可以通过补给直接充水含水层向矿井充水，也可以通过断层、陷落柱、导水钻孔等集中导水通道向矿井充水

二地表水对矿井充水的影响

地表水是指江、河、湖、海、池塘、水库中的水。

地表水对矿井充水的影响见表3-3。

表3-3地表水对矿井充水的影响

类型

充水途径

对生产矿井的影响

江、河、湖、海、池塘、水库等

1、洪水冲毁井口围堤直接灌入；

2、通过地表水体下松散岩层、基岩含水层露头再渗人井巷；

3、通过采后顶板冒落带贯穿、地表塌陷裂缝渗人；

4、通过构造破碎带、老窑直接溃入

1、充水程度决定于井巷距离地表水体的远近以及地表水体下岩层岩性、厚度和构造情况；

2、地表水作为充水水源经常构成定水头的供水边界，因此动水量稳定，不易疏干；

3、贯穿岩溶断裂带时，往往造成严重的淹井事故

三大气降水对矿井充水的影响

除了露天煤矿大气降水与矿坑充水有直接联系外，井下开采的煤矿，大气降水多事矿井充水的间接水源，通过入渗补给充水含水层进入矿井。

大气降水对矿井充水的影响见下表3-4.

表3-4大气降水对矿井充水的影响

充水方式

充水途径

对矿井充水影响

大气降水的渗人

1、通过井巷上部表层渗人

2、通过采空区对应地表的裂隙水渗人

3、通过直接或间接充水含水层露头区的孔隙、裂隙或岩溶渗人

1、涌水量有明显的季节变化

2、涌水量“峰值〞滞后于降水量“峰值〞，滞后的时间长短取决于井巷深度和地表与井巷间岩层的渗透能力，一般在其他条件一样时井巷越深，滞后时间越长；

3、高寒地区受大气降水影响出现两个峰值，一在雨季，一在春节融雪季节

大气降水很少造成矿井灾难性水害，但暴雨径流常沿位置较低的井口〔包括废弃井口〕、采空塌陷区和岩溶塌陷坑等灌入井下，形成灾难性水害。

这种水害很难与地表水害严格区分。

四、老窑积水对矿井充水的影响

老窑积水包括古代老窑积水、近代地方小窑积水、地方煤矿和国有大矿的采空区积水。

当采掘工作面揭露或接近了这些采空积水区后就会造成矿井充水，甚至会引发不同程度的水害。

老窑积水对矿井充水的影响见下表3-5

表3-5老窑积水对矿井充水的影响

类型

积水特征

对生产矿井的影响

古代老窑积水和近代小窑积水

1、因受技术条件和设备能力的限制，开采深度有限，主要分布于矿井浅部且采空范围和积水量均不大；

2、因年代长远或无具体测量资料，采空位置，范围、积水量一般不清；

3、因开采规模有限，积水量一般不大，主要水源为煤系含水层水，以静储量为主，少数有其他水源补给；

4、对国有大矿浅部开采影响较大，随矿井开采转入深部和小煤窑关停并转影响较少

1、多为突然发生，发生时瞬时水量大，具强大破坏力，在水量大，水压高，工作面位置低时常造成伤亡事故，是煤矿水害中造成伤亡事故最多的水害

2、采空积水引发的水害因其静水量为主，一般水害发生后，水量衰减快，水压亦随之快速下降，不会造成特大淹井事故，但伤亡事故居高不下，是煤矿防治水的重中之重。

3、老空积水呈酸性，对排水设备和矿山机械具有腐蚀性

4、水害发生的同时还伴有H2S和CH4溢出伤人

乡镇地方煤矿和局部国有大矿采空区积水

1、整顿后的乡镇煤矿和局部地方煤矿多开采国有大矿周边煤炭资源，有时采深较大

2、现代煤矿企业采空位置，范围积水量应该是比较清楚，但实际上仍然有些清楚有些不清楚，清楚与否取决于是否有准确图纸和是否坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采；

3、积水以静储量为主，但与其他采空区想通或其他水源补给时，水量也可能很大

第二节矿井充水通道

矿井充水通道和充水含水层一样可分为直接充水通道和间接充水通道，由于井巷的进水方式不同，同样性质的充水通道所起的作用也不一样。

不同形式充水通道对矿井充水的影响见表3-6.

表3-6不同形式充水通道对矿井充水的影响

集中导水通道类型

形成条件

对矿井充水的影响

巷道掘进形成的充水通道

1、巷道所陷落岩层的空隙〔包括孔隙、裂隙和岩溶〕

2、巷道松动圈范围内沟通水源的通道，一般也已裂隙、孔隙为主

3、对于岩煤层掘进的巷道，主要在直接顶底板岩层内；对于穿层巷道可能会影响多个岩层，包括富水性强的含水层

1、除巷道揭露岩层为厚度较大、岩溶相对发育的断层灰岩外，一般水量较小不致发生灾害性充水。

2、凡厚度较大，岩溶发育的断层灰岩被揭露是会发生突水，但只要与原层灰岩含水层或地表水没有水力联系，不致发生重大水害，治理难度也相对较小。

如有联系，那么可能发生重大水害，治理难度较大

回采采场引起的顶板冒落带和底板破坏带

1、煤层采动后，由于回采冒落和底板破坏影响到较多的岩层，冒落带的岩层和底板破坏带内的岩层都会影响矿井充水，这时矿井充水通道主要是顶板冒落带和底板破坏带。

2、有一点值得注意的是迄今为止真正由于水压和隔水层对应而发生的底板裂隙充水的实例很少，都在很大程度上与构造破坏有关

1、回采工作面充水与煤层顶底板岩层的性质〔主要是富水性〕及其组合关系很大，如顶底板岩层为砂页岩互层时，一般水量不大，冒落后会涌水，但水量一般不大，且随时间衰减，有富水性较弱岩层时水量可能会较大，但不致构成较大水害

2、回采工作面出大水的关键是顶板冒落带〔导水裂隙带〕或底板破坏带是否会破坏到强含水层，或通过集中导水通道与强含水层或地表水体发生水力联系

集中导水通道〔导水陷落柱、导水断层、导水钻孔〕

1、是导致煤矿重大水害的最重要充水通道，煤矿历史上发生过的重特大水害无一不与其有关

2、集中导水通道除导水钻孔是人为因素形成的，多数是地质历史的产物，在多数情况下矿压的破坏不起主要作用，只是有自然条件已处于充水的临界状态时，矿压破坏起诱导作用，所以不宜过分强调矿压的作用，必须具体问题具体分析，如果含水层或水体距开采煤层很远，矿压冒落高度或底板破坏深度都是无法到达的

3、只要集中导水通道沟通了工作面与强含水层〔或其他水体〕都可能发生重特大充水，这就是为什么开采XX组煤层和石盒子组煤层也会发生奥灰充水的原因

1、集中导水通道是采掘工作面直接导通强含水层如奥灰、寒武、地表水体和断层灰岩中厚度较大，岩溶发育，单位涌水量已超过1L/s.m等，一旦沟通将构成较重大水害

2、集中导水通道充水即决定于通道本身的导水性强弱，更决定于是否导通了强含水层或其他水体，集中导水通道如不导通强含水层或水体，也不致发生较大的水害

3、在集中导水通道发生的充水中，导水通道的形成主要是地质作用的结果，矿压破坏不起主导作用，在已接近临界充水状态的情况下，矿压可能起诱发充水的作用

一、巷道直接充水通道

由巷道掘进过程中揭露的岩层，主要有两种情形：

一类是煤层和煤层直接顶底板岩层，煤层在大多数情况下是隔水的，煤层直接顶底板岩层多以泥岩或砂质泥岩为主，或是隔水的或是富水性很弱的岩层，运输大巷和回风大巷经常在砂岩层中掘进〔因其强度大，易于维护〕，而且经过锚喷支护后也很少充水；另一类是穿层巷道，揭露的岩层较多〔如井筒要穿过多层孔隙含水层或流砂层，煤层砂岩或断层灰岩等〕掘进过程中受水的影响也较多，局部石门有时会通过富水性较强的灰岩，也常常是采用注浆方法通过。

巷道掘进时，也会受到动压破坏的影响，因松动圈影响范围很小，较之回采情况下采动破坏要小很多，除了掘进岩层本身富水性较强之外，在富水性弱的岩层中掘进的巷道很少涉及到强含水层或其他水体。

二、回采时的采动破坏裂隙通道

采用全部垮落法管理顶板的条件下，只要到达一定的深度，覆岩破坏和移动自下而上可出现垮落带、断裂带和弯曲带，称为三带，见表3-7.

表3-7覆岩破坏“上三带〞特征及其对矿井充水的影响

分带名称

导水特征

垮落带

岩块之间空隙多，连通性强，是水体和泥砂溃入井中的通道，也是瓦斯溢出和聚集的场所，是采煤工作面平安生产的主要威胁

断裂带

又称“裂缝带〞断裂带时指位于垮落带之上，具有与采空区连通的导水裂隙，但连续性未被破坏的那局部岩层，断裂带的裂隙有两种，一种是垂直或斜交岩层的新生X裂隙，它可局部或全部穿过岩砂层；另一种是沿层面的离层裂隙，离层裂隙与垂向裂隙连通，并能使水向下渗透直到采空区，故断裂带又称导水裂隙带，导水裂隙带涉及到水体可将水导入井下。

由于导水裂隙带是随采矿发生的，所以就成为矿井顶板充水最重要的通道，在分析矿井充水时，导水裂隙带最大高度是评价煤层顶板是否发生涌水的重要指标

弯曲带

又称整体移动带，是指断裂带顶部到地表的那局部岩层，弯曲带根本上是整体移动，其上部一般很少出现离层，其下部可能发生离层，但局部充水面不与导水裂隙带连通，所以弯曲带具有隔水保护层的作用

由于导水裂隙带开展高度与煤层倾角、覆岩岩性及其组合关系、煤层赋存条件、开采方法、顶板管理及采后的延续时间等有关，其中最重要的是煤层倾角和覆岩岩性及其组合关系。

根据覆岩岩性及其组合，可将直接顶---根本顶简化，归纳为四种类型见表3-8。

表3-8覆岩岩性组合对两带〔垮落带、断裂带〕高度开展影响

直接顶-根本顶岩性组合

对两带高度开展的影响

坚硬-坚硬型

砂岩一般不易垮落，不易弯曲，但条件具备时，其垮落块度大，碎胀系数大，由于坚硬根本顶下沉缓慢，下沉量小，整个开采空间需碎胀岩块充填，因其垮落充分，坚硬岩层弯曲易断裂，故垮、断两带均发育较高

软弱-软弱型

软岩易垮落，易弯曲，下沉快，幅度大，采空区形成直接顶，垮落快，根本顶迅速下沉占据采空区上部空间，岩块很快充满，垮落终止，发育很不充分，软岩不利于裂隙发育，故两带高度均较低

软弱-坚硬型

直接顶垮落，根本顶不易弯曲下沉，故垮落带高度受根本顶高度控制，假设直接顶薄，根本顶位置低，那么垮落不充分，冒高，裂高均小，假设直接顶厚，根本顶位置高，那么垮落可一直开展到根本顶，此时垮落充分，冒高大，但相对而言，裂高较小

坚硬-软弱型

直接顶垮落后，根本顶很快弯曲下沉，减少了开采空间，垮落及裂隙发育都很不充分，因而两带高度均较低

三、底板裂隙充水通道

1、平安水头

斯列萨列夫提出当工作面下方存在承压含水层时，巷道底板隔水层承受着自下而上的水压力，而巷道底板隔水层被看作两端固定的不怕折弯的均匀荷载的大梁，按物质阻力理论的根本原那么，隔水层剖面的任何一点上都不会发生底板变性破坏的平安水头可由下式计算：

H安=2KPt²/L²+rt

式中H安-----平安水头，t/m²

KP-----底板隔水层的抗拉强度，t/m²

t----隔水层的厚度，m

L----坑道的宽度,m

r----隔水层的密度，t/m³

由上式可见，平安水头与隔水层底板的强度，重量和厚度成正比，而与巷道的宽度成反比。

在实际工作中只要底板的实际水压不超过平安水头H安，底板就是平安的，不会发生底板突水。

〔公式根据材料力学中静定梁加以推导〕。

2、突水系数

1964年XX水文地质会战期间，国内学者提出了突水系数的概念，其表达式为：

T=P/M（其中T突水系数Mpa/mP作用于工作面底板的水压MpaM底板隔水层的厚度m）。

实际上突水系数只是一个概念，只能定性地说明在一定厚度的隔水层条件下底板隔水层所承受的水压越大，越容易发生底板突水，或者在一定的水压条件下隔水层越厚月不容易发生底板突水，要用突水系数来表示或评价底板是否会突水，还必须借助临界突水系数Ts。

突水系数计算时只反映了隔水层厚度和水压，并未反映隔水层的强度和密度。

实际上强度和密度已经模糊地隐含于临界突水系数中，不同矿区的临界突水系数值不同实际反映了隔水层厚度和密度不同。

3、“下三带〞理论

“下三带〞理论认为随着工作面的推进，采煤工作面底板任一断面都要经历采前支撑压力面压缩，采后悬顶减压而膨胀，以及后期顶板冒落后压实在受压的过程。

〔详见防治水手册p49页〕。

据此，认为开采煤层底板也类似似乎动覆岩破坏移动，自上而下存在着三带。

详见表3-11〔手册p50页〕。

四、集中导水通道

集中导水通道是一种与矿压作用根本无关的通道。

它在采掘工作进展前，早已将强含水层的水导至采掘工作面附近，因导水空间已经存在，一旦与井巷沟通，水就会沿着此通道长驱直入地进入矿井，对煤矿生产的危害性极大，煤矿中的重特大水害几乎全都是强含水层通过这类通道引发的，主要包括“导水陷落柱、导水断层、未封闭或封闭不良的导水钻孔，以及与水体想通的岩溶管道和废弃井巷〞。

1、导水陷落柱

陷落柱是一种在古岩溶塌陷根底上继续塌陷直至上覆地层、煤系地层和煤层的地质现象。

因塌陷体的剖面形态似一锥形体，故称为岩溶陷落柱。

陷落柱不仅使煤层遭受破坏，煤层丧失开采价值，影响采掘工作面的布置或者煤炭资源的回收率，而局部采区的导水陷落柱是沟通含水层与煤矿井巷之间的集中导水通道。

陷落柱突水水害发生一般条件及特征见表3-12。

表3-12陷落柱突水水害发生一般条件及特征

陷落柱突水水害发生的一般条件

陷落柱突水水害特征

陷落柱突水实例

陷落柱必须是导水的，构成与奥灰直接相通的含水网络；导水陷落柱必须沟通富水性强额含水层，因为迄今重大陷落柱水害的水源均为奥灰水

导水陷落柱已将含水层水导至采掘工作面附近，甚至高于煤层位置，所以当工作面揭露或接近以及探水孔揭露或接近时，不采取平安措施，奥灰是不可防止的

陷落柱水害的发生、开展到淹井一般都有一个较长的时间过程。

2、导水断层

导水断层是引发矿井水害最多的一种涌水通道，据统计，矿井出水点90％以上出现在断裂带及其附近。

所以顶底板隔水层阻水能力是反映隔水层受构造，裂隙破坏后的综合阻水能力，大量的突水底板多是发生在断层附近或褶曲的纵X裂隙部位，这些裂隙既起导水的功能，又起消弱隔水层强度的作用。

断层包括裂隙只要沟通水源就要出水，导水断层沟通强水源就可能出大水，细小裂隙沟通弱水源也可能出小水。

所以，我国开采XX组或侏罗系煤层的矿井，因其煤系地层中没有强含水的地层，在没有断层沟通强含水层的情况下根本没有水害，在有断层或其他集中导水通道沟通强含水层时也会发生水害甚至重大水害。

断层〔或称断裂带、断裂破碎带〕既可以导水，也可以隔水；同一条断层也可以局部导水，而局部隔水或阻水；有些断层还可能工作面开采前不导水开采后导水。

所以有些断层对地下水系统构成隔水边界，有利于采矿平安，有些那么构成导水边界或导水通道。

断层是否导水主要取决于断层的力学性质，断层两盘的岩性、断层的后期胶结情况，以及导水水源的丰富程度和水压的大小等。

断层导水与否以及导水断层作为集中导水通道对矿井充水的影响主要就是这些。

但在实际工作中具体要确定那条断层导水，那条断层不导水并非易事，所以在矿区水文地质勘查和煤矿防治水过程中总是将勘查断层的导水性质作为一项重要工作，断层勘查的一般方法如下：

（1）现场对断层直接观察、记录、取样测设等；

（2）在钻孔勘查过程中观察揭露断层带的钻孔岩心，和钻探过程中观察断层带时的冲洗液消耗量及其变化；

（3）在断层两盘进展群孔抽水试验以确定断层的导水性；

（4）在采掘过程中遇断层有突水现象，要观测水量的变化，假设水量增大说明补给来源，要查明补给水源，并通过放水试验和示踪试验来确定。

3、导水钻孔

人为造成的未封闭或封闭质量差的钻孔形成的导水钻孔引发水害。

4、岩溶陷落通道

突水通道

特征

对矿井充水影响

岩溶塌陷形成的突水通道

岩溶塌陷是一种隐伏岩溶洞的岩土体盖层咋人为因素〔对矿井主要是矿井排水〕作用下引起的地面向下塌陷的作用和现象，早起形成的岩溶洞隙为容纳和运移塌陷物质提供了必要的空间，也为后期岩溶塌陷将地表水或其他水体引入矿井创造了涌水通道

突水时还伴有突泥、突砂和涉及地面环境，可导致地面建筑物局部倒塌，交通中断等

第三节矿井充水强度

矿井充水水源和矿井涌水通道时矿井充水的两个重要方面，是受自然条件和人为条件所决定的，也可以说是矿井充水之因，而矿井充水强度才是矿井充水之果，但充水水源和涌水通道这两个因只有通过有机结合才能够形成矿井充水，充水水源贫乏和涌水通道不畅，只能形成不大的充水，不致引发矿井水害；充水水源丰富、涌水通道顺畅会形成严重的矿井突水，引发重大甚至特大的矿井水害。

二、影响矿井充水强度的因素

矿井的充水强度是由诸多自然因素决定的，这些因素既是综合分析矿井充水条件的主要因素，也是评价矿井水文地质条件复杂程度的重要依据。