矿井水灾调查、探水设计及安全技术措施

织金县绮陌乡兴荣煤矿织金县绮陌乡兴荣煤矿 矿井水灾调查、探水设计及安全技术措施 矿 长： 总 工： 编 制： 二 O 一 O 年二月二十日 一一 矿井水文安全条件分析矿井水文安全条件分析 一） 、矿井水文地质情况 (一)含水层、隔水层特征及其与矿床充水的关系 矿区内与开采有关的地层主要有：三叠系下统夜邮组、 二叠系上统大隆组、长兴组、龙潭组、中统茅口组及第四 系。各地层中主要含水岩性有灰岩、泥灰岩及砂岩，泥岩、 粉砂岩、泥质粉砂岩以及煤层等一般具隔水作用。分述如 下： 1夜郎组“Tly”岩溶裂隙含水层：分布于矿区范围东部， 岩性主要为浅灰、灰色薄至中厚层状灰岩，白云质灰岩， 底部为钙质粉砂岩、钙质泥岩，厚度170m，分述如下： 该含水岩组岩溶裂隙发育，富水性强，属区域强含水 层。但该组底部有泥岩、页岩、钙质粉砂岩等碎屑岩将其 与下伏煤层相隔，对煤层矿井的充水影响较小。 2长兴组+大隆组含水层：呈线状分布在矿区内，出 露位置较高，多位于山脊。岩性主要为深灰色中厚一厚层 硅质灰岩、泥晶灰岩、燧石灰岩、生物屑灰岩央灰一深灰 色钙质粉砂岩，含碳酸盐溶洞水，富水性强。但因其呈线 状分布，接受大气降水补给差，富水性中等。 据三甲勘探区内的 ZKl43、ZK306 抽水试验结果，单 位涌水量为 0.00445 和 0.0823LSm，渗透系数 0.00655 和 0.1952md，两个孔试验结果相差较大，表明该组含水的 不均匀性。据水质分析，地下水化学类型浅部为 HC03-Ca2+ 型水，深部为重碳酸盐钠型或钠钙型。 但采煤所产生的导水裂隙带最大高度，掘经验公式计 算为 51m，K6 煤上距长兴组 31m。因此，该岩组所含岩溶 水，会成为 K6 煤层矿井的充水水源，成为 K16、K21、K27 煤层矿井充水水源的可能性小。 3龙潭组相对隔水岩组： 呈线状分布于矿区中部，为矿区内含煤岩系。岩性主 要山薄一中厚层粘土岩、炭质粘土岩、细一粉砂岩、粘土 质粉砂岩、煤层(线)、等组成，地层厚度约 250m。据三甲 勘探区 ZKl24 钻孔抽水试验结果，单位涌水量为 0.0243 0.0329L/Sm，渗透系数为 O.086md 山富水性较弱，可视 为相对隔水层，浅部为重碳酸盐钙型，深部为重碳酸盐钠 型或钠钙型。 4茅口组(P2m)岩溶裂隙含水层： 出露矿区西部地区，由厚层状及薄层状灰岩、燧石灰 岩组成，厚度大于 200。溶洞、漏斗、落水洞及峰丛洼地等 岩溶地貌发育。据钻孔揭露，岩芯普遍破碎，裂隙发育， 常见蜂窝状晶洞。钻至该层位后，水位会大幅度下降。根 据区域水文地质资料，该层中岩溶裂隙发育较强烈，含水 丰富，但分布极不均匀。 该岩组上距 K27 煤层底板 53m，采矿至最低开拓水平 时，底板安全隔水厚度 598m，其值远小于实际的底扳隔 水层厚度，故其所含岩溶水对矿井允水的影响小。 5第四系(Q)孔隙含水层 分布于矿区内的地势低洼地带。岩性主要为粘性土、 砾、砂等，厚度一般为 010m。本次调查过程中，未见泉 水点出露。 该层具有一定的透水性，其厚度变化较大，只是在局 部地段具弱富水性，地下水不会对矿床的充水构成威胁。 6地下水的补给、径流、排泄条件 根据地下水赋存、水力条件及各地层岩性组合特点， 将区内的地下水分为岩溶水、碎屑岩裂隙水及孔隙水三种 类型。 (1)岩溶水的补给、径流、排泄条件：大气降水是本区 岩溶水的主要补给来源。由于碳酸盐岩分布地区多有斜坡， 总体上接受降水的补给条件差。但区内岩溶发育，大气降 水、地表水体通过碳酸盐岩之间的溶蚀裂隙、溶洞、落水 洞等对地下水进行补给。 区内大致以夜郎组和大隆组的的界线为分水岭，可划 分为两大水文地质单元。分水岭以西边为裸结河，以东边 为绮陌河。受地形、裂隙、地层等因素的控制，区内岩溶 水总体由分水岭地带向裸结河、绮阳河径流，以泉水形式 进行排泄。 (2)碎屑岩裂隙水的补给、径流、排泄条件：大气降水 是本区碎屑岩裂隙水的主要补给来源。由于碎屑岩分布地 区多为斜坡地带，且岩层的裂隙密度小，张开性差，其接 受降水的补给条件差。区内的碎屑岩裂隙水主要赋存在风 化裂隙带之中，其径流趋势主要决定地势的高低，在重力 作用 r，由高处向低处径流。 (3)孔隙水的补给、径流、排泄条件：本区孔隙水的补 给来源为大气降水，在松散堆积物中下渗，无明显排泄点。 (二)构造断裂及其对矿床充水的影响 矿区仅在矿界边界发育 F28 和 F32 两条断层。断层分 布在矿界的外围，且深部远离矿界，加之断层为逆断层， 隔水性较好，对矿床的充水影响较小。 (三)地表水及其对矿床充水的影响 区内无地表水体，仅有季节性溪流。故地表水对矿床 充水的影响小。 (四)生产坑道水文地质 矿区内仅有民问小煤窑，通过访问了解，一般老窑的 开采深度都小于 80m，开采规模不大，巷道基本上都在风 氧化带内掘进，大多数坑道内涌水量较小。据调查，巷道 内的主要出水方式为渗水、浸水及淋水，未出现老窑突水 现象。 (五)充水因素分析 1地下水 将来矿山的开采过程中，直接充水含水层(P21)虽然富 水性弱，大面积开采揭露后，其地下水将直接进入矿坑： Tly、P2d、P2c 间接顶扳含水层，补给条件好，富水性强， 采空塌陷形成的导水和裂隙带将导致该层地下水进入矿坑， 它将成为矿床充水主要因素。 2老窑积水 根据调查，煤层露头线附近有老窑存在，开采斜深大 多在 3580m 以内，矿井必须进一步对煤层露头线附近的 老窑进行详细调查，并全部测量上图，留足保安煤柱，生 产中如遇到邻近老窑采空区时，应注意老窑积水情况，做 到“有疑必探、先探后掘”，严防水害发生。 3大气降水 区内大气降水是地下水的唯一补给源。矿区东部大面 积出露的 T1y 含水层是矿床顶扳间接充水含水层，补给条 件好。当采空塌陷产生的导水裂隙带触及到该层时，其地 下水将进入矿坑，而大气降水特别是雨季对含水层的补给 量增大，且具有突发性，此时，大气降水就成为矿坑充水 的重要因素。 4地表水 区内无地表水体，仅有季节性溪流，故地表水对矿床 充水的影响小。 (六)矿床水文地质勘查类型的划分 根据现行煤、泥炭地质勘台规范 ，矿床位于当地最 低侵蚀基准面以上，无地表水体，矿床水文地质勘查类型 划分为水文地质条件简单的岩溶充水矿床。 但矿床顶板间接充水含水层(Tly+P2c)，岩溶发育，富 水性中等强，在采空塌作用下，其地下水将间接进入矿 井，对矿床充水造成较大影响。若考虑间接充水含水层的 影响，水文地质条件可划为中等。 (七)矿井涌水量预测 兴荣矿井正常涌水量为 15m3h，最大涌水量为 50m3h。 (二)、水患类型及威胁程度 1、矿井水害类型 根据绮陌兴荣煤矿水文地质条件为简单类型，矿井水害 类型主要有采空区和老巷积 水、顶板裂隙水、地表水。 2、突水水源与地下水导水通道 1)突水水源 突水水源主要为采空区和老巷积水。 2)地下水导水通道 绮陌兴荣煤矿各含水层之间一般无水联系。如出现断层 时，含水层会通过断层裂隙导入井下。在生产过程中应 留中隔水煤柱，避免因开采隔离煤柱，造成采动影响， 使地 面水及各含水层水通过采动裂隙窜入井下。 二二 井下防治水安全设施井下防治水安全设施 一)、排水设施 兴荣煤矿正常涌水量 15m3h，最大涌水量为 50m3h，排水垂高 52m，按设计在+1322 底 K21 煤层底板 布水泵房，在+1316 设正、副水仓。选用 DF25-30X3 型高 心泵 3 台， 其中：1 台工作，1 台备用，1 台检修，配置 15KW 防爆电 机，沿主斜安装两趟中=80mm 排水管，其中：一趟备用， 待最大涌水量两趟同时使用，为便于水仓清理，设置内、 外水仓其容量为 172m3。 二)、防水设施 1、在煤层风氧化带、小窑采空区、断裂破碎带周围留 设防水安全煤柱； 2、巷道掘进时必须探水前进； 3、采、掘工作面或其它地点发现有挂红、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。 4、矿井必须随时保证井下主要排水通道的畅通，防止 排水沟其它巷道受阻。 5、其它防水设施：主要有防水闸门硐室及水闸墙等。 其主要作用是在发生水患时，能很快形成分区隔离、缩小 灾情影响范围，控制水势，确保矿井安全。该设施是在水 患发生时，利用其附近所保留足够的防水煤(岩)柱与防水 闸门硐室及水闸墙的共同作用，使矿井形成分翼、分水平 或分采区隔离开采。由于本矿为一小型矿井，井下涌水较 小， 因此矿井设计中考虑防水闸门硐室及水闸墙等防水设施。 三三 矿井防治水措施矿井防治水措施 一)、矿井开拓、开采所采取的安全保证措施 1、矿井开拓工程布置。 主斜井位于 K21 煤层底板穿层至顶板中，回风斜井位 于 K16 煤层，底板穿层至 K14 煤层顶板，本设计各采、准 巷道亦位于各煤层中。 2、采掘工程所采取的防治水措施 1)定期收集、调查和核对相邻煤矿和废弃的老窑情况， 并在井上、下对照图上标出其位置、开采范围、开采年限、 积水情况等。 2)针对主要含水层(段)建立地下水动态观测系统，进行 地下水动态观测、水害预，并制定相应的“探、防、堵、截、 排”综合防治措施。 3)井巷在掘井过程中必须边探边掘，掌握前方水文情况， 若发现有水患时，应及时采取措施，待确定安全后再向前 掘进，并将出水点位置标于井上下对照图或采掘工程图上。 井巷揭露的主要出水点或地段，必须进行水温、水量、水 质等地下水动态和松散含水层涌水含砂量综合观测和分析， 防止滞后突水。 4)在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。 5)井下和地面排水设施保证完好，井下主、副水仓、沉 淀池、水沟要及时进行清理，每年雨季前矿井防治水工作 进行一次全面检查，成立防洪抢险防伍，并储备足够的防 洪抢险物资。 6)应加强对地面小窑、老窑的调查并标注在实测的采掘 工程图中，划定其探放水红线，在接近探放水线时，必须 采取探放水措施。 7)必须先查清矿区及其附近地面水流系统的汇水、渗漏 情况，掌握当地历年降水量和最高洪水水位资料，建立疏 水、防水和排水系统。 8)工业场地内建筑物，必须修筑防洪沟渠或采取其它防、 排水措施。 9)鉴于井口附近及塌陷区内的地表水体有可能溃入井下， 因此，应遵守下列规定： 严禁开采煤层露头线的防水煤柱。 容易积水的地点应修筑沟渠排泄积水。修筑沟渠时， 应避开露头、裂隙和导水岩层，特别是低洼地点不能修筑 沟渠排水时，应填平压实，防止积水进入井下。 排到地面的矿井水，必须妥善处理，避免再次渗入井 下。 对漏水的排洪沟，应及时堵漏，地面裂缝和塌陷必须 填塞，填塞工作必须有安全措施，防止人员陷入塌陷坑内。 二)、防水安全煤柱留设 在受水害威胁的地方，预留一定宽度和高度的煤层不 采，使工作面和水体保持一定的距离，以防止地下水或其 它 水源溃入工作面，所留的煤(岩)柱就叫防水煤(岩)柱。 ()防水煤(岩)柱的种类 根据防水煤(岩)柱所处的位置，可以分成不同的种类。 根据该矿井的实际情况，需留设以下防水煤(岩)柱： 1、断层防水煤(岩)柱 在导水或含水断层两侧，为防止断层水溃入井下而留 设的煤柱；当断层使煤层与强含水层接触或接近时，为 防止含水层溃入井下而留设的煤柱。 2、导水钻孔防水煤柱 勘探阶段施工的钻孔，往往能贯穿若干含水层，若封 孔质量不好，则人为地沟通了本来没有水力联系的含水层， 使煤层开采的充水条件复杂化，为防止上覆含水层中的水 溃入井下而留设的煤柱称为钻孔防水煤柱。 3、相邻水平或采区边界防水煤(岩)柱。 防水煤(岩)柱的留设 1、断层防水煤(岩)柱的留设 断层破坏了岩层的完整性，常常成为含水层间的联系 通道。断层的某+区段是否导水。导水性强弱等情况取决于 两侧岩层的接触关系、含水层的水压以及采矿活动对断层 的重复破坏作用。因此，在没有掌握断层各区段的导水性 时，应把整个断层作为导水断层对待。煤层直接和富含水 层、导水断层接触，顶底板无突水可能+：即煤柱主要是顺 层受压时，常以下述计算公式计算煤柱宽度： L=0.5KM p KP3 式中：L顺层防水煤柱宽度(m)； M煤厚或采高(m)，K6、K16、K21、K27 煤层分 别为 1.97m、1.5m、1.45m、1.38m； KP煤的抗张强度(kgf/cm2)，KP取 10kgf/cm2； P水头压力(kgfcm2)，P=50kgfcm2； K安全系数，一般取 25，本设计取 5。 则：K6 煤层开采时 L=0.551.9= 19.1(m)10/503 K16 煤层开采时 L=0.551.5=14.5(m)10/503 K16 煤层开采时 L=0.551.45=14.0(m)10/503 K16 煤层开采时 L=0.551.38=13.4(m)10/503 根据上述计算，并考虑到该矿断层落差均小于 30m， 故开采断层两侧煤层时各留 20m 防水煤柱。 2、导水钻孔防水煤柱的留设 在该矿区域内暂无导水钻孔存在，当发现导水钻孔， 即按下列方法留设防水柱水煤柱。 当导水钻孔的位置比较确切，有测斜资料可以定位， 但地面启封和井下探查处理都有困难时，按下述公式留设 防水煤柱： L=0.5KB P KP/3 式中：L防水煤柱宽度(m)； B巷道的跨度(宽或高取其大者)(m)，B=3m； Kp煤的抗张强度(kgf/cm2)，KP=10kgfcm2； P水头压力(kgfcm2)，P=50kgfcm2； K安全系数，一般取 25，本设计取 4。 则；L=0.543=23.2(m)10/503 用上式计算后，再用下式计算结果进行校正。取其大 值为半径，以钻孔中心点为圆心，所得圆面积即为导水钻 孔的防水煤柱。 L 二 Hcos+F 式中：L导水钻孔防水煤柱厚度(m)； H导水裂隙带高度(m)； 岩层塌陷角()； F钻孔偏离系数。 3、相邻水平或采区边界防水煤(岩)柱的留设水文地质 条件简单到中等型的矿井，可用下述公式计算煤柱宽度： L=0.5KM p KP /3 式中：L顺层防水煤柱宽度(m)； M煤厚或采高(m)，K6、K16、K21、K27 煤层分 别为 1.97m、1.5m、1.45m、1.38m： Kp煤的抗张强度(kgfcm2)，KP=10kgf/cm2； P水头压力(kgfcm2)，P=50kgf/cm2； K安全系数，本设计取 5。 则：K6 煤层开采时 L=0.551.97=19.1(m)10/503 K16 煤层开采时 L=0.551.5=14.5(m)10/503 K16 煤层开采时 L=0.551.45=14.0(m)10/503 K16 煤层丌采时 L=0.551.38=13.4(m)10/503 根据上述公式，经计算并结合实际情况确定，相邻水 平或采区边界留 20m 煤柱。 三)、疏水降压措施 疏水降压是指煤层顶板或煤层含水层的疏干，以及煤 层底板含水层的降压，使底板含水层水压降低至采煤安全 时的水压。 根据该矿井的水文地质条件，矿井建设和生产中不需采 用疏水降压措施。 四)、井下探放水措施 (一)探放水原则 必须做好水害分析报告，坚持“有疑必探、先探后掘” 的探放水原则 o，接近积水地区掘进前或排放被淹井巷和积 水前，必须编制探放水设计，并采取防止瓦斯和其它有害 气体危害等安全措施。 探水眼韵布置和超前距离，应根据水头高低、煤(岩)层 厚度和硬度以及安全措施等在探放水设计中具体规定。 探放水设计包含以下方面： 1、探水起点的确定：为了确保采掘工作和人生安全， 将水淹区的积水范围、水位标高、积水量等资料填绘在采 掘工程图上，经过分析划出三条界线。 1)积水线：积水边界线(小窑采空区范围)，其深部界线 应根据小窑或老空的最深下山划定。 2)探水线：根据积水区的位置、范围、地质及水文地质 条件及其资料可靠程度、 采空区和巷道受矿山压力破坏情 况等因素确定，具体规定如下： a)对采掘工作造成的老空、老巷、硐室等积水区，如边 界准确，水压不超过 10kPa 时，探水线至积水区的最小距 离：煤层中不得小于 30m，岩层中小于 20m。 b)对虽有图纸资料，但不能确定积水区边界位置的积水 区，探水线至推断积水区边界的最小距离不得小于 60m。 c)对有图纸资料的小窑，探水线至积水区边界的最小距 离不得小于 60m：对没有图纸资料可查的小窑，必须坚持 “有疑必探，先探后掘”的原则，防止发生透水事故。 d)掘进巷道附近有断层或陷落柱时，探水线至最大摆动 范围预计煤柱线时的最J、星巨离不得j、于 60m。 e)石门揭开含水层前，探水线至含水层的最小距离不得 小于 20m。 3)警戒线： 沿探水线外推 50150m(在上山掘进时指倾斜距离)即 为警戒线。 探放水钻孔布置方式： 一般倾斜煤层平巷和上山巷道探水钻孔的布置方式为 半扇形布置在巷道上帮，一般布置 3 组钻孔，每组 12 孔。 钻孔夹角分大夹角与小夹角两种，前者钻孔夹角 715， 后者 l 一 3，视小窑老空的规模而定，老空规模大取大夹 角，规模小取小夹角。每组只少应有一个探水钻孔见底。 2、采掘工作面遇下列情况之一时，必须确定探水线进 探水。 (1)接近水淹或可能积水的井巷、老空或相邻煤矿时，井 巷出水点的位置及其水量、有积水的的井巷及采空区积水 范围、标高和积水量，必须绘制在采掘工程平面图上。在 水淹区域应标出探水线位置。采掘到探水线位置时，必须 探水前进。 (2)有与溶洞、含水层及与之有水力联系的导水层、裂 隙巷道必须穿过上述构造时，必须探水前进。如 (5)接近未封闭又可能突水的钻孔时必须探放水。 (6)煤层顶板的含水层和水体存在时，应当观测“三带” 发育高度。当导水裂隙带范围内的含水层或老空积水影响 安全开采时，必须超前探放水并建立疏水系统。 (7)采、掘工程接近其它可能突水段时必须探放水。 经探水确认无突水危险后，方可向前掘进。每年雨季后， 上部采空区的积水情况 都在变化，一定要坚持“有疑必探， 先探后掘”的原则。区内有采煤历史。长期以来，一些地 方小煤窑分布于可采煤层露头附近，形成的采空区较多。 但其开采深度较浅。由于地质资料没有提供小煤窑及老空 区开采深度和范围，因此无法确定小煤窑积水探水线的位 置。所以在工作中一定要收集有关资料，确定小煤窑积水 位置，以防开采浅部煤层时和小窑、老窑穿透而产生透水 事故。 3、 探放水注意事项 (1) 安装钻机探水前，要遵守下列规定： 加强钻场附近的支护，并在工作面迎头打好坚固的 立柱和拦板。 清理巷道、挖好排水沟。探水钻孔位于巷道低洼处 时，必须配备与探放水量相适应的排水设备。 在打钻孔地点或附近安设专用电话。 测量和防探水人员必须亲临现场，依据设计，确定 主要探水孔的位置、方位、角度、深度以及钻孑 L 数目。 (2)预计水压较大的地区，探水钻进之前，必须安好孔 口管和控制闸阀，进行耐压试验，达到设计承受的水压后， 方可继续钻进。特别危险的地区，应有躲避场所，并规定 避灾路线。 (3)钻孔水压过大时，采用反压和有防喷装置的方法钻 进，并有防止孔口管和煤(岩)避突然鼓出的措施。 (4)钻进时，发现煤岩松软、片帮、来压或钻孔中的水 压、水量突然增大，以及有顶钻等异常状况时，必须停止 钻进，但不得拔出钻杆，现场负责人应立即向调度室报告， 并派人监测水情。如果发现情况危急时，必须立即撤出所 有受水威胁的人员，然后采取措施，进行处理。 (5)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。老空积水高于探放水点位置时；只准 用钻机探放水。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它有害气体涌出时，必须有瓦 斯检查员或矿山救护队员在现场值班，检查空气成分。如 果瓦斯或其它有害气体浓度超过规程规定时+必须立即停止 钻进，切断电源厂撤出人员，并报告矿调度室，及时处 理。 (6)钻孔放水前，必须估计积水量，根据矿井排水能力 和水仓容量，控制放水流量；放水时，必须设专人监测钻 孔出水情况，测定水量、水压，做好记录。若水量突然变 化，必须及时处理，并立即报告矿调度室。 (7)排除上山的积水以及恢复被淹井巷前，必须有矿山 救护队检查水面上的空气成分，发现有害气体，必须及时 处理。排水过程中，有害气体有突然涌出的可能，必须制 定安全措施。 (二)探放水设备选择 1)探放水设备选择依据 矿井用一个采煤工作面保证矿井年生产能力，配备两 个掘进工作面。 2)探放水设备及数量 配备 TXU75 探水钻 3 台，2 台工作，1 台备用。 3)老窑积水的防治 为防止浅部的老窑积水威胁矿井的安全，采面主要留 浅部防老窑水防水安全煤(岩)柱和井田边界煤柱。根据有关 规定进行计算，该矿井防止老窑积水煤柱留设宽度不得小 于 20m，边界防水煤柱的留设宽度为 20m。 五、地表水防治措施 1地表水防治设计依据 1)防洪标准及防洪坝墙设计要求 山于工业场地选择在平缓地带，为保证工业场地和矿 井不受洪水威胁，需在井口上方设置排洪沟，其断面为 05mX05m，顺主斜井南面的自然冲沟排出场地外。 2)地形、水系和汇水面积 矿区地貌主要属碳酸盐岩岩溶地貌，其次为碎屑岩侵 蚀切割地貌。地势中部高，向东、西两侧逐渐降低，最高 点为矿界南端的山峰，海拔标高 1507m；最低点为矿界北 西端的谷地，海拔标高 1265m。最大相对高差 242m 左右， 一般高差 100150m，属低山岩溶地貌