煤矿采空区积水预测方法刍议.docx

煤矿采空区积水预测方法刍议王春海 1，狄效斌 2（1.山西焦煤霍州煤电集团李雅庄煤矿，山西霍州，031400；2.山西省煤炭地质勘查研究院，山西太原，030006）摘 要：阐述了煤矿采空区积水及其危害性，分析了煤矿采空区积水的形成及贮存特征，介绍了采空区积水的主要预测方法，指出合理选择充水系数的方法，即根据采煤方 法和地表沉降量确定。关键词：煤矿采空区积水；预测方法；充水系数中图分类号：td21文献标识码：a在煤炭开发过程中，防治水害是煤矿井下的主要任务之一。其中作为主要水害之一的采空区积水，其突水水量大，来势迅 猛，破坏性强，容易造成煤矿财产及人身伤害。国家煤矿安全生 产监察局 2010 年发布了煤矿防治水规定，要求全国各大小煤 矿加强煤矿防治水工作，防治煤矿灾害性突水事件的发生，重点 强调要加强对采空区积水的调查和研究。而如何科学合理地预 测和确定煤矿采空区积水的分布位置、积水范围、水量大小，对 做好煤矿防治水工作及采取正确的防治水措施至关重要。综观目前国内从事煤矿地质的工作者对煤矿采空区积水的 预测，多停留在以往传统的经验估算上，其预测结果与实际均或 多或少地存在着一定的偏差，甚至与实际相差很大。因此，开展 煤矿采空区积水预测的研究已成为目前煤矿开发研究的一个主 要课题。（古）空区附近没有留设足够的防隔水煤柱，重生产、轻安全；三是在煤矿掘进至采空区附近时没有严格进行探放水工作；四是 井下工人缺乏突水前兆的相关知识，对突水前兆现象不会进行 识别判断；五是煤矿生产管理不力，领导的水害防患意识淡薄， 没有认识到出现突水事故危害的严重性；六是煤矿排水系统配 置不够完善，没有应对较大突水事件发生的应急排水设备及措 施。2 煤矿采空区积水的形成及贮存特征煤矿采空区积水是在煤矿采区或巷道弃置后，在其所限的 空间范围内、在矿井充水因素的作用下，地下水在适宜的位置不 断汇集。随着时间的累积，其范围在不断扩展，水量在不断增加， 最后形成具有一定规模的“地下水水库”。煤矿采空区积水形成 必须具备的条件如下：一是开采煤层一般在当地侵蚀基准面以下，矿井充水水源（地表水、地下水）与采空区存在一定的水力势头。二是存在进入采空区的充水通道，主要为采空导致的顶板 导水裂隙带、底板扰动破坏带。三是采空区存在易于留存地下水的蓄水构造，如负向褶皱 的轴迹、截阻单斜倾向端、局部低洼凹陷坑等1。四是正在生产的煤矿没有设置采空区积水的泄水通道，采 空区已密封，或者采空区属于采区掘进下山地段。根据煤矿采空区积水贮存规律分析，其具有如下特征： 第一，方位隐蔽性。煤矿采空区处于地面以下几十至几百米深处，不易为人所觉察，在采区采煤，随着回采的推进，已采空区 顶板支护撤出，顶板在岩体自身重力作用下垮落堆积，再在多期 的矿压作用下，往往使原有采空区空间发生形变，因此其具体积 水位置和范围很难准确判定。第二，动态变化性。采空区积水寄于地下水系统，也随着所 属地下水系统存在补给、径流和排泄，其水量及水位具有动态变 化的特征。第三，水质变异性。采空区积水长期蓄积于限定的空间范围1431煤矿采空区积水及其危害性煤矿采空区积水是指在煤层采空之后的留存空间在排水系 统撤离、而地下水从原有采区出水点在不断渗流，并在适当位置 蓄积而成。在煤矿巷道及工作面掘进过程中，一旦与附近采空积 水区窜通，积水在水压势头的作用下，会顺势进入矿井巷道或工 作面，水量由小迅速变大，水流湍急而迅猛，如井下排水系统排 水能力远小于突水量时，其将很快灌入巷道，甚至淹没整个工作 面，造成淹井事故。如井下作业人员不能及时撤离现场，往往会 造成严重人员伤亡事故。因此，采空积水的存在对煤矿安全生产 危害很大，一旦发生突水，轻则会造成井下工作面、机械设备等 的损害，重则会出现人员死亡事故。如 2006 年山西省大同市左 云县张家场乡新井煤矿“518”特别重大透水事故，共造成 56 名 矿工死亡；2010 年 3 月 28 日，山西王家岭煤矿特大透水事故，造 成 38 人遇难。其原因均为由煤矿采空积水突水所导致。分析造成采空积水进入矿井的主要原因，主要有以下几个 方面：一是煤矿水文地质工作滞后或者不做，对井田内以往采（古）空区的分布范围及积水情况没有查明，盲目进行作业，尤其 是一些小煤矿，存在严重的冒险作业现象；二是在已探明的采王春海，狄效斌 煤矿采空区积水预测方法刍议本刊 e-mail:bjbsxinfonet科技论坛内，其径流和排泄不畅，随着水体与周边岩石及煤层的水岩化学反应，水中常常会溶入一些岩石的特殊元素组分，往往表现出硫 酸根离子偏高、矿化度偏大、ph 值偏酸性等特征。第四，累积时效性。煤矿在开采煤层过程中，矿坑排水等因 素使地下水系统遭到破坏，原有地下水流场发生改变，形成了围 绕矿区周围的地下水降落漏斗。采空区在周围地下水水势作用 下，其积水随着时间的累积在不断地增多，水位在不断地上升， 当其补给与外泄达到平衡时水位达到最大高度2。因此，采空区 积水随着时间的变化而变化，具有时效性。第五，水势易溃性。采空区积水累积到一定程度，往往与周 边形成一定的水势，即易于流向相对低的地方，一旦煤矿采掘出 现与其沟通的通道，极易向低水势处溃去，如采空积水处于煤层 倾向的高端和采区上山地段、其下伏有开采煤层等，均应引起足 够重视。释成果常与实际相比存在一定偏差。此方法主要适用于以往煤矿开采资料较少、采空区范围及积水情况不清、矿区范围分布小 窑较多、开采煤层历史较久等情况。4采空积水计算中充水系数的选择4.1 采空区积水计算 常用采空区积水计算公式为： qkms/cosqkmah/sin（1）（2）式中：q 为采空区积水量，m3；m 为煤层采高，m；s 为采空区淹没水平投影面积，m2； 为煤层倾角；k 为采空区充水系数；a 为 小窑老空区走向长度，m；h 为小窑老空区垂高，m。式（1）可用于近期采空区面积规模较大的积水计算，式（2） 可用于过去小窑老空区积水计算。式（1）、式（2）中 m、s、a、h 是 固定数，较容易获得数据；k 的取值就成了计算积水量的关键。新 版煤矿安全手册第五篇矿井防治水给出了 k 的取值范围为0.250.50。k 与采煤方法、回采率、煤层倾角、顶底板岩性及其碎 胀程度、采后间隔时间等因素有关，而这些因素又与 k 值没有明 确的定量关系,造成我们在计算过程中 k 的取值随意性大,往往 导致结果误差较大。因此，如何确定 k 值成为我们预测采空区积 水量的关键3。4.2 充水系数及其数值选择4.2.1 充水系数 充水系数是在计算采空区积水时对有效积水体积的折算系数，具体可以定义为采空区积水量 vz 和采出煤炭体积 vp 的比 值，称为充水系数 k：kvz/vp充水系数 k 取决于局部地质条件和采矿条件诸因素,其中最 重要的是采空区充填方式和塌落程度。充填方式取决于采煤方 法和顶板管理方法，而顶板塌落程度取决于顶板岩性、煤层倾角 和开采年代等。为了研究方便,认为采空区积水系数为近似值,取 决于所采用的采煤方法、顶板管理方式、煤层的埋藏深度和矿山 压力。当用充填法开采时,充填物的质量也要考虑4。4.2.2 充水系数数值选择4.2.2.1 按照不同的采煤方法确定充水系数 目前采煤方法一般为冒落法和充填法4，分述如下：（1）采用冒落法。其一：长壁工作面积水系数的确定。对于长 壁冒落法采面，根据获得数据,建立积水系数 k 和相应的采空区 所处深度 h 之间的回归方程：k0.485e0.002 05h本公式估算出来的 k 值标准离差等于0.016，对采矿现实 是足够准确的。其二：短壁工作面积水系数的确定。短壁工作面冒落法采煤 积水系数的计算可以从测量数据取其算数平均值：k0.4383 煤矿采空区积水预测方法根据目前国内对煤矿采空区积水预测情况，大致可归纳为 如下几种方法：蓄水构造判断法、采空体积估算法、矿坑涌水计 算法、物探解释推断法。3.1 蓄水构造判断法 煤层是贮存于沉积岩层的层状矿藏，其埋藏及展布规律除与当时煤层沉积环境有关外，还受后期地质构造演变的影响，常 常受控于地质构造。而煤层采空积水，易于贮存在有利地下水汇 集的构造地段，我们称蓄水构造。一般采空区在地层向斜轴迹易 于积水，在背斜轴迹易于散流；而地下水一般顺地层倾向从高端 向低端运移，易于在低端集聚。根据上述规律，往往可以大致判 断采空区积水位置，主要适用于地层褶皱明显、倾向角度较大的 地区。3.2 采空体积估算法 利用煤层采空后采空区所占空间体积进行折算后，计算采空区积水量大小。有效采空积水体积常受采煤方法、回采率、顶 板管理方法等因素的影响。此方法主要适用于开采煤层近水平、 采空区时间较久的老（古）空区地区。3.3 矿坑涌水计算法 利用采空区在弃置之前采区范围内原有涌水量，然后乘以采空区弃置时间，可以初步估算采空区积水量的大小，其计算的 水量体积应该小于采空区空间体积。此方法主要适用于密封隔 离采空区或独立采空区，对当时采区涌水量有相应观测资料且 涌水量基本稳定的情况。3.4 物探解释推断法 利用地层及采空区电性特征进行地面物探，可以解释采空区的大致位置、范围及富水情况，是目前许多煤矿探测矿区采空 区分布及积水情况采用的方法，多数采用瞬变电磁法。但在物探 施工过程中往往受地理环境、地形地物、人为操作等因素的干 扰，在资料解释过程中还受仪器灵敏度、人为判别等限制，其解144科技情报开发与经济2012 年 第 22 卷 第 3 期sci-tech information development economy文章编号：1005-6033（2012）03-0145-04收稿日期：2012-01-09建筑外围护结构保温辨析高芳（山西中方森特建筑工程设计研究院，山西太原，030002）摘 要：分析了各种外墙保温材料在保温方面的优点及不足，简述了各种外墙保温材料在我国应用的现状。指出：外墙保温涉及的因素较多，一味地提高材料的防火性能未 必合理，应该从材料、系统、工艺和施工管理等方面进行科学的综合分析，才能达到安 全、适用、环保、耐久、经济等效果。 关键词：建筑外围护结构；保温材料；保温体系；保温效果中图分类号：tu55+1文献标识码：a由于节约能源和环境保护的紧迫性，作为耗能大户的建筑，其节能也就成为关系国计民生的重大问题，成为贯彻可持续发 展战略的一个重要方面。我国的建筑节能始自 20 世纪 80 年代，以 1986 年颁布的居 住建筑节能设计标准 jgj 2686（第一阶段）为标志。从那时起， 国家陆续颁布了居住建筑节能设计标准 jgj 2695（第二阶段） 和 jgj 262010 （第三阶段） 以及公共建筑节能设计标准 gb501892005。山西省在建筑节能方面也做了大量的工作。根据国家三阶段节能的构想，为了同国家标准配套实施，山西省也陆 续颁布了建筑节能采暖居住部分和公共建筑节能设计标准细 则。它们分别为：dbj 04-20391，dbj 04-2161999，dbj 04-2162006 和 dbj 04-2412006 以及既有建筑改造等标准。在这一系列的标准中，无一例外将建筑外围护结构的保温作为核 心内容。44444444444444444444444444444444444444444平均值的标准离差值等于0.0128，对采矿来说这个离差值以下岩层或受重复采动影响；三是积水区内没有大量的煤柱或是精确的。（2）水砂充填法。水砂充填的积水系数 k 等于在上覆岩层影 响下工作面受到压缩的充填砂之出水率 乘以岩层厚度 m 和已 采过煤层的原来厚度 m0 之比，即：km/m0根据实验室试验结果，最后确定回归方程的形式如下：开采边界。5结语由于煤矿采空区积水的隐蔽性，同时还受所属地区地质条 件、人为采动、留置时间等多种因素的制约，使采空区积水的预 测很难得到准确的结果。因此，在预测煤矿采空区积水时，应根 据煤矿实际情况，采用多种方法综合分析研究，选择比较合适的 计算参数，使计算结果更接近于实际。参考文献1 狄效斌.同忻井田采空区积水贮存分布特征及突水预测j.水文地质工程地质，2007（3）：2427.2 张壮路，闫显运，姜茂武.废弃矿井采空区积水过程分析j.陕西煤炭，2004（1）：1213.3 李思标，孔令珍.用地表下沉量预计采空区积水量j.山东 煤炭科技，1998（3）：6162.4 熊崇山，王家臣.矿井采空区积水量的研究j.矿业安全与 环保,2005，32（2）：1011.（责任编辑：戚米莎）第一作者简介：王春海，男，1977 年 6 月生，2002 年毕业于 太原理工大学煤矿开采专业，助理工程师，山西焦煤霍州煤电集 团李雅庄煤矿地测科，山西省霍州市，031400. （下转第 154 页）145k1.673d10ee0.716 0.329u 0.041 7p式中：d10 是有效粒径；u 是均匀系数；p 是矿山压力，mpa。根据试验，,粒度组分参数平均值为:d100.21u2.09则 k 值可用下面公式估算:k0.275e0.014 7p4.2.2.2 利用地表沉降量确定 k 值k 值的大小与采煤方法、采出率、煤层倾角、顶底板岩性及其 碎胀程度、采后间隔时间等因素有关，这些因素综合作用的结果 都集中且直观地表现在地表沉降上。一般在缓倾斜煤层中，用走 向长壁法采煤，推进速度均匀。采空区稳定后,充水系数与地表最 大下沉量 h 的关系式为：k1h/m上式的适用条件：一是在充分采动后，岩移达到稳定时，地 表出现明显的下沉盆地；二是煤层上覆岩层为易垮落中等稳定赵永飞 加强瓦斯治理 杜绝事故发生本刊 e-mail:bjbsxinfonet实践与创新巷瓦斯体积分数平均为 0.65%，工作面抽放混量为 55 m3/min，平均抽放体积分数为 40%，工作面瓦斯涌出总量平均为 33 m3/min， 其中风排量 11 m3/min，抽放量 22 m3/min。矿井设置内部瓦斯报 警值为 0.68%，内部断电值为 0.88%（外报/断值不变，仍按 1%管 理），工作面无法正常组织生产，瓦斯问题严重制约了矿井的安 全生产。经矿领导研究决定，在工作面回风巷新安装一趟 d280 mm 瓦斯抽放管，附近进风横川中安装一台 byj60/90 型抽放泵， 对工作面上隅角瓦斯进行埋管抽排，将工作面上隅角瓦斯抽排 至矿井西一回风巷（主要回风巷），并在排放口上风侧 5 m 和下 风侧 30 m 处设置栅栏，下风侧栅栏外安装瓦斯传感器，其报警、 断电值为 0.85%，解决工作面回风巷瓦斯超限问题。该方法是将 抽放管放在巷道底板上，每隔 18 m 安装一个正三通，三通上面 安装一根短接，三通口离顶板控制在 200 mm300 mm，每隔 1 m 对抽放管进行一次保护，当三通进入采空区时，用木垛对三通进 行保护，防止矸石垮落砸坏三通。本方法设计抽排瓦斯混量为60 m3/min，抽排体积分数为 3%，抽排量为 1.8 m3/min。工作面使 用该方法后，有效地降低了回风巷瓦斯超限次数。抽放效果：使用前，工作面配风量 1 700 m3/min，上隅角瓦斯 体积分数 0.5%0.8%，回风巷瓦斯体积分数 0.6%0.7%，风排瓦 斯量 11 m3/min，抽放量 22 m3/min，瓦斯涌出总量 33 m3/min。工作 面无法正常组织生产。使用后，工作面配风量 1 700 m3/min，上隅角瓦斯体积分数0.4%0.8%，回风巷瓦斯体积分数 0.4%0.6% ，风排瓦斯量 10 m3/min，抽放量 24 m3/min（其中包括 1.8 m3/min 埋管抽排量），瓦 斯涌出总量 34 m3/min。采用该方法有效地降低了 93310 采煤工作面回风巷瓦斯浓度超限的次数，能够保证该工作面的安全生产。缺点：使用成本高，抽放浓度不高，需要的抽放量大，解决瓦 斯能力有限。2结论评价及建议（1）实施瓦斯抽放是治理瓦斯超限的根本办法。通过以上几 个采煤工作面的瓦斯治理过程和工作面的瓦斯治理参数，我们 认识到瓦斯抽放是从源头上治理瓦斯灾害的治本之策和关键之 举，瓦斯治理工作只有加大投入，采取以抽放为主，其他方法为 辅的综合治理措施，才能取得良好的效果。所以当前要做的就是 要主动治理，早期投入，变被动的治理瓦斯为主动进行抽放瓦 斯。（2）要不断研究瓦斯抽放的合理参数，在实践中进行总结和 提高。寺河矿二号井在瓦斯抽放方面还只是处于实验和摸索阶 段，大量的合理参数只有从实践中进行总结。瓦斯抽放理论是相 同的，但由于矿井的地质条件、煤层埋藏条件等不一样，所以我 们必须探索符合本矿井的各种抽放参数，以进一步改进抽放设 计和提高瓦斯抽放效果，确保工作面安全生产。（责任编辑：薛培荣）第一作者简介：赵永飞，男，1982 年 10 月生，2002 年毕业于 晋东南煤校计算机及应用专业，助理工程师，晋城煤业集团寺河 矿，山西省晋城市，048019.preventing the accident through strengthening the gas treatmentzhao yong-feiabstract: this paper introduces the gas treatment in the coal face of no.2