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煤矿水害基本特征及防治对策梁道富 贵州大方煤业有限公司 矿井水灾防治目录 第一节基本概念及理论概述第二节矿井防治水第三节矿井突水事故处理 第一节基本概念及理论概述主要内容 一 矿井水灾及其对生产的影响二 矿井充水程度指标三 矿井水灾发生必须具备的基本条件四 矿井水灾的影响因素五 造成矿井水灾的主要原因 矿井水对生产的影响主要表现在以下几方面 1 由于矿井水在采掘工作面可出现淋水 使空气湿度明显增加 顶板破碎 对劳动条件及生产效率影响很大 2 由于矿井水的存在 在生产中必须进行排水 水量越大 排水费用越高 势必增加煤炭生产成本 3 矿井水对各种金属设备 钢轨和金属支架等 均有腐蚀作用 这就缩短了生产设备的使用寿命 4 当井下突然涌水或其水量超过矿井排水能力时 则会给生产带来严重影响 一 矿井水灾及其对生产的影响 二 矿井充水程度指标 生产矿井常用含水系数 KB 或矿井涌水量 Q 两个指标来表示矿井充水程度 1 含水系数含水系数又称富水系数 它是指生产矿井在某时期排出水量Q m3 与同一时期内煤炭产量P t 的比值 即矿井每采1t煤的同时 需从矿井内排出的水量 含水系数KB的计算公式为 KB Q P 4 1 1 根据含水系数的大小 将矿井充水程度划分为以下4个等级 充水性弱的矿井 KB10m3 t 2 矿井涌水量矿井涌水量是指单位时间内流入矿井的水量 用符号Q表示 单位为m3 d m3 h m3 min 根据涌水量大小 矿井可分为以下4个等级 涌水量小的矿井 Q15m3 min 3 矿井突水点突水量等级划分其等级标准是 小突水点涌水量 Q 1m3 min 中等突水点涌水量 1m3 min30m3 min 三 矿井水灾发生必须具备的基本条件 图4 1 1煤矿常见的水源 1 大气降水 图4 1 2 图4 1 2自然界中水的循环 2 地表水 地球表面江 湖 河 海 水池 水库等处的水均为地表水 它的主要来源是大气降水 也有的来自地下水 煤矿在开采浅部煤层时 地表水经过有关通道会进入煤矿井下 形成水患 给生产和建设带来灾害 3 潜水 埋藏在地表以下第一个隔水层以上的地下水 图4 1 3 称为潜水 图4 1 3潜水1 潜水面 2 潜水层 3 第一隔水层 0 0 基准面 测量高程水准面 4 承压水 处于两个隔水层中间的地下水 称为承压水 或称自流水 如图4 1 4所示 图4 1 4承压水1 含水层 2 隔水层 3 地下水流向 4 自流井 5 喷泉 6 断层 a 补给区 b 承压区 分布区 c 排泄区 0 0 基准面 测量水准面 H 静止水位 P 承压水头 5 老空积水 已经采掘过的采空区和废弃的旧巷道或溶洞 由于长期停止排水而积存的地下水 称为老空积水 6 断层水 处于断层带中的水 称为断层水 2 矿井水灾的通道水源与煤矿井下巷道等工作场所的通道是多种多样的 主要有 1 煤矿的井筒 2 断层裂隙 3 采后塌陷坑 4 石灰岩溶洞陷落柱 5 古井老塘及封堵不严的钻孔 四 矿井水灾的影响因素 影响水源进入矿井井巷造成水灾的因素可分为自然的和人为因素 一 自然因素1 地形 盆形洼地 降水不易流走 大多渗入井下 补给地下水 容易成灾 2 围岩性质 围岩为松散的砂 砾层及裂隙 溶洞发育的硬质砂岩 灰岩等组成时 可赋存大量水 这种岩层属强含水层或强透水层 对矿井威胁大 围岩为孔隙小 裂隙不发育的粘土层 页岩 致密坚硬的砂岩等 则是弱含水层或称隔水层 对矿井威胁小 当粘土厚度达5米以上时 大气降水和地表水几乎不能透过 3 地质构造 地质构造主要是褶曲和断层 4 充水岩层的出露条件和接受补给条件 充水岩层的出露条件 直接影响矿区水量补给的大小 充水岩层的出露条件包括它的出露面积和出露的地形条件 二 人为因素1 顶板塌陷及裂隙 2 老空积水 3 未封闭或封闭不严的勘探钻孔 五 造成矿井水灾的主要原因 总结过去发生的矿井水灾 往往是安全思想不牢 思想麻痹 从而情况不明 措施不当所致 其主要原因可归结如下几个方面 1 地面防洪 防水措施不当或管理不善 地表水大量灌入井下 造成水灾 2 水文地质情况不清 井巷接近老空积水区 充水断层 陷落柱 强含水层以及打开隔离煤柱 未执行探放水制度 盲目施工 或者虽然进行了探水 但措施不当 3 井巷位置设计不当 4 施工质量低劣 致使矿井井巷严重塌落 冒顶 跑砂 导致透水 5 乱采乱掘 破坏防水煤岩柱造成突水 6 测量错误 导致巷道穿透积水区 7 无防水闸门或虽有而管理 组织不当 造成透水时无作用而淹井 8 排水设备能力不足或机电事故造成 9 排水设施平时维护不当 如水仓不按时清挖 突水时煤 岩块堵塞水井 致使排水设备失去效用而淹井等 第二节矿井防治水主要内容 一 地面水防治技术二 井下防治水技术 一 地面水防治技术 地面防水是指在地表修筑各种防排水工程 防止或减少大气降水和地表水渗入矿井 1 慎重选择井筒位置2 河流改道3 铺整河底4 填堵通道5 挖沟排 截 洪6 排除积水7 加强雨季前的防汛工作 二 井下防治水技术 一 做好矿井水文观测与水文地质工作水文地质工作是各项防治水工作的基础和依据 1 做好水文观测工作 1 收集地面气象 降水量与河流水文资料 流速 流量 水位 枯水期 洪水期 查明地表水体的分布 水量和补给 排泄条件 查明洪水泛滥对矿区 工业广场及居民点的影响程度 2 通过探水钻孔和水文地质观测孔 观测各种水源的水压 水位和水量的变化规律 分析水质等 3 观测矿井涌水量及季节性变化规律等 2 做好矿井水文地质工作查明矿井水源和可能涌水的通道 为防治水提供依据 为此必须 1 掌握冲击层的厚度和组成 各分层的透水 含水性 2 掌握断层和裂隙的位置 错动距离 延伸长度 破碎带范围及其含水和导水性能 3 掌握含水层与隔水层数量 位置 厚度 岩性 各含水层的涌水量 水压 渗透性 补给排泄条件及其到开采矿层的距离 勘探钻孔的填实状况及其透水性能 4 调查老窑和现采小窑的开采范围 采空区的积水及分布状况 观测因回采而造成的塌陷带 裂隙带 沉降带的高度及采动对涌水量的影响 5 在采掘工程平面图上绘制和标注井巷出水点的位置及水量 老窑积水范围 标高和积水量 水淹区域及探水线的位置 二 井下探水井下探放水是防止水害的重要手段之一 有疑必探 先探后掘 是防止井下水害的基本原则 当采掘工作面遇到下列情况之一时 必须探水 确认无突水危险后 才能前进 接近水淹井巷 老空 老窑或小窑时 接近含水层 导水断层 陷落柱时 接近可能出水钻孔和各类防水煤柱时 接近可能与地表水体相通的断裂破碎带或裂隙发育带时 上层采空区积水 在两层间垂直距离小于采高40倍或巷高10倍的下层采掘工作以及采掘工作面有明显出水征兆时 接近有水或稀泥的灌浆区时 接近其它可能出水地区时 1 探水起点的确定为了保证采掘工作和人身安全 防止误穿积水区 在距积水区一定距离划定一条线作为探水的起点 此线即为探水线 如4 2 1所示 图4 2 1积水线 探水线和警戒线 积水线 即积水区范围线 在此线上应标注水位标高 积水量等实际资料 警戒线 积水线外推60m计算警戒线 一般用红色表示 探水线 应根据积水区的位置 范围 地质及水文地质条件及其资料的可靠程度 对探水线有如下规定 对本矿井采掘工作造成的老空 老巷 硐室等积水区如边界确定 水文地质条件清楚 对本矿井的积水区 虽有图纸资料 但不能确定积水区边界位置时 探水线至推断积水区边界的最小距离不得小于60m 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 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小距离不得小于60m 石门揭开含水层前 探水线至含水层最小距离不得小于20m 2 探水钻孔的布置方式探水钻孔布置原则是它既要保证安全生产 又要确保不遗漏积水区 还要求探水工程量最小 l 探水钻孔的主要参数确定探水钻孔的主要参数有超前距 帮距 密度和允许掘进距离 1 超前距 如图4 2 2所示 图4 2 2探水钻孔的主要参数示意图 2 允许掘进距离 经探水证实无水害威胁 可安全掘进的长度称允许掘进距离 3 帮距 为使巷道两帮与可能存在的水体之间保持一定的安全距离 即呈扇形布置的最外侧探水孔所控制的范围与巷道帮的距离 4 钻孔密度 孔间距 它指允许掘进距离终点横剖面上 探水钻孔之间的间距 2 探水孔布置方式 1 扇形布置 巷道处于三面受水威胁的地段 要进行搜索性探放老空积水 其探水钻孔多按扇形布置 如图4 2 3所示 图4 2 3扇形探水钻孔 2 半扇形布置 对于积水区肯定是在巷道一侧的探水地区 其探水钻孔可按半扇形布置 如图图4 2 4所示 图4 2 4半扇形探水钻孔 3 探水与掘进之间的配合井下受水威胁的地段 探水必须与巷道掘进施工管理密切配合 才能取得良好的防治效果 主要配合方式有 1 双巷配合掘进交叉探水 如图4 2 5所示 图4 2 5上山巷道探水掘进施工方式 2 双巷掘进单巷超前探水 3 平巷与上山配合探水 如图4 2 6所示 图4 2 6平巷与上山互相配合探水 4 隔离式探水 如图4 3 7所示 图4 2 7利用石门探水和墙外探水a一石门探水 b一墙外探水 4 探水钻孔的安全装置如图4 2 8所示 图4 2 8放水钻孔孔口安全装置1一钻杆 2一 150钻孔 3一水泥 4一筋条 5一 89钢管 6一水压表 7一水阀门 5 探放水作业安全要点井下探放水作业直接与水害作斗争 不仅关系到探放水人员的安全 也关系到探放水地段甚至全矿的安危 为此 要按照 规程 的有关规定 在安钻探水前后 严格遵守下列事项 1 加强钻孔附近的巷道支架 背好顶帮 在工作面迎头打好坚固的立柱和拦板 并清理巷道浮煤 挖好排水沟 2 在打钻地点或其附近安设专用电话 3 确定主要探水钻孔的位置时 应由测量和负责探水人员亲临现场 4 打钻探水时 要时刻观察钻孔情况 发现煤层疏松 钻杆推进突然感到轻松 或顺着钻杆有水流出来 超过供水量 都要特别注意 5 钻眼内水压过大时 应采用反压和防喷装置的方法钻进 必要时还应在岩石坚固地点砌筑防水墙 然后方可打开钻眼放水 三 疏放排水根据不同类型的水源 可采取不同的疏放水方法与措施 1 疏放含水层水1 地面打钻抽水在地面打钻利用潜水泵或深井泵抽排 以降低地下水位 它适合于埋藏较浅 渗透性良好的含水层 抽水钻孔可采取环状孔群和排状孔群两种布置方式 1 环状孔群 如图4 2 9所示 图4 2 9环状孔群1 疏水前水位 2 疏水后水位 图4 2 10排状孔群 2 排状孔群 如图4 2 10 2 巷道疏水 图4 2 11巷道疏水 1 疏放顶板含水层如果煤层直接顶板为水量和水压不大的含水层 常把采区巷道或回采工作面的准备巷道提前开拓出来 图4 2 11 在利用采准巷道疏放顶板水时 应注意以下两点 A 采准巷道提前掘进的时间 应根据疏放的水量和速度而定 超前的时间过长会影响采掘计划平衡 造成巷道长期闲置 有时会增加巷道维修工作量 如果超前时间太短又会影响疏放地下水的效果 B 当疏放强含水层的顶板水时 应视水量的大小 要考虑是否要扩大水仓容量和增加排水设备 2 疏放底板含水层当煤层的直接底板是强充水含水层时 可考虑将巷道布置在底板中 利用巷道直接疏放底板水 图4 2 12所示 图4 2 12底板含水层中的疏放水巷道1一灰岩原始水位 2一疏放水巷道 3一石灰岩含水层 4一石门 3 井下钻孔疏水 1 疏放煤层顶板水在煤层上部含水层的水量与水压较大时 为了避免回采后顶板突水 其方式有如下3种 图4 2 13丛状布置钻孔 A 在巷道中每隔一定距离向顶板打钻孔 使顶板水逐渐泄入巷道 通过排水沟向外排出 B 在巷道中群孔放水 如图4 2 13所示 C 立井泄放孔 如图4 2 14所示 图4 2 14打入式过滤管1一导水管 2一真空装置 3一导水渠 2 疏放煤层底板水 防止底板突水的途径主要有两个方面 一方面是加强底板岩层抵抗破坏的能力 另一方面是设法减少地下水的破坏能力 其措施是在底板布置钻孔 图4 2 15 疏水降压 图4 2 15底板排状钻孔1 静水位 2 降落曲线 3 疏水孔 如图4 2 16所示 图4 2 16巷道隔水底板安全水头 2 疏放老空水 1 直接放水 2 先堵后放 3 先放后堵 4 用煤柱或构筑物暂先隔离 3 疏放水时的安全注意事项 1 探到水源后 在水量不大时 一般可用探水钻孔放水 水量很大时 需另打放水钻孔 2 放水前应进行放水量 水压及煤层透水性试验 并根据排水设备能力及水仓容量 拟定放水顺序和控制水量 避免盲目性 3 放水过程中随时注意水量变化 出水的清浊和杂质 有无有害气体涌出 有无特殊声响等 4 事先定出人员撤退路线 沿途要有良好的照明 保证路线畅通 5 为防止高压水和碎石喷射或将钻具压出伤人 6 排除井筒和下山的积水前 必须有矿山救护队检查水面上的空气成分 发现有害气体 要停止钻进 四 截水1 防水煤 岩 柱的留设凡是煤层与含水层或含水带的接触地段 预留一定宽度的煤层不采 使工作面与地下水源或通道保持一定距离 以防止地下水流入工作面 留下不采的煤柱 称为防水隔离煤柱 防水隔离煤柱的种类有 井田边界防水隔离煤柱以及预防断层 废弃井巷 充水含水层 岩溶陷落柱的防水煤柱等 确定防水煤柱的尺寸 是一个相当复杂的问题 至今还没有十分完善合理的方法 目前 在煤矿生产中确定防水煤柱尺寸 主要采用以下方法 1 经验比拟法 此法在目前使用广泛 选用水文地质条件相似的经验数据 作为留设设计防水煤柱的尺寸 1 当煤层露头直接被疏松含水层掩盖时 如图4 2 17a所示 2 煤层受断层切割直接与充水强含水层接触时 安全防水煤柱宽度应不小于20米 如图4 2 17b所示 3 当煤层因受逆断层切割而被强含水层掩盖时 留设煤柱应考虑煤层开采后的塌陷裂隙 最好不要波及到上部的强含水层 如掩盖宽度为L米 其断层下盘防水煤柱的宽度要大于L米 如图4 2 17c所示 4 当巷道接近导水断层时 应留设30 40米防水煤柱 如图6一11d所示 图4 2 17留设防水煤柱的经验尺寸 2 分析计算法此种方法是利用理论和经验公式来计算防水煤柱的尺寸 下面分为3种情况加以介绍 1 煤层直接和强含水层 导水断层相接触 图4 2 17b d 煤层顶底板岩层无突水可能 即防水煤柱主要是顺层受压时 常用以下公式计算煤柱宽度 仅考虑抵抗水压力 4 2 1 图4 2 18低角度断层使煤层与强含水层接近 2 低角度断层使煤层底板岩层与强含水层接触 如图4 2 18所示 此时 防水煤柱除了承受水的顺层压力作用外 还要承受底板方向的压力作用 图4 2 20水闸墙1 截槽 2 水压表 3 放水管 4 保护栅栏 5 细管 水闸墙的构造如图4 2 20所示 2 水闸墙 防水墙 水闸墙分为临时性和永久性的两种 在水压很大时 则采用多段水闸墙 如图4 2 21所示 图4 2 21多段水闸墙 建筑水闸墙时要注意以下事项 1 筑墙地点的岩石应坚固 没有裂缝 必要时必须将风化松软或有裂隙的岩石除去 然后筑墙 2 要有足够的强度 能承受涌水压力 为此 应有足够的厚度 选用耐腐蚀的材料 3 不透水 不变形 不位移 为此 墙基与围岩要紧密结合 4 平面形水闸墙在水压的反面可能产生拉力 而料石墙是不可能承拉的 故料石平面水闸墙之厚一般不得小于巷道宽度之半 3 防水闸门 1 防水闸门位置的选择防水闸门的位置选择适当与否 是水闸门能否起到应有作用的关键 一般应考虑以下几方面问题 防水闸门应设置在对水害具有控制作用的部位和井下重要设施部位 如井底车场出入口处 能使水害控制在尽可能小的范围内 并考虑即使水害发生后能恢复生产及绕过事故地点开拓新区 防水闸门应设置在不受邻近采动影响的地点 以免破坏防水闸门的结构和修筑地点围岩的隔水性和稳定性 防止水闸门关闭后高压水通过裂缝外泄 尽量避免在较弱岩层或煤层内砌筑 应建在围岩稳定性与隔水性好的地段 要求围岩硬度系数必须大于4 2 防水闸门的分类从闸门的结构分有平板型 圆弧拱形和球面拱形等 如图4 2 22 图4 2 23 图4 2 24 五 矿井注浆堵水注浆堵水就是将配制的浆液压入井下岩层空隙 裂隙或巷道中 使其扩散 凝固和硬化 1 当涌水水源与强大水源有密切联系 单纯采用排水的方法不可能或不经济时 2 当井巷必须穿过一个或若干个含水丰富的含水层或充水断层 如果不堵住水源将给矿井建设带来很大的危害 甚至不可能掘进时 3 当井筒或工作面严重淋水时 为了加固井壁 改善劳动条件 减少排水费用等 可采用注浆堵水 4 某些涌水量特大的矿井 为了减少矿井涌水量 降低常年排水费用 也可采用注浆堵水的方法堵住水源 5 对于隔水层受到破坏的局部地质构造破坏带 除采用隔离煤柱外 还可用注浆加固法建立人工保护带 第三节矿井突水事故处理主要内容 一 矿井水灾征兆二 矿井突水的应急措施三 水灾处理的一般原则四 矿山救护队处理透水事故的行动要点五 抢救长期被困在井下的避难人员时应注意的问题六 矿井水灾时期井下避难人员生存条件的分析七 恢复被淹矿井的方法及安全措施 一 矿井水灾征兆 1 与承压水有关断层水突水征兆 1 工作面顶板来压 掉渣 冒顶 支架倾倒或折断柱现象 2 底软膨胀 底鼓张裂 这种征兆多随顶板来压之后发生 且较普遍 3 先出小水后出大水也是较常见的征兆 由出小水至出大水 时间长短不一 据统计由1 2小时至20 30天不等 4 采场或巷道内瓦斯量显著增大 这是因裂隙沟通 增多所致 2 冲积层水突水征兆 1 突水部位岩层发潮 滴水 且逐渐增大 仔细观察可发现水中有少量细砂 2 发生局部冒顶 水量突增并出现流砂 流砂常呈间歇性 水色时清时混 总的趋势是水量砂量增加 直到流砂大量涌出 3 发生大量溃水 溃砂 这种现象可能影响至地表 导致地表出现塌陷坑 3 老空水突水征兆 1 煤层发潮 色暗无光 2 煤层 挂汗 煤层一般为不含水和不透水 若其上或其他方向有高压水 则在煤层表面会有水珠 似流汗一样 3 采掘面 煤层和岩层内温度低 发凉 4 在采掘面内若在煤壁 岩层内听到 吱吱 的水呼声时 表征因水压大 5 老空水呈红色 含有铁 水面泛油花和臭鸡蛋味 口尝时发涩 若水甜且清 则是 流砂 水或断层水 遇到矿井突水时 可采取以下应急措施 l 发现有人被堵井下时 各级领导应首先制定营救措施 2 立即通知泵房人员加大排水力度 将水仓水位降到最低程度 争取较长的缓冲时间 3 检查所有排水设施和输电线路 了解水仓现有容量 派人清挖水沟 4 水文地质人员应测量涌水地点 涌水量大小及其变化 记录围岩及巷道破坏变形状况 察看观测孔 水井 水位和泉 河 地表水体的变化 5 检查防水闸门关闭是否灵活 严密 并清除淤渣 拆除短轨和架空线 派专人看守 待命关闭 6 在查明地面水体与突水有关联时 应迅速派人进行堵塞 减少补给量 二 矿井突水的应急措施 7 当排水能力负担不了涌水量时 可因地制宜 采取将涌水引入下山巷道 筑坝蓄水 关闭防水闸门 以延长缓冲时间 争取时间增加排水设备 保住矿井 8 当采取上述措施仍不能阻挡淹井时 井下人员应迅速向安全口撤退 安全出井 三 水灾处理的一般原则 1 必须了解突水的地点 性质 估计突出水量 静止水位 突水后涌水量 影响范围 补给水源及有影响的地面水体 2 掌握灾区范围 如事故前人员分布 矿井中有生存条件的地点 进入该地点的可能通道 以便迅速组织抢救 3 按涌水量组织强排 发动群众堵塞地面补给水源 排除有影响的地表水 必要时可采用灌浆堵水 4 加强排水和抢救中的通风 切断灾区电源 防止一切火源 防止沼气和其它有害气体积聚 5 排水后侦察 抢险中 要防止冒顶和二次突水 6 搬运和抢救人员 要防止突然改变伤员已适应的环境和生存条件 以造成伤亡 1 接到事故电话后 迅速赶到事故矿井 弄清突水情况和灾区范围 克服畏难情绪 参加制定抢救方案 2 根据井下水位及涌水量 利用一切可能进入的通道 迅速引出灾区避难人员 3 人员必须通过局部积水巷道时 在积水位不高 距离不长的情况下 应选择熟悉水性的队员配用呼吸器通过 4 避难人员被水 砂 泥堵在巷道内难以接近时 应利用一切可能条件并设法接近他们 5 禁止由下往上进入突水点或被水 砂 泥堵塞的小眼 上山 防止二次突水或突泥砂 四 矿山救护队处理透水事故的行动要点 6 在寻找避难人员时 应细心观察 注意有规律的敲击声 7 组织排水时 应切断电源 加强通风 排除沼气和其它有害气体 并随时检查有害气体 防止火源产生 8 抢救人员通过淤泥 积砂的巷道时 应铺设木板 在木板上行进 以防止人员陷入泥砂中 9 在排水过程中 应尽可能分段恢复通风 排除有害气体