矿井水灾防治4.doc

第四章 矿井水灾防治煤矿在建设和生产过程中，常常受到水的危害，轻则影响生产，给管理带来困难，重则淹井伤人，往往会造成严重经济损失甚至人身伤亡事故。我国是世界主要产煤国受水害危害最严重的国家之一，开滦范各庄矿1984 年特大突水事故最大涌水量高达2053 m3/min ，为有记载的世界采矿史上突水水量之最，造成经济损失近5 亿元，损失煤炭产量近8.5 Mt 。据统计，目前受水害威胁的矿井约占国有重点煤矿矿井总数的48以上。本章在介绍矿井水文地质有关基本理论的基础上，重点介绍矿井水灾防治技术及矿井水灾的处理。第一节 基本概念及理论概述一、矿井水灾及其对生产的影响在矿井建设与生产过程中，矿区内的大气降水、地表水、地下水通过各种通道涌入井下的水称为矿井涌水。我们把矿井涌水量超过矿井正常的排水能力，影响矿井安全生产、增加吨煤成本和使矿井局部或全部被淹没的矿井涌水事故，统称为矿井水灾。通常，煤矿水灾由于来势猛、水量大，在正常生产中突然发生，一旦防范不力或排水能力不足时，往往会造成较大的损失和危害。因此，矿井水灾主要是指矿井突水（透水），即煤矿在正常生产中突然发生的涌水现象。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）矿井水对各种金属没备、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，轻者可造成矿井局部停产，重者则可造成全矿被淹。此外，一些矿井由于受水威胁，煤层开采时，不得不留设相当规模的安全煤柱；甚至有的井田煤层情况虽然理想，适合开采，但是由于水文地质条件复杂，一时也难以建井和生产，直接影响煤炭资源的开采和利用。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：KB 10 m3t 。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m3d 、m3h、m3min。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：Q 15 m3min。3. 矿井突水点突水量等级划分矿井突水的突水量大小差异很大，对矿井的危害程度也不相同。根据我国矿井突水情况，1984 年5 月,煤炭工业部对矿井突水点突水量做了等级划分。其等级标准是：小突水点涌水量：Q1m3min； 中等突水点涌水量：1 m3min Q 10 m3min ；大突水点涌水量：10 m3min 30m3min。 三、矿井水灾发生必须具备的基本条件2p56-58矿井水灾发生必须具备的两个基本条件:一是必须有充水水源，二是必须有充水通道。两者缺一不可，所以说要避免矿井水灾的发生，只需切断上述两个条件或其中一个条件即可。图4-1-1 煤矿常见的水源1.水源造成矿井水害的水源主要有大气降水、地表水、地下水（含水层水、岩溶陷落柱水、断层水、以及旧巷或老空区积水等）。如图4-1-1 所示。（1）大气降水。从天空降到地面的雨和雪、冰、雹等溶化的水，称为大气降水。大气降水，一部分再蒸发上升到天空；一部分留在地面，即为地表水；另一部分流入地下，即形成地下水。大气降水、地表水、地下水，实为互相补充，互为来源，形成自然界中水的循环（图4-1-2 ）。图4-1-2 自然界中水的循环图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）（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。潜水一般分布在地下浅部第四纪松散沉积层的孔隙和出露地表的岩石裂隙中,主要由大气降水和地表水补给。潜水不承受压力，只能在重力作用下由高处往低处流动。但潜水进入井下，也可能形成水患。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（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。承压水具有压力，能自喷。自流井和喷泉都是承压水形成的。煤矿地层中，石灰岩裂隙及溶洞中的水为承压水，它具有很大的压力和水量，对煤矿生产威胁极大。（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。它很像一个“地下的水库”，一旦巷道或回采工作面接近或沟通了积水老空区，则会发生水灾。老空积水往往带有酸臭味。因此，在井下遇到酸臭味涌水时，要警惕老空积水的危害。（6）断层水。处于断层带中的水，称为断层水。断层带往往是许多含水层的通道，因此，断层水往往水源充足，对矿井的威胁极大。1960 年峰峰一矿，由于断层煤柱尺寸太小，断层水大量涌出，涌水量达150m3/min ，淹没全矿，直到1970 年才恢复生产。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。地表水直接流入井筒，造成淹井事故。地下水穿透井巷壁进入井下，也能给煤矿建设和生产造成重大灾害。（2）断层裂隙。断层带往往是许多地下含水层的通道，有时断层带也与地表水相通，将地表水引入井下。（3）采后塌陷坑。煤层开采后，使上覆岩层产生裂隙，地表发生沉陷，所造成的裂隙可成为大气降水或地表水渗入矿井的良好通道。此外，煤层顶板岩石在回采前为隔水层，但在开采后产生塌陷裂隙，则可成为透水层。（4）石灰岩溶洞陷落柱。石灰岩溶洞顶部岩石破碎垮落，往往形成竖直的通道，当采掘工作接近到此处时，常发生突水事故，造成重大损失。开滦范各庄矿特大透水事故就是此类通道所致。（5）古井老塘及封堵不严的钻孔。历史上采掘遗留下的废弃的井筒和巷道以及地质勘探过程中没封或封的质量不好的钻孔，不但可以形成地下水源，而且可以成为地下水流入矿井的良好通道，将地下水或地表水引入井下巷道中。如：蛟河煤矿六井在1955 年回采工作面接近1953 年打的钻孔时，就造成突水事故，5 个采掘工作面全部被淹没。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。褶曲可影响地下水的储存和补给条件，若地形和构造一致，一般是背斜构造处水小，向斜构造处水大；断层破碎带本身可以含水，而更重要的是断层作为透水通路往往可以沟通多个含水层或地表水，它是导致透水事故的主要原因之一。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。前者限定接受外界补给水量的范围，显然，出露面积愈大，则吸收降水和地表水的渗入量就愈多，反之则少；后者指出露的位置、地形的坡度及形态等，它关系到补给水源的类型和补给渗入条件。（二）人为因素1. 顶板塌陷及裂隙。煤层开采后形成的塌陷裂缝是地表水进入矿井的良好通道。如淮南某矿由于地表塌陷区的积水突然涌入矿井，使涌水量达13443853 m3昼夜。2. 老空积水。废弃的古井和采空区常有大量积水。 3. 未封闭或封闭不严的勘探钻孔。地质勘探工作完毕后，若钻孔不加封闭或封闭不好，这些钻孔便可能沟通含水层，造成水灾。肥域矿务局陶阳矿，在未封闭钻孔前，全矿涌水量曾达855 th 。封闭18个钻孔后，全矿总涌水量减少到163.28 th 。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。如将井巷置于不良地质条件中或过分接近强含水层等水源，导致施工后因地压和水压共同作用而发生顶、底板透水；(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。对于以降水和地表水为主要水源的矿井，地面防治水尤为重要，是矿井防水的第一道防线。根据矿区不同的地形、地貌及气候，应从下列几方面采取相应的措施。1. 慎重选择井筒位置井口（平硐口）和工业广场内主要建筑物的标高应在当地历年最高洪水位以上。在特殊情况下，确难找到较高的位置或需要在山坡上开凿井筒时，必须在井口来水方向修筑坚实高台，并在其附近修筑可靠的泄水沟和拦水堤坝，以防暴雨、山洪从井口灌入井下，造成灾害。2河流改道在矿井范围内有常年性河流流过且与矿井充水含水层直接相连、河水渗漏是矿井的主要充水水源时，可在河流进入矿区的上游地段筑水坝，将原河流截断，用人工另修河道使河水远离矿区。若因地形条件不允许改道，而河流弯曲较多时，可在井田范围内将河道截弯取直，缩短河道流经矿区的长度，以减少河水下渗量。河流改道虽可彻底解除河水透入井下之患，但工程大，费用高，应做技术经济比较后再设计施工。3铺整河底矿区内有流水沿河床或沟底裂缝渗入井下时，则可在渗漏地段用粘土、料石或水泥铺垫河底，防止或减少渗漏。如四川南桐煤矿长兴灰岩出露地表且沟谷发育，通过铺整河底，修筑人工河床，雨季时矿井涌水量减少了3050，节省了大量的排水费用。整铺河床防漏的一般做法是：清理河底后铺25 cm 以上黄土（或灰土，由石灰和黄土拌和而成）并压实作垫层，起隔水防漏作用；其上为伸缩层，铺设20 cm砂、石（砂、石比约为3 : 7 ） ，以防止底层翻浆；上层用水泥沙浆及碎石构筑，厚度35 cm以上，能抵御流水冲刷。4填堵通道矿区范围内，因采掘活动引起地面沉降、开裂、塌陷而形成的矿井进水通道，应用粘土、水泥或凝胶予以填堵。对较大的溶洞或塌陷裂缝，其下部充填碎石和砂浆，上部盖以粘土分层夯实，且略高出地面以防积水。5挖沟排（截）洪地处山麓或山前平原区的矿井，因山洪或潜水流渗入井下构成水害隐患或增大矿井排水量，可在井田上方垂直来水方向布置排洪沟、渠，拦截、引流洪水，使其绕过矿区。6排除积水有些矿区开采后引起地表沉降与塌陷，长年积水，且随开采面积增大，塌陷区范围越广，积水越多。此时可将积水排掉，造地复田，消除水害隐患。7加强雨季前的防汛工作做好雨季防汛准备和检查工作是减少矿井水灾的重要措施。矸石、炉灰、垃圾等杂物不得堆放在山洪、河流冲刷到的地方，以免冲到工业广场和建筑物附近，或淤塞河道、沟渠。二、井下防治水技术井下水害来势凶猛，俗有“水老虎”之称。矿井防治水可归纳为“查、探、放、排、堵、截”六个字。（一）做好矿并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。探水线位置的确定必须报矿总工程师批准。采掘到探水线位置时，必须探水前进。（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探水起点的确定图 4-2-1 积水线、探水线和警戒线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。通常将积水及附近区域划分为三条线，即积水线、探水线和警戒线，并标注在采掘工程图上，如 4-2-1所示。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 计委警戒线，一般用红色表示。进入警戒线后必须进行超前探水、边探边掘。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、采空区和巷道受矿山压力破坏等因素确定。进入此线后必须停止掘进，进行探放水。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，水压不超过1MPa 时，探水线至积水区最小距离：煤层中不小于30m ；岩层中不小于20m ；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 ；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；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 。图 4-2-2 探水钻孔的主要参数示意图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。图 4-2-3 扇形探水钻孔（1）超前距。探水时从探水线开始向前方打钻孔，在超前探水时，钻孔很少一次就能打到老空积水，常是探水一掘进一再探水一再掘进，循环进行。而探水钻孔终孔位置应始终超前掘进工作面一段距离，该段距离称超前距。如图 4-2-2所示。在煤层中一般应保持超前距20m，在薄煤层中可缩短，但不得小于8m；在岩层中一般应保持超前距5 10m 。（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。其值应与超前距相同，即帮距一般取20m ，有时帮距可比超前距小 1-2 m。 （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。一般不超过3m ，以免漏掉积水区。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，探水钻孔之间的平面夹角一般为 70 150 ，使巷道掘进方向及左右两侧需要保护的煤层空间均有钻孔控制。（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。半扇形的钻孔向巷道探水的一侧撒开，使巷道一侧需要保护范围内的煤层空间有钻孔控制。图 4-2-4 半扇形探水钻孔探水钻孔布置应考虑地质条件，如煤层走向的变化及夹石分布规律，以免判断错误。钻孔布置应考虑矿井排水能力，巷道坡度及断面等因素。探水孔的直径，应根据水量大小而定，一般为75 mm 。若水量很大，需放水时间很长，可以适当加大孔径或增加孔数。3探水与掘进之间的配合图 4-2-5 上山巷道探水掘进施工方式在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。当掘进上山时，如果上方有积水区存在，巷道受水威胁，一般多采用双巷掘进交叉探水，如图 4-2-5所示。双巷之间大约每隔 50 m左右掘一联络巷，作为安全躲避地点。掘进工作面的探水钻孔应呈扇形布置，其探水方式是一巷探水时，另一巷向前掘进，两巷探水时与掘进相互交叉进行，直至巷道达到设计终点而结束。（2）双巷掘进单巷超前探水。在倾斜煤层中沿走向掘进平巷时，一般是用上方巷道超前探水，探水钻孔呈扇形布置， 图 4-2-6 平巷与上山互相配合探水（3）平巷与上山配合探水。如图 4-2-6所示，如在同一煤层内，上部掘进水平巷道，下部需向上方开掘上山。在这种情况下应先探水掘进平巷，然后再进行上山的施工，这样既可避免上山掘进时突水的危险性，又能减少上山掘进时的探水工作量。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）隔离式探水。如巷道掘进前方的水量大、水压高、煤层松软和裂隙发育时，直接探水很不安全，需要采取隔离方式进行探水。在掘进石门时，可从石门中探放积水，或在巷道掘进工作面预先砌筑隔水墙，在墙外探未，如图4-3-7 所示。另外，当相邻的煤层之间的间距大于20m时，还可采用隔层打孔的方式，探放另一煤层的老空积水。 4探水钻孔的安全装置在探放水工作中，在水量和水压不大时，积水可通过钻孔直接放出，但在探放水量和水压都很大积水区（包括其它水源）时，为了确保安全，做到有计划地放水并取得放水资料，必须在孔口装置安全套管阀门，如图 4-2-8所示，用以控制放水量，并可防止钻孔被水冲刷扩大，在初透积水时，安企套管还可用来测定水头压力。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 一水阀门在孔口安装安全套管时，先用大口径钻头扩孔至一定深度（根据水压大小而定），下套管后，在套管外围灌注水泥，待水泥凝固后再用小直径钻头钻进，直至全部钻透老空为止，然后退出钻具，在安全套管的外露部分装上压力表、水阀门和导水管等。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，探水地点要与相邻地区的工作地点保持联系，一旦出水要马上通知受水害威胁地区的工作人员撤到安全地点。若不能保证相邻地区工作人员的安全，可以暂时停止受威胁地区的工作； ( 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，共同确定钻孔方位、角度、钻孔数目以及钻进深度； ( 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。这些都是接近或钻入积水地点的征兆。遇到这种情况要立即停止钻进，进行检查并由有经验的同志监视钻孔和水情变化。这时还不要随意移动或拔出钻杆，因为移动钻杆，高压水可能把钻杆顶出来，碰伤人员；拔出钻杆，钻孔即为积水流出的通道，钻孔会越冲越大，造成透水事故。如果水量水压较大，喷射较远，必须马上固定钻杆，背紧工作面，加固煤壁及顶底板； ( 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）疏放排水图 4-2-9 环状孔群1疏水前水位；2疏水后水位疏放排水是指在井下布置专门的放水或吸水钻孔，或专门的疏水巷道，有计划、有步骤地降低充水含水层的水位和水压，均衡矿井涌水量，改善井下作业条件，并局部疏干地下水，为煤层开采创造必要的安全条件。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，用于补给水来自四周及开凿立井井筒时，达到预先疏干待掘含水层的目的，为凿井创造无水施工的条件，徐州大屯煤矿建设指挥部曾经采用过这种方法。图 4-2-10 排状孔群（2）排状孔群。当补给方向来自一侧或有集中的补给通道时，可在进水地段垂直水流方向布置排状孔群抽水拦截。广东茂名金塘露天矿曾采用排状抽水孔群与疏水巷道结合的方法，如图4-2-10。2）巷道疏水巷道疏水需要先行探水，摸清水情，预算出涌水量，准备好疏放水泵及防水闸门后，掘进疏水巷道，使其顶板含水层的水通过孔隙或裂隙疏放出来。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，利用“采准”巷道预先疏放顶板含水层水（图 4-2-11）。如山东某矿，其太原群中的第 21 煤层直接顶板为第12 层含水灰岩，为了疏干顶板岩层“12 灰”的水，就充分利用第 21 煤层提前掘出的“采准”巷道进行疏放，等到煤层开采时，采区涌水量减少了 70-80 。除采用“采准”巷道外，也可将疏水巷道直接布置在被疏干的含水层中，以提高疏放效果。例如焦作矿务局的朱村、李封等矿，均将疏水巷道直接布置在煤层顶板L8 灰岩内疏水降压，效果良好。这是一种经济有效的方法，既不需要专门的设备和额外的巷道工程，又能保证疏放水的效果。不过，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。 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。如湖南煤炭坝某矿，开采龙潭组的下层煤，底板为茅口灰岩，它和煤层之间夹有很薄的粘土岩隔水层，原来将运输巷道布置在煤层中，由于水量和水压都较大，所以巷道难以维护。后来将运输巷道直接布置在煤层底板茅口灰岩的岩溶发育带中，图 4-2-12所示，既收到了很好的疏放水的效果，也解决巷道布置在煤层中经常垮落的问题。然而，这种方法只有在矿井具有足够的排水能力时才能使用，否则在强含水层中掘进巷道将是不可能的。3）井下钻孔疏水（1）疏放煤层顶板水图 4-2-13 丛状布置钻孔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，可在计划疏放降压的不突水部位先掘巷道，然后在巷道中每隔适当距离向含水层打钻。预先疏放顶板水，降低水头压力，为采掘工作创造安全条件。其方式有如下3种：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。为了防止井下突然涌水，创造良好的作业条件，必须对煤层顶板水进行大面积疏干，在巷道内布置一系列群孔疏排地下水，如图 4-2-13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C立井泄放孔。建井期间，如有一个井筒已到底，并开凿了车场、硐室，有一定的排水能力，另一井筒尚在掘进，涌水量大、施工困难，这时可从掘进中的井筒向下打泄放钻孔穿透已掘井筒的井底铜室，进行泄放。应该主意的是，井下钻孔疏水，当钻孔穿过含水沙层或承压含水层，孔壁可能塌陷堵塞时，应下筛管。打孔至终孔时立即将打入式过滤器的滤管沿钻孔压入含水层，泄放孔上口应设过滤罩。如图 4-2-14所示。 ( 2 ）疏放煤层底板水图 4-2-15 底板排状钻孔1静水位；2降落曲线；3疏水孔在煤矿采掘中煤层底板是否突水，主要取决于水压的大小与底板岩层的抗张能力，而岩层的抗张能力又和底板岩层厚度、抗张强度及容重有关，凡是水压大 于底板抗张能力的，都要考虑采取措施防止突水。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，其具体技术措施有注浆堵水、留设防水煤柱及保护煤皮等，用以加强底板隔水层的抗张能力；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 4-2-16 巷道隔水底板安全水头对于底板水疏放降压，其方法与疏放顶板水基本相同，即在要疏水降压的地段，在巷道中每隔一定距离，向下打疏干钻孔，从钻孔中抽出底板含水层水，使之形成“降落漏斗”，逐步降低承压含水层的静止水位，从安全角度来说，只要底板的静止水位降到安全水位以下，即可达到防治底板水的目的。可见，安全水位是衡量疏水效果的标志，安全水位用安全水头高度来表示，如图 4-2-16所示。2疏放老空水（1）直接放水。当水量不大，不超过矿井排水能力时，可利用探水钻孔直接放水。（2）先堵后放。当老空区与溶洞水或其他巨大水源有联系，动力储量很大，一时排不完或不可能排完，这时应先堵住出水点，然后排放积水。（3）先放后堵。如老空水或被淹井巷虽有补给水源，但补给量不大，或在一定季节没有补给。在这种情况下，应选择时机先行排水，然后进行堵漏、防漏施工。（4）用煤柱或构筑物暂先隔离。如果水量过大，或水质很坏，腐蚀排水设备，这时应暂先隔离，做好排水准备工作后再排放；如果防水会引起塌陷，影响上部的重要建筑物或设施时，应留设防水煤柱永久隔离。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。放水钻孔直径一般为5075mm ，孔深不大于70m 。（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，发现异状应及时采取措施并报告调度室。（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，在水压过大时，钻进过程应采用反压和防喷装置，并用挡板背紧工作面以防止套管和煤（岩）壁突然鼓出，挡板后面要加设顶柱和木垛，必要时还应在顶、底板坚固地点砌筑防水墙，然后才可放水。防喷装置有多种，用于垂直钻孔的有孔口防喷帽和防喷接头；用于水平或倾斜钻孔的有盘根密封防喷器等。反压、防压装置有垂直钻孔用反压装置及水平或倾斜钻孔用防压控制器。(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，切断电源，撤出人员，采取通风措施冲淡有害气体。（四）截水截水是利用水闸墙、水闸门和防水煤（岩）柱等物体，临时或永久地截住涌水，将采掘区与水源隔离，使某一地点突水不致危及其他地区，减轻水灾危害的重要措施。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、被汽井巷、充水含水层、岩溶陷落柱的防水煤柱等。规程规定：在相邻矿井的分界处，必须留隔离煤柱；如果矿井是以断层为界，也必须在断层两侧留隔离煤柱。隔离煤柱的尺寸应根据相邻两矿的地质构造、水文地质条件、煤层赋存条件、围岩性质、开采方法以及岩层移动等因素，在矿井设计中规定。留设的隔离煤柱需要变动时，必须编制设计，报省（区）煤炭局批准。严禁本矿或小煤矿开采隔离煤柱。井田内有与河流、湖泊、溶洞、含水层等有水力联系的导水断层、裂隙、陷落柱时，必须找出破裂面的确切位置，并按规定留设防水煤（岩）柱。如果巷道必须穿过破裂面，则必须探水前进。如果前方有水，应超前预注浆封堵加固，切断水源，防止滞后透水，必要时可预筑防水闸门。此外在下列情况下需留设隔离煤（岩）柱：煤层位于地表水体或含水层下，而上部水源又无法疏干时；在被淹没井巷的积水面以下进行采掘，在有水或稀泥的灌浆区、有淤泥的旧巷或洞穴附近采掘，而上述积水或淤泥又难以排出时。“规程执行说明”规定，掘进巷道与积水体之间的隔离煤（岩）柱，其最小垂距不得小于巷道掘凿高度的10 倍。井田边界隔离煤柱最小值不应小于20m ，断层各侧的隔离煤柱也不应小于20m 。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。影响煤柱尺寸的因素与水压、煤层本身的强度和水源的位置等有关。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。即根据不同情况。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。图 4-2-17 留设防水煤柱的经验尺寸（1）当煤层露头直接被疏松含水层掩盖时，根据华北地区一些煤矿的经验，冲积层下急倾斜煤层，应留煤柱一般为 80 m，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 3040 米防水煤柱，如图 6 一 11d 所示。 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： ( 4-2-1 )（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）：式中 BC防水煤柱厚度，m；m煤层厚度或采高，m； P煤层所承受的水压，MPa； Kp煤层的抗拉强度，MPa；安全系数，一般取25 。安全系数值的选择，主要考虑断层产状、破碎带的宽度、煤层的强度、水压变化和采动后破坏的情况等因素，如各因素影响较大，则值选取高限。 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。如煤柱尺寸过小，可能引起采空区或巷道底板发生底鼓而突水，使煤柱失效。在这种情况下，应按以下方法计算防水煤柱的尺寸：第一步，先按煤柱本身不因顺层水压而遭受破坏的情况，计算所需煤柱宽度BC ，BC值应用（4-2-1）式求得。式中的P 即为图 4-3-18中的H1 , H1是B点的实际水头压力。（4-2-2）第二步，再用煤层底板岩层不发生突水这一条件来校核煤柱宽度BC值是否安全。其方法是：从煤柱端点 A 作断层的垂线，与断层面交于C点，令。然后，用以下公式计算 C 点的安全水头压力 H安 ：式中 H安一一采空区到断层面底板岩层的距离为 AC 时，所能承受的安全水头压力，MPa；Kp 一煤层底板隔水岩层的抗压强度，MPa， L 最大控顶距（巷道宽度或工作面控顶距），m； t 一一采空区到断层面底板岩层厚度（最小垂直距离AC ) ，m， 煤层底板隔水岩层的岩石容重，tm3 ； 断层倾角。利用公式（4-2-2）求出 C 点H安 以后，再与 C 点 H2（实际水头压力）进行比较，以便进一步核实防水煤柱尺寸的安全程度。当 H安 H2时，说明留设的防水煤柱宽度BC符合安全要求，其底板隔水层，不会因受顺层水压破坏而引起突水。当 H安 H2时为止。（3）顶底板隔水层或断层带隔水层煤柱宽度的确定第一步：确定最小安全岩柱厚度(最小垂直距离 ，如图4-2-19 所示)t可按下式计算：( 4-2-3 ) (4-2-3)式中符号的意义与（4-2-2）式中的标注相同。当采掘工作在隔水层之上进行时，隔水层自重抵消掉一部分水压，故式（12-2-2 ）中取“”号；反之，在隔水层之下时取“”号。第二步：当计算的安全厚度t 小于实际隔水层厚度时，可不留防水煤柱；否则需按岩柱厚度t 、裂隙带高度h 和岩层移动角初步定出的煤柱宽度，具体分如图4-2-19 所示的所示的4种情况。（a）表示与岩柱厚度t相应的露头煤柱宽度BC ；（b）表示断层上盘为含水层时，按t 、h 、确定的煤柱宽度BC ；（c）表示断层下盘有采空区时，按t 、h 、确定的煤柱宽度BC ；图4-2-19 不同条件下的隔水煤柱参数示意图Bc隔水煤柱宽度；t隔水岩柱厚度；岩石移动角；h裂隙带高度（d）表示断层下盘为含水层时，按t 、h 、确定的煤柱宽度BC。第三步：当按岩柱厚度t 、裂隙带高度h 和岩层移动角所定出的煤柱宽度与按煤柱强度算出的煤柱宽度不等时，取其大者。2水闸墙（防水墙）图4-2-20 水闸墙1截槽；2水压表；3放水管；4保护栅栏；5细管水闸墙分为临时性和永久性的两种。临时性水闸墙是在有出水危硷的采掘工作面，备有截堵水的材料，一旦突水就迅速将水截堵在小范围之内，截堵材料多用砂袋、木板等，这种水墙只能起临时抢险的作用；永久性水闸墙是在开采结束后，为了隔绝继续大量涌水的地段而砌筑的永远关闭的挡水建筑物。图4-2-21 多段水闸墙永久性的密闭防水墙是一种重要安全设施，技术复杂，投资较多，必须保证施工质量，砌筑时要使用良好的不透水材料，并与建造地点的岩层紧密结合。水闸墙的构造如图4-2-20所示（纵剖而图）。为了支撑水压，在巷道顶底板和侧壁开凿截口槽 1 ，墙上安有放水管 3 和水压表 2 ，放水管用栅栏 4 加以保护，防止泥沙堵塞。在水闸墙上还安有细管 5 ，以供密闭以后从铃中放出气体。在水压很大时，则采用多段水闸墙，如图4-2-21所示。这种水闸墙的截口槽之间隔有一定距离，以加强其坚固性，并在来水方向伸出锥形混凝土护壁a ，将水压通过护壁传给围岩，以减少渗水的可能性。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。为避免围岩在掏槽时产生裂缝，要用手镐或风镐掏槽而不用炸药。（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。为了防止墙体内因受硫酸钙、碳酸钙或氧化钙反应的影响而遭到破坏，可用铝钙水泥构筑水闸墙与水接触的那部分（厚约2m ）。而且要尽量选择在小断面巷道中筑墙，以减少费用和工时。（3）不透水、不变形、不位移。为此，墙基与围岩要紧密结合。筑墙时应预插注浆管，砌墙后可由注浆管向四周联接处灌入水泥浆，墙基掏槽要呈楔形，以耐水压。（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防水闸门水闸门设置在发生涌水时需要截水，而平时仍需运输行人的巷道内，如在井底车场、井下水泵房和变电所的出入口，以及有涌水影响的采空区之间都应设置水闸门。水闸门平时是敞开的，在需要运输的巷道内，闸门所在的位置，装设有短的活动铁轨，当发生透水时，可迅速将活动铁轨拆除，关闭水闸门。根据 规程 的有关抓定，凡是水文地质条件复杂或有突水淹井危险的矿井，必须在井底车场周围设置防水闸门。在有突水危险的地区，也必须在其附近设置防水闸门方可掘进。（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 ；若必须在煤层中砌筑时，必须掏槽，使闸门身的混凝土结构和基岩结合一体。防水闸门硐室前、后两端，应分别砌筑不小于5m 的混凝土护碹，碹后用混凝土填实，不得有空帮、空顶；防水闸门来水一侧1525m 处，应加设一道挡物蓖子门。防水闸门和蓖子门之间不得停放车辆或堆放杂物。来水时先关蓖子门，后关防水闸门。如果采用双向防水闸门，应在两侧各设一道蓖子门。 闸门应尽量修筑在单轨巷道内，以减少掘进量和水闸门的规模。（2）防水闸门的分类从使用的角度出发，防水闸门可分为临时性和永久性两种。若预计突水量不大，水头压力较小时可修筑临时水闸门，一旦出水可起缓冲作用，争取撤出人员和进一步采取必要措施，当水情加大时及时加固封堵；永久水闸门投资大，施工要求高，只有在保证施工质量前提下，当关闭水闸门后起到封堵水害的作用。防水闸门是由人工启闭的铁门，四周用混凝土加固，并能承受设计水压力，墙内镶有放水管及电缆、电话线管路等组成。水管一端进水并挖有水池，出水口设有阀门与压力表，放水时可观察水压和调整水量，闸门是向来水方向打开。水压高时，需用高压水闸门，构筑时需对四周岩层注浆，并做耐压试验。目前我国矿井所用的防水闸门均为钢制，从门扇数量上分有单扇门和双扇门之分。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 。其中球面拱形水闸门是根据膜型扁壳理论设计的，具有门扇重量轻，抗压能力大，结构合理，技术先进等优点。（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，使岩层具有较高的强度、密实性和不透水性而达到封堵截断补给水源和加固地层的作用，是图4-2-23 单向拱形闸门l门扇；2门框；3门纹；4拉杆；5止水垫料图4-2-22 平板矩形水闸门l门扇；2门框；3门绞；4拉杆；5止水橡皮图4-2-24 球面拱形闸门1门扇；2门框；3门绞；4拉杆；5止水垫料矿井防治水害的重要手段之一。当多个钻孔注浆形成隔水帷幕带时，称帷幕注浆。矿井注浆堵水，一般在下列场合使用（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；对于开采时必须揭露或受开采破坏的含水层，对于沟通含水层的导水通道、构造断裂等，在查明水文地质条件的基础上，可用注浆帷幕截流，建立人工隔水带，切断其补给水源。在注浆堵水工作中，合理选择注浆材料十分重要。它关系到注浆工艺、工期、成本和效果。注浆材料很多，可分为硅酸盐类和化学类浆液两大类。硅酸盐类浆液有单纯水泥浆与水泥-水玻璃（硅酸钠）浆液两种。水泥由于其来源广、价格便宜、强度高，是应用量最大的材料。但水泥浆的初凝时间太长、结石率低，在动水条件下易被冲走。水泥-水玻璃混合浆液的初凝时间可准确控制在几秒钟到十几分钟，结石率可达100 % ，结石体抗压强度可达1020 MPa 。化学类浆液按其主剂品种的不同可分为脲醛树脂类、丙烯酰胺类、聚氨脂类、糠醛树脂类、铬木素类。化学浆液的粘度小，渗透能