矿井水害典型案例分析.ppt

煤矿典型水害案例分析刘峰水文地质工程师注册安全工程师彭庄煤矿地测防治水副总工程师2012年5月 鲁能菏泽煤电开发有限公司 主要内容 一 我国煤矿水害类型及特点 8 二 矿井突水预兆与充水条件分析 4 三 煤矿防治水规定 解读 2 一 我国煤矿水害类型及特点1 老空积水透水水害老空积水是指年代久远且采掘范围不明的老窑积水 矿井周围缺乏准确测绘资料的乱掘小窑积水 矿井本身自掘的废巷老塘水和煤层采空区积水 老空积水水体的特点是 水体压力传递迅速 流动与地表水流相同 不同于含水层中地下水的渗透 2005年大兴煤矿和2010年骆驼山煤矿的水害即如此 广东省大兴煤矿老空积水特大水灾事故 大兴煤矿位于广东省梅州市的兴宁市黄槐镇 在兴宁市和平远县交界处 南距兴宁市44km 北距平远县22km 东南距梅州市64km 2005年8月7日13时13分 大兴煤矿发生特大透水事故 造成121人死亡 伤1人 直接经济损失4391 02万元 1 矿井概况1 1矿井由来20世纪90年代 在原四望嶂矿务局范围内 约有300处小煤窑开采 由于乱采滥挖 使国有煤矿失去了安全生产的基本条件 加之企业亏损严重 经梅州市同意 将原四望嶂矿务局开采范围和有关资产有偿转让给民营企业继续经营生产 并重新规划为大径里 梨树坑 东兴 大兴 大窝里和上丰煤矿6对矿井 大兴煤矿是其中的一个矿井 1 2建井情况大兴煤矿是合伙煤矿企业 始建于1990年 原为一个主井和一个风井 位于原四望嶂矿务局一矿井田范围内 2003年将永丰煤矿的一个井买来作为副井 形成现有的主井 副井和风井 1 3生产情况大兴煤矿是一矿两井生产 主井和副井生产管理相对独立 主井和副井分别出煤 材料 设备 人员分别走主 副井 共用一个风井回风 大兴煤矿煤炭生产许可证核定的年生产能力为3万吨 2004年实际生产原煤9万吨 1 4矿井地质 水文地质情况大兴煤矿为二叠系上统龙潭组含煤地层 走向东西 倾向南 倾角55o 75o 平均65o 属急倾斜煤层 井田范围东以F16断层为界 西以F1断层为界 上以 180m隔水煤柱为界 下至 500m水平 煤层本身水文地质条件较简单 以上部水淹区估算积水体积为1500万 2000万m3 对矿井开采形成极大威胁 1 5煤层情况大兴煤矿井田主要有5个煤层 其中七煤和四煤为全井田可采 七煤厚度0 1 79m 平均0 91m 靠近F16断层附近煤层厚度变化大 上距四煤平均距离为36 27m 四煤平均厚度为0 28 7 28m 平均厚度为3 54m 1 6矿井开拓方式采用斜井开拓方式 主 副井和风井3条明斜井与暗斜井分三级延伸至 480m水平 主斜井由地面 282m 55m水平 第一级暗斜井由 55m水平至 290m水平 第二级暗斜井由 290m水平至 480m水平 副斜井由地面 356m至 42m水平 第一级暗斜井由 42m水平至 290m水平 第二级暗斜井从 290m水平至 480m水平 风井由地面 282m至 75m水平 第一级暗斜井 75m水平至 55m水平 第二级暗斜井 55m水平至 290m水平 2 矿井老空积水区下开采2 1矿井积水区的形成1999年11月 因小煤窑开采破坏 当年降水量大 矿井排水能力不足及排水费用过高 矿井采区被淹 井下巷道大量积水 为了保护矿井不被淹掉和减少排水费用 各矿均在 180m水平以上 各水平构筑了井下堵水闸墙 6对矿井共构筑29处堵水闸墙 使 180m水平以上采空区逐步充满 形成1500万 2000万m3积水区 从 262m平硐溢出 2 2积水区下部煤炭开采的形成2000年5月 大兴煤矿委托北京煤炭设计研究院编制完成了 永丰煤炭延深方案设计 和 防水闸墙施工计算咨询 该设计从 180m水平至 290m水平留设垂高110m防水隔离煤柱 延深开采老空积水区下深部煤炭资源 2001年2月26日由广东省经贸委审查通过该设计 该矿开始向深部延伸开采 3 水害事故发生经过2005年8月7日13时13分左右 大兴煤矿上部水淹区 290m标高防水煤岩柱被破坏 发生透水 透水发生后 主 副井井筒均有雾气冒出 出现反风现象 13时30分 副井调度室接到 290m水平西三暗斜井绞车房 281m 电话 说 水很大 我跑不出去了 但话未说完电话就断了 说明此时水已涨至 281m绞车房 14时 水已涨至离主井口80m 斜长 此时水位为 245m 透水后原四望嶂一矿明斜井水位从 262m降至 255 5m 下降6 5m 经专家估算 矿井总透水量约为25万m3 4 水害事故的原因分析经调查和专家组技术鉴定 认定在主井东翼四煤 400m石门以东150m附近 由于煤层倾角大 75度左右 厚度大 3 4m 小断层发育 煤质松散易塌落 400m以上各水平在生产过程中煤层均发生过严重抽冒 在此抽冒严重的情况下 大量出煤 超强度开采 致使 180m水平至 290m水平防水煤柱抽冒 导通了 262m水平至 180m水平的老空积水区 造成上部老空积水大量溃入 导致事故的发生 4 1该区域煤层厚 出煤多 曾多次发生抽冒矿井西翼煤层较硬 据了解没有发生过抽冒 矿井中部煤层较薄 未进行大规模开采 只有矿井东翼 400m石门四煤厚度3 4m 倾角大 约75o 较松散 小断层发育 易发生抽冒 是该矿的主要产煤区 据事故矿井资料证实 从2004年到现在 在东翼 400m石门东侧 400m水平以上各水平都在出煤 且出煤量较大 就在8月7日13时13分透水事故发生前早上在该地区采出105 120t 该处四煤的出煤量为9000t左右 4 2该区域离F16断层较近 小断层发育 煤层倾角大易抽冒据水害矿井生产资料证实 东翼 400m石门以东150m处距离F16断层仅100m左右 F16断层为逆断层 断距90m 该处 290m水平的四煤小断层发育 煤层比较松散 且此处四煤倾角是全矿井最大的地方 平均煤层倾角达75o左右 近似直立 易抽冒 由于各水平煤层均已发生抽冒 以致 180m水平至 290m水平防水隔煤柱被抽冒破坏 导通了原四望嶂矿区 262m至 180m水淹区积水 造成水淹区积水溃入大兴煤矿 王家岭煤矿老空积水特大水灾事故 2010年3月28日13时40分左右 中煤集团一建公司63处碟子沟项目部施工的华晋公司王家岭矿20101工作面回风巷掘进头发生透水事故 选成153名矿被淹 经过急时抢救 115人被救 38人遇难 初步分析是掘进过程中导通老空积水区而引发透水事故 事故暴露出的主要问题是 1 事发矿施工过程中存在违规违章行为 未严格执行 煤矿防治水规定 国家安全监管总局令第 号 水文地质资料未查清 没有严格执行有疑必探 先探后掘的规定 井田内老窑积水情况未查清就进行回采工作面巷道施工 没有按要求配备探放水钻机 未采取打钻探水措施 2 劳动组织管理混乱 为了赶工期 赶进度 当班安排 5个掘进队同时作业 作业人员过度集中 且领导干部带班制度不落实 3 施工组织不合理 违反施工组织程序 在矿井一二期工程没有全面完成 主要排水系统没有建成的情况下 就强行施工三期工程 4 安全培训不到位 未对职工进行安全培训 新到职工未培训就安排上岗作业 部分特殊工种无证上岗 5 施工安全措施不落实 工作面出现透水征兆后 没有按照规定及时撤人和采取有效应对措施 6 隐患排查治理不力 特别是今年 月份以来 工作面回风巷多次发现巷道积水 但一直未能采取有效措施消除隐患 事发前曾两次接到渗水报告 多名工人发现异常 承建工程的某部经理说 28日11时10分 当班的一名副经理升井汇报 井下27队的工作面800m处右下角底板处有少量渗水 安排正在井下的技术经理到出水点观察 11点50分 这名经理升井汇报 出水没有压力 水是清的 无异味 并向在场的一位技术人员询问 该人说曾对该位置进行了探测 探测报告说 在820m之内可以正常堀进 记者在采访中 部分工人反映 25日就巳发现工作面 掌头煤层压力增大 煤壁挂汗并出现异味 并向调度室进行了汇报 但没有引起重视 不抛弃不放弃的信念创造生命奇迹4月4日晚 山西王家岭透水事故救援队准备下井救人 他们头上的矿灯 连成了一条救助生命的光明通道 4月5日凌晨 第一批获救的9名遇险工人成功升井 其后又相继救出了106名遇险矿工 创造了人类矿抢救和生命奇迹 王家岭煤矿3日28日发生的透水事故 在对事故原因进行追究 反思的同时 媒体和公众关注的目光 更多地聚焦对井下遇险工人的抢救 153名工人的生命安危 时刻牵动着全国人民的心 人们在一种并不抱有太大希望的期待中 渴望着生命的奇迹 应该承认 事故发生后的几天里 虽然有党中央 国务院的高度重视 和中央政府到社会各界的全力救援 但通过媒体传达给公众的信息 却并不让人乐观 按照以往各种矿难报道中所获知的常识 煤矿透水与互斯爆炸 是各种矿难中伤亡人数最大的事故 井下透水往往会在瞬间淹没井下巷道 对井下遇险工人造成灭顶之灾 加之往往与透水事故伴生的互斯突出 更会对遇险人员的生命造成二次伤害 所以 116名矿工的获救创造了人类矿难抢救史上和生命的奇迹 2 地表水害地表长年有水的河流 湖泊 水库 塘坝 煤矿塌陷区水体等 由于井下防水煤 岩 柱留设不当 采掘工程活动不当导致煤层顶板煤 岩 体发生抽冒 工作面区域内存在导水断裂地质构造 超采防水煤柱等 使采掘工作面与地表水体产生水力联系 地表水迅速灌入井下 发生突水事故 如 2007年7月22日 山西省吕梁市兴县魏家滩镇马圜圜煤矿 因山洪暴发 造成河床下采空区发生塌陷 沉陷面积约800m2 洪水经采空区溃入矿井 导致11人死亡 某煤矿一号井南翼502工作面地表水 黄泥溃入示意图 3 第四系松散孔隙含水层和第三系砂砾含水层水害第四系松散孔隙充水含水层 第三系砂砾含水层呈不整合覆盖在煤系地层上 直接接受大气降水和展布其上的河流 湖泊 水库等地表水体的渗透补给 形成在剖面和平面上结构极其复杂的松散孔隙充水含水体 如 安徽皖北祁东煤矿新矿井首采面刚刚推进40m后 发生了第四系松散孔隙含水层水溃入淹井 某矿704工作面松散冲积层突水示意图 4 煤层顶板充水含水层水害煤系地层中一般存在多层可采煤层 在煤系地层上部同时发育有多层充水含水层 有的是强岩溶充水含水层 如南方型龙潭组煤系地层的顶部就发育有长兴灰岩含水层 如 2009年神华宁煤红柳煤矿首采面推进56m发生顶板砂岩溃水 瞬时水量1817m3 h 5 煤层底板承压充水含水层水害煤层底板承压充水含水层水害是我国煤矿水害频率最高 危害程度最大的一种灾害 多次造成突水淹采煤工作面 淹采区 淹水平 淹整个矿井的恶性事故 1 水体上水害状况水体上水害约占矿井水害的一半 上世纪80年代与50年代相比 突水频率增长2 57倍 1956 1986年30年间 淹井222起 突水1600次 1318人丧生 1984 1985年一年间 全国因底板突水而淹井事故22起 仅开滦 焦作 肥城就有6对井被淹 峰值水量高达2050m min 世界之最 2 水上威胁矿井数量和煤量目前受水威胁的矿井约300处 约占大型矿井的一半受水威胁储量近百亿吨 山东淄博北大井于1935年5月13日透水 三天内矿井全部淹没 有538名矿井下遇难 为世界罕见的突水事故 神华骆驼山煤矿底板奥灰岩溶承压特大水灾事故 2010年 月 日 时 分左右 神华集团乌海能源有限责任公司骆驼山煤矿在基建巷道施工中发生透水事故 骆驼山煤矿属新建矿井 于 年 月开工建设 由神华集团乌海能源有限责任公司建设 中煤西安设计工程有限责任公司负责设计 设计生产能力为每年 万吨 当班井下共有作业人员 名 经抢救有 人相继升井 其中 人死亡 人受伤 人被困井下 事故原因初步判断是掘进过程中掘进工作面底板奥灰水突水造成的 突水的具体位置大致在施工的井下16号煤层掘进工作面 骆驼山煤矿透水事故暴露出了掘进施工探放水管理和工程承包中安全责任不落实 不到位等问题 6 岩溶陷落柱水害由于煤系地层在地质历史时期中不断向奥灰溶洞垮落 冒落的岩块不断冲填形成一个质地疏松岩溶陷落柱 导水性很强 同时由于陷落柱的赋存条件孤立而隐蔽 事前难以探查发现 防治难度极大 所以造成灾难性的岩溶陷落柱水害 1984年6月开滦范各庄矿在回采距煤层底板奥陶系灰岩含水层超过200m的第七号煤层时 这个岩溶陷落柱是一个短轴46m 长轴67m的椭圆形岩溶陷落柱 柱体冒落高度竟达200m 顶部直到七号煤层顶板 由于岩溶陷落柱沟通了煤系地层与奥灰强充水含水层的水力联系 发生了突水量高达120530m3 h的恶性突水淹井事故 损失巨大 在世界采矿史上留下了令人难以置信的案例 7 断层破碎带突水水害断层破碎带突水水害 本身是矿井一大水害 也可与老空水 煤层顶板含水层 底板承压含水层 地表水体等发生水力联系而引起突水水害 是煤矿水害类型中最普遍的一类 断层破碎带可以沿断层走向很长一段范围内普遍含 导 水而引发水害 也可以是局部的一小段 一个点导水而诱发突水水害 有的断层破碎带原始状态是不含 导 水的 但由于采动条件下引起顶板导水裂隙提高了上限或底板岩体裂隙的存在 断层破碎带发生活化而转化为导水断层 发生矿井突水水害 如 1982年8月23日江西丰城矿务局云庄煤矿因遇断层两次淹井 8 地表滑坡和井上下泥石流灾害地表滑坡和井上下泥石流灾害发生的前提条件是有层间软滑的黏土层 疏松破碎的断层带 黏土充填的节理裂隙等软弱结构面 地表 地下的工程活动等 四川 贵州 云南等高 中山地区的一些煤矿 发生地表滑坡和井上下泥石流灾害十分突出 造成的危害也很大 解决这类灾害问题的方法要从水文地质 工程地质和岩土工程的角度去探讨分析 如 内蒙古鄂尔多斯金利煤矿洪水瞬时入井造成伤人 二 矿井突水预兆与充水条件分析 1 矿井突水一般预兆矿井采掘工作面煤层变潮湿 松软 煤帮出现滴水 淋水现象 且淋水由小变大 有时煤帮出现铁锈色水迹 矿井采掘工作面气温降低 或出现雾气或硫化氢气味 矿井采掘工作面有时可听到水的 嘶嘶 声 矿井采掘工作面矿压增大 发生片帮 冒顶及底鼓 2 矿井突水易发生的地段断层交叉或汇合处 断层尖灭或消失端一带 褶曲轴部裂隙密集带或小断裂密集带 背斜倾伏端一带 两条大断层相互对扭地带 即张扭性破碎带 导致小构造密集 与导水或富水大断裂成人字形连接的小断裂带 复合部位小断层与次级小褶曲轴在地层倾向急剧转折带上的复合部位 或小褶曲轴与地层倾向转折带的复合部位或平缓小轴曲翼部 压性断裂下盘 张性断裂上盘因富水性强 井巷通过或接近时 须切割强含水层 往往发生突水 新构造活动强烈的断裂带 不同力学性质的断裂组成的断裂带 富水性最强 易于发生突水 3 矿井充水通道分析1 矿井充水天然通道A 点状岩溶陷落柱型通道岩溶陷落柱是指埋藏在煤系地层下部的巨厚可溶岩体 在地下水溶蚀作用下 形成巨大的岩溶空洞 当空洞顶部岩层失去对上覆岩体的支撑能力时 上覆岩体在重力作用下向下垮落 充填于溶蚀空间中 B 线状断裂 裂隙 带型通道断裂 裂隙 带型通道成为充水通道主要取决于断裂带本身 水力性质和矿床开采时人为采矿活动方式与强度 矿区含煤地层中存有数量不等的断裂构造 它使断裂附近岩石破碎 位移 也使地层失去完整性 成为各种充水水源涌人矿井的通道 国内外大量统计资料表明 由于揭露或靠近断层而引起突水事故占70 一80 可见矿井突水事故的发生多与断层导水有关 c 窄条状隐伏露头型通道我国大部分煤矿山 煤系地层灰岩充水含水层 中厚砂岩裂隙充水含水层多呈窄条状的隐伏露头与上覆第四系松散沉积物地层呈不整合接触 多层充水含水层组在隐伏露头部位垂向水力交替补给的影响因素主要有两个 一个是隐伏露头部位基岩风化带的渗透能力大小 另一个是上覆第四系底部卵石孔隙含水层组底部是否存在较厚层的黏性土隔水层 一般地说 基岩风化带的风化程度太强或太弱 其地下水的渗透性均较弱 d 面状裂隙网络 局部面状隔永层变薄区 j型通道根据含煤岩系和矿床水文地质沉积环境分析 华北型煤田的北部 煤系含水层组主要以厚层状砂岩裂隙充水含水层组为主 薄层灰岩沉积较少 在厚层状砂岩裂隙含水层组之间沉积了以粉细砂岩 细砂岩为主的隔水层组 在地质历史的多期构造应力作用下 这些脆性的隔水岩层在外力作用下以破裂形式释放应力 致使隔水岩层产生了不同方向的较为密集的裂隙和节理 形成了较为发育的呈整体面状展布的裂隙网络 这种面状展布的裂隙网络随着上 下充水含水层组地下水水头差增大 以面状越流形式的垂向水交换量也将增加 e 地震通道 根据开滦唐山矿在唐山地震时矿井涌水量和矿区地下水水位的长期观测资料 地震前区域含水层受张时 区域地下水水位下降 矿坑涌水量减少 当地震发生时 区域含水层压缩 区域地下水水位瞬时上升数米 矿坑涌水量瞬时增加数倍 强烈地震过后 区域含水层逐渐恢复正常状态 区域地下水水位逐渐下降 矿井涌水量也逐渐减少 震后区域含水层仍存在残余变形 所以矿井涌水在很长时间内恢复不到正常涌水量 矿井涌水量变化幅度与地震强度成正比 与震源距离成反比 2 矿井人为充水通道a 顶板冒落裂隙带煤层开采后 采空区上方的岩层因下部被采空而失去平衡 相应地产生矿山压力 从而对采场产生破坏作用 必然引起顶部岩体的开裂 垮落和移动 塌落的岩块直到充满采空区为止 顶板自下而上分别称为冒落带 裂隙带 弯曲带 见图 而冒落裂隙带则成为导水通道 b 地面岩溶塌陷带随着我国岩溶充水矿床大规模抽放水试验和疏干开采实践活动的开展 煤矿区及其周围地区的地表岩溶塌陷随处可见 地表水和大气降水通过塌陷坑直接充入井下 有时随着塌陷面积的增大 大量砂砾石和泥砂与水一起溃入矿坑 岩溶塌陷通道的存在极易引起第四系孔隙水 地表水大量下渗和倒灌 使大量水和泥砂涌入矿井 对矿井安全生产造成极大的威胁 c 封孔质量不佳钻孔由于矿区钻孔封孔质量不佳 这些钻孔转变为矿井突水的人为导水通道 造成矿坑的涌 突 水事故 见图 如 陕西彬县下沟煤矿钻孔封孔质量不佳溃水 导水钻孔形成突水通道示意图 4 矿井充水强度地下水储存在不同的充水含水层中 含水层的埋藏条件不同和岩石性质不同 决定了它们含水强度的不同 当采掘巷一旦接近或揭露含水层时 涌入矿井的水量是不一样的 有的很大 有的却很微弱 在煤矿生产中 把地下水涌入矿井内水量的多少称为矿井充水程度 用来反映矿井水文地质条件的复杂程度 生产矿井常用含水系数 KB 或矿井涌水量 Q 2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 即矿井每采一吨煤时 需排出的水量 含水系数用KB表示 即KB Q P根据含水系数的大小 将矿井充水程度划分为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 或m3 min 根据涌水量大小可分为4个等级 涌水量小的矿井 Q15m3 min 三 煤矿防治水规定 解读国家安全生产监督管理总局第28号令 煤矿防治水规定 自2009年12月1日起施行 1 煤矿防治水规定 目的 特点 新增内容 1 颁布 煤矿防治水规定 目的 防治水规定 是在现行 矿井水文地质规程 及 煤矿防治水工作条例 以下简称 规程 和 条例 的基础上制定的 主要考虑的是适应当前煤矿水害防治工作的新情况 新变化 进一步规范煤矿防治水工作 有效防治矿井水害 一是近年来发生多起重特大水害事故 总结事故教训 需要对原 规程 和 条例 进行补充 二是随着煤炭工业的迅速发展 我国不少煤矿已经在湖底下 水库下 河流下甚至在海底下进行采煤 急需对相关防治水工作做出规定 三是煤矿安全监管监察体制发生了变化 制定 防治水规定 并提升为部门规章 以利于企业贯彻执行和强化对煤矿防治水的监督检查 2 煤矿防治水规定 特点一是对防范重特大水害事故规定更加严格针对近几年发生的重特大水害事故 防治水规定 在内容上作出了相应补充和完善 如针对2005年广东 8 7 水害事故和2007年山东 8 17 水害等暴露出的问题 防治水规定 中有关条款规定 严禁在水体下开采急倾斜煤层 煤矿在雨季要建