第8章矿井水害的防治技术与探查方法

第八章矿井水害的防治技术与探查方法 第一节矿井水害的主要防治技术第二节矿井水害的主要探查方法第三节矿井主要水害的探查与防治复习思考题 第一节矿井水害的主要防治技术 一 防水煤 岩 柱的留设煤矿在水体下 含水层下 承压含水层上 导水断层附近或老空区附近进行采掘施工时 为了防止地表水或地下水突出 溃入工作地点 需要合理留设一定宽度或高度的防水煤 岩 柱 第一节矿井水害的主要防治技术 防水煤 岩 柱留设的尺寸要根据矿井自身地质 水文地质条件 岩层的力学性质 开采方法及岩层移动规律等因素经计算确定 保证防水煤 岩 柱的可靠性 第一节矿井水害的主要防治技术 1 矿井防水煤 岩 柱的类型根据矿井防水煤 岩 柱所处的位置 可以分为以下不同的类型 1 断层防水煤 岩 柱 2 井田边界煤柱 3 上 下水平 或相邻采区 防水煤 岩 柱 第一节矿井水害的主要防治技术 4 水淹区 老空积水区防水煤 岩 柱 5 地表水体防水煤 岩 柱 6 冲积层防水煤 岩 柱 7 陷落柱 观测孔 注浆孔和电缆孔防水煤 岩 柱 8 煤层露头风化带防水煤柱 第一节矿井水害的主要防治技术 2 防水煤 岩 柱留设的原则 1 应在安全可靠的基础上 把煤柱宽度降到最低程度以提高资源利用率 2 必须与区域 井田的地质构造 水文地质条件 煤层赋存条件 围岩的物理力学性质 煤层的组合结构方式等自然因素结合 还要与采煤方法 开采强度 支护形式等人为因素相适应 第一节矿井水害的主要防治技术 3 一个井田或一个水文地质单元内的防隔水煤 岩 柱 应在总体开采设计中确定 即开采方式和井巷布局与各种煤 岩 柱留设相适应 避免在以后煤 岩 柱留设中造成困难 第一节矿井水害的主要防治技术 4 多煤层地区防隔水煤 岩 柱留设 必须统一考虑 以免某一煤层所留煤柱因另一煤层开采而遭破坏 使矿井在此区域留设的整个防隔水煤 岩 柱失效 5 留设防隔水煤 岩 柱所需数据必须就地选取 邻区或外区数据仅供参考 若需采用时应适当加大安全系数 第一节矿井水害的主要防治技术 6 矿井对留设防隔水煤 岩 柱要特别严格 如果留设的防隔水煤 岩 柱任何一处被破坏 必将造成整个煤 岩 柱失效 矿井巷道掘进施工等活动必须穿过防隔水煤 岩 柱时 必须采取加固巷道 修建防水闸门和其他防水设施 对防隔水煤 岩 柱进行保护 确保防隔水煤 岩 柱的完整性 第一节矿井水害的主要防治技术 7 必须充分考虑煤系地层及周围围岩的厚度 性质特征 黏土质隔水岩层的厚度 构造裂隙发育情况 岩层的含水性等 充分考虑留设防隔水煤 岩 柱的隔水作用 第一节矿井水害的主要防治技术 8 矿井应根据地质构造 水文地质条件 煤层赋存条件 开采时围岩性质及岩层移动特征等因素综合确定相应的防隔水煤 岩 柱的尺寸 矿井防隔水煤 岩 柱应当由矿井地测防治水机构组织编制专门设计 经矿井总工程师组织有关单位审查批准后实施 第一节矿井水害的主要防治技术 9 防隔水煤 岩 柱一经批准 便不得随意变动 若因地质条件变化 确需改动的 必须做专题技术研究 并且研究成果必须经矿井总工程师组织有关单位审批 10 矿井在有突水威胁但又不宜疏放的井下采掘区施工时 必须留设防水煤 岩 柱 第一节矿井水害的主要防治技术 二 疏水降压开采技术疏水降压是指受水害威胁和有突水危险的矿井或采区借助于专门的疏水工程 疏水石门 疏水巷道 放水钻孔 抽水钻孔等 有计划有步骤地将煤层上覆或下伏强含水层中的地下水进行疏放 使其水位 压 值降至安全采煤时某个水位 压 值以下的过程 其目的是 预防地下水突 涌 入矿井 避免灾害事故 改善劳动条件 提高劳动生产率 它是煤矿防治水的一种重要措施 第一节矿井水害的主要防治技术 1 疏水降压方法 1 疏干 疏干是指把含水层中的水位降到生产工作面标高以下的方法 疏干采煤只有在含水层水量较小的情况下才能实现 有些含水层水量很大 对这样的含水层强行疏干 会加大排水量 甚至根本无法疏干 第一节矿井水害的主要防治技术 2 降压 对水量大的含水层可以采用少量放水 适当降低水位的办法 使水位保持在工作面以上一定的高度 既能保证工作面正常回采 又不使含水层水突破煤层底板 这样的采煤方法称为降压采煤法 第一节矿井水害的主要防治技术 降压采煤是一项困难而复杂的工作 它要研究隔水层的厚度 强度 节理裂隙情况 矿山压力对隔水层的破坏情况 充分利用隔水岩段 确定安全临界水头值 还要研究含水层降压的可能性 只有这些条件都能满足采煤要求时 降压采煤才能实现 第一节矿井水害的主要防治技术 打钻放水是降压采煤常用的方法 可以在一个地点集中打钻放水 也可以分散在多水平 多条巷道大范围打钻放水 除放水孔以外 还要有一定数量的观测孔 以便了解和控制水压 第一节矿井水害的主要防治技术 降压采煤有时也可能发生突水 所以除了保证有足够的排水能力外 采用降压方法采煤的工作面 采煤时也要注意及时放顶 减少控顶距 防止突然出水 放水孔打开之后就不要随意关闭 工作面上下出口一定要保持通畅 当工作面发现有出水征兆时 应停止推进 及时汇报 采取措施加以处理 第一节矿井水害的主要防治技术 2 疏放方式疏放按其疏放工程所处位置的不同可分为以下3种方式 1 地表疏放 该方法主要用于超前疏放阶段 是指在需要疏放降压地段的地表施工大口径钻孔 安装深井泵或潜水泵排水 预先降低含水层水位的疏放方法 第一节矿井水害的主要防治技术 2 地下疏放 该方法用于平行疏放阶段 通常采用巷道疏放和井下钻孔疏放方式 巷道疏放主要是将采区巷道或采煤工作面的准备巷道提前开拓掘进出来 利用采掘巷道或专门疏水巷道预先疏放含水层水 钻孔疏放主要是通过向含水层打疏放钻孔进行疏放的方式 第一节矿井水害的主要防治技术 3 联合疏放 水文地质条件复杂的矿井 单一方式的疏放不能满足矿井生产需要时 采用地表疏放和地下疏放相结合的方式称为联合疏放 它也包括一个矿井疏放达不到疏放目的时 几个矿井同时疏放 第一节矿井水害的主要防治技术 3 疏水降压程序疏水降压过程可分为疏水降压勘探 试验性疏水降压和经常性疏水降压3个逐渐过渡的程序 与矿井开发工作密切配合 第一节矿井水害的主要防治技术 1 疏水降压勘探 疏水降压勘探是以疏干为目的的补充水文地质勘探 其主要目的是 进一步查明矿区疏干所需要的水文地质资料 确定疏干的可能性 提出疏水降压方案 疏干勘探往往要依靠抽水试验 放水试验 水化学试验 水文物探试验和室内试验来完成 第一节矿井水害的主要防治技术 2 试验性疏水降压 试验性疏水降压的目的是 通过试验达到矿井开拓和开采初期对水位降低的要求 经过6 12个月 特别是雨季的考验 了解干扰效果及残余水头情况 确定疏降工程的正确性和合理性 在此基础上 进一步对疏降工程进行适当调整 使其基本满足疏降要求 第一节矿井水害的主要防治技术 3 经常性疏水降压 经常性疏水降压是指矿井日常性的疏水降压工作 随着煤矿开采范围的扩大和开拓水平的延深 要不断地对疏降工作进行调整 修正和补充 甚至重新制订疏降方案 以满足煤矿防治水工作的要求 第一节矿井水害的主要防治技术 4 疏水降压或疏干开采工作步骤及注意事项 1 工作步骤 进行以疏水降压为目的的补充水文地质勘探 对预定疏水降压区的含水层 隔水层 进水和隔水边界 构造分布 水压 水量 水质等进行综合分析 编制出疏水降压开采所要求的各种图件 第一节矿井水害的主要防治技术 分析资料 提出疏水降压工程设计 根据设计组织施工 根据疏水降压开采工作的进度 及时进行观测 如发现异常情况 及时处理 对疏水效果进行总结和评价 提出今后工作建议 第一节矿井水害的主要防治技术 2 注意事项 疏水钻孔布置应与构造分析以及富水带的分析结合起来 尽量布置在富水地段 不受开采影响破坏的地点 尽量打斜孔 使钻进含水层段的段距加长 水压较高时 要注意安装孔口的长效安全控制装置 第一节矿井水害的主要防治技术 要有防止水量意外加大的安全措施 为尽量减少疏水量 对于明显的增水因素 如封闭不良钻孔 地表渗漏等现象要认真处理 已经回采的老采区疏干钻孔或突水点 如果与新采区无关 也应封孔与隔离 以减少无效排水 第一节矿井水害的主要防治技术 三 带压开采技术带压开采是指煤层底板承受高水压时 利用隔水层的隔水性能 在不进行或很少疏降含水层水头压力的情况下 带着水压进行开采的一种方法 它是承压水体上安全采煤的一项实用技术 与深降强排技术相比 具有减少吨煤排水费用和保护水资源的双重功效 第一节矿井水害的主要防治技术 带压开采能否成功 决定于3个因素 即 承压含水层水压的大小及水量的多少 隔水层厚度及岩层强度 开采地区地质构造及采煤活动对隔水层的破坏情况 第一节矿井水害的主要防治技术 1 带压开采评价带压开采前 要查清带压开采区域地质及水文地质情况 主要包括充水含水层的水压和富水性 隔水层的厚度 完整性及力学性质 构造发育情况等 利用经验公式或地质模型评价隔水层能否抗住承压含水层的水头压力 如果能抗住则可进行带压开采 否则 不能进行带压开采 第一节矿井水害的主要防治技术 在隔水层有足够的厚度 抗压能力较强 能够抗住承压水的水头压力情况下 要编制带压开采安全性评价分区图 划出危险区和安全区 对危险区进行采取安全的措施后 方可进行带压开采 第一节矿井水害的主要防治技术 2 带压开采保障措施对评价可以进行带压开采的区域 因地质条件变数太多 也可能会发生突水事故 因此 带压开采要编制专门的设计和措施 经煤矿企业总工程师组织审批后方可实施 带压开采过程中要加强动态监测 制订现场应急预案 防止误揭断层或破碎带等地质构造 其主要保障措施如下 第一节矿井水害的主要防治技术 1 建立强有力的排水设施 要考虑突水 突大水的可能性 采煤工作面泄水系统畅通 采区和主排水系统可靠且有相当大的富余 建造或预留水闸门 墙 位置 以便在必要时封闭整个采区 第一节矿井水害的主要防治技术 2 采煤工艺过程中要做到 控制采高 推进均匀 放顶工作要快 控顶距越小越好 工作面内不准丢煤柱 也不要残留木垛 点柱等支撑物 注意底板变化 如异常应停止采煤和放顶 现场所有人员必须熟悉避灾路线 第一节矿井水害的主要防治技术 3 对小断层 裂隙带以及隔水层薄弱带进行加固处理 确保不发生突水 4 对大的导水断层要留设防水煤柱 5 含水层水头压力较高时 接近临界状态时 可进行局部小幅度地疏水降压 以确保安全 第一节矿井水害的主要防治技术 四 底板含水层改造与隔水层加固煤层底板含水层改造与隔水层加固 是通过钻孔注浆来充填底板含水层或隔水层中的岩溶裂隙和导水裂隙 从而大大减弱含水层的富水性和增加隔水层的强度并切断水源补给通道 使受注 含水层被改造为不含水或弱含水层 使隔水层中的裂隙减少 增加其强度 实现工作面安全开采的防治水技术 第一节矿井水害的主要防治技术 这项技术是20世纪80年代中后期发展起来的一项注浆治水方法 当煤层底板充水含水层富水性强且水头压力高 或煤层隔水底板存在变薄带 构造破碎带 导水裂隙带 需采用疏水降压方法实现安全开采 但疏排水费用太高 浪费地下水资源且经济上不合理时 采用含水层改造与隔水层加固的注浆治水方法实属上策 第一节矿井水害的主要防治技术 该技术主要是针对煤层底板水的防治 应用地球物理勘探或钻探等手段 探查工作面范围内煤层底板岩层的富水性及其裂隙发育状况 确定裂隙发育的富水段 沿工作面上下副巷大面积布置注浆钻孔 采用注浆措施改造含水层或加固隔水层 使它们变为相对隔水层或进一步提高其隔水强度 第一节矿井水害的主要防治技术 根据多年的现场实践 在工作面范围内应用这种边探查边治理的技术 对工作面底板水进行探查治理以后 可以实现安全回采 该技术在华北区对奥灰水的防治已取得显著成效 具有十分广阔的推广前景 主要包括以下技术内容 第一节矿井水害的主要防治技术 1 地面建造注浆站 集中向井下远距离输浆和注浆 简化注浆系统 提高自动化程度 为大规模改造自然地质条件提供手段 注浆管直径一般不超过50mm 在低凹处可设置放水注浆闸阀 在注浆改造范围不大 注浆材料使用量小的情况下 也可以建井下造浆 注浆站 第一节矿井水害的主要防治技术 2 开发应用黏土水泥浆 在裂隙地层中灌注有节约成本等优点 但在岩溶地层中应用需进一步实践分析 3 积极应用井下物探方法探查煤层底板一定深度的岩溶裂隙发育情况 承压水原始导升高度和富水状况 为钻探注浆提供目标 也为注浆加固后的质量检验提供借鉴 第一节矿井水害的主要防治技术 4 在承压水头压力高 采动矿压对底板破坏影响较深的地区 加固改造的目标层深度也应加大 打钻时孔口安全装置要慎重设置 5 要保证各注浆孔注浆质量和最后封孔质量 第一节矿井水害的主要防治技术 6 多年现场实践显示 改造加固目标虽然是大面积的 但实际能进浆的范围却是局部的 主要在一些断层破碎带附近 如果能强化注浆 有可能解决一些垂直导水通道问题 扩大水害防治的效果 第一节矿井水害的主要防治技术 7 可利用注浆孔 有少量涌水又在采动影响范围以外者 进行采动条件下的涌水量 水压动态变化观测 开展突水监测工作 加深煤层底板突水机理的研究 第一节矿井水害的主要防治技术 五 修筑防水闸门和水闸墙防水闸门和水闸墙是井下防水的主要安全设施 凡水患威胁严重的矿井 在井下巷道设计布置中 就应在适当地点预留防水闸门和水闸墙的位置 使矿井形成分翼 分水平或分采区隔离开采 在水患发生时 能够使矿井分区隔离 缩小灾情影响范围 控制水势危害 确保矿井安全 第一节矿井水害的主要防治技术 煤矿防治水规定 规定了防水闸门和水闸墙的设置要求 技术指标及管理办法 具体如下 1 水文地质条件复杂 极复杂的矿井 应当在井底车场周围设置防水闸门 或者在正常排水系统基础上安装配备排水能力不小于最大涌水量的潜水电泵排水系统 第一节矿井水害的主要防治技术 2 在矿井有突水危险的采掘区域 应当在其附近设置防水闸门 不具备建筑防水闸门的隔离条件的 可以不建筑防水闸门 但应当制订严格的其他防治水措施 并经煤矿企业主要负责人审批同意 第一节矿井水害的主要防治技术 3 防水闸门由具有相应资质的单位进行设计 门体采用定型设计 4 防水闸门的施工及其质量 符合设计要求 闸门和闸门硐室不得漏水 第一节矿井水害的主要防治技术 5 防水闸门硐室前 后两端 分别砌筑不小于5m的混凝土护碹 碹后用混凝土填实 不得空帮 空顶 防水闸门硐室和护碹采用高标号水泥进行注浆加固 注浆压力符合设计要求 第一节矿井水害的主要防治技术 6 防水闸门来水一侧15 25m处 加设1道挡物箅子门 防水闸门与箅子门之间 不得停放车辆或堆放杂物 来水时 先关箅子门 后关防水闸门 如果采用双向防水闸门 在两侧各设1道箅子门 第一节矿井水害的主要防治技术 7 通过防水闸门的轨道 电机车架空线 带式输送机等能够灵活易拆 通过防水闸门墙体的各种管路和安设在闸门外侧的闸阀的耐压能力 与防水闸门所设计压力相一致 电缆 管道通过防水闸门墙体处 用堵头和阀门封堵严密 不得漏水 8 防水闸门安设观测水压的装置 并有放水管和放水闸阀 第一节矿井水害的主要防治技术 9 防水闸门竣工后 按照设计要求进行验收 对新掘进巷道内建筑的防水闸门 进行注水耐压试验 水闸门内巷道的长度不得大于15m 试验的压力不得低于设计水压 其稳压时间在24h以上 试压时有专门安全措施 第一节矿井水害的主要防治技术 10 防水闸门应当灵活可靠 并保证每年进行2次关闭试验 其中1次在雨季前进行 关闭闸门所用的工具和零配件应当由专人保管 并在专门地点存放 任何人不得挪用丢失 11 井下需要构筑水闸墙的 应当由具有相应资质的单位进行设计 按照设计进行施工 并按照规定进行竣工验收 否则 不得投入使用 第一节矿井水害的主要防治技术 12 报废巷道封闭时 在报废的暗井和倾斜巷道下口的密闭水闸墙应当留泄水孔 每月定期进行观测 雨季加强观测 第一节矿井水害的主要防治技术 六 注浆堵水注浆堵水就是将水泥浆或化学浆通过管道压入井下岩层孔隙 裂隙或巷道中 使其扩散 凝固和硬化 从而使岩层具有较高的强度 密实性和不透水性 达到封堵补给水源和导水通道的作用 以达到减少矿井涌水量的目的 是矿井防治水害的重要手段之一 第一节矿井水害的主要防治技术 通过注浆堵水 可以有效减少矿井涌水量 保护地下水资源 改善采掘工程的劳动条件 减少突水几率 提高矿井的安全水平 目前 注浆堵水已广泛用于矿井井筒注浆 封堵突水点 底板注浆加固 恢复被淹矿井 井巷堵水 过含水层或导水断层 帷幕注浆堵水截流等方面 并已取得良好的效果 第一节矿井水害的主要防治技术 1 注浆工艺与方式注浆设备主要有注浆泵 搅拌机 混合器 输浆管路及相应的闸阀 接头 压力表和流量计等 注浆方式主要有充填注浆 裂隙注浆 劈裂注浆3种注浆方式 第一节矿井水害的主要防治技术 1 充填注浆 对钻孔本身或孔内空洞 坍塌腔等大空洞 大空隙的充填注浆 其目的是改善地层渗透性或堵漏 所用注浆材料主要为水泥浆 水泥 水玻璃浆液两种浆液 近年来 随着注浆技术的发展 工程技术人员已成功将黏土水泥浆引入了井下的防治水注浆中 第一节矿井水害的主要防治技术 2 裂隙注浆 地层中存在着互相连通的裂隙而形成渗水通道 为了封堵裂隙渗水 可在裂隙中注浆 一般在井下防治水施工中常见到防止承压水或以加固为目的的注浆施工 常用水泥浆 水泥黏土浆等浆液进行注浆 第一节矿井水害的主要防治技术 为确保注浆效果 避免浆液流失 一般要根据岩体的渗透性事先估计注浆范围 确定注浆量 承压水注浆时要考虑浆液的流失问题 在涌水量大的地方 应采用能控制浆液凝胶时间的水泥 水玻璃浆 第一节矿井水害的主要防治技术 3 劈裂注浆 劈裂注浆采用高压注浆工艺 将水泥或化学浆液等注入软弱地层 以改善地层性质 在注浆过程中 注浆管出口的浆液对四周地层施加了附加压应力 使软弱岩体发生剪切裂缝 而浆液则沿着裂缝从岩体强度低的地方向强度高的地方劈裂 劈入软弱岩体中的浆体便形成了被加固岩体的网络或骨架 第一节矿井水害的主要防治技术 由于浆液在劈入土层过程中并不是与岩体颗粒均匀混合 而是呈两相各自存在 所以从岩体的微观结构分析 软弱岩体除受到部分的压密作用外 其他物理力学性能的变化并不明显 故其加固效果应从宏观上来分析 即应考虑被加固岩体骨架效应 对于软流塑地层 由于地层透水性差 劈裂注浆可利用其液压在地层中产生劈裂孔隙 改善地层的可注性 从而达到注浆加固的要求 第一节矿井水害的主要防治技术 实践表明 煤矿井下的防治水施工 由于施工目的地层一般埋深较大 地质情况复杂 使得注浆工艺复杂 浆液选择受限 注浆压力相对地面注浆施工压力要高很多 井下注浆常常是充填注浆 裂隙注浆 劈裂注浆多种注浆工艺的综合运用 注浆压力多在5 15MPa甚至以上的高压 第一节矿井水害的主要防治技术 2 注浆材料用于注浆堵水的材料种类繁多 常用的有水泥 黏土 水玻璃 化学材料和石子 沙子等骨料 用这些材料根据堵水的需要 按照一定的配比 可配成纯水泥浆 黏土水泥浆 水泥 水玻璃浆 化学浆等各式各样的注浆浆液 第一节矿井水害的主要防治技术 对大的过水通道 如溶洞 巷道 大的断层裂隙带 往往需要先注入石子 沙子等骨料形成阻隔水段 然后再注水泥浆 水泥 水玻璃双液浆或化学浆等进行加固 可以有效减少浆液流失 加快注浆堵水工程进度 第一节矿井水害的主要防治技术 七 合理选择煤矿开拓开式与采煤方法在矿井设计中 为了减少流入矿井的涌水量 预防煤矿发生透水事故 应该充分考虑矿区具体水文地质条件 合理划分井田 结合煤层埋藏情况 合理选择煤矿开拓方式与采煤方法 第一节矿井水害的主要防治技术 1 合理选择煤矿井筒位置煤矿井筒地面位置要选择高于历年最高洪水位的地点且不易受山洪 滑坡威胁 煤矿井筒底部要布置井底车场 井筒和井底车场是矿井由地面进入井下的咽喉部位 又是矿井需要首先施工的工程 第一节矿井水害的主要防治技术 所以井筒和井底车场应布置在不会发生透水的安全位置 要力求避免穿过强含水层和大型断裂构造破碎带 距离高压含水层要有足够的安全厚度 第一节矿井水害的主要防治技术 2 矿区联合布局整体防水对于同一区域 互有水力联系的矿区 应该同时布置多井同时开采 进行统一疏干 整体防水 以便形成大范围的水位下降的 降落漏斗 这样不仅可以疏干 而且还能集中排水 从而相应减少每一单井的涌水量 避免地下水集中对某一生产矿井构成严重威胁 第一节矿井水害的主要防治技术 3 采用合理的采煤方法首先是根据水文地质和工程地质条件 合理安排开采顺序 先开采相对安全的区域 其次是在采区内合理确定区段宽度 采煤工作面的宽度越窄 则底板的扰动破坏越小 回采相对安全 最后是合理确定工作面边界和推进方向 尽可能减轻或避免开采对断层的扰动作用 第二节矿井水害的主要探查方法 矿井水害主要探查方法有水文地质调查 物探 钻探 化探及水文地质试验等 一 水文地质调查水文地质调查的主要内容 第二节矿井水害的主要探查方法 1 气象资料 包括降水量 蒸发量 气温 气压 相对湿度 风向风速及其历年月平均值和两极值 2 各种勘测资料 包括以往水文勘探研究成果 动态观测资料 勘探钻孔 供水井资料及抽水试验资料等 第二节矿井水害的主要探查方法 3 地貌地质 主要包括 第四系松散覆盖层和基岩露头的时代 岩性 厚度 富水性 地质构造形态 由于开采或地下水活动诱发的崩塌 滑坡 人工湖等地貌变化 岩溶发育矿区的各种岩溶地貌形态 第二节矿井水害的主要探查方法 4 地表水体 主要包括地表水体的历年水位 流量 积水量 最大洪水淹没范围 含泥含砂量 水质 地表水体与下伏含水层的水力联系等 第二节矿井水害的主要探查方法 5 井泉 包括井泉位置 标高 深度 出水层位 涌水量 水位 水质 水温 有无气体溢出及补给水源 6 古井老窑 包括古井老窑的位置 开采 充水 排水资料 停采原因 采空区 积水区及积水量 第二节矿井水害的主要探查方法 2 水文地质调查的注意事项 1 水文地质调查范围应覆盖一个具有相对独立补给 径流 排泄条件的地下水系统 2 调查资料务必准确 可靠 3 除使用传统的方法外 还可采用遥感 全球卫星定位 地理信息系统等新方法 新技术 第二节矿井水害的主要探查方法 7 周边生产矿井 包括周边矿井的位置 范围 开采层位 充水情况 地质构造 采煤方法 采出煤量 隔离煤柱及其对本矿井有无水害影响 第二节矿井水害的主要探查方法 二 物探技术物探技术经过多年的发展 其在地质 水文地质探查中的地位和作用越来越明显 越来越重要 加上其方便 快捷的优势 在煤矿防治水领域得到了极大推广和应用 常用的地球物理勘探技术方法有以下9种 第二节矿井水害的主要探查方法 1 地震勘探 地震勘探包括二维和三维 是弹性波地面探查构造及 不良构造体 的最有效方法 在新采区设计前要用三维地震进行勘探 主要应用于以下8个方面 查明潜水面埋藏深度 查明落差大于5m的断层 第二节矿井水害的主要探查方法 查明区内幅度大于5m的褶曲 查明区内直径大于20m的陷落柱 探明区内煤系地层底部奥陶系灰岩顶界面及岩溶发育程度 第二节矿井水害的主要探查方法 探测采空区和岩浆侵入体 查明基岩起伏形态 古河道 古冲沟延伸方向 了解基岩风化带厚度 第二节矿井水害的主要探查方法 2 瞬变电磁 TEM 探测技术 TEM法观测的是二次场 因此对低阻体特别灵敏 是地面 井下探测含水层及其富水性 构造及其含水情况 老窑及其积水多少的主要手段 井下可用于巷道超前探测及工作面顶底板及周围水文情况探测 第二节矿井水害的主要探查方法 3 高密度高分辨率电阻率法探测技术 该技术使用单极 偶极装置 通过连续密集地采集测线的电响应数据 实现了地下分辨单元的多次覆盖测量 具有压制静态效应及电磁干扰的能力 对施工现场适应性强 该法使直流电法在探测小体积孤立异常体方面取得了突破 可准确直观地展现地下异常体的赋存形态 是地面 井下探测岩溶 老窑及其他地下洞体的首选方法 第二节矿井水害的主要探查方法 4 直流电法探测技术 该技术属于全空间电法勘探 可在地面及井下使用 主要应用于以下4个方面 巷道底板富水区探测 底板隔水层厚度 原始导高探测 掘进头和侧帮超前探测 导水构造探测 潜在突水点 老窑积水区 陷落柱探测 第二节矿井水害的主要探查方法 5 音频穿透探测技术 该方法主要用于以下4个方面 采煤工作面内及底板下100m内的含水构造及其富水区域平面分布范围 进行富水块段深度的探测 第二节矿井水害的主要探查方法 工作面顶板老窑 陷落柱 松散层孔隙内含水情况及平面分布范围的探测 掘进巷道前方导水 含水构造的探测 注浆效果检查 第二节矿井水害的主要探查方法 6 瑞利波探测 该技术探测的对象是断层 陷落柱 岩浆岩侵入体等构造和地质异常体 以及煤层厚度 相邻巷道 采空区等 探测距离80 100m 其优点是可进行井下全方位超前探测 第二节矿井水害的主要探查方法 7 钻孔雷达探测技术 该技术是通过钻孔 单孔或多孔 探查岩体中的导水构造 富水带等 8 坑透 采面掘出后 要进行坑透 查明采面内的构造发育情况 9 地震槽波探测技术 该技术的作用 第二节矿井水害的主要探查方法 用于探明煤层内小断层的位置及延伸展布方向 探明陷落柱的位置及大小 探明煤层变薄带的分布 可进行井下高分辨率二维地震勘探 探测隔水层厚度 煤层小构造及导水断裂等 第二节矿井水害的主要探查方法 另外 还有其他一些地球物理勘探方法 如超前机载雷达 建场法多道遥测探测技术等 这些技术可单独使用 也可联合使用 多种方法联合使用可增加探查的准确性 为了确保探查结果的可靠 往往采用多种物探方法联合探测 再对可疑区进行钻探验证 也就是常说的物探先行 钻探验证 第二节矿井水害的主要探查方法 三 化探技术化探技术主要是通过对矿井已经揭露的井下出水点水的化学组成 化学性质等基本特点及其随时间变化规律的分析研究 采用水质化验 示踪试验等方法 利用不同时间 不同含水层的水质差异 确定突水水源 评价含水层水文地质条件 确定各含水层之间的水力联系的一种水害探测方法 可为预测矿井涌水量的变化趋势 选择合理的水害治理技术方法提供重要依据 第二节矿井水害的主要探查方法 化探技术方法主要包括以下5种 1 水化学快速检测技术 用于井下出水点 钻孔水样水质的快速检测 2 透 突 水水源快速识 判 别技术 是通过水化学数据库 利用水质判别模型快速判别突水水源 第二节矿井水害的主要探查方法 3 连通 示踪 试验 是查明含水层内部 含水层之间 地下水与地表水之间相互联系的一种见效快 成本低的试验手段 它对判断矿井充水水源 分析含水层之间的水力联系等都具有很重要的意义 该方法通常在放水试验过程中使用 第二节矿井水害的主要探查方法 4 环境同位素技术与方法 是通过对水中同位素测试 达到快速识别的方法 5 水化学宏量与微量组分分析技术与方法 第二节矿井水害的主要探查方法 四 钻探技术最近几十年来 国内外钻探技术飞速发展 利用地面钻机 坑道钻机从探放水 探构造及不良地质体 陷落柱 岩溶塌洞 到水文地质勘查 注浆堵水成孔等 其能力和性能均有极大加强 同时定向钻进技术也逐步走向成熟 现在的地面钻机 井下坑道钻机钻探技术已能很好地满足水文地质探查和探放水工作 第二节矿井水害的主要探查方法 1 地面钻探地面钻探主要用于地质勘查和补充勘探阶段的水文钻探 侧重于区域方面的勘探 有突水危险的煤田 在地质勘探阶段就要重点探查水文地质条件 生产补充勘探阶段也应把水害的探查列为重点 在研究地质和区域水文地质的基础上 把充水含水层的富水性 导水性 补给排泄条件及各种水害向矿井充水的途径视为一个整体进行勘探和研究 第二节矿井水害的主要探查方法 2 井下钻探井下钻探主要用于巷道开拓和工作面回采前的可疑区钻探 侧重于局部探查 巷道开拓和工作面回采前 要对预报的水害可疑区或物探的低阻异常区进行钻探 这些钻孔 既可以打垂直孔 也可以打不同倾角的斜孔 其探水线的圈定 超前距 止水套管的长度等按 煤矿防治水规定 中的要求确定 第二节矿井水害的主要探查方法 五 水文地质试验及监测测试技术1 水文地质试验水文地质试验技术的基本方法是以水文地质理论为基础 以水文地质钻探 抽 放 水试验 底板岩石力学试验为主要手段 探查含水层及其富水性 主要含水层水文地质边界条件 各含水层之间的水力联系等 并获取建立水文地质概念模型的相关资料 第二节矿井水害的主要探查方法 同时探查煤层底板隔水层岩性 厚度 结构及阻水能力 在钻探过程中测试承压水原始导升高度 通过采取岩芯测试岩石物理 力学性质等 第二节矿井水害的主要探查方法 抽 放 水试验是其中最核心的方法 它不仅能为水文地质计算提供资料 而且重要的是抽 放 水试验过程本身就能反映含水层的水文地质特性 因此 抽 放 水试验是水文地质勘探最为有效和首选的技术方法之一 但该方法的缺点是历时长 费用高 所以近20年来又推出脉冲干扰试验法 在一定的条件下可以替代抽 放 水试验 第二节矿井水害的主要探查方法 脉冲干扰试验是一项新的水文连通测试技术 其原理是通过水文地质观测点对地下水流场进行脉冲激发 根据波的衍射 势叠加与消减等原理 计算水文地质参数 评价水文地质条件 该方法快捷 准确 工程量小 时间短 费用低 可弥补抽 放 水试验时因钻孔出水量小而不能反映水文地质条件的弊端 第二节矿井水害的主要探查方法 2 监测测试技术 1 基本水文地质监测 其主要仪器设备包括水位水压遥测系统 水位水压自记仪和水量监测仪 电磁流量仪 主要监测内容为 矿井各含水层和积水区水位水压变化情况 第二节矿井水害的主要探查方法 矿井所在地区降水量 矿井不同区域涌水量及其变化情况 矿井受水害威胁水文地质动态变化情况 矿井防排水设施运行状况 地面钻孔水位 水温监测等 第二节矿井水害的主要探查方法 2 煤层底板或防水煤 岩 柱突水监测 其主要设备为底板突水监测仪 监测方法是 通过埋设在钻孔中的应力 应变 水压 水温传感器监测工作面回采过程中应力 应变 水压 水温的变化情况 数据传送到地面中心站后 利用专门的数据处理软件判断能否发生突水 主要应用于具有底板突水危险的工作面回采过程中的突水监测 第二节矿井水害的主要探查方法 3 原位地应力测试 其主要设备是原位应力测试仪 是一种以套筒致裂原理为基础的地应力测试仪器 它通过监测工作面回采前 回采过程中的地应力变化 应用专门数据处理软件判断是否发生突水 该技术主要用于底板突水监测 第二节矿井水害的主要探查方法 4 岩体渗透性测试 其主要设备是多功能渗透仪 通过调节岩体的三向应力状态 测试不同应力状态下的水压 水量变化 以反映岩体渗透性随应力的变化规律 第三节矿井主要水害的探查与防治 一 大气降水和地表水水害的探查与防治矿井水的主要来源是大气降水和地表水的渗透补给 矿区地表的江河 湖泊 水库 沟渠 坑塘 池沼等地表水体 一旦有通道渗透补给煤层顶底板含水层或直接溃入井下 都会造成重大的危害 第三节矿井主要水害的探查与防治 大气降水和地表水探查与防治主要有以下7个方面 1 利用地质调查或探查手段 查清地表水向矿井充水的途径 其内容主要包括 查清矿区及其附近地面水流系统的汇水 渗漏情况和疏水能力 第三节矿井主要水害的探查与防治 查清有关水利工程情况 熟悉当地水库 水电站大坝 江河大堤 河道和河道中障碍物等 查清当地历年降水量和最高洪水位资料 查清疏水 防水和排水系统情况 查清老空区和岩溶裂隙分布状况 圈定隐蔽古井筒或岩溶漏斗位置 第三节矿井主要水害的探查与防治 2 做好井口和工业场地的设计 煤矿井口和工业场地内建筑物的高程必须高于当地历年最高洪水位 在山区煤矿井口和工业场地内建筑物必须避开可能发生的泥石流 滑坡地段 煤矿井口和工业场地内建筑物的高程低于当地历年最高水位时 必须修筑堤坝 沟渠或采取其他防排水措施 第三节矿井主要水害的探查与防治 3 治理地表水体 在查清地表水体的基础上 因地制宜地采取 疏 截 挡 堵 渡 排 等综合措施进行治理 4 确保河道 排水沟渠畅通 严禁将矸石 炉灰 垃圾等杂物堆放在山洪 河流可能冲刷到的地段 避免这些杂物冲到井口和工业场地附近或者淤塞河道 排水沟渠 第三节矿井主要水害的探查与防治 5 留设防隔水煤 岩 柱 按照经过审查批准的设计留设防隔水煤 岩 柱 并严禁开采防隔水煤 岩 柱 第三节矿井主要水害的探查与防治 6 建立灾害性天气预警和预防机制 煤矿企业要主动与气象 水利 防汛等部门联系 掌握可能危及煤矿安全生产的暴雨洪水灾害信息 密切关注天气的预报警信息 及时掌握矿区汛情和水情 包括流经矿区附近河流上游的水情 主动提前采取防洪措施 与周边相邻矿井沟通信息 当矿井出现异常情况时 要立即向周边相邻矿井进行预警 第三节矿井主要水害的探查与防治 7 加强雨季 三防 防洪 防排水 防雷电 工作 煤矿要建立健全预防暴雨洪水引发煤矿透水事故的组织机构和工作机制 成立以矿长为组长的雨季 三防 领导小组 编制雨季 三防 工作计划 明确 三防 任务和责任 第三节矿井主要水害的探查与防治 建立雨季巡查制度和暴雨洪水可能淹井等事故灾难紧急情况下及时撤出井下人员的制度 开展防范暴雨洪水引发煤矿透水事故的隐患排查和整治工作 第三节矿井主要水害的探查与防治 二 孔隙水 裂隙水 岩溶水水害的探查与防治孔隙水 裂隙水 岩溶水在煤系地层中又称含水层水 根据含水层和煤层的位置关系 可分为顶板含水层水和底板含水层水 第三节矿井主要水害的探查与防治 一 顶板含水层的探查与防治1 确定导水裂缝带的发育高度 煤矿防治水规定 中规定 导水裂缝带高度可以按照 建筑物 水体 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 中的公式计算 或者根据类似地质条件下的经验数据结合基于工程地质模型的力学分析 数值模拟等多种方法综合确定 第三节矿井主要水害的探查与防治 实际探测的主要方法有 在采动部位打地面钻孔 直接观测漏失量变化情况 从而确定导水裂缝带的发育高度 在井下向上打钻 用双端堵水器测定采前 采后漏水量 经过对比分析 确定导水裂缝带发育高度 第三节矿井主要水害的探查与防治 2 探查顶板含水层的富水性 1 利用地面勘探钻孔资料 对采动影响范围内的顶板含水层的层次 层厚 含水层和隔水层的岩性特征 水位 水量 水质情况以及边界条件 补给条件进行统计分析 初步界定顶板含水层的富水性 如果资料不足 则进行补充勘探加以查明 第三节矿井主要水害的探查与防治 2 根据初步分析 如果顶板含水层富水性较强 则需采用直流电法或瞬变电磁等物探方法进行富水区划分 结合钻孔资料进行验证 并预测涌水量及对回采时的影响程度 第三节矿井主要水害的探查与防治 3 顶板水害的评价 三图 双预测 法 是一种解决煤层顶板充水水源 通道和强度三大问题的顶板水害评价方法 三图 是指煤层顶板充水含水层富水性分区图 顶板冒裂安全性分区图和顶板涌 突 水条件综合分区图 双预测 是指顶板充水含水层预处理前 后采煤工作面分段和整体工程涌水量预测 第三节矿井主要水害的探查与防治 导致顶板涌 突 水水害发生的根本原因是 煤层回采形成的顶板导水裂缝带沟通了上覆直接充水含水层 并且含水层在采煤工作面冒落范围对应的部位富水性较强 第三节矿井主要水害的探查与防治 因此 顶板涌 突 水条件分析不外乎包括2个方面的内容 煤层回采顶板冒落安全性分析和顶板直接充水含水层富水性分析 三图 双预测 法针对顶板水害发生的关键因素 对顶板水害能够较为准确地进行定量预测 可为预防和治理顶板水提供依据 第三节矿井主要水害的探查与防治 4 顶板水害的防治原则顶板含水层水害防治原则是直接充水含水层采取疏干措施 间接含水层要千方百计封堵隔离 1 对可采煤层直接顶板或导水裂缝带涉及影响到的充水含水层 必须坚决疏放 其具体技术要求如下 第三节矿井主要水害的探查与防治 用石门揭露顶板含水层 水量大者在石门内适当地点修筑安全水闸门 在留有足够岩柱的条件下 在石门内用钻孔群引放含水层的水 以孔口闸阀控制放水量 确切查明含水层的富水性和疏干范围等 第三节矿井主要水害的探查与防治 在开拓井巷之前 回采导水裂缝带可能破坏顶板含水层时 应通过附近巷道的实际观测 找出构造裂隙带比较发育而可能突水的地段 布置探查孔 进行放水试验 了解水压和水的补给量 储存量 将水疏放出来后进行回采 第三节矿井主要水害的探查与防治 通过探查 证实含水层与强含水层或其他水体未发生水力联系 且采区有足够的排水能力时 可在采取最低部位首先回采 实行采动放水 也可以结合生产开拓的需要 直接在含水层内掘进巷道放水 第三节矿井主要水害的探查与防治 采煤工作面开采前 应作详细的探放水设计 进行顶板水的探放 先期探放水孔 一般从开切眼起 可按30m 50m 100m的间距布置 往后可视具体情况而定 孔位应尽可能结合地质构造布设在疏水效果好的部位 第三节矿井主要水害的探查与防治 2 对间接充水含水层 凡煤层采动裂缝带以外的 要进行事前封堵 在地面或井下实施帷幕注浆 截堵补给水源以减少矿井涌水量 在这类工作的基础上 发展并完善了立井预注浆 工作面预注浆 斜井工作面预注浆和井筒壁后注浆等技术 第三节矿井主要水害的探查与防治 5 留设防隔水煤 岩 柱根据评价 顶板含水层的富水性强 水量大 补给来源充足 有突水威胁又不宜疏放的地区 或者是疏放成本较高 经济上不合理 可采取留设防水煤 岩 柱的方法进行防治 第三节矿井主要水害的探查与防治 6 监测监控在查明顶板含水层条件的情况下 采用适当的方法防治矿井水害实现矿井的安全开采是可行的 为了保证水害防治的有效性 必须在水害防治过程中进行监测监控 监测监控的内容主要有以下4个方面 第三节矿井主要水害的探查与防治 1 防隔水煤 岩 柱的隔水性 主要通过地面或井下打钻的方式观测导水裂缝带的发育高度 通过取样对防水煤 岩 柱进行物理力学性质测试和应力变化情况检测 通过对松散孔隙含水层水位和煤层顶板基岩水位的观测对比等方式监测开采过程中防隔水煤 岩 柱的隔水性能 第三节矿井主要水害的探查与防治 2 疏水降压效果 通过观测疏降含水层的水位和疏水量 判断两者的相关关系 并且与疏水降压设计中对涌水量和水位变化的预测相对比 评价疏水降压效果 第三节矿井主要水害的探查与防治 3 采区和矿井涌水量的变化情况 在对受顶板含水层威胁的区域进行采掘活动时 要加强对采区和矿井涌水量的观测 根据涌水量的变化情况 调整采掘进度或矿井排水能力 确保矿井的排水能力和矿井涌水量相适应 第三节矿井主要水害的探查与防治 4 地面沉降的幅度及其影响 对地表较近的顶板含水层的疏水降压 势必造成地下水位的大幅下降 诱发地面沉降 引起一系列的安全问题和环境问题 因此 要对地面沉降的幅度进行观测 对可能造成的安全和环境问题进行预测 并采取措施进行预防和治理 第三节矿井主要水害的探查与防治 案例8 1 2005年5月21日 安徽一煤矿发生了顶板溃水事故 造成5人死亡 事故直接原因是该矿745采煤工作面在2005年5月16日突水后 未执行煤矿编制的 关于745工作面处理水淹冒顶技术安全措施 未经验收擅自恢复生产 在回采过 程中 顶 板聚集的离层水体瞬间溃入工作面 溃水量最大达3837m3 h 由于未能及时撤离导致了事故发生 第三节矿井主要水害的探查与防治 二 底板含水层的探查与防治矿井底板突水探查与防治是一项系统工程 涉及水文地质 构造地质和采掘工程等矿井地质与生产的多个方面 第三节矿井主要水害的探查与防治 1 查清条件首先要用物探 化探 钻探等多种手段查清底板含水层的水文地质条件 包括含水层的厚度 富水性 各含水层间的水力联系 承压水补给条件 强径流带的分布 岩溶陷落柱 水文地质单元的边界等 其次要查清构造地质条件 包括断层的落差 走向 力学性质和导水性 以及褶曲构造 第三节矿井主要水害的探查与防治 2 建立井上地下水动态观测网对主要含水层进行常年水位观测 此外 还要监测地下水径流带 疏干边界或隔水边界 井下主要突水点等地下水位变化的关键区域 第三节矿井主要水害的探查与防治 3 堵截补给水源在查清矿井底板水补给条件的情况下 如果补给区域比较集中 可以采用地面帷幕注浆截流的办法堵截水源 第三节矿井主要水害的探查与防治 4 疏水降压在受底板水害威胁和有突水危险的矿井或采区借助于专门的疏水工程 疏水石门 疏水巷道 放水钻孔等 有计划有步骤地将煤层下伏强含水层中地下水进行疏放 使其水位 压 值降至安全采煤时某个水位 压 值以下 其目的是预防地下水突 涌 入矿井 避免灾害事故 改善劳动条件 提高劳动生产率 它是煤矿防治水的一种重要措施 第三节矿井主要水害的探查与防治 5 井下探放水当采掘工作面接近断层或富水区域时 可能发生地下水突然涌入矿井 发生水患事故 为了消除隐患 生产中常使用探放水方法 查明采掘工作面前方的水情 并将水有控制地放出 以保证采掘工作面安全生产 第三节矿井主要水害的探查与防治 6 带压开采当承压含水层与开采煤层之间的隔水层能够承受的水头值大于实际水头值 开采后 隔水层不容易被破坏 煤层底板水突然涌出可能性小 可以进行带压开采 但应制订安全措施 由煤矿企业总工程师组织审批后方可实施 第三节矿井主要水害的探查与防治 能否带压开采 需要计算安全隔水层厚度和突水系数 准确评价隔水层的性能及其与承压含水层水压的关系 还需要查清开采地区地质构造及采煤活动对隔水层的破坏情况 第三节矿井主要水害的探查与防治 7 底板含水层改造与隔水层加固在承压含水层的富水区 强径流带或底板不完整的工作面 采用疏水降压和帷幕注浆难度大 经济不合理时 可通过薄层灰岩含水层注浆改造和隔水层注浆加固的方法防治底板突水 第三节矿井主要水害的探查与防治 煤层底板注浆改造含水层和隔水层 是沿工作面上下副巷大面积布置注浆钻孔 通过注浆钻孔注浆来充填底板含水层或隔水层中的岩溶裂隙和导水裂隙 从而大大减弱含水层的富水性和隔水层的强度并切断水源补给通道 使受注含水层被改造为不含水或弱含水层 使隔水层中的裂隙减少增加其强度 实现工作面不突水开采 第三节矿井主要水害的探查与防治 8 建筑防水闸门和水闸墙防水闸门和水闸墙是井下防水的主要安全设施 凡水患威胁严重的矿井 在井下巷道设计布置中 就应在适当地点预留防水闸门和水闸墙的位置 使矿井形成分翼 分水平或分采区隔离开采 在水患发生时 能够使矿井分区隔离 缩小灾情影响范围 控制水势危害 确保矿井安全 第三节矿井主要水害的探查与防治 案例8 2 2004年10月20日 河北一煤矿发生奥灰突水事故 造成矿井被淹 29人死亡 导致重大经济损失 事故直接原因是该矿开采的下组煤距奥灰距离近 工作面采动后 发生底板破坏和承压水的导升 有效隔水层厚度减少 加上有垂向裂隙或断层发育 奥灰承压水从工作面后方采空区的断层或裂隙带发生滞后突水 导致矿井被淹 与其相邻的两个生产矿井也受到严重水害威胁 第三节矿井主要水害的探查与防治 三 老空水的探查与防治防治老空水水害的主要方法就是探放 但是放与不放 何时探放 怎样探放却是需要根据矿井和老空积水的具体情况 从安全生产的全局出发 统筹安排 精心组织和严密施工 第三节矿井主要水害的探查与防治 1 老空水探放的原则矿井探放老空水 需要对老窑积水量 矿井现有排水能力 老窑水的动力补给量 水质和疏放后可能解放煤炭的资源量等因素综合考虑 以安全 经济 合理为原则 第三节矿井主要水害的探查与防治 1 积极探放 当矿井井