煤矿水害防治技术

煤矿水害防治技术文学宽研究员总工程师煤科总院矿山安全技术研究分垸电话：136815694252010年10月,1.我国水害概况2.我国煤矿防治水规定3.近期水害防治研究成果、技术简介,1.我国水害概况常言道：水火无情。煤矿在生产建设过程中经常受到水的威胁。突水事故与顶板、瓦斯、火等事故相比，发生率不算高，但一旦发生，造成的人员伤亡和经济损失比顶板、火灾等事故等要大得多，危害相当严重。据统计，19491995年在我国煤矿一次死亡3人以上的事故中，以死亡人数计算，水害事故占15.72；平均每次事故死亡7.06人，仅次于瓦斯和顶板事故，位居第三。,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。,水害事故的原因分析煤层倾角大（75度左右）、厚度大（34m），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。,2010年3月28日13时40分左右，王家岭矿20101工作面回风巷掘进头发生导通老空积水区透水事故,选成153名矿被淹，经过急时抢救，115人被救，38人遇难。,山东“8.17”特大地表水灾事故2007年8月17日，山东省华源矿业有限公司发生洪水淹井事故，死亡172人，与其相邻的名公煤矿也被洪水淹没，致使9名矿工遇难。本次事故共造成181人遇难。,由于强暴雨导致山洪暴发，流经华源矿区的柴坟河水位暴涨漫过河岸，漫溢的洪水冲蚀河岸，掏空基础，最终冲开约65m的决口，冲入落差约5m的岸外低洼处，在洪水强烈冲刷作用下，形成3个集中溃水点溃入井下。溃入井下的水量约1260万m3，砂石和粉煤灰约30万m3，导致淹井。当班井下作业人员756人，有584人安全升井，172人被困井下遇难。,(一)预防自然灾害的机制不健全”8.17“事故溃水前，气象部门对50年一遍的强降雨也预测到了，但并没有明确预测出更为具体的降雨在什么位置，也没有引起地方政府的高度重视;水利部门在接到强降雨应适当将上游水库腾出库容，以避免洪水来临超过警界线。由于各部门预报预警机制不健全，导致该地区强降雨发生时，加上上游水库泄洪、河道清理不及时，致使柴坟河河岸突然决口，发生淹井灾害。,(二)暴雨期间井下停产撤人不及时华源矿业公司发现井下透水后，没有及时做出人员一次性撤离升井的决定，而是分3次下达撤人命令，延误了部分人员的最佳撤离时机。名公煤矿也没有严格执行上级灾害性天气停产撤人的规定，在接到政府下达撤人指今后，仍坚持生产。,（三)事故灾难发生后，没有在规定时间内按程序立即上报。胎误了当地政府在第一时间组织抢救的时机。,(四)开采防隔水煤柱、超层越界开采与华源矿业公司同一井田内还有9个小煤矿，其中6个正在生产，3个己报废，各矿井之间基本上都相互沟通，超层越界开采非常严重，一个矿井发生水害会波及所有相邻矿井的安全。废弃的井筒未填实封死，成为洪水溃入井下的主要通道。,(五)应急排水设备不完善817事故发生后，由于当地没有大流量排水设备，只能从河北唐山、河南郑州调大功率、高扬程水泵进行抢险排水，致使开始时排水进度不理想。,(六)企业超定员组织生产山东华源矿业公司事故发生时，井下作业人员比有关规定多61人，再加上151名检修人员，增加了事故灾难的遇险人数。,2.我国煤矿防治水规定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。,煤矿企业、矿井的主要负责人（含法定代表人、实际控制人）是本单位防治水工作的第一责任人，总工程师（技术负责人）具体负责防治水的技术管理工作。,(3)煤矿防治水规定的重点煤矿防治水工作应当坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，采取“防、堵、疏、排、截”的综合治理措施。水文地质条件复杂和极复杂的矿井，在地面无法查明矿井水文地质条件和充水因素时，必须坚持有掘必探。,案例：王家岭矿难9名工程技术人员涉嫌重大责任事故罪被批捕根据煤矿防治水规定，王家岭矿难9名工程技术人员：姜世杰、曹奎兴、张军伟、常世坤、邹达山、贾剑勇、吴东红、葛廷福、王益涉嫌重大责任事故罪于2010年5月22日被批捕。,矿井防治水原则规定，必须做好水害分析预报和充水条件分析，有疑问必须探测，先探后掘，先治后采。而作为王家岭矿探人员的王益在3月24日、25日的探测时，已经从探测数据发现掘进前方异常。但他没有和技术负责人商量，就根据个人经验作出“在探测区域内可以正常掘进”的探测成果表。,这份有“问题”的探测成果表，在矿区指挥部工程部竟是“一路绿灯”。收到探测成果表后，工程部部长贾剑勇、地质工程师吴东红在没有进行仔细分析的情况下，轻易作出了可以正常掘进的“水害预报”。,收到“水害预报“，项目部地质技术员邹达山和监理部驻矿总监代表葛廷福没有建议停工，更没有对异常点钻探验证，事故征兆就这样被疏忽了。,3月28日10时30分许，回风巷工人发现渗水，正在井下检查工作的项目部生产副经理曹奎兴等人前往渗水点查看后，让工人注意关注水情。11时10分许，接到报告的项目部技术副经理、防治水领导组副组长张军伟下井检查后下令停止掘进，改为支护作业。,11时40分许，曹奎兴升井后将渗水情况向项目部经理、防治水领导组组长姜世杰进行汇报，姜世杰也接到电话反映井下渗水，姜世杰指示等张军伟实际调查后再作决定。,12时左右，张军伟升井。这时，姜世杰、曹奎兴、张军伟以及项目部安监站站长常世坤都得知井下渗水，也知道3月24日、25日物探结果显示20101回风巷掘进前方异常。上述透水征兆都未引起他们的重视，未采取果断措施停工撤人，进行钻探验证。13时许，透水事故发生。,3.近期水害防治研究成果、技术简介3.1特厚煤层一次采全厚覆岩破坏高度观测研究（1）煤层开采覆岩“三带”型破坏长壁工作面采用全部垮落法开采，从煤层直接顶板开始，由下向上依次垮落、开裂、离层、弯曲，经过若干时间终止移动。移动期间和移动稳定后的上覆岩层，按其破坏程度的不同，大致可分为垮落带、裂隙带、弯曲带。,图3.1上覆岩层移动、变形和破坏分带1垮落带；2导水裂缝带；3弯曲下沉带,（2）煤层覆岩破坏“两带”高度计算冒落带高度计算公式,坚硬,中硬,软弱,极软弱,导水裂隙带高度计算公式,覆岩岩性分类标准,上述“两带”高度计算公式虽然是“三下”采煤规程中的规规定,但使用条件是：单层采厚不超过3m，累计采厚不超过15m。特厚煤层一次采全厚覆岩破坏高度我国上世纪八十年代从法国引进的厚煤层综采放顶煤一次采全厚的技术在国内已得到广泛推广应用。据测定厚煤层综放开采覆岩破坏的高度与“三下”采煤规程中通过厚煤层分层开采，且单层采厚不超过3m的计算公式得出的结果相比较，前者要大（见下表）。,综放开采覆岩破坏高度实测值与规程公式计算值比较,根据国内为数不多的观测资料得出：厚煤层综放开采条件下的导水裂缝带最大高度与采厚虽然也近似分式函数关系，但其关系曲线上升速度高于分层开采。说明随着采厚的增加，综放开采导水裂缝带最大高度增加更快。,导水裂缝带高度与开采方法关系曲线1-薄煤层或中厚及厚煤层顶分层开采；2-中厚及厚煤层分层开采；3-中厚及厚煤层综放开,通过山东兴隆庄煤矿综放开采导水裂隙带高度的实测拟合出，综放开采“两带”破坏高度计算公式。垮落带高度的计算式为：100MHk-+3.155.45M5.82导水裂缝带的计算式为：100MHk-+3.150.84M4.57,3.2.井下打钻观测覆岩导水裂隙带高度在井下回采工作面周边布置钻窝，由该钻窝向工作面采空区上方的覆岩导水裂隙带内打仰斜钻孔，采用井下双端堵水器导高观测仪观测导高。井下观测法与传统的地面钻孔冲洗液消耗量观测法相比，有如下优点：井下观测法钻孔工程量小，施工成本低。井下观测法观测精度高。在井下是使用仪器，每米逐段观测，精度高，成果可靠。,图2.3双端堵水器结构示意图,仪器由3部分组成：双端堵水器、连接管路、控制台。双端堵水器由两个起胀胶囊和注水探管组成。连接管路有两条：起胀管路和注水管路。控制台也是对应两个：起胀控制台和注水控制台。起胀控制台、起胀管路和双端堵水器的两个胶囊相连通，构成控制胶囊膨胀和收缩的控制系统。注水控制台，注水管路和双端堵水器的注水探管相连通，构成一个控制和观测岩层导水性的注水观测系统。,观测原理与方法（1）仰斜钻孔穿过导水裂隙带一睐在回采工作面周边的适当位置，向采空区上方打仰斜钻孔，该钻孔要穿透覆岩导水裂隙带，并进入其上方的弯曲带一定距离，一般510m，该钻孔就是导高观测钻孔。,图2.5导高观测剖面图A,（2）双端堵水器测试各段岩层的透水性使用双端堵水器，由孔口起自下而上逐段（每段1米）测试每段岩层的导水性能，一直测试到孔底实测到的透水岩层的最大高度，就是采场覆岩的导水裂隙带高度。,（3）双端堵水器的控制与岩层透水性观测首先，操作起胀控制台，使双端堵水器的两个胶囊处于无压收缩状态；第二步，使用钻机钻杆（或使用推杆，人力推动）将双端堵水器推移到位；,第三步则是操作起胀控制台，对双端堵水器的两个胶囊注水加压，使之处于承压膨胀状态，从而封堵分隔一段钻孔；最后，则是操作注水控制台，对分隔出的一段钻孔进行注水观测，通过注水控制台上的流量表，观测出这段岩层单位时间的注水渗流量，从而测试出这段岩层的透水性能。,3.3底板破坏“三带”预测水体上煤层开采技术(1)突水系数预测水体上煤层开采我国上世纪60年代焦作水文地质会战时出，作为突水预测的标准，临界突水系数T。单位隔水层厚度M所能抵抗水压P的极限值。,2009年12月1日生效的(煤矿防治水规定)笫七十七条确认了安全隔水层厚度和突水系数计算公式，并规定：底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.1MPa/m。突水系数预测公式显然过于简单，未能考虑采矿等诸多因素的影响。使大量因突水系数概念下认为是突水危险区的煤炭资源未得以安全开采。,通过试验研究，提出了有效隔水层厚度的概念，即将煤层开采底板破坏产生“三带”。上段为开采对底板隔水层的破坏带；中段为完整保护层带；下段为承压水原始导升高度带。,基于上述关于隔水底板“三带”的划分，提出了新的突水系数计算公式。,有,有效隔水层岩层的阻水系数“三下”采煤规程中有表可查。由表中资料可知岩层的阻水系数：中、粗粒砂岩0.30.5Mpa/m，细砂岩0.3MPa/m粉砂岩0.2MPa/m泥岩0.10.3MPa/m石灰岩0.4MPa/m断层带按弱强度填充物考虑0.050.10MPa,开滦赵各庄矿五水平的12煤层底板有效隔水层的阻水系数及阻水能力表,按以上数据对正常底板区安全评价如下：按突水系数评价正常开采区安全性水压为10MPa，底板隔水岩层厚度6595m(100-130m)，则Ts=0.1090.16(0.077-0.10)大(小)于临界突水系数（0.060.10焦作）属不安全(安全)开采。,按阻水系数预测评价正常开采区安全性（1）压裂条件：破裂压力Pb=13.3MPa，水压Pa=10MPa因PwPw，故有足够的阻水能力。所以，在正常区开采能保证安全。,按阻水系数预测评价构造带安全性构造带附近地应力及构造断裂带的岩体或充填物的抗张强度比正常区低（30%50%），故其破裂压力Pb由正常区的13.3MPa下降为79MPa，小于水压10MPa；构造带整体总阻水能力（含水及导水断裂除外），由于阻水系数Z一般为0.1MPa/m，断裂带斜长最小为140m，若不留煤柱，导水破坏深度可达50m，下部导高10m，则有效阻水体斜长约为80m，其总阻水能力为8MPa，小于水压10MPa。由于PwPb，Z总Pw。故构造区为开采危险区。,3.4老空积水区探测综合物探技术我院从去年年初开始对内蒙古鄂尔多斯市200多处地方煤矿120Km2的老空区进行了探查，今年又在内蒙、山西等省、市全面展开了探查。既有井上探查，又有井下超前探查。探查仪器、方法为瞬变电磁、高密度电法、地震及EH-4等综合物探技术。,3.5煤层顶板水充气疏干技术顶板为古近系或新近系半固结砂岩含水层，一般采用预先疏干、可采用充气疏干相结合的方法。即在工作面的上巷施工充气钻孔，在工作面的下巷施工疏干钻孔。,3.6煤层底板水害物理预警技术,依据理论：煤层底板递进导升突水机理煤层底板隔水层在薄弱部位存在着一定高度的导升现象，开采过程中在矿压的作用下，在工作面的前方一定深度内下部的应力为张性，上部为压性。使得工作面前下方最先破坏，造成递进导升，如图1a。当上部的采动破坏区和下部的破裂区相对接时即发生突水。,图1A，煤层底板自然导升及其递进导升现象图1B，采动破坏深度示意图,随着工作面的推进，应力又集中，强度因子又增加，当其再次达到临界值时，裂隙又扩展，导升高度再次升高。就这样周而复始，当导升高度达到底板破坏区时，便发生突水，这就是递进导升的突水机理，如图2所示。,图2煤层底板递进导升突水机理示意图,硬件系统：传感系统：位移，渗透压、离子、应力、应变、水温、水压传感器等。数据采集和发射系统：大容量、高速的监控预警传输系统（矿山既有的工业以太网）。,工作流程：,监测煤层底板特定位置的温度、水压、特征离子、应力、应变（对于底板突水预警）或煤壁位移、渗透压力、特征离子和温度（对于陷落柱或老唐突水）根据所监测到应力或位移反求参数模拟开采计算底板应力场和渗流场根据专家系统或神经网络系统预报水情。,多道信号采集分站不同物理量的数据采集。目前分站通道为24、36、48路，如果工作面有多个监测点，可以布置多个监测站。分站是作为通信总线上的一个智能节点即从设备，挂接在总线上任意一个分站的地址是唯一的，完成对某个分站的实时采集数据交换是受控于主节点即地面中心站对该分站的访问。数据采集分站工作原理如图：,预警级别,特征指标量值。量值越接近灾害标准，预警级别越高。突水指标的组合。达到阈值的指标越多，预警的级别就越高。概率。预报突水的概率越高，水害预警的级别也越高。突水区或突水时间的接近程度。对预测的突水地点或时间越接近，预警的级别也就越高。,预警实例：,在淮北朱庄622工作面进行了初步应用工作面水文地质条件：6号煤度2.44m，平均2.8m，倾角59，宽度190m，长度约890m。机巷底板标高314327m，底板5360m。下巷附近有断层，底板变薄为40m。下伏太原群灰岩，三灰含水层厚度水位为12m，水压约3Mpa。历史上曾发生5次底板突水。工作面存在突水的危险性。,监测内容：应力、应变、水压、水温监测工程与方法：3个监测孔，4组应力、应变、水压、水温传感器（如图4所示）。借助于internet在朱庄煤矿和西安进行同步近远程监测。,监测结果,图4煤层底板40m深处二次应力和水温曲线图a.二次应力曲线,图4煤层底板40m深处二次应力和水温曲线b.水温变化曲线,数值模拟,图5.622工作面的应力状态的有限元计算结果,验证,在工作面推进过监测点约20m处，在靠近下巷20m范围内的煤层底板发生太原群灰岩的突水灾害，水量达1500m3/h。,3.7煤矿水害的化学预警系统,（一）简介解决的问题：1，老空透水2，陷落柱突水3，地表水溃入海，湖，河流4，冲积层水溃入,该系统由软硬件2部分组成硬件部分包括：离子敏传感器数据采集、发射仪网络型和单机型终端设备；,软件部分包括：水源判别模型水源判别软件系统,在分析工作区水文地质条件，建立水源判别模型的基础上，通过对工作面的水质进行在线监测，实时判别水源，确定灾害类型和强度的预警方法。,这项技术己应用于顶板水的预警面。龙口北皂煤矿是我国第1个海下采煤，进行海水溃入的监测预警技术应用矿井预计的指标为水量、水压和水温，即对地面观测孔水位实时无线遥测，对井下观测孔和出水点的水情实时有线遥控，再将各分站的信息通过KJ95安全监测系统传送到系统总站。,据调研和资料积累，陷落柱水（奥灰水）的水质和其他含水层的水质差异显著，利用水源判别模型自动识别上述水源将是准确的。调研还发现老控水，老空水在溃出之前煤岩壁都有“出汗”，变潮等现象：,陷落柱周边都发育有环带状断裂，且环带状断裂的导水性和陷落柱的导水性是一致的，陷落柱在大规模突水以前，环带断裂将发生明显的出水现象。环带状断裂的出水就成为老空区透水和陷落柱突水的直接前兆，对水质的在线监测就使得老空水害和陷落柱水害的预警成为可能，也使得化学预警成为防止煤矿重大灾害的最有效的手段之一。,陷落柱突水也是煤柱变形失稳的结果，突水过程和老空区透水基本相同，但陷落柱的周边围岩发育有环带断裂，环带的渗流就成为陷落柱突水的前兆和预警指标，也是监测点选定和传感器安装的依据。,对于煤矿水害的化学预警研究，水的化学成分是预警的基础。由于不同水源体的化学成分是不同的，因此确定水源体的类型是研究的前提。据调研，华北煤田的主要水源体有奥灰含水层、太灰含水层、砂岩含水层、空隙含水层核老空水体。,水源通过两种以上的判别模型确定，目前我们建立的模型有逐步判别分析，聚类分析，和模糊批判。老空水预警方法是：工作面的任何部位出现老空水，则认为煤柱透水，立即发出预警信号。陷落柱突水预警方法是：一旦煤岩壁、煤层顶板或底板的涌水被判断为奥灰水源，在排除断层通道以后则发出报警信号。,老空水作危险源时，因透水发生的迅猛，人员无法逃离，因此，无法对煤岩壁的变形实施动态观测，难以预报发生透水的准确时间；但对于导水陷落柱型危险源可以在出现水情异常时安装煤岩壁编写的监测仪器系统，以对灾害发生的时间作出预报。,对于老空水害将采区两种方案：定点监测。在已知老空方位的情况下，在距离老空区最近的煤岩壁内定点按装传感器，监测老空水在煤岩壁的微渗流，以提高预警的提前量。移动监测。其他部位的渗流将采用移动方式的监测，即传感器不固定，那里发生渗流或出水就对那里监测，以确保监测点尽可能底全面。,预警实例,梧桐庄煤矿陷落柱突水预警三维地震勘探虽然探出了梧桐庄煤矿28个疑似陷落柱，但生产中揭露了多个勘探期间没有发现的导水陷落柱，证实原来勘探的准确率较低。,鉴于全国多个煤矿发生过突水淹井的灾害，因此寻求梧桐庄煤矿导水陷落柱突水的预警方法，便成为该矿安全开采的关键。应用预警技术成功地判别了1号和3号强导水陷落柱，避免了两次恶性的突水灾害。