矿井水害防治基础及防治方法.ppt

水害防治形势及水害防治新技术,Contents,矿井水害探测方法,探测与评价技术手段,3,4,5,水害防治形势,2,综合评价与探测方法体系,1,矿井水害防治基础知识,矿井水害防治基础知识,一、矿井水文地质基础知识二、矿井水害类型及形成条件三、防治水规定、规程四、矿井水害防治,一、矿井水文地质基础知识,一、地下水的基本知识1、地下水概念地下水是指埋藏在地表以下岩石空隙中的水，它主要以气态水、吸着水、薄膜水、毛细水和重力水等形式存在于岩石的空隙中。2、地下水分类按含水层性质分为孔隙水、裂隙水、岩溶水（喀斯特水）。根据充水形式及赋存状态分为含水层水、断层水、老窑积水、钻孔水等。二、矿井充水水源矿井充水的水源主要有地表水、地下水含老窑（采空区）积水和大气降水。矿井充水的形式有渗入、滴入、淋入、涌入和溃入等，当涌入或溃入井巷的水量大、来势猛时，称为突水。地表水矿区附近的地表水体(海、河、湖泊、池沼、水库等)，在一定条件下，可能成为矿井的充水水源，甚至会导致淹井。地表水能否进入矿井，主要取决于采掘工程与水体之间的距离、地层及构造，其次是采用的采煤方法。地下水,老窑积水的充水特点：老窑积水多分布于煤层浅埋处，开采深度大多数为100m左右，个别可达200m。老窑积水以静储量为主，犹如一个地下水库。当煤（岩）柱强度小于它的静水压力时，即可发生突水，在短时间内大量积水涌入矿井，来势凶猛，破坏性强。老窑和旧巷积水与其他充水水源无水力联系时，一旦突水，虽然涌水量很大，但持续时间不长，容易疏干；若与其他水源有水力联系，可形成量大而稳定的涌水量，对煤矿生产危害较大。老窑积水是长期积存起来的，多为酸性水。水中硫酸根离子含量可达40006000mg/L。pH值仅仅为12，有强的腐蚀性，对矿山设备危害甚大。因为年代久远，加之无规则的乱采，所以许多老窑的位置现已无法查考。大气降水大气降水的渗入是很多矿井充水的经常性补给水源之一，特别是开采地形低洼且埋藏较浅的煤层时，大气降水往往是矿井充水的主要来源；与当地的气候、地形、岩石性质、地质构造等因素有关。,三、矿井涌水通道矿井涌水通道有构造断裂带、接触带、导水陷落柱、采矿活动造成的裂隙、封闭不良的导水钻孔、岩溶塌陷及“天窗”等。四、矿井充水强度在煤矿生产中，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）两个指标来表示矿井充水程度。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。即矿井每采一吨煤的同时，需从矿井内排出的水量。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四个等级：充水性弱的矿井：KB10m3/t；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。根据涌水量大小可分为四个等级：充水弱的矿井：Q1000m3/h；五、矿井水文地质类型,二、矿井水害类型及形成条件,水害类型按突水水源分：地表水水害松散层（冲积层）水害砂岩裂隙水水害薄层灰岩水水害厚层灰岩水水害老空水（老窑水）水害,按水进入矿井的方式分：井巷突水（不可预见）正常矿井涌水（可预见）顶板淋水井筒漏水地表水倒灌（溃入）其它分类类型：矿井突水按采掘工作所处的阶段，可分为掘进突水与回采突水；按突水点与开采煤层所处的相对位置，可分为顶板突水、底板突水；按突水相对于采掘工程进行的时间可分为即时突水与滞后突水按突水点的水量大小，可分为小型突水(Q60m3/h)、中等突水(Q=60m3/h600m3/h)、大型突水(Q=600m3/h1800m3/h)和特大型突水(Q1800m3/h)。,矿井水害的形成条件断裂构造（断层）：断层是矿井充水的重要通道，地下水、地表水，甚至大气降水都可能沿导水断层渗入或涌入矿井。岩溶陷落柱：岩溶陷落柱是由于煤系地层下伏的奥陶系灰岩顶部岩溶发育，常形成巨大的溶洞，使上覆地层失去支撑，从而在重力作用下不断向下垮落而形成。构造裂隙和地震裂隙构造裂隙：成岩或构造活动中形成的导水裂隙（天然导水裂隙）。地震裂隙：现代地震活动中新生成的裂隙。采动导水裂隙带：当煤层采出后，采空区围岩应力状态发生变化，导致顶板、底板破坏，在采场周围形成破坏带或人工充水通道。导水钻孔：未进行封孔或虽封孔，但质量不合乎要求的钻孔便成为沟通煤层上部或下部含水层的导水钻孔。,三、煤矿防治水规定及煤矿安全规程,两者关系：煤矿安全规程是个整体的，煤矿防治水规定是实施细则。强调人，没有人员死亡的责任要比有人员死亡的要小得多。矿长是第一责任人，但往往总工是实际的第一责任人，因为往往是技术口由经验、忽视所造成事故的。有突水征兆后，强调先撤人后报告。,1、新修订的规定强调在矿井防治水领域的权威性、防治水工作应遵循的基本原则、责任人、机构设置和人员配备及专用装备、矿井防治水应开展的工作等。如：第2条：煤矿企业（矿井）、有关单位的防治水工作，适用本规定。现行煤矿安全规程、规范、标准等有关防治水的内容与本规定不一致的，依照本规定执行。第3条：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。第5条：煤矿企业、矿井应当按照本单位的水害情况，配备满足工作需要的防治水专业技术人员，配备专用探放水设备，建立专门的探放水作业队伍。,2、指导思想和遵循的原则坚持“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，以国家有关法律、法规为依据，体现“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则和“防、堵、疏、排、截”综合治理措施。3、关于水文地质补充勘探问题增补了地面和井下水文地质补充勘探中的地球物理勘探和水化学与同位素分析等新技术新方法内容。同时，也规定了物探成果必顺要用钻探进行验证，以确保资料的可靠性和准确性。,4、有关法律责任新规定在第九章增补了“法律责任”。如：第130条规定没有配备防治水专业技术人员、探放水设备等应当承担的法律责任。第131条为煤矿企业未查明水害情况组织生产和发现矿井有透水征兆未采取及时撤人措施应当承担的法律责任。第132条为矿井没有三种报告（地质报告、建井设计、建井地质报告）和五种防治水图件（矿井充水性图、矿井涌水量与各种相关因素动态曲线图、矿井综合水文地质图、矿井综合水文地质柱状图及矿井水文地质剖面图）应当承担的法律责任。第133条为矿井发生突水后未观测记录、未按规定及时上报应当承担的法律责任。第139条为煤矿企业违反规定造成透水事故，应当承担的法律责任。,5、关于水害事故的应急救援新规定专门列第八章增补了这部分内容，对强化水害事故的应急救援方案制定，减少不必要的人员伤亡和财产损失，具有重要的意义。规定对水害应急预案和救援指挥部门的应急工作、矿井现场管理和调度人员熟悉水害应急预案和现场处置方案、水害避水路线、井下现场作业人员辨识透水征兆和快速报告，开展自救互救、以及调度室接到水情报告后应做的工作等做了规定。,四、矿井水害防治一、矿井突水征兆煤壁挂红；煤壁挂汗；空气变冷；发生雾气；水叫声；顶板来压，产生裂缝，出现淋水；底板鼓起；接近冲积层开采工作面压力明显增大，顶板来压、片帮，局部冒顶或冒顶次数增加，有淋水或水中有砂，应考虑有溃水、溃砂的可能。二、发生突书征兆和发生水灾事故后的应急原则立即报告：现场最先发现突水征兆或水灾的人员应设法弄清水情，并立即向矿调度室报告，同时听从调度室的指示，调度室及时通知有关领导和部门。突水水量少且规模小，在保证人员安全的前提下，迅速组织抢救。跟班区队长和班组长组织现场人员就地取材，设法处理封堵出水点，并利用现场排水设备进行全力排水，防止事故继续扩大。水灾规模大且失控，现场人员应立即向调度室汇报，并及时通知附近受威胁地区的人员，按照作业规程或矿井灾害预防与处理计划中所规定的路线撤出。,在采掘工作面探水前进时，钻孔出水不能轻意拔钻，应立即汇报调度室请示处理意见。如果条件和时间允许，可以加固工程防止事故发生。发现有人被堵井下时，各级领导应首先制订营救措施。要判断被堵人员可能躲避地点，分析其生存条件，制订营救方案。并根据涌水量和排水能力，估计排除积水时间。中央泵房工作人员接到水害事故报警后，要立即关闭泵房两侧的密闭门，启动所有水泵，把水仓水位排至最低。未接到救灾总指挥的撤退命令，不得擅离工作岗位。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。如果水中携带大量泥沙，浮煤时，可在水仓进口处修筑临时分段挡墙，以减少水仓淤积。水文地质人员应测量涌水地点的涌水量大小及其变化，记录围岩及巷道破坏变形情况，察看观测孔（水井）水位和泉、河、地表水体的变化，分析判断突水水源和最大突水量，以及突水发展趋势，为防止淹井采取必要措施提供依据。检查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。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。当排水能力负担不了涌水量时，可因地制宜，采取将涌水量引入下山巷道，筑坝蓄水，关闭水闸门，以延长缓冲时间，争取时间增加排水设备，保住矿井。,Contents,矿井水害探测方法,探测与评价技术手段,3,4,5,水害防治形势,2,综合评价与探测方法体系,1,矿井水害防治基础知识,矿井充水条件分析内容,充水三要素,2水害防治形势,事故总体分析,90%以上的事故主要是水源不清的情况下继续施工所造成的。80%的水害事故是老窑水，16%的是构造导水，4%是其它类型的水。从所造成的损失看，水害是位于五大灾害之首。95%以上的水害事故的发生是技术人员认为不可能发生水害的情况下发生的。且大部分发生在非大水矿区。（我们的技术人员有时胆子太大）95%以上的是不按规程及规定执行，管理不到位。,我国煤矿水害共性问题,地质条件复杂性及多变性人为破坏：小窑老空（80%水害）高科技产品不能及时应用到煤炭行业上来在未查明水文地质资料的情况下盲目组织采掘生产缺乏专业水文地质人员应用专业仪器设备探放水出现透水征兆后没有采取撤人措施,水害问题及防治策略,小窑老空、采空、地表水、松散层水带压开采,加大地面防治水力度，从源头杜绝重大隐患采取综合手段，查清采空积水、构造情况，接近时坚持探放水制度极端气候、透水征兆后首先采取撤人措施,主要水害,防治水策略,我国水害发展形势分析,老空水：形势非常严峻。老空水水害很可能会大幅度增加。整合矿井主要问题就是老空水的问题。目前大部分整合矿井还处于改扩建时期，未来几年，尤其是未来一两年，待整合矿井生产出煤后，若不采取有效措施，老空水水害发生的数量会大大增加。“4.6”吉林蛟河、“4.13”山西长治、“4.26”贵州铜仁、“5.2”黑龙江鹤岗、“4.14”河南平顶山等。灰岩水：形势也越来越严峻。华北很多进入深部开采，距奥灰、太灰较近，水害发生率也相对增加。如、“4.10”中煤大屯。陷落柱或断层勾通奥灰及松散层水。,松散层水：不少矿井资源枯竭，或为了能采出更多的煤，提高开采上线，减少防水煤岩柱厚度。在一定程度在会加大松散层水的威胁。地面水水害：由于极端气候现在比较常见，地表水倒灌的现象也时有发生。主要是井口位置较低，河流冲刷破坏铺底防渗层等。如“华源”。砂岩水水害对于新矿井而言比较常见。老矿井一般水害较少。,华北地质构造概况,20062010年重大以上水害事故起数统计柱状图,20062010年重大以上水害事故死亡人数统计柱状图,Contents,矿井水害探测方法,探测与评价技术手段,3,4,5,水害防治形势,2,综合评价与探测方法体系,1,矿井水害防治基础知识,矿井水害探查方法,矿井水害探查及预测需要多种手段有机结合来进行。,“物探先行、化探跟进、钻探验证”,山西“物探先行、化探跟进、钻探验证”。很好地总结出了综合探测的方法体系。“物探先行”即在矿井巷道掘进或工作面回采之前，先用物探的方法确定“靶区”。回答“重点钻在什么地方，往什么地方钻？”这一问题。由于物探存在“多解性”，一般采用综合物探的方法，如解决超前探测的问题需要几种物探方法综合探测。如和顺隆华矿，101工作面巷道掘进，先期打了160米没有打着老空区，物探探测出在50米处有老空水，改变了5度重新打钻，放出几万方老空水。,再如2011年七台河老空水水害事故，按要求打了五个钻，但都没有打到旧巷里去。平朔井工二矿、三矿有好几次都是在钻探过后，巷道掘进中打锚杆眼时打到老空区里去。“化探跟进”在防治水中，化探主要指水化学分析方法。什么是“化探跟进”？能跟多近？为什么要跟进？化探的作用和体验中的“抽血化验”作用是一样的。水害防治中对于出水水源的确定是非常重要的，所有水害发生时首先要确定的就是水源类型。就是通过水化学分析的方法进行确定。,而几乎所有的水害发生前（95%以上）均有先期的出水现象。几乎所有的水害发生或者没有进行水化学分析，或者水化学分析结果没出来前水害就发生了。在正常掘进或回采时，对滴、淋水水源即时判别意义重大。可以在危险水源附近及时避免采掘工作，可以为抢险救灾营得时间。及时制定水害防治措施等等。各个井田水源类型样品库目前都基本上是成熟的。通过水化学分析方法很容易判别出水源类型。90%以上的水害是由于水源类型不清的情况下发生的。目前水化学分析方法，主要还局限于水化学分析试验室，化验速度较慢，往往跟不上煤矿水样即时判别的目的。如果能做到出水水样的即时判别，可以说“重大伤亡的水害几乎就不会发生了”。,王家岭、骆驼山水害发生前若进行水化学快速分析，水害不会发生。如山东新河矿，出水后即送水样化验，两天后结果出来，但水害发生在送样后不到一天的时间。4月6日吉林省蛟河市丰兴煤矿掘进工作面透水造成12人死亡。（老空水）4月10日江苏沛县大屯煤电孔庄煤矿7432材料道透水，4人遇难。（奥灰水、松散层水）4月13日山西长治襄垣“413”煤矿掘进工作面透水事故11人死亡。（老空水）4月14日河南平顶山裕隆煤业“414”突水事故5人死亡，4人下落不明。（老空水）4月26日贵州铜仁市新生煤矿透水造成2人死亡，9人被困。（老空水）5月2日黑龙江鹤岗峻源二矿透水事故造成9人死亡5人被困。（老空水）,化探制度与防治水措施若化探手段能很好地应用到煤矿行业来，制度出比较好的、有执行力的化探制度及水害防治措施，前面提到的群死群伤水害事故不会发生。所以化探很重要。以下几点主要制度与措施。在井田范围内开采煤层有小窑、老塘、老空区、黑口等存在时，本煤层采掘活动中出现滴、淋水现象时必需采集水样进行水化学分析，判别水源类型。在水源不清时不得进行采掘活动。在采掘工作面附近存在危险水源时（老空水、松散层水、奥灰水等），必需采用物探、钻探等手段，进一步查清水源的位置、富水程度等。长期滴、淋水、流水等现象的地点，要定期进行水化学分析，监测水源类型无有变化。,“钻探验证”钻探最熟悉的方法，是必需的手段，它是最直接的方法。对物探结果可以进行考证、验证，对化探结果进行验证及探放水等。“物探先行、化探跟进、钻探验证”的防治水综合方法，如果每个环节“都能做到”的话可以大大减少矿井水害的发生。,Contents,矿井水害探测方法,探测与评价技术手段,3,4,5,水害防治形势,2,综合评价与探测方法体系,1,矿井水害防治基础知识,井下构造及赋水性探查手段,探查与评价技术手段,三维地震瞬变电磁探测技术高密度电法矿井地震地质雷达坑道无线电波透视法,1、三维地震原理：地震波从炮点激发后,以球面波的方式向下传播,遇到反射界面后,传回地面，通过接收的反射波，来分析地层情况。断裂构造及陷落柱精细识别技术构造超前预测预报及追踪解释技术岩性与富水裂隙带的三维地震反演技术,（1）断裂构造及陷落柱精细定量识别技术,提取三维地震数据中有关能反映地震属性的数据，通过专门开发的地震处理解释软件进行地震属性反演计算，把人为划定断层及陷落柱的因素去除，达到自动识别构造的目的，以达到精细识别断裂构造及陷落柱。,(a)传统断裂构造解释成果图,(b)断裂构造精细定量识别成果图,（a）传统三维地震资料解释出的陷落柱成果图,（b）陷落柱地震属性反演技术解释的成果图,（2）构造超前预测预报及追踪解释技术,在前期三维地震资料处理解释成果基础上，通过追踪井下构造揭露特征，不断校准三维地震解释资料，从构造漂移、响应特征明显程度及埋藏深度等方面更加精确地对三维地震解释成果进行校正，对工作面及区内构造进行高精度解释。达到交互解释的目的。,（3）岩性与富水裂隙带的三维地震反演技术,通过三维地震反演和可视化技术，落实不同级别的构造，对矿区中构造和裂隙带的分布进行准确的定位。,10:09:12,1,44,河南永城城郊矿三维地震勘探成果,地震波横波的快慢波时差能反映煤层底板裂隙的发育程度。快慢波时差越大，煤层底板各向异性程度越大，裂隙发育程度越大。,快慢波数据隔道显示,快慢波时差平面分布图,测井约束反演预测采区静水压力,2、瞬变电磁探测技术,瞬变电磁（TEM）,可分为地面瞬变电磁及井下瞬变电磁；优点：对水及低阻体敏感，具有方向性，最小分辨方向能力约为15度。轻便快捷。缺点：抗干扰能力较差，深度分辨率差。煤矿主要应用：工作面顶底板富水性探测、断层富水性探测、掘进巷道超前探测等等。,原理：在回线中通以稳恒电流，在回线中及周围一定区域内便产生了一次稳定磁场。当一次电流关断后，在大地中感应出二次涡流场。良导体所激发的涡流场较强、不良导体中的涡流场较弱，因此可以通过分析二次场随时间的衰变规律，来探测地下地质体的分布情况。,探测出了陷落柱的分布及富水情况；在蓝色区域与巷道较近的部位，淋水不断。,平朔安家岭二号井9煤回风大巷陷落柱探测,开滦集团单候矿6101工作面底板50米富水性分布图,2、瞬变电磁探测技术,在蓝色C8向斜附近放水十几万方。,山东东滩煤矿巷道顶板探测富水性分布图,安家岭断层分叉现象,淮南谢桥矿柱边富水性陷落柱,2、瞬变电磁探测技术,内蒙乌海华资矿地面探测成果图,淮南潘三矿地面探测陷落柱成果图,2、瞬变电磁探测技术,3、高密度电法,原理：是以岩土体的电性差异为基础,根据在施加电场作用下大地中传导电流的分布规律,推断地下具有不同电阻率的地质体的赋存情况。,主要应用于：（1）解释工作面巷道底板80m深度内的含水、导水规律，潜在的突水通道。（2）解释工作面底板隔水层厚度、含水层厚度、含水层原始导升高度。（3）超前探测迎头前方5060米内的断层及含水、导水构造。,1.8米落差断层,15米落差断层,17米落差断层,3、高密度电法,原理：,4、矿井地震,综放面顶煤厚度的探测,4、矿井地震,轨道下山MSP法超前探测剖面,人行下山MSP法超前探测剖面,地震CT探测技术,横波,纵波,5、地质雷达,探地雷达工作原理示意图,矿用地质雷达探测原理示意图,11172工作面顺槽地质雷达探测,新庄孜矿66108工作面风巷雷达探测,131162工作面轨顺雷达探测剖面,李嘴孜矿孔井-440mW8B11B巷道顶部雷达探测成果剖面,谢桥矿陷落