第9讲南方煤矿区水文地质特征与矿井防治水对策

第9讲南方煤矿区水文地质特征及矿井防治水对策靳德武

煤炭科学研究总院西安研究院水文地质研究所

汇报提纲

1、南方煤矿区水文地质环境特征

2、南方煤矿矿井水害的主要类型

3、南方煤矿矿井防治水对策

4、解决南方煤矿矿井水害的关键问题

5、结论

中国南方尤其是晚二叠世龙潭组是我国南方最重要的含煤岩系，遍布南方八省。湖南的涟邵煤矿、煤炭坝煤矿；江西的乐平、丰城煤矿；广西的合山煤矿；贵州的水城、六枝煤矿；云南的宣威煤矿；四川的天府、华蓥山煤矿等。

引言

南方煤矿水文地质条件复杂，煤层底板茅口灰岩岩溶发育，富含溶洞裂隙水，不仅突水淹井事故频发，而且正常生产情况下吨煤排水费用居高不下，影响煤矿经济效益的正常发挥，因此，研究解决南方煤矿的矿井防治水问题一直是煤矿水文地质工作者努力的方向。70年代中期

70年代末

引言1、南方煤矿区水文地质环境特征省、自治区煤田面积（km2）地点煤系地层储量（亿t）赋存环境湖南55000（实际面积800）涟源、邵阳、资兴、嘉禾、耒阳、韶山、煤炭坝、黔阳、怀化上二叠统龙潭煤系、下二叠统辰溪组，下石炭统测水煤系，侏罗纪石门组30低山丘陵、山间盆地，第四系覆盖不厚江西8400萍乡、杨桥、丰城、乐平、清江上二叠统龙潭煤系、三叠系安源煤系14低山丘陵，第四系厚0~30m四川2000广元、渡口、筠连、重庆、松藻、永川上二叠统龙潭煤系、三叠系家河组100中低山区，第四系很薄云南20000（煤系）400（煤田）昭通、个旧、宣威、楚雄新第三系昭道组、上二叠统龙潭组180中低山区，第四系很薄贵州70000（煤系）8600（煤田）六枝、盘江、水城、织金、毕节、纳雍上二叠统龙潭煤系490高、中山区，第四系很薄广西170来宾、罗城、南宁、柳州上二叠统合山煤系，下石炭统寺门段5低山丘陵，第四系覆盖不厚福建100龙岩、永定上二叠统龙潭煤系5山间丘陵盆地，第四系厚0~30m表1南方煤矿煤系地层赋存特征[3]

水文地质环境特征1、南方煤矿区水文地质环境特征水文地质环境特征

南方煤矿具有独特的水文地质环境特征，具体特点如下：

单个煤田（或矿区）分布范围不大，蓄水构造*一般较小；煤层底部和顶部发育有巨厚的碳酸盐岩岩溶含水层，属顶、底板同时充水的、水文地质条件极其复杂的岩溶充水矿床；地表岩溶发育，第四系松散层一般不厚，直接接受大气降水和地表水的补给，矿井正常涌水量在3000~8000m3/h之间，突水量在2700~27000m3/h之间，雨季矿井水害事故频发；地表塌陷严重，塌陷坑往往成为降雨补给井下的重要通道，井下突水常伴有突泥现象。1、南方煤矿区水文地质环境特征矿井井型（万吨/年）矿井最大涌水量（m3/min）充水含水层恩口一号井2170.8茅口灰岩宁乡双狮岭983.8茅口灰岩丰城云庄1566.6长兴灰岩合山东矿4572.7茅口灰岩南桐红岩3055.3茅口灰岩表2一些典型矿井的涌水量情况表

典型矿井涌水量情况1、南方煤矿区水文地质环境特征部分矿井突水情况：①60~70年代突水情况②2004~2005年突水情况2004年10人以上水害事故2起：a.2004年9月5日贵州毕节地区赫章县妈姑镇六合煤矿（乡镇）发生透水事故，10人死亡；b.2004年12月12日，贵州铜仁地区思南县天池煤矿发生底板灰岩水突水事故,36人死亡。2005年10人以上水害事故：13起事故中，有7起发生在南方煤矿。表3南方部分矿井突水情况矿区矿井突水时间突水量(m3/min)突水水源及诱因涟邵恩口二井1967.42300m3/h茅口灰岩岩溶溶洞水，突水点水压2.0MPa丰城云庄1974.7324.7断层交叉处抽冒至岩溶发育带合山里兰1962.918.2南桐红岩1974.9暴雨突水，夹带泥沙、卵石表42005年南方煤矿10人以上水害事故省份煤矿死亡人数透水水源事故原因湖南郴州市桂阳县荷叶镇贵达－石灰窑井20人溶洞水因暴雨导致贵达井溶洞透水，井筒大量积水后突破只有3米的防水岩柱瞬间溃入相邻石灰窑井的二级暗斜井，使正在作业的人员遇难福建福建龙岩市新罗区赤坑煤矿10人断层突水在掘进巷道时，放炮导致断层带突水江西江西省萍乡市上栗县赤山镇永胜煤矿15人老空透水由于防水密闭墙不符合要求,在雨季大量积水后发生垮塌，使大量老空积水溃入矿井，发生事故广东广东省梅州市兴宁市罗岗镇福胜煤矿16人断层突水在探煤石门掘进过程中放炮，导致断层带溶洞水涌出广东广东省梅州市兴宁市大兴煤矿121人老空透水超强度开采，导致煤层严重抽冒，破坏了安全防隔水煤柱，使上部积水迅速溃入井下，发生事故贵州贵州省天柱县凤城镇大豪煤矿10人老空透水发现有透水预兆时，违章用煤电钻探水，导致老空水涌出四川四川省广能集团龙滩煤矿（基建）28人溶洞透水在掘进巷道时，遇含水构造（断层带溶洞）发生突水2、南方煤矿矿井水害的主要类型水害类型地表水水害老空水水害厚层灰岩岩溶水水害

在全国17例统计的水害地表水水害事故中，南方煤矿区为6例，其中湖南4例，贵州2例，主要是由于河水灌入井下以及山洪袭击造成的。

在所统计的19例老空水水害事故中，南方矿区为4例，其中湖南3例，贵州1例。

所统计的28例厚层灰岩岩溶水害事故中，南方煤矿有8例，其中贵州1例，湖南6例，江西1例。主要的突水水源为茅口灰岩岩溶水，常伴随有突泥现象。

3、南方煤矿矿井防治水对策防治水策略防治水原则：立足防洪、上截下排、以截为主；防治水工程原理：“截、绕、强、疏、”；“六字”方针：铺、填、截、拦、排、疏；主动防治水策略之一—突破茅口灰岩禁区，试着将巷道做到茅口灰岩中；主动防治水策略之二—可靠的防排水设施是抵御突水淹井事故的重要保证；

防治水工程原理：“截、绕、强、疏”

减弱补给区对喀斯特管道增压；不揭露、少揭露喀斯特管道；对管道薄弱地带进行注浆加固；对岩溶裂隙水进行疏水降压。

3、南方煤矿矿井防治水对策防治水策略“六字”方针：铺、填、截、拦、排、疏。铺：河流（溪）铺底。对流经塌陷区严重渗漏的的河流（溪），进行剥土、清基、铺底，建立人工河床，将河水引出塌陷区外，减少河水倒灌量；填：充填塌陷洞。对严重灌水的塌陷洞、裂缝、岩溶竖井等进行清基充填，减少地表水倒灌量；截：开沟截洪，减少洪水渗入量；拦：筑堤拦洪，防止洪水倒灌进入塌陷洞；排：排除积水；疏：疏水泄洪。

3、南方煤矿矿井防治水对策防治水策略主动防治水策略之一—突破茅口灰岩禁区，试着将巷道做到茅口灰岩中

煤炭坝矿顶板长兴灰岩水与底板茅口灰岩水相互沟通、相互补给，形成了一个统一的含水体。该矿根据所掌握的煤层顶底板含水层及其涌水量变化规律，提出了将巷道做到茅口灰岩中去的大胆设想，采取强排疏干的方法，变被动防水为主动治水，实现了安全开采。所取得的主要经验如下：茅口灰岩地下水位的动态变化分析：根据CK3孔1958~1962年地下水位累计下降10.8m，说明煤矿开采条件下，茅口灰岩和长兴灰岩在一定程度上消耗的是静储量。茅口灰岩和长兴灰岩地下水动储量主要来源于地表降水补给，如果能够想法减少地表水的下渗，加快静储量的疏干，就会把水位降下来，大巷布置到茅口灰岩中的设想就会变为现实。3、南方煤矿矿井防治水对策防治水策略主动防治水策略之二—可靠的防排水设施是抵御突水淹井事故的重要保证煤炭坝矿在建井或延深工程落底后，立即建立封闭式泵房，安装排水设施，建立牢固的排水阵地，再向两边掘进运输大巷，通过关闭水闸门、16台水泵全部启动，先后避免了两次淹井事故（突水量分别为2700、2900m3/h）的发生。3、南方煤矿矿井防治水对策防治水策略3、南方煤矿矿井防治水对策防治水技术方法表5南方煤矿防治水技术方法分类主要内容应用矿区地表水①在河流（冲沟、小溪、渠道）的漏水、渗水段铺底，修人工河床、渡槽或河流部分地段改道；②在矿区外围修筑防洪泄水渠道，在采空区外挖沟排（截）洪；③填堵通道（指对岩溶地面塌陷及采空区塌陷的处理）。湖南恩口、南桐红岩矿老空水查明老空水的空间位置、积水量和水压；探放老空水；留设老空水防水安全煤（岩）柱；按规程要求核准矿井防排水能力。岩溶水①运输巷道疏干含水层；②疏水平硐；③多井同时疏干同一含水层。①湖南煤炭坝矿②南桐红岩矿③湖南煤炭坝矿

地表水防治是南方煤矿矿井防治水的一个重要方面，各类防水工程的实施往往会收到明显的效果。涟邵矿务局恩口煤矿由于矿井长期大量排水，影响范围长达十余公里，在影响范围内，岩溶塌洞密布、河水渗漏。为了保证矿井安全，减少矿井排水量，在地表实施了一系列防水工程。

①河溪铺底；②开沟截洪；③回填塌洞。

据统计，1978~1985年河溪铺底5615m,回填塌洞2129个，修建排洪渠27811m。地表水的防治3、南方煤矿矿井防治水对策一般地，物探先行，钻探验证，物探配合确定钻探的重点和方向。通过探水掩护掘进时，只能在批准的段距和方位内作业，防止脱离掩护。发现有出水征兆时，必须停掘，分析原因或补充钻孔。井下探放水3、南方煤矿矿井防治水对策在下列情况下要进行探放水：①接近水淹的井巷、采空区、小窑；②按近含水层、导水断层、含水裂隙密集带、喀斯特溶洞、陷落柱；③打开隔离煤柱放水前、接近有水或稀泥的灌浆区、可能突泥突砂区；④接近可能突水的钻孔；⑤采动影响范围内有承压含水层或水体；⑥煤层与含水层间隔水岩柱厚度不清有突水可能以及采掘工作面有出水征兆时。岩溶水害探测及测试方法3、南方煤矿矿井防治水对策红外测温与电法探测1用氡含量分析矿床充水水源

2钻孔无线电波透视仪探测岩溶水

3矿井地质雷达

4TSP方法5岩溶水害探测及测试方法3、南方煤矿矿井防治水对策红外测温与电法探测1用氡含量分析矿床充水水源

2

在岩溶含水层中，岩溶裂隙发育、水交替强烈的集中径流带区氡含量低，因此，可以利用氡含量低值带确定岩溶地下水的富水带和径流带，甚至可以追溯岩溶水的补给源。如果采场邻近空间存在隐伏含水构造，正常地温场会产生畸变，探测到的曲线会发生变化，根据曲线畸变段的位置及变化宽度，可以确定隐伏含水构造所处空间的大体位置。配合电测方法，就可以确定含水构造与井巷的相对距离。其工作步骤为：区域背景值探测—目标体探测—探测资料解释—探测成果验证。岩溶水害探测及测试方法3、南方煤矿矿井防治水对策钻孔无线电波透视仪探测岩溶水

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如上所述，南方煤矿大量的煤炭资源夹在岩溶极为发育的长兴、茅口厚层灰岩之间，由于溶洞暗河水的存在，突水现象时有发生，采用新的有效的物探查明溶洞暗河发育情况，是生产中迫切需要解决的问题。钻孔无线电波透视法探测灰岩溶洞的原理是基于灰岩与溶洞的电性差异，溶洞对电磁波吸收散射较大，当发射孔与接收孔之间有溶洞存在时，由于溶洞大量吸收电磁波而在测量曲线上形成低阻异常。用水平同步、高差同步、定点三种方法交会出异常，此异常即为灰岩中溶洞在透视剖面上的空间位置。

岩溶水害探测及测试方法3、南方煤矿矿井防治水对策矿井地质雷达

4如上所述，南方煤矿大量的煤炭资源夹在岩溶极为发育的长兴、茅口厚层灰岩之间，由于溶洞暗河水的存在，突水现象时有发生，采用新的有效的物探查明溶洞暗河发育情况，是生产中迫切需要解决的问题。钻孔无线电波透视法探测灰岩溶洞的原理是基于灰岩与溶洞的电性差异，溶洞对电磁波吸收散射较大，当发射孔与接收孔之间有溶洞存在时，由于溶洞大量吸收电磁波而在测量曲线上形成低阻异常。用水平同步、高差同步、定点三种方法交会出异常，此异常即为灰岩中溶洞在透视剖面上的空间

。岩溶水害探测及测试方法3、南方煤矿矿井防治水对策TSP方法5

TSP测量系统（1992年瑞士Amberg公司推出）是一个优化的由硬件和软件组成的测量系统，它利用高灵敏度的地震检波接收器，广泛收集由布置在隧道单侧壁上多个地震激发点产生的地震波，及其在围岩传播中遇到不同反射界面时的反射波，通过分析反射界面所在位置经过数据处理和解译，结合具体的地质情况，预测影响施工的断层、岩石破碎。该系统是专门为隧道和地下工程超前地质预报而设计的，主要用于预报隧道掌子面前方、上方和下方不良地质体的性质、位置和规模，最大探测距离为掌子面前方300~500m，最高分辨率为1m的地质体。目前世界上主要运用TSP202和TSP203系统。应当指出，TSP对掌子面前方与巷道轴线垂直的不连续体（节理、裂隙、断层破碎带等）的界面，是相当可靠的，由于喀斯特岩溶地区溶洞形态各异、大小不定，TSP对溶洞的探测效果较差。

4、解决南方煤矿矿井水害的关键问题岩溶发育规律及岩溶水赋存特征

因此，弄清岩溶发育规律及岩溶水赋存特征是做好水害预防工作的基础。首先应开展岩溶充水矿床水文地质分类研究，确定岩溶水储水空间的几何形态和含水介质类型，其次依据岩溶水储水空间的几何形态，确定水文地质调查方法（工作方法和工作手段）。解决南方煤矿矿井水害的关键问题岩溶、溶洞的超前预报急需对超前地质预报理论、方法和技术进行深入研究，建立一套软硬件相结合的综合地质与物探最佳组合的矿井水害超前预测技术体系。构造对岩溶的控制作用构造控制岩溶发育方向及岩溶水运动方向断裂构造的复合、交叉部位岩溶发育，往往形成溶洞不同岩性界面上的层间裂隙往往发育为层状岩溶断裂构造对岩溶发育深度影响较大，沿主干断裂岩溶发育深度可超过一般情况下的2倍在地下水面以下，背斜轴部比向斜轴部岩溶发育岩溶地下水防治工程的实施程序及内容岩溶地下水勘探岩溶突水预测预报防治水工程的设计与施工岩溶地下水开发、整治与管理岩溶地下水监测岩溶地下水防治工程系统隔离工