煤矿防治水基础理论与实践方法.ppt

煤矿防治水基础理论 与实践方法,主讲人：许进鹏 中国矿业大学 矿山水害与水资源研究所 telemail：13505205946126.com,煤矿突水造成重特大事故十分严重,我国煤矿生产中的重特大事故仍然十分严重，突水列瓦斯灾害之后排第二位。 我国60%的矿区为石碳二叠系含煤地层,其中80%受到严重的突水危险。,绪论,20002007年间煤矿重特大突水事故统计,绪论,煤矿水灾对企业造成严重的经济损失,过去20年间，有250多对矿井被水淹没，直接经济损失高达350多亿元。突水造成的煤矿经济损失列各类事故之首。,绪论,近年来，矿井突水灾害呈不断上升趋势，近5年所发生的矿井突水事故比前10年的总和还多。,随着矿井水文地质条件的复杂化，突水事故还会越来越严重。,近年来矿井突水灾害越来越严重,绪论,第四条 总工程师（技术负责人，下同）具体负责防治水的技术管理工作。,第十二条 矿井水文地质类型。矿井水文地质类型划分报告，由煤矿企业总工程师负责组织审定。,总工程师对防治水工作责任重大(煤矿防治水规定要求）,绪论,第三十条 矿井水文地质补充勘探应当编制补充勘探设计，经煤矿企业总工程师组织审查后实施。 水文地质补充勘探工作完成后，应当及时提交成果报告或者资料，由煤矿企业总工程师组织审查、验收。,第三十七条 （一）钻孔的各项技术要求、安全措施等钻孔施工设计，经矿井总工程师批准后方可实施；。,第三十八条 放水试验设计 ,由煤矿企业总工程师组织审查批准.,总工程师对防治水工作责任重大(煤矿防治水规定要求）,绪论,第五十条 .防治水工程应当有专门设计，工程竣工后由矿井总工程师负责组织验收。,第五十三条 .矿井防隔水煤（岩）柱应当由矿井地测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。,第七十三条 、七十五条、七十八条、第八十二条关于松散富水性强的含水层疏干方案、煤层顶板水疏干方案、底板注浆改造等方案、帷幕注浆方案，经煤矿企业总工程师审批同意后执行。,总工程师对防治水工作责任重大(煤矿防治水规定要求）,绪论,第八十八条 、第九十三条.探放水设计及工程由总工程师审定并组织实施。,水在哪里？-含水层及矿井充水水源,本次讲座的主要内容,绪论,水经何而来？-矿井充水通道,水如何防治？-水害防治方法,一、含水层及矿井充水水源,地下水的起源 地下水分类 相关概念 几种类型地下水的特征 矿井充水水源,地下水的起源,渗入水：降水渗入地下形成的水，是地下水形成的主要形式 凝结水：空气中的水汽在颗粒和岩石表面凝结形成地下水 初生水：岩浆中分离出来的气体冷凝形成的水 埋藏水：与沉积物同时生成或海水渗入到原生沉积物的孔隙中而形成的地下水,地下水系统 地下水补给 地下水径流 地下水排泄 地下水的影响因素 气候因素 地形因素 地质因素 岩层因素 构造因素,地下水分类,按埋藏条件不同，可将地下水分为三种类型：上层滞水、潜水和承压水 上层滞水：是埋藏在离地表不深，包气带中局部隔水层之上的重力水 潜水：潜水是埋藏在地表以下，第一个稳定隔水层以上、具有自由水面的重力水。 承压水：埋藏并充满两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水,地下水按其介质类型分类 孔隙水(存在于孔隙中的水）、裂隙水（存在于裂隙中的水）、岩溶水（存在于溶隙中的水） 孔隙：存在于松散的或未完全胶结的岩石颗粒与颗粒之间或颗粒集合体与颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。 裂隙：裂隙是坚硬岩石形成时或形成后由于各种内外营力的作用，使岩体遭受破坏而形成的空隙。 溶穴（隙）：可溶性岩石经地下水的溶蚀和机械冲蚀作用产生的空隙。,相关的概念,潜水面：潜水的上表面是一个自由水面，称为潜水面 潜水含水层：从潜水面至隔水层之间、充满重力水的部分称为含水层。 潜水含水层的厚度(h)：潜水面至隔水层的距离称为含水层的厚度 埋深(h1)：地表到潜水面之间的距离称为潜水的埋深 潜水位(h)：潜水面上任意一点的绝对标高，称为潜水位,几个概念：,静止水位（测压水位）：在承压水的承压区，如果施工钻孔或水井，其内稳定的水的位置称为静止水位。 承压水头：从静止水位到隔水顶板底面的垂直距离。 含水层厚度：隔水顶板到隔水底板之间的垂直距离，称为含水层的厚度。 正水头：如果静止水位高于该点地形高程时，此时的承压水头称为正水头。 负水头：如果静止水位低于该点地形高程时，此时的承压水头称为负水头。,几种类型地下水的特征,孔隙水的特征 孔隙水在不同沉积物中特性不同 孔隙水的分布与沉积环境密切相关 孔隙水一般存在于松散层沉积物，多为潜水，深部为承压水 孔隙水介质较为均一,几种类型地下水的特征,基岩裂隙水的特征 埋藏和分布具有不均一性和一定的方向性 基岩裂隙含水层的形态多种多样 明显受地质构造因素控制 水动力条件比较复杂,几种类型地下水的特征,岩溶水的特征 岩溶水分布的不均一性 原因：是岩石本身的特性决定的。 平面上的不均一性：存在强径流带 不同层位的不均一性 不同埋深的不均一性 岩溶水的特点：差异性特别大，给勘探和评价带来很大困难。 岩溶水的运动特征,含水层及矿井充水水源,上述几种类型的地下水都有可能成为矿井充水水源 其它几种充水水源 大气降水 地表水 老空水（老塘水、老窑水害） 根据含水层及矿井充水水源对矿井水害的分类 孔隙水害、裂隙水害、岩溶水害、地表水害、老窑水害,根据导水通道不同的含水层的划分 直接充水含水层：前者系指露天坑或矿井巷道直接揭露的含水层，或通过煤层回采后的冒落裂隙带、回采工作面及巷道底板破坏带等直接向矿井充水的含水层。 间接充水含水层：与直接充水含水层有水力联系，并通过直接充水含水层向矿井充水的含水层。 直接充水含水层和间接充水含水层在水量计算和防治方法是有区别的。,含水层及矿井充水水源,山西省的主要含水层 第四系、第三第松散含水层：一般为弱含水层 侏罗系煤系含水层：厚度大，水量大 石炭二叠系煤系砂岩、薄层灰岩含水层 奥陶系灰岩含水层,二、主要导水通道（水从何而入）,采掘工作面破坏带 采掘工作面本身 掘进工作面松散圈 采煤工作面顶板导水裂隙带 采煤工作面底板破坏带 断层 陷落柱 封闭不良钻孔,工作面顶板导水裂隙带,冒落带：指采矿工作面放顶后引起的直接垮落破坏。该带不仅透水而且透砂。 裂隙带：指冒落带之上，大量出现的切层、离层和断裂隙或裂隙发育带。该带不会透砂但能透水。 弯曲带：指裂隙带以上至地表的整个范围内岩体发生弯曲下沉的整体变形和沉降移动区。访带一般不具备导水能力。,开采煤层顶板运动产生，上覆岩层的移动和破坏，会形成了充水通道，使上部水体中的水渗入或溃入井下，形成灾害。,工作面顶板导水裂隙带,工作面底板破坏带,工作面开采过后，不仅顶板会产生导水裂隙带，同时由于底板的卸压作用，在矿山压力和地下水压力的联合作用下，底板会形成工作面底板破坏带。 底板破坏带； 完整岩层带； 承压水导高带。,断层导水机理,断层导致隔水层与含水层对接 断层导致隔水层厚度减少而导水 断层本身导水 断层裂隙带导水 断层活化导水 全国统计80%以上突水是由断层引起的。,断层活化机制（施龙青观点）,断层活化机制（许进鹏的观点）,陷落柱导水机理,全国揭露的大部分陷落柱是不导水的，但一旦导水就会发生重大灾难。 导水类型：全柱充水型和周边裂隙导水型 导水机理 柱体介质差异性 径流带影响 形成时期 基底本身含水性 水压力不同,根据导水通道和含水层综合对水害类型分类 工作面顶板水害 工作面底水害 老空水害 断层水害 陷落柱水害 封闭不良钻孔水害,三 矿井水害的防治,矿井水文地质勘探 矿井水害评价 矿井各种水害的防治方法,矿井水害是一个综合各专业 各学科的系统性工程,1、矿区水文地质勘查阶段划分,普查勘探阶段,生产建设阶段,普查 详查（初步勘探） 精查（详细勘探）,水文地质勘查概述,（4）煤矿建设和生产阶段的任务 掌握矿井水文地质规律，研究和解决矿井生产建设中的水文地质问题，防治水害，保护和利用地下水资源，以保证矿井正常安全生产建设的需要。具体任务如下： 开展矿区水文地质补充调查、勘探和水文地质观测工作； 为矿井建设、采掘、开拓延深、改扩建提供所需的水文 地质资料或专门报告； 在采掘过程中进行水害的分析、预测和防探水； 开展矿区专门防治水工程中的水文地质工作； 为补充和改善矿区生产、生活供水进行调查、勘探，提供 水源资料； 根据需要进行矿区环境水文地质调查和研究。,水文地质勘查概述,水文地质勘查的主要手段,1、水文地质测绘 2、水文地质勘探 3、水文地质试验 4、水文地质观测 5、实验室分析,水文地质勘查概述,1、水文地质测绘(地面调查）,通过对调查区内地质、地貌、地下水露头和地表水状况的观察分析，从宏观上认识地下水的埋藏、分布和形成条件的一种调查手段。 工作特点：通过现场观察、记录及填绘各种界线与现象，以及室内的进一步分析整理，最终编制出从宏观和三维空间上反映区内水文地质条件的图件，并编写出相应的水文地质测绘报告书。,2、水文地质勘探,水文地质物探 水文地质钻探 水文地质化探 水文地质坑探,（一）水文地质物探 物探方法成本低、速度快、设备简单、用途广泛，是当前水文地质调查中不可缺少的勘查手段。 借助各种物探测试仪器，测定出某一方向、某一深度或某一范围内岩石或水体的某些物理特征值的变化，从而分析、推断出某一方向和某一深度或范围内的岩性、构造和岩层含水性能的变化。,物探方法成本低、速度快、设备简单、用途广泛，是当前水文地质调查中不可缺少的勘查手段。,水文地质物探方法概述,1 电磁法勘探,电法勘探是根据所研究岩土层、地下（水下）埋设物等的电学、电化学性质及电场、电磁场变化规律，通过仪器测量其电性差异、场强的大小，进而了解其存在的状况，达到勘探目的。,dzd-10电法仪,2 地球物理测井,测井是利用钻孔, 在孔内放置探头，沿孔壁对地下岩土层的物理力学性质进行探测, 以研究孔壁岩性及几何特征参数,可进行单孔、跨孔、多孔测试。,测井现场,3 地震勘探,地震勘探是利用人工激发（如爆炸或锤击）产生的地震波在岩土体中不同弹性介质的界面上将发生反射、折射、绕射、频散等现象及其动力学特征，研究地层的结构、构造及岩土体物理力学特性的地球物理方法。,sn408地震仪,4 井下物探方法,直流电法 高密度电法 并行电法 瞬变电磁法 无线电波透视法 井下震波、瑞利法等,（二）水文地质钻探 又称-水文钻探 直接探明地下水的一种最重要、最可靠的勘探手段，是进行各种水文地质试验的必备工程，也是对水文地质测绘、水文地质物探成果所作地质结论的检验方法。 随着水文地质调查阶段的深入，水文地质钻探工作量在整个勘查工作中占有越来越重要的地位。,在矿井生产阶段，井下钻探有着重要的作用和意义,水文地质钻探，由于其设备复杂沉重、成本昂贵、施工技术复杂且工期长，对整个勘查的完成、勘查项目的投资均起决定作用。,（三）水文地质化探 主要运用环境同位素进行勘查，如c-14。,（四）水文地质坑探（巷探） 在一定条件下，为了揭露或揭示浅部的地质和水文地质现象，使用水文地质坑探或槽探。,井下可以进行巷探， 但要慎之又慎,水文地质试验是进行地下水定量研究，获取评价所需水文地质参数的不可缺少的手段。具体包括：,3、水文地质试验,抽水试验 压水试验 连通试验 放水试验 地下水流向流速测定,4、水文地质观测,又称地下水动态观测，是研究各种地下水要素随时间变化，阐明区内地下水形成和变化规律，进行水位、水量、水质评价和预测的重要手段。,在矿井生产过程中，矿井涌水量、突水点 主要含水层的水位等要进行长期观测,5、实验室分析,为取得地下水水质，岩石的物理、水理和力学性质指标，岩石的破坏和溶蚀机理，岩石的矿物成分和化学成分，地下水的年龄等资料，需要采集水、岩、土样进行实验室鉴定、分析和试验。,水文地质方法的综合运用,任何一个单一的方法解决不了水文地质问题 每一种方法都有其优势 每一种方法都有其局限性 钻探与物探的结合是一种点与面的结合 钻探是消除物探多解性的有限手段 水文地质勘探之前要进行全面的方案设计 水文地质勘探之后要进行综合分析,矿井水害评价,评价内容 含水层的评价 隔水层的评价 断层导水性评价 突水可能性的评价 评价方法 顶板水害评价方法 底板水害评价方法,含水层的评价,对含水层的富水性进行评价 评价内容：含水层的渗透性、厚度、补径排关系等； 指标： 单位涌水量：是当钻孔水位每降低1m时，单位时间流入钻孔中的水量。q=q/s.,单位涌水量计算要求 钻孔单位涌水量以口径91mm、抽水水位降深10m为准，若口径、降深与上述不符时，应进行换算再比较富水性。换算公式：,隔水层的评价,评价内容： 隔水层的厚度 岩性特征 裂隙发育状态 分布的稳定性等 可以依据勘探资料评价、依据室内测试评价、现场测试评价,顶板水害评价方法,传统评价方法（上三带理论评价） 评价含水层的富水性 煤层顶板到含水层的岩性特征 确定裂隙带发育的高度 根据三下规程 根据实测结果 根据裂隙带高度与岩柱高度的关系确定有无水害,三图法双预测法 顶板水害评价： 充水含水富水性图、 顶板冒裂安全性分区图、 顶板突水综合分区图 双预测:天然和人为改造状态下采煤工作面分段和整体工程涌水量预测. 该方法的优势：改变从点考虑问题转向从面考虑问题。,底板水害评价方法,首先是确定煤层开采是否承压。 巷道底板水害评价（安全隔水层厚度） t-安全隔水厚度（m）； l-采掘工作面底板最大宽度（m）； r-隔水层岩石的容重（t/m3）; kp-隔水层岩石的抗张强度（t/m3）; h-隔水层底板承受的水头压力（tf/cm2）。,采煤工作面底板水害评价 评价含水层的富水性 评价底板破坏带的深度 突水系数计算 判断是否有突水危险,突水系数理论 1964年原煤炭工业部组织的焦作水文地质会战时首次提出了“突水系数”的概念。 上世纪70年代，煤科院西安分院等将上式改为： 煤矿防治水规定又改回为第一式 突水系数的应用：当评价工作面的突水系数大于临界值时，工作面,-突水系数 p-隔水层承受的水压 m-底板隔水厚度（m）； cp-采矿对底板隔以的扰动破坏厚度（m）。,临界值的确定 最初由峰峰、焦作、井径、淄博四个矿井的经验确定 各矿也可以根据突水情况来确定 一般情况下，在具有构造破坏的地段按0.06mpa/m计算，完整隔水层按地段0.1mpa/m计算。,下三带理论评价 确定底板破坏带高度（h1) h1=0.7007+0.1079l 实测 确定导升带高度（根据探查资料）（h3） 确定有效阻水带厚度（h2） 防水安全隔水层厚度（ha）应大于或等于导水破坏带（h1）和阻水带厚度（h2）、原始导升带（h3）之和，即：,h2的确定 有效阻水带厚度可根据试验法确定的阻水系数进行计算。阻水系数法是由现场钻孔水力压裂法实测的单位底板隔水岩层的平均阻水能力，不同岩层阻水能力不同：中粗粒砂岩为0.30.5mpa/m，细砂岩约0.20.3mpa/m，粉砂岩约0.2mpa/m，泥岩约0.10.3mpa/m，石灰岩约0.4mpa/m，底板平均阻水系数可加权平均 ，则h2=p/z,五图双系数法 五图： 第一图：底板保护层破坏深度等值线图 第二图：底板保护层厚度等值线图 第三图：煤层底板上的水头等值线图 第四图：有效保护层厚度等值线图 第五图：带水头压力开采评价图 双系数法：带压系数、突水系数 三级判别：直通式突水、非直通式突水、突水量变化状况,工作面底板突水评价中，要特别重视断层、陷落柱等构造导水问题,矿井水害评价,水害评价方法新进程 非线性方法 突变论 人工神经网络 数值模拟 材料模拟,矿坑涌水量预测,一 矿坑涌水量基本概念 （1）矿坑正常涌水量：指开采系统在某一标高(水平)时,正常状态保持相对稳定的总涌水量,一般指平水期和枯水期的涌水量。 （2）矿坑最大涌水量：指开采系统在正常开采时雨季期间的最大涌水量。 （3）井巷工程涌水量：包括井筒和巷道开拓过程中的排水量。 （4）矿坑疏干排水量：是指在规定的疏干时间内，将水位降到规定标高时所必须的疏干排水强度。它是指坑道系统还未开拓，或疏干漏斗还未形成，受人为因素(规定的疏干期限所决定的排水疏干工程(钻孔或排水坑道)的排水量。 （5）矿坑突水量：指井巷工程开拓过程或矿床开采时对围岩或顶、底板含水层影响和破坏，产生瞬时溃入矿坑的水量。,矿井水量预测,矿井涌水量预测基本原则： 查清水文地质条件 选用有代表性的计算参数 选择正确的数学模型,矿井水量预测的方法,解析法 比拟法 水均衡法 模拟法,水文地质比拟法,水文地质比拟法：就是利用地质和水文地质条件相似、开采方法基本相同的生产矿井（采区或工作面）排水或涌水量观测资料，来预测新建矿井（新采区、新工作面）的涌水量。 前提：老区要有足够的资料 新区与老区有较强的相似性， 优点：简单明了 缺点：准确性较差,实例,解析法,解析法是预测矿井涌水量的常用方法之一，矿床开采时矿坑系统的形状是相当复杂的，但疏干漏斗是以矿坑为中心的近园形矿区疏干漏斗。因此，我们将复杂坑道系统简化成一个”大井”，然后根据疏干含水层地下水类型及不同边界条件下的疏干漏斗分布范围、形状等特点，达到预测矿坑涌水量之目的。,地下水均衡法,水均衡方程式：某一均衡区要一定的均衡期内，水的收入量与支出量之间关系的数学表达式。 陆地某一地区的水均衡方程式： 收入项（a）：大气降水量（x）、地表水流入量（y1）、地下水流入量（w1）、水汽凝结量（z1） 支出项（b）：地表水流出量（y2）、地下水流出量（w2）、蒸发量（z2） 储量变化量（ ）：地表水变化量（v），包气带水变化量（m），潜水变化量（ ）承压水变化量（ ）,人为影响下的地下水均衡：在自然因素的前提下，加上一个人为影响的水量。 抽水：支出项加上一个抽水量 矿井开采：考虑矿井排水量 农业灌溉：考虑灌入量及沟渠排水量,地下水均衡计算步骤及实例 水均衡计算和评价的主要步骤 在查明区域地下水条件，确定均衡要素并建立均衡方程式 划分均衡区 确定水文地质参数 计算各项补给量和排泄量，根据均衡方程，按每一项逐步进行计算 结论,矿井水文地质类型划分,矿井水文地质条件划分,与旧的分类标准相比，新标准更加强调了老窑水的危害。 安监总煤调2009233号文件规定，各企业应在2010年9月底前完成矿井水文地质类型划分 矿井水文地质类型划分报告和类型确定，由煤矿企业总工程师负责组织审定。,各类水害防治方法 水灾害防治的几种主要手段,矿井水害防治方法,地表水害防治,矿井设计时，要符合煤矿安全规程；如井口、工业广场标高要高于当地最高洪水位；建拦洪坝、截水沟等防洪工程，防止地表水从主井、副井、风井井口直接灌入井下。 防范雨季地表水从采空塌陷区进入矿井是山西省防治水工作中一个值得注意的问题。,第四系松散层孔隙水害防治,查明冲积层本身的富水性、分层结构。特别要查明冲积层底部含水层、隔水层厚度及其变化； 根据冲积层的富水性和分层结构，尤其是底部有无良好的隔水层，地层倾角、采高和顶板岩组的力学性质等，按规程留设相应的安全煤（岩）柱：防水、防沙煤岩柱； 确定留设防砂煤柱还是防水煤柱应根据含水层的富水性和矿井的排水能力以及矿井的生产阶段确定； 防水煤岩柱：h水=h安+hl h砂 = h安+hm,厚煤层分层开采的导水裂缝带高度计算公式,采用能够控制采高、防止抽冒的采煤方法（如条带开采、充填开采）。控制开采标高、上下层（或阶段）间歇开采等。 在冲积层含水性弱，地下水动、静储量有限的地区（段），采用疏干开采。,冲积层富水性中等，地下水动、静储量不太大，预计矿井中后期可能疏干的地区，前期仍按规程留足保护煤柱，后期再根据水位疏降情况另行对待； 需解决的关键问题：含水层富水性、底粘（高度重视天窗问题）、冒裂带高度、冒落带高度。要采用探测手段，查明。 顶板冒裂高度的探查方法简介，例如双端堵水器、地面钻探、物探方法,煤系地层水的防治对策,确定煤层开采的直接充水含水层和间接充水含水层； 没有地表水、第四系水及其他含水层补给情况下，动、静储量往往不大，可提前疏干开采； 受冲积层补给（顺层），且补给量不大，砂岩位于煤层上方，在本水平第一个可采煤层最下方先掘一条煤巷作为疏水巷，或采用钻探方法打钻放水，提前形成降落漏斗，给上方采掘工作创造条件。,动、静储量都丰富的砂岩 (薄层灰岩）水，在查明其补给水源和主要补给通道后，采取有针对性措施，如封堵水力联系通道，截断其补给水源后在进行有效的疏放。 煤层底板砂岩(薄层灰岩）水，如果压力大，要提前疏水降压。 关键问题：含水层富水性、水力联系通道、构造部位、导水构造。 疏放水要有足够的排水能力。,奥灰岩水防治对策,富水性及导水构造探查是奥灰水害防治的前提和基础： 奥灰水文孔查明奥灰的基本水文地质参数 电法、瞬变电磁等方法查明富水区域 运用突水系数等方法进行评价，并对整个井田进行安全分区。 在非承压区，无水害危险。 在突水系数大于0.06mpa/m的区域，要防范断层陷落柱导水，主要方法 超前探测 留设煤柱 注浆加固,奥灰水防治对策,在突水系数大于0.1mpa/m的区域，要开展以下工作： 建立含水层长期动态观测系统； 采用物探、化探、钻探和放水、连通试验等综合探查方法，查明：奥灰的强径流带；断层及其导水性、断层两盘对接关系、奥灰与中间层的水力联系、主要补给通道和可能补给量、原始导高带高度、工作面底板破坏带深度； 局部地段注浆堵水，切断其与其他含水层的补给关系； 改造“中间层”，扩大隔水岩组厚度和阻水能力； 疏水降压开采 疏堵结合,断层水防治,查明井田断层，建议采用三维地震 导水断层：留设断层煤柱（按规程），注浆封堵 非导水断层：注意活化后导水问题 断层带及附生断层（或同期小断层）导水 节理密集，易于提供储水空间； 易导通含水体（层）； 切割不深的断层或节理在采动条件下发生扩展。 防治方法：留设煤柱、注浆改造 在其它类型水灾时要充分考虑断层问题,导水陷落柱水害防治,资料分析，寻找异常区，如水位异常部位； 通过物探手段，查清陷落柱的位置和边界； 打钻注浆，注骨料； 周边留设防水煤柱，按压力计算煤柱尺寸。 全国一些陷落柱突水注浆封堵情况 开滦范各庄矿 任楼矿7222陷落柱 任楼矿7218陷落柱 霍州白龙矿的陷落柱,封闭不良钻孔导水的防范与处理,封闭不良钻孔排查； 含水层等水位线图，寻找异常点； 启封处理； 留设防水煤柱。,老空、老窑水防治,老空、老窑水是目前山西省水害中最为严重的问题，表现在以下方面： 老窑水的分布无规律性可言 老窑水以静储量为主，一旦出水，来势凶猛，极易造成人员伤亡事故。,近年山西多起 水害都是老 窑水引起的,人祸大于天灾,有效地管理是遏制老窑水发生的基础 老窑水的调查 地面踏勘 搜找图纸 访问有关人员 老窑水的地面勘探 地面电法 瞬变电磁,老窑水的井下物探超前探测,山西某矿106轨道巷视电阻率拟断面图,老空水探放的原则,(1)积极探放。 当老空区不在河沟或重要建筑物下面、排放老空区内积水不会过分加重矿井排水负担、且积水区之下又有大量的煤炭资源急待开采时，这部分积水应千方百计地放出来，以彻底解除水患。 (2)先隔离后探放。与地表水有密切水力联系且雨季可能接受大量补充的老空水；老空的积水量较大，水质不好（酸性大），为避免负担长期排水费用，对这种积水区应先设法隔断或减少其补给水量，然后再进行探水，若隔断水源有困难无法进行有效的探放，则应留设煤岩柱与生产区隔开，待到矿井生产后期再进行处理。,(3)先降压后探放。对水量大、水压高的积水区，应先从顶、底板岩层打穿层放水孔，把水压降下来，然后再沿煤层打探水钻孔。 (4)先堵后探放。 当老空区为强含水层水或其它大小水源水所淹没，出水点有很大的补给量时，一般应先封堵出水点，而后再探放水。,3。老空探放水工程设计内容 (1)探放水巷道推进的工作面和周围的水文地质条件，如老空积水范围、积水量、确切的水头高度（水压）、正常涌水量，老空与上、下采空区、相邻积水区、地表河流、建筑物及断层构造的关系等，以及积水区与其它含水层的水力联系程度。 (2)探放水巷道的开拓方向、施工次序、规格和支护形式。 （3）探放水起点确定：积水线外推60-150米作为探水线。掘进工作面进入积水警戒线后，必须超前探放水，并在距积水实际边界20 米处停止掘，进行打钻放水.,(3)探放水钻孔组数、个数、方向、角度、深度和施工技术要求及采用的超前距与帮距。见下图 (4)探放水施工与掘进工作的安全规定。 (5)受水威胁地区信号联系和避灾路线的确定。 (6)通风措施和瓦斯检查制度。 (7)防排水设施，如水闸门、水闸墙等的设计以及水仓、 水泵、管路和水沟等排水系统及能力的具体安排。 (8)水情及避灾联系汇报制度和灾害处理措施。 (9)附老空位置及积水区与现采区的关系图、探放水孔布置的平面图和剖面图等。,水灾害防治的几种主要手段,防水煤柱的留设 井下探放水 疏干降压 带压开采 防水闸墙 注浆堵水,一 防水煤（岩）柱的留设原则 (1)在有突水威胁但又不宜疏放（疏放会造成成本大大提高时）的地区采掘时，必须留设防水煤（岩）柱。 (2)防水煤柱一般不能再利用，故要在安全可靠的基础上把煤柱的宽度或高度降低到最低限度，以提高资源利用率。为了多采煤炭，充分利用资源，也可以用采后充填、疏水降压、改造含水层（充填岩溶裂隙）等方法，消除突水威胁，创造少留煤柱的条件。 (3)留设的防水煤（岩）柱必须与当地的地质构造、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密切结合，还要与采煤方法、开采强度、支护形式等人为因素互相适应。 (4)一个井田或一个水文地质单元的防水煤（岩）柱应该在它的总体开采设计中确定，即开采方式和井巷布局必须与各种煤柱的留设相适应，否则会给以后煤柱的留设造成极大的困难，甚至无法留设。,一防水煤岩柱的留设,(5)在多煤层地区，各煤层的防水煤（岩）柱必须统一考虑确定，以免某一煤层的开采破坏另一煤层的煤（岩）柱，致使整个防水煤（岩）柱失效。 (6)在同一地点有两种或两种以上留设煤（岩）柱的要求时，所留设的煤（岩）柱必须满足各个留设煤（岩）柱的要求。 (7)对防水煤（岩）柱的维护要特别严格，因为煤（岩）柱的任何一处被破坏，必将造成整个煤（岩）柱失效。防水煤（岩）柱一经留设即不得破坏，巷道必须穿过煤柱时，必须采取加固巷道、修建防水闸门和其它防水设施，保护煤（岩）柱的完整性。 (8)留设防水煤（岩）柱所需要的数据必须在本地区取得。邻区或外地的数据只能参考，如果需要采用，应适当加大安全系数。 (9)防水岩柱中必须有一定厚度的粘土质隔水岩层或裂隙不发育、含水性极弱的岩层，否则防水岩柱将无隔水作用。,各类防水煤柱留设方案,一、煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，按以下公式计算： 1、煤层露头无覆盖或被粘微透水松散层覆盖时： h防=h冒+ h保 2、煤层露头被松散富含水层覆盖时（见附图8-1）； h防=h裂+h保 根据上两式计算的值，不得小于20米。式中（h冒）、裂高（h裂）的计算参照附录。 式中 h防-防水煤（岩）柱高度（m） h冒-采报冒落带高度（m）； h裂-垂直煤层的导水裂隙带最大高度（m）； h保-保护层厚度（m）； a-煤层倾角（）。,各类防水煤柱留设方案,各类防水煤柱留设方案,二、含水或导水断层防隔水煤柱的留设（附图82）可参照以下经验公式计算： 20m 式中： l-煤柱留设的宽度（m） k-安全系 （一般取25）； m-煤层厚度或采高（m）； p-水头压力（kgf/cm2）； kp-煤的抗张强度（kgf/cm2）。,各类防水煤柱留设方案,各类防水煤柱留设方案,三、煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时（附图83），防水煤柱的留设：,各类防水煤柱留设方案,1、当含水层顶面高于最高导水裂隙带上限时，防水煤柱可按附图83a、b留设。计算公式为： 2、最高裂隙带上限高于断层上盘含水层时，防水煤柱按附图8-3c留设。计算公式为：,以上两式中： l-防隔水煤柱宽度（m）,l1、l2、l3为分段宽度； h裂-最大导水裂隙带高度（m）； -断层倾角（）； -岩层塌陷角（）； m-断层上盘含水层层面高也下盘煤层底板的高度（m）； h安-导水裂隙带至含水层间防水岩柱的厚度（m）。,h安值应根据矿井实际观测资料来确定，即通过总结本矿区在断层附近开采时发生突水和安全开采的地质、水文地质资料，计算其水压（kgf/cm2）与了水煤（岩）在厚度（m）的比值（v=p/m）,并将各点之值标到以v=p/m为横轴，以埋藏深度（m）为纵轴的坐标纸上，找出值的安全临界线（附图4）。 安 式中：-防水煤柱所承受的静水压力。 -突水系数； 10-保护带厚度（一般取胜10m）.,本矿区如无实际突水系数，可参考其它矿区资料，但选取用时必须综合考虑隔水层的岩性、物理力学性质、巷道跨度或工作面的空顶距、采煤方法和顶板管理方法等一系列因素。 一些矿区的突水系数经验值如表3所示。,四、在煤层位于含水层上方（图8-5）,断层又导水的情况下，防隔水煤柱的留设原则，主要应考虑两个方向上的压力。 当考虑底部压力时，应使煤层底板到断层面之间的最小距离（垂距），大于安全煤柱的高度（h安）的计算值，并不得小于20m。计算公式为： 式中：a-断层倾角）。 其余同前。 当考虑断层水在顺煤层方向上的压力时，按之二计算煤柱宽度。 根据以上两种方法计算的结果，取用较大的数字，但仍不得小于是20m。 如果断层不导水，防水煤柱的留设，使（在垂直于断层走向的剖面上）含水层顶面与断层面交点至煤层底板间的最小距离，大于安全煤柱的高度h安时即可（附图8-6）,但仍不得小于20m。,五、在水淹区或老窑积水区下采掘时，隔水煤（岩）柱的留设： 1、巷道在水淹区下或老窑积水区下掘进时，巷道与水体之间的最小距离，不得小于巷疲乏高度的10倍。 2、在水淹区下或老窑积水区下同一煤层中进行开采时，若水淹区或老窑距离水区的界线已基本查明，隔水煤柱的尺寸应按之二的规定留设。 3、在水淹区下或老窑积水区下的煤层中进行回采时，隔水煤柱的尺寸，不得小于导水裂隙带最大高度与保护带高度之和。,六、保护地表水体煤柱的留设，可参照有关“三下”开采的规程执行。 七、保护通水钻孔防水煤柱的留设： 根据钻孔测斜资料换算钻孔见煤点坐标，按了之二的办法留设。如无测斜资料，必须考虑钻孔可能偏斜的误差。 八、相邻矿（井）人为边界防隔水煤柱的留设： 1、水文地质简单型到中等型的矿井，可采垂直法留设，但总宽度不得小于40m。 2、水文地质复杂型到极复杂型的矿井，应根据煤层赋存条件、地质构造、静水压力、开采上覆岩层移动角、导水裂隙带高度等因素确定。,1）多煤层开采，当上、下两层煤的层间距小于下层煤开采伯的导水裂隙高度时，下层煤的边界防隔水煤柱，应根据最上一层煤的岩层移动角和煤层间距向下推算（见图87a）。 2）当上、下两层煤之间的垂距大于下煤层开采后的导水裂隙带高度时，上、下煤层的防隔水煤柱，可分别留设（见图87b）。,九、以为断层为界的井田，其边界了防隔水柱可参照断层煤柱留设，但必须考虑井田另一侧煤层的情况，以不破坏另一侧所留煤（岩）柱为原则（除参照断层煤柱的留设外，尚可参考附图所示的例图）。,二、井下探放水 （一） 探放水概述 1。探水的目的 探水系指采矿过程中用超前勘探方法，查明采掘工作面顶底板、侧帮和前方的含水构造（包括陷落柱）、含水层、积水老窑等水体的具体位置、产状等，其目的是为有效的防治矿井水害做好必要的准备。,2。 探水的原则 采掘工作必须执行“有疑必探，先探后掘”的原则，因而遇到下列情况之一时，必须探水。 (1)接近水淹的井巷、老空、老窑或小窑时。 (2)接近含水层、导水断层、含水裂隙密集带、溶洞和陷落柱时，或通过它们之前。 (3)打开隔离煤柱放水前。 (4)接近可能与河流、湖泊、水库、蓄水池、水井等相通的断层破碎带或裂隙发育带时。 (5)接近可能涌（突）水的钻孔时。 (6)接近有水或稀泥的灌浆区时。 (7)采动影响范围内有承压含水层或含水构造，或煤层与含水层间的隔水岩柱厚度不清，可能突水时。 (8)接近矿井水文地质条件复杂的地段，采掘工作有涌（突）水预兆或情况不明时。 (9)采掘工程接近其它可能涌（突）水地段时。,（三） 探放断层水 1. 探放断层水的原则 凡遇下列情况必须探水： (1)采掘工作面前方或附近有含（导）水断层存在，但具体位置不清或控制不够严密时。 (2)采掘工作面前方或附近预测有断层存在，但其位置和含( 导）水性不清，可能突水时。 (3)采掘工作面底板隔水层厚度与实际承受的水压都处于临界状态（即等于安全隔水层厚度和安全水压的临界值），在掘进工作面前方和采面影响范围内，是否有断层情况不清，一旦遭遇很可能发生突水时。,(4)断层已为巷道揭露或穿过，暂时没有出水迹象，但由于隔水层厚度和实际水压已接近临界状态，在采动影响下，有可能引起突水，需要探明其深部是否已和强含水层连通，或有底板水的导升高度时。 (5)井巷工程接近或计划穿过的断层浅部不含（导）水，但在深部有可能突水时。 (6)根据井巷工程和自设断层防水煤柱等的特殊要求，必须探明断层时。,(7)采掘工作面距已知含水断层60m时。 (8)采掘工作面接近推断含水断层100m时。 (9)采区内小断层使煤层与强含水层的距离缩短时。 (10)采区内构造不明，含水层水压又大于23mpa时。,（四） 探放陷落柱水 煤层底板为厚层石灰岩的华北型煤田，由于导水陷落柱的存在，使某些处于上覆地层本来没有贯穿煤系基底强含水层的中、小型断层或一些张裂隙，成为水源充沛、强富水的突水薄弱带，一旦被揭穿，将引起突水。若导水陷落柱直接突水，其后果就更严重。例如1984年开滦范各庄矿2171工作面陷落柱突水的最大涌水量达2053m3min，使该大型矿井在21h内被全部淹没，成为世界采煤史上最大的一次突水。有的陷落柱不导水，有的导水。 重点注意问题：要有反喷装置，要有足够超前距离。大多为地面探查。 例：任楼矿陷落柱探查,（五） 导水钻孔的探查与处理 矿区在勘探阶段施工的各类钻孔，往往能贯穿若干含水层，有的还可能穿透多层老空积水区甚至含水断层等。若封孔或止水效果不好，人为沟通了本来没有水力联系的含水层或水体，使煤层开采的充水条件复杂化。山东肥城矿区的原“中一井”，因地质勘探阶段的钻孔封孔质量不好，将中奥灰水导入煤系薄层灰岩，致使开采上组煤时矿井涌水量很大，且长期达不到疏水降压的目的，矿井一直无法投产，被迫改为“水文地质试验井”，补做了10余年的水文地质补充勘探工作，将有怀疑的钻孔一一作了启封，最终才解决了这一人为造成的水文地质问题。淄博夏庄煤矿附近的一个矿，穿越煤系地层打奥灰供水孔时，因套管止水质量不好，岩溶承压水沿钻孔上升后，使该矿七层煤残留煤柱遭到破坏，矿井突然增加12m3 min的涌水量，该矿几乎被淹。有的矿的施工地质孔将上层煤的老空积水大量导入正在生产的下层煤采区，也曾造成严重的水害。因此，必须采取有效的措施防止产生导水钻孔，封闭确已存在或有怀疑的导水钻孔。,（六） 探放含水层水 由于基岩裂隙水的埋藏、分布和水动力条件等都具有明显的不均匀性，煤层顶、底板砂岩水、岩溶水等在某些（或某一）地段对采掘工作面没有任何影响，而在另一些地段却带来不同程度的危害。为确保矿井安全生产，必须探清含水层的水量、水压和水源等，才能予以治理。 防治煤层顶、底板含水层的水害，既要从整体上查明水文地质条件，采取疏干降压或截源堵水等防治措施，又要重视井下采区的探查。,探放水重点注意问题,留有合理的超前距 a为安全系数（2-5），l巷道跨度，p水压力，kp煤岩层抗张强度 经验值 下套管，有控水装置，见下图 钻孔所在位置的岩性 有相应的排水措施和人员安全措施。,疏干开采是指对煤层顶板或煤层含水层的疏干；而疏水降压是指对煤层底板含水层而言，其目的是使煤层底板含水层水压降低至采煤安全水压（。 矿井疏干的目的是预防地下水突然涌入矿井，避免灾害事故，改善劳动条件，提高劳动生产率，消除地下水静水压力造成的破坏作用等，是煤矿防治水的一种主要措施。对于大水矿区，为了减少矿井涌水量，应采取截流、浅排和排、供、生态环保三位一体结合等辅助措施，与疏干工作统筹考虑，进行综合防治。,二 疏干开采,（一） 疏干程序 矿井疏干过程可分为疏干勘探、试验疏干和经常疏干三个逐渐过渡程序，应与矿井的开发工作密切配合。 1 疏干勘探 2 试验性疏干 3 经常性疏干,（二） 疏干方式 疏干工程应与采掘工程密切结合。疏干工程按其进行阶段（或时间）可分为预先疏干和并行疏干。预先疏干在井巷开拓之前进行；并行疏于是在井巷开拓过程中进行，一直到矿井全部采完为止。 疏干方式有三种：地表式是从地表进行疏干；地下式是在地下进行疏干；联合式是同时采用上述两种方式或多井同时疏干。目前这三种疏干方式皆有采用。 （三） 疏干工程 疏干工程的布置、规模、种类、质量、施工设备、施工工艺及完工时间，应按照疏干方案进行，疏干方案的编制是在水文地质勘探的基础上进行的。在试验性疏干结束后，应根据实际情况对疏干方案作进一步修订。,三 井下防排水措施,井下主要排水设备，应符合下列要求： 一、水泵：必须有工作、备用和检修的水泵。工作水泵的能力，应能在20h内排出矿井24h的正常涌水量（包括充填水及其它用水）。备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70。工作和备用水泵的总能力，应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25。 水文地质条件复杂和极复杂矿井，可在主泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另外增加排水能力。,三 井下防排水措施,二、水管：必须有工作和备用水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。 三、配电设备：应同工作、备用和检修水泵相匹配，并能保证全部水泵同时运转。 有突水淹井危险矿井，可另行增建抗灾强排水能力泵房。,四 井下防水闸门和水闸墙,防水闸门硐室和水闸墙为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硐室和水闸墙的位置，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。 设置要求： 水文地质条件复杂、极复杂的矿井，必须在井底车场周围设置防水闸门或安装配备能够抵御灾害水量的潜水电泵排水系统。 在矿井有突水危险的采掘区域，应在其附近设置防水闸门。,四 井下防水闸门和水闸墙,防水闸门应符合下列要求 一、防水闸门必须由有资质的单位设计，门体采用定型设计。 二、防水闸门的施工及其质量，必须符合设计要求。闸门和闸门硐室不得漏水。 三、防水闸门硐室前、后两端，应分别砌筑不小于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必须采用高标号水泥进行注浆加固，注浆压力应符合设计要求。,四 井下防水闸门和水闸墙,四、防水闸门来水一侧1525m处，应加设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，应在两侧各设1道箅子门。 五、通过防水闸门的轨道、电机车架空线、带式输送机等必须灵活易拆；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，都必须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时，必须用堵头和阀门封堵严密，不得漏水。,四 井下防水闸门和水闸墙,六、防水闸门必须安设观测水压的装置，并有放水管和放水闸阀。 七、防水闸门竣工后，必须按设计要求进行验收；对新掘进巷道内建筑的防水闸门，必须进行注水耐压试验，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，其稳压时间应在24h以上，试压时应有专门安全措施。,四、 井下防水闸门和水闸墙,（一） 防水闸门的关闭 1当井下发生突然涌水或出现突水预兆危及矿井安全时，必须立即作好关闭防水闸门准备工作，同时请示矿务局总工程师，批准后方可关闭防水闸门。正常情况下，由于采区报废或按计划暂停采区生产，要求关闭防水闸门时，须提前写出专题报告（内容包括采区尚余储量、涌水量、充水含水层的静水位、关闭防水闸门原因、今后打算以及关闭防水闸门的安全技术措施），报请矿务局局长批准。关闭防水闸门时，矿长要深入井下检查准备情况，具体指挥关闭工作。,2 关闭防水闸门以前，需先作好以下工作： （1）将水害影响地区的人员全部撤退，并在各通道口设岗警戒，防止人员误入封闭区； （2）防水闸门硐室的所有设施（如放水截门、水压表、管子堵头板、活动短轨等）全部准备妥当； （3）防水闸门附近和水沟内杂物清理干净； （4）防水闸门以外的防水避灾路线畅通无阻； （5）检修排水设备，清挖水仓，将水仓内的积水排至最低水位。 （6）防水闸门以里的栅栏门全部关好； （7）防水闸门附近的临时通风局扇和临时直通地面电话安装妥当； （8）意外应变措施进行认真贯彻； 以上各项工作都已完成，由矿长发布关门命令。,3 几个防水闸门或水闸墙需要一次关闭时，其关闭顺序应是先关闭所在位置较抵的，然后关闭所在位置较高的，依次进行。 4 关闭防水闸门以前，要以书面通知邻近各有关矿井，说明本矿水闸门关闭时间、封闭地区位置、最高静止水位和可能造成的影响；并要求近期内对井下各涌水点水量变化和井上各水文钻孔的水位变化进行定时观测。各矿的观测资料要及时进行交流，互通情报。 5 防水闸门关闭以后，除定时派人观测本矿其他地区的水量和水位变化以外，还必须在防水闸门附近的安全地点设人（每班不少于2人）值班，观测防水闸门附近的水压变化、漏水情况、硐室巷道压力有无异常。值班人员要作出观测记录，定时向矿调度室汇报；特殊情况及时回报处理。 6 防水闸门关闭，水压稳定7d以后，如无特殊情况发生，方可停止一切观测工作，撤离观测人员。,（二） 防水闸门的开启 1防水闸门开启前，需编制开启防水闸门的安全技术措施。经审批、贯彻后，方准进行开启防水闸门工作。 2防水闸门开启前，要对井下排水、供电系统进行一次全面检查。排水能力要与防水闸门硐室放水管的防水量相适应；水仓要清理干净，水沟要畅通无阻。 3开启防水闸门要先打开放水管，有控制地泄压放水。当水源已经封闭或已疏干时，水压必须降到零位，方能打开防水闸门；如果水压降不到零位，必须承压开启时，矿总工程师可在不损坏防水闸门的情况下，制定出安全措施和规定最低水压，方可强制开门。 4同时有几个防水闸门需要开启时，应按先高后低依次开启。 5防水闸门打开以后，首先由矿救队进入，检查瓦斯和巷道情况。只有在恢复通风系统，消除一切不安全因素以后，才准许其他人员进入闸门以内工作。,五、含水层改造与隔水层加固,这