环境管理_矿井水害防治基础知识

矿井水害防治基础知识,背景意义,我国是一个煤炭资源丰富的国家，在我国煤炭资源储量中，有很大一部分受水害威胁。煤矿水害给国家和人民生命财产造成的损失是巨大的。所以水害的威胁就成了煤矿生产的重大灾害之一，我们必须提高警惕，做好煤矿防治水工作。2013年1月3日凌晨4时许，肃南县金源煤矿9名工人分别在主井进行维修作业时，矿井突发透水事故，4人未及时逃生，经抢救无效丧生。5名伤者被送往永昌县医院救治，经治疗后返回原籍。2010年3月28日14时30分左右，中煤集团一建公司63处碟子沟项目部施工的华晋公司王家岭矿北翼盘区101回风顺槽发生透水事故，初步判断为小窑老空水。事故造成153人被困。经全力抢险，115人获救，另有38名矿工遇难。,基本知识,由于经济体制改革，我国现有国有重点煤矿、国有地方煤矿、乡镇煤矿、股份制煤矿、合资煤矿和个体煤矿等，按井型大小可分为：,按建设类别可分为：基建煤矿、生产煤矿、技改煤矿、资源整合煤矿等。,防治水十六字原则,预测预报有疑必探先探后掘先治后采防治水规定中提到“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。”,“预测预报”是水害防治的基础，是指在查清矿井水文地质条件基础上，运用先进的水害预测预报理论和方法，对矿井水害做出科学分析判断和评价；“有疑必探”是指根据水害预测预报评价结论，对可能构成水害威胁的区域，采用物探、化探和钻探等综合探测技术手段，查明或排除水害；,“先探后掘”是指先综合探查，确定巷道掘进没有水害威胁后再掘进施工；“先治后采”是指根据查明的水害情况，采取有针对性的治理措施排除水害隐患后，再安排采掘工程，如井下巷道穿越导水断层时必须预先注浆加固方可掘进施工，防止突水造成灾害。,“防”主要指合理留设各类防隔水煤（岩）柱和修建各类防水闸门或防水墙等，防隔水煤（岩）柱一旦确定后，不得随意开采破坏；“堵”主要指注浆封堵具有突水威胁的含水层或导水断层、裂隙和陷落柱等通道；“疏”主要指探放老空水和对承压含水层进行疏水降压；“排”主要指完善矿井排水系统，排水管路、水泵、水仓和供电系统等必须配套；“截”主要指加强地表水（河流、水库、洪水等）的截流治理。,五项治理措施,矿井透水前的主要征兆,（1）挂红。矿井水中含有铁的氧化物，在它通过煤岩裂隙而渗透到采掘工作面煤岩体表面时，会呈现暗红色水锈，这种现象叫挂红。挂红是一种出水信号。（2）挂汗。积水区的水在自身压力作用下，通过煤岩裂隙而在采掘工作面的煤岩壁上结成许多水珠。（3）水叫。含水层或积水区内的高压水，向煤岩裂隙挤压时，与两壁摩擦会发出“嘶嘶”叫声，这说明采掘工作面距积水区或其他水源已经很近了。,（4）空气变冷。采掘工作面接近积水区域时，空气温度会下降，煤壁发凉，人一进入工作面就有凉爽、阴冷的感觉。（5）出现雾气。当采掘工作面气温较高时，从煤壁渗出的积水，会被蒸发而形成雾气。（6）顶板淋水加大；顶板来压，底板鼓起。（7）水色发混，有臭味。（8）采掘工作面有害气体增加。积水区向外散发瓦斯、二氧化碳、硫化氢等有害气体。（9）裂隙出现渗水等。如果出水清静，则离积水区较远；若浑浊，则离积水区已近,矿井水文地质类型划分,1、概念：矿井水文地质类型也就是通常所说的矿床水文地质类型，两者划分的原则和依据基本相同。但由于矿井仅是矿床的局部开发地段，涉及范围小，受开采影响明显，因此分类的基本出发点也不完全相同。2、目的：矿井水文地质类型划分的目的是分析矿井水文地质条件，确定水文地质类型，指导矿井防治水工作，通过采取有效的防治水措施，确保煤矿安全生产。,3、国内外矿床水文地质分类简介由于地区和研究者的观点不同，国内外许多专家和学者曾提出过各种分类方案。1940年，前苏联的.谢戈列夫提出的第一个矿床水文地质分类方案依据的是地质断面特征。他把矿床分为三类：第类，地质断面中主要是坚硬裂隙岩层的矿床；第类，地质断面中主要是松散砂质和黏土质岩层的矿床；第类，地质断面中主要是喀斯特和易溶岩层的矿床。其后又有.C.普罗霍洛夫（1945，1951）等多人，先后从不同角度提出了自己的分类。,我国矿床水文地质的分类始于20世纪50年代。就煤矿床而言，1955年燃料工业部苏联专家.克兰尼涅夫按照地质、水文地质及开采条件，将我国煤田划分为具有裂隙性的坚硬岩石且在煤层的顶板以上覆盖着厚层充水性强的疏松岩层的煤田、具有裂隙性坚硬岩石的煤田和具有喀斯特化岩石的煤田等三种水文地质类型，这是国内最早的煤矿床水文地质分类。1958年煤炭工业部沈尔炎按照开采方式，将我国煤田分为地下和露天开采两组；每组又根据矿山岩层的充水性分为疏松岩石、裂隙坚硬岩石和半坚硬岩石、喀斯特化岩石等三种水文地质类型；每一类型再按自然地理条件、地质构造、工程地质和水文地质特征，分为简单、复杂、极复杂三类。,1962年地质部与煤炭工业部制定的矿区水文地质工作规范（暂行）（第一分册煤及油页岩）中，根据我国的自然地理、地质及水文地质特征，将煤田划分为充水岩层以疏松未胶结岩层为主、以坚硬裂隙岩层为主、以喀斯特溶洞化岩层为主和以坚硬裂隙或喀斯特溶洞化岩层为主，并为厚的疏松含水层覆盖的煤田等四种水文地质类型；每类又根据煤田水文地质条件复杂程度划分为水文地质条件简单、中等、复杂、极复杂。1990年武强根据成煤时代（类）、充水水源（亚类）、充水方向（型）和充水方式（亚型），提出了中国华北型煤田矿床水文地质类型划分方案。,为了指导煤矿防治水工作，煤炭工业部于1984年颁发的矿井水文地质规程（试行）中，首次提出了矿井水文地质类型的划分方案。与此同时，地矿系统也曾先后提出过若干矿床水文地质类型划分方案。其中，影响较大的是原地质矿产部水文地质工程地质局和水文地质工程地质研究所1959年提出的中国固体矿床水文地质分类方案，该方案奠定了按主要充水岩层划分矿床水文地质类型的基础。此后，1982年地质矿产部在其颁发的矿区水文地质工程地质普查勘探规范中，提出了新的矿床水文地质勘探类型；1986年，全国矿产储量委员会在其颁发的煤炭资源地质勘探规范中，也提出了新的煤矿床水文地质勘探类型。上述两个分类基本上大同小异，无本质区别。,煤矿防治水规定指出：“根据矿井受采掘破坏或者影响的含水层及水体、矿井及周边老空水分布状况、矿井涌水量或者突水量分布规律、矿井开采受水害影响程度以及防治水工作难易程度，矿井水文地质类型划分为简单、中等、复杂、极复杂等4种”。,含水层富水性的等级标准按钻孔单位涌水量（q），含水层富水性注分为以下4级：1.弱富水性：q0.1L/(sm)；2.中等富水性：0.1L/(sm)q1.0L/(sm)；3.强富水性：1.0L/(sm)q5.0L/(sm)；4.极强富水性：q5.0L/(sm)。,注：,本类型划分所考虑的各种因素（指标）具有同等地位，并且为了煤矿生产安全，类型划分采用就高不就低的原则。例如，根据矿井及其周边老空水分布状况，某矿井应为极复杂类型，但其它指标均未达到极复杂类型要求，采用就高不就低的原则，将该矿井定为水文地质条件极复杂类型矿井；同理，在单位涌水量q、矿井涌水量Q1、Q2和突水量Q3，以最大值作为分类依据。同一井田内煤层较多且水文地质条件变化较大时，应分煤层进行矿井水文地质类型划分。例如，华北型煤田，开采上组煤时，矿井可能是水文地质简单或中等类型的，而开采下组煤层则可能是水文地质条件复杂或极复杂的矿井。,4、矿井水文地质类型划分依据根据我国的矿井水文地质特征和主要影响因素，矿井水文地质类型的划分依据如下：（1）受采掘破坏或影响的含水层及水体。其中包括含水层性质及补给条件和单位涌水量。受采掘破坏或影响的含水层也就是矿井充水的主要含水层。例如，在华北型煤田中开采上组煤层时可能主要是顶板砂岩含水层，而在开采太原组底部煤层时可能是煤层底板奥陶系灰岩含水层和顶板薄层灰岩含水层。单位涌水量q是反映充水含水层富水性的重要指标，q的取值应以井田内主要充水含水层中有代表性的为准。,（2）矿井及周边老空水分布状况。老空水包括古井、小窑、矿井采空区及废弃老塘的积水等。我国煤矿开采历史悠久，老空水分布广泛，对矿井或相邻矿井造成极大威胁，矿井采掘工程一旦揭露或接近，常会造成突水。老空水一般位置不清，水体几何形状不规则，空间分布无规律，积水位置难于分析判断，突水来势迅猛，破坏性强。老空水多为酸性水并具有腐蚀性，但也有含有诸如硫化氢等有害气体的老空水。老空水事故约占总水害事故的80%以上，因此，在本矿井水文地质类型划分中，老空水分布状况作为类型划分的一个重要指标。,（3）矿井涌水量。考虑矿井正常涌水量和最大涌水量。我国西北地区矿井涌水量明显偏小，因而分类表中西北地区矿井涌水量界线值不同于其它地区。（4）矿井突水量。含水层或含水体中的水突破隔水体而突然进入采掘系统空间的水量，往往造成灾害，因此，将突水量作为分类指标之一。（5）开采受水害影响程度。主要根据矿井是否经常突水，以及突水的频率和突水量的大小进行分类。（6）防治水工作难易程度。主要根据防治水工程量及经济效益等进行分类。如果投入的防治水工程量太大，经济效益差，目前就不宜开采，待将来科技进步了再进行安全高效开采。,根据以上分类依据，把矿井水文地质类型划分为简单、中等、复杂和极复杂四种类型。矿井水文地质类型应当每3年进行重新确定。当发生重大突水事故后，矿井应当在1年内重新确定本单位的水文地质类型。重大突水事故，是指突水量首次达到300m3/h以上或者造成死亡3人以上的突水事故。,矿井涌水量的计算,1、一般报告采用的解析解大井法、集水廊道法，是基于稳定流理论推导的地下水动力学计算公式。它要求地下水有比较充分的补给条件，要求在该水平开采的几年到几十年内，矿井排水计算的地下水影响半径边界上的水头高度，永远稳定在计算采用的高度上。基于非稳定流理论推导的地下水动力学计算公式，恰恰相反，它的使用条件是地下水没有补给，含水层分布无限，地下水影响半径不断向外扩大。由于采用大井法、集水廊道法，一般都没有考虑地下水补给量的问题，因此，计算的结果可能有较大的误差，它的精度一般只有D级。,2、影响半径的计算计算影响半径的经验公式有很多，它们计算的结果有相当大的误差。如常用的库萨金经验公式对于裂隙水来说，计算的R值一般偏小25倍。吉哈尔经验公式对承压水含水层，可以作近似的计算，但计算的结果一般偏小。影响半径R处在矿井涌水量计算公式分母的位置，因此，计算的影响半径R偏小，就会导致计算的矿井涌水量偏大。这是一般地质报告计算矿井涌水量偏大的主要原因。利用经验公式计算的承压水影响半径一般偏小，从而计算的矿井涌水量偏大。为此，最好是利用实测的影响半径，或是利用大井法、集水廊道法公式反求的影响半径，预算矿井涌水量。,几种常规防治水措施,1、水文地质补充勘探水文地质补充勘探主要是水文地质物探、水文地质钻探和底板灰岩水放水试验。水文地质物探的方法主要包括瞬变电磁勘探、电测深、井下坑透和地震资料再解译。瞬变电磁勘探又分地面勘探和井下勘探两种。地面勘探能较宏观地探查采区或较大断层的水文地质条件，找出水文地质异常区，为下一步的钻探减少盲目性，为下一步水害的重点防范指明方向；井下瞬变电磁勘探一般是沿着井下的巷道探测底板或围岩水文地质条件，找出水文地质异常地区，形成水害防治的重点，指导防治水工程布置。,放水试验，即在生产期间，根据水文地质条件开展的放水试验，解决下列问题：、水文地质边界条件；、各区水文地质参数，包括渗透系数，贮水系数，导水系数，给水度等；、奥灰水对太灰水的垂向或侧向补给区和补给强度；、进行水文地质分区。,2、巷道掘进的超前探水技术有多条大巷在掘进时，将要穿过断层。尽管多数断层是不导水的，但不能排除断层的局部有导水的可能性，因此要进行断层的水文地质勘探和治理，防止断层水的突出。首先是超前物探，然后进行钻探，如果含水，要及时进行注浆封堵。断层水的探放方法要按照矿井安全手册和矿井地质手册进行。为保证大巷取得最为有效的水文地质效果，巷道穿过断层时要采用如图所示的最佳方式通过。,巷道通过正断层的水文地质效果最佳位置图（如果巷道的坡度一定，巷道A与含水层的距离最大）,巷道通过逆断层的水文地质效果最佳位置图（如果巷道的坡度一定，巷道A与含水层的距离最大）,3、水情监测、预警技术水情监测技术是对水情进行实时动态在线监测的技术，该技术除了监测上述内容外，还可以对已经发生的问题进行定点、定时、定水源的报告，如果发生淹井，还可以监测到淹没的标高，水位的变化情况，为指导救灾提供依据。水情预警技术有两种形式：化学预警；物理预警。化学预警是通过对水质的监测，判别水源，分析通道，判断与强渗通道的距离或灾害性水量的发生时刻。物理预警主要是通过对煤层底板地应力、应变、水压、水质、水温的在线监测、计算和模拟实现对水害的预警的。主要用于煤层底板突水预测。,4、疏水降压技术疏水降压开采，即通过大量疏放煤层底板含水层水，使其水位降至安全水头以下，满足突水系数在正常区小于0.10，在构造区满足0.06，达到安全开采的目的.底板含水层高承压水是底板含水层导升破坏的重要力源，水压越高，含水层导升破坏带的高度越大.因此，对于工作面底板富含水层区或者断层构造处，疏降底板含水层高承压水能有效地减少底板突水系数，防治采动矿压破坏裂隙带与底板含水层导升破坏裂隙带想沟通，避免底板突水事故的发生.目前，在承压水体上开采时，疏降底板含水层水压是许多矿井预防底板突水事故发生的重要措施。,5、底板注浆加固技术采动矿压破坏、水压破坏表明，底板隔水层强度和岩体构造是影响底板突水的主要因素.对底板岩层注浆加固，能够加固煤层底板构造破碎区，提高地板隔水层薄弱区的强度，从而减小采动矿压和含水层水压对底板隔水层的破坏程度，使采动矿压破坏的底板岩层裂隙与承压水压破坏的裂隙不会相沟通；同时，也可以充填底板岩体中的节理、裂隙，抑制采动矿压和承压水压影响的底板岩层的扩展效应，见效采动破坏深度和承压水压导升破坏高度。,新建矿井应该注意的方面,1、新建矿井应当按照矿井建井的有关规定，在建井期间收集、整理、分析有关矿井水文地质资料，并在建井完成后将资料全部移交给生产单位。建井期间揭露的地质、水文地质情况比勘探阶段更直接和精细，一些水文地质问题暴露更充分和具体，因此，对基建矿井也要高度重视水文地质工作，配备专业技术人员，全面熟悉地质报告、建井设计，收集揭露的地质、水文地质资料，全面分析，指导矿井建设，防止水害事故发生。,2、新建矿井应当编制下列主要图件：（一）水文地质观测台账和成果；（二）突水点台账、记录和有关防治水的技术总结，以及注浆堵水记录和有关资料；（三）井筒及主要巷道水文地质实测剖面；（四）建井水文地质补充勘探成果；（五）建井水文地质报告（可与建井地质报告合在一起）。,3、建井完成后，必须将建井期间收集的资料和建井水文地质报告移交生产单位使用，在移交时要履行交接