第三章 矿井充水条件分析

1、第3章 矿井充水条件分析矿井充水条件是指矿井充水源、矿井充水通道和矿井充水强度。矿井充水水源和矿井充水通道时矿井充（突）水的本源，矿井充水强度是矿井充（突）水的结果。不同矿井充水水源和充水通道的结合构成了矿井充水强度，或者说矿井水文地质复杂程度。第1节 矿井充水水源矿井充水水源主要包括大气降水水源、地表水水源、地下水水源和老空水水源。其中地下水水源又分为孔隙含水层水源、裂隙含水层水源和岩溶含水层水源（薄层灰岩含水层水源和厚层灰岩含水层水源）。据统计地下水水害占到水害事故的60，老空水水害占到30，所以地下水和老空水是矿井防治水的重点对象。一 地下水对矿井充水影响1、 直接充水含水层和间接充水含

2、水层为了区分个含水层对矿井充水性质和强度的影响差异，明确勘探工作和防治水工作的重点，将含水层分为直接充水含水层和间接充水含水层，见表3-1。表3-1 直接充水含水层和间接充水含水层含水层分类定义直接充水含水层可以通过井巷或者露天矿坑的揭露、煤层回采后的冒落带以及底鼓充水途径，向矿井直接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，但只能通过直接充水含水层向矿井充水的含水层2、 各类含水层对矿井充水的影响不同类型的含水层作为矿井充水水源引发的矿井水害与其含水空间的发育特征和补给条件有关，又与不同类型含水层和开采煤层的空间相对位置有关，即煤层与含水层的赋存条件。各类含水层对矿井水害的影响见

3、表3-2表3-2 各类含水层对矿井充水的影响含水层类型赋存条件对矿井充水的影响孔隙含水层1、 煤层赋存与疏松孔隙岩层中2、 煤层赋存与坚硬岩层上部，被厚松散层覆盖受采掘破坏的含水层为孔隙含水层，对矿井充水的影响取决于含水层的富水性及其与其他水源的水力联系，井筒揭露孔隙含水层直接充水，少数情况下因水位下降还会引起井壁破裂，第四纪底部为富水性强的含水层时，对浅部煤层安全开采有威胁裂隙含水层1、 煤系地层中的砂页岩裂隙含水层组是井巷最经常揭露的裂隙含水层，因含水空间发育不好，富水性弱至中等，很少达到富水性强的程度2、 厚层的砂岩、砂砾岩含水层有时富水性较强，但一般距开采煤层较远，很少构成直接充水含水

4、层井巷揭露时有水，在无其他水源补给时，水量一般不大，且衰减快，可疏干，回采时顶板冒落而导致矿井充水，水量一般不大，含水较丰富的裂隙含水层多数是通过采动后的导水裂隙带和集中导水通道进入矿井岩溶含水层薄层灰岩含水层主要是华北石炭二叠系煤田中、上石炭薄层灰岩含水层，既可能赋存于开采煤层的顶板，也可能赋存于开采煤层的底板除井巷直接揭露外，采动裂隙、断层等集中导水通道都可能将其导入矿井这类含水层当其岩溶裂隙发育、厚度较大时，常富水性较强当其和其他水源无联系时，防治难度相对较小，当其与其他水源有联系时，常形成重大水害，防治难度较大厚层灰岩含水层以华南晚二叠系煤层为主，龙潭煤系顶板为长兴灰岩，底板为矛口灰岩

5、，这些厚层灰岩不仅岩溶发育，而且与煤层之间无隔水层或隔水层较薄掘进和回采时均受到岩溶水的威胁，充水时往往来时凶猛，并伴有突泥突砂现象，有时涌水通道与地表岩溶塌陷相同，使河水倒灌，有些通过地下暗河的落水洞进入矿井，水量受季节降水量大小影响华北型煤矿的基底是寒武系或者奥陶系灰岩，由于出露面积大、分布广、厚度大、补给好、富水强、距下组煤相对较近、水压高，除通过集中导水通道直接突水入矿井外，还是下组煤底板下直接充水含水层最重要的补给水源，一般被视为华北地区重特大水害的元凶奥陶系灰岩距下组煤尚有一段距离，多数情况下不是矿井充水的直接充水含水层，它既可以通过补给直接充水含水层向矿井充水，也可以通过断层、陷

6、落柱、导水钻孔等集中导水通道向矿井充水二 地表水对矿井充水的影响地表水是指江、河、湖、海、池塘、水库中的水。地表水对矿井充水的影响见表3-3。表3-3地表水对矿井充水的影响类型充水途径对生产矿井的影响江、河、湖、海、池塘、水库等1、 洪水冲毁井口围堤直接灌入；2、 通过地表水体下松散岩层、基岩含水层露头再渗人井巷；3、 通过采后顶板冒落带贯通、地表塌陷裂缝渗人；4、 通过构造破碎带、老窑直接溃入1、 充水程度决定于井巷距离地表水体的远近以及地表水体下岩层岩性、厚度和构造情况；2、 地表水作为充水水源经常构成定水头的供水边界，因此动水量稳定，不易疏干；3、 贯通岩溶断裂带时，往往造成严重的淹井事

7、故三 大气降水对矿井充水的影响除了露天煤矿大气降水与矿坑充水有直接联系外，井下开采的煤矿，大气降水多事矿井充水的间接水源，通过入渗补给充水含水层进入矿井。大气降水对矿井充水的影响见下表3-4.表3-4 大气降水对矿井充水的影响充水方式充水途径对矿井充水影响大气降水的渗人1、 通过井巷上部表层渗人2、 通过采空区对应地表的裂隙水渗人3、 通过直接或间接充水含水层露头区的孔隙、裂隙或岩溶渗人1、 涌水量有明显的季节变化2、 涌水量“峰值”滞后于降水量“峰值”，滞后的时间长短取决于井巷深度和地表与井巷间岩层的渗透能力，一般在其他条件相同时井巷越深，滞后时间越长；3、 高寒地区受大气降水影响出现两个峰

8、值，一在雨季，一在春节融雪季节大气降水很少造成矿井灾难性水害，但暴雨径流常沿位置较低的井口（包括废弃井口）、采空塌陷区和岩溶塌陷坑等灌入井下，形成灾难性水害。这种水害很难与地表水害严格区分。4、 老窑积水对矿井充水的影响老窑积水包括古代老窑积水、近代地方小窑积水、地方煤矿和国有大矿的采空区积水。当采掘工作面揭露或接近了这些采空积水区后就会造成矿井充水，甚至会引发不同程度的水害。老窑积水对矿井充水的影响见下表3-5表3-5 老窑积水对矿井充水的影响类型积水特征对生产矿井的影响古代老窑积水和近代小窑积水1、 因受技术条件和设备能力的限制，开采深度有限，主要分布于矿井浅部且采空范围和积水量均不大；2

9、、 因年代久远或无具体测量资料，采空位置，范围、积水量一般不清；3、 因开采规模有限，积水量一般不大，主要水源为煤系含水层水，以静储量为主，少数有其他水源补给；4、 对国有大矿浅部开采影响较大，随矿井开采转入深部和小煤窑关停并转影响较少1、 多为突然发生，发生时瞬时水量大，具强大破坏力，在水量大，水压高，工作面位置低时常造成伤亡事故，是煤矿水害中造成伤亡事故最多的水害2、 采空积水引发的水害因其静水量为主，一般水害发生后，水量衰减快，水压亦随之快速下降，不会造成特大淹井事故，但伤亡事故居高不下，是煤矿防治水的重中之重。3、 老空积水呈酸性，对排水设备和矿山机械具有腐蚀性4、 水害发生的同时还伴

10、有H2S和CH4溢出伤人乡镇地方煤矿和部分国有大矿采空区积水1、 整顿后的乡镇煤矿和部分地方煤矿多开采国有大矿周边煤炭资源，有时采深较大2、 现代煤矿企业采空位置，范围积水量应该是比较清楚，但实际上仍然有些清楚有些不清楚，清楚与否取决于是否有准确图纸和是否坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采；3、 积水以静储量为主，但与其他采空区想通或其他水源补给时，水量也可能很大第二节 矿井充水通道矿井充水通道和充水含水层一样可分为直接充水通道和间接充水通道，由于井巷的进水方式不同，同样性质的充水通道所起的作用也不一样。不同形式充水通道对矿井充水的影响见表3-6.表3-6 不同形式充水通道对矿井充水

11、的影响集中导水通道类型形成条件对矿井充水的影响巷道掘进形成的充水通道1、 巷道所陷落岩层的空隙（包括孔隙、裂隙和岩溶）2、 巷道松动圈范围内沟通水源的通道，一般也已裂隙、孔隙为主3、 对于岩煤层掘进的巷道，主要在直接顶底板岩层内；对于穿层巷道可能会影响多个岩层，包括富水性强的含水层1、 除巷道揭露岩层为厚度较大、岩溶相对发育的断层灰岩外，一般水量较小不致发生灾害性充水。2、 凡厚度较大，岩溶发育的断层灰岩被揭露是会发生突水，但只要与原层灰岩含水层或地表水没有水力联系，不致发生重大水害，治理难度也相对较小。如有联系，则可能发生重大水害，治理难度较大回采采场引起的顶板冒落带和底板破坏带1、 煤层采

12、动后，由于回采冒落和底板破坏影响到较多的岩层，冒落带的岩层和底板破坏带内的岩层都会影响矿井充水，这时矿井充水通道主要是顶板冒落带和底板破坏带。2、 有一点值得注意的是迄今为止真正由于水压和隔水层对应而发生的底板裂隙充水的实例很少，都在很大程度上与构造破坏有关1、 回采工作面充水与煤层顶底板岩层的性质（主要是富水性）及其组合关系很大，如顶底板岩层为砂页岩互层时，一般水量不大，冒落后会涌水，但水量一般不大，且随时间衰减，有富水性较弱岩层时水量可能会较大，但不致构成较大水害2、 回采工作面出大水的关键是顶板冒落带（导水裂隙带）或底板破坏带是否会破坏到强含水层，或通过集中导水通道与强含水层或地表水体发

13、生水力联系集中导水通道（导水陷落柱、导水断层、导水钻孔）1、 是导致煤矿重大水害的最重要充水通道，煤矿历史上发生过的重特大水害无一不与其有关2、 集中导水通道除导水钻孔是人为因素形成的，多数是地质历史的产物，在多数情况下矿压的破坏不起主要作用，只是有自然条件已处于充水的临界状态时，矿压破坏起诱导作用，所以不宜过分强调矿压的作用，必须具体问题具体分析，如果含水层或水体距开采煤层很远，矿压冒落高度或底板破坏深度都是无法达到的3、 只要集中导水通道沟通了工作面与强含水层（或其他水体）都可能发生重特大充水，这就是为什么开采山西组煤层和石盒子组煤层也会发生奥灰充水的原因1、 集中导水通道是采掘工作面直接

14、导通强含水层如奥灰、寒武、地表水体和断层灰岩中厚度较大，岩溶发育，单位涌水量已超过1L/s.m等，一旦沟通将构成较重大水害2、 集中导水通道充水即决定于通道本身的导水性强弱，更决定于是否导通了强含水层或其他水体，集中导水通道如不导通强含水层或水体，也不致发生较大的水害3、 在集中导水通道发生的充水中，导水通道的形成主要是地质作用的结果，矿压破坏不起主导作用，在已接近临界充水状态的情况下，矿压可能起诱发充水的作用1、 巷道直接充水通道由巷道掘进过程中揭露的岩层，主要有两种情形：一类是煤层和煤层直接顶底板岩层，煤层在大多数情况下是隔水的，煤层直接顶底板岩层多以泥岩或砂质泥岩为主，或是隔水的或是富水

15、性很弱的岩层，运输大巷和回风大巷经常在砂岩层中掘进（因其强度大，易于维护），而且经过锚喷支护后也很少充水；另一类是穿层巷道，揭露的岩层较多（如井筒要穿过多层孔隙含水层或流砂层，煤层砂岩或断层灰岩等）掘进过程中受水的影响也较多，部分石门有时会通过富水性较强的灰岩，也常常是采用注浆方法通过。巷道掘进时，也会受到动压破坏的影响，因松动圈影响范围很小，较之回采情况下采动破坏要小很多，除了掘进岩层本身富水性较强之外，在富水性弱的岩层中掘进的巷道很少波及到强含水层或其他水体。2、 回采时的采动破坏裂隙通道采用全部垮落法管理顶板的条件下，只要达到一定的深度，覆岩破坏和移动自下而上可出现垮落带、断裂带和弯曲带

16、，称为三带，见表3-7.表3-7 覆岩破坏“上三带”特征及其对矿井充水的影响分带名称导水特征垮落带岩块之间空隙多，连通性强，是水体和泥砂溃入井中的通道，也是瓦斯溢出和聚集的场所，是采煤工作面安全生产的主要威胁断裂带又称“裂缝带”断裂带时指位于垮落带之上，具有与采空区连通的导水裂隙，但连续性未被破坏的那部分岩层，断裂带的裂隙有两种，一种是垂直或斜交岩层的新生张裂隙，它可部分或全部穿过岩砂层；另一种是沿层面的离层裂隙，离层裂隙与垂向裂隙连通，并能使水向下渗透直到采空区，故断裂带又称导水裂隙带，导水裂隙带波及到水体可将水导入井下。由于导水裂隙带是随采矿发生的，所以就成为矿井顶板充水最重要的通道，在分

17、析矿井充水时，导水裂隙带最大高度是评价煤层顶板是否发生涌水的重要指标弯曲带又称整体移动带，是指断裂带顶部到地表的那部分岩层，弯曲带基本上是整体移动，其上部一般很少出现离层，其下部可能发生离层，但局部充水面不与导水裂隙带连通，所以弯曲带具有隔水保护层的作用由于导水裂隙带发展高度与煤层倾角、覆岩岩性及其组合关系、煤层赋存条件、开采方法、顶板管理及采后的延续时间等有关，其中最重要的是煤层倾角和覆岩岩性及其组合关系。根据覆岩岩性及其组合，可将直接顶-基本顶简化，归纳为四种类型见表3-8。表3-8 覆岩岩性组合对两带（垮落带、断裂带）高度发展影响直接顶-基本顶岩性组合对两带高度发展的影响坚硬-坚硬型砂岩

18、一般不易垮落，不易弯曲，但条件具备时，其垮落块度大，碎胀系数大，由于坚硬基本顶下沉缓慢，下沉量小，整个开采空间需碎胀岩块充填，因其垮落充分，坚硬岩层弯曲易断裂，故垮、断两带均发育较高软弱-软弱型软岩易垮落，易弯曲，下沉快，幅度大，采空区形成直接顶，垮落快，基本顶迅速下沉占据采空区上部空间，岩块很快充满，垮落终止，发育很不充分，软岩不利于裂隙发育，故两带高度均较低软弱-坚硬型直接顶垮落，基本顶不易弯曲下沉，故垮落带高度受基本顶高度控制，若直接顶薄，基本顶位置低，则垮落不充分，冒高，裂高均小，若直接顶厚，基本顶位置高，则垮落可一直发展到基本顶，此时垮落充分，冒高大，但相对而言，裂高较小坚硬-软弱型

19、直接顶垮落后，基本顶很快弯曲下沉，减少了开采空间，垮落及裂隙发育都很不充分，因而两带高度均较低3、 底板裂隙充水通道1、 安全水头斯列萨列夫提出当工作面下方存在承压含水层时，巷道底板隔水层承受着自下而上的水压力，而巷道底板隔水层被看作两端固定的不怕折弯的均匀荷载的大梁，按物质阻力理论的基本原则，隔水层剖面的任何一点上都不会发生底板变性破坏的安全水头可由下式计算：H安=2KPt²/L²+rt式中H安-安全水头，t/m² KP-底板隔水层的抗拉强度，t/m² t-隔水层的厚度，m L-坑道的宽度,m r-隔水层的密度，t/m³由上式可见，安全水头与

20、隔水层底板的强度，重量和厚度成正比，而与巷道的宽度成反比。在实际工作中只要底板的实际水压不超过安全水头H安，底板就是安全的，不会发生底板突水。（公式根据材料力学中静定梁加以推导）。2、 突水系数1964年焦作水文地质会战期间，国内学者提出了突水系数的概念，其表达式为：T=P/M (其中T突水系数Mpa/m P作用于工作面底板的水压Mpa M底板隔水层的厚度m)。实际上突水系数只是一个概念，只能定性地说明在一定厚度的隔水层条件下底板隔水层所承受的水压越大，越容易发生底板突水，或者在一定的水压条件下隔水层越厚月不容易发生底板突水，要用突水系数来表示或评价底板是否会突水，还必须借助临界突水系数Ts。

21、突水系数计算时只反映了隔水层厚度和水压，并未反映隔水层的强度和密度。实际上强度和密度已经模糊地隐含于临界突水系数中，不同矿区的临界突水系数值不同实际反映了隔水层厚度和密度不同。3、 “下三带”理论“下三带”理论认为随着工作面的推进，采煤工作面底板任一断 面都要经历采前支撑压力面压缩，采后悬顶减压而膨胀，以及后期顶板冒落后压实在受压的过程。（详见防治水手册p49页）。据此，认为开采煤层底板也类似似乎动覆岩破坏移动，自上而下存在着三带。详见表3-11（手册p50页）。4、 集中导水通道集中导水通道是一种与矿压作用基本无关的通道。它在采掘工作进行前，早已将强含水层的水导至采掘工作面附近，因导水空间已

22、经存在，一旦与井巷沟通，水就会沿着此通道长驱直入地进入矿井，对煤矿生产的危害性极大，煤矿中的重特大水害几乎全都是强含水层通过这类通道引发的，主要包括“导水陷落柱、导水断层、未封闭或封闭不良的导水钻孔，以及与水体想通的岩溶管道和废弃井巷”。1、 导水陷落柱陷落柱是一种在古岩溶塌陷基础上继续塌陷直至上覆地层、煤系地层和煤层的地质现象。因塌陷体的剖面形态似一锥形体，故称为岩溶陷落柱。陷落柱不仅使煤层遭受破坏，煤层丢失开采价值，影响采掘工作面的布置或者煤炭资源的回收率，而部分采区的导水陷落柱是沟通含水层与煤矿井巷之间的集中导水通道。陷落柱突水水害发生一般条件及特征见表3-12。表3-12 陷落柱突水水

23、害发生一般条件及特征陷落柱突水水害发生的一般条件陷落柱突水水害特征陷落柱突水实例陷落柱必须是导水的，构成与奥灰直接相通的含水网络；导水陷落柱必须沟通富水性强额含水层，因为迄今重大陷落柱水害的水源均为奥灰水导水陷落柱已将含水层水导至采掘工作面附近，甚至高于煤层位置，所以当工作面揭露或接近以及探水孔揭露或接近时，不采取安全措施，奥灰是不可避免的陷落柱水害的发生、发展到淹井一般都有一个较长的时间过程。2、 导水断层导水断层是引发矿井水害最多的一种涌水通道，据统计，矿井出水点90以上出现在断裂带及其附近。所以顶底板隔水层阻水能力是反映隔水层受构造，裂隙破坏后的综合阻水能力，大量的突水底板多是发生在断层

24、附近或褶曲的纵张裂隙部位，这些裂隙既起导水的功能，又起消弱隔水层强度的作用。断层包括裂隙只要沟通水源就要出水，导水断层沟通强水源就可能出大水，细小裂隙沟通弱水源也可能出小水。所以，我国开采山西组或侏罗系煤层的矿井，因其煤系地层中没有强含水的地层，在没有断层沟通强含水层的情况下基本没有水害，在有断层或其他集中导水通道沟通强含水层时也会发生水害甚至重大水害。断层（或称断裂带、断裂破碎带）既可以导水，也可以隔水；同一条断层也可以部分导水，而部分隔水或阻水；有些断层还可能工作面开采前不导水开采后导水。所以有些断层对地下水系统构成隔水边界，有利于采矿安全，有些则构成导水边界或导水通道。断层是否导水主要取决于断层的力学