专门水文地质学 11 矿床水文地质（上）

前言煤矿水害现状矿井水害分布矿床充水因素分析中国煤矿水害频发的根本原因案例矿床水文地质（上）前言我国三大能源在世界能源结构中比例我国能源结构分布前言我国煤炭资源丰富，煤炭占能源比重大

当前70%，本世纪50%开采条件复杂

井工开采比重95%；开采深度>400m安全情况不好

百万吨死亡率6人，居世界之首；

每年死亡总数6000人，超过世界的总合。前言煤矿水害现状矿井水害分布矿床充水因素分析中国煤矿水害频发的根本原因案例矿床水文地质（上）矿井水：是指在矿井开拓、采掘过程中，渗入、滴入、淋入、流入、涌入和溃入井巷或工作面的任何水源水，统称矿井水。矿井突水：凡是因井巷、工作面与含水层、被淹巷道、地表水体或含水的裂隙带、溶洞、洞穴、陷落柱、顶板冒落带、构造破碎带等接近或沟通而突然产生的出水事故，称为矿井突水。矿井水害：凡影响生产、威胁采掘工作面或矿井安全的、增加吨煤成本和使矿井局部或全部被淹没的矿井水，都称为矿井水害。煤矿水害概念煤矿水害现状我国是世界上煤矿灾害最为严重之一的国家，煤矿水害事故频频发生，据不完全统计，在过去的20年里，有220多个矿井被水淹没，死亡8000多人，经济损失高达300多亿元人民币。煤矿水害现状煤矿死人在中国早已经不是新闻，没有死人才是新闻。根据一份统计显示，从2001年起，中国煤矿平均每7.4天发生一起死亡10人以上的事故。中国煤炭产量约占全球的35%，死亡人数则占近80%。全国煤矿水害概况2001年，104起，死亡426；2002年，159起，死亡5122003年，137起，死亡551；2004年，141起，死亡5622005年，120起，死亡561；2006年，138起，死亡6232007年，145起，死亡632以2004年为例，全国各类煤矿水害事故及死亡人数统计煤矿水害现状2004年全国煤矿重大突水事故突水类型分布煤矿水害现状前言煤矿水害现状矿井水害分布矿床充水因素分析中国煤矿水害频发的根本原因案例矿床水文地质（上）1.华北石炭二叠纪煤田的岩溶——裂隙水水害区；2.华南晚二叠纪煤田的岩溶水水害区；3.东北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；4.西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；5.西藏、滇西中生代煤田的裂隙水水害区；6.台湾第三纪煤田的裂隙—孔隙水水害区我国煤矿水害分布（1）华北石炭二叠系岩溶—裂隙水害区

华北石炭二叠系岩溶—裂隙水害区位于阴山构造带以南，昆仑—秦岭构造带东段以北，贺兰山构造带以东地区，属亚湿润、亚干旱气候区。该水害区矿井出水、突水较频繁，涌水量大，影响煤矿安全生产或发生淹井事故。目前矿井中深部下组煤层受煤系地层底板强含水层威胁，有几百亿吨煤不能开采。我国煤矿水害分布（2）华南晚二叠统岩溶水害区

华南晚二叠统岩溶水害区位于昆仑—秦岭构造带东段以南，川滇构造带以东地区，属湿润气候区，年降水量为1200～2000mm。该水害区矿井突水量大，约为2700～27000m3/h，矿井正常涌水量为3000～8000m3/h，矿井担负着巨额的排水电费400～1500万元；矿区地面塌陷严重，矿井安全生产受到严重威胁，在雨季，浅部煤层开采受水害危险更大。我国煤矿水害分布（3）东北侏罗系裂隙水水害区东北侏罗系裂隙水水害区位于阴山构造带以北地区，属湿润—亚湿润气候区，年降水量为400～800mm。该水害区矿井涌水量不大，部分矿区由于受地表水、第四系松散层水和由地表水与第四系松散层水补给含水层的威胁，易发生矿井突水事故。我国煤矿水害分布（4）西北侏罗系裂隙水水害区西北侏罗系裂隙水水害区位于昆仑—秦岭构造带西段以北，贺兰构造带以西地区，属干旱气候区，局部为亚干旱区，年降水量为25～100mm。该水害区严重缺水，存在供水问题，部分矿区存在地表水和老窑水形成的煤矿水害事故。我国煤矿水害分布（5）西藏—滇西中生代裂隙水水害区

西藏—滇西中生代裂隙水水害区和台湾第三系裂隙、孔隙水水害区、新生代煤田储量仅占全国储量的0.1％，水文地质条件比较简单，水害也不严重。前言煤矿水害现状矿井水害分布矿床充水因素分析中国水害频发的根本原因案例矿床水文地质（上）

矿井充水条件分析，是矿床水文地质学重要研究内容之一，也是矿井水文地质工作的重要环节之一。

充水“水源”充水“通道”充水“强度”矿井充水条件分析内容矿井充水因素分析A、充水水源是否存在，如果存在，有何特征。B、充水途径是否存在，如果存在，属何类型。C、充水强度如何，一旦出水有何后果。D突然来水还是缓慢性涌水。人为充水条件分析自然充水条件分析矿井充水条件分析根据充水条件特征，可将矿井充水条件分析划分为：矿井充水因素分析(一)自然充水条件分析承压水潜水上层滞水大气降水顶板水底板水周边水1.自然充水水源地表水松散孔隙地下水基岩裂隙地下水碳酸盐岩岩溶地下水1．大气降水大气降水是矿井充水主要因素之一。除了一部分被蒸发和随河流流走以外，另一部分则沿着岩石的孔隙、裂隙渗入矿井。大气降水在不同地区、不同季节、不同开采深度对矿井充水的影响也不相同。在降雨量少的西北地区，矿井涌水量就小；在降水量多的南方地区，矿井涌水量就大。即使在同一个地区内，由于大气降水量是随着季节变化的，矿井涌水量一般也随之发生周期性的变化。在一般情况下，矿井涌水量是随开采深度的增加而减小；也有的矿井，其涌水量却随开采深度的增加而增加，这是由于开采的愈深，水文地质条件愈加复杂的原故。(一)自然充水条件分析

2.地表水水源

在有大型地表水体分布（海、湖、大河流、水库、水池）的矿床地区，查清天然条件下和矿床开采后的地表水对矿床开采的影响，是矿区水文地质勘探和矿井水文地质工作的头等重要大事，是评价矿床开采价值的重要内容。(一)自然充水条件分析地表水害通过井眼、矿井安全出口、采后塌陷坑、煤系含水层露头、喀斯特塌陷等直接或间接透入矿井而造成事故；地表水体底部渗漏增大矿井涌水量。3.围岩地下水水源

围岩地下水充水类型划分:①根据充水岩层性质不同可分为：砂砾石孔隙充水矿床，坚硬岩层裂隙充水矿床，岩溶充水矿床。②根据矿层与充水岩层接触关系不同可分为：直接充水矿床，间接充水矿床。③根据矿层与充水岩层相对位置不同可分为：顶板水充水矿床，底板水充水矿床，周边水充水矿床。

(一)自然充水条件分析点状岩溶陷落柱2.自然充水通道线状断裂（裂隙）面状裂隙网络(局部面状隔水层变薄区)地震通道窄条状隐伏露头(一)自然充水条件分析1.点状岩溶陷落柱通道

岩溶陷落柱在我国北方较为发育，在地下水的长期物理和化学作用下,中奥陶统灰岩形成了大量的古喀斯特空洞,在上覆岩层和矿层的重力作用下,空洞溃塌并被上覆岩层下陷填实，被下塌的破碎岩块所充填的柱状岩溶陷落柱像一导水管道沟通了煤系充水含水层中地下水与中奥陶统灰岩水的联系,特别位于富水带上的岩溶陷落柱,可造成不同充水含水层组中地下水的密切水力联系。岩溶陷落柱的地表特征比较明显,特别在基岩裸露区更为明显。(一)自然充水条件分析(一)自然充水条件分析2.线状断裂(裂隙)带通道断裂带是否能够成为充水通道主要取决于断裂带性质和矿床开采时人为采矿活动方式与强度。(一)自然充水条件分析3.窄条状隐伏露头通道

在我国大部分煤矿山,煤系薄层灰岩含水层和中厚层砂岩裂隙含水层以及巨厚层的碳酸盐岩含水层多呈窄条状的隐伏露头形式与上覆第四系松散沉积物不整合接触。4.面状裂隙网络(局部面状隔水层变薄区)

根据含煤岩系和矿床水文地质沉积环境分析,在华北型煤田的北部一带,煤系含水层组主要以厚层状砂岩含水层组为主,薄层灰岩沉积较少。在厚层砂岩含水层组之间沉积了以细砂岩、粉细砂岩和泥岩为主的隔水层组。在地质历史的多期构造应力作用下,脆性的隔水岩层受力后以破裂形式释放应力,致使隔水岩层产生了不同方向的较为密集的裂隙和节理,形成了较为发育的呈整体面状展布的裂隙网络。

(一)自然充水条件分析(二)人为充水条件分析1.人为充水水源老空水袭夺水1.袭夺水

由于矿床开采，降落漏斗不断扩展，人工流场强烈改造矿区天然地下水流场，人工地下水流场获得新的补给水源称为袭夺水源。袭夺水源存在下列几种情况；①位于矿床地下水排泄区的泉水；②位于矿床地下水排泄区的地表水（海、湖、河）体；③位于矿床地下水径流带内的排泄区一侧相邻含水层；④相邻水文地质单元地下水。

(二)人为充水条件分析2.老窑水老窑水一般分布在老矿山的浅部，它具有下列充水特点：①老窖水以静储量为主，静储量与采空区分布范围有关；②老窖水为多年积水，水循环条件差，水中含有大量H2S气体，并多为酸性水，有较强的腐蚀性。③老窑突水一般水势迅猛，硫化氢气体危害性大。

(二)人为充水条件分析封孔质量不佳钻孔地面岩溶塌陷带

顶板冒落裂隙带底板矿压破坏带底板水压导升带

2.人为充水通道顶板抽冒带顶板切冒带(二)人为充水条件分析1.顶板冒落裂隙带

采空区冒落后，形成的冒落带和导水裂隙带是矿坑充水的人为通道，其特点如下：①当冒落裂隙带发育高度达到顶板充水岩层时，矿坑涌水量将有显著增加，当未能达到顶板充水岩层时，矿坑涌水无明显变化；②当顶板冒落裂隙带发育高度达到地表水体时，矿井涌水量将迅猛增加，同时常伴有井下涌砂现象。

(二)人为充水条件分析2.地面岩溶疏干塌陷带随着我国岩溶充水矿床大规模抽放水试验和疏干实践，矿区及其周围地区的地表岩溶塌陷随处可见，地表水和大气降水通过塌陷坑充入矿井。有时随着塌陷面积的增大，大量砂砾石和泥砂与水一起溃入矿坑。

(二)人为充水条件分析（三）充水强度分析充水强度分析定量预测评价定性分析解析法类比法统计学方法数值法

在自然界分布矿床中，单一充水水源和充水通道是少见的。从水文地质剖面可以看出，矿层（体）上部和下部往往分布多个充水含水层组。究竟哪个是充水岩层？哪个不是充水岩层？哪个是强充水岩层？哪个是弱充水岩层？回答这些问题的方法称为矿床充水强度分析。

根据矿山调查资料表明，矿床开采后矿井充水强度除取决于充水含水层的富水性、导水性、厚度和分布面积外，还取决于三个防线。第一防线是充水含水层出露和接受补给源的条件；第二防线是充水含水层侧向边界的导水与隔水条件；第三防线是矿层顶、底隔水岩层的隔水条件。

（三）充水强度分析实例定性分析前言煤矿水害现状矿井水害分布矿床充水因素分析中国煤矿水害频发的根本原因案例矿床水文地质（上）水害频发的根本原因

1、复杂的地质构造——“天灾”

2、松懈的安全意识——“人祸”中国煤矿水害频发的根本原因2010年3月28日13时40分左右，王家岭矿发生导通透水事故,导致153名矿工被淹，经过急时救，115人被救，38人遇难。中国煤矿水害频发的根本原因

事发前曾两次接到渗水报告,多名工人发现异常。承建工程的某部经理说,28日11时10分,当班的一名副经理升井汇报,井下27队的工作面800m处右下角底板处有少量渗水；安排正在井下的技术经理到出水点观察。

11点50分,这名经理升井汇报,出水没有压力,水是清的,无异味。并向在场的一位技术人员询问,该人说曾对该位置进行了探测,探测报告说：在820m之内可以正常堀进。记者在采访中,部分工人反映：25日就巳发现工作面”掌头煤层压力增大，煤壁挂汗并出现异味”，并向调度室进行了汇报，但没有引起重视。中国煤矿水害频发的根本原因

（1）没有树立“安全第一，预防为主”的思想有的矿井在突水事故前，已有明显的预兆，但那里的领导同志为了早出煤、多挣钱，仍不采取措施，还强令工人继续掘进。有的井底水仓长期不清理，致使容量减少或水泵排水能力不足，在矿井发生突水时涌水量大于排水能力，眼看着矿井被淹。有的巷道、硐室工程质量不好，水砂慢慢浸下，不及时分析原因，采取相应措施，处理与地表水相联的通道，导致地表水溃入井下。中国煤矿水害频发的根本原因（2）水文地质情况不清有些煤矿对井田范围内水文地质情况不清，资料不全，对地下水、老空水心中无数，就盲目开井或采掘。有的积水巷道位置测量错误或资料遗漏、不准。有的知道有水源，但对其赋存状况及补给关系不清楚，特别是构造复杂、断层较多、老窑分布较广的地区，对水源位置不清，却盲目掘进，结果酿成突水事故。

中国煤矿水害频发的根本原因（3）没有坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则有些领导和作业人员思想麻痹，存有侥幸心理。图省事，怕麻烦，井巷已接近老空、充水断层、陷落柱、强含水断层，还不探水放水，结果造成突水事故。中国煤矿水害频发的根本原因（4）防排水工程质量低劣有的矿井防水闸门长期不检修，已经失效，出水时不是关不上，就是不起作用。有的矿井挡水墙打在浮煤上，两边不掏槽，水压一大就被冲垮。有的煤矿工业用水管线泄漏，长期不处理，在低洼处或塌陷处大量积水，造成事故隐患。中国煤矿水害频发的根本原因（5）无序开采，先天不足有的煤矿特别是乡镇煤矿井口位置选择不当，紧靠河流、湖泊，个别井口标高过低，遇有地面洪水必然倒灌井下。有的井口位置设计不合理，接近强含水层等水源，施工后在矿压和水压的共同作用下，围岩发生突水。有不少小煤窑就开在大矿的采区上方。有的就在大矿的保安煤柱、防水煤柱上滥采滥掘，甚至已与大矿贯通，一到雨季时洪水从小煤窑灌入大矿井下，造成事故。中国煤矿水害频发的根本原因前言煤矿水害现状中国水害频发的根本原因矿井水害分布矿床充水因素分析案例矿床水文地质（上）三门峡市陕县支建煤矿“7．29”透水事件成功抢险救援的启示

2007年7月29日上午8时40分，中国铝业公司陕县支建矿业有限公司东风井发生透水事件，当时井下有矿工102人，事故发生后33人及时升井，69人被困井下。经生死７６小时的紧张救援，指挥部的果断决策，参战人员的艰苦努力，通过大胆创新，齐心协力，精心组织，共同创造了一个科学施救的成功典范。案例11、支建矿业有限公司基本情况中国铝业公司陕县支建矿业有限公司位于陕县王家后乡上庄村，其前身为陕县支建煤矿，该矿井是国内罕见的同时开采煤炭和铝土矿两种矿产资源的矿井，始建于1958年，煤炭开采年设计生产能力21万吨，核定生产能力14万吨，采用斜井多水平开拓，低瓦斯矿井，通风方式为中央并列式，于2005年9月改制为有限公司，现有职工414人。剩余可采储量782万吨，服务年限30年。案例1

矿区为山岭沟壑地貌。呈近东西向的铁炉沟河与支建矿业有限公司东风井井口相比邻，且横穿井田中央，走向距离远，横向呈”V“字型开阔发育，具有较强的汇水能力。东风井井口西300余米处是中国铝业公司废弃的铝土矿矿坑，该矿坑塌陷区向南延伸至铁炉沟河河床底部，因铁炉沟河河床底部标高大部分在+300m以上，该区在一般气候条件下为贫水区；原本隔水性较好的铝土矿层因采掘大大降低了其隔水性和抗透水能力，导致了废弃的铝土矿矿坑具有短时的蓄水能力和其底部泻水的可能性。案例12、透水事故发生经过

7月28日20时至29日8时，河南省三门峡市突降暴雨，降雨量115.2毫米。7月29日凌晨，陕县支建地区大雨如注，山洪暴发，平日干枯的铁炉沟河顿时洪水咆哮，排山倒海的大洪水不断冲击河堤。

8时10分，负责防洪巡查的中铝矿业分公司员工张长兴，在铝土矿采区边界外10多米的河道，发现一个飞速旋转的漩涡，顺着漩涡洪水汹涌渗入地下。案例1

洪水流入中国铝业公司矿业分公司开采过的废弃铝土矿塌陷区和因废矿渣挤占河床致使河水上涨进入一个与河底相邻的废弃铝土矿坑中。２９日８时４０分左右，铝土矿塌陷区和铝土矿矿坑中的积水通过支建煤业有限公司打有象征性三道“水闸墙”的废弃巷道溃入正在生产中的支建煤业有限公司矿井，肆虐的洪水流至二水平后沿轨道下山和皮带下山湍流而下，致使井下两条水平巷道和两条倾斜巷道被淹没。当班下井的１０２名矿工，经矿方立即组织井下人员撤离，只有３３人解围升井，其余６９人被困井下，生死未卜，危在旦夕。预计透水量4000立方米，淹没巷道600余米，水位稳定在+265米左右的位置。案例13、透水事故抢救经过事故发生后，国务院领导同志作出重要批示，要求全力施救，科学施救，严防次生事故发生，确保被困矿工生命安全。河南省委省政府、国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局负责人先后亲临现场，指挥组织抢险救援工作，共同研究部署了“一堵、二排、三送”的综合抢险救援方案。科学施救方案内容，即：“堵”、堵住地表洪水的泄露点，“排”在井下安装水泵排除洪水和淤积物，“送”向井下送压风、送氧、送牛奶。案例1一堵：（A）堵河：7月２９日深夜，武警河南省总队先从三门峡、洛阳等地调来300名武警官兵冒雨挺进铁炉河。武警官兵们冒着大雨在河床透水地段奋战了20小时，克服了事发突然、救援物资有限、水势湍急等重重困难，堵实了河床泄漏通道，保证了井下水位的稳定，为井下及时开展抢救工作创造了安全条件。案例1（B）堵雨：为减轻救援压力，抢险指挥部决定人工减雨干扰天气。三门峡气象局调来了９名气象专家、一台装有四要素自动站的气象车、三门三七高炮、１１门火箭炮和１０００多发炮弹。经两小时人工减雨作业，４００多发炮弹通过雷达定位后，定点发往高空，驱散了云层，成功地“拦截”了矿区西南方向的降雨。当天下午，支建矿区２０公里左右范围内仅下了短时小雨。案例1（C）堵通道：河南省煤炭局安全管理处处长杨建增、曹瑞伟等领导在井下检查指导抢险救援工作时发现，原透水通道仍有一定的水量流向被困人员灾区，马上命令有关人员在车场进行堵截，并在车场架泵进行排水。经测定，被截水量为当时排水量的1/2左右。这一举措，减排节时1/3，使成功抢险救援工作提前了1/3的时间。案例1二排：排水清淤：经过救灾人员的艰苦劳动，截至8月1日8班，累计抢险时间76小时，修复巷道局部塌方5处，清理巷道45米，组织安装管道3躺、水泵3台，形成210立方米/时排水能力，改造井下供电系统，新铺设电缆2250米。累计排水约4860立方米，水位累计下降1.5米。案例1三送：送风、送氧、送营养：巷道堵死后，新鲜的空气进不去，６９名矿工随时都有窒息的可能，必须想尽一切办法，把新鲜空气送进去。

一大创举：送风管送进了牛奶。在技术人员仔细研究和精确计算的时候，指挥部紧急从义煤调来了４名专职风机司机，全面接管压风房。计算结果出来了：把４００公斤牛奶送到井下，大约需要１０分钟，而停１０分钟的风，不会让井下出现大的问题。当机立断，经过高温消毒、过滤，牛奶顺着送风管道汩汩地流了下去。就这样，一条压风管，在送风、送氧的同时，又送奶，再次成为中国矿山抢险救灾史上一大创举。案例1

启示一：高度重视水害防治工作，煤矿企业要认真编制矿区防治水规划、年度计划并负责组织实施，制定水害防治应急预案，建立水害预测预报制度。定期开展水害隐患排查，对查出的水害隐患，要落实责任，采取切实可行的防治措施。认真收集、调查和核对相邻废弃老窑的情况，查清水文地质条件，建立详实的水文地质资料。矿井防排水能力一定要按规程标准进行配套达标。案例1

启示二：加强老窑水的探放和排查工作。要坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的探放水原则。在探水前，分析查明老窑水的空间位置、积水量和水压；探放水时，要撤出探放水点以下部位受水害威胁区域的所有人员；预计有瓦斯或其它有害气体时，必须认真检查空气成分；矿井有突水征兆时，立即撤出井下所有人员，以防矿井水突然溃出酿成水害事故。案例1

启示三：加强煤矿安全培训工作。煤矿企业要不断加强安全培训工作，依据《安全生产法》、《国务院关于预防煤矿生产安全事故的特别规定》等法律法规的规定，开展安全生产教育和培训，做到煤矿主要负责人、安全生产管理人员及特殊工种持证上岗；井下作业人员具有必备的安全生产知识，熟悉有关安全生产规章制度和安全操作规程，掌握本岗位的安全操作技能，全面提高安全管理水平和自我保安能力，增强安全防范