礦井水災防治及水體下安全采煤

一、地下水的基本知識
（一）自然界中水的循環
自然界中的水：
1、大氣水：水蒸氣、雲、霧、雨、雪和冰雹；
2、地表水：河流、湖泊、海洋、冰雪；
3、地下水：保存在地下岩石的空隙、裂隙及岩溶中的水。
自然界中的水在太陽輻射熱和重力的作用下不斷地循環著。從海洋、河流、湖泊的表麵，岩石的表麵及植物的葉麵上蒸發，變成水汽上升至大氣圈中。在高空凝結，形成不同形式的降水而降落到地麵。降落下來的水一部分就地蒸發，一部分通過地表和地下徑流的形式回歸到海洋、河流、湖泊中。
（二）岩石的空隙性和透水性
1、岩石的空隙性
（1）孔隙：岩石顆粒之間存在的空隙。孔隙以孔隙度(n)表示。

顆粒大小均勻，孔隙度大；大顆粒之間空隙充填有較小顆粒，孔隙度小。沉積岩孔隙度一般為10%，礫岩和充填膠結差的砂岩可達20%30%或更大。
（2）裂隙：堅硬岩石受地殼運動作用，產生各式各樣的裂縫，稱為裂隙。
（3）岩溶：地下水溶蝕了某些可溶性岩石（如石灰岩、石膏、岩鹽）後，在岩石中形成了洞穴，稱為岩溶溶洞。
2、岩石的透水性
岩石能使水透過本身的性能，稱透水性。根據岩石透水性的大小，岩石可分為透水岩石和不透水岩石。
砂、礫石、礫岩以及裂隙與岩溶比較發育的岩石（砂岩、石灰岩）為透水性岩石；粘土及裂隙不發育的岩石（如頁岩）為不透水岩石。
岩石的透水性是相對的。在普通壓力下為不透水岩石，在高壓力下可能是透水性岩石。
介於透水與不透水之間的岩石為半透水性岩石，如亞粘土和亞砂土等。
岩石透水性的大小，用滲透係數 表示。(見圖1)


滲透係數是水力坡度為1時的滲透速度。測得太原組石灰岩含水層滲透係數平均為4.792×10^-6m/s（0.414m/d）;本溪組石灰岩含水層滲透係數平均為1.446×10^-6m/s(0.125m/d)。
3、透水層與不透水層；含水層與隔水層
能夠透水或透水性強的岩石，稱為透水層，如石灰岩，白雲岩，空隙度大的礫岩和砂岩。充滿了地下水的透水層，稱為含水層。
不能透水或透水性差的岩石，稱為不透水層或隔水層，如粘土，頁岩，裂隙少的岩漿岩。
根據滲透係數K(m/d)的大小，岩石透水性可分為五級：1、極強透水性岩石（K>10）；2強透水性岩石(K=10-1)；3、中等透水性岩石(K=1-0.01)；4、弱透水性岩石(K=0.01-0.001)；5、極弱透水性或不透水性岩石(K<0.001).
幾種岩石的滲透係數見表1。
表1 幾種岩石的滲透係數


（三）地下水分類及其特征
1、潛水與承壓水
潛水：地下第一個穩定隔水層以上含水層中的地下水，是具有自由表麵的重力水。潛水水麵至地表有一定距離。潛水由高位向低位流動，又稱無壓水。（見圖2）


承壓水：承壓水是充滿於兩個隔水層之間的含水層中的重力水，又稱為自流水。承壓水形成條件是向斜構造和單斜構造：Ⅰ區為補水區，位置較高，接受大氣降水或地表水的補給，滲入地下沿含水層流動，；Ⅲ區為排泄區，位置較低，以泉的形式出露於地表；補水區與排泄區之間的Ⅱ區，充滿具有靜壓力的地下水，就是承壓水。由於充滿於兩個隔水層之間的地下水具有壓力，鑽孔通過隔水層後，地下水便湧入孔內，不斷上升，有可能噴出至地表。（見圖3）

2、降壓漏鬥的概念（見圖4）
在潛水（或承壓水）井中抽水，水位下降，程漏鬥形，直到形成穩定的降壓漏鬥為止。
潛水井湧水量（即井的排水量）計算公式為：


（四）地下水的化學成分
自然界有許多岩石（如石灰岩、白雲岩）都溶於水，因此地下水不是化學純水，而是複雜的溶液。已發現有幾十種元素。
離子狀態：陰離子Cl^-、SO₄^--、HCO₃^-
陽離子Na⁺、K⁺、Ca⁺⁺、Mg⁺⁺
化合物狀態：Fe₂O₃、Al₂O₃等
氣體狀態： N₂、O₂、CO₂、CH₄、H₂S等
以主要陰陽離子來表征地下水的化學類型。若地下水主要陰離子成分為HCO3-、陽離子為Ca++ 時，稱為重碳酸鈣型水；若地下水主要陰離子成分為SO4--、陽離子為Na+ 時，稱為硫酸鈉型水。
反映地下水化學性質常用指標有以下幾個：
1、 水的總礦化度（礦化度）
單位體積水中所含的離子、分子和各種化合物的總量稱為水的總礦化度，以克/升來表示。它表明水中含鹽分的多少。礦化度高，說明地下水的循環條件差；礦化度低，說明地下水的循環條件好。按總礦化度大小，可將地下水分為以下幾類：（見表2）

2、 氫離子濃度(pH值)
pH值是水中氫離子濃度的負對數值：
pH=-lg H+ 
當 pH＝7時，說明水為中性； pH7時，說明水呈酸性反應；
當 pH>7時，說明水呈堿性反應。根據pH，可將地下水分為五類：
（見表3）

3、 水的硬度
地下水的硬度大小取決於Ca++ 和Mg++ 的含量。硬度又有：總硬度（Ca＋＋ 、 Mg＋＋的總含量）、暫時硬度（沸騰後 Ca＋＋ 、 Mg＋＋ 沉澱量）和永久硬度（沸騰後 Ca＋＋ 、 Mg＋＋ 不沉澱量）。根據總硬度，可將地下水分為五類：極軟水、軟水、弱硬水、硬水和極硬水。

二、礦井湧（突）水條件03manbetx
（一）礦井湧水來源與通道
1、天然水源與通道
（1）水源：
a.大氣降水；
b.地表水：河流、湖泊、窪地積水等；
c.地下水：孔隙水、裂隙水，斷層破碎帶水，岩溶水，潛水，自流水（承壓水）。
（2）通道：
a.岩溶陷落柱；
b.斷層帶、裂隙；
c.隱伏露頭、天窗：隱伏在第四係含水砂層之下的基岩風化帶為隱伏露頭；第四係含水砂層之下往往有粘土質隔水層，粘土質隔水層的尖滅或缺失稱天窗。
d.地震裂隙。
2、人為水源與通道水源
（1）水源：
a.襲奪水源：由於疏幹降壓形成降壓漏鬥，獲得新的補給水源，稱襲奪水源；
b.老窯水。
（2）通道：
a.頂板垮落帶、導水斷裂帶；
b.開采引起的底板破壞帶；
c.岩溶地麵塌陷：由於抽水試驗和疏幹開采，形成的岩溶地麵塌陷；
d.封堵質量不佳的鑽孔。.
（二）影響礦井湧水的因素
1、地質因素：
（1）地麵因素：地麵河流，窪地，降水，地形；
（2）岩石性質：透水性（滲透係數）；
（3）地質構造：
斷層：斷層是否與地表水及含水層連通；斷層破碎帶往往本身含水；若斷層破碎帶被粘土質岩石充填、膠結，具有隔水作用。
褶曲：采掘工作麵處於向斜軸處，湧水量就會增大。
2、人為因素：
（1）開采活動；
（2）廢棄的勘探鑽孔，封堵質量不佳；
（3）開采麵積和礦井長期排水影響：
以靜儲量水為主：初期，湧水量隨開采麵積增大而增加；以後會逐漸減小。以動儲量水為主：湧水量穩定。
（三）礦井充水程度
1、根據含水係數
含水係數 KB = Q∕P
Q―礦井中排出的水量（m³）；
P―同一時期煤炭采出量(T)
（1）湧水量小的礦井：KB< 2
（2）湧水量中等的礦井：KB = 2-5
（3）湧水量大的礦井：KB = 5-10
（4）湧水量特的礦井：KB>10
2、根據湧水量
（1）湧水量小的礦井：Q< 100 m³/h
（2）湧水量中等的礦井：Q = 100-500 m³/h
（3）湧水量大的礦井：Q = 500-1000 m³/h
（4）湧水量特的礦井：Q> 1000 m³/h
三、礦井突水預兆與突水量估算
（一）礦井突水預兆
1、一般預兆
（1）煤層變濕、鬆軟，煤幫滴水，頂板淋水；
（2）工作麵氣溫降低，霧化，有硫化氫味；
（3）聽到水的“嘶嘶”聲；
（4）礦壓增大：冒頂，片幫，底鼓。
2、工作麵底板突水預兆
（1）底鼓，有時可達500mm以上；
（2）底板裂縫；
（3）沿裂縫或煤幫滲水；
（4）底板破裂，並噴出高壓水，“嘶嘶”聲；
（5）底板產生“底爆”，巨響，大量湧水。
3、鬆散含水層突水預兆
（1）突水部位發潮，滴水；
（2）發生局部冒頂，水量突增，有流砂；
（3）頂板發生潰水、潰砂，地表塌陷。
（二）礦井突水量的估算
1、采用現場實際測量方法
（1）浮標法（突水初期）


（2）水泵標定法（突水時）



（3）容積法

突水後，如將平巷淹沒，水位升老窯區，則湧水量可用下式計算：
Q = KSHM/(t·cosa) m³/min
K：采空區的淹沒係數，（見表5）

S：求積儀在平麵圖上量得的淹沒麵積，m²；
H：水位上漲的高度，m；
M：實際采高，m；
a：岩層傾角，（°）
t：水位上升所用時間，min
2、突水總量的計算
（1）算術迭加法

（2）曲線求積儀法（略）
3、淹沒時間的預計

四、礦井湧（突）水的防治方法
（一）地表水防治
1、河流改道；
2、鋪設不透水的人工河床；
3、修築排（截）水溝；
4、堵漏。
（二）老窯水的防治
1、探：老窯的位置、範圍、形狀、水量；
2、隔：老窯水與地表水的隔離；老窯水與礦井水的隔離；
3、放：利用鑽孔將老窯水放入礦井，增大礦井湧水量，必要時設水閘門（牆）。
（三）疏幹降壓
在鑽孔（地麵、地下巷道）內安裝排水設備（如深井水泵），
從鑽孔內將水排至地麵或地下巷道，以達到疏幹或降低水位的目的。
1、疏幹程序
（1）疏幹勘探：查明疏幹地區的水文地質資料（地下水補給及運動規律，補水邊界、隔水邊界，地下水湧水量，疏幹含水層與地表水或其他含水層聯係，含水層特征，疏幹水量等）；
（2）疏幹方案：地麵疏幹，井下疏幹，疏幹鑽孔布置；
（3）試驗性疏幹：6-12個月，了解疏幹效果，調整疏幹方案；
（4）經常性疏幹：
隨礦井開采範圍擴大，對疏幹工程進行調整、補充；觀測疏幹孔的水量和水位；編製疏幹水量、水位動態變化曲線圖以及疏幹降低漏鬥平麵圖；水質03manbetx 。
2、疏幹方式
（1）地表疏幹
用於預先疏幹階段，在煤層淺部及露天礦中采用。具有建設速度快、投資經營費用低、安全可靠等優點，但隨深部增大，費用增加。
（2）地下疏幹
采用疏幹巷道和鑽孔進行疏幹，用於礦井較深部的疏幹。
（3）聯合疏幹
水文地質條件複雜或水文地質條件逐向惡化的老礦井，從經濟安全方麵考慮，采用井上、下聯合疏幹。
（四）注漿堵水
1、意義：將製成的漿液壓入地層空隙，使其擴散凝固、硬化後，起到堵、攔補給水源或加固作用。
2、注漿堵水的應用
（1）井筒地麵預注漿：對要穿過含水層的井筒預先注漿，保證施工安全，減少湧水量；
（2）石門預注漿：對要穿過含水層或斷層破碎帶的石門，預先注漿，保證施工安全，減少湧水量；
（3）對有強補給水源的突水點注漿堵水，治水複礦；
（4）與疏放水結合，對查明的進水邊界或通道，進行帷幕截源注漿，減少礦井湧水量；
（5）有煤層底板突水危險的礦井，對強含水層頂麵或夾存於其頂板隔水層內的弱含水層進行加固注漿；
（6）其他：鑽孔、陷落柱注漿。
3、注漿材料
（1）水泥：水泥+速凝劑（緩凝劑）、速凝早強劑+惰性材料（砂、礫石、粘土、礦碴）；
（2）水泥——水玻璃：分別配製，同時注入。水玻璃凝固時間短，提高可灌性；
（3）化學漿液，水玻璃類，樹脂等。性能好，成本高。
4、注漿工藝
（1）注漿鑽孔：鑽孔數目，深度，鑽孔排列，鑽孔方法；
（2）注漿設備：注漿泵，攪拌機，混合器；
（3）注漿參數：擴散半徑，注漿壓力，漿液濃度，漿液注入量，注漿效果。
5、注漿堵水的主要技術問題
（1）圈定突水點、找到補給水源通道。
（2）注漿時要準確地命中出水點。
（3）動水注漿要防止漿液的流失：先下骨料，然後再注漿封堵。
（4）保證注漿堵水有足夠的範圍和強度。
五、水體下安全采煤
（一）水體下采煤的意義及特點
水體下：地表水體、含水砂層水體、基岩水體。要防止上覆水體中的水或泥砂潰入井下，防止因湧水量增大而過分增加排水費用。
（二）影響水體下采煤的因素
1、水體類型
水體類型包括：單純地表水，單純鬆散層水，單純基岩水，地表水加鬆散層水，鬆散層水加基岩水，地表水加基岩水，地表水、鬆散層水加基岩水。
水體與煤層之間關係：水體與煤層之間有隔水層；水體與煤層之間直接接觸。
2、上覆岩層類型：含水層（透水層），隔水層。
3、地層構造：（見圖5）
（1）單一結構：水體集中、水量大、滲水性強；
（2）複合結構：含水層與隔水層在垂直方向互相間隔，水體分散；
（3）封閉或半封閉結構：含水層與隔水層在垂直方向與水平方向互相間隔，形成封閉、半封閉儲水條件；
（4）覆蓋結構：隔水層與煤係地層不整合，地表水和地下水被隔水層隔阻。

（三）上覆岩層破壞規律
1、三帶：垮落帶，導水斷裂帶，彎曲帶；
2、垮落帶、導水斷裂帶的形態：馬鞍形（緩），拋物線形（傾），斷裂帶向上發展、垮落帶超出采空區的邊界（急）；（見圖6）

3、垮落帶、導水斷裂帶高度
（1）垮落帶高度
煤層頂板覆岩內有極堅硬岩層，采後能形成懸頂時，垮落帶高度計算公式如下：

煤層頂板覆岩為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱岩層或其互層時，開采單一煤層的垮落帶高度為：

厚煤層分層開采垮落帶高度計算公式（見表－6）。


（2）導水斷裂帶高度
煤層頂板覆岩為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱岩層或其互層時，開采單一煤層和厚煤層分層時的導水斷裂帶高度（見表-7及表－8）。

（四）水體下采煤安全煤岩柱的留設
1、 水體的采動等級及允許采動程度（見表-9）。


根據水體允許采動程度將水體分為三個采動等級：
（1）防水安全煤岩柱：不允許導水斷裂帶波及到水體；
（2）防砂安全煤岩柱：允許導水斷裂帶波及到鬆散的弱含水層，或已經疏降的鬆散強含水層，但不允許垮落帶接近鬆散層底部；
（3）防塌安全煤岩柱：允許垮落帶接近鬆散層底部。
2、安全煤岩柱的留設方法
（1）防水安全煤岩柱
A、地表有鬆散覆蓋層時（圖7）






（2）防砂安全煤岩柱（見圖10）

（3）防塌安全煤岩柱

3、安全煤岩柱保護層厚度
安全煤岩柱保護層厚度(Hb)與煤層傾角、水體采動等級、地層構造、覆岩性質以及累計開采厚度有關。
（1）傾角0~35°及36~54°煤層，防水安全煤岩柱保護層厚度，
（見表—10）以及防砂安全煤岩柱保護層厚度（見表－11）。



（2）傾角55~90°煤層，防水安全煤岩及防砂安全煤岩柱保護層厚度（見表-12）

（五）水體下采煤的安全技術措施
1、防治措施
（1）留設安全煤岩柱，頂水開采；
（2）疏幹、疏降開采：當上覆水體含水量小、補給不足時，采用疏幹開采；當上覆水體含水量大，補給充足時，采用疏降開采；
（3）頂疏結合開采：上覆有多個含水層，且含水層與隔水層相間排列。導水斷裂帶以上的含水層，頂水開采；導水斷裂帶以內的弱含水層，實行疏幹開采；
（4）帷幕注漿堵水：以擋水帷幕，切斷地下補給通路；
（5）處理好地表水源：改河道，鋪河底，築攔洪壩，修攔洪溝，填滲透裂縫，切斷或改變地麵補給水源。
2、開采技術措施
（1）試探開采：先遠後近，先深後淺，先厚後薄（隔水層），先易後難，逐步接近水體；
（2）分區隔離開采：采區四周防水煤柱，水閘門；
（3）全部充填、部分開采和分層間歇開采：降低覆岩破壞高度，減小垮落帶、導水斷裂帶的高度
（4）正常等速開采：正規循環，工作麵均勻推進，工作麵頂板完整，使頂板含水層中的水隨放頂湧入采空區。