矿井水防治技术课件

矿井水防治技术

第一节  概述

         煤矿在生产 建设过程中，常常会受到水害的威胁，一旦出现水灾，轻则直接危害职工的生命和国家财产的安全。为此，凡影响生产、威胁采掘工作面或矿井安全的、增加吨煤成本使矿井局部或全部被淹没的矿井水，都称为矿井水害。我国不仅是世界主要产煤国，而且也是受水害最严重的国家之一。

         据解放后的资料统计，1955～1985年，全国统配煤矿共发生水灾769次（其中老窖水198次），淹井事故208起，且有逐年增长的趋势。20世纪80年代，开滦煤矿范各庄矿的突水淹井事故中最大涌水量高大2053m3/min ,为世界采矿史上有记载的突出水量之最。我省的煤炭惧矿、恩口矿、斗笠山矿的水害在全国也是闻名的。

一、矿井水灾事故类型划分

            依据造成矿井水灾害的水的来源，可以把矿井水灾事故分成六种类型，由于我国多数矿井水害往往是由2～3种水源造成的，单一充水的矿井水害很少，故矿井水害类型是按某一种水源或以某种水源来命名的。

（一）地表水害

             由地表河流、湖泊、水库等地表水体，通过连通矿井井巷的岩石裂缝、断层裂隙、岩溶孔洞、塌陷区裂隙、老窖、井巷等通道进入矿井，造成矿井充水，而且影响矿井生产和安全。

（二）含水层水水害

          煤层或煤系顶底部岩层含地下水，井巷开拓或回采后，使含水层中的地下水进入矿井，造成矿井充水，且影响矿井生产和安全。

  根据更具体的水源或与煤相关位置，分为：

1、冲积层水水害：覆盖于煤层上方的含水流砂层、砂层、砂砾层、粘土砂浆层、粘土、与沙瓦层等冲积层，或其他的第四世纪冲积物、沉积物。如留设的风化带机隔水煤柱不足，冲积层水携带泥沙就可能进入矿井造成危害。

2、煤层顶底板砂岩水水害：砂岩厚度较厚、又略含地下水，裂隙发育较好，在开拓回采前又未探放水，在开拓时涌水量大，或回采后顶、底板冒落突然涌水，冲垮采煤工作面，造成水害。

3、断层水水害：断层破碎碎带裂隙、孔洞连通含水层、含水溶洞、老空积水、地表水等水体，当井巷进入断层破碎碎带而使矿井充水，而且影响矿井生产和安全。

4、老空积水：矿井原有巷道及工作面采空区废弃后积水较老空积水。后期巷道、工作面进入老空区而引起矿井充水，而且影响矿井生产和安全。

5、岩溶水水害：易溶性石灰岩或其他可溶性岩层溶蚀后生成的溶隙、溶洞，并积有地下水，当井巷或工作面揭穿时则导致矿井充水，而且影响矿井生产和安全。

6、封闭不良的钻孔水水害：地质勘探时，钻孔钻透含水层、含水溶洞。

二、矿井充水强度

          地下水储存在不同的含水层中，含水层的埋藏条件不同和岩石性质不同，决定了他们含水强度的不同，当采掘巷道一旦接近和揭露含水层时，把地下水涌入矿井内的水量是不一样的，有的很多，有的却很微弱。在煤矿生产中，把地下水涌入矿井内的多少称为矿井充水程度，用来反映矿井水文地质条件的复杂程度。

含水系数

   含水系数又称为富水系数，它是矿井在某时期排除水量与同一时期内煤炭产量的比值。

   含水系数用KB表示

          根据含水系数的大小，将矿井充水程度划分为四个等级：

（1）充水性弱的矿井： KB＜2m3/t;

（2）充水性中等的矿井： KB=2～5m3/t;

（3）充水性强的矿井： KB=5～10m3/t;

（4）充水性很强的矿井： KB＞10m3/t;

矿井涌水量

  是指单位时间内流入矿井的水量，用Q表示。

   根据涌水量的大小可划分为四个等级：

（1）涌水量小的矿井： Q ＜120m3/n;

（2）涌水量中等的矿井： Q =120～300m3/n;

（3）涌水量大的矿井： Q =300～900m3/n;

（4）涌水量很大的矿井： Q ＞900m3/n;

三、矿井水文地质的划分

          为了做好矿井水文地质工作，掌握水文地质规律，研究和解决矿井生产建设的水文地质问题，防止水害发生，保证煤矿安全生产，有必要对我国现有的水文地质特征、矿井充水条件、涌水量大小、受水害影响程度等一方面做一系统的研究，找出他们的内在联系。这种归纳总结分类工作，称矿井水文地质类型划分。

1984年煤炭工业部颁发的《矿井水文地质规程》，规定了矿井水文地质类型是以矿井水文地质条件和特征、井巷充水水源性质、进水通道为基础，根据受裁决破坏或影响的含水层性质、富水程度、补给条件、及矿井单井年平均涌水量，矿井每年最大涌水量、开采时手水害影响程度、防止水工作难易程度，把矿井水文地质划分为简单、中等、复杂和极复杂四种类型。具体划分如下:

第二节   矿井防治水

         煤矿生产过程中的五大灾害之一水水灾。

        矿井突水是指煤矿在正常生产中突然发生的具有一定数量来势凶猛的用水现象。突水可来自底板、顶板、老采区、老窖、地表等。矿井突水量的大小差异很大，对矿井的危险程度也不相同，根据我国矿井突水情况，煤炭工业部在1984年5月颁布的《矿井水文地质规程》对突出水量作了等级划分。

突水量的划分等级标准：

小突出水的涌水量= 1m3/min;

中等突出水的涌水量= 1m3/min～10m3/min;

大突出水的涌水量= 10m3/min～30m3/min;

特大突出水的涌水量≥30m3/min;

一、造成矿井突出水的原因分析

          矿井水灾事故的原因分析是一个极为复杂的课题，它涉及煤田形成的地址历史环境，以及后期的地址构造、地质作用的改造，出现了各个煤田含水的差异。即使条件近似的煤田，也因设计、技术、管理、素质的差异而导致矿井水灾的不同。下面我们从技术和管理两方面来分析矿井可能发生水灾的原因。有时一种原因足以造成矿井水灾，有时原因却是多方面的。

（一）发生水灾事故管理方面的原因

各级领导对水灾的认识不足，相应投入的人力物力不充分，致使对矿井的水文地质情况不十分清楚，特别是受岩溶水威胁的矿井，对岩溶的发育情况、规律的研究远远跟不上生产的需要。老空积水、邻近小煤窑边界等往往输出不准确的数据。

对“有疑必探、先探后掘”的原则能理解，但在执行中打折扣，心存侥幸，违章作业。

（二）发生矿井水灾害技术方面的原因

1、地面防洪、防水措施不当，或对防洪设施管理不善，防洪设施失效。或地面塌陷、裂隙未处理，使地面洪水由井筒、塌陷、裂隙进入井下造成水灾。

2、水文地质情况不清。井巷接近充水断层、强含水层、岩溶性落柱、富水溶洞、老空积水区，以及打开隔水煤柱时，未按探水规定进行，盲目施工；或虽然进行探放水，但因措施不严密，而造成淹井或人生事故。

3、井巷位置设置不合理。设计中误将井巷置于地质条件差或过分接近强含水层，导致顶、底板透水。

4、施工措施不力，工程质量低劣，致使井巷塌落冒顶、跑沙、透水；也有工程钻孔封闭不良导致透水的。

5、乱采乱掘破坏了防水煤柱造成透水。

6、防水闸门未按设计修建，或修建时质量低劣不能防水，或年久失修，当井下出现水情况时无法防水而导致淹井。

7、排水设备能力不足，或电机事故造成淹井。排水设施平时缺少维护，如水仓不按时清仓，突水时因水仓容量不够而淹井。

8、测量失误，导致巷道揭露积水区或含水断层突水而淹井。

9、其他原因。如台风、地震等。

二、矿井水防治技术

          煤矿防治水工作，是建立在弄清水文地质情况的基础上。若矿区水文地质条件不清，防止水工作就带有一定的盲目性，达不到预期效果。煤矿在建设之前，虽分阶段（普查、详查、精查）进行了勘探，提交了地质报告，但由于受地质条件复杂性和勘探技术的限制，所获水文地质资料与实际不符的情况还有，遗留问题较多，给煤矿建设带来不良后果，造成淹井，停建等被动局面。为了消灭水灾事故的发生，搞好煤矿安全生产，加强水文地质工作，摸清矿井水文地质条件，就显得非常重要。

          为此，《煤矿安全规程》第251条规定：“煤矿企业应当查明矿区和矿井的水文地质条件，编制中长期防治水规划和年度防治水计划，并组织实施。”

          矿井水防治的目的是：防止矿井水灾害发生，减少矿井正常涌水，降低煤炭成本，在保证矿井建设和生产安全前提下使用家的煤炭资源得到充分合理的回收。为达到上述目的，根据产生矿井灾害的原因，采取不同的对策措施。

矿井水防治的方针是：坚持预防为主，防治结合的方针。为了防止防治水工程零打碎敲，达不到良好效果，应在查明矿区和矿井水文地质的条件基础上，按照当前与长远、局部与整体、地面防治和井下防治、防治与利用相结合的原因，根据不同水文地质条件，分别采用防、疏、堵、截的方法予以防治。

防止水的规划：指矿区整体性防治工程，规模大，工期长，需根据实际情况区分轻、重、缓、急，分期工程分批逐年竣工。因此，《煤矿安全法规》第252条规定“水文地质条件复杂的矿井，必须针对主要含水层（段）建立地下水动态观测系统，进行地下水动态观测、水害预报，并制定相应的探、防、堵、截、排综合防治系统。

矿井年度防治水计划，由矿总工程师负责编制，防治水规划中的重点工程，由施工部分技术负责人编制，经向局长和总工程师汇报、审查，报省煤炭局批准后，由矿长或负责施工部门组织实施。

矿井防水是利用各种工程设施防止矿井大量涌水，特别是防止发生灾害性事故。主要措施有：减少矿井充水水源或渗入矿井的水量，疏放降压对矿井有威胁的地下水，阻止水进入井巷；充分利用井田地质、水文地质条件构筑必要的工程，减少或防止发生突水事件。矿井防水分为地面防治水和井下防治水两种。

地面防治水方法

            地面防治水是指在地表修筑各种防排水工程，防止或减少大气降水和地表水涌入工业广场或渗入井下，它是保证矿井生产安全的第一道防线，特别是以大气降水和地表水为主要充水水源的矿井尤为重要。

1、严格按照《规程》要求选择井筒及工业广场。

        井口和工业场地内建筑物的高程必须高于当地历年最高洪水位；在山区还必须避开可能发生泥石流的、滑坡的地段。

         如井口和工业场地内建筑物的高程低于当地历年最高洪水位，必须修筑堤坝、沟渠或采取其他防排水措施。

2、井口附近或塌陷区内外的地表水体可能溃入井下时，必须采取必要措施，并遵守下列规定：

1）严禁开采煤层露头的防水煤柱。

2）容易积水的地点应修筑沟渠，排泄积水。修筑沟渠时，应避开露头、裂隙和导水岩层。特别是低洼地点不能修筑沟渠排水时，应填平压实；如果太大无法填平时，可建排洪站排水，防止积水深入井下。

3）矿井受河流、山洪和滑坡威胁时，必须采取修筑堤坝、泄洪渠和防止滑坡的措施。

4）对漏水的沟渠和河床，应及时堵漏或改道。地面裂缝和塌陷地点必须堵塞。

5）每次降大的暴雨时和暴雨后，必须派专人检查矿区及其附近地面有无裂缝、老窖陷落和岩溶塌陷等现象。发现漏水情况，必须及时处理。

3、地面防治水方法介绍

1）河流改道  矿区范围内有常年性河流且与矿井直接充水含水层接触，河水渗透量大，是矿井的主要充水水源，会给生产带来影响。属该情况可在河流进入矿区的上游地段构筑水坝，将原河流截断， 用人工河道将河水引出矿区。若因地形条件不允许改道，而河流又很弯曲，可在井田范围内将河道截弯改直，缩短河流经过矿区的长度，减少河水下渗量。

2）铺整河底   矿区内有季节性河流、冲沟、渠道，当水流沿河或沟渠裂缝刀痕如井下时，则可能在渗漏水地段用料石、水泥修筑不透水的人工河床，制止或减少河水渗透。

3）填塞通道   矿区范围内，因采掘活动而引起地面沉降、开裂、塌陷等，经查明是矿井进水通道时，应用粘土或水泥填堵，对较大的塌陷洞或塌陷裂缝，下部填碎石，上部盖以粘土分层夯实，且略高出地表，以防积水。

5）挖沟排（截）洪  地处山麓或山前平原的矿井，因山洪或潜水流入井下，构成水害隐患或增大矿井排水量，可在井田上方垂直来水方向沿地形等高线布置排洪沟、渠拦截洪水和浅层地下水，并通过安全地段引出矿区。

6）排除积水   有些矿区开采后引起地表沉降与塌陷，常年积水，且随开采面积增大，塌陷区范围广，积水越多，此时可将积水排掉，造地复田，消除隐患。

井下防治水

          煤矿井下建设和生产过程中，为了做到安全生产，除了对各种出水因素充分进行研究外，还应在井下根据具体情况采取相应的措施，予以预防，其措施分别为：

（一）水害预报

          即矿井水文地质人员，根据年、季、月度采掘接续计划，逐头逐面的进行水害因素的分析和研究，认真排查水害项目，按及时、全面、可靠六字标准，预先提出水害报告和处理措施，报送有关领导和总工程师以及生产技术、安全监察部门，并按时督促防治水害措施的兑现。

（二）留设隔离煤柱

《规程》第259条规定“相邻矿井的分界处，必须留有防水隔离煤柱。矿井以断层分界时，必须在断层两留有防水煤柱。”

         防水煤柱的尺寸，应根据相邻矿井的地质构造、水文地质条件、围岩性质、煤层赋存条件、开采方法以及岩层移动规律等义素，在矿井设计中规定。

         严禁在各种防隔水煤柱中采掘。

已留设的防水煤柱须变动时，必须重新设计，报省级煤炭部门批准。

1、依据隔离煤柱所处的位置，可以分成不同的种类。

1）断层煤柱

2）井田边界（矿界）煤柱

3）相邻水平（采区）防水煤柱

4）水淹区防水煤柱

5）地表水体防水煤柱

6）冲积层防水煤柱

7）顶板防水岩柱

8）底板防水岩柱

留设防水煤（岩）柱的数据可以使用相同条件的矿井煤（岩）柱数据作参考，不能照搬，最好是自行计算。

常用计算公式：

1、对于煤厚小于3.5m，倾斜角小于30°，可按下式计算：

                             d=5m+0.05H+0.002L

         d—防水煤柱宽度；

        m—煤层厚度；

         H—开采深度；

          L—由最近的井筒至需设煤柱地点之间的距离。

          如上式计算小于20m，要用20m。大于20m，用计算结果。

2、井下一些区段受水威胁时，也常用煤柱给与隔离，其计算公式为：

                  

                  L—煤柱留设宽度；

                  m—煤层采高；

                  K—安全系数一般取2～5；

                 KP—煤的抗张强度（软煤  3 ～5mPa,

                                                 硬煤  17 ～40mPa）

                 P—作用在煤柱上的压力。

防水闸门与防水墙

         防水闸门与防水墙是井下防水的主要安全措施。《规程》第273条规定：“水文地质条件复杂或有突水淹井危险的矿井，必须在井底车场周围设置防水闸门。在其他有突水危险的地区，只有在其附近设置防水闸门，方可掘进。”防水闸门从设计到施工和验收均有七个方面的要求（见规程地273条），且必须遵照执行。

        防水闸墙是另一种形式的堵水建筑，分为临时性的和永久性的两种。临时性防水闸就是在有出水危险的采掘工作面备有堵水材料（如木、草袋等），一旦突水后迅速堵截在小范围内。这种水闸墙只能起到临时抢险作用。永久性的防水闸墙一般是在开采结束后，为永久隔绝有继续大量涌水可能的区段而砌筑的一种永久性关闭的挡水建筑。

第三节     矿井探放水技术

           生产矿井周围常存在许多充水小窑、老窑、富水含水层以及断层等。当采掘工作面接近这些水体时，可能发生地下水突然涌入矿井，产生水灾事故。为了消除隐患，生产中使用探放水方法，查明采掘工作面前方的水情，并将水有控制地安全排除，以保证采掘工作面安全生产。但在很多情况下，由于受勘探手段和客观认识能力的限制，对地下水含水条件掌握不够清楚，不能确保没有水害威胁，这就需要推断出可能产生水害的疑问区 ，并采取措施。当巷道到含水体一定距离或在疑问区进行掘进时，必须坚持超前钻探，探明情况或将水放出，消除威胁后，再掘进，保证矿井安全生产。为此，《规程》第255条规定：“矿井必须做好水害分析预报，坚持有疑必探，先探后掘的探放水原则。”实践证明，有疑必探，先探后掘的原则是防止煤矿井下水害事故的基本保证。在有水害威胁的地区进行采掘时，都应 遵循这一原则，绝不可疏忽大意。

《规程》第286条规定 ，“采掘工作面遇到以下情况时，必须确定探水线进行探水：”

1、接近水淹或可能积水的井巷、老空或相邻煤矿时。

2、接近含水层、导水断层、溶洞和导水陷落柱时。

3、打开隔离煤柱防水时。

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时。

5 、接近可能有出水可能的钻孔时。

6、接近有水的灌浆区时。

7、接近其他有可能出现水地区时。

经探水确认无土水危险后，方可前进。

老窑水探放原则及程序

一、老窑水探放原则

二、探放水程序

三、探水钻孔的位置

四、探水与掘进的配合

五、发现透水预兆必须停止作业     采取必要措施

一、老窑水探放原则

        依老窑积水数量的多少，矿井现有排水能力、老窑水的动力补给水量、水质和疏放后可能解放煤炭数量等因素，综合考虑，以经济、安全、合理为原则。

二、探放水程序

1、探放水工程设计内容

1）探放水迎头及周围的 水文地质条件

A、老空积水范围、积水量、确切的水头高度、经常涌水量，与上下采空区、相邻积水区、地表河流、建筑物及断层关系等。

B、积水区与其他含水层的水利联系程度。

2）探水巷道的开拓方向、施工次序、规格和支护形式。

3）探水钻孔组数、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。

4）探水施工与掘进工作的安全规定。

5）受威胁地区的信号联系和避灾路线的确定。

6）通风设施和瓦斯检查制度。

7）防排水设施，如防水闸门、水闸墙等的设计以及水仓、水泵、排水管道和水沟等排水系统和能力的具体安排。

8）水情及避灾联系汇报制度和灾害处理措施。

9）附老窑位置及积水区与现代采空区的关系图、探放水孔布置的平面图、剖面图等。

2、在积水区范围外进行探放水

          为了确保采掘工作和人身安全，防止误穿积水区，在采掘工作面与积水区之间必须保持适当的距离，并以此作为探水的起点，这条开始探水的边界线叫探水线。为此，应将水淹区的积水范围、水位标高、积水量等资料绘在工程图上，并标出探水线位置，随时提醒人们注意，及时探水保证安全。对探水线的规定是：

1）矿井开此阿造成的老空、老巷、水涡等积水边界位置准确，水压不超过1mPa时，探水线至积水线的最小距离为：在煤层中不得小于30m，在岩层中不得小于20m。

2）矿井积水区虽有图纸资料，但不能确定积水区边界位置时，探水线至推断的积水区边界最小距离不得小于60m。

3）对有图纸资料可查的老窑，控水线至老窑边界的最小距离不得小于60m；对没有图纸资料的，可根据了解到的小窑开采最低水平，作为可疑区，并以此为界向外推100m作为探水线。

4）石门揭露含水层时，探水线至含水层的最小距离不得小于20m。

5）对断层、陷落柱，应由断层、陷落柱留设的防水煤柱为界，至少向外推20m作为探水线。

三、探水钻孔的位置

在了解探水钻孔布置时，要明确主要探水参数的意义。

1、探放水的主要参数

1）超前距

探水时从探水线开始向前方钻孔，一次打透积水情况少见，常是探水—掘进—再探水—再掘进，循环进行。而探水钻孔位置应始终超过掘进工作面一段距离，该距离称超前距。

2）允许掘进距离

经探水证实无水害威胁 ，可以安全掘进的长度称为允许掘进距离。

3）帮距

帮距是指巷道两帮与可能存在的老窑积水之间保持一定的安全距离，即呈扇形不止的最外探水钻孔所控制的范围与巷道帮的距离。

帮距计算公式

其值应与超前距相同，超前距一般采用20m，在薄煤层中可缩短，但不得小于8m，也可用下式计算：

                

 a—超前距；L—巷道跨度（宽或取最大值）；

A—安全系数一般取2～5； P—水力压头。

KP—煤的抗张强度（软煤  3 ～5mPa，硬煤  17 ～40mPa）

4）钻孔密度（孔间距）

        指允许掘进距离终点横剖面上探水钻孔之间的距离，不超过3m，以免漏掉老窑巷道．

2、探放水孔布置位置

        探水钻孔的布置方式和巷道类型、煤层厚度有关，情况不同时，布置方式也不同。探水尊孔的布置从平面上看，主要有扇形和半扇形两种。

1）扇形布置

        巷道处于三面受水威胁的地区，进行搜索性探放老窑水，其钻孔多按扇形布置，探水钻孔之间的夹角，一般在7°～15 °，使巷道前进方向及左右两侧需要保护的煤层空间均有钻孔控制。

2）半扇形布置

       对于积水肯定在巷道一侧的探水地区，探水钻孔可呈半扇形布置，半扇形的钻孔向一侧撒开，使巷道一侧需要保护范围内的煤层空间有钻孔控制。

四、探水与掘进的配合

1、双巷掘进交叉探水

         因积水区在上方，上山巷道三面受水威胁，一般应双巷掘进。其中一条适当超前探水、泄水，另一条随后，用来安全撤人，双巷之间每隔30m ～50m掘一联络巷，并设挡水半墙，以便在其中一条上山出水时，谁不会窜到另一条山上去。

2、双巷掘进单巷超前探水

         在倾斜煤层中掘进平巷时，一般是用上方巷道超前探水，探水钻孔呈半扇形，下方巷道为泄水巷，两巷之间每隔30m ～50m掘一联络巷。

3、平巷与上山配合探水

          在煤层内，准备回采工作面时，平巷（上风道）应先探水，掘到位置后，然后再施工开切眼，这样既减小开切眼掘进危险性，又减少开切眼掘进时的探水作业量。

五、发现透水预兆必须停止作业     采取必要措施

透水之前必有预兆，这是从每次透水事故中得出的一条结论。如果能掌握突水规律，发现透水的预兆，立即停止作业，采取相应的措施，很多透水事故以及人员的伤亡事故时可以避免的。

煤矿井下采掘工作透水之前的预兆如下：

1、本来是干燥光亮的煤，变得发暗潮湿，无光泽，空气变冷。当采掘工作面接近大量积水时，气温骤然下降，煤壁发凉，人一进去就有阴冷的感觉。

2、出现雾气。井下空气中含有大量的水蒸气，湿度较大，水蒸气凝成雾气。

3、挂汗。当采掘工作面接近积水区时水在自身压力下，通过煤层裂隙面在煤壁、岩壁上聚成很多水珠，较挂汗。注意观察煤岩的新鲜面，如果潮湿，则是透水预兆。

4、挂红。煤壁浸出的水发涩，有硫化氢气味。附在裂隙表面上有暗红色氧化铁水锈，如果出现这种现象，说明已接近老空积水区。

5、煤层里发生嘶嘶水叫。由于井下高压积水向煤层裂隙强烈挤压与两壁摩擦而发生的声响。若是煤巷掘进，透水即将发生。

6、地板鼓起。 如果水体在底板以下，、水量大而压力高，再加上矿压的作用就会出现底鼓，甚至有压力水喷射出来 。

7、顶板来压，产生裂缝，出现淋水。如果水体在顶板以上，由于水体和矿压的作用，使顶板出现裂缝和淋水，而且越来越大，这是马上就要突水的预兆。

8、另有水色发浑、有臭味等预兆。

如采掘工作面或其他地点出现以上预兆时，必须马上停止作业，采取措施，立即报告矿调度室，发出警报，撤出所有受威胁地点的人员。

河北开滦范各煤矿2171工作面陷落柱奥灰岩溶水突水事故