1、矿井防治水理论与实践 李华奇,Contents,一、目前的矿井防治水形势与存在问题,1、目前，全国各煤矿企业浅层煤基本开采完毕，大多进入中深层及深层开采，矿井防水压力巨大，矿井水造成煤矿企业成本剧增，甚至出现重大及特大事故，损失相当惨重,20072008年全国发生水害事故122起，死亡518人。其中，重大以上（10人以上）水害事故11起，死亡190人。 2009年，我国煤矿可查事故共110起，死亡、失踪人员864人。其中煤与瓦斯突出16起，死亡212人；瓦斯燃烧、爆炸28起，死亡212人；瓦斯中毒、窒息事故16起，死亡86人；冒顶坍塌事故19起，死亡62人；机电事故7起，死亡29人；透水事故2
2、1起，死亡125人；其他事故3起，死亡45人。,2、矿井水害的主要存在的问题： 从煤矿性质上来讲：水害事故多发生在乡镇煤矿， 20072008年全国发生水害事故122起，乡镇煤矿发生97起，占79.5%。 从水源上来讲：透水事故的主要水源为老空区积水及地表水。 从发生地点上来讲：掘进工作面是发生透水事故的主要地点，56起较大透水事故中，45起发生在掘进工作面。,3、趋势：近年来，随着开采深度的增加，矿井水 事故明显增加，在过去10年共发生各类矿井水事 故1400起，死亡6000余人，而矿井防治水的人 才十分缺乏，已经不能满足煤矿发展建设的需要。,4、原因分析： 1）认识问题：主要是领导的认识问
3、题如何在安全与生产之间平衡对地质条件的复杂性认识不足对地质条件的的变化性认识不足对矿井透水的突然性认识不足。 2）资金投入问题：资金的投入与安全效益之间关系的处理（发生事故前的安全资金投入和发生事故后的资金投入在人们心中的价值不一样，往往事故后投入再多也不嫌多，事故发生前即使少量的投入也嫌多）。 3）技术水平问题（人员与设备）。 4）管理问题（依规行事）。,二、水从哪里来？,渗入水,降水渗入 地下的水,凝结水,在颗粒和 岩石表面 凝结而形 成的地下 水,初生水,由岩浆分 离出来的 气体冷凝 而形成,埋藏水,有沉积物 同时生成 或海水渗 入到原生 沉积物的 空隙中而 形成的地 下水,三、水在地下
4、是如何存在的？,四、哪些水流入了矿井？,大气降水 地表水 第四纪沉积物空隙水 顶板水 底板水（岩溶水） 老空水（老窑水） 袭夺水,五、它们是通过怎样的渠道流入矿井的？,1、井口灌入 2、封闭不良的钻孔 3、断层 4、顶板沉降裂隙 5、底板采动裂隙 6、地压和水压破坏裂隙 7、陷落柱,焦作煤田北以太行断隆，南邻开封拗陷，东为汤阴断陷，三者均为区域一级构造，焦作煤田位于三大构造带之间。方庄井田处在该煤田的东北部，为一倾向南东，倾角平缓的单斜构造。,1. 沙墙断层(F4),2. 小庄断层(F2),3. F3 断层,4. 方庄断层(F1),5. 九里山断层(F14),方庄矿对影响地下水的主要断层,焦作
5、冯营矿断层透水剖面示意图,顶板采动裂隙示意图,覆岩破坏分带示意图,冒落带、裂隙带波及地表水体造成突水示意图,采掘工程对底板的破坏,陷落柱垂向导水分析示意图,六、怎样防止发生矿井透水事故？,做好预测预报： 1、水文地质类型的划分 2、水文地质调查与勘探 3、水文地质资料的收集整理和水文地质图件 4、了解不同水源的出水征兆 5、水文地质勘探（钻探、物探、化探）,如何进行探放水?,原则（方针）：预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采（钻探与其它勘探的关系） 有掘必探：由于水文地质条件复杂和极复杂的矿井，在地面无法查明矿井水文地质构造和充水因素时，必须坚持有掘必探。 有疑必探： （1）接近水淹或可能积
6、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）打开防隔水煤（岩）柱放水前。 （4）接近可能与河流、湖泊、水库、蓄池、水井等相通的断层破碎带时。 （5）接近有出水可能的钻孔时。 （6）接近水文地质条件复杂的区域。 （7）采掘破坏影响范围内有承压含水层或含水构造、煤层与含水层间的防隔水煤（岩）柱厚度不清可能突水时。 （8）接近有积水的灌浆区时。 （9）接近其他可能突水地区时,（一）、在安装钻机探水前，必须遵守下列规定,（1）加强钻孔附近的巷道支护，背好帮顶，并在工作面迎头打好坚固的立柱和拦板。 （2）清理巷道，挖好排水沟。探水钻孔位于巷道低洼处时，必须配备与
7、探放水量相适应的排水设备。 （3）在打钻地点或其附近安设专用电话。 （4）依据设计，确定主要探水孔位置时，应由测量人员进行标定。负责探放水工作的人员必须亲临现场，共同确定钻孔方位、倾角和钻孔布置数目以及钻进的深度。,（5）在预计水压大于0.1MPa的地点探水时，应预先固结套管，套管口应安装闸阀，套管深度必须在探放水设计中规定；应预先开掘安全躲避洞，规定撤人的避灾路线等安全措施，要使施工人员人人皆知。 （6）钻孔内水压大于1.5MPa时，应采用反压和有防喷装置的方法钻进，并有防止孔口管和煤（岩）壁突然鼓出的措施。,（二）、探水设计,分析水文地质情况，确定积水线、探水线、警戒线 1、水文地质之分析
8、内容 （1）老窑、老空积水分析 （2）采空区积水分析 （3）未封或虚封导水钻孔分析 （4）含水断层分析 （5）煤层底板强含水层分析 （6）陷落柱含水分析,2、确定积水线：（1）有图纸，按图纸实际划定。 （2）本矿无图纸，在水文地质调查的基础上确定。 （3）外矿无图纸，在水文地质调查的基础上划定预计边界。,3、探水线（1）探水线应根据积水区的位置、范围、水文地质条件及其资料的可靠程度，以及采空区、巷道受矿山压力的破坏情况等因素确定。 （2）对本矿开采所造成的老空、老巷、水窝等积水区，其边界位置准确，水压不超过1MPa，探水线至积水区的最小距离：在煤层中不得少于30m，在岩层中不得少于20m。,（
9、3）对本矿井的积水区，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的最小距离不得小于60m。 （4）对有图纸资料可查的老窑，探水线至老窑边界的最小距离不得小于60m；对没有图纸资料可查的老窑，可根据本矿井已了解到的小窑开采最低水平，作为预测的可疑区，必要时可先进行物探控制可疑区，再由可疑区向外推100m作为探水线。,（5）对已知的断层、陷落柱的探水线，由断层、陷落柱所留设的防水煤柱线至少向外推20m作为探水线。 （6）石门揭露含水层的探水线，探水线至含水层的水平最小距离不得小20m垂直距离应根据水压和隔水层的岩性等资料综合分析确定其最小距离。,4、积水线：积水线一般应在探
10、水线外推50150M,(三)根据水害性质确定探水方案,1、探放水钻孔的布设必须遵循以下原则： （1）探放老空水、陷落柱水和钻孔水等，探水钻孔应成组布设，并在巷道前方的水平面和竖直面内呈扇形。钻孔终孔位置以满足平距3m为准，厚煤层内各孔终孔的垂距不得超过1.5m。 （2）探放断裂构造水、岩溶水等钻孔，必须沿掘进方向的前方及下方布置。底板方向的钻孔不得少于2个。,（3）煤层内原则上不得探放高于1MPa的充水断层水、含水层水及陷落柱水等，如确实需要，可先建防水闸墙，并在闸墙外向内探放水。 （4）上山探水时，一般应双巷掘进，其中一条超前探水、汇水，另一条用来安全撤人。双巷间每隔3050m掘一联络巷并设
11、挡水墙,岩层中探水钻孔超前钻距和止水套管长度,2、超前距 3、允许掘进的距离 4、帮距,式中： L-帮距（m） K-安全系数（一般取2-5）； M-巷道的跨度（m）； P-水头压力（kgf/cm2）； KP-岩石的抗张强度（kgf/cm2）。,5、钻孔密度 允许掘进的终点横剖面上探水钻孔之间的间距一边拿不超 过3米，以防漏掉老空巷。,(四)探放水孔布置方式 探水钻孔的布置方式和巷道类型、煤层厚度和产状有关，情况不同时，布置方式也有所不同。探水钻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，进行搜索乍牛气老窑水，其探水钻孔多按扇形布置，探水钻于二之间的平面
12、夹角，一般在7一15，使巷道前进方向及左右两刚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节置。半扇形的钻孔向巷道侧撒开，使巷道侧需要保护范围内的煤层空间有钻孔控制。,(五)探放水钻孔孔数的确定,1、单孔出水量式中 q-单孔出水量m3/s;C-流量系数，一般取0.60.62；-钻孔的断面积，m2;g-重力加速度，g-9.81m/s2h-钻孔出口处的水头高，m，为计算钻孔 的平均涌水量，h可取最大水头高度的40-45%,2、最大应放水量式中 -静储量或老空积水量，m2；t-允许放水时间，s;Q动-动储量或老空水常补给量，m3/s; 3、小
13、窑老空积水量式中-小窑老空积水量，m3;M-采厚，m;L-小窑老空走向长，m;h-小窑老空内的水头高，m;-煤层的倾角，；K-老空的充水系数，一般取0.3-0.5；,4、钻孔的孔数式中 N-防水钻孔孔数,（六）探放水钻孔布设工艺,（1）探放水应采用深孔、中孔、浅孔相结合的方式。,深孔：每次探放水应打三个孔，目的为提前探到水，只要不妥离煤层应尽量探深。 中孔：每次探水在三个深孔之间或外斜眼外侧布设，孔深能满足超前距、帮距、孔间距的要求即可。 浅孔：薄煤层探水，由于倾角变化或打深孔，钻孔穿过煤层顶底板岩层，然后再沿煤层钻进时应布设浅孔，钻孔深度根据需要确定。,（2）孔口安全装置的布设 一般的探放水
14、孔都必须安装孔口安全套管。其步骤如下： 选择煤坚硬完整处开孔，应比空口直径大1-2级。 孔口的安装和胶结。 水泥浆凝固后扫孔。 孔口安装水压表。 对于水压超过1.0MPa时，孔口应安设防喷逆止阀。 钻孔孔径的确定。,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，另条随后，用来安全撤人。双巷之间每隔30m一50m掘一联络巷，并设挡水半墙，以便在其中一条上山出水时，水不会窜到另一条上山中去。,(七)探水类型及适用条件,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 水钻孔布置成扇形，下方巷道为泄水巷，两巷之间每隔30
15、 m一50m掘一联络巷。,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，这样既减少开切眼掘进危险性，又减少开切眼掘进时的探水工作量。,3平巷与上山配合探水,下山巷道掘进，除防治工作面和两帮来水外，欢迎特别注意背后来水，当上山巷道水害未消除或正在探水时，下山巷道应停止工作，待水害威胁消除后再掘进。,4、上山、下山相互配合探水,在水量大、水压强（水头100m）、煤层松软和节理发育的情况下，直接探水很不安全，需要采取隔离式探水，如开掘石门时，在石门中预先探放水或在巷道迎头砌隔水墙，在墙外探水。此外，当相邻煤层间距大于20m时，还可采用隔层打孔的方法，探放另一煤层的
16、老窑水。石门与积水煤层之间的距离不小于10m,5隔离式探（石门探放水）,石门探放水,6隔离式探水（墙外探放水）,墙外探放水,煤层松软或节理发育，采掘工作已邻近积水区时，应先修筑隔水墙，并预埋套管，在墙外进行探放水水闸墙上预埋孔管，其孔口安全装置经试压达到设计要求后，再探放水。,7隔离式探水（井下隔层探水）（穿层探水）,煤层间距大于20m，相邻 煤层又有探水和排水条件时，可在煤巷内向上声打探放水孔：也可向下方打探放水孔，将水位高于探放水孔孔口位置的上或下层煤老空水放出来必须埋好孔口安全装置，放水后要注意钻孔堵塞情况，防止重新积水,8隔离式探水（地面隔层探水）（穿层探水）,(1)多层煤重叠积水时，
17、利用12个地面钻孔，将积水串联，同时放水，并使水压降至安全标高(2)为了控制积水区的最深边界，在地面布置排钻，沿煤层走向，向预测积水区下边界打探水孔(3)煤层顶板有强或中等含水层时应下套管止水(4)放水时钻机不撤，用钻具在孔内控制放水量，以保安全(5)孔口管不撤并埋孔口标志，以便随时进行封孔或其它作业,(八)断层带探放水,A、断层探放水原则与探查内容 1断层探放水原则 凡遇下列情况都必须探水： (1)采掘工作面前方或附近有导水断层存在，但具体位置不清或控制不严时； (2)采掘工作面前方或附近，预测有断层存在，但具体位置和含(导)水性不清，有可能突水时； (3)采掘工作面底板隔水层厚度与承受水压
18、都处于临界状态，采掘工作面影响范围内断层赋存情况不清，一旦遇到就可能突水；,(4)巷道揭露或穿越断层无突水征兆，但隔水层厚度及实际 水压接近临界状态，工作面回采时可能突水； (5)井巷工程在浅部穿越断层时已证实不含(导)水，但深部有可能突水时； (6)根据井巷工程和断层防水煤柱留设的特殊要求，必须查明断层时； (7)采掘工作面接近推断导水断层100m时，或距已知含(导)水断层60m时； (8)采区内断层使煤层与强含水层的距离缩短时，或采区内构造不清、含水层水压大于2 MPa3 MPa时。,B、断层水探查的主要内容 (1)查明断层位置、落差、走向、彳顷向、倾角，断裂带度、充填物和充填程度，断层的
19、导水性与富水性； (2)查明断层两盘断裂外带裂隙、岩溶发育情况、两盘对接部位的岩层及其富水性； (3)查明煤层与强含水层的实际间距(即隔水层的实际厚度)；,(4)查明断层探水孔不同深度处的水压、水量、冲洗液消耗量，确定或判断底板水在隔水层中的导升高度； (5)通过放水试验和连通试验查明断层导水性、富水性以及通过断层的侧向补给水量，为安全采掘、矿井防治水措施提供实际资料与理论依据。,断层探水方法与探老窑水方法相仿，但探水钻孔孑L数要比探老窑水少，一般为3个孔，钻孑L布置方式按探查目的不同略有差异。1探查工作面前方已知或预测含(导)水断层一般先布置巷道掘进前方1号孔，尽可能一钻打透断层，然后再打2
20、号、3号孔，以确定断层走向、倾向、倾角和断层的落差及两盘的对接关系。其中至少有一个孔打在断层与含水层交面线附近,（九）断层探放水方法,2 隔水岩柱处于临界状态时对掘进工作面前方的探查 沿巷道掘进方向打3个孔，尽量打深，争取一次打透断层，否则就必须留足超前距，边探边掘直至探明断层的确切情况，再决定具体的防水措施。,3巷道实见断层，在采动影响后有无突水危险性的探查一般应向下盘预计采动影响带内打1号孔，探明断层带的含 (导)水和水压、水量等情况。若有水，采后就很可能突水；若无水，则还应向预计采动带以下打2号孔，然后根据具体条件，分析突水的可能性和采取相应的防水措施,七、矿井水怎么治？,防：“防”主要
21、指合理留设各类防水煤柱。 排：”排” 主要指完善矿井排水系统。 疏：“疏”主要指探放老空水和对承压含水层进行疏水降压。 截：“截”主要指加强地表水的截流治理。 堵：“堵”主要指注浆封堵具有突水威胁的含水层。,底板水害的特点：,八、底板水防治技术,1）寒武系崮山组白云质灰岩（ ） 2）奥陶系中统马家沟组（O2+1） 厚180400m，平均355m。 3）石炭系（C） （1）中统本溪组（C2b） 本组下自奥陶系中统上马家沟组灰岩顶界面，上止上石炭系太原组一2煤层底板，厚2.035.44m，平均16.6m。,1、河南部分地区地层来说明煤层底板含水层,（2）上统太原组（C3t） 该组下自上石炭统太原组
22、一2煤底界的灰黑色泥岩，上止L9灰岩顶界，厚68.4103.8m，平均91m。太原组为一套海陆交互相沉积建造，含灰岩89层，自下而上为L1L9，其中L1与L9灰岩极不稳定，常相变为砂岩或砂质泥岩，L2与L8灰岩厚度大，且稳定。灰岩中富含蜓和腕足类动物化石，其中，L2、L5、L8灰岩，含燧石条带,焦作煤田地层柱状,平顶山七矿己组和庚组煤层 底板柱状图,洛阳龙门矿综合地层柱状图,2、底板水的充水水源,3、常见的底板水充水途径,4、底板突水的基本型,a、直接揭露型,b、节理、裂隙网络扩展型,C、节理、裂隙渗流型,d、较完整互层倾斜岩层底板突水,e、陡倾互层状岩层突水,5、底板突水的成因分类,A-底板
23、破坏型突水,B-断层采动型突水,C-,D-,(a)随工作面推进底板受力特征,(b)工作面底板剪切带分布特征,(c)工作面周围支承压力分布特征,E-,F-构造揭露型突水,G-,H-陷落柱导水,6、采场底板“四带”（一）,h1-矿压破坏带 h2-新增损伤带 H3-原始损伤带 h4-原始导高带,6、采场底板“四带”（二）,7、底板突水预测预报,“安全隔水厚度”,式中：t安全隔水厚度（m）； L巷道底板宽度（m）； r底板隔水层的平均容重（t/m3）; Kp底板隔水层的平均抗张强度（MPa）; H底板隔水层承受的水头压力（MPa）。,该式只适用于巷道或跨度不超过20-30米的小工作面,此即斯列萨列夫公
24、式,式中 s突水系数MPa/m;P底板隔水层承受的水压（MPa）;M底板隔水厚度（m）。 式适用于回采工作面也适用于巷道。按式计算，如底板隔水层实际厚度小于计算值时，就是不安全的。按式计算，就全国实际资料看，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段不大于0.1MPa/m。,“突水系数”计算公式,评价底板隔水层防隔水能力突水系数的演变,评价底板隔水层防隔水能力突水系数的演变,评价底板隔水层防隔水能力突水系数的演变,“安全水头值”的计算公式 安全水头值：隔水层能承受含水层的最大水头压力值。 一、掘进巷道底板隔水层“安全水头值”的计算公式,式中：H底板隔水层能够承受的安全水压
25、（10-2MPa）t隔水层厚度(m)L巷道宽度(m)r底板隔水层的平均容重(tm3)Kp底板隔水层的平均抗张强度(10-2MPa);,式中： M底板隔水层厚度(m) P安全水压(MPa) Ts突水系数(MPa/m ) Ts值应根据本区资料确定，一般情况下，在具有构造破坏的地段按0.06 MPa/m计算，隔水层完整无断裂构造破坏地段按0.1MPa/m计算。,二、回采工作面“安全水头值”的计算公式,（1）以突水水源为主线，查找来水通道。 （2）通过注浆封堵来水通道或注浆改变底板结构，增加隔水层厚度。 （3）疏水降压。 （4）在突水点下游建造水流阻力段，减小水流，为为保存和控制浆液创造必要条件。 （5）以研究、剖析各封堵点的特点和可能出现的难点为中心，有针对性的确定或初步确定灌浆材料、浆液配方、注浆工艺和注浆方法。,8、底板水的防治思路,Thank You !,
