矿井水灾防治及水体下安全采煤

矿井水灾防治及水体下安全采煤一、地下水的基本知识（一）自然界中水的循环自然界中的水：1、大气水：水蒸气、云、雾、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。自然界中的水在太阳辐射热和重力的作用下不断地循环着。从海洋、河流、湖泊的表面，岩石的表面及植物的叶面上蒸发，变成水汽上升至大气圈中。在高空凝结，形成不同形式的降水而降落到地面。降落下来的水一部分就地蒸发，一部分通过地表和地下径流的形式回归到海洋、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：岩石颗粒之间存在的空隙。孔隙以孔隙度(n)表示。30%或更大。颗粒大小均匀，孔隙度大；大颗粒之间空隙充填有较小颗粒，孔隙度小。沉积岩孔隙度一般为10%，砾岩和充填胶结差的砂岩可达20%（2）裂隙：坚硬岩石受地壳运动作用，产生各式各样的裂缝，称为裂隙。（3）岩溶：地下水溶蚀了某些可溶性岩石（如石灰岩、石膏、岩盐）后，在岩石中形成了洞穴，称为岩溶溶洞。2、岩石的透水性岩石能使水透过本身的性能，称透水性。根据岩石透水性的大小，岩石可分为透水岩石和不透水岩石。砂、砾石、砾岩以及裂隙与岩溶比较发育的岩石（砂岩、石灰岩）为透水性岩石；粘土及裂隙不发育的岩石（如页岩）为不透水岩石。岩石的透水性是相对的。在普通压力下为不透水岩石，在高压力下可能是透水性岩石。介于透水与不透水之间的岩石为半透水性岩石，如亚粘土和亚砂土等。岩石透水性的大小，用渗透系数表示。(见图1)渗透系数是水力坡度为1时的渗透速度。测得太原组石灰岩含水层渗透系数平均为4.792×10-6ms（0.414md）;本溪组石灰岩含水层渗透系数平均为1.446×10-6ms(0.125md)。3、透水层与不透水层；含水层与隔水层能够透水或透水性强的岩石，称为透水层，如石灰岩，白云岩，空隙度大的砾岩和砂岩。充满了地下水的透水层，称为含水层。不能透水或透水性差的岩石，称为不透水层或隔水层，如粘土，页岩，裂隙少的岩浆岩。根据渗透系数K(m/d)的大小，岩石透水性可分为五级：1、极强透水性岩石（K0.01)；4、弱透水性岩石(K=0.01-0.001)；5、极弱透水性或不透水性岩石(K10）；2强透水性岩石(K=10-1)；3、中等透水性岩石(K=1-0.001).几种岩石的渗透系数见表1。表1几种岩石的渗透系数（三）地下水分类及其特征1、潜水与承压水潜水：地下第一个稳定隔水层以上含水层中的地下水，是具有自由表面的重力水。潜水水面至地表有一定距离。潜水由高位向低位流动，又称无压水。（见图2）承压水：承压水是充满于两个隔水层之间的含水层中的重力水，又称为自流水。承压水形成条件是向斜构造和单斜构造：Ⅰ区为补水区，位置较高，接受大气降水或地表水的补给，渗入地下沿含水层流动，；Ⅲ区为排泄区，位置较低，以泉的形式出露于地表；补水区与排泄区之间的Ⅱ区，充满具有静压力的地下水，就是承压水。由于充满于两个隔水层之间的地下水具有压力，钻孔通过隔水层后，地下水便涌入孔内，不断上升，有可能喷出至地表。（见图3）2、降压漏斗的概念（见图4）在潜水（或承压水）井中抽水，水位下降，程漏斗形，直到形成稳定的降压漏斗为止。潜水井涌水量（即井的排水量）计算公式为：（四）地下水的化学成分自然界有许多岩石（如石灰岩、白云岩）都溶于水，因此地下水不是化学纯水，而是复杂的溶液。已发现有几十种元素。离子状态：阴离子Cl-、SO4--、HCO3-阳离子Na+、K+、Ca++、Mg++化合物状态：Fe2O3、Al2O3等气体状态：N2、O2、CO2、CH4、H2S等以主要阴阳离子来表征地下水的化学类型。若地下水主要阴离子成分为HCO3-、阳离子为Ca++时，称为重碳酸钙型水；若地下水主要阴离子成分为SO4--、阳离子为Na+时，称为硫酸钠型水。反映地下水化学性质常用指标有以下几个：1、水的总矿化度（矿化度）单位体积水中所含的离子、分子和各种化合物的总量称为水的总矿化度，以克/升来表示。它表明水中含盐分的多少。矿化度高，说明地下水的循环条件差；矿化度低，说明地下水的循环条件好。按总矿化度大小，可将地下水分为以下几类：（见表2）2、氢离子浓度(pH值)pH值是水中氢离子浓度的负对数值：H+pH=-lg当7时，说明水呈酸性反应；pH＝7时，说明水为中性；pH当pH7时，说明水呈碱性反应。根据pH，可将地下水分为五类：（见表3）3、水的硬度地下水的硬度大小取决于Ca++和Mg++的含量。硬度又有：总硬度（Ca＋＋、Mg＋＋的总含量）、暂时硬度（沸腾后Ca＋＋、Mg＋＋沉淀量）和永久硬度（沸腾后Ca＋＋、Mg＋＋不沉淀量）。根据总硬度，可将地下水分为五类：极软水、软水、弱硬水、硬水和极硬水。二、矿井涌（突）水条件分析（一）矿井涌水来源与通道1、天然水源与通道（1）水源：a.大气降水；b.地表水：河流、湖泊、洼地积水等；c.地下水：孔隙水、裂隙水，断层破碎带水，岩溶水，潜水，自流水（承压水）。（2）通道：a.岩溶陷落柱；b.断层带、裂隙；c.隐伏露头、天窗：隐伏在第四系含水砂层之下的基岩风化带为隐伏露头；第四系含水砂层之下往往有粘土质隔水层，粘土质隔水层的尖灭或缺失称天窗。d.地震裂隙。2、人为水源与通道水源（1）水源：a.袭夺水源：由于疏干降压形成降压漏斗，获得新的补给水源，称袭夺水源；b.老窑水。（2）通道：a.顶板垮落带、导水断裂带；b.开采引起的底板破坏带；c.岩溶地面塌陷：由于抽水试验和疏干开采，形成的岩溶地面塌陷；d.封堵质量不佳的钻孔。.（二）影响矿井涌水的因素1、地质因素：（1）地面因素：地面河流，洼地，降水，地形；（2）岩石性质：透水性（渗透系数）；（3）地质构造：断层：断层是否与地表水及含水层连通；断层破碎带往往本身含水；若断层破碎带被粘土质岩石充填、胶结，具有隔水作用。褶曲：采掘工作面处于向斜轴处，涌水量就会增大。2、人为因素：（1）开采活动；（2）废弃的勘探钻孔，封堵质量不佳；（3）开采面积和矿井长期排水影响：以静储量水为主：初期，涌水量随开采面积增大而增加；以后会逐渐减小。以动储量水为主：涌水量稳定。（三）矿井充水程度1、根据含水系数含水系数KB=Q∕PQ―矿井中排出的水量（m³）；P―同一时期煤炭采出量(T)（1）涌水量小的矿井：KB2（2）涌水量中等的矿井：KB=2-5（3）涌水量大的矿井：KB=5-10（4）涌水量特大的矿井：KB102、根据涌水量（1）涌水量小的矿井：Q100m³/h（2）涌水量中等的矿井：Q=100-500m³/h（3）涌水量大的矿井：Q=500-1000m³/h（4）涌水量特的矿井：Q1000m³/h三、矿井突水预兆与突水量估算（一）矿井突水预兆1、一般预兆（1）煤层变湿、松软，煤帮滴水，顶板淋水；（2）工作面气温降低，雾化，有硫化氢味；（3）听到水的“嘶嘶”声；（4）矿压增大：冒顶，片帮，底鼓。2、工作面底板突水预兆（1）底鼓，有时可达500mm以上；（2）底板裂缝；（3）沿裂缝或煤帮渗水；（4）底板破裂，并喷出高压水，“嘶嘶”声；（5）底板产生“底爆”，巨响，大量涌水。3、松散含水层突水预兆（1）突水部位发潮，滴水；（2）发生局部冒顶，水量突增，有流砂；（3）顶板发生溃水、溃砂，地表塌陷。（二）矿井突水量的估算1、采用现场实际测量方法（1）浮标法（突水初期）（2）水泵标定法（突水时）（3）容积法突水后，如将平巷淹没，水位升老窑区，则涌水量可用下式计算：Q=KSHM/(t·cos)m3/minK：采空区的淹没系数，（见表5）S：求积仪在平面图上量得的淹没面积，m2；H：水位上涨的高度，m；M：实际采高，m；：岩层倾角，（）t：水位上升所用时间，min2、突水总量的计算（1）算术迭加法（2）曲线求积仪法（略）3、淹没时间的预计四、矿井涌（突）水的防治方法（一）地表水防治1、河流改道；2、铺设不透水的人工河床；3、修筑排（截）水沟；4、堵漏。（二）老窑水的防治1、探：老窑的位置、范围、形状、水量；2、隔：老窑水与地表水的隔离；老窑水与矿井水的隔离；3、放：利用钻孔将老窑水放入矿井，增大矿井涌水量，必要时设水闸门（墙）。（三）疏干降压在钻孔（地面、地下巷道）内安装排水设备（如深井水泵），从钻孔内将水排至地面或地下巷道，以达到疏干或降低水位的目的。1、疏干程序（1）疏干勘探：查明疏干地区的水文地质资料（地下水补给及运动规律，补水边界、隔水边界，地下水涌水量，疏干含水层与地表水或其他含水层联系，含水层特征，疏干水量等）；（2）疏干方案：地面疏干，井下疏干，疏干钻孔布置；（3）试验性疏干：6-12个月，了解疏干效果，调整疏干方案；（4）经常性疏干：随矿井开采范围扩大，对疏干工程进行调整、补充；观测疏干孔的水量和水位；编制疏干水量、水位动态变化曲线图以及疏干降低漏斗平面图；水质分析。2、疏干方式（1）地表疏干用于预先疏干阶段，在煤层浅部及露天矿中采用。具有建设速度快、投资经营费用低、安全可靠等优点，但随深部增大，费用增加。（2）地下疏干采用疏干巷道和钻孔进行疏干，用于矿井较深部的疏干。（3）联合疏干水文地质条件复杂或水文地质条件逐向恶化的老矿井，从经济安全方面考虑，采用井上、下联合疏干。（四）注浆堵水1、意义：将制成的浆液压入地层空隙，使其扩散凝固、硬化后，起到堵、拦补给水源或加固作用。2、注浆堵水的应用（1）井筒地面预注浆：对要穿过含水层的井筒预先注浆，保证施工安全，减少涌水量；（2）石门预注浆：对要穿过含水层或断层破碎带的石门，预先注浆，保证施工安全，减少涌水量；（3）对有强补给水源的突水点注浆堵水，治水复矿；（4）与疏放水结合，对查明的进水边界或通道，进行帷幕截源注浆，减少矿井涌水量；（5）有煤层底板突水危险的矿井，对强含水层顶面或夹存于其顶板隔水层内的弱含水层进行加固注浆；（6）其他：钻孔、陷落柱注浆。3、注浆材料（1）水泥：水泥+速凝剂（缓凝剂）、速凝早强剂+惰性材料（砂、砾石、粘土、矿碴）；（2）水泥——水玻璃：分别配制，同时注入。水玻璃凝固时间短，提高可灌性；（3）化学浆液，水玻璃类，树脂等。性能好，成本高。4、注浆工艺（1）注浆钻孔：钻孔数目，深度，钻孔排列，钻孔方法；（2）注浆设备：注浆泵，搅拌机，混合器；（3）注浆参数：扩散半径，注浆压力，浆液浓度，浆液注入量，注浆效果。5、注浆堵水的主要技术问题（1）圈定突水点、找到补给水源通道。（2）注浆时要准确地命中出水点。（3）动水注浆要防止浆液的流失：先下骨料，然后再注浆封堵。（4）保证注浆堵水有足够的范围和强度。五、水体下安全采煤（一）水体下采煤的意义及特点水体下：地表水体、含水砂层水体、基岩水体。要防止上覆水体中的水或泥砂溃入井下，防止因涌水量增大而过分增加排水费用。（二）影响水体下采煤的因素1、水体类型水体类型包括：单纯地表水，单纯松散层水，单纯基岩水，地表水加松散层水，松散层水加基岩水，地表水加基岩水，地表水、松散层水加基岩水。水体与煤层之间关系：水体与煤层之间有隔水层；水体与煤层之间直接接触。2、上覆岩层类型：含水层（透水层），隔水层。3、地层构造：（见图5）（1）单一结构：水体集中、水量大、渗水性强；（2）复合结构：含水层与隔水层在垂直方向互相间隔，水体分散；（3）封闭或半封闭结构：含水层与隔水层在垂直方向与水平方向互相间隔，形成封闭、半封闭储水条件；（4）覆盖结构：隔水层与煤系地层不整合，地表水和地下水被隔水层隔阻。（三）上覆岩层破坏规律1、三带：垮落带，导水断裂带，弯曲带；2、垮落带、导水断裂带的形态：马鞍形（缓），抛物线形（倾），断裂带向上发展、垮落带超出采空区的边界（急）；（见图6）3、垮落带、导水断裂带高度（1）垮落带高度煤层顶板覆岩内有极坚硬岩层，采后能形成悬顶时，垮落带高度计算公式如下：煤层顶板覆岩为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，开采单一煤层的垮落带高度为：厚煤层分层开采垮落带高度计算公式（见表－6）。（2）导水断裂带高度煤层顶板覆岩为坚硬