我国煤矿水害防治技术及应用1

1我国煤矿水害防治技术及应用——煤科总院西安分院董书宁1.我国煤矿水害现状及特点1.1我国煤矿水害现状我国是世界上产煤量最多的国家之一。原煤总产量的90%以上属井工开采。然而，我国煤矿地质、水文地质条件总体来讲十分复杂，受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的27%，仅华北地区受底板承压水威胁的煤炭储量约为160亿t。煤矿水害是与瓦斯突出、粉尘爆炸、顶板冒裂、火灾等并列的五大灾害之一，其严重程度仅次于瓦斯列第二。长期以来，因为煤矿水害而造成的国家和人民生命财产及经济损失极为惨重。例如，1935年5月13日，山东淄博北大井由于巷道掘至与河水连通的断层带，造成突水，最大瞬时水量648m3/min，350名矿工遇难，矿井停产报废。直到43年后的1978年才恢复矿井生产；1984年6月2日，开滦范各庄2171综采工作面发生世界采矿史上罕见的陷落柱突水事故，最大突水量2053m3/min，致使范各庄及其周边三对矿井被很快淹没。为救灾复矿，调集了当时基本上是全球范围内最权威的防治水专家和世界上最大的抽水泵进行抢险。地面注浆封堵工程规模和场面也是空前的。水患治理工程及相关工作历时近一年，直接间接经济损失超过5亿元。另外，据不完全统计，从上世纪80年代至今的20余年里，我国2有近250对矿井被水淹没，死亡近9000人，经济损失350多亿元人民币。仅1995年至2005年11年间共发生各类煤矿水害事故1391起，死亡5280人。约占各类煤矿事故死亡总数的7.6%，其中10人以上水害事故105起，死亡1881人。经济损失近210亿元。特别是最近几年，随着开采条件的变化，各类水害事故发生次数及死亡人数都呈上升势头。1.2我国煤矿水害类型根据我国不同聚煤区的地质、水文地质特征，结合矿井水危害程度，可将我国煤矿区分为6个水害影响区：华北石炭—二叠系煤田的岩溶—裂隙水水害区；华南晚二叠系煤田岩溶水水害区；东北侏罗系煤田裂隙水水害区；西北侏罗系煤田裂隙水水害区；西藏—滇西中生代煤田裂隙水水害区；台湾第三系煤田裂隙—孔隙水水害区。几十年来，这些地区都大大小小发生过灾害性透（突）水事故，通过回顾总结1995-2005年11年来我国煤矿发生的水害事故，不难发现：我国煤矿各类水害（按矿井充水水源分类）事故包括地表水害、第四系松散层孔隙水害、基岩裂隙水害、岩溶溶隙（溶洞）水害及老空水害均有发生。现举例如下：2005年8月19日发生在吉林舒兰矿业集团五井，死亡16人的特大水害事故就是由于地表水通过已关闭但封闭不好的邻矿主井导入矿坑而酿成的。发生在贵州水城汪家寨矿、内蒙古平庄古山矿等透水事故均属地表水水害类型；32004年3月7日发生在新疆哈密煤业集团井采公司二井的透水事故是由于顶板裂隙带导通第四系松散层孔隙水，使第四系水、砂、第三系岩石溃入矿坑，24人被困，虽经全力抢救也有9人丧生。发生在淮南孔集矿、徐州新河矿的透水事故均属孔隙水害类型；2005年10月3日发生在四川广能龙滩煤矿的透水事故是由于该矿在挖掘巷道时打通溶洞，造成28人死亡。2003年4月12日发生在邢台东庞矿2903工作面的特大型突水事故及前面提到的淄博北大井、开滦范各庄，还有峰峰二矿、焦作演马庄等许多突水事故均属此类型；2005年8月7日发生在广东兴宁大兴矿的建国以来最大的煤矿水害事故（从人员伤亡角度）是由于采矿引起煤层严重抽冒，继而破坏防水煤柱，致使老窑水溃入矿坑酿成121人死亡的惨痛灾难。同年4月24日发生在吉林蛟河腾达煤矿、山西陵川关岭山煤矿、徐州旗山矿及最近发生在山西大同左云县张家场乡新井煤矿的水害事故均属老空水害类型；2005年5月21日发生在淮北矿业集团海孜矿745工作面透水灾害属于工作面顶板砂岩裂隙水突出事故，致5人死亡。曾发生在徐州大黄山、韩桥煤矿等水害事故均属此类。开滦范各庄等几对矿井也都存在较严重的裂隙水害。1.3我国煤矿水害特点及水害事故频发的主要原因根据对1995-2005年我国煤矿水害事故的全面分析，我们发现有4如下特点：a.突（透）水类型（按充水水源划分）：虽然各类型水害事故都有发生，但不同地区、不同水害类型的发生频次及危害程度各不相同，总体来讲，北方以底板奥陶系灰岩岩溶水、老空水突（透）水为主，南方以顶、底板岩溶水、老空水突（透）水为主。地表水体溃入矿坑事故在南、北方也均占相当比例。陷落柱、断层、岩溶塌洞等天然通道及“上三带”、“下三带”、防水煤（岩）柱等人为通道是煤矿水害发生的主要突（透）水通道；b.随着已关闭矿井特别是乡镇个体小矿的大量增加，近几年老空水透水事故明显增多，造成的灾害明显增强，已成为目前我国煤矿水害的主要类型之一；c.近几年煤矿水害有上升的势头（包括事故起数和伤亡人数）；d.雨季发生的透水事故约占50%左右；e.70%的水害事故发生在掘进工作面；f.全国煤矿水害事故从煤矿所有制形式来看主要发生在乡镇煤矿、改制矿井及基建矿井。g.水害事故给乡镇煤矿带来的人员伤亡惨重，对国有煤矿造成的经济损失巨大。如广东大兴“8.7”矿难死亡121人，山西左云“5.18”矿难56人；邢台东庞“4.12”突水事故直接经济损失近5亿元人民币；峰峰牛儿庄矿“9.26”突水事故损失超过3.8亿元人民币。刚才提到的几起大的水害事故一般都造成数亿元经济损失；h.事故发生后抢险救灾难度大，时间长，费用高，社会影响恶5劣。抢险救灾一般都需要半年以上的时间，有的可使矿井彻底报废。那么我国煤矿水害事故频发的主要原因是什么呢？我们认为，我国煤矿地质、水文地质条件复杂，矿井水文地质基础工作薄弱，现有水害防治技术手段推广应用不够，防治水技术与相关工作投入不足，矿井防治水专门人才缺乏及超强度开采煤炭资源等，是其主要原因！2.我国煤矿水害防治技术方法、手段及其应用矿山水害与其形成的条件有直接对应关系。矿井充水条件包括充水水源、涌水通道和充水强度（涌水量）。这三个条件在特定条件下的不同组合决定了不同的矿井水害类型和灾害程度。也就是说有什么样的充水条件就有什么样的水害类型，有什么样的涌水通道及充水强度就存在什么样的水害特征。因此，我们矿井水文地质工作者日复一日，年复一年的工作着眼点和全部工作内容就是矿井充水三条件，因此，我们又把矿井充水三条件叫做“矿井充水三要素”。我国现行常用的煤矿水害防治（或者说针对矿井突水三要素所应用的）技术经过国内外矿井水文地质工作者60多年的不懈努力，特别是从上世纪60年代至今的40多年来，我国煤矿水文地质工作者通过国家“六.五”、“七.五”等科技攻关项目、国家大型工业性试验、联合国资助项目等重大课题，在各类煤矿水害防治的基础理论、探测方法、预测预报方法、快速综合治理等技术研究和应用及新技术、新6装备的开发和引进方面进行了大量的、有成效的工作，并取得长足发展。形成了适合我国矿山水害不同阶段预测、评价与治理的较完整理论体系及与之配套的技术方法。并在全国大部分矿区得到较好地推广和应用。特别是在华北地区，通过各方面的共同努力，数十亿t受奥陶系灰岩水害威胁的煤炭资源得以解放。概括地讲，矿井水害防治技术包括矿井水文地质条件探查、水文地质类型及矿井水害评价、矿井水害治理等。2.1水文地质探查技术刚才分析了我国现阶段煤矿水害的主要类型和特点，矿井（区）水文地质勘探的主要任务就是针对这些类型和特点开展探查工作。具体探查内容包括采矿影响到的含水层及其富水性；隔水层及其阻水能力；构造及“不良地质体”控水特征；老窑分布范围及其积水情况等。勘探范围包括区域、井田、采区及工作面。工作顺序应由面到点，由大到小，先区域后井田，先采区后工作面。传统技术和手段在矿井水文地质勘探中发挥了极为重要的作用，随着科学技术的进步和发展，特别是电子技术、计算机技术的突飞猛进，使水文地质勘探技术和手段发生了质的飞跃。现在物探、化探、钻探、测试与试验及模拟计算等技术方法和手段特别是这些方法和手段的综合应用已能比较好地解决矿井水文地质勘探中的大部分问题。2.1.1水文地质试验技术7水文地质试验技术的基本方法是以水文地质理论为基础，以水文地质钻探、抽（放）水试验、底板岩石力学试验为主要手段，探查含水层及其富水性，主要含水层水文地质边界条件，各含水层之间的水力联系等，并获取建立水文地质概念模型的相关资料。同时探查煤层底板隔水层岩性、厚度、结构及阻水能力。在钻探过程中测试承压水原始导升高度，通过采取岩芯测试岩石物理、力学性质等。抽（放）水试验是其中最核心的方法，它不仅能为水文地质计算提供资料，而且重要的是抽(放)水试验过程本身就能反映含水层的水文地质特性。因此，抽(放)水试验是水文地质勘探最为有效和首选的技术方法之一。但该方法的缺点是历时长、费用高。所以近20年来又推出脉冲干扰试验法，在一定的条件下可以替代抽（放）水试验。脉冲干扰试验是一项新的水文地质连通测试技术，其原理是通过水文地质观测点对地下水流场进行脉冲激发，根据波的衍射、势叠加与消减等原理，计算水文地质参数，评价水文地质条件。该方法快捷、准确、工程量小、时间短、费用低，可弥补抽（放）水试验时因钻孔出水量小而不能反映水文地质条件的弊端。2.1.2地球物理勘探技术地球物理勘探技术经过多年的发展，其在地质、水文地质探查中的地位和作用越来越明显，越来越重要。加上其方便、快捷的优势，近几年在煤矿防治水领域得到了极大推广和应用，常用的效果比较好的方法有以下几种：8a.地震勘探：包括二维和三维地震勘探，是弹性波地面探查构造及“不良地质体”的最有效方法。主要应用于以下八个方面：（a）查明潜水面埋藏深度；（b）查明落差大于5m的断层；（c）查明区内幅度大于5m的褶曲；（d）查明区内直径大于20m的陷落柱；（e）探明区内煤系地层底部奥陶系灰岩顶界面及岩溶发育程度；（f）探测采空区和岩浆侵入体；（g）查明基岩起伏形态、古河道、古冲沟延伸方向；（h）了解基岩风化带厚度。b.瞬变电磁（TEM）探测技术：TEM法观测的是二次场，因此对低阻体特别灵敏。是地面（已有人尝试井下使用）探测含水层及其富水性、构造及其含水情况老窑及其积水多少的主要手段。c.高密度高分辨率电阻率法探测技术：使用单极－偶极装置，通过连续密集地采集测线的电响应数据，实现了地下分辨单元的多次覆盖测量，具有压制静态效应及电磁干扰的能力，对施工现场适应性强。该法使直流电法在探测小体积孤立异常体方面取得了突破。可准确直观的展现地下异常体的赋存形态，是地面、井下探测岩溶、老窑及其它地下洞体的首选方法。d.直流电法探测技术:属于全空间电法勘探,可在地面及井下使用。主要应用在：9（a）巷道底板富水区探测;（b）底板隔水层厚度、原始导高探测;（c）掘进头和侧帮超前探测,导水构造探测;（d）潜在突水点、老窑积水区、陷落柱探测。e.音频电穿透探测技术：由于探测深度的限制，一般只应用于井下。主要探查：（a）采煤工作面内及底板下100m内的含水构造及其富水区域平面分布范围、并进行富水块段深度探测；（b）工作面顶板老窑、陷落柱、松散层孔隙内含水情况及平面分布范围探测；（c）掘进巷道前方导水、含水构造探测；（d）注浆效果检查。f.瑞利波探测：探测对象是：断层、陷落柱、岩浆岩侵入体等构造和地质异常体，以及煤层厚度、相邻巷道、采空区等，探测距离80～100m。其优点是可进行井下全方位超前探测。g.钻孔雷达探测技术：通过钻孔（单孔或多孔）探查岩体中的导水构造、富水带等。h.地震槽波探测技术：可用于：（a）探明煤层内小断层的位置及延伸展布方向；（b）陷落柱的位置及大小；（c）煤层变薄带的分布；10（d）可进行井下高分辨率二维地震勘探，探测隔水层厚度、煤层小构造及导水断裂等。另外，还有其它一些地球物理勘探方法，如超前机载雷达、建场法多道遥测探测技术等。2.1.3地球化学勘探技术主要通过水质化验、示踪试验等方法，利用不同时间、不同含水层的水质差异，确定突水水源，评价含水层水文地质条件，确定各含水层之间的水力联系。主要的技术方法包括：（a）水化学快速检测技术。用于井下出水点、钻孔水样水质的快速检测；（b）透（突）水水源快速识（判）别技术。通过水化学数据库，利用水质判别模型