1、专题部分浅谈煤矿井下防治水原理与技术摘要: 煤矿生产过程中，经常可以见到地下水流入巷道和工作面，这就是矿井水。矿井水的形成一般是由于巷道揭露和采空区塌陷波及到水源所致，其水源主要是大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水。矿井水害通常称为“透水”，是指矿井在建设开发过程中，不同形式、不同水源的水通过某种途径进入矿坑，并给矿井建设和生产带来不利影响和灾害的过程和结果。矿井水灾防治技术措施，总体可概括为查、测、探、放、截、堵六个方面。其中，查、测、探主要为前期的水灾预防，包括探测、预测、监测等技术手段。放、截、堵三个技术措施则主要是针对后期的水灾治理技术，如在我国矿井水灾防治工作中应用最广泛的
2、注浆截流技术等。煤炭开采过程中会引起地下水资源的大量流失，严重地影响了矿区的生态发展。保水开采技术的研究和使用，是解决煤炭生产中水资源破坏问题的根本方法，是整个绿色开采体系中极为重要的部分。目前煤矿保水开采主要是根据关键层理论、开采对岩层移动影响及离层规律和水在裂隙岩体中的渗流规律等理论，通过留设防水煤柱、充填开采和注浆加固等方法，抑制岩层导水裂隙带的发育和隔水关键层的离层和断裂，控制岩层潜水的渗流速度，从而实现保水开采。虽然近些年来保水开采的理论研究和工程实践取得了一定的成果，但是现有理论和技术仍不能很好地实现煤矿绿色协调开采，有待于进一步提高。关键词：矿井水 矿井水灾 保水开采 绿色开采1
3、 矿井水定义及来源煤矿生产过程中，经常可以见到地下水流入巷道和工作面，这就是矿井水。矿井水的形成一般是由于巷道揭露和采空区塌陷波及到水源所致，其水源主要是大气降水、地表水、断层水、含水层水和采空区水。1.1大气降水大气降水是矿井水的总根源，它除了一部份被蒸发和随河流流走以外，另一部分则沿岩石的孔隙和裂隙进入地下，或直接进入矿井。大气降水在不同地区、不同季节、不同开采深度对矿井水的影响也不相同。在降雨量少的西北地区，矿井涌水量就小，在降雨量多的南方地区，矿井涌水量就大，即使在同一地区，由于大气降雨量随季节的变化，矿井涌水量也随着发生周期性变化，同时由于矿井开采深度不同，矿井涌水量也随着发生相应变
4、化。一般而言，矿井涌水量随开采深度增加而增加，开采上山水平矿井涌水量较小，开采下山水平矿井涌水量较大。1.2地表水位于矿井附近或直接分布在矿井以上的地表水体，如河流、湖泊、水池、水库等，是矿井充水的重要因素，可直接或间接的通过岩石的孔隙、裂隙、岩溶等流入矿井，威胁矿井生产的安全。1.3断层水、岩溶水大量流入矿井的水往往和区域地质有关，断层破碎带是地下水的通道和聚积区，沿断层破碎带可沟通各个含水层，并与地表水发生水力联系，形成断层水。断层水对矿井生产的影响，主要是由于巷道揭露或采掘活动破坏了围岩的隔水性能造成断层带的水涌入井下。其特点是静储量小，动储量大，与地表水高压强含水层沟通，对矿井生产造成
5、巨大威胁，特别是在断层交叉处最容易发生透水事故；岩溶水（亦称喀斯特水，有时也称溶洞水）是指埋藏在石灰岩、白云岩等可溶性岩石裂隙溶洞中的地下水。 它的存在必须有 4 个必要条件：可溶性岩层的存在；岩层具有裂隙而透水；水必须具有侵蚀性；水在岩层中应是流动的。碳酸岩石多不具有空隙，未经溶蚀前，透水性主要决定于裂隙发育程度，裂隙发育起初是地下水流通的主要通道，经日侵月蚀，最终形成岩溶水。溶洞的分布与地质构造线相一致，往往沿断层带发育为成排的溶斗，落水洞等形状。1.4含水层水含水断层是矿井主要的充水来源。多数情况下，大气降水与地表水先是补给含水层，然后再流入矿井。流入矿井的含水层水量包括静储量和动储量。
6、静储量就是巷道未揭露含水层前，实际赋存在含水层中的地下水，它的大小决定于含水层的厚度，岩石裂隙大小及多少。一般在矿井开采初期排出的矿井水主要是静储量，能在矿井排水中逐渐减少以至疏干。如果降水，地表水（包括其它水源）不断流入含水层中，使含水层的水得到新的补充，虽然井下长期排水，但含水层中的水仍源源而来，不会中断，这些补给含水层的水量称为动储量。因此，属静储量的含水层水对矿井生产初期有一定的影响，尔后逐渐减弱，属动储量的含水层水对矿井生产的影响将长期存在。1.5采空区水（老窑积水）古代和近期的采空区及废弃巷道，由于长期停止排水而存在的地下水，通常称为采空区水。我国煤矿开采有着悠久的历史，一些直接出
7、露地表或易发现的煤层，浅部多数为采空区。再加上前几年乡镇煤矿的乱挖滥采，不仅在老窑数量，采空区范围上增大，而且从开采深度上愈采愈深，它就象一个个地下水库，一旦巷道揭露或巷道与老窑之间的煤岩柱强度小于它的静压时，就会象水库垮了水坝一样，突然淹没其“下游”，从而造成严重事故，后果不堪设想。2 矿井水害的基本概念及分类矿井水害通常称为“透水”，是指矿井在建设开发过程中，不同形式、不同水源的水通过某种途径进入矿坑，并给矿井建设和生产带来不利影响和灾害的过程和结果。要灾害之一并不是所有的矿井都存在水害，矿井水害的形成和发生是建立在特定的环境和条件之下的。据统计，我国 27.5%的国有重点矿井受到各种水灾
8、的危险。当这种危害由量变达到质变的时候，将会因矿井透水而造成淹井、人身伤亡、财产损失等重特大灾害事故。据不完全统计，2005 年我国煤矿事故死亡 5986 人；2006年煤矿事故死亡人数 4746 人，其中，夺去大部分人生命的就是煤矿透水和瓦斯爆炸事故，造成了严重的经济损失和恶劣的社会影响。因此，加强煤矿防治水工作势在必行。对于矿井水灾的分类，可按照矿井水的水源以及水源进入矿井的途径和方式，将矿井水灾分为：地表水水害、孔隙水水害、岩溶水水害、裂隙水水害以及老窑水水害。通过分析可知，水流进入矿井的主要方式有以下几种：淋水、渗水、突水(涌水、溃水)、滴水。其中，突水是指由于巷道或工作面与含水层、被
9、淹巷道、地表水体或含水的裂隙带、岩溶带、顶板冒落带、构造破碎带等接近或直接或间接沟通所出现的涌水或溃水事故。突水的危害性在灾害中最严重，因为它来势凶猛，反应时间极短，而且水量相当大，所造成的损失极其严重。3 中国煤矿床水文地质基本特征中国作为世界上第一采煤大国，煤炭资源丰富且地域分布辽阔，但煤矿床水文地质条件复杂，是世界上矿山水害最严重的国家之一。由于煤矿床所处的地域和气象条件存在差别，地质构造差异性较大，其矿床水文地质条件和矿山水害类型也具有明显的地域性特征。西北区新疆、青海、甘肃西部以及宁夏和内蒙古的西部地区( 如图 1 所示的 1 区 ) ，主要开采侏罗系层，本区气候干燥、降水量小。矿构
10、地下水的补给和水交替能力差，矿坑涌水量小，但这一地区煤层埋藏浅，煤炭资源开采后，工作面顶板采动破坏带容易扩展至地面，矿井主要充水含水层为煤层顶板砂岩裂隙弱含水层和浅部第四系潜水。北方区的辽、冀、鲁、晋、豫、陕 6 省及苏、皖两省北部地区( 如图 1 所示的 II 区) ，气候多属中温带或暖温带亚湿润、亚干旱类型，平均降水量多为400 800 mm / a，主采石炭 二叠系煤层。本区煤层埋藏深度较大，开采煤层与顶板第四系潜水含水层之间存在较厚的隔水层，煤层底板下伏有太原群多层状产出的薄层灰岩复合含水层组( 多个薄层灰岩含水层交互发育并存在着某种形式的水力联系) 和奥陶系巨厚灰岩含水层。这些含水层
11、可直接通过其露头区或第四系含水层覆盖的隐伏露头区得到大气降水或第四系潜水的补给。奥陶系石灰岩含水层水往往处于高承压状态，并经常通过构造裂隙、断层或陷落柱与上部的太原群薄层灰岩含水层组产生水力联系。矿井主要充水水源为煤层底板灰岩岩溶含水层。矿井涌水量较大，最大突水量可达20530m/ min，常使矿井淹没或部分淹没。粤、闽、赣、浙、台湾及苏、皖南部和鄂、湘、桂三省的东部地区( 如图 l 所示的区) ，基本上以低山丘陵地形为主，海拔在 1000 m 以下，属亚热带湿润气候区，降水量一般为 1000 2500 mm/a。本区主要可采煤层为二叠系龙潭组和龙岩组煤层，其次为三叠系煤层。本区的煤矿水害主要
12、以灰岩充水为主，其主要岩溶含水层有泥盆纪融县灰岩，石炭纪黄龙灰岩、船山灰岩、壶天灰岩，二叠系茅口灰岩、长兴灰岩和三叠纪大冶灰岩，而茅口灰岩是厚度最大，富水性最强的含水层。含水层的特点是岩溶普遍比较发育，且岩溶形态以溶洞为主，第四系覆盖下的岩溶含水层在矿区抽排水过程中经常引起大面积的地面塌陷，甚至造成地表水溃入矿井。矿井主要充水水源为岩溶含水层水及溶洞导通的地表水和大气降水。在湘南、赣南、皖南、苏南等地，茅口灰岩相变为以硅质岩为主的当冲组，煤田水文地质条件比较简单。三叠系含煤地层均为碎屑沉积，其水文地质条件也比较简单。西南的黔、川、滇东、湘西及桂西地区( 如图 1所示的区) ，属于亚热带湿润气候
13、，降水量为l000 2000 mm / a，海拔标高较大，位于平原向高原过渡的斜坡地段。本区主要开采二叠系煤层，其顶板发育长兴灰岩和阳新灰岩，底板发育茅口灰岩。由于本区处于强烈上升的地质构造带，河流沟谷切割较深，使得不少煤矿床位于当地最低侵蚀基准面以上，地形条件有利于矿坑排水，矿井水文地质条件变得相对简单。但同时，由于地形强烈上升，致使地形起伏较大，地下水水力梯度大，水循环和水交替速度较快，地下水侵蚀能力较强，往往在灰岩的裂隙发育带或断层带形成地下水优先溶蚀和集中径流，大范围形成岩溶暗河管道。所以岩溶暗河管道突水成为本区矿井岩溶水突入的特有标志。在黔西、滇东地区龙潭组与茅口灰岩之间有厚层峨眉山
14、玄武岩隔水层，煤田水文地质条件比较简单。图1 中国煤矿床水害类型分区示意图4 中国水害发生发展的基本规律长期以来，因为煤矿水害给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重。据不完全统计，在过去的 10 年里，共发生各类矿井水害事故 1400 余起，死亡近 6000 人，经济损失高达 35 亿元人民币。每生产100 Mt 原煤因水害死亡达 0 375 人，因水害造成经济损失达 2000 万元人民币。其中作为中国主要煤炭生产基地的华北、华东地区受水害威胁的煤炭资源占已探明资源量的27%。图 2 和图 3 为近 10 年来我国煤矿水害事故与重特大煤矿水害事故发生数及其死亡人数的基本变化规律。由图可见
15、，我国煤矿每年发生水害事故数稳定在 100 起以上，死亡人数在 500 人左右，其中重特大水害事故每年发生 5 10 起，死亡人数在200 人左右。无论是水害发生次数或死亡人数均居高不下。矿井水害已成为制约我国煤矿安全生产的重大隐患。同时，近年来我国煤炭工业发展速度较快，近 10 年全国煤炭产量翻了一番，煤炭资源的开发强度明显增加，100 Mt 原煤生产量因水害所造成的人员死亡数呈明显下降趋势。由图 4 可见，近 10 年我国煤矿每生产 100 Mt原煤因水害造成的人员死亡率由 0 46 降低到0 18，说明在严重的煤矿水害条件下，我国的煤矿水害防治工作仍然取得了较好的成效，煤矿安全条件正在逐
16、步改善。图2 1996-2006年中国煤矿水害发生数与死亡人员数变化图图3 1996-2006年中国重大水害事故数与死亡人员数变化图由于中国煤矿水文地质条件复杂多变，煤炭生产企业的技术水平、管理水平和装备水平差别较大，我国煤矿不仅总体水害事故频发，安全形势严峻，而且水害类型和水害事故的分布极不均匀。根据近年来水害最为严重的 2005 年资料分析，企业技术水平、管理水平和装备水平较差的乡镇煤矿水害事故发生频次明显高于国有矿井( 见图 5) 。图4 1996-2006年中国煤矿100Mt原煤水害死亡率变化图图5 2005年中国重大水害事故统计图1乡镇煤矿；2国有地方煤矿；3国有重点煤矿图6 2005年中国煤矿突水灾害
