1、专题部分煤矿井下防治水原理与技术浅析摘要:矿井水害多年来一直是制约我国采矿工程建设的主要因素之一。各种类型的水害会给煤矿安全生产带来重大影响。随着煤矿开采的进一步深入，水害事故时有发生，不仅造成财产上的经济损失，更重要的是直接威胁到井下工人的生命安全。通过对矿井主要水害分析，采取行之有效的防治措施，保障煤矿安全生产。关键词:矿井突水；充水水源；涌水通道；防治水措施前言煤矿水害作为煤矿五大自然灾害之一,一直是制约我国煤炭开采活动和煤矿可持续发展的重要因素。煤矿防治水问题是煤矿生产和科研中的一大技术难题。研究和处理矿井水害,也成为了矿井安全生产工作的主要内容之一。矿井水害的存在，给煤矿造成巨大的经
2、济损失，更严重的是直接威胁着煤矿工人的生命安全。因此充分研究矿区水文地质条件,了解地下水的补给、径流、赋存和排泄情况，掌握矿区地下水的补给来源和径流特征(通道或路径、径流时间),合理有效地开展防治水工作是矿井安全生产必备的条件。矿井突水是矿井水防治问题中的最重要的问题也是最严重的问题，突水防治成为煤矿水害防治中的重点内容，也成为突水矿井安全生产的重要保障。一、我国煤矿水害主要类型及特点我国煤矿水害可以分为8中主要类型。（1）煤层顶板充水含水水害当煤层顶板为含水层，或距离煤层顶板不远的上覆岩层为含水层是，含水层的水可以通过断层、裂隙额等天然导水通道涌入矿井。由于厚煤层和多煤层的重复采动和断裂带塌
3、陷滑移的程度不同，采动导水裂隙带发育高度和部位也随之变化，这些是煤层顶板充水含水层查明的一些富水带中的地下水突然泄入裁决工作面。凡此种种，都能造成煤层顶板充水含水层水害，严重者回淹没整个工作 面、采区甚至整个矿井。（2）煤层底板承压充水含水层水害则是我国煤矿发生平频率最高，危险程度最大的一种灾害，突水经常淹没整个生产水平、矿井，甚至造成重大人身伤亡。主要原因是我国主要煤矿床的基底沉积了碳酸盐溶充水含水层，最典型的如华北石炭系二叠煤系，其基底为巨厚的奥灰或寒灰岩溶含水层。这些碳酸盐石分布范围广，厚度大，地质历史上经受过强烈的岩溶化作用，后期大地构造运动又使其大面积裸露的地表，接受大气降水和地表水
4、的补给的能力强。由于煤层的倾斜，随着开采的延伸，作用于煤层底板的水压越来越大；隔水层的厚度及其岩性在剖面上又复杂多变，断裂裂隙的发育程度不同；采掘工程引起的应力转移，使作用于底板的强度和对其产生的影响及破坏也因地而异。因此，煤层底板突水机理复杂，很难预先查明，突水的概率也比较高。（3）岩溶陷落柱水害我国广泛分布的华北石炭二叠系煤层基底存在巨厚的奥陶系、寒武系灰岩含水层，在漫长的地质历史过程中形成了巨大的溶洞，上覆岩层塌陷后，变形成岩溶陷落柱。由于岩溶水水源丰富，水压高，陷落柱又具有隐蔽性，一旦采掘工程接近或揭露岩溶陷落柱时就可能形成灾难性突水水害。该种类型的水害赋存条件孤立而且隐蔽，事前很难探
5、查发现，防治难度极大。在我国南方与险难一些地区，第四系松散层覆盖于可溶岩层上，溶蚀作用形成岩溶塌落洞，使上覆松散层塌落二将地表水或第四系含水层水导入矿井引发灾害，可归入这一类型。（4）断层破碎带突水水害这种类型的水害既可能与顶板含水层或地板含水层发生水力联系，也可能与老窑水发生联系，为矿井涌、突水提供导水通道，甚至提供充水水源，是矿井水害类型中最为普遍的一类。它可以沿断层走向很长一段发尾内普遍导水而引发水害，也可以局部的一小段而诱发突水，此类的预防和治理是非常困难和复杂的。（5）第四系松散层孔隙含水层和第三系沙砾含水层、淡水灰岩岩溶含水层水害我国煤矿主要开采古生代石炭二叠系和中生代侏罗白垩系地
6、层中的煤炭。第四系松散孔隙含水层和第三系沙砾含水层、灰岩岩溶含水层往往不整合超覆于这些煤系地层或沉积基底岩层之上，这些导水体通过煤层或基岩露头带长年累月向其下的煤层和煤层顶、底板渗透补给，往往导致含水层的渗透性和采空区裂隙带的导水强度难以准确判断。因而，在采掘过程中，会发生矿井涌水突然增大的现象，情况严重时会发生溃水、溃砂、甚至淹井事故。（6）老空区积水透水水害老空积水主要贮集在矿井周围的小煤窑，矿井本身的采空区或与采空区相连的煤、岩石巷道内，水体的几何形状不规则，矿井采掘工程与这种水体的空间关系复杂，并且由于历史的原因往往缺乏甚至没有可靠地技术资料，水情难以分析判断。这种水体分布集中，水压传
7、递迅速，采掘工程面一旦接近，老空区积水便可突然涌出，发生透水事故。这过程中普遍存在的一种水害。（7）地表水体渗透水水害再有地表水体分布的矿区，当井下采掘发生顶板冒落产生断裂带，各种地面塌陷，煤层上覆岩溶裂隙或断层等导通与地表水的水力联系时，地表水会大量迅速灌入井下。山洪暴发，地表水体的堤坝坍塌，水冲矿井井口灌入，也会发生此类水害事故。这种类型水害具有很大的隐蔽性和突发性，往往大量水、泥、砂俱下，猝不及防，使井下工作人员无法撤出，很容易造成重大损失。（8）滑坡和泥石流灾害这种灾害主要分布在山区的一些煤矿，造成的危害也很大。它发生的前提是有层间软滑的黏土层、疏松破碎的断层带等软弱结构面，有山洪暴发
8、，地表、地下工程活动等诱发因素的触发。二、矿井水的来源和导水通道煤矿水害是指在煤矿建设与生产过程中，不同水源通过一定的途径进入矿井，并对煤矿建设和生产带来不利影响和灾害的事件。影响矿井是否进水的条件称为矿井充水条件，主要有充水水源和充水途径（通道）。矿井充水是否引发矿井水害还取决于充水强度。矿井水源、充水通道和充水强度三者的不同组合会产生不同的矿井水害。把三大因素结合起来进行系统的分析研究是矿井水文地质条件勘探的中心任务，也是矿井防治水的最基础、最重要的工作。2.1矿井充水水源煤矿生产过程中，经常见地下水流入或涌入巷道或工作面，这就是矿井水，矿井水的来源有地表水、含水层水、老窑水和断层水。在通
9、常情况下，含水层水是矿井最经常和最主要的充水水源，煤矿水害事故与老窑积水也密不可分。不同的矿井充水水源特点各异，会引发不同的矿井充水模式，也会产生不等程度的水害。矿井涌水常见的有：地表水、地下水、断层水、老空水、钻孔水、裂隙水。1、地表水是指地面的河流、湖泊、水库、池塘水等。在开采河流、湖泊、水库、池塘下区域附近的煤田时，由于煤层埋芷较浅以上水源及地面大气降水通过开采的塌陷裂隙涌入式流水煤矿井下。地表水能否构成矿井水源，除开采深度条件外，还与地层构造和采煤方法有关。2、地下水：是指含水层、石灰岩溶洞水、砂岩中裂隙水。地下水是可以流动的，并不断接受地表水补给，一般水压高、水量大、来势猛，是井下最
10、直接、最常见的水源。在井下巷道或回采工作面揭露这些含水层时，水便会突出，危害性较大。3、断层水：岩层断裂叫断层。有的断层带内有积水，断层带还将不同的含水层连通，有的甚至与地表水相通。煤矿在从事采掘活动中，如果揭露断层或留设防水煤柱小，或采取措施不力，都可能发生透水事故。4、老空水：过去开采的小煤矿升矿井长时的废弃巷道的积水，此水经过长时间的地表水、地下水的汇集，积水量大小使采空区的范围空间的范围空间大小变化。如果在回采掘进时与它们打透或接近时，短时间内含有大量涌水，且来热凶猛、破坏性大。5、钻孔水：是勘探工作中打完钻孔后，没有按规定封孔，造成钻孔积水。钻孔多是穿过多种岩层，其中也包括穿过含水层
11、。6、裂隙水：常以两种形式出现。一是，矿井开采过程中，引起含水层断裂，造成严重的顶板淋水或涌水。二是，废井（老井）复建时，遭受裂隙水灾。如1990年3月27日，巩县河西煤矿在恢复生产时，因老矿采动裂隙与地表河水相通，造成矿井突水。因此应严格落实矿区水文地质各项基础工作，做好矿井水文地质调查和水害预测预报工作。2.2矿井充水水源识别方法矿井突水是煤矿生产的重大灾害之一，对矿井突水水源的识别是疏干降压注浆等防治水工作的基础 。判别突水水源包括地下水化学、同位素、水温、水位动态预测和分析等方法。地下水化学法目前，依据水化学成分识别水源的方法很多，如模糊综合评判法、人工神经网络、灰色关联分析法等，现对
12、支持向量机在水化学水源识别方面的应用做以下简要介绍。支持向量机（support vector machine简称 SVM）是在统计学习理论基础上发展起来的一种新的机器学习方法 ，它较好地解决了小样本、非线性和高维模式识别等实际问题，并克服了神经网络学习方法中网络结构难于确定收敛速度慢局部极小值过学习与欠学习以及训练时需要大量数据样本等不足，具有良好的推广性能，成为继神经网络之后新的研究热点 本文将支持向量机对矿井突水水源进行科学识别，并将识别结果与其它方法得到的结果进行比较，取得了满意的效果。井田（以峰峰矿业集团梧桐庄煤矿为例）中与矿井充水具有直接或间接联系的主要水源有：第三 四系层孔隙含水层
13、，二叠系煤系砂岩裂隙水含水层和煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层。各含水层（组、段）自然条件下补给迁流和排泄。条件显著不同，从而在水化学特征上也存在着明显差别。因此，选取体现充水水源水化学特征的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-这6项指标作为矿井突水水源判别特征向量。应用 Matlab软件建立了矿井突水水源支持向量机识别器，然后进行计算。同位素法地下水对地层中各种矿物盐类或土壤具有一定的溶解能力, 所以地下水可视为这些可溶物质的溶液。同时地下水还含有一般不与其它组份发生反应、不易吸附、而对地下水有良好“ 标记”作用和“守恒性”的同位素, 如氘(2H或D)、氚(3H)和氧1
14、8O等。2H(或D)和18O为稳定同位素, 由于同位素分馏作用的结果, 使得各种天然水具有各自不同的同位素特征, 因此利用各种水源的2H和18O, 可研究矿井地下水的形成,判断矿井水来源, 确定地下水补给带和计算水的混合比等。3H是氢的放射性同位素, 具有衰变特征, 其衰变速度与温度、压力及与其它物质共存等无关。3H在大气层中形成氚水后遍布整个大气圈, 对现代环境水起着标记作用,因此利用3H可以计算50a以内的地下水年龄。利用氚的放射性衰减公式可计算地下水径流时间和地下水年龄, 计算公式:式中：氚衰变常数, 根据氚的半衰期12.26a, 计算出=0.0565;N0氚的初值, 取大气降N0= 5
15、0.0TU;N衰变后的氚值(即测试值), TU;T 衰变时间(即相对年龄), a。运用环境同位素技术研究矿山水文地质问题, 不仅能用以判断地下水的成因与来源, 而且可定量确定地下水实际流速和水的年龄; 不仅可定性地判断地下水的补给来源, 而且可定量确定地分割矿井水中不同补给源所占的比例, 能达到常规方法所不能达到的效果。环境同位素技术具有便携快速、准确度高以及成本较低等优点, 在矿井防治水领域具有广阔的推广应用前景。2.3矿井涌水通道通常，称连接充水水淹与矿井之间的过水路径为矿井充水的导水通道。它和充水水源共同构成了矿井充水的两个必要基本因素。矿井防治水时间中，人马习惯上按照导水通道的成因把其
16、分为两大类：（1）天然导水通道：地层的空隙、断裂带等自然形成的通道。当开挖井巷直接揭露充水层或与充水层有水力联系的某种通道时，地下水源则会源源不断地涌入井巷。这说明充水层起蓄水体的作用，而充水介质起输水通道的作用。因此认为，地层的裂隙和岩溶空间，甚至孔隙在某些条件下都可成为矿井涌水通道。（2）人工导水通道：由于采掘活动等引起的人为涌水通道。这类通道是由于不合理勘探或开采造成的，其中包括顶板冒落裂隙通道、底板突水通道、钻孔通道等。在煤矿安全生产中应杜绝此类通道的产生。此外，有时海岸通道形态将导水通道划分为点状导水通道、线状导水通道和面状导水通道；按矿井充水的水力特征和危害性把导水通道划分为渗透性导水通道和溃入性导水通道。实践表明，几乎所有的矿井水害事故都是由
