1、专题部分矿井水防治及其处理1 前言采煤时大量矿井水的外排，不仅污染环境，也造成水资源的严重浪费 因此对矿井水资源进行合理开发利用，对于促进我国煤炭工业可持续发展具有重要战略意义。根据 2005年统计，矿井水排放量约 42亿 m，而利用率只有26%，随着煤炭开采量的增加，预计矿井水排放量将达到60亿m。近年来，我国在高悬浮物、高铁锰、高矿化度矿井水处理技术以及矿井水井下处理就地复用和自动化控制方面取得了新进展，不同矿区因地制宜地选择矿井水处理方法，较大程度地提高了矿井水利用率。实践表明，矿井水的资源化利用已成为煤矿企业可持续发展的必然选择。1.1矿井水的来源以及特征矿井水的形成一般是由于巷道揭露
2、和采空区塌陷波及到水源所致, 其水源主要是地表水、大气降水、含水层水、断层水和采空区老塘水。1.1.1地表水地表水体包括江河、湖海、池沼、水库等。当开采位于这些地表水体影响范围内的煤层或其他矿体时,在适当条件下, 这些水便会涌入坑道成为矿坑充水水源。一般说来, 矿体距地表水体越近影响越大, 充水愈严重, 矿井涌水量也越大。1.1.2大气降水矿井充水的程度与地区降水量的大小、降水性质和强度及延续时间有关系, 降水量大和长时间降水对渗入有利, 因此矿井涌水量也大。矿井水量变化随气候具有明显的季节性, 但涌水量出现高峰的时间往往滞后, 而且随深度的增加滞后时间更长。大气降水渗入量随开采深度的增加而减
3、少。1.1.3含水层水含水断层是矿井主要的充水来源, 其特点是水量多, 但有一定规律可寻。绝大多数情况下, 大气降水与地表水也是先补充给含水层, 然后再流入矿井。流入水源不断流人含水层中, 使含水层的水得到补充, 这些补给含水层的水量称为动储量。静储量的含水层对矿井初期有一定影响, 随时间影响逐渐减弱, 而动储量的含层水对矿井有长期影响。1.1.4断层水、地层承压水、岩溶水断层构造的影响通过断层面作为含水层与巷道峒矿井的含水层水量包括静储量和动储量。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;降水, 地表水(包括其它室或采场的沟通通道, 使含水层的水或地面等其它水源涌入井下。其
4、特征是以断层或裂隙存在作为前提, 其损害程度受断层面切割部位的岩性、破碎程度及充填胶结程度的不同而出现不同的结果。地层承压水是指2个隔水层之间的重力水由于承压水充满于2个隔水层之间, 其隔水岩层的顶底板都承受静水压力。最适宜形成承压水的地质构造为向斜或单斜。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。1.1.5采空区老塘水古代和近期的采空区及废弃巷道, 由于长期停止排水而使地下水聚集。这种水源含有大量的硫酸根离子, PH值在3左右, 有的甚至为1,具有强烈腐蚀性, 这种水成为突水水源时, 危害性极大。1.2矿井水害产生条件1.2.1矿井充水水
5、源矿井充水水源主要包括大气降水、地表水、地下水和老空积水。地表水又可以分为河水、湖水、海水。地下水又包括岩溶裂隙水、砂岩裂隙水、第四纪松散沉积层潜水。1.2.2充水途径矿井水的充水途径是指连接充水水源与矿井之间的流水通道。它是矿井充水因素中最关键的因素, 大多数的矿井突水灾害正是由于对矿井充水途径认识不清而造成的。充水途径主要有: 构造断裂、顶板垮落、底板破坏、封闭不良钻孔、陷落柱等。1.2.3充水强度有了一定的充水水源和特殊的充水途径, 相应的充水强度也得以确定。因此, 矿井水害的主要的因素是充水水源和充水途径。1.2.4其它矿井水害产生的条件对于突水以外的其它矿井水害产生的条件, 除了上述
6、的因素外, 和煤层的品质和围岩的成分有关, 另外还有采矿设备、采矿技术等人为因素。1.3矿井水灾危害性1.3.1影响安全生产矿井突然涌水，或者涌水量超过矿井的排水能力，不能及时从井下排出时 ，要么造成井巷或采区被淹，要么造成财产损失，甚至于造成人员伤亡，对煤矿安全生产造成重大影响。如果排水系统不完善，矿井涌水任意流淌，井巷内到处是泥水，即使井下工作人员的作业环境恶化，又给煤矿的安全生产带来不利因素。 同时，顶板淋水、煤壁渗水等因素会使巷道内空气湿度加大，影响井下职工的身体健康，而职工是井下作业的控制者，从而给井下的安全生产埋下隐患。1.3.2影响经济效益矿井突然涌水，不仅会增加井下排水投资，而
7、且使得煤炭开采成本增加。井下排水要安装水泵，水泵工作又要消耗大量的工业用电，大量排水就要花费大量的电费，从而增加煤炭生产的成本。矿井水量越大，排水设备和排水费用就越高，不仅增加了煤炭生产成本，而且给管理工作带来了难度。同时，矿井水对井下的机器设备产生腐蚀作用，缩短其使用期限，从而也增加了煤炭生产成本。因此，矿井水灾的发生，使得煤炭的生产成本提高，直接影响着煤矿的经济效益。1.3.3影响正常采掘矿井涌水量过大时，会使巷道充满积水，给井下运输来带影响，同时井巷积水会破坏巷道顶底板岩石的稳定性，使支护工作复杂化，并给巷道的维护工作增加困难。巷道积水还给井下工作人员带来影响，使其工作环境变得更加恶劣，
8、从而影响煤矿的井 下正常采掘，给煤矿生产带来影响。 1.3.4影响管理工作矿井涌水给建井、掘进、采煤以及机电设备等管理工作带来一定的困难。由于涌水发生，影响了正常的煤矿生产，给安全带来隐患，使得井下不能按照正常计划向前掘进，从而导致管理工作不能正常进行，严重影响煤矿的正常运转。1.4矿井突水征兆（1）承压水与承压水有关断层水突水征兆：工作面顶板来压、掉渣、冒顶、支架倾倒或折梁断柱现象；底软膨胀、底膨张裂，这种征兆多随顶板来压之后发生，且较普遍，在采掘面围岩内出现裂缝，当突水量大来势猛时，会伴有 “底爆”响声；先出小水后出大水也是较常见的征兆；采场或巷道内瓦斯量显著增大。（2）冲积层水突水征兆：
9、突水部位岩层发潮、滴水，且逐渐增大，仔细观察可发现水中有少量细砂；发生局部冒顶，水量突增并出现流砂，流砂常呈间歇性，水色时清时混；发生大量溃水溃砂，这种现象可能影响至地表，导致地表出现塌陷坑。（3）老窑水突水征兆：煤层发潮、色暗无光；煤层挂汗；采掘面、煤层和岩层内温度低“发凉”；在采掘面内若在煤壁岩层内听到“吱吱”的水呼声时，表征因水压大，水向裂隙中挤压发出的响声，说明离水体不远了，有突水危险；老窑水一般呈红色，含有铁，水面泛油花和有臭鸡蛋味。1.5矿井水防治的主要问题在煤矿生产中，矿井水往往由于以下几点而导致灾害：水文情况不清、设计不当、对防治水的措施不力、管理不善和人的思想麻痹所致。（1）
10、对可能发生水害的地点水害类型和水灾隐患底数不清，采掘工作面水害预测预报不及时，对有突水危险的地方监测不够或无监测制度，防治水措施与防探水措施不完善，造成矿井突水事故 ，带来不必要的损失。（2）各类防隔水煤岩柱未留设或留设不规范少数煤矿甚至越界超深跨界开采，破坏了井田边界防隔 水煤岩柱，使水文地质条件复杂化；（3）矿井排水设备包括水泵水管配电设备和水仓不完善，满足不了排水工作的要求。（4）地面防洪防水措施不当或管理不善，地表水多为雨季降水大量灌入井下引发水灾。（5）水文地质情况不清，井巷接近老空积水区 充水断层陷落柱强含水层以及打开隔离煤柱未执行探放水制度，盲目施工或虽进行了探水，但措施不当。（
11、6）井巷施工质量伪劣，致使矿井井巷严重 塌落冒顶跑砂导致透水，或工程钻孔在固井止水前误穿巷道，导致顶板含水透水。2 矿井水防治技术随着科技的发展，传统的技术手段已经逐渐被新型的方法所替代，这些技术结合实际情况较以往更好的解决了矿井水文勘测的绝大多数问题。2.1水文勘测这种方法主要就是根据不同的煤矿水害类型及特点有针对性的开展勘测工作，其具体内容包括：含水层隔水层 煤层等的水文情况。2.2地球物理勘测地球物理勘测技术是经过多年的研究使用并且不断改进完善的技术，已经日趋成熟，能够在煤矿水害的预防工作中发挥重要作用，这种方法方便、快捷，在近些年来的广泛推广和使用中，发挥了较为明显的效果，一般较为常用
12、的方法有以下几种：地质勘测瞬变电磁勘测技术、高分辨地电阻率方法探测技术、直流电方法探勘测技术、音频电穿透勘测技术、瑞利波勘测技术钻孔雷达勘测技术、地震槽波勘测技术等等，这些是比较常用的，除此之外还有超前机载雷达等技术也可以达到勘测的目的。2.3地球化学勘测技术这种方法利用不同时间的不同含水层的水质差异，化验水质，确定突水水源，得到含水层之间水力联系数据。主要的方法有：（1）水化学快速检测技术：快速检测矿井出水点或者钻孔的水样水质；（2）透水水源速识别技术：利用水化学的数据信息，根据采得的水质判断突水水源；（3）连通试验：一般在放水试验的时候使用，能够判断矿井充水水源，对分析含水层之间的水力联系
13、数据信息有着举足轻重的意义。2.4钻探技术近些年来，钻探技术迅猛发展，在井下探放水勘探煤层构造 勘探岩溶塌洞等不良地质等多方面的钻机、坑道钻机能力都有很大的提高，定向定时钻探技术也趋于成熟。现在的钻探技术已经达到随钻随纠错，自动纠偏的水平。2.5监测测试技术监测测试技术在防治煤矿水害的工作中也是比较重要的环节，它能够得到最基本的关于水位、水压等的数据信息，为水害防止工作提高有效的理论依据 其具体内容主要包含以下几种：基本水文地质监测煤层底板及防水煤柱突水监测、 原位地应力监测、岩体的水渗透性监测等。2.6三维地震技术三维地震技术，经历了10年的发展和完善，在矿山的应用已经走向成熟。三维地震技术
14、可以探明的范围是：长轴直径方向超过20m，短轴直径方向超过15m的陷落柱，并且其平面误差在15m以内；煤层倾角大于150的区段，其平面控制误差大于15m；落差超过5m的断层，可以解析出落差大于3m的断点 这样，可以保证断层平面摆动误差15m以内以及断层的质、落差、延伸方向和范围；煤层埋深及起伏形态，标高误差5m以内；第四系厚度，误差不大于5m。2.7实行上行式开采疏水降压太原组煤层顶板大部分为石灰岩，由于其含水性大，在采区开拓石门揭露单点最大涌水量为350m3/h。 因此，针对这种条件，可以实行疏水降压开采，但由于含水量较大，若等到降压至可采压时，需要78年时间。为早日投产，可以先开采解放层，
15、即实行上行开采方式，先采采区的下部煤层，后采其上部煤层。由于最下部工作面先开采后形成老空区，上部顶板灰岩水经裂隙（采动裂隙与自然裂隙）流入老空区。积水线超过石门标高后经石门沿大巷流出这样，既做到疏水降压保证安全，又及时回采了工作面，实现了尽快达产创造经济效益的目的。2.8瞬变电磁瞬变电磁法属于时间域电磁感应法。利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲场间歇期间利用回线或电偶极接收感应二次场。该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场，通过分析异常磁场找出异常区域。2.9超前探测对未进行三维地震勘探区域内进行掘进施工的巷道，用地质超前物探手段进行超前探测，避免了
16、巷道盲目揭露不明地质异常体。2.10其他技术为把我国矿井建设为数字化信息化和集约化的高产高效矿井，除了采取以上技术进行防治水外，还有很多技术可供应用，比如无线电波坑道透视水位监测、水质化验、工作面上行运输方式、工作面仰斜开采和预留大煤柱疏放老空水等技术这些技术都是煤矿企业已经得到验证的，具有很强的可用性。3 矿井水防治措施3.1矿井水防治遵循的原则（1）制定防治水工程计划前，应进行大量的实际调查和必要的预测工作，摸清来龙去脉，掌握变化规律。（2）坚持防治与利用结合井下与地表结合眼前与长远结合多种方法结合综合考虑的治水方针。（3）矿井工程布置 ，应按照矿井的开拓程序及速度，结合地形自然条件，采用由近到
