1、喀斯特矿井突水预测及防治研究摘要喀斯特煤矿井是以岩溶充水为主，由于喀斯特的不均匀性造成造成矿井充水具有涌水量大,突发性较强，并与大气降水关系密切的特点，给煤矿生产安全带来的威胁越来越大。通过分析喀斯特矿井的充水水源和充水条件，提出水害防治的初步技术方案，对矿井进行安全生产，具有重要意义。关键词：水文地质条件，充水途径，水害防治AbstractIt is kaster water filled give priority to karster region colliery best. Owing to karster developmental offset wrought shaft wat
2、er filled nonuniformity, quantity outburst larger,stronger,combine with atmospheric precipitation intimate.Flooding injury threat to produce safety in production more and more heavy.it has important reference sense to south country,s karst section of similar condition coalmine flooding injuryprevent
3、ion and cure.keyword: geohydrologieeondition, fillavenue, injurypreventionandeure 1喀斯特矿井突水预测及防治研究1.1 课题研究目的和意义矿井突水是煤矿生产的重大灾害之一，进入21世纪由于能源紧张，煤炭市场的好转，随之带来的煤矿灾害事故也增多。尽管多年来矿业工作者一直致力于这方面的研究工作，但是由于我国的地质条件复杂，开采方式各异，再加上生产技术、探测技术、监测技术水平的限制，导致煤矿突水事故时有发生。随着开采水平的延深和开采范围的扩大，这种对煤矿安全生产的威胁也会越来越严重。据不完全统计，中国统配煤矿的100多
4、个矿务局，600余个生产矿井，受到水害威胁的有225处，影响核定生产能力约1.4亿t/a，占统配煤矿生产能力的30%:生产矿井现有储量约400亿t，但由于受水害的威胁，其中109亿t不能或不敢开采，直接影响到许多矿务局的生产接续和服务年限。在可供建井的探明储量有400亿t，其中受水害威胁的占27%。1955一1990年底，曾发生各类矿井突水灾害821次，造成淹井227次，直接经济损失达37亿元，少生产煤炭1.2亿t，造成人身伤亡1380人。由此可见煤矿突水问题是煤矿安全生产中急需解决的重大实际问题。我国煤矿床水害类型主要分为喀斯特充水煤矿床、砂岩裂隙充水煤矿床、第四系水及地表水充水煤矿床。其中
5、喀斯特地区煤矿井是以岩溶水充水为主，由于喀斯特发育的不均匀性造成矿井充水具有不均匀、量大、突发性较强，并与大气降水密切的特点，矿井水害给煤矿生产安全生产带来的威胁也越来越大，与瓦斯爆炸共同成为煤矿山重大的安全隐患。鉴于此，开展喀斯特煤矿矿井突水预测和水害防治的研究，对指导煤矿山矿井安全生产，有重要的现实意义。1.2 国内研究现状在煤层开采后的覆岩运动和破坏特征研究方面，煤炭科学研究院刘天泉院士提出了覆岩破坏学说。按照长壁开采后，覆岩变形破坏特征及其导水性能，将上覆岩层分为“三带”：即冒落带、裂隙带和整体弯曲下沉带在涌水量预测方面，现场常用的方法是类比法和大井法有的学者采用了统计学方法、力学平衡
6、和能量平衡方法，并在研究、验证预测涌水量的数学模型研究方面作了大量的工作，如中国矿业大学的武强等提出了解决煤层顶板涌(突)水灾害定量评价的“三图一一双预测法”。邓纲等采用模糊聚类分析法预测顶板砂岩含水层涌水量。王强等通过对开滦矿务局范各庄煤矿进行采区综合勘查成果的介绍，阐明利用综合物探技术查明老窑采空区、陷落柱及断层的富水性，是较为有效的方法之一，特别是利用瞬变电磁法对断层富水性的研究效果比较好。洪雷等利用最大效果测度值法对燕子山矿层工作面突水水源及成因进行了研究判定了突水水源和导水通道。马广明等利用井下直流电法与红外测温技术预测回采工作面顶板隐伏含水区。在顶板水害预测方面，刘小松等利用GIS
7、对东滩煤矿顶板突水进行了预测预报，从建立突水的概念模型导运用GIS的手法进行建模并得出最终结果。1.3 国外研究现状目前国外防治顶板突水主要采用主动防护法，即采用地面垂直钻孔，用潜水泵专门疏干含水层。其疏干工程己逐渐采用电脑自动控制;国外堵水截流方法也有很大发展，建造地下帷幕方法越来越受到重视。为充分利用隔水层厚度，减少排水量，国外正在对隔水层隔水机理、突水量与构造裂隙的关系、隔水层稳定性与临界水力阻力的综合作用等进行研究。国外研究人员开发的动态预测软件 zoneBudget对预测精度要求较高的回采工作面的整体和分段工程涌水量动态预测问题的研究，具有一定优势。在顶板含水层富水性研究方面，除了传
8、统的水文地质分析方法外有的学者运用多源地学信息复合叠加原理，根据多个水文地质物理场的不同特征，相互对比验证，对充水含水层的富水性进行系统的综合的分析。2研究方法及内容2.1 研究思路喀斯特矿井充水水源来自含水丰富的岩溶含水层，受岩溶发育控制，岩层中发育地下集中径流管道，地下水的补给不但有矿区范围内大气降水的补给，而且还有来自矿区外上游地表河流的转入地下水的补给主要来源于大气降水，由于地表地形坡度较大，岩溶发育，山区地带地表汇集的降水除少部分沿岩石中节理、裂隙渗入地下外。大多迅速汇集于地势低洼的沟谷地带形成地表溪流。而碳酸盐岩分布区大气降水则汇集于岩溶洼地、槽谷中，沿地表落水洞等迅速转入地下补给
9、地下水。地下水在含水层中集中径流，开采中矿井一旦沟通含水层，矿井涌水量大，甚至将在地下水集中径流管道地带产生突水，将是灾难性的、突发的、不可逆转的事故。我国受厚层灰岩岩溶水害威胁的煤矿床较多，开采中发生的厚灰岩突水事故约占各类水害事故的25。此类水害由于突水量大，常易发生恶性淹井事故。受岩溶水威胁的煤炭储量约占受水威胁总储量的40以上，主要为华北型煤田。华北型煤田厚层灰岩含水层主要是奥陶系灰岩含水层，一般构造正常地区均赋存于主采煤层以下。主采煤层与岩溶厚灰含水层之间常有不同厚度的煤系隔水保护层，灰岩顶面又常有一定厚度的风化残积铝土充填带存在，在不同程上有利用隔水保护层的可能性。因此，此类奥灰突
10、水常与构造有关，而且经常发生在：断层使开采煤层与厚灰对接，当巷道掘进至断层带或断层附近，断层另一侧奥灰含水层的水便大量突入矿井；小断层带垂向导水裂隙突水。这两种情况下的突水约占此类水害的80以上。此外，还有由于奥灰岩溶陷落柱造成的突水，这种水害虽较少发生，但危害很大，难于预测预防，为查明此种水害隐患，需要投入较大的勘探工程量。因此，防治华北型煤田奥灰岩溶水害的发生，其重点应放在采区水文地质工作方面，查明每一个工作面的地质构造及破坏情况；查明奥灰与煤层间隔水层厚度：查明奥灰充填带的厚度，隔水层原始导升水的高度及奥灰含水层的富水性是确定防治水措施的基础。防治此类水害常采用的方法有疏供结合，疏水降压
11、，区域截流，含水层防水改造，帷幕注浆等。2.2主要研究内容本文通过收集资料，分析研究矿区水文地质特征及有关参数，分析地下水运动规律和井下涌水的影响因素，分析矿区水文地质条件，预测矿井涌水量并提出矿区防治水的初步技术方案.具体工作内容：1.根据区收集资料，研究矿区的水文地质条件。2.研究分析矿区地下水含水层的空间特征。3.分析可能造成矿井突水的充水水源、充水途径。4.提出水害防治初步技术方案措施。3充水来源3.1直接充水水源地表水体包括江河、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时，在适当条件下，这些水会直接涌入矿井巷道成为充水水源。地表水能否进入进入井下，由一系列的自然因素
12、和人为因素决定，主要取决于巷道距水体的远近、水体与巷道之间的地层及构造条件和所采用的开采方法。一般来说矿体距地表水体愈近影响愈大。地表水不仅可以造成矿井突然涌水，严重情况下会导致水砂同时溃入矿井。地表水充水矿床的涌水规律有：（1）矿井涌水动态随地表水的干枯成季节性变化，且其涌水量强度与地表水的类型、性质和规模有关。受季节性流量变化大的河流补给的矿床，其涌水量亦成季节性周期变化。（2）矿井涌水强度还与井巷地表水体间距、岩性与构造条件有关。一般情况，其间距愈小，则涌水量愈大；期间岩层的渗透性越强。（3）采矿方法的影响。有的矿床在天然条件下并不充水，但因采用不适当的采矿方法，造成沟通地表水渗入的人工
13、通道，使矿井涌水，甚至造成突水事故。地表水能否进入井下，主要取决于巷道距水体的远近和水体与巷道之间的地层及构造，其次是所采用的开采方法。我国华北与华南许多煤田分布在山区边缘，矿区常有小河和湖泊分布，它们多处于渗透良好的砂、砾石之上，这是地表水体下渗的有利条件。3.2间接充水水源3.2.1大气降水大气降水是矿区地下水的主要补给来源，充水含水层中地下水接受补给后，其地下水可通过采空塌陷带、导水裂隙带及突水带间接或直接进入矿坑，对矿床进行充水，故为矿床充因素。对于地下开采的矿井，降水一般是通过补给水层后转变地下水，在进入矿井中，它是间接充水水源。大气降水对矿井的作用取决于降水量本身大小以及充水层接受
14、降水的条件，所有矿床充水条件都直接或间接地与大气降水有关。大气降水的渗入量，与该地区的气候、地形、岩石性质、地质构造等因素有关，当其成为矿井涌水主要水源时。水的间接充水3.2.2老窑积水古井、小窑、废巷及采空区积水 采掘工作面接近或沟通时，老空水进入巷道或工作面 山西陵川县关岭山煤矿、徐州旗山矿、峰峰四矿等矿区都发生过老空水的水害。3.3充水途径分析3.3.1构造断裂带由于张性裂隙带在井田区地表形成了一系列相互平行的沟谷根据勘探钻孔简测资料编制成的井田区地下水流场图也明显地反映出沿北东向构造节理带地下水位形成“低槽”，揭示了这些节理带具有较好的导水性，沿这些地带地下水相对富集，已经形成了地下水
15、的集中径流和排泄带。并成为未来开采条件下岩溶含水层中地下水向矿井充水的天然通道。断层是在岩体形成后的地质运动过程中，沿岩体内破裂面发生明显位移的地质构造。断层的形成是一个极其复杂的力学过程，首先是处于三维压（拉）应力状态下的岩层由于主应力之差造成的剪应力大于岩石的抗剪强度，岩石发生破裂（岩石开裂阶段）；当主应力差造成的剪应力超过该破裂面两侧岩块的摩擦阻力时，两盘沿破裂面发生相对滑动（断层形成阶段）；最后是断层两盘的多次错动，并维持相对稳定的过程（断层发育相对稳定阶段）。断层主要包括断层面、断层线、断层盘三个要素。断层面是指岩层或岩体沿其发生相对位移的破裂面。断层两盘错动时的强大摩擦阻力作用，导
16、致断层面附近的两盘岩石破裂，产生大量羽状扭裂隙和张裂隙，甚至出现低序次支断层。从而在两盘形成裂隙发育带。典型的断层破碎带，他的横剖面可以分为性质不同的两个带：内带构造岩带：外带断层影响带。从力学性质上说，煤系中发育的断层可分为五种：张性、压性、扭性、张扭性和压扭性断层。由于石炭一二叠纪煤系形成时间较长，经历了数次大的构造运动，煤系中的断层，尤其是规模较大的断层常具有多期活动的特点。华北石炭一二叠纪煤田的基本构造格局一般形成于中生代的燕山运动，喜山运动叠加于前期构造形迹基础之上，对其进行改造，并形成了一系列新的构造。华北煤田总体构造以张性、张扭性断层为主，造成矿井突水灾害的断层类型也主要为这些断层，尤其是形成时代较新或近期有活动的断层。3.3.2顶板导水裂隙带顶板水只反映含水层水与开采煤层所处的相对位置，与水源丰富与否、水害大小无关。同一含水层水，既可以是上覆煤层的底板水，又同时是下伏
