礦井突水綜合防治技術(shù)

徐建文,石偉良,王 飛,孫 康

(中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

礦井突水綜合防治技術(shù)

徐建文,石偉良,王 飛,孫 康

(中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

介紹我國煤礦的水文地質(zhì)條件和礦井充水條件,分析了礦井突水征兆和突水原因,并提出了地表水及井下水的針對(duì)性防治措施,為煤礦防治突水災(zāi)害提供了一些可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

礦井突水;水文地質(zhì);充水水源;突水征兆;突水防治

Comprehensive Prevention Technology ofWater Busting in M ine

我國礦井水害事故類型主要有：地表水體水害事故,占煤礦突水事故的 4.9%;沖積層水水害事故,占 1.4%;砂巖類含水層水害事故,占 1.4%;灰?guī)r類巖溶水水害事故,占 92.3%。礦井突水所引起的水害會(huì)造成礦井局部或全部淹沒,威脅采掘工作面或礦井安全,因排水增加采煤成本,影響生產(chǎn)和人員健康。因此,礦井突水水害的防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)影響。

1 我國煤礦的水文地質(zhì)條件

我國煤田的水文地質(zhì)特征多變,礦井水害的形式和危害程度各異。根據(jù)成煤地質(zhì)時(shí)代、煤層的賦存分布、水文地質(zhì)條件和水害特點(diǎn),一般將我國礦井水文地質(zhì)條件及水害程度劃分為 8個(gè)區(qū)域類型：南方早石炭統(tǒng)的巖溶 -裂隙水;華北石炭二疊系的巖溶 -裂隙水;華南晚二疊統(tǒng)的巖溶水;晚三疊世的裂隙水;西北侏羅紀(jì)的裂隙水;東北晚侏羅 -早白堊統(tǒng)的裂隙 -孔隙水;西藏 -滇西中生界的裂隙水;臺(tái)灣第三系的裂隙 -孔隙水。

2 礦井充水水源

礦井充水的水源主要包括直接水源和間接水源,直接水源有礦體及圍巖空隙中的地下水、地表水和老窯積水;間接水源是指大氣降水。其中礦體及圍巖空隙中的地下水又包含了孔隙水水源、裂隙水水源、喀斯特水源 3種。不同的礦井充水水源具有不同的特點(diǎn),會(huì)引發(fā)不同的礦井充水模式,也會(huì)產(chǎn)生程度不等的水害。

3 礦井突水征兆

礦井突水過程主要取決于水文地質(zhì)條件和采掘現(xiàn)場條件。一般突水事故可總結(jié)為 2種情形：第 1種是突水涌水量小于礦井的最大排水量,地下水可以形成穩(wěn)定的降落漏斗,導(dǎo)致礦井需要長期排水;第 2種是突水涌水量超過礦井的最大排水量,造成整個(gè)礦井或部分采區(qū)淹沒。根據(jù)很多煤礦的現(xiàn)場資料可知,礦井發(fā)生突水時(shí)通常會(huì)顯示出多種突水征兆：

(1)一般預(yù)兆 煤層逐漸變潮濕、松軟;煤幫發(fā)現(xiàn)滴水、淋水現(xiàn)象,且淋水逐漸增多,有時(shí)煤幫會(huì)顯現(xiàn)出鐵銹色水跡;工作面的氣溫明顯降低,偶爾會(huì)出現(xiàn)霧氣或硫化氫 (臭雞蛋)氣味;有時(shí)也可能聽到前方或附近有水的 “嘶嘶”聲;礦山壓力顯現(xiàn)現(xiàn)象明顯增大,可能有片幫、冒頂及底鼓現(xiàn)象發(fā)生。

(2)底板灰?guī)r含水層突水預(yù)兆 工作面壓力增大,底板鼓起,底鼓量有時(shí)高達(dá) 500mm以上;工作面底板產(chǎn)生裂縫,并有逐漸增大的傾向;沿裂縫或煤幫出現(xiàn)滲水,隨著裂縫的增大,滲水量增加。當(dāng)?shù)装鍧B水發(fā)展到一定程度時(shí),滲水現(xiàn)象逐漸消失,水色時(shí)清時(shí)濁,主要受底板活動(dòng)影響,當(dāng)?shù)装寤顒?dòng)強(qiáng)烈時(shí)水變渾濁,底板活動(dòng)穩(wěn)定時(shí)水色變清;突水強(qiáng)烈時(shí),底板會(huì)破裂,沿裂縫還有高壓水噴出,并伴有 “嘶嘶”聲或刺耳的水聲;底板可能發(fā)生“底爆”,并伴有巨響,地下水大量涌出,水色呈乳白色或黃色。

(3)松散孔隙含水層突水預(yù)兆 突水部位煤層或巖層發(fā)潮、滲水且滲水現(xiàn)象逐漸加大,仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)水中可能含有少量細(xì)沙;發(fā)生局部冒頂現(xiàn)象,水量突然增加并出現(xiàn)少量流沙,流沙呈間歇性,水色也時(shí)清時(shí)混;頂板發(fā)生潰水、潰沙現(xiàn)象,這種現(xiàn)象會(huì)影響到地表,致使地表出現(xiàn)塌陷坑。

4 礦井突水的防治措施

為了保障礦井建設(shè)和生產(chǎn)正常進(jìn)行,保證煤礦工人的人身安全,降低礦井突水發(fā)生的幾率和危害程度,必須采取相應(yīng)的預(yù)防和治理技術(shù)。礦井突水的防治必須堅(jiān)持 “預(yù)測預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”,即“預(yù)防為主,防治結(jié)合”的原則,并依據(jù)不同礦井或采區(qū)的具體水文地質(zhì)條件,合理地選擇方法和技術(shù)進(jìn)行綜合治理。

4.1 礦井突水預(yù)測

在查明礦區(qū)充水條件、地下水補(bǔ)給條件和地質(zhì)條件的同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)易于突水構(gòu)造部位的預(yù)測,特別是在斷裂帶附近,煤層底板有強(qiáng)含水層存在的地方。采掘前應(yīng)利用礦區(qū)已有的水文條件,地質(zhì)構(gòu)造、突水水量及位置、巖溶發(fā)育程度、觀測孔數(shù)據(jù)等資料進(jìn)行綜合整理分析,編制出不同塊段的富水程度分布圖,并劃分出相對(duì)安全區(qū)和突水危險(xiǎn)區(qū)。將礦區(qū)采上層煤見到的陷落柱編繪到陷落柱分布圖上,再將煤系砂巖水或薄層灰?guī)r水和煤層底板厚層含水層的等水壓線,綜合繪制成導(dǎo)水陷落柱預(yù)測圖。采掘過程中對(duì)突水危險(xiǎn)地段、易于突水的構(gòu)造部位,可利用鉆探方法、放射性測量、物探方法等預(yù)測突水可能出現(xiàn)的地點(diǎn)和時(shí)間。

4.2 礦井突水的治理

4.2.1 地表防治水

地表防治水顧名思義是指在地面修筑防排水工程,從而減少大氣降水和地表水補(bǔ)給含水層或直接滲入礦井。措施主要有：

(1)合理選擇井筒位置 選擇井筒位置時(shí)應(yīng)保證井口及其他地面設(shè)施不致被地表水淹沒,因此井口及其他建筑物基礎(chǔ)的標(biāo)高均應(yīng)高于歷年最高洪水位,受地形限制時(shí)可采取修筑防水堤壩或改變水流方向等措施。

(2)修建排水溝 在一些山區(qū),降水常以地表水或潛水的形式流入礦區(qū),淹沒井口或工業(yè)廣場,或者沿煤層、地表塌陷裂縫、含水層露頭帶滲入井下,從而使礦井涌水量增多。此時(shí)可在井田外緣或漏水區(qū)段上游垂直水流方向修筑排水溝,攔截山洪或淺部地下水,將水排至影響范圍之外。

(3)堵塞通道 對(duì)礦區(qū)地表由采礦活動(dòng)所引起的裂縫、塌陷坑、洞穴等漏水地帶,用黏土、水泥或混凝土將其堵塞夯實(shí),對(duì)于較大的塌陷坑和裂縫,通常下部充以碎石,上部覆蓋黏土夯實(shí)并稍高出地表,以防水流滲入。

(4)河流改道 若礦區(qū)內(nèi)有河流流入礦區(qū)附近或礦區(qū)內(nèi),并嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)時(shí),可在河流進(jìn)入礦區(qū)的上游地段選擇合適地點(diǎn)修筑攔水壩,將原河道截?cái)?用人工河道將河水引出礦區(qū)范圍;若地形不允許改道,而河道本身又很彎曲時(shí),可在礦區(qū)或井田范圍內(nèi)采取去彎取直的方法,縮短河道流經(jīng)礦區(qū)的長度,減少向井下滲透的水量。在山區(qū)開挖河道比較困難時(shí),可以開挖平硐將水引走。

(5)鋪設(shè)人工河床 遇到流經(jīng)礦區(qū)的河流、渠道不能改道時(shí),可在河床漏水地段利用黏土、片石、水泥等材料鋪砌不透水的人工河床,或局部填塞裂縫,以制止或減少河水滲漏。

4.2.2 井下防水

由于采掘工程破壞了巖層的天然狀態(tài),降低了巖土的強(qiáng)度,地表水、老窯積水以及含水層中的地下水就有可能在水壓力作用下,通過薄弱地段潰入井下,這就需要直接在井下采取防水措施,以消除或削弱地下水的威脅。井下防水措施包括超前探放水、留設(shè)防水煤柱、疏水降壓、注漿工程、設(shè)置防水建筑物等：

(1)超前探放水 在一些礦井范圍內(nèi),對(duì)小窯老空、積水舊巷道、充水?dāng)鄬蛹昂畬拥奈恢煤秃闆r尚不清楚,當(dāng)采掘工作面接近這些地區(qū)時(shí),為消除隱患而事先進(jìn)行超前探水,探明工作面前面的水情,在有水時(shí)根據(jù)水量的大小有控制地將水放出后,再進(jìn)行采掘工作,以保證安全生產(chǎn)?？煽厥降装宸潘@孔如圖 1。

圖1 可控式底板放水鉆孔

(2)留設(shè)防水煤柱 在受水害威脅的地段留設(shè)一定范圍的煤層不采,使工作面和水體保持一定距離,以防止地下水或其他水源滲入工作面,所留的煤層稱為防水煤柱。留設(shè)防水煤柱需要一定的條件,煤層露頭直接被疏松含水層覆蓋或位于地表水體之下,而含水層或地表體又無法疏干時(shí),應(yīng)設(shè)防水煤柱;煤層局部位于強(qiáng)含水層之下時(shí),應(yīng)留設(shè)防水煤柱;煤層直接與強(qiáng)含水層接觸或與強(qiáng)含水層接觸又被其局部掩蓋時(shí),應(yīng)留設(shè)防水煤柱;巷道接近底板承壓含水層時(shí),如有底板突破的危險(xiǎn),則應(yīng)留設(shè)防水煤柱;煤層與充水?dāng)鄬踊驇r溶陷落柱接觸時(shí),應(yīng)留設(shè)防水煤柱;巷道接近被淹井巷和積水小窯老空區(qū)等,積水量很大又不宜疏干時(shí),應(yīng)設(shè)防水煤柱。

(3)采用疏水降壓工程 所謂疏水降壓,就是對(duì)威脅煤礦安全生產(chǎn)的充水含水層,在人為控制下采取工程技術(shù)和相應(yīng)的排水設(shè)備進(jìn)行合理地疏排放,使其水位降至安全生產(chǎn)所需要標(biāo)高之下的一種工程技術(shù)。一般適用于主要充水含水層的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量不充足的條件。例如：當(dāng)?shù)装甯羲畬拥暮穸?小于安全生產(chǎn)的臨界厚度,但下伏含水層的規(guī)模不大,補(bǔ)給水量有限時(shí),可以采取加大礦井的排水能力,進(jìn)行深度強(qiáng)排,從而根除水患,確保安全。目前國內(nèi)主要采用的疏水降壓措施有：疏水巷道、抽水鉆孔或疏水鉆孔等。

然而,當(dāng)?shù)装甯羲畬雍穸容^小,下伏含水層水量豐富,分布廣泛時(shí),疏水工程的難度和耗資就會(huì)增多。這時(shí)可以充分利用地質(zhì)構(gòu)造,對(duì)一些封閉或基本封閉的含水層段進(jìn)行逐一的疏水降壓;對(duì)于未完全封閉的地方,可采用孔排注漿的方法,封堵缺口,形成防水帷幕,然后再進(jìn)行疏水降壓。如圖 2。

圖2 含水層巷道疏降工程

(4)合理選擇利用注漿工藝 注漿工藝的應(yīng)用,主要包括注漿堵截水和注漿加固改造底板。當(dāng)隔水底板明顯小于臨界厚度值時(shí),就必須采用注漿技術(shù)有效控制和降低水壓。注漿前期應(yīng)該用物探方法查明下伏含水層頂部的巖溶、裂隙的分布情況。然后選擇適當(dāng)?shù)淖{工藝使其封閉,并充當(dāng)隔水層的作用,進(jìn)而加大了隔水底板的厚度至大于臨界厚度值;對(duì)于斷層較多,裂隙發(fā)育完全的碎裂底板,必須采取超前探測水,之后實(shí)施注漿,從而封閉了導(dǎo)水裂隙,加大了底板巖層的強(qiáng)度;當(dāng)掘進(jìn)或回采過程中遇到個(gè)別斷層或陷落柱突水時(shí),可在查明具體情況后進(jìn)行局部注漿堵水,從而達(dá)到安全開采的目的。底板注漿改造加固工程如圖 3。

圖3 底板注漿改造加固工程

(5)構(gòu)筑防水建筑物 為了攔截水源,阻斷井下局部地區(qū)的涌水,以使其不影響其他地區(qū),從而將采掘工作面與水源隔離,避免礦井受突然涌水的襲擊,此時(shí)應(yīng)在井下適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)構(gòu)筑水閘門或水閘墻。水閘門一般設(shè)置在可能發(fā)生涌水需要堵截而平時(shí)仍需運(yùn)輸或行人的巷道內(nèi),如井底車場、井下水泵房和變電所的出入口等。對(duì)于水大礦井必須設(shè)計(jì)密封式泵房,以保證礦井全部淹沒而泵房與變電所安然無恙,仍可照常運(yùn)轉(zhuǎn)、排水以至恢復(fù)礦井的正常生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

在我國煤礦生產(chǎn)中,礦井突水現(xiàn)象是普遍存在的。對(duì)于不同類型的礦井突水事故要查明原因,采取不同的措施。同時(shí),繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)各種突水現(xiàn)象的原因和征兆的分析研究,設(shè)計(jì)出礦井突水各種防治措施,將對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有極為重要的意義。

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TD745

B

1006-6225(2010)04-0112-03

2010-03-21

“國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目”大學(xué)生科技創(chuàng)新基金 (091029001)

徐建文 (1988-),男,安徽淮北人,本科,現(xiàn)就讀于中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院。

王興庫]

綜 述