矿井水文地质勘探与水害防治.docx
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矿井水文地质勘探与水害防治
目前,河南陕县支建煤矿透水事故中获救的69名矿工已经全部康复出院。
但煤矿水害依然不能让人掉以轻心。
山东新汶煤矿特大透水事故,172名矿工遇难;广西田东县右江矿务局那读煤矿36名矿工因透水事故丧生……面对一系列透水事故,我们应该如何认识它们?
如何辨别其发生的前兆?
如何开展相关的防治工作,尽力避免类似的悲剧发生?
为了解答这些问题,我们必须加强煤矿的防治水工作,我矿举行了矿井水文地质勘探与水害防治技术的培训,让职工更好的了解引发水害事故的原因,遇到这样的事故应该如何去处理?
如何沉着冷静的去面对,如何进行自救和互救,防止和减少水害事故,保障煤矿职工生命安全。
一、概念
1、地下水的概念
1)地下水是指埋藏在地表以下,储存在岩石空隙中的水。
①岩石能含水的基本前提是岩石具有空隙。
②岩石内部并不是致密的,由许多相互连通的孔隙、裂缝和洞穴,故透水的岩层称为透水层。
③透水性最好的岩石是石灰岩和白云岩以及空隙大的砾岩和砂岩。
④含水层是指能透水且含有地下水的岩层。
⑤含水层的形成必须同时具备三个条件:
岩层具有连通的空隙、隔水地质条件和足够的补给水源。
2)、地下水的分类①重力水②承压水③孔隙水④裂隙水⑤岩溶水矿井充水条件
2、矿井充水
1)矿井充水①在矿井建设和生产过程中,各种类型的水源进入采掘空间的过程称为矿井充水。
②当涌入或渍入井巷的水量大,来势猛时,称为突水。
③形成矿井水灾的基本条件:
一是必须有充水水源,二是必须有充水通道。
两者缺一不可。
2)、矿井充水的水源分类⑴大气降水。
①大气降水的主要形式是雨雪。
②地面的雨雪水既是地下水的主要补给来源,同时也是矿充水的主要来源之一。
⑵地表水;地表水包括:
江河、湖海、沼泽、洼地积水、水库。
⑶地下水①地下水是矿井的直接充水水源。
②裂隙水的特点:
水量小,水压大,如与其他水源有水力联系,涌水量就会增加,造成淹井事故。
③岩溶水的特点:
水压高、水量大、来势猛、不易疏干,危害极大。
⑷老空水①老空水包括:
采空区、废弃的井巷、停采的小煤窑。
②老空水的特点:
静水压力大,来势凶猛,含有有害气体,容易造成人身事故。
3)、矿井充水通道⑴构造断裂带⑵冒落裂隙带⑶含水层的露头区⑷煤层底板岩层采动破坏带⑸封闭不良钻孔⑹导水陷落柱和地表塌陷
3、矿井水灾防治与处理
1)、做好矿井水文地质工作⑴做好水文观测工作①收集地面气象降水量与河流水水文资料;查明地表水体的分布、水量和补给、排泄条件;查明洪水泛滥对矿区、工业广场及居民点的影响程度。
②通过探孔和水文观测孔,观测各种水源的水压、水位和水量变化规律,分析水质等。
③查明矿井水的来源及矿井水和地下水、地表水的补给关系,观察矿井涌水量及季节性变化规律等。
⑵做好矿井地质工作①地表以下冲积层厚度、岩性、物质结构、透水性、含水性等。
②断层和裂缝的位置,错动距离,延伸长度,破碎带范围和含水、导水性。
③含水层与隔水层的数量、位置、厚度、岩性。
各含水层的涌水量,水压,渗透性,补给排泄条件,及其到开采煤层的距离。
④调查老窑和现采小窑的开采范围,开采经过;开采煤层及深度,积水区域及分布状况,勘探钻孔的填实状况及其透水性能。
⑤开采过程中围岩破坏范围及地表塌陷情况;观察或计算塌陷带、裂隙带、沉降带的高度,以及采动对涌水量的影响,判断是否透水等情况。
⑥井巷出水点的位置及其水量,老窑积水范围、标高和积水量,都必须绘在采掘工程平面图上。
水淹区域应标出探水线的位置。
2)、地面防治水
地面防治水是煤矿防治水的第一道防线①严格按《煤矿安全规程》规定选择井筒及工业广场。
②为了防治洪水进入煤层开采段或矿区内,一般可以在矿区上方山坡处,垂直于来水方向修建排洪渠,拦截洪水。
③防止地表水渗水。
④防止地面积水。
⑤对可能引起漏水的地表裂隙、塌陷、废弃钻孔,应及时用粘土充填或用水泥堵塞。
⑥加强防洪防汛工作,在每年的雨季来临之前和雨季期间,要加强对矿区内防洪工程的检查和防汛抢险工作,发现问题及时处理。
3)、煤矿井下防治水
⑴井下防水①合理进行开拓和开采②留设防水煤柱防水煤柱的种类有:
井田边界隔离、预防断层、被淹井巷、陷落柱、冲击层的防水煤柱。
严禁在各种防水煤柱中采掘。
⑵井下疏干排水①利用钻孔疏排地下水。
②利用巷道疏排地下水。
⑶《煤矿安全规程》对主要排水设备的要求:
①必须有工作、备用、和检修的水泵。
工作水泵的能力应能在20h内排出矿井24h的正常涌水量,备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%。
工作和备用水泵的总能力应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。
②水管:
必须有工作和备用的水管。
工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。
工作和备用水管的总能力应配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。
③配电设备:
应同工作,备用及检修水泵相适应,并能够同时开动工作和备用水泵。
⑷井下探放水①探放水的目的:
为有效的防治矿井水害做好必要的准备。
②探放水的原则:
“有疑必探,先探后掘。
”采掘工作面遇到下列情况之一时,必须确定探水线进行探水:
①接近水淹或可能积水的井巷、老空或相邻煤矿时。
②接近含水层、导水断层、溶洞和导水陷落柱时。
③打开隔离煤柱放水时。
④接近可能和河流、湖泊、水库、蓄水池、水井等相通的断层破碎带时。
⑤接近有出水可能的钻孔时。
⑥接近有水的灌浆区时。
⑦接近其他可能出水地区时。
⑸探放水的措施①加强靠近探水地点的支护,打好坚固的立柱和拦板,以防高压水冲垮煤壁和支架。
②认真检查排水系统,保持状态完好,准备好适当坡度和断面的排水沟及相当容积的缓冲水仓,加大排水能力。
③确定主要水孔的位置,由测量人员进行标定。
负责探水的领导必须亲临现场。
④探水地点要经常检查有无有害气体,发现有害气体溢出时,要及时采取通风措施。
⑤探水地点要安设专用电话,使其能够及时与矿调度室或中央水泵房联系。
⑥在探水时,制定安全退路,并使其畅通无阻;同时要与相邻工作地点保持信号联系,以便万一出水,马上通知受水害威胁地点的人员安全撤离。
⑦在水压较大的地点探水时,探水孔要设套管,以便安装水阀控制防水量,特别危险的地段,还应选择坚固地点修筑临时水阀门。
⑧打钻时,要时刻注意观察钻孔情况。
发现钻孔中水量,水压突然增大,以及出现顶钻等异常现象,应立即停钻检查,如钻孔内水的压力很大,应马上将钻孔固定,切勿移动或拔钻,钻机后面不要站人,以免高压水将钻杆顶出伤人或造成透水事故。
⑹防治水技术防:
煤矿井上、下防水设施及防水措施。
探:
煤矿井下探水。
堵:
注浆堵住出水口,或加固裂隙带,充填岩溶改造含水层,加固底板。
截:
留设各种防水煤柱,修筑水闸墙和水闸门。
排:
煤矿井下的排水设施和排水能力。
4、矿井水害的原因
1、工程和技术方面的原因⑴地面防洪、防水措施不当。
⑵水文地质情况不清。
⑶井巷位置不合理。
⑷施工措施不力、工程质量低劣。
⑸乱采乱掘破坏防水煤柱造成透水。
⑹测量错误导致巷道进入老空积水且造成透水。
⑺防水闸门未按设计修建。
⑻排水设备能力不足或机电事故而造成淹井。
⑼排水设施平时缺少维护2、管理方面的原因⑴“安全第一”的思想不牢固。
⑵投入的人力物力不充分。
⑶对探放水原则理解不够,执行中打折扣,心存侥幸。
⑷对矿工的安全培训不到位。
⑸防水工程质量验收把关不严。
5、矿井水害的危害
1、恶化生产环境。
2、增加生产成本。
3、缩短生产设备的使用寿命。
4、损失煤炭资源。
5、引起瓦斯积聚、爆炸或硫化氢中毒。
6、一旦失控(超过排水能力)造成淹井及人员伤亡。
6、透水事故的应急措施
1、透水前的预兆⑴挂红。
⑵挂汗。
⑶空气变冷。
⑷出现雾气。
⑸水叫。
⑹煤层顶板淋水加大。
⑺煤层顶板来压。
⑻底板鼓起。
⑼水色发浑,有臭味。
⑽采掘工作面有害气体增加。
⑾裂隙出现渗水。
2、透水事故的应急措施
⑴在场人员的行动原则①尽量了解判断事故的地点和灾害程度。
②在保证人员安全的条件下,迅速组织抢救。
③就地取材,设法堵住出水点。
④加固采掘工作面。
⑤有组织地沿着规定的避灾路线,迅速撤退到安全地点。
⑥来不及撤到安全地点,应保持冷静,坚信营救。
⑵透水事故的抢救措施①各级领导应准确地检查煤矿井下人员人数,如果发现尚有人员被堵于煤矿井下,应首先制定营救措施。
为此要判断人员可能躲避的地点,根据涌水量和排水能力,估计排除积水的时间。
当判断有人被堵于独头上山时,必要时可以在地面打钻孔向煤矿井下输送食物等。
②立即通知泵房人员,要将水仓水位降到最低程度,以争取较长的缓冲时间。
③水文地质人员应分析判断突水来源和最大突水量,测量涌水量大小及其变化,察看水井及地表水体的水位变化,判断突水量的发展趋势,采取必要的措施,防止淹没矿井。
④检查维护所有排水设施和输电线路,了解水仓现有容量,如果水中携带大量泥砂和浮煤时,应在水仓进口处的大巷内分段建筑临时挡墙,使其沉淀,减少水仓淤塞。
在水泵龙头被堵塞时,应组织会水人员清楚龙头上的杂物。
⑤检查防水闸门是否灵活、严密、并派专人看守,清理余渣,拆除短节轨道等,做好准备,侍命关闭。
在关闭水闸门时,必须查清人员是否已全部撤出。
⑥采取上述应急措施仍不能阻挡淹井时,煤矿井下人员应向高处撤退,迅速向安全出口转移,安全上井。
7、《煤矿安全规程》关于防治水的有关规定
1)、煤矿企业每年雨季前必须对防治水工作进行全面检查。
2)、井口及工业场地内建筑物的高程必须高于当地历年最高洪水位。
3)、相邻矿井的分界处,必须留防水煤柱。
4)、严禁在各种防隔水煤柱中采掘。
5)、煤层顶板有含水层和水体存在时,应当观测“三带”发育高度。
当导水裂隙带范围内的含水层或老空水影响安全开采时,必须超前探放水并建立疏排水系统。
注:
上三带:
①冒落带②裂隙带③弯曲带下三带:
①地板破坏带②完整岩层带③承压水导高带6)、承压含水层与开采煤层之间的隔水层能承的水头值大于实际水头值时,可以“带水压开采”,但必须制订安全措施,报企业主要负责人审批。
7)、承压含水与开采煤层之间的隔水层能承受的水头值小于实际水头值时,开采前必须采取下列措施,由企业主要负责人审批。
①采取疏水降压的方法,把承压含水层的水头值降到隔水层能承受的安全水头值以下,并制定安全措施。
②承压含水层不具备疏水降压条件时,必须采取建筑防水闸门,注浆加固底板,留设防水煤柱,增加抗灾强排能力等防水措施。
8)、防水闸门硐室前、后两端,应分别砌筑不小于5m的混凝土护碹,碹后用混凝土填实,不得空帮、空顶。
9)、防水闸门硐室和护碹必须采用高标号水泥进行注浆加固,注浆压力应符合设计要求。
10)、防水闸门来水一侧15~25m处,应加设一道挡物箅子门。
防水闸门与箅子门之间,不得停放车辆或堆放杂物。
来水时先关箅子门后关防水闸门。
11)、防水闸门必须灵活可靠,并保证每年进行2次关闭试验,其中1次应在雨季前进行。
12)、主要泵房至少有2个出口,一个出口用斜巷通到井筒,并应高出泵房底板7m以上;另一个出口通到井底车场。
13)、主要水仓必须有主仓和副仓,当一个水仓清理时,另一个水仓能正常使用。
14)、新建、改扩建矿井或生产矿井的新水平,正常涌水量在1000m3/h以下时,主要水仓的有效容量应能容纳8h的正常涌水量。
采压水仓的有效容量应能容纳4h的采区正常涌水量。
15)、防水闸门必须采用定型设计。
16)、对新掘巷道内建筑的防水闸门,必须进行注水耐压试验,水闸门内巷道的长度不得大于15m,试验压力不得低于设计水压,其稳定时间应在24h以上,试压时应有专门安全措施。
17)、水仓的空仓容量必须经常保持在总容量的50%以上。
18)、钻孔放水前,必须估计积水量,根据矿井排水能力和水仓容量、控制放水流量;放水时,必须设专人监测钻孔出水情况,测定水量、水压、做好记录。
19)、钻孔放水前,若水量突然变化,必须及时处理并立即报告矿调度室。
20)、水泵、水管、闸阀、排水用的配电设备和输电线路,必须经常检查和维护。
21)、水仓、沉淀池和水沟中的淤泥,应及时清理,每年雨季前必须清理1次。
22)、排除井筒和下山的积水以及恢复被淹井巷前,必须有矿山救护队检查水面上的空气成分,发现有害气体,必须及时处理。
二、水害事故的原因和案例分析
1、煤矿水害事故按照不同的分类标准,分类方案是不同的,按照水源类型划分,把煤矿水害事故可分为地表水、地下水和老空水。
第一类是地表水引起的煤矿水害事故。
地表水作为煤矿充水水源,主要包括江、河、湖、海、池塘、水库和大气降水多种类型。
2005年8月19日,吉林舒兰矿业集团五井由于矿井附近地面的“莲花泡”水体,通过相邻煤矿封闭不良的主井灌人井下引起的透水事故;2007年8月17日,洪水通过煤矿废弃砂立井和煤层露头空洞裂隙,溃入山东新泰市华源矿业有限公司井下造成的特别重大淹井事故,都属于地表水引起的灾害。
第二类是地下水引起的煤矿水害事故。
地下水包括松散层孔隙水、基岩裂隙水和岩溶溶隙(洞)水。
当采掘工作接近或穿透地下含水层时,往往就会造成透水事故。
我国典型的煤矿地下水害事故以华北型煤田奥陶系灰岩岩溶水为代表。
2003年4月12日,河北邢台东庞煤矿发生的特大陷落柱突水淹井事故,则属于地下水引起的灾难。
第三类是老空水引起的煤矿水害事故。
老空水是采煤形成的采掘空间积存的大量水体。
在后续采煤活动中,由于防水煤(岩)柱尺寸相对不足或人为破坏容易诱发透水事故。
近年来,较为典型的老空水透水事故有两起,一起发生在广东梅州兴宁市大兴煤矿,属上覆老空水透水事故;另一起发生在山西大同左云张家场乡新井煤矿,属侧向老空水透水事故。
2、近年来,全国煤矿水害事故多发的具体原因主要是我国煤矿水文地质条件复杂,水害类型多样,客观上给防治水害工作增加了很大的难度。
首先,是对水文地质条件认识不清。
一些煤矿未采取有效的手段对充水水源进行探查,在水害隐患没有排除的情况下盲目组织生产,致使煤矿发生水害事故。
其次,是对突(透)水机理研究还不够深入:
限于目前的研究水平,尽管有时水源是确定的,但对采矿诱发的导水通道的形成机理还缺乏足够认识,导致煤矿水害事故时有发生。
再其次,在探测技术方面仍存在着不足,尤其在导水构造探查方法上存在较大缺陷。
目前,对垂向导水构造,尤其是导水陷落柱缺乏有效的探测手段,致使此类水害事故仍然时有发生。
最后,是管理工作不到位,监管不力。
一些煤炭企业面临采掘接替紧张的局面。
不严格执行《矿井水文地质规程》和《煤矿防治水工作条例》,最终导致煤矿水害事故的发生。
3、造成煤矿水文地质条件复杂的因素
我国煤矿水文地质复杂的地质条件是由其所处的复杂区域地质环境决定的。
我国东部、西北部和西南部分别受到太平洋板块、欧亚板块和印度板块的俯冲和挤压,这就造成了断裂和谐皱构造在整个中国境内非常发青。
我国煤田在地质历史演化过程中经过了多次的构造运动洗礼和磨练后,不仅形成了支离破碎的断块式煤田,而且不同程度地加大了煤层的埋藏深度,同时也增加了煤田水文地质条件的复杂性。
我国煤矿水文地质条件的复杂性是美国、澳大利亚、德国等一些产煤大国不可同日而语的。
例如,澳大利亚的煤层无断层,呈水平状态,而我国的煤层是倾斜的。
此外,不管是华南还是华北地区,地下水比较充足,对煤炭开采也有一定的影响。
同时,我国还是能源大国,煤炭开采向深部进行。
而深部开采的水文地质条件更加复杂了。
当然复杂性还是由客观条件决定的,同时也有不能忽视的人为因素。
4、预防煤矿水害事故的发生重在预防,而预防必须重视煤矿水文地质基础工作。
查清矿井水文地质条件,重点确定与煤矿开采有关的充水水源,各类水源的赋存条件(分布范围、边界、与采掘空间的相对位置)。
分析水文地质条件,编制切实可行的水害防治规划方案和工程设计,编制水害防治预案及在必要时进行演练,按照“绕避原则”进行隔离,如对采空区水进行疏放或留设防水煤柱等。
同时,做好水位动态监测和突水量估算工作。
对前期物探方法确定的含水异常体或异常带应施工井下钻孔验证,确属含水异常体应采取放水疏降或注浆法通过。
此外,要最大限度地利用现有技术手段开展水源和导水通道探查。
绝大多数情况下,煤矿水害事故的发生都是有征兆的,如煤壁挂汗、挂汗、煤壁变冷、水叫、出现雾气、顶板淋水增大、水色发浑、有臭味、采掘工作面有害气体增加、裂隙出现渗水等。
捕捉突水发生的前兆信息,是做好矿井水害防治工作的一个重要环节。
5、我国煤矿水害防治水平
从我国的煤矿防治水工作从上世纪朋年代开始,80年代以来形成了各具特色的矿井水害防治理论和学术,主要包括“午三带”理论、原位张裂与零位破坏理论、板模型理论、关键层理论、采场底板“四带”划分理论、“强渗通道说”、“岩水应力关系说”等。
中国的煤矿水害事故在复杂性上是世界上各采煤国中少有,甚至是罕见的。
因此,中国的煤矿防治水水平足以代表世界水平。
例如在华北型煤田奥灰岩溶水上带压开采技术、水害事故诊断与治理技术以及在电法超前勘探、音频电穿透、高密度直流电法、并上下瞬变电磁勘探、示踪试验方面等科研成就受到了国际上的广泛好评。
但我国地质和水文地质条件复杂,南北条件差异很大,水害类型多种多样,不可能有一种理论像牛顿定律那样放之四海而皆准。
因此,任何一个受到水害威胁的矿区、都应该进行水害防治的具体研究工作,而不能完全以“规程”或“理论”为准绳来指导矿井水害防治工作。
6、我国煤矿水害防治的科学技术
通过一些科研项目,我们要在开发煤矿水害防治技术方法、地质异常体超前探测、矿井水害监测、老空区水害探测与防治关键技术及装备、深部煤炭资源开发突水机理及水害防治关键技术、快速封堵大型导水构造的关键技术及工艺研究、煤矿水害实时监测及预警系统开发与研制等方面继续研究。
目前,有四个具体的科研难题。
第一,巷道掘进过程中的超前探测问题:
探测距离不能满足掘进速度的要求。
第二,导水陷落柱的探查问题:
导水陷落柱诱发的突水事故往往损失巨大,对陷落柱的探查手段和方法尚不成熟,此类实水淹并事故时有发生。
第三,老窑水、采空区水的探测问题:
急需开发老窑水、采空区水探测技术及装备,为煤矿企业提供强有力的技术支持。
第四,华北型煤田下组煤开采下限问题:
随着浅部煤炭资源的枯竭,受水害威胁严重的下组煤开发已经提到重要的议事日程。
按照突水系数理论,突水系数小于《矿井水文地质规程》规定的临界值时,一般可以实现安全开采,大于临界突水系数的通过实施水害防治工程进行带压开采可以解放大量的煤炭资源,那么,突水系数在超过规程多大范围内才是安全的,涉及开采下限的确定问题。
矿井水文地质勘探与水害防治技术
主讲:
周兵则
地测防治水副总
时间:
2013.11.1-2013.11.6
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- 矿井 水文地质 勘探 水害 防治