煤矿水害防治理论与技术

　　　　　 武 强

　　 国际水文地质学家协会（ IAH ）中国国家委员会 副主席　　　国家安全生产专家组 成员　　　国家煤监局”水害防治”专家组 组长　　　 010-62314681; 13601225324 wuq@cumtb.edu.cn

中国矿业大学（ 北京 ) 水害防治与水资源研究所

第一节 我国煤矿水害类型及分布第一节 我国煤矿水害类型及分布

1

构 造 带

川滇构造带

2

4

5

6

3

第二节 矿床充水条件分析矿床充水条件分析

矿床充水的基本条件可分为自然条件和人为条件两大类。 （一）自然充水水源 1. 大气降水 大气降水是地下水的主要补给来源，所有矿床充水都直接或间接地与大气降水有关。但这里所讲大气降水水源，是指矿床直接充水的唯一水源。

2. 地表水水源 在有大型地表水体分布（海、湖、大河流、水库、水池）的矿床地区，查清天然条件下和矿床开采后的地表水对矿床开采的影响，是矿区水文地质勘探和矿井水文地质工作的头等重要大事，是评价矿床开采价值的重要内容。

3. 围岩地下水水源 围岩地下水充水类型划分 : ① 根据充水岩层性质不同可分为：砂砾石孔隙充水矿床，坚硬岩层裂隙充水矿床，岩溶充水矿床。②根据矿层与充水岩层接触关系不同可分为：直接充水矿床，间接充水矿床。③ 根据矿层与充水岩层相对位置不同可分为：顶板水充水矿床，底板水充水矿床，周边水充水矿床。

1. 点状岩溶陷落柱通道 岩溶陷落柱在我国北方较为发育，在地下水的长期物理和化学作用下 , 中奥陶统灰岩形成了大量的古喀斯特空洞 , 在上覆岩层和矿层的重力作用下 , 空洞溃塌并被上覆岩层下陷填实，被下塌的破碎岩块所充填的柱状岩溶陷落柱像一导水管道沟通了煤系充水含水层中地下水与中奥陶统灰岩水的联系 , 特别位于富水带上的岩溶陷落柱 , 可造成不同充水含水层组中地下水的密切水力联系。岩溶陷落柱的地表特征比较明显 , 特别在基岩裸露区更为明显。

( 二 ) 充水天然通道矿床充水天然通道主要包括点状岩溶陷落柱、线状断裂（裂隙）带、窄条状隐伏露头、面状裂隙网络（局部面状隔水层变薄或尖灭）和地震裂隙等。

2. 线状断裂 ( 裂隙 ) 带通道 断裂带是否能够成为充水通道主要取决于断裂带性质和矿床开采时人为采矿活动方式与强度。这里重点分析断裂带的性质，后面问题在充水人为因素部份讲述。

3 窄条状隐伏露头通道

在我国大部分煤矿山 , 煤系薄层灰岩含水层和中厚层砂岩裂隙含水层以及巨厚层的碳酸盐岩含水层多呈窄条状的隐伏露头形式与上覆第四系松散沉积物不整合接触 . 影响隐伏露头部位多层充水含水层组地下水垂向间水力交替的因素主要有两个 .

4. 面状裂隙网络 ( 局部面状隔水层变薄区 )

根据含煤岩系和矿床水文地质沉积环境分析 , 在华北型煤田的北部一带 , 煤系含水层组主要以厚层状砂岩含水层组为主 , 薄层灰岩沉积较少。 在厚层砂岩含水层组之间沉积了以细砂岩、粉细砂岩和泥岩为主的隔水层组 . 在地质历史的多期构造应力作用下 , 脆性的隔水岩层受力后以破裂形式释放应力 , 致使隔水岩层产生了不同方向的较为密集的裂隙和节理 , 形成了较为发育的呈整体面状展布的裂隙网络。

二 矿床充水的人为条件（一）人为充水水源

1.袭夺水

由于矿床开采，降落漏斗不断扩展，人工流场强烈改造矿区天然地下水流场，人工地下水流场获得新的补给水源称为袭夺水源。袭夺水源存在下列几种情况；①位于矿床地下水排泄区的泉水；②位于矿床地下水排泄区的地表水（海、湖、河）体；③位于矿床地下水迳流带内的排泄区一侧相邻含水层；④相邻水文地质单元地下水。

2.老窑水 老窑水一般分布在老矿山的浅部，它具有下列充水特点： ①老窖水以静储量为主，静储量与采空区分布范围有关；②老窖水为多年积水，水循环条件差，水中含有大量 H2S气体，并多为酸性水，有较强的腐蚀性。③老窑突水一般水势迅猛，硫化氢气体危害性大。

（二） 充水人为通道

矿坑充水人为通道包括顶板冒落裂隙带、地面岩溶疏干塌陷带和封孔质量不佳钻孔等。

1. 顶板冒落裂隙带

采空区冒落后，形成的冒落带和导水裂隙带是矿坑充水的人为通道，其特点如下：①当冒落裂隙带发育高度达到顶板充水岩层时，矿坑涌水量将有显著增加，当未能达到顶板充水岩层时，矿坑涌水无明显变化；②当顶板冒落裂隙带发育高度达到地表水体时，矿井涌水量将迅猛增加，同时常伴有井下涌砂现象。

2. 地面岩溶疏干塌陷带

随着我国岩溶充水矿床大规模抽放水试验和疏干实践，矿区及其周围地区的地表岩溶塌陷随处可见，地表水和大气降水通过塌陷坑充入矿井。有时随着塌陷面积的增大，大量砂砾石和泥砂与水一起溃入矿坑。

三 矿床充水强度分析

在自然界分布矿床中，单一充水水源和充水通道是少见的。从水文地质剖面可以看出，矿层（体）上部和下部往往分布多个充水含水层组。究竟哪个是充水岩层？哪个不是充水岩层？哪个是强充水岩层？哪个是弱充水岩层？回答这些问题的方法称为矿床充水强度分析。

根据矿山调查资料表明，矿床开采后矿井充水强度除取决于充水含水层的富水性、导水性、厚度和分布面积外，还取决于三个防线。第一防线是充水含水层出露和接受补给源的条件；第二防线是充水含水层侧向边界的导水与隔水条件；第三防线是矿层顶、底隔水岩层的隔水条件。

二、 水灾预兆

一般突水事故可归纳为两种情况，一是突水量小于矿井最大排水能力，地下水形成稳定的降落漏斗，迫使矿井长期大量排水；另一种是突水量超过矿井的最大排水能力，造成整个矿井或局部采区淹没。在各类突水事故发生之前，均可能表现出多种突水预兆，下面分别予以介绍。

（一） 一般预兆

（ 1 ）煤层变潮湿、松软；煤帮出现滴水、淋水现象，且淋水可由小变大；有时煤帮出现铁锈色水迹；

（ 2 ）工作面气温降低，或出现雾气及硫化氢气味；

（ 3 ）有时可闻到水的“嘶嘶”声；

（ 4）矿压增大，发生片帮冒顶及底臌。

（二） 工作面底板灰岩含水层突水预兆

（ 1 ）工作面压力增大，底板臌起，底臌量可达 500mm以上；

（ 2 ）工作面底板产生裂隙，并逐渐增大；

（ 3 ）沿裂隙或煤帮向外渗水，随着裂隙的增大，水量增加，当底板渗水量增大到一定程度时，煤帮渗水可能停止，此时水色时清时浊，底板活动时水变浑浊、底板稳定时水色变清；

（ 4）底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并有“嘶嘶” 或刺耳水声；（ 5）底板发生“底爆”，伴有巨响，水大量涌出，水色乳白或呈黄色。

（三） 冲击层水的突水预兆

（ 1 ）突水部位发潮、滴水，滴水逐渐增大，仔细观察可发现水中有少量细砂；

（ 2 ）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，总的趋势是水量、砂量增加，直至流砂大量涌出；

（ 3 ）顶板发生溃水、溃砂，这种现象可能影响到地表，致使地表出现塌陷坑。

三、 突水后水量估算

发生突水后，水量的估算是一项必不可少的工作，根据现场具体条件，迅速而准确地对突水水量做出估算，是突水事故处理和抢救的重要依据。

（ 一 ） 现 场 测 量 突 水 量 方 法1 浮 标 法

矿 井 发 生 突 水 后 ， 初 期 水 量 一 般 较 小 ， 可 在 巷 道 的 水 沟 内 测 定 其水 量 。 选 用 规 整 的 水 沟 长 5 m 左 右 ， 清 除 沟 内 的 杂 物 ， 选 择 上 、 中 、下 三 个 断 面 ， 测 其 宽 度 及 3 — 5 个 水 深 值 ， 并 用 木 屑 、 纸 屑 作 浮 标 ，测 量 水 的 流 速 ， 反 复 测 量 3 — 5 次 ， 采 用 下 式 计 算 突 水 水 量 。

minm

3

3333

1

60 3

321

9873

6542

3211

/,ttt

)hhh

Whhh

Whhh

W(KLQ

式 中 L — — 水 沟 测 量 段 长 度 , m ； W i — — 水 沟 断 面 宽 度 , m ； h i — — 水 沟 内 水 深 , m ； t i — — 浮 标 在 乙 段 内 运 动 的 时 间 , m i n ； K — — 断 面 系 数 。

当突水量增大到不能采用水沟测量时，可选用大巷中较为平直的一段，测量大巷内的水流量，其方法与在水沟内测量相同。 采用浮标法测定水量时，系数 K可按表 7-3-1选择：

表 7-3-1 K 值 选 择 表水深（m）

0. 3 —1. 0 >1. 0水沟特性 粗糙

度粗糙 平滑 粗糙 平滑

K值 0. 45—0. 65

0. 55—0. 77

0. 75—0. 85

0. 8—0. 9

2 水 泵 标 定 法 突 水 后 ， 一 般 应 增 开 水 泵 或 增 加 水 泵 运 转 时 间 ， 水 仓内 增 加 的 水 量 可 用 下 式 计 算

min/m,t

SHKNWQ 3

式 中 W— — 水 泵 的 铭 牌 排 水 量 （ m3／ mi n ）； N — — 增 开 的 水 泵 台 数 ； K — — 水 泵 的 排 水 系 数 ， 可 参 照 表 7 - 3 - 2 选 取 ； H — — t 时 间 内 水 位 上 升 高 度 （ m）； S — — 水 仓 的 水 平 断 面 面 积 ， m2； t — — 水 位 上 涨 H 所 用 的 时 间 ， mi n

3．容积法 矿井突水时，如水由下向上充满井下巷道及其它空间，可利用下水平巷道硐室的淹没时间来估算突水量，即

minm3 /,t

SHQ

t

VQ 或

式中 V——下水平巷道的淹没体积，m3： t ——淹没时间，mi n； S ——下水平硐室巷道的水平断面，m2；

H——在 t时间内水位上升高度，m。

（二）突水总水量的估算突水抢险过程中，需及时掌握从突水开始到某一

时刻的突水总水量，其计算方法如下：1 算术迭加法

V=Q1t1+Q2t2+Q3t3+……+Qntn，m3

式中 V——从突水开始到某一时刻止突水总体积，m3

Q1~ Qn——从突水开始分段计算突水的涌水量，m3/ mi n t1~ tn——从突水开始到某一时刻止，与上述涌水量相对应的连续时间段（t1+t2+t3+……+tn=t，min）。

2．曲线求积仪法 在直角坐标纸上，绘出涌水量变化曲线，其横坐标为时间,纵坐标为涌水量,绘出从突水开始到某一时刻涌水量变化曲线，在曲线图上用求积仪量出坐标轴与曲线所包围的全面积，然后用该面积乘以单位面积所代表的水量，得出水淹没的总体积。

第四节 井下防水煤（岩）柱留设 一 防水煤（岩）柱的类型及留设原则

在水体下、含水层下、承压含水层上或导水断层附近采掘时，为防止地表水或地下水溃入工作地点，需要留出一定宽度或高度的煤（岩）层不采动，这部分煤（岩）层称为防隔水煤（岩）柱或防水煤（岩）柱。根据防水煤（岩）柱所处的位置，可以分成不同的类型。

（一） 常用的防水煤（岩）柱类型 (1) 断层防水煤（岩）柱：在导水或含水断层两侧，为防止断层水溃入井下而留设煤（岩）柱，或当断层使煤层与强含水层接触或接近时，为防止含水层水溃入井下而留设的煤柱。

(2) 井田边界煤柱：相邻两井田以技术边界分隔时，为防止一个矿井淹没（由突水或矿井报废引起）后影响另一个矿井的安全生产而留设的煤柱。 (3) 上、下水平（或相邻采区）防水煤（岩）柱：在上、下两水平（或相邻两采区）之间留设的防水煤（岩）柱。 这种煤（岩）柱为暂时性的煤（岩）柱，在上、下两水平（或相邻两采区）开采末期或透水威胁消除后，这部分煤（岩）柱中的煤，仍然可以回收出来。 (4) 水淹区防水煤（岩）柱：在水淹区（包括老窑积水区）四周和上、下水平留设的防止水淹区水溃入井下采掘工作面的煤（岩）柱。 (5) 地表水体防水煤（岩）柱：为防止采煤后地表水经塌陷裂缝溃入井下而留设的煤（岩）柱。 (6)冲积层防水煤（岩）柱：为防止采煤后上覆冲积层中的强含水层水溃入井下而留设的煤（岩）柱。

• (1) 在有突水威胁但又不宜疏放（疏放会造成成本大大提高时）的地区采掘时，必须留设防水煤（岩）柱。

• (2) 防水煤柱一般不能再利用，故要在安全可靠的基础上把煤柱的宽度或高度降低到最低限度，以提高资源利用率。为了多采煤炭，充分利用资源，也可以用采后充填、疏水降压、改造含水层（充填岩溶裂隙）等方法，消除突水威胁，创造少留煤柱的条件。

• (3)留设的防水煤（岩）柱必须与当地的地质构造、水文地质条件、煤层赋存条件、围岩的物理力学性质、煤层的组合结构方式等自然因素密切结合，还要与采煤方法、开采强度、支护形式等人为因素互相适应。

• (4) 一个井田或一个水文地质单元的防水煤（岩）柱应该在它的总体开采设计中确定，即开采方式和井巷布局必须与各种煤柱的留设相适应，否则会给以后煤柱的留设造成极大的困难，甚至无法留设。

（二） 防水煤（岩）柱的留设原则

• (5) 在多煤层地区，各煤层的防水煤（岩）柱必须统一考虑确定，以免某一煤层的开采破坏另一煤层的煤（岩）柱，致使整个防水煤（岩）柱失效。

• (6) 在同一地点有两种或两种以上留设煤（岩）柱的要求时，所留设的煤（岩）柱必须满足各个留设煤（岩）柱的要求。

• (7) 对防水煤（岩）柱的维护要特别严格，因为煤（岩）柱的任何一处被破坏，必将造成整个煤（岩）柱失效。防水煤（岩）柱一经留设即不得破坏，巷道必须穿过煤柱时，必须采取加固巷道、修建防水闸门和其它防水设施，保护煤（岩）柱的完整性。

• (8)留设防水煤（岩）柱所需要的数据必须在本地区取得。邻区或外地的数据只能参考，如果需要采用，应适当加大安全系数。

• (9) 防水岩柱中必须有一定厚度的粘土质隔水岩层或裂隙不发育、含水性极弱的岩层，否则防水岩柱将无隔水作用。

第五节 矿井水害主要防治方法

一 、井下探放水

（一） 探放水概述1 。探水的目的

探水系指采矿过程中用超前勘探方法，查明采掘工作面顶底板、侧帮和前方的含水构造（包括陷落柱）、含水层、积水老窑等水体的具体位置、产状等，其目的是为有效的防治矿井水害做好必要的准备。

2 。 探水的原则 采掘工作必须执行“有疑必探，先探后掘”的原则，因而遇到下列情况之一时，必须探水。 (1) 接近水淹的井巷、老空、老窑或小窑时。 (2) 接近含水层、导水断层、含水裂隙密集带、溶洞和陷落柱时，或通过它们之前。 (3)打开隔离煤柱放水前。 (4) 接近可能与河流、湖泊、水库、蓄水池、水井等相通的断层破碎带或裂隙发育带时。 (5) 接近可能涌（突）水的钻孔时。 (6) 接近有水或稀泥的灌浆区时。 (7) 采动影响范围内有承压含水层或含水构造，或煤层与含水层间的隔水岩柱厚度不清，可能突水时。 (8) 接近矿井水文地质条件复杂的地段，采掘工作有涌（突）水预兆或情况不明时。 (9) 采掘工程接近其它可能涌（突）水地段时。

（二 ）探放老空水

小煤窑或矿井采掘的废巷老空积水，其几何形状极不规则，积水量大者可达数百万立方米，一旦采掘工作面接近或揭露它们时，常常造成突水淹井及人身伤亡事故，故必须预先进行探放老空水。

1 。探放水工程设计内容

(1) 探放水巷道推进的工作面和周围的水文地质条件，如老空积水范围、积水量、确切的水头高度（水压）、正常涌水量，老空与上、下采空区、相邻积水区、地表河流、建筑物及断层构造的关系等，以及积水区与其它含水层的水力联系程度。

(2) 探放水巷道的开拓方向、施工次序、规格和支护形式。 (3) 探放水钻孔组数、个数、方向、角度、深度和施工技术要求及采用的超前距与帮距。 (4) 探放水施工与掘进工作的安全规定。 (5)受水威胁地区信号联系和避灾路线的确定。 (6) 通风措施和瓦斯检查制度。 (7) 防排水设施，如水闸门、水闸墙等的设计以及水仓、 水泵、管路和水沟等排水系统及能力的具体安排。 (8) 水情及避灾联系汇报制度和灾害处理措施。 (9)附老空位置及积水区与现采区的关系图、探放水孔布置的平面图和剖面图等。

2 。 探放老空水的原则 探放老空水除了要遵循上述的探放水原则外，还应遵循下述探放老空水的具体原则。(1)积极探放。 当老空区不在河沟或重要建筑物下面、排放老空区内积水不会过分加重矿井排水负担、且积水区之下又有大量的煤炭资源急待开采时，这部分积水应千方百计地放出来，以彻底解除水患。(2)先隔离后探放。与地表水有密切水力联系且雨季可能接受大量补充的老空水；老空的积水量较大，水质不好（酸性大），为避免负担长期排水费用，对这种积水区应先设法隔断或减少其补给水量，然后再进行探水，若隔断水源有困难无法进行有效的探放，则应留设煤岩柱与生产区隔开，待到矿井生产后期再进行处理。(3)先降压后探放。对水量大、水压高的积水区，应先从顶、底板岩层打穿层放水孔，把水压降下来，然后再沿煤层打探水钻孔。(4)先堵后探放。 当老空区为强含水层水或其它大小水源水所淹没，出水点有很大的补给量时，一般应先封堵出水点，而后再探放水。

（三） 探放断层水

1. 探放断层水的原则

凡遇下列情况必须探水：

(1) 采掘工作面前方或附近有含（导）水断层存在，但具体位置不清或控制不够严密时。

(2) 采掘工作面前方或附近预测有断层存在，但其位置和含 ( 导）水性不清，可能突水时。

(3) 采掘工作面底板隔水层厚度与实际承受的水压都处于临界状态（即等于安全隔水层厚度和安全水压的临界值），在掘进工作面前方和采面影响范围内，是否有断层情况不清，一旦遭遇很可能发生突水时。

(4) 断层已为巷道揭露或穿过，暂时没有出水迹象，但由于隔水层厚度和实际水压已接近临界状态，在采动影响下，有可能引起突水，需要探明其深部是否已和强含水层连通，或有底板水的导升高度时。 (5) 井巷工程接近或计划穿过的断层浅部不含（导）水，但在深部有可能突水时。 (6) 根据井巷工程和自设断层防水煤柱等的特殊要求，必须探明断层时。 (7) 采掘工作面距已知含水断层 60m时。 (8) 采掘工作面接近推断含水断层 100m时。 (9) 采区内小断层使煤层与强含水层的距离缩短时。 (10) 采区内构造不明，含水层水压又大于 2～ 3MPa时。

（四） 探放陷落柱水

煤层底板为厚层石灰岩的华北型煤日，由于导水陷落柱的存在，使某些处于上覆地层本来没有贯穿煤系基底强含水层的中、小型断层或一些张裂隙，成为水源充沛、强富水的突水薄弱带，一旦被揭穿，将引起突水。若导水陷落柱直接突水，其后果就更严重。例如 1984年开滦范各庄矿2171 工作面陷落柱突水的最大涌水量达 2053m3

／ min ，使该大型矿井在 21h 内被全部淹没，成为世界采煤史上最大的一次突水。有的陷落柱不导水，有的导水。

（五） 导水钻孔的探查与处理 矿区在勘探阶段施工的各类钻孔，往往能贯穿若干含水层，有的还可能穿透多层老空积水区甚至含水断层等。若封孔或止水效果不好，人为沟通了本来没有水力联系的含水层或水体，使煤层开采的充水条件复杂化。山东肥城矿区的原“中一井”，因地质勘探阶段的钻孔封孔质量不好，将中奥灰水导入煤系薄层灰岩，致使开采上组煤时矿井涌水量很大，且长期达不到疏水降压的目的，矿井一直无法投产，被迫改为“水文地质试验井”，补做了10余年的水文地质补充勘探工作，将有怀疑的钻孔一一作了启封，最终才解决了这一人为造成的水文地质问题。淄博夏庄煤矿附近的一个矿，穿越煤系地层打奥灰供水孔时，因套管止水质量不好，岩溶承压水沿钻孔上升后，使该矿七层煤残留煤柱遭到破坏，矿井突然增加 12m3 ／min 的涌水量，该矿几乎被淹。有的矿的施工地质孔将上层煤的老空积水大量导入正在生产的下层煤采区，也曾造成严重的水害。因此，必须采取有效的措施防止产生导水钻孔，封闭确已存在或有怀疑的导水钻孔。

（六） 探放含水层水

由于基岩裂隙水的埋藏、分布和水动力条件等都具有明显的不均匀性，煤层顶、底板砂岩水、岩溶水等在某些（或某一）地段对采掘工作面没有任何影响，而在另一些地段却带来不同程度的危害。为确保矿井安全生产，必须探清含水层的水量、水压和水源等，才能予以治理。

防治煤层顶、底板含水层的水害，既要从整体上查明水文地质条件，采取疏干降压或截源堵水等防治措施，又要重视井下采区的探查。

疏干开采是指对煤层顶板或煤层含水层的疏干；而疏水降压是指对煤层底板含水层而言，其目的是使煤层底板含水层水压降低至采煤安全水压（该部分将在下节论述）。 矿井疏干的目的是预防地下水突然涌入矿井，避免灾害事故，改善劳动条件，提高劳动生产率，消除地下水静水压力造成的破坏作用等，是煤矿防治水的一种主要措施。对于大水矿区，为了减少矿井涌水量，应采取截流、浅排和排、供、生态环保三位一体结合等辅助措施，与疏干工作统筹考虑，进行综合防治。

二 疏干开采

（一） 疏干程序 矿井疏干过程可分为疏干勘探、试验疏干和经常疏干三个逐渐过渡程序，应与矿井的开发工作密切配合。

1 。疏干勘探

疏干勘探是以疏干为目的的补充水文地质勘探。其目的是进一步查明矿区疏干所需要的水文地质资料；确定疏干的可能性，提出疏干方案。

2 。试验性疏干

试验性疏干方案的正确制定表现在矿井开采初期能降低水位，并能经过 6 ～ 12个月，尤其是雨季的考验。要尽可能利用疏干勘探工程，并补充疏干给水装置。通过试验，视干扰效果及残余水头的状况，进行工程调整。

3 。经常性疏干

经常性疏干是生产矿井日常性的疏干工作，随着开采范围的扩大和水平延伸，疏干工作要不断地进行调整、补充，甚至重新制定疏干方案，以满足矿井生产的要求。

（二） 疏干方式 疏干工程应与采掘工程密切结合。疏干工程按其进行阶段（或时间）可分为预先疏干和并行疏干。预先疏干在井巷开拓之前进行；并行疏于是在井巷开拓过程中进行，一直到矿井全部采完为止。

疏干方式有三种：地表式是从地表进行疏干；地下式是在地下进行疏干；联合式是同时采用上述两种方式或多井同时疏干。目前这三种疏干方式皆有采用。

（三） 疏干工程 疏干工程的布置、规模、种类、质量、施工设备、施工工艺及完工时间，应按照疏干方案进行，疏干方案的编制是在水文地质勘探的基础上进行的。在试验性疏干结束后，应根据实际情况对疏干方案作进一步修订。

三 带压开采

为在复杂水文地质条件下进行带（水）压开采，并获得效益，以下技术问题应予以重视并付诸实施。 （一）查清带压开采的矿井或采区的地质、水文地质条件

除应对区域水文地质条件有所认识外，对井田或采区的水文地质条件更应了解清楚，对充水含水层的补、径、排条件和不同充水含水层间的水力联系状况以及保护层的隔水性能均应予以研究。以便选择具体防治水方法和制定带（水）压开采的措施。

（二） 编制突水系数图

前面已经提到，突水系数的应用是通过突水系数图来体现的。有两种突水系数图，一种是矿区或井田的突水系数图，比例尺常为 1 ： 5000～ 1 ： 10000；第二种是采区的突水系数图，比例尺一般是 1 ： 1000～ 1 ： 2000 ，甚至更大些。

（三） 编制带压开采地质、水文地质说明书

开采受水害威胁地区的煤层，在编制开拓、掘进与回采设计之前，必须编制该范围的地质、水文地质说明书，以作为设计的依据。

（四） 建立强有力的排水设施

排水设施主要包括水泵、排水管路、适当容量的水仓和保险电源。位于奥灰含水层富水带且又临近排泄带的矿井，其排水基地的建立更为重要。

四、 井下防水闸门和水闸墙 防水闸门硐室和水闸墙为井下防水的主要安全设施，凡水患威胁严重的矿井，在井下巷道设计布置中，就应在适当地点预留防水闸门硐室和水闸墙的位置，使矿井形成分翼、分水平或分采区隔离开采。在水患发生时，能够使矿井分区隔离，缩小灾情影响范围，控制水势危害，确保矿井安全。

（一） 防水闸门的关闭 1当井下发生突然涌水或出现突水预兆危及矿井安全时，必须立即作好关闭防水闸门准备工作，同时请示矿务局总工程师，批准后方可关闭防水闸门。正常情况下，由于采区报废或按计划暂停采区生产，要求关闭防水闸门时，须提前写出专题报告（内容包括采区尚余储量、涌水量、充水含水层的静水位、关闭防水闸门原因、今后打算以及关闭防水闸门的安全技术措施），报请矿务局局长批准。关闭防水闸门时，矿长要深入井下检查准备情况，具体指挥关闭工作。

2 关闭防水闸门以前，需先作好以下工作： （ 1 ）将水害影响地区的人员全部撤退，并在各通道口设岗警戒，防止人员误入封闭区； （ 2 ）防水闸门硐室的所有设施（如放水截门、水压表、管子堵头板、活动短轨等）全部准备妥当； （ 3 ）防水闸门附近和水沟内杂物清理干净； （ 4 ）防水闸门以外的防水避灾路线畅通无阻； （ 5 ）检修排水设备，清挖水仓，将水仓内的积水排至最低水位。 （ 6 ）防水闸门以里的栅栏门全部关好； （ 7 ）防水闸门附近的临时通风局扇和临时直通地面电话安装妥当； （ 8 ）意外应变措施进行认真贯彻； 以上各项工作都已完成，由矿长发布关门命令。

3 几个防水闸门或水闸墙需要一次关闭时，其关闭顺序应是先关闭所在位置较抵的，然后关闭所在位置较高的，依次进行。 4 关闭防水闸门以前，要以书面通知邻近各有关矿井，说明本矿水闸门关闭时间、封闭地区位置、最高静止水位和可能造成的影响；并要求近期内对井下各涌水点水量变化和井上各水文钻孔的水位变化进行定时观测。各矿的观测资料要及时进行交流，互通情报。 5 防水闸门关闭以后，除定时派人观测本矿其他地区的水量和水位变化以外，还必须在防水闸门附近的安全地点设人（每班不少于 2 人）值班，观测防水闸门附近的水压变化、漏水情况、硐室巷道压力有无异常。值班人员要作出观测记录，定时向矿调度室汇报；特殊情况及时回报处理。 6 防水闸门关闭，水压稳定 7d以后，如无特殊情况发生，方可停止一切观测工作，撤离观测人员。

（二） 防水闸门的开启 1 防水闸门开启前，需编制开启防水闸门的安全技术措施。经审批、贯彻后，方准进行开启防水闸门工作。

2 防水闸门开启前，要对井下排水、供电系统进行一次全面检查。排水能力要与防水闸门硐室放水管的防水量相适应；水仓要清理干净，水沟要畅通无阻。

3 开启防水闸门要先打开放水管，有控制地泄压放水。当水源已经封闭或已疏干时，水压必须降到零位，方能打开防水闸门；如果水压降不到零位，必须承压开启时，矿总工程师可在不损坏防水闸门的情况下，制定出安全措施和规定最低水压，方可强制开门。

4 同时有几个防水闸门需要开启时，应按先高后低依次开启。

5 防水闸门打开以后，首先由矿救队进入，检查瓦斯和巷道情况。只有在恢复通风系统，消除一切不安全因素以后，才准许其他人员进入闸门以内工作。

五、含水层改造与隔水层加固

这项技术是八十年代中后期发展起来的一项注浆治水方法。 当煤层底板充水含水层富水性强且水头压力高，或煤层隔水底板存在变薄带、构造破碎带、导水裂隙带，需采用疏水降压方法实现安全开采，但疏排水费用太高、浪费地下水资源且经济上不合理时，采用含水层改造与隔水层加固的注浆治水方法实属上策。

山东肥城矿区是应用这项技术较为成功的山东肥城矿区是应用这项技术较为成功的一个地区，该矿区从一个地区，该矿区从 19861986年到现在，已经局年到现在，已经局部注浆和整体注浆改造九、十层煤回采工作面部注浆和整体注浆改造九、十层煤回采工作面2323个，安全采出原煤个，安全采出原煤 152152 。。 3232万吨，取得了万吨，取得了十分可观的经济和社会效益，如杨庄矿十分可观的经济和社会效益，如杨庄矿 95079507回采工作面当回采到回采工作面当回采到 -33-33米水平时，底板出水，米水平时，底板出水，相距相距 230230米的米的 95059505采空区出水约采空区出水约 10m3/h10m3/h ，，经过在五灰充水含水层打孔注浆后，工作面面经过在五灰充水含水层打孔注浆后，工作面面上水量消失，采空区水量仅剩上水量消失，采空区水量仅剩 2m3/h2m3/h。。

第六节 矿坑涌水量预测 一 矿坑涌水量基本概念

矿山在开拓过程 ( 包括地下和露天开采 ) 和开采期间所排出的水量统称矿坑涌水量。因此，矿坑涌水量的预测范围包括单项工程（井巷）的涌水量和开采系统 ( 水平 ) 的涌水量 , 而习惯上所称矿坑涌水量就是指开采系统的涌水量，其预测计算的内容包括：

（ 1 ）矿坑正常涌水量：指开采系统在某一标高 ( 水平 ) 时 , 正常状态保持相对稳定的总涌水量 , 一般指平水期和枯水期的涌水量。

（ 2 ）矿坑最大涌水量：指开采系统在正常开采时雨季期间的最大涌水量。

（ 3 ）井巷工程涌水量：包括井筒和巷道开拓过程中的排水量。

（ 4 ）矿坑疏干排水量：是指在规定的疏干时间内，将水位降到规定标高时所必须的疏干排水强度。它是指坑道系统还未开拓，或疏干漏斗还未形成，受人为因素 ( 规定的疏干期限〕所决定的排水疏干工程 ( 钻孔或排水坑道 ) 的排水量。（ 5 ）矿坑突水量：指井巷工程开拓过程或矿床开采时对围岩或顶、底板含水层影响和破坏，产生瞬时溃入矿坑的水量。

二 水文地质比拟法（一）水文地质条件比拟法水文地质条件比拟法，实质是在水文地质条件相近和开采方法相同条件

下，利用现有的矿井涌水量观测资料采用经验公式，预测未来的矿井涌水量。常用预测方法为：

(1)降深比拟法，公式为

n)S

S(QQ

00 （n≤1）

(2)采面比拟法，公式为

mF

FQQ

00 (m≥2)

( 3 )单 位 采 长 比 拟 法 ， 公 式 为

n)L

L(QQ

00 （ n ≤ 1）

( 4 )采 面 采 深 比 拟 法 ， 公 式 为

mn

S

S)

F

F(QQ

000 （ n ≤ 1， m≥ 2）

式 中 ： Q0— 已 知 矿 井 实 际 排 水 量 ， m3／ h；S 0— 已 知 矿 井 实 际 采 深 ， m；F 0— 己 知 矿 井 实 际 开 采 面 积 ， m2；L 0— 已 知 矿 井 实 际 开 采 巷 道 长 ， m；Q 一 设 计 矿 井 涌 水 量 ， m3 / h；s 一 设 计 矿 井 开 采 深 度 ， m；F — 设 计 矿 井 开 采 面 积 ， m2；L 一 设 计 矿 井 巷 道 开 采 长 度 ， m；m一 与 地 下 水 流 态 有 关 系 数 m值 介 于 1 一 2 之 间 。

PP

QPKQ P

0

0

式中 Q—新设计矿井涌水量，m3／a； Q0—已知老矿井涌水量，m3／a； P0—已知老矿井生产能力，t／a； P—设计新矿井生产能力，t／a。

（二） 富水系数法 富水系数（ K ）是矿井排水量（ Q0 ）与同时期矿井生产能力（ P0 ）之比值。它是衡量矿井水量大小的一个指标。 Kp 值是根据矿井长期排水量和生产能力统计数字而确定的。

富水系数法就是根据已知矿井富水系数预测邻近的水文地质条件相近、开采方法相同的新矿井矿坑涌水量，即：

三 相关分析法

（一）基本原理和应用条件

相关分析法是一种数学统计法，是研究同一体中的各种变量之间的相互关系。这些变量之间的关系，有的表现为确定性函数关系，有的则没有关系。变量间的这两种关系，统计学分别称为完全相关和零相关，是相关中的两种极限情况。介于它们两者之间的关系称为相关关系。在矿坑涌水量预测中利用抽水、放水、矿井排水和水位等大量实际观测资料，找出涌水量与水位降深、开采面积、地表水补给和大气降水补给等因素之间的相关关系，依据这些关系和它们间表现出的密切程度，建立相应回归方程，推算预测未知矿坑涌水量。

Ⅰ : bSaQ ； Ⅱ : 2bQaQS ；

b

abSaQ

2

42 ； Ⅲ : b SaQ ；

Ⅳ : SlgbaQ

（二） Q 一 S 曲线类型及相应方程 用抽（放）水试验所取得的不同水位降深（ S ）的稳定涌水量（ Q ）的统计资料，绘制 Q 一 S 曲线。因各矿区水文地质条件和抽（放）水强度不同，常出现不同类型曲线，一般可划分为四种类型，即直线、抛物线、幂函数曲线和半对数曲线，它们相应的数学方程可表示为：

四 稳定流解析法

（一）基本要求

在矿坑疏干排水过程中，形成疏干（或降压）漏斗，当漏斗扩展到补给边界，矿坑涌水量呈相对稳定状态，出现地下水流量和水位等动态要素不随时间变化的动平衡状态，这时可以用稳定流解析法预测矿坑涌水量。对上述水文地质物理概念模型，可以用拉普拉斯（侧向补给稳定）或泊松方程（侧向加垂向补给稳定）来描述，并可用它的解析公式来预测矿坑涌水量。

（二）大井法 矿床开采时矿坑系统的形状是相当复杂的，但疏干漏斗是以矿坑为中心的近园形矿区疏干漏斗。因此，我们将复杂坑道系统简化成一个”大井”，然后根据疏干含水层地下水类型及不同边界条件下的疏干漏斗分布范围、形状等特点，达到预测矿坑涌水量之目的。 人工疏干辐射流场中，任一点都有一个与该点水头相应的势函数，其表达式为：

ClnQ

2

其 中 ：

承压水

允压水

.........................................................Kmh

.......................................................Kh 2

2

1

γ — — “ ”大 井 中 心 至 流 场 内 任 意 点 的 距 离 ， m；C — — 特 定 常 数 ；

h — — 距 “ ” γ大 井 中 心 远 处 的 水 头 值 ， m；Φ — — 势 函 数 。

五 非稳定流解析法

自然界中地下水的运动经常是处于不稳定状态中，在矿床疏干过程中，当疏干量大于其补给量时，疏干漏斗随着时间不断扩展，呈现出非稳定流状态。地下水非稳定流理论于本世纪七十年代初，开始在我国矿床水文地质领域得到初步普及推广应用，因为它能比较符合实际地反映自然界中地下水的非稳定特征，能较全面地描述地下水疏降漏斗随时间不断扩展的全过程，所以，该理论发展很快。

泰斯(C. V. Thei s)在八条基本假设条件基础上，建立了地下水非稳定流解析解公式：

at

ru

S

Ta

Tt

Sru

duu

e

T

QHHS

u

u

4

4

4

2

2

0

时令

式中 r— 某观测点离抽水井距离，m；s—距离抽水井 r 处、抽水后 t 时刻水位降深值，m；H—距离抽水井 r 处、抽水后 t 时刻水头值，m；H0—充水含水层原始水位，m；Q—抽水量，m3／d；T—充水含水层导水系数，m2/ d；u—积分变量；S—充水含水层储水系数；a—含水层传导系数，m2／d；

六 数值法 自从地下水非稳定运动理论问世以来，解地下水运动问题的解析方法有了很大的发展，并且被广泛地应用到生产实践中去。但是一般说来，解析方法只适用于含水层几何形状简单，并且是均质、各向同性的情况，因而限制了它的应用范围。

然而，实际的水文地质条件往往是比较复杂的，如含水层是非均质的，含水层的厚度随坐标而变化，隔水底板起伏不乎，边界形状不规则，边界条件复杂，地下水的补给来源除侧向补给外还存在垂向补给，由于抽水而使含水层中的一部分承压水转变为无压水等等。对于这样的地区，用解析法求解就很困难，甚至暂时无法解决，或者即使得到了解析表达式，仍难以进行通常的数值计算。

数值法为研究这类问题开辟了新的途径，它和电字计算机结合起来可以解决很多过去难以解决的复杂问题。因此，它能够使所考虑的数学模型更接近于实际的水文地质条件。 数值法本身是一种求近似解的方法。但应指出，实际工作中所碰到的问题往往只要求得到具有一定准确程度的近似解。当近似解的近似程度能满足实际工作的精度要求时，这种近似解的价值显然是毫不低于严格的精确解（解析解）的。更何况数值法能使所考虑的数学模型更接近于实际的水文地质条件，而解析法在这点上是难以做到的。而且严格说来，在推导基本微分方程时，已经作了一些简化和假定，由于定解条件本身也或多或少地有一定的近似性，所以，所谓严格的精确解其实也还是近似的。 在水文地质计算中常用的数值法有有限差分法和有限单元法等。

一 华北型煤田立体充水地质结构理论 根据对华北型煤田剖面、平面和水力内边界的水文地质特征的系统综合分析，本技术首次提出了煤矿井立体充水地质结构的新理论。同时，依据内边界在空间展布的几何形态特征，将其划分为四种基本类型，即点状岩溶陷落柱型内边界，线状断裂 ( 带 ) 、裂隙型内边界，窄条状隐伏露头型内边界和面状裂隙网络 ( 局部面状隔水层变薄区 ) 型内边界。根据四种基本类型的不同组合形式，介绍了煤矿井不同的复合内边界类型和它们的矿井水文地质特征，同时指出，内边界是煤矿井立体充水地质结构理论的核心，搞清楚内边界是彻底解决华北型煤田日益严重的水害问题的关键。

第七节 矿井防治水新技术简介

二 华北型煤田排 -供 - 生态环保三位一体优化结合技术 随着华北型煤田各大含煤盆地地下水的疏排和水资源不合理开发，排、供、生态环保之间的冲突与矛盾日益加剧。有效解决这类问题的方法就是在保证生态环境质量前提下，维持地下水系统多年收支动平衡，提高矿井水资源化的综合利用程度，本技术率先提出的排、供、生态环保三位一体优化结合的新思路，较好地解决了结合系统中因排水子系统排水量变化而引起供水子系统供水不稳的难题。同时，三位一体化结合系统不仅考虑了水力技术方面的管理，而且也注意了经济、社会、生态、环境和产业结构调整等多方面可持续性发展的约束要求。这套新思路突破了排、供、生态环保三个不同部门传统的固步自封，各立门户的封闭局面，使矿坑排水预测、供水资源管理、生态环境质量评价等工作同步进行，避免了大量重复的勘探和专门评价管理工作与资金投入，并大大提高了整体评价计算精度。本技术针对焦作矿区典型地段日益严重的矿区排水、供水、生态环保三者之间的矛盾问题，提出了一个由多种约束条件限制的以最大经济效益为目标函数的经济 - 水力优化管理方案，这个方案为妥善解决该地区可持续性发展的战略问题提供了极其重要的科学依据。

三 煤层回采前方小构造预报的地理信息系统（ GIS ）技术

针对煤炭生产目前急需解决的工作面回采和巷道掘进前方小构造预报的实际难题，本技术运用现代先进的地理信息系统（ GIS ）知识，依据煤矿生产过程中所能收集到的大量但廉价的煤层开采信息和矿井构造分析与物探资料以及钻探成果等，采用了一套全新的多源地学信息复合叠加研究思路，首次建立了矿井小构造预报的地理信息系统物理概念模型，总结提出了具体的预报工作程序和研究方法，开辟了一个应用潜力十分广阔的小构造预报的新的研究领域。

四 煤层顶板涌（突）水条件定量评价的“三图 --双预测法”技术

针对我国煤矿区日益严重的顶板涌（突）水问题，本技术首次提出了解决煤层顶板涌（突）水条件定量评价的“三图—双预测法”。这套新思路已分别在开滦荆各庄矿和东欢坨矿均得到了成功地应用。通过分析荆各庄矿矿井水文地质背景，本技术首先对煤 9顶板直接充水含水层的富水性和开采顶板冒落的安全性进行了分区研究；在此基础上，复合叠加二者分区特征，提出了煤 9 顶板冒落涌（突）水条件综合分区的划分方案；最后运用国际最先进的 Visual Modflow 三维水流与水质可视化专业软件对即将回采的 2099 、2393 两工作面的工程涌水量和顶板直接充水含水层的采前预疏放方案进行了动态实时预测。因此，本技术在应用多源地学信息复合原理进行充水含水层富水性综合分区、和据煤 9 覆岩段岩性岩相变化特征校正沿用《规范》经验公式计算裂隙带高度、以及运用国际上最先进的可视化专业软件进行回采工作面整体和分段工程涌水量预测等方面，在学术上具有一定进展，在整个华北型煤田的顶板涌（突）水条件定量评价方面具有极其重要的推广应用前景。

五 可视化地下水模拟评价新型软件系统（ Visual Modflow) 与矿井防治水 由于系统化和可视化等特点， Visual Modflow 作为目前国际上最盛行的三维地下水资源模拟评价的标准专业软件系统，同时由于系统的软硬件运行环境要求不高 , 我国目前大多数科研、院所和生产单位均可满足提供，因此，这套系统应该在我国有关行业迅速普及推广。这是尽快消化吸收发达国家的先进科学技术、与国际科技界接轨的迫切需要。

Visual Modflow 在我国矿井防治水研究中应用潜力巨大，特别是三维溶质运移模拟、流线示踪模拟和任意均衡域的水均衡计算等，开滦矿务局东欢坨矿煤层 8 顶板涌（突）水条件定量研究课题对它的成功应用说明， Visual Modflow 可为合理制定矿井防治水决策方案提供重要的科学依据。

[河北开滦范各庄矿 2171 工作面陷落柱奥灰突水事故为例 ]

第八节 矿井水害事故的典型案例分析

6 月 25日，当吕家坨矿井淹没水位上升到 -207． 47m时，与其相邻的林西矿井下八水平以下发现边界煤柱地带渗水，最大渗水量为 1059． 6m3／ h．随着吕矿淹没水位上升，渗水量的增加，林西矿受到了严重威胁而被迫停产，与其相邻的唐家庄矿、赵各庄矿，由于矿井之间没有完整的隔离煤住，同样处于水害威胁之中而被迫处于半停产的警戒状态。 致使造成范各庄矿煤炭减产 641.7万 t （ 1984年 166．7万 t ， 1985年 320万 t ， 1986年 155万 t ）。范各庄矿损失资产 27782万元（固定 24657． 7万元，流动 3124． 3万元）。截止到 1986年 8月 31日，范各庄矿治水费已达 6011． 58万元，矿井恢复费 9195． 91万元，停工费 3285． 86万元，牺牲职工 11 名。加上吕家坨矿淹井及林西、唐家庄、赵各庄停产半停产共损失煤炭约 500万 t ，共减产 1141． 7万 t ，治水直接损失 4．95亿元。

主要参考文献 :

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预测法” . 煤炭学报 . 2000 （ 1 ） ;

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动态 预测 . 煤田地质与勘探 . 2000 （ 6 ） ; 武强等 . 华北型煤矿立体充水地质结构理论与防治水对策 . 水文地质工程地质 . 2000 （ 2 ） ;12. 武强等， 2006 ，煤矿水害应急救援预案探讨，煤炭学报，

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