煤礦防治水根底知識主講人：李喜林山西煤炭管理干部學院平安工程系Tel井防治水第二節(jié)礦井水害概念與類型一、礦井水害概念凡因井巷、工作面與含水層、被淹巷道、地表水體或含水的裂隙帶、溶洞、洞穴、陷落柱、頂板冒落帶、構造破碎帶等接近或溝通而突然產(chǎn)生的出水事故，稱為礦井突水。凡影響生產(chǎn)、威脅采掘工作面或礦井平安的、增加噸煤本錢和使礦井局部或全部被淹沒的礦井水，都稱為礦井水害。煤礦水害是與瓦斯突出、粉塵爆炸、頂板冒裂、火災等并列的五大災害之一，其嚴重程度僅次于瓦斯列第二。長期以來，因為煤礦水害而造成的國家和人民生命財產(chǎn)及經(jīng)濟損失極為沉重。1935年5月13日，山東淄博北大井由于巷道掘至與河水連通的斷層帶造成突水，最大瞬時水量達648m3／min，350名礦工遇難，礦井停產(chǎn)報廢，直到43年后的1978年才恢復礦井生產(chǎn)。1984年6月2日，開灤范各莊2171綜采工作面發(fā)生世界采礦史上罕見的陷落柱突水事故，最大突水量2053m3／min，致使范各莊及其周邊三對礦井被很快淹沒。為救災復礦，調集了當時根本上是全球范圍內最權威的防治水專家和世界上最大的抽水泵進行搶險，地面注漿封堵工程的規(guī)模和場面也是空前的。水患治理工程及相關工作歷時近一年，直接和間接經(jīng)濟損失超過5億元。另外，據(jù)不完全統(tǒng)計，從20世紀80年代的20余年里，我國有近250對礦井被水淹沒，死亡近9000人，經(jīng)濟損失350多億元。僅1995—2005年11年間共發(fā)生各類煤礦水害事故1391起，死亡5280人，約占各類煤礦事故死亡總數(shù)的7．6％，其中10人以上水害事故105起，死亡1881人。二、礦井水害類型1.地表水水害在有地表水體分布的礦區(qū)，當井下采掘后發(fā)生頂板冒落產(chǎn)生導水裂隙帶、礦層上覆巖溶裂隙或斷層等導通與地表水的水力聯(lián)系時，地表水會大量迅速灌人井下。此外，山洪爆發(fā)、地表水體的堤壩坍垮時，地表水從礦井井口涌人，也會發(fā)生礦井水害事故。2.礦層頂板水害當?shù)V層頂板為含水層，或距礦層頂板不遠的上覆巖層為含水層時，含水層水可以通過斷層、裂隙等天然導水通道或采掘形成的導水裂隙帶涌入礦坑。由于厚礦層和多礦層的重復采動和斷裂帶塌陷滑移的程度不同，采動導水裂隙帶發(fā)育高度和部位也隨之變化，常使礦層頂板充水含水層水突然泄入采掘工作面，造成礦層頂板水害，嚴重者會淹沒整個工作面、采區(qū)甚至礦井。如我國煤礦主要開采上古生界石炭-二疊系和中生界侏羅-白堊系地層中的煤炭。第四系松散孔隙含水層和第三系砂礫含水層往往呈不整合超覆于這些煤系地層或沉積基底巖層之上。這些含水層水通過煤層或基巖露頭帶不斷地向其下的煤層和煤層頂、底板巖層滲透補給，在采掘過程中，會發(fā)生礦井涌水量陡然增大的現(xiàn)象，情況嚴重時會發(fā)生潰水、潰砂，甚至淹井事故。

3.礦層底板水害這是我國礦山開采發(fā)生頻率最高，危害程度最大的一種災害。礦層底板突水會導致淹沒整個生產(chǎn)水平、礦井，甚至造成重大人身傷亡事故。最典型的如華北石炭-二疊煤系，其基底為巨厚的奧灰或寒灰?guī)r溶含水層。由于煤層的傾斜，隨著開采的延伸，作用于煤層底板的水壓越來越大，而煤層與奧灰含水層之間的隔水層的厚度及其巖性在剖面上復雜多變，巖溶、斷裂的發(fā)育程度各不相同，加之采掘工程引起的圍巖應力轉移，使作用于底板的強度和對其產(chǎn)生的影響及破壞也因地而異。因此，煤層底板突水機理復雜，預先查明的難度大，造成的礦井突水概率較高。4.老空積水水害老空積水主要儲集在礦井周邊小礦采空區(qū)、礦井本身的采空區(qū)或與采空區(qū)相連的巷道內。老空水體的幾何形狀不規(guī)那么，礦井采掘工程與這種水體的空間關系錯綜復雜，并且由于歷史的原因往往缺乏甚至沒有可靠的技術資料，水情難以準確分析判斷。這種積水體分布集中，水壓傳遞迅速，采掘工作面一旦接近或揭露，老空積水便可突然潰出，發(fā)生透水事故。老空積水體不但存在于地下水資源豐富的礦區(qū)，也可能存在于干旱貧水的礦區(qū)，是礦山開采過程中普遍存在的一種水害。事實說明，即使只有幾立方米的老空積水，一旦潰出，也可能造成人員傷亡。5.斷層破碎帶水害這種類型的水害既可能與礦層頂板含水層或底板含水層發(fā)生水力聯(lián)系，也可能與老空水發(fā)生水力聯(lián)系，一方面為礦井涌、突水提供導水通道，另一方面提供充水水源(斷層破碎帶含水)，是礦山水害類型中最為普遍的一類。它可以沿斷層走向很長一段范圍內普遍導水而引發(fā)水害，也可以局部的一小段甚至一個點導水而誘發(fā)突水。此類水害的預防和治理的難度較大且復雜。6.巖溶陷落柱水害我國華北石炭-二疊煤系地層的基底存在巨厚的奧陶系、寒武系灰?guī)r含水層。在漫長的地質歷史過程中，灰?guī)r由于地下水的運動常形成巨大的巖溶溶洞，當溶洞上覆巖層垮塌后，便形成巖溶陷落柱。由于巖溶水水源豐富，水壓高，巖溶陷落柱又具有隱蔽性，一旦礦山采掘工程接近或揭露時，就可能形成災難性突水水害。該種類型的水害賦存條件孤立而隱蔽，事前難以探查發(fā)現(xiàn)，防治難度較大。三、礦井水害發(fā)生的條件礦井充水：指在礦床開采過程中，各種來源的水通過不同的方式(如滲入、淋入、涌入、潰入、突水等)和途徑進入礦坑的過程。礦井水害：但凡影響生產(chǎn)，威脅采掘工作面或礦井平安的，增加噸煤本錢和使礦井局部或全部被淹沒的礦井水，都稱為礦井水害。礦井突水：凡因開巷采掘工作面與含水層，被淹巷道，地表水體或含水的裂隙帶、溶洞、洞穴、陷落柱、頂柱冒落帶，構造破碎帶等接近或溝通而突然產(chǎn)生的出水事故，都稱為礦井突水。礦井的充水條件：充水水源、充水通道、充水程度1.礦井充水水源1〕大氣降水(1)露天開采條件下，一局部大氣降水直接進人礦井，一局部滲入地下通過露天邊坡滲人礦井。(2)礦層位于地表低洼的匯水區(qū)之下，且埋藏較淺，地表與礦層之間存在斷層、構造裂隙式導水通道。(3)當?shù)V層位于區(qū)域地下水位以上，或處于地表分水嶺、斜坡地段，且埋藏較淺，礦區(qū)附近又沒有較大的地表水體，礦層的上覆巖層中空隙較發(fā)育且有利于大氣降水人滲。(4)礦層位于地表低洼的匯水區(qū)之下，且埋藏較淺，在礦層附近存在巖溶陷落柱或落水洞式導水通道，大氣降水可通過塌陷洞進人礦井。(5)地表形成采礦沉陷區(qū)，大氣降水可以通過采礦形成的垮落裂隙帶以及原來存在于礦層上覆地層中的裂隙、斷層等導水通道直接進人礦井。圖2-4分水嶺型充水示意圖圖2-5塌陷洞型充水示意圖2〕地表水礦區(qū)常見的地表水充水水源有河水、湖泊水、洼地積水、水庫水等。3〕地下水(1)孔隙水常見的孔隙水源多是洪積物中的地下水和沖積物中的地下水。(2)裂隙水(3)巖溶水巖溶水具有較強的溶蝕搬運作用，并不斷地改變和加強著自身的賦存、運動條件。巖溶地下水劃分為溶隙水、溶洞水和暗河管道水三種。4〕老空水老空水又稱采空積水、老窯水或老窿水，是指礦層開采結束后，積存于采掘空間的地下水。古空區(qū)是指古代人民采煤后遺留下的空間；采空區(qū)是指距今時間不很長采煤后而留下的空間；二者的相同點：都是由于煤層開采后留下的空間。區(qū)別：距今時間地表痕跡資料記載積水量防治難易程度古空區(qū)久遠無無無法估算難采空區(qū)不遠有有可估算可防治5〕襲奪水襲奪水是指由于礦床在開采過程中，由于礦井的長期排水，造成充水含水層水位下降，形成以礦井為中心的地下水降落漏斗且不斷擴大，排水形成的人工滲流場強烈地改造著礦區(qū)地下水天然滲流場，使地下水獲得新的補給水源，這局部新補給水源稱為襲奪水。

1-礦井排水前水位；2-長期排水后形成的降落漏斗；3-排水巷道；4-泉圖2-6礦井長期排水引起地下水補排關系的變化2.礦井充水通道礦井充水通道是指連接充水水源與礦井之間的流水通道，它是礦井充水因素中最關鍵，也是最難以準確認識的因素。礦井充水通道按其成因不同可分為：構造類導水通道，如斷層、裂隙等；采礦擾動類導水通道，如頂板冒落、底板破裂、礦柱擊穿等；工程類導水通道，如封閉不良的鉆孔、小煤窯等；其它如陷落柱、巖溶塌洞等。按導水通道的形態(tài)又可分為：點狀導水通道，如陷落柱、封閉不良的鉆孔、巖溶塌洞等；帶(線)狀導水通道，如斷層帶或斷裂破碎帶等；面狀導水通道，如發(fā)育于頂、底板巖層的各類裂隙等。1〕頂板冒落裂隙帶型通道(l〕冒落帶。靠近采空區(qū)的巖層破壞帶，破碎的巖塊雜亂無章地堆積，巖塊間空隙多而大，為散體塊狀結構，透水性強。(2〕裂隙帶。冒落帶上方的巖層破裂帶，斷裂既可垂直層面產(chǎn)生，也可順層裂開，呈排列整齊的巖塊，為層體塊狀結構。裂隙連通性好，導水性強。(3〕彎曲帶。裂隙帶上方的巖層整體彎曲下沉帶，該帶裂隙不發(fā)育，在地表形成塌陷盆地，塌陷盆地的坡緣往往產(chǎn)生鍥形張開裂隙，一般深度3m-10m。2〕底板采動裂隙帶型通道許多礦床底板之下賦存有高承壓含水層水，這些礦床在開采之前，水、巖處于一定的平衡狀態(tài)。當?shù)V層被采出后，在礦層底板隔水層之上便形成臨空邊界并產(chǎn)生水、巖應力釋放，原來的平衡狀態(tài)隨之被打破，應力重新調整與分布，促使巖體結構發(fā)生變化，以期到達新的平衡狀態(tài)。這種應力重新調整的過程，也就是礦壓和水壓調整與作用的過程。隨著這個過程的推進，隔水底板巖層必然受到不同程度的破壞，形成新的破裂面或使原有的閉合裂隙“活化〞，組成采動裂隙破壞帶?！跋氯龓Ж暎杭丛诓蓜忧闆r下，出現(xiàn)底板破壞帶、完整巖層帶和原始導高帶。3〕構造斷裂型通道〔1〕導水斷層通道多數(shù)的導水斷層通道是張性和張扭性斷層(裂)帶，極少數(shù)是壓性和壓扭性斷層(裂)帶。當這種斷層(裂)帶與其他水源無水力聯(lián)系時，一般為孤立的含水斷層(裂)帶。這種水可以有很大的水頭壓力，但通常水的儲量不大。礦井采掘巷道接近或揭露這種斷層(裂)帶時，會發(fā)生突然涌水，但一般是開始水量較大，以后逐漸減少直至干涸，對采掘工作無太大影響，通常不需要采取復雜的措施；當這種斷層(裂)帶與其他水源有水力聯(lián)系時，對采礦工作影響很大，其突水水量往往大而穩(wěn)定，不易疏干。〔2〕.“遲后導水〞的斷層通道在較軟的泥巖、頁巖等黏性巖層中，由壓應力及局部扭應力作用而形成的斷層多具有隔水性，這樣的斷層及破碎帶不僅本身不會導水，而且還可使被切斷的兩側含水層之間失去水力聯(lián)系。分為兩種，即隔水斷層：在開采后透水是由于開采后在水壓及礦壓作用下，促使斷裂帶進一步破碎或因其中的疏松充填物被沖蝕掉而變的透水?！斑t后〞突水的例子在各大煤礦區(qū)的開采史上并不少見，即采掘巷道穿過某些隔水斷層帶時無水或水量很小，但經(jīng)過一段時間后或回采工作面擴大到一定寬度時，斷層帶附近開始出現(xiàn)底鼓、破裂，繼之發(fā)生斷層突水?！?〕構造裂隙通道構造裂隙的力學性質、連通及充填狀況對涌水的形式及涌水的規(guī)模起著至為重要的控制作用。在礦床上下含水層之間沉積的粉細砂巖、細砂巖隔水層組在多期構造應力作用下，可使隔水巖層產(chǎn)生了不同方向的網(wǎng)絡狀裂隙，這種面狀展布的裂隙網(wǎng)絡的導水性隨著上下充水含水層地下水水頭差的增大而增加。一般張性和張扭性裂隙，未被充填或充填程度不高的，那么導水性較強，當有充足的水源補給時，容易形成大規(guī)模的涌水。壓性和壓扭性的裂隙，一般導水性差，甚至不導水。4〕巖溶陷落柱型通道陷落柱的密實程度變化較大，相對于圍巖而言其強度較低，空隙性較好，陷落柱周邊與圍巖的聯(lián)結較脆弱，陷落柱外側巖層通常裂隙較發(fā)育，往往成為地下水突入礦井的通道。我國華北型煤田礦井在開采過程中所揭露的巖溶陷落柱，多數(shù)是屬于不導水或弱導水型陷落柱，只有少局部屬于中等導水或強導水型陷落柱。由于導水巖溶陷落柱體本身既提供較大的儲水空間，又是導致突水的導水通道，其垂直水力聯(lián)系暢通，并且溝通煤層底板和頂板數(shù)個含水層，高壓地下水充滿柱體，采掘工作面一旦揭露或接近柱體，地下水會大量涌人井巷，水量大且穩(wěn)定，易造成淹井事故。5〕鉆孔型通道鉆孔型通道主要指礦區(qū)在不同時期勘探中遺留下來的封實質量不佳的鉆孔和礦區(qū)廢棄但填實缺乏的機井等。該類導水通道的隱蔽性強，垂向導水較為暢通，不僅會使垂向上不同層位的含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系，而且當采掘巷道揭露或接近它時，會產(chǎn)生突發(fā)性的突水事故。由于這類通道在垂向上往往串通了多個含水層，所以一旦發(fā)生突水事故，不僅突水初期水量大，而且還會有比較穩(wěn)定的水量補給。3.礦井充水程度在礦井生產(chǎn)中，把地下水涌人礦井內水量的多少稱為礦井充水程度，用來反映礦井水文地質條件的復雜程度。1)利用富水系數(shù)劃分礦井充水程度富水系數(shù)是指在一定時間內礦井中排出的水量Q(m3)與同時間礦井開采量P(t)的比值，通常用Kp來表示：根據(jù)富水系數(shù)，可將生產(chǎn)礦井的充水程度分為：充水弱的礦井Kp＜2充水中等的礦井Kp=2－5充水強的礦井Kp=5－10充水極強的礦井Kp＞102)利用礦井涌水量劃分礦井充水程度礦井涌水量是指單位時間內流入礦井及巷道的水量Q(m3/h)。根據(jù)礦井涌水量，可將生產(chǎn)礦井的充水程度分為：充水弱的礦井Q＜100m3/h充水中等的礦井Q=100－500m3/h充水強的礦井Q=500－1000m3/h充水極強的礦井Q＞1000m3/h四、礦井突水的一般征兆礦井在井巷開拓或礦床開采期間，由于影響和破壞了礦層圍巖或頂、底板含水層而造成水體瞬時潰入礦井稱為礦井突水。礦井突水常以點狀形式出現(xiàn)，根據(jù)突水量的不同，突水點等級可劃分為以下四種：小突水點：Q≤60m3/h中等突水點：60＜Q≤600m3/h大突水點：600＜Q≤1800m3/h特大突水點：Q＞1800m3/h一般突水可歸納為兩種情況，一種是突水量小于礦井最大排水能力，地下水形成穩(wěn)定的降落漏斗，迫使礦井長期大量排水。另一種是突水量超過礦井的最大排水能力，造成礦井淹沒。煤礦井突水的一般征兆有以下幾種1.煤壁“掛汗〞具有一定壓力的水透過煤巖體的微細裂隙而在采掘工作面煤巖壁上凝結成水珠的現(xiàn)象。突水征兆中的“掛汗〞與其它原因造成的“掛汗〞有所不同。突水征兆中頂板“掛汗〞多呈