1、中國煤礦水害現(xiàn)狀及防治水理論和技術,施龍青 (博士后、教授、博士生導師) 山東科技大學地質(zhì)學院,內(nèi)容,前言 煤礦水害現(xiàn)狀 中國水害頻發(fā)的根本原因 礦井水害類型及特點 各類水害發(fā)生機理 礦井水害防治對策與方法 物探技術在煤礦水害防治中的應用 底板突水預測預報,前言,我國三大能源在世界能源結構中比例,我國能源結構分布,可燃冰,可燃冰”在世界范圍內(nèi)分布廣，資源量大。據(jù)科學家預測，“可燃冰”儲量是現(xiàn)有天然氣、煤炭、石油全球儲量的兩倍，是常規(guī)天然氣的50倍。有科學家估計，海底“可燃冰”的儲量夠人類使用1000年。 據(jù)推算，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的石油儲備量還可用40年，天然氣還可用70年，煤炭還可用190年，也正

2、是如此，“后石油時代”用什么作為能源成了各國致力研究和勘探的問題?！翱扇急钡陌l(fā)現(xiàn)讓陷入能源危機的人類看到了希望。,早在19世紀30年代，“可燃冰”即進入人類視野。1965年，蘇聯(lián)首次在西西伯利亞永久凍土帶發(fā)現(xiàn)“可燃冰”礦藏，并引起多國科學家關注。率先開始勘測研究的是日本，如今，已擁有7口鉆井，屬于領先水平。美國則從2000年起將“可燃冰”作為政府項目，與各大學和私營公司合作，進行勘測和實地研究。據(jù)稱到目前為止，美國政府已花費超過1500萬美元。另外，加拿大、印度、韓國、挪威等國也紛紛開始投入勘探項目。,目前，世界上已經(jīng)有30多個國家和地區(qū)開展“可燃冰”的研究勘探。我國于2002年同時啟動海域

3、和陸域“可燃冰”的研究和勘探，于2007年在南海發(fā)現(xiàn)了“可燃冰”。 據(jù)介紹，我國“可燃冰”的資源潛力為80344億噸油當量，僅占全球資源量的04。接近于我國常規(guī)石油資源量，約是我國常規(guī)天然氣的2倍。,2009年6月，在海拔4000多米的祁連山南緣，一簇火苗的燃燒，成為一個足以令億萬國人為之沸騰的消息：地質(zhì)工作者在此成功鉆獲“可燃冰”樣品，我國成為世界上第一個在中低緯度凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)“可燃冰”的國家。,能源政策 一是立足國內(nèi)。 二是節(jié)能優(yōu)先。三是優(yōu)化結構。 堅持煤為基礎、多元發(fā)展，形成煤炭為主體，電力為中心，油氣、新能源全面發(fā)展的能源結構。 四是保護環(huán)境。五是增強合作。,一、 煤礦水害現(xiàn)狀,全國煤礦

4、水害概況 2001年，104起，死亡426 2002年，159起，死亡512 2003年，137起，死亡551 2004年，141起，死亡562 2005年，120起，死亡561 2006年，138起，死亡623 2007年，145起，死亡632,煤礦死人在中國早已經(jīng)不是新聞，沒有死人才是新聞。根據(jù)一份統(tǒng)計顯示，從2001年起，中國煤礦平均每7.4天發(fā)生一起死亡10人以上的事故。中國煤炭產(chǎn)量約占全球的35%，死亡人數(shù)則占近80%,山東省水害情況 國有重點煤礦(19492004 ) 重特大水害事故 55起， 死亡 25起，死亡431人。透古空水占47.3%，死亡425人；透含水層38.2%（無死

5、亡）；地面水占14.5%，死亡6人。 地方煤礦(19722004) 重特大水害事故41起，死亡351人。透古空水事故35起，占85.4%，死亡230人；透含水層占4.9%，死亡16人；地面水占9.7%，死亡105人。,中華人民共和國國務院第446號令,國務院關于預防煤礦生產(chǎn)安全事故的特別規(guī)定已經(jīng)2005年8月31日國務院第104次常務會議通過，現(xiàn)予公布，自公布之日起施行。 總理溫家寶,停止生產(chǎn)，排除隱患 （一）超能力、超強度或者超定員組織生產(chǎn) （二）瓦斯超限作業(yè)的； （三）煤與瓦斯突出礦井，未依照規(guī)定實施防突出措施的； （四）高瓦斯礦井未建立瓦斯抽放系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，或者瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)不能正常運行

6、的； （五）通風系統(tǒng)不完善、不可靠的；,（六）有嚴重水患，未采取有效措施的； （七）超層越界開采的； （八）有沖擊地壓危險，未采取有效措施的； （九）自然發(fā)火嚴重，未采取有效措施的； （十）使用明令禁止使用或者淘汰的設備、工藝的； （十一）年產(chǎn)6萬噸以上的煤礦沒有雙回路供電系統(tǒng)的； （十二）新建煤礦邊建設邊生產(chǎn)，煤礦改擴建期間，在改擴建的區(qū)域生產(chǎn)，或者在其他區(qū)域的生產(chǎn)超出安全設計規(guī)定的范圍和規(guī)模的；,（十三）煤礦實行整體承包生產(chǎn)經(jīng)營后，未重新取得安全生產(chǎn)許可證和煤炭生產(chǎn)許可證，從事生產(chǎn)的，或者承包方再次轉(zhuǎn)包的，以及煤礦將井下采掘工作面和井巷維修作業(yè)進行勞務承包的；（十四）煤礦改制期間，未明確安

7、全生產(chǎn)責任人和安全管理機構的，或者在完成改制后，未重新取得或者變更采礦許可證、安全生產(chǎn)許可證、煤炭生產(chǎn)許可證和營業(yè)執(zhí)照的；（十五）有其他重大安全生產(chǎn)隱患的。,水害頻發(fā)的根本原因1、復雜的地質(zhì)構造“天災”2、松懈的安全意識“人禍”,二、礦井水害 類型及特點,我國八大聚煤期早寒武世 早石炭世(C1)北方晚石炭世早二疊世(C3-P1)南方二疊紀(P)晚三疊世(T3)早中侏羅世(J1-2)早白堊世(K1)第三紀(E)。,聚煤特征1、從淺海海灣逐步向濱海、沿海地區(qū)并最后向陸地內(nèi)部遷移。2、聚煤作用的氣候條件隨著植物界的發(fā)展演化，由熱帶、亞熱帶遷移擴展至溫帶。古生代多為熱帶、亞熱帶，中生代以后多為溫帶。3

8、、各聚煤期植物不同。早古生代菌藻植物；晚古生代蕨類；中生代裸子植物、蕨類；新生代被子植物。,煤炭資源的地理分布特點分布廣泛 、西多東少、北多南少 、相對集中。既廣泛又相對集中，是我國煤炭資源地理分布的重要特征。,水害類型按水源劃分,地表水害 第四系松散層孔隙水害 侏羅系-第三系孔隙-裂隙水害 煤系砂巖裂隙-孔隙水害 煤系薄層灰?guī)r水害 厚層灰?guī)r水害（北方奧灰，南方茅口灰?guī)r） 老空、老窯水害 其他水害（導水陷落柱、斷層、封閉不良鉆孔、防水設施、邊界煤柱等）,水害特點,地表水害 包括河流、水庫、湖泊、海洋、雨季洪水等。其危害為： 通過井眼、礦井安全出口、采后塌陷坑、煤系含水層露頭、喀斯特塌陷等直接或

9、間接透入礦井而造成事故； 地表水體底部滲漏增大礦井涌水量；,第四系松散層孔隙水害,分布面積廣； 廣泛接受大氣降水、地表水補給； 為孔隙水，連通性好； 與其他含水層露頭接觸，或其他方式發(fā)生水力聯(lián)系，可成為其他含水層的補給水源,侏羅系-第三系孔隙-裂隙水害,一般分布面積局限； 與第四系水有廣泛的水力聯(lián)系或直接接受大氣降水、地表水補給； 為孔隙-裂隙水，連通性較差，局部富水性較強； 與其他含水層露頭接觸，可成為其他含水層的補給水源,煤系砂巖裂隙-孔隙水害,具有成層性，一般具多層特點； 為裂隙-孔隙水或裂隙水，具有較強的方向性，在某些方向上連通性好，裂隙發(fā)育部位富水性較強； 在沒有地表水、第四系水及其

10、他水源補給條件下，其動、靜儲量往往不大； 距離煤層近，影響較大。,煤系薄層灰?guī)r水害,灰?guī)r厚度較小，靜儲量不大； 在有充足補給水源條件下，動儲量較大； 一般為巖溶-裂隙含水層水或裂隙-巖溶含水層水，富水性不均勻； 巖溶裂隙的發(fā)育程度與埋藏深度、構造發(fā)育程度、構造部位有關； 夾在可采煤層之間或煤層與奧灰之間，距離煤層較近，甚至直接成為煤層頂、底板，對煤層開采影響大。,厚層灰?guī)r水害,奧陶系灰?guī)r 出露廣泛，接受大氣降水、地表水或第四系等水的補給，總體補給水源充足，動、靜儲量巨大； 一般為巖溶-裂隙含水層水或巖溶含水層水； 發(fā)育兩套巖溶系統(tǒng)，古巖溶和近代巖溶；具有強徑流帶和分支徑流帶，水力系統(tǒng)復雜，不均

11、勻性顯著； 巖溶裂隙的發(fā)育程度與埋藏深度、構造發(fā)育程度、構造部位有關； 含水性強，可疏降性差，對近距離煤層開采影響大。,老空、老窯水害,積存于生產(chǎn)或開拓水平之上； 水量不大，一般不會造成淹井危害； 一旦揭露，水量集中，來勢猛，往往以“有壓管道流”的形式突然潰出； 具有很大的沖擊力和破壞力，對人身安全危害極大； 老窯水積存時間長，水的酸性強，腐蝕性強，危害大；,其他水害,巖溶陷落柱：突水通道，危害大； 斷層，導水：活化，斷層影響帶； 封閉不良鉆孔：導水通道，連通含水層； 防水設施：主要是擋水墻，有水或無水，圍巖、墻體穩(wěn)定性，靜水或動水； 邊界煤柱：破壞，不穩(wěn)定，易引發(fā)突發(fā)性事故；。,三、各類水害

12、發(fā)生機理,1 頂板水害發(fā)生機理,頂板水害發(fā)生主要是由于開采煤層頂板運動產(chǎn)生。上覆巖層的移動和破壞，形成了充水通道，使上部水體中的水滲入或潰入井下，形成災害。 上三帶理論： 開采煤層之上存在三帶：冒落帶、導水裂縫帶、彎曲帶。 冒落帶和導水裂縫帶統(tǒng)稱冒裂帶。,水經(jīng)覆巖涌入礦井機理,1.開采煤層距離含水層（水體）較遠，冒裂帶觸及不到含水層（水體），且含水層水壓不足以破壞冒裂帶之上的隔水層，彎曲帶內(nèi)的巖層雖然也可能存在伸張裂隙或離層，但這些裂隙互不連通。不會發(fā)生潰水。 2. 開采煤層距離含水體近，冒裂帶直接進入含水層，則含水層水會潰入井下。,3.開采煤層距離含水層（水體）較近，導水裂縫帶達到含水層，但

13、冒落帶距離含水層有一定距離，含水層中的水會滲漏到井下，如果涌水量較大，則危險性大。 如果含水層為松散沉積物，且底部發(fā)育粘土層，導水裂縫帶只到達粘土層底部，由于粘土層隔水，則不會導致水沙潰入。 如果導水裂縫帶穿過粘土層，如果粘土層較厚，一般不會導致水沙潰入，如果較薄，則有一定危險性。,導水裂隙帶高度計算方法,按照規(guī)程 類比法 經(jīng)驗公式法 理論計算 現(xiàn)場實測,建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程（2000第18號）,保護層厚度導水裂隙帶到含水層厚度,例子華豐煤礦1409工作面,采厚M=6.5m;水壓p=4.2Mpa;突水系數(shù)v=0.07。1409工作面至礫巖最小距離135m，砂巖風化

14、帶厚5m。相當于礫巖含水層底界最小距離應下降5m。所以工作面至礫巖含水層應視為130m,類比法,兗州鮑店煤礦3煤層綜采放頂煤實測資料，該礦巖層傾角為時，k=7。由于華豐井田地層結構與鮑店井田十分類似，同時華豐礦1409工作面所開采的煤層就是相當于鮑井田的3煤層，因此，可以根據(jù)鮑店井田k1系數(shù)，來推測華豐井田的k2。已知鮑店井田的3煤層開采時巖層的傾角為5，華豐礦1409工作面巖層的傾角為，則：,華豐礦1409工作面的在采厚為6.50m的情況下，冒落帶h1的高度為10.73m。,經(jīng)驗公式法,理論計算“上四帶”,頂板峰值衰減系數(shù) ；Cx巖梁之間力的傳遞系數(shù) ； L工作面跨度；1未破裂巖層的最大抗壓

15、強度； 頂板巖層加權平均比重；H未破裂巖層的埋深；。,現(xiàn)場實測,底板突水機理,早在20世紀初，國外就有人注意到底板隔水層的作用 40年代至50年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出底板相對隔水層的概念。 60年代至70年代，匈牙利國家礦業(yè)技術鑒定委員會將相對隔水層厚度的概念列入礦業(yè)安全規(guī)程 70年代至80年代末期，很多國家的巖石力學工作者在研究礦柱的穩(wěn)定性時，研究了底板的破壞機理,我國在底板突水規(guī)律研究方面起始于60年代， 70年代中期，國家派科技人員去匈牙利考察， 70年代后期，修改了原有的突水系數(shù)概念，并應用于實踐。 80年代開始，以煤炭科學研究總院西安分院、山東科技大學及煤炭科學研究總院特采所

16、為代表，不僅各自獨特的理論，而且具有一個完整的研究梯隊，如“下三帶”理論。 90年代，山東科技大學“下四帶”理論 目前，我國防治水的研究工作處于世界領先地位。,關于突水系數(shù),T=P/M T=P/(M-C),關于突水理論,“下三帶”理論 “下三帶”的理論觀點最早是由原山東礦業(yè)學院一批科技人員在實踐中提出的，并在實踐中進行應用和發(fā)展。 底板破壞帶；完整巖層帶；承壓水導高帶。,原位張裂與零位破壞理論 煤炭科學總院北京開采所王作宇、劉鴻泉提出 板模型理論 煤科總院北京開采所劉天泉院士，張金才等 關鍵層理論 中國礦業(yè)大學錢鳴高 院士 “四帶”理論施龍青,水害防治研究存在的問題,底板突水機理理論研究方面“

17、下三帶”理論理論基礎為彈性力學理論；為淺部開采理論 底板突水的預測預報方法一直束縛于“突水系數(shù)”的概念,原因： 一是人們對深部煤層開采突水機理研究的認識不足。 二是研究人員受到專業(yè)限制。 三是有效的探測手段限制,采場底板“下四帶”劃分理論,1)第帶（h），礦壓破壞帶 是指礦山壓力對底板的破壞作用顯著，底板巖石的彈性性能遭到明顯傷失的層帶。其特點為：巖石處于粘彈性狀態(tài)；各種裂隙不僅交織成網(wǎng)，而且慣通性好、導水性能很強；巖層的連續(xù)性徹底破壞，完全傷失了隔水能力；承壓水沿該帶突出所消耗的能量僅僅用于克服突水通道中的沿程阻力。,2)第帶（h2）, 新增損傷帶 是指受礦山壓力破壞的影響作用明顯，巖石彈性

18、性能發(fā)生了明顯改變的層帶。其特點為：底板巖層的原有抗壓強度明顯降低，但巖層的彈性性能尚未完全傷失，即巖石乃處于彈性狀態(tài)；巖層的原有裂隙得到了明顯地擴展，但尚未相互貫通；巖層具有一定的連續(xù)性和隔水能力；承壓水要沿該帶突出，其消耗的能量主要用于貫通裂隙。,3)第帶（h3）, 原始損傷帶 是指不受礦山壓力破壞作用的影響或影響甚微，巖石彈性性能保持不變的層帶。其特點為：巖石保持原有彈性性能；巖層內(nèi)的裂隙保持原先的非相互貫通狀態(tài)；巖層的連續(xù)性和隔水能力良好；底板水要沿該帶突出，其消耗的能量主要用于破壞巖石及貫通裂隙。,4)第帶（h4）, 原始導高帶 是指不受礦山壓力作用的影響，并發(fā)育有承壓水的原始導高的

19、層帶。其特點為：因水化學作用，巖石處于彈塑性、塑性狀態(tài)；裂隙發(fā)育差參不齊，并已成為突水通道；巖層的連續(xù)性差；底板水從該帶突出只需克服沿程阻力。,各帶厚度的確定,礦壓破壞帶,新增損傷帶,原始導高帶及原始損傷帶,底板破壞型突水條件,1)若h30，則不突水； 2)若h30，h2，且P(1-D)，則突水； 4)若h3=0，h20，則突水。,3.1 底板破壞深度的計算方法,經(jīng)驗公式,“下四帶”理論,損傷底板破壞深度預測,白莊煤礦7105工作面為-430m水平的第一個工作面，開采深度平均為520m，工作面斜長80m，煤層的傾角為10，堅固性系數(shù)為3。底板損傷度0.33。,根據(jù)“下三帶”理論10.66m，

20、根據(jù)“規(guī)程”10.36m， 根據(jù)無損傷經(jīng)驗公式13.8m， 根據(jù)損傷經(jīng)驗公式21.23m, 現(xiàn)場實測22.47m.,底板破壞深度實測設備 雙端封堵側(cè)漏儀,計算機數(shù)值模擬,非線性預測理論公式,神經(jīng)網(wǎng)絡理論 信息融合理論,四、礦井水害防治對策與方法,地表水害防治,礦井設計時，要符合煤礦安全規(guī)程；如井口、工業(yè)廣場標高要高于當?shù)刈罡吆樗?；建攔洪壩、截水溝等防洪工程，防止地表水從主井、副井、風井井口直接灌入井下。 山區(qū)或丘陵區(qū)：上游，攔洪壩、植被、魚鱗坑、溝谷排水。中游：加深、拓寬主洪道；下游：清淤、排障，加快水流下泄速度。,平原區(qū)：開挖和延展主、支網(wǎng)排洪渠，加速向礦區(qū)外疏導水，必要時建立排洪站，防止

21、內(nèi)澇和河水倒灌。 基巖裸露或表土覆蓋層較薄區(qū)：整鋪河底，填平積水坑，防漏處理。,第四系松散層孔隙水害防治,查明沖積層本身的富水性、分層結構。特別要查明沖積層底部含水層、隔水層厚度及其變化； 根據(jù)沖積層的富水性和分層結構，尤其是底部有無良好的隔水層，地層傾角、采高和頂板巖組的力學性質(zhì)等，按規(guī)程留設相應的安全煤（巖）柱：防水、防沙、防塌煤巖柱； 采用能夠控制采高、防止抽冒的采煤方法。控制開采標高、上下層（或階段）間歇開采等。 在沖積層含水性弱，地下水動、靜儲量有限的地區(qū)（段），采用疏干開采。,沖積層富水性中等，地下水動、靜儲量不太大，預計礦井中后期可能疏干的地區(qū)，前期仍按規(guī)程留足保護煤柱，后期再根

22、據(jù)水位疏降情況另行對待； 需解決的關鍵問題：含水層富水性、底粘、冒裂帶高度、冒落帶高度。要采用探測手段，查明。,煤系砂巖裂隙孔隙水的防治對策,沒有地表水、第四系水及其他含水層補給情況下，動、靜儲量往往不大，可提前疏干開采； 積層補給（順層），且補給量不大，砂巖位于煤層上方，在本水平第一個可采煤層最下方先掘一條煤巷作為疏水巷，或采用鉆探方法打鉆放水，提前形成降落漏斗，給上方采掘工作創(chuàng)造條件。,動、靜儲量都豐富的砂巖水，在查明其補給水源和主要補給通道后，采取有針對性措施，如封堵水力聯(lián)系通道，截斷其補給水源后在進行有效的疏放。 煤層底板砂巖水，如果壓力大，要提前疏水降壓。 關鍵問題：含水層富水性、水

23、力聯(lián)系通道、構造部位、導水構造。 水文物探探測,煤系薄層灰?guī)r水防治對策,位于煤層上方，其防治方法與砂巖水相同； 位于煤層下方，承壓水，如徐灰，作為承壓水上采煤對待 富水性及導水構造探查 隔水層性能評價 水壓問題 疏降開采 含水層改造 分區(qū)隔離（采區(qū)煤柱、防水閘墻） 關鍵問題：富水性、隔水層、水壓、構造、礦壓破壞）,奧灰水防治對策,基本要點與薄層灰?guī)r水相同；特殊對策： 建立含水層長期動態(tài)觀測系統(tǒng)； 采用物探、化探、鉆探和放水、連通試驗等綜合探查方法，查明：斷層及其導水性、斷層兩盤對接關系、奧灰與中間層的水力聯(lián)系、主要補給通道和可能補給量、原始導高帶高度； 局部地段注漿堵水，切斷其與其他含水層的補

24、給關系； 改造“中間層”，擴大隔水巖組厚度和阻水能力； 疏水降壓開采（少，局部地段，如潘西） 疏堵結合,老空、老窯水防治,基本對策：有疑必探，先探后掘，不探不掘 老窯積水，年代久遠，情況復雜，用物探方法查明其積水大致范圍；劃出“緩沖安全帶”，邊探邊掘。 生產(chǎn)礦井本身的老空、老巷積水，認真核實圖紙資料，弄清積水可能的范圍，估計水量，查明最低、最高點的位置和標高，進行探放水設計和探放水工作。,斷層水防治,導水斷層：留設斷層煤柱（按規(guī)程），注漿封堵 非導水斷層：注意活化后導水問題 斷層帶及附生斷層（或同期小斷層）導水,斷層防水煤柱留設,導水陷落柱水害防治,資料分析，尋找異常區(qū)，如水位異常部位； 通過

25、物探手段，查清陷落柱的位置和邊界； 打鉆注漿，注骨料； 周邊留設防水煤柱，按壓力計算煤柱尺寸。,封閉不良鉆孔導水的防范與處理,封閉不良鉆孔排查； 含水層等水位線圖，尋找異常點； 啟封處理； 留設防水煤柱。,不良防水設施突水的防范與處理,防水墻的監(jiān)測：應力、應變、位移； 圍巖注漿加固； 墻體加固、加厚； 測壓孔處理；,煤柱引起的水害問題,煤柱尺寸不足； 一側(cè)水壓力大，煤柱強度不夠； 煤柱尺寸探測； 煤柱加固加厚； 鉆孔放水降壓。,五、物探技術在煤礦水害防治中的應用,一、電法勘探的分類,瞬變電磁應用,瞬變電磁探底板水 瞬變電磁探頂板水 瞬變電磁探測煤柱,瞬變電磁探測深部奧灰水,以新汶潘西礦為例,瞬

26、變電磁設計圖,奧灰頂面下10m富水區(qū)分布圖,奧灰頂面下30m富水區(qū)分布圖,奧灰頂面下50m富水區(qū)分布圖,瞬變電磁探測頂板水,以新汶華豐礦為例,瞬變電磁探測煤柱以新汶汶南礦為例,三維高密度探水技術,底板水探測,良莊煤礦31108工作面底板地層電阻率三維數(shù)據(jù)體,良莊煤礦31108工作面底板下80米、徐灰層位,良莊煤礦31108工作面底板下120米、奧灰頂界面深度,良莊煤礦31108工作面底板地層底板下130米、奧灰頂界面下10米深度,良莊煤礦31108工作面底板地層下140米、奧灰頂界面下20米深度,良莊煤礦31108工作面底板下150米、奧灰頂界面下30米深度,良莊煤礦31108工作面底板下160米、奧灰頂界面下40米深度,良莊煤礦31108工作面底板下170米、奧灰頂界面下50米深度,良莊煤礦31108工作面底板底板下180米、奧灰頂界面下60米深度,良莊煤礦31108工作面底板下220米、奧灰頂界面下100米深度,垂直切片（沿軌道巷）,距軌道巷30米,距軌道巷60米,距軌道巷90米,距軌道巷120米,距軌道巷150米,沿運煤巷,傾向垂直切片平行切眼60間距,頂板水探測,滕東生