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矿井充水特征

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单薄的毛豆
2022-12-29 15:36:38

矿井充水特征

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2026-02-04 09:27:08

1.矿井涌水的时间特征

全局10个生产矿井总涌水量为398m3/min(1981年8月),尚不包括被淹的演马庄矿(水量为123m3/min)及地方矿井在内。

矿井涌水量与矿床水文地质边界条件、构造破碎程度、开采的煤层、开采深度和开采的时间有关。各矿井涌水量差别很大,介于3.5~123m3/min,涌水量的变化一般可分为如下3个阶段。

(1)建井时间

以井筒开凿冲积层水及二叠纪砂岩裂隙为主,其中冲积层涌水量可达16m3/min,砂岩涌水量1~2m3/min,经井筒注浆处理,一般剩余水量1m3/min。井底车场开凿时水量为2~3m3/min。建井时期,矿井排防水能力小,地区范围小,防灾能力弱,因此井筒位置选择在含水性弱的岩层中,避开流砂层、断层和石灰岩突水,以保障基建正常进行。同时要建设可靠的排防水能力,巩固井下生产阵地。中马村矿井筒位于断层带,在排防水能力不足的情况下,把临时水仓巷道掘进到距“八灰”只6 m处,而承受25.9kg/cm2水压,结果发生突水105m3/min,造成淹井事故。

(2)开拓初期

本区大煤至八灰间距为20~40m,承受水压20~30kg/cm2,每米岩柱承受水压0.5~1.5kg/cm2,大部分处在可能突水状况下。因此,必须排水以降低八灰含水层水压,达到安全水头值。随着巷道的掘进,直接揭开八灰含水层而遇断层八灰水突水,矿井涌水量以八灰水为主,水量达30~80m3/min,使水位大幅度下降。个别地区大煤至八灰之间隔水层厚,构造简单,利用隔水层可以保护矿井较长时间涌水量较小(5m3/min以下)。

(3)开采后期

开采后期由于扩展至井田边界,或水平延深至开采石炭系的“二煤”,水文地质条件更为复杂,其特征是:

1)进入构造复杂区。通过断层时,发生“L2”或O2水强烈突出,如冯营矿13011工作面突水量103m3/min,王封矿117地区突水量52m3/min。

2)开采二水平时,一水平的水量向深部转移。如演马矿西部涌水量54~66m3/min,当二水平开拓时,出水量40m3/min,使一水平水量减少65%。

3)突水点向补给水量方向转移。如演马矿F3断层为补给水源处,1961年10月101工作面突水15m3/min;在F3断层尖灭处,1964年9月,12121工作面突水89m3/min,101工作面水量消失。1966年12月,西大巷出水58m3/min,12121工作面水量减少为22m3/min。1977年8月14日,1441工作面直接遇F3断层突水120m3/min。以上突水点水量大量减少,突水点不断向F3断层发展,新点突水,老点减少。

4)开采二煤时,矿井涌水量增加30~50m3/min,此时L5与L2含水层水直接涌入矿井,这两个含水层水位也明显下降。

矿井涌水量动态,除上述与开采条件有关的变化趋势之外,还有如下特点:① 水量动态季节性变化较小,年变化幅度为1.05~1.3 倍;② 水量的变化明显受突水波动,呈阶梯式增长,水量跳升后,一般较快平稳;③ 水量总趋势是增长的;④ 在不揭露新水源的条件下,突水点会增加或转移,但总水量不变。

上述特征说明了本区区域地下水补给来源充沛,水量有充分的调节平衡作用,处于动态平稳,不易疏干。

2.矿井涌水的边界特征

一个矿井的涌水量大小主要取决于矿床进水边界条件。根据焦作各矿井水文地质特征,井田进水边界条件有以下三种类型:

1)强补给边界,即水平或垂直方向,有强含水层补给(含水砂砾层和岩溶石灰岩)。而接受补给的含水层也为强含水层,如演马庄矿浅部煤层露头为含水砂砾层覆盖,奥灰和石炭纪石灰岩层在这一地带与砂砾层相互接触,水位趋于一致,矿井排水后,水位保持高水头补给,水力联系密切,同时在深部有北东走向的F3张断裂带,八灰、二灰、奥灰发生水力联系,形成频繁突水,水量较大,致使演马庄矿20多年来矿井涌水量始终保持在30~120m3/min。

2)弱补给边界,即在水平与垂直方向与弱含水层或隔水边界相互接触。如田门井的煤层露头由不含水的冲积层覆盖,煤层底板有40m的完整隔水层分布,深部断层两盘为煤系地层接触的隔水边界,矿井涌水量为4~5m3/min。

3)局部强补给边界,即井田边界局部沿水平或垂直方向有强含水层补给,但被补给的含水层含水性弱,也不利于地下水补给。如中马矿,主要地下水补给来源为浅部李河断层的一部分,深部九里山断层落差大(300m),奥灰与煤系接触。深部石灰岩裂隙性小,不构成强补给边界,矿井排水后,九里山断层两盘水位相差200 多米,矿井涌水量80~40m3/min。

3.矿井突水的特征

矿井突水是本煤田矿床水文地质中最突出的问题,威胁着矿井的安全生产。据不完全统计(表1-7),截至1981年共发生突水事故707次,其中突水量大于1m3/min的次数占51%,大于30m3/min的有13次,大于100m3/min有5次,最大突水量为240m3/min(演马庄矿)。平均每年突水20~30次,一般开拓进尺高年份(如1958,1962~1965,1977~1978年)突水较多,每年有30~40次。1973年以后,由于开拓石炭纪二煤及水平延深,突水的频率和强度都增加了。

表1-7 突水量分类统计表

发生突水的水源以大煤底板的“八灰”为主,突水253次,占36%。而顶板砂岩水及井筒冲积层突水占40%,突水量小。钻孔及小煤窑出水占13%。大煤底板突水是距大煤20~40m的八灰水,通过岩层破裂带,以及在采矿的诱发下而突破底板发生突水的。

(1)突水的前兆特征

突水的过程一般是有前兆的,概括有以下几种:① 底鼓,如中马村矿临时水仓-163m处,3月27日7点忽听“呼”一响,距工作面2~3m处底鼓,高约1m,向外冒水,涌水量0.67m3/min,12点3分,“崩”的一响,涌出大量黄水,涌水量105m3/min;② 工作面发潮淋水,如演马庄矿二1轨道,1979年3月8日掘进发现岩层变软;3月9日14点30分,发现工作面有两个巴掌大一片继续出水,14点45分,岩壁流水,并有“咕咚”声音,15点10分涌水量138m3/min,15点40分涌水量240m3/min;③ 工作面发凉,如演马庄矿1441工作面,1977年8月20日突水120m3/min,突水前1~2天工人干活感到身上发凉。此外,在工作面地压加大,断梁折柱,片帮,岩层的裂隙密度增大,裂隙面呈现红色水锈,岩层产状变化,出现断层,煤层的瓦斯含量突然下降等现象也是出水的预兆。

底板突水的机理是底板隔水岩层的厚度与承受水压密切相关,矿压是触发因素。焦作矿区临界突水系数(水压与隔水层厚度比)的经验值为0.5(大部分为断层破碎带)。底板突水是一种水位能的释放,其突水量的变化与突水岩层结构有关,可划分为三类:

第一类:强烈突水型。发生突水时,水量很快到达最大值然后平稳下降,多发生在坚硬地层,距离水源近,位于断层带。如演马庄矿二1轨道突水,发现突水前兆(有淋水),大约20~30分钟后,水量便突增至240m3/min。

第二类:跳跃型。水量由小到大呈突然跳跃式增加,其频率与强度愈来愈大,多发生在断层带,距离水源稍远,过水通道在不断扩大。如冯营矿13011工作面,开始出水1m3/min,持续一天后,增加到15~85m3/min;又经过30小时,突增到89m3/min以上,造成淹井。这种类型出水很危险,开始使人麻痹,因此我们总结为:“不怕大,就怕跳”。

第三类:缓慢型。在含水层中掘进或底板岩层普遍破碎,水量逐渐随揭露面积而增大,而后随影响半径扩展到边界,达到水量稳定或因补给条件不足而逐渐减少和疏干。如王封矿 117 号地区,为底板破碎地带,大面积出水,如同开水翻滚,水量保持在15m3/min。

突水最大水量中包括有动水量和部分静水量。根据本矿区实测资料,稳定水量为最大水量的50%~70%,个别达80%。

(2)突水点分布的空间特征

突水点在空间的分布有一定的规律,突水点、突水带和突水区往往与断裂(特别是张性断裂)展布有关。本区可划分出以下几种类型:

1)背斜轴部裂隙密集带。本区煤层在走向(N60°E)存在缓波状褶曲,约4~5km间距出现一个背斜轴。该区小构造多,裂隙密度高,往往发生突水。如王封矿西部、马村井、演马矿西部。

2)北西西向张裂带。北西西向张裂带往往为小型地堑,呈平行等距排列,间距约600~800m,往往出现成组的突水带,如焦西矿二煤区突水点,分布在该张裂带,突水频繁。

3)沿煤层走向北东向横张裂带。如李封矿二煤区一组突水点,分布在N60°E,其西部为一条N60°E的张性断层。我们选择在突水点与小背斜交叉点上注浆堵水,结果很快全段水量堵死。

4)沿大断层附近的“入”字形小断裂。突水点往往成串出现。如李封矿季塔掌二煤区北东向的凤凰岭断层,出现4条互相平行等距(约120m)的“入”字形断层,突水点在该断层两侧成群出现。

5)二条较大断层相互对扭地段,即扭张破碎带。如中马村矿西南段李河断层为北升南降,东端李庄断层为北降南升,形成对扭状态,使这一地段小构造密集,突水频繁,地下水不易疏干。

6)断层交叉处。如演马庄矿西部F3断层,为北东走向断层与东西方向三条小断层相交,相交地带分别出现突水点,1441 出水120m3/min,西大巷突水57m3/min,12121出水89m3/min。

7)断层的尖灭地带。如演马庄矿101工作面,突水点位于F4断层的尖灭部位,突水量15m3/min。

8)正断层的上盘(主动盘)。矿区大部分突水发生在这一地段,如冯营1301突水84m3/min。

总之,突水点的展布与断层线有关。构造线密集地区、构造富水区,突水的点、线、面有规律组合。

突水点的迁移现象很普遍,其规律是新突水点出现后,老突水点水量减少或消失。另一重要特征是,突水点向补给水源方向转移,如演马庄矿一水平突水点,分布在F3断层附近,突水点由远到近逼近水源(101点出水15m3/min;1212点出水89m3/min;西大巷点出水53m3/min;1441点出水120m3/min),而且水点之间水力联系密切。新突水点出水后,老水点水量明显减小,说明补给水源是共同的,直到暴露F3为一条富水的垂直补给通道。目前,经过对该断层截流注浆,已使矿井总水量由90m3/min减至71m3/min,证实了水点迁移向水源逼近的判断。

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开心的冬瓜
幽默的眼睛
2026-02-04 09:27:08

无烟煤,俗称白煤或红煤,是煤化程度最大的煤。其固定碳含量高,挥发分产率低,密度大,硬度大,燃点高,燃烧时不冒烟,热值约6000-6500千卡/公斤。

中国无烟煤预测储量为4740 亿吨,占全国煤炭总资源量的10%,年产2 亿吨。山西省占32%,河南省占18%,贵州省占11%。

中国有六大无烟煤基地:北京京煤集团(已退市)、晋城煤业集团、焦作煤业集团、永城煤矿区、神华宁煤集团、阳泉煤业集团。

接下来,我们就一起来看一看这五个无烟煤生产基地吧!

1、晋城煤业集团

山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司(简称“晋煤集团”),是中国优质无烟煤重要的生产企业、全中国最大的煤化工企业集团,也是19个首批煤炭国家规划矿区——晋城矿区的骨干企业。

其煤炭产品为中等变质程度无烟煤,主要产品有洗中块、洗小块、洗末煤和优末煤等7个品种。

2、焦作煤业集团

焦作煤业集团是河南能源化工集团主要成员企业之一。至今已经具有112年的开采历史。矿区地处河南省西北部,横跨洛阳、济源、焦作、新乡四个地市,是我国六大无烟煤生产基地之一,也是全国最早运用现代技术开采的四大煤矿之一。

焦作矿区煤炭储量丰富,含煤面积350平方公里,地质储量29亿吨。煤炭产品早年被英国皇宫享用,素有“香砟”之称。

3、永城煤矿区

永城煤矿区位于河南省永城市,是中国六大无烟煤基地之一,共划分5个勘探矿区、10个井田和2个找煤预测区。截至2000年底保有资源储量25.56亿吨,占河南省煤炭总保有资源储量的11.07%;其中无烟煤20.44亿吨、瘦煤0.34亿吨、贫煤4.78亿吨;另有天然焦5.93亿吨。

目前探明煤层25层,其中可采、局部可采煤层为7层,主要可采煤层为二叠系山西组的二2煤层和下石盒子组的三2、三3煤层,平均厚度为1.36~2.84米,矿区煤层埋深225~1000米。

4、神华宁煤集团

神华宁煤集团地处蒙、陕、晋三省区资源富集区,是神华集团的控股子公司,也是宁夏回族自治区最大的优势骨干企业。集团拥有煤炭资源储量295亿吨,以无烟煤、主焦煤和不粘结煤为优势煤种,其中“太西”无烟煤是世界上最著名的优质无烟煤。

神东矿区自1985年开发建设,公司现拥有生产矿井15个,其中内蒙古境内9个,陕西境内5个,山西境内1个。在矿井规模上,有3个达到了2000万吨/年以上,3个达到1500万吨/年,6个达到1000万吨/年,形成了千万吨矿井群生产格局。

5、阳泉煤业集团

阳泉煤业(集团)有限责任公司,是全国最大的无烟煤生产基地、最大的冶金喷吹煤基地、最大的无烟煤出口基地,是国家首批确认的特大型国有企业。

部分煤矿资源如下:阳泉煤业一矿的井田面积83.6平方千米,地质储量10.6亿吨,可采储量6.4亿吨;二矿的井田面积62.4平方公里,4.9亿吨的煤炭可采储量,地质构造简单,煤层稳定;三矿拥有地质储量1.7亿吨,可采储量为1.05亿吨;五矿井田面积80.2平方公里,主采8#、15#煤层,可采储量46311万吨。

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2026-02-04 09:27:08
焦作金叶醋酸纤维有限公司不是国企。

焦作金叶醋酸纤维有限公司,位于河南省焦作市,是一家以从事烟草制品业为主的民营企业,因此焦作金叶醋酸纤维有限公司不是国企。

焦作金叶醋酸纤维有限公司,成立于2015年。

大方的冬瓜
单纯的衬衫
2026-02-04 09:27:08

矿井开采时遇到的突水灾害是煤矿常见的地质灾害。我国北方石炭-二叠纪煤田中,不仅煤系内部有含水层,而且下伏巨厚的奥陶纪灰岩中也富含岩溶水。随着开采工程的延伸,地下水深降强排,导致地下水位发生变化,产生巨大的水头差,在一些构造破碎带和隔水层薄的地段发生突水。

由于地下水源的变化,有些矿井充水而不得不长期排水,使附近的地表水和表层地下水被疏干,恶化了生态环境,缺水地区不断扩大,开滦范各庄矿突水后,水位下降20~30m,使厂矿、工业和生活供水原有的系统失灵,发生吊泵现象,形成无法供水的局面;山西省因采煤而造成18个县缺水,26万人吃水困难,30多万亩水地变为旱田。

据不完全统计,30多年来。我国主要煤矿区因突水淹井58次,部分淹井64次,经济损失27亿元。1984年开滦范各庄煤矿的一次淹井事故损失就达5亿元。在河南焦作矿区,突水事故共发生270余次,最高突水量达243m3/min,突水淹井事故19起,每次直接损失数千万元,矿区排水量高达8.86m3/s,平均每采1t煤就需排6t水。另外,在全国岩溶型煤田中,突水量大于10m3/min的突水共发生200余次,50m3/min的突水约20次以上;而河南省同类矿床中,10m3/min的突水约有60余次,大于50m3/min的突水约11次,分别占全国同类突水的30%和50%。目前,我国北方主要的矿务局有130对矿井受水害威胁。随着向深部开采,水压不断增加,突水日趋严重。有些新井因水的威胁长期不能投产。在北方岩溶地区,煤矿约有15Nt的储量受水威胁而不能开采,如河南省新密矿区受水害威胁的煤炭储量就达1.29Nt,占煤田地质储量的54.9%;鹤壁矿区仅太原组下组受水害威胁的储量就占矿区总储量的25%。

目前,不少矿井已进入深部开采,有些矿井下开采标高已达到地表以下600m,最深的已超过地表以下1 000m。煤层底板承受岩溶承压水的水压已达2.0~6.5MPa,而煤层与其下伏灰岩岩溶含水层之间的隔水层厚度一般只有10~20m,最大可达50~60m,突水的几率大增,淹井事故也逐年上升。对其进行研究和防治具有重要的战略意义。

2.3.1 矿井水害水源类型及分布

凡影响生产、威胁采掘工作面或矿井安全使矿井局部或全部被水淹没的现象都称之为水害,而矿井水害的典型表现就是突水事件。

导致矿井突水灾害的水源主要有大气降水、地表水、地下水和老空水。其中地下水按其储水空隙特征又可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水等。大多数矿井水害是由2~3种水源造成的,单一水源的矿井水害很少,故矿井水害类型是按一种水源或某一种水源为主命名的。主要有以下5种突水灾害的水源类型。

2.3.1.1 地表水

水源是大气降水、地表水体(江、河、湖泊、水库、沟渠、坑塘、泥石流)。水源通过井口、采后冒落带、岩溶地面塌陷坑或洞、断层带及煤层顶底板或封闭不良的旧钻孔充水或导水进入矿坑。发生过此类水害的矿井有内蒙古平庄古山矿、辽源梅河一井等。

2.3.1.2 老空水

水源是古井、小窑、废巷及采空区积水。当采掘工作面接近或沟通时,老空水进入巷道或工作面。如山西陵川县关岭山煤矿、徐州旗山矿等矿区都发生过此类水源的突水事件。

2.3.1.3 孔隙水

水源是第四系松散含水层孔隙水、流沙水或泥沙等,有时受到地表水补给。通过采空冒裂带、地面塌陷坑、断层带或煤矿层顶底板含水层裂隙及封孔的旧钻孔进入矿坑。发生过此类水害的典型矿井有吉林舒兰煤矿、淮南孔集矿、徐州新河煤矿。

2.3.1.4 裂隙水

水源为砂岩、砾岩等裂隙含水层的水,常常受到地表水或其他含水层补给,通过冒裂带、断层带、采掘巷道揭露顶板或底板砂岩水、或者封孔不良的老钻孔水进入巷道或工作面。典型的矿区有徐州大黄山煤矿、韩桥煤矿、开滦范各庄矿等。

2.3.1.5 灰岩岩溶水

灰岩发育的矿区在一些奥陶、石炭、二叠系灰岩中发育有裂隙岩溶水,特别是厚层灰岩含水层,这些水进入矿坑或工作面时会导致矿井突水灾害,如淮南谢一矿是薄层灰岩裂隙带突水,淄博北大井均为断层入岩溶水淹井,开滦范各庄、安阳铜治矿为中奥陶灰岩水通过陷落柱进入矿井。

在突水形式方面,由于断层面引起的采掘工作面的突水占突水总数的80%以上,就是说开采的突水事故主要是由构造原因引起的,而且滞后型突水多于突发型突水,工作面回采突水多于巷道掘进突水。

从水害的分布来看岩溶水水源导致的突水灾害主要发生在华南晚二叠统岩溶地区,以基岩裂隙水源导致突水现象的分布最为广泛的在我国的华北、东北、西北和西南的广大地区这种现象较普遍。因此地以基岩裂隙水源导致突水灾害的情况居多。

2.3.2 突水预测

凡是井巷掘进或工作面回采过程中,接近或沟通含水层、被淹巷道、地表水体、含水断裂带、溶洞、陷落柱而突然产生的水害事故称矿井突水。这是因为井下采掘活动破坏岩层天然平衡、采掘工作面周围水体在静水压力和矿山压力作用下,通过断层、隔水层和矿层的薄弱处进入采掘工作面。矿井突水这一现象的发生与发展是有一个逐渐变化的过程,有的表现很快(一二天或更短)有的表现较慢(采掘后半个月或数日)。

2.3.2.1 易于突水构造部位或地段预测

据统计,80%~90%以上的突水发生在断裂带附近,且煤层底板有强含水层存在,特别是在下列构造部位突水几率最大。

(1)断层交叉或汇合处、断层尖灭或消失端一带、两条大断层相互对扭地带、与导水或富水大断裂呈入字型连接的小断裂带。

(2)褶曲轴部裂隙密集带或小断裂密集带、背斜倾伏端一带、小褶曲与地层倾向转折带的复合部位或平缓小褶曲翼部。

(3)压性断裂下盘,张性断裂上盘因富水性强,井巷通过或接近时往往发生突水。

(4)新构造活动强烈的断裂带。

2.3.2.2 采掘前的突水预测

主要是编制矿区或采区底板突水和导水陷落柱预测图。

2.3.2.2.1 矿区或采区底板突水预测图

首先利用矿区已有的地质构造、突水点分布、突水量及其稳定程度,或单孔放水量、岩溶发育程度,观测孔水压、水质等资料进行综合整理分析后,编制岩溶水强径流带或富水程度不同块段的水文地质分区图,将易于突水的构造部位,进一步分为亚区,预测可能发生突水的大致范围与地段。其次在水文地质分区图上,对矿区或易突水地段编制矿区隔水层底板等高线图、矿层底板含水岩层等压线图、矿区隔水层水压等值线图(即从上述两图数值相减而得)、隔水层等厚线图。再次统计附近矿区条件相似矿区突水系数值,确定相似矿区的临界突水系数区间。最后,利用隔水层水压等值线图与隔水层等厚线图编制矿区隔水层比水压等值线图;两图上数值相除即每米隔水层所承受水压等值线图,按临界突水系数值编制突水预测图,圈出相对安全区和突水危险区。

2.3.2.2.2 导水陷落柱预测

将矿区采上层煤见到的陷落柱放在图上编制陷落柱分布图,然后将煤系砂岩或薄层灰岩水或煤矿层底板厚层灰岩水的等压线,综合制成导水陷落柱预测图。图上可以圈出煤矿系砂岩水或薄层灰岩水的高水压地段,或在放水、突水时出现这类高水压与底板厚层灰岩水的低水压区重合或地段,即陷落柱所在地段,这些地段往往是导水的。

2.3.2.3 采掘过程中的突水预测

在前述预测的基础上,对有突水危险地段,或易于发生突水的构造部位及其附近地段,可采用下述方法进行预测。

2.3.2.3.1 钻探方法

探测高水压区,在安全的超前距内设探水孔,探测各薄层灰岩水的水压值与下伏厚层灰岩水的水压值进行比较。若其值等于或接近厚层灰岩水水压,则有发生突水危险,反之,则不会突水(两者差在0.4~1.0MPa);探测底板水的导升高度。所谓导升高度,即底板水在其水头压力及毛细管力的作用下,沿隔水层内的构造裂隙缓慢导升到某一高度。

2.3.2.3.2 放射性测量

主要是用Fd-307型RaA测氡仪测量氡射气含量确定底板的导升高度及隔水层含水性。原理是氡射气在岩石中运移,浓度降低大,而在岩石裂隙中,阻力小,浓度降低小,和氡射气的半衰期短,在运移过程中急剧衰变使其浓度大量降低。据此,当底板有裂隙时出现异常,氡射气含量高。其值大小反映底板导升高度的距离,也反映隔水层裂隙发育程度及其富水性。无论钻孔探底板水导升高度或用快氡Ra 法,主要目的是掌握它的导升高度上界是否进入或达到矿压破坏区,以此预测是否会发生突水。

2.3.2.3.3 物探方法

当采掘工作面的迎头或巷道底板接近含水、导水和富水的破碎带时,其工作面周围的气温降低、湿度大,据此,可用有关仪器监测工作面的气温和湿度,用来预报突水。

2.3.2.4 巷道围岩强度和重力与静水压力的关系

2.3.2.4.1 静水压力对巷道顶底板的作用和突水的预防

开采前后,承压含水层的静水压力(H突),始终与巷道顶底部隔水层的重力(单位面积上岩柱的重力hγ)和抗拉强度(Kp)是对抗着的。一旦开采巷道破坏了天然平衡之后,就会产生“矿压”现象或突水。巷道顶(底)板受力情况,类似两端固定承受均布荷重梁的受力情况(图2.12)。

图2.12 巷道底部隔水层承受静水压力示意图

В.Д.斯列萨列夫按梁和强度理论,得出计算底板和顶板含水层的静水压力公式为:

环境地质与工程

式中:H理安——巷道顶、底板计算的理论安全水压值,MPa;

Kp——顶、底部隔水层的抗拉强度,MPa,可由实验或部分巷道突水资料确定;

γ——顶部隔水层密度×106N/m3,由试验确定;

l——巷道宽度,m;

h——顶、底部隔水层厚度,m。

式(2-26)用于计算底板含水层的静水压力,式(2-27)用于计算顶板含水层的静水压力。式(2-26)和(2-27)可综合写成下式:

环境地质与工程

当H突≤H理安时,巷道穿越的地段是安全的。H突>H理安时,则巷道顶底板会被水压鼓破突水。为防止突水,可以从隔水层安全厚度或安全水压两方面解决。

从公式(2-28)导出顶底板安全厚度的计算公式为:

环境地质与工程

故底板抗静水压力的理论最小安全厚度(h理底)为:

环境地质与工程

顶板抗静水压力的理论最小安全厚度(h理顶)为:

环境地质与工程

将计算的理论最小安全厚度(h理底和h理顶)与底顶隔水层实际厚度(h)比较。若计算的h理底或h理顶≤h时,一般是安全的;若h理底或h理顶>h时,掘进巷道就有突水的可能。这时多用降低水压的办法,以达到安全生产的目的。其确定方法是将开采地段底或顶板隔水层实际厚度(h),分别代入公式(2-26)和(2-27)中,求出理论安全水压(H理安),把H理安与底或顶板实际水压H突进行比较:若H理安≤H突时,表明巷道底或顶部隔水层不能抵抗所承受的静水压力,不安全,可能突水;若H理安>H突时,则是安全的。当H理安≤H突时,为防止突水,必须使水压降低S后才能符合要求,即:

图2.13 巷道侧方承受静水压力示意图

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2.3.2.4.2 巷道侧向静水压力的作用和突水预防

巷道掘进时可能在巷道的“正前”方或侧帮,接近或揭露含水层(或水体)使巷道受到“侧方”水的威胁(图2.13),В.Д.斯列萨列夫给出确定安全宽度“w”的公式:

环境地质与工程

式中:P理——含水层或水体给予侧帮的静水压力,MPa;

Kp——隔水层平均抗拉强度,MPa;

l——巷道的高度;

w——正前或侧帮间隔水层的宽度。

当P实≤P理时,从理论上讲是安全的。当P实>P理时,静水压力可能压坏隔水层而实水。为了防止突水发生,可用式(2-33)计算出保留的隔水层的安全宽度“w”,即:

环境地质与工程

以上是在理想情况下推出的,在使用中应按具体地质、岩石物理力学性质的不同,常采用2~3倍的安全系数。巷道突水点,从理论上讲一般在巷道的边缘,受侧向压力突水时,突水点位置应偏于巷道的底部。

2.3.2.4.3 确定井巷突水的经验公式和确定底板隔水层抗拉强度的方法

上述的В.Д.斯列萨列夫公式,考虑了岩石强度、工作面宽度、隔水层的厚度、重力与静水压力间的平衡关系。这对巷道而言是较全面的,但用它计算跨度大的工作面,一般与实际相差较大,所以我国矿山部门,依据突水资料,总结出静水压力(P)与隔水层厚度(M)间的“综合”平衡关系式,称突水系数(或称水压比、阻水系数),即:

环境地质与工程

式中:K临——突水系数;

P——底板承受的静水压力;

M——隔水层厚度。

上式的物理意义即是单位厚度隔水层所能承受的极限水压值。我国许多矿区都已总结出适于本区的经验数值见表2.2。并作为判断采掘中底板可能突水的指标。但式(2-35)的缺点是仅考虑隔水层的厚度,而隔水层是由各种不同强度和不同抗水性能的岩石组成,对这个重要因素在公式中无反映。匈牙利等国在利用隔水层时注意了这个因素,他们以泥岩抗水压的能力为标准隔水层厚度(即以泥岩作为1;相当于1m厚完整泥岩能抗0.5个水压力),将其他不同岩性的岩石换算成泥岩厚度,称换算后岩层的厚度为等值(或等效)厚度,换算系数值列表于2.3中。这样换算后的M值,不仅有厚度,而且含有强度的概念。西安煤矿研究所以1966年试验资料(每米厚岩层强度:砂岩为10MPa,砂质页岩为7MPa,铝土页岩为5MPa,断层带岩石为3.5MPa)为基础,用砂岩作为标准部位单位,则砂质页岩的比值为0.7,铝土页岩为0.5,断层带岩石为0.35。用此系数换算为等效厚度的各种岩石。

表2.2 某些矿区突水系数

表2.3 岩石等效系数

按隔水层上述特点,可用部分巷道内突水或压水试验资料,确定底部隔水层平均抗张强度。因掘进出现来压、变形、底鼓、破裂、突水等过程,与材料力学中拉伸试验的过程类似。利用这种情况可得平均抗拉强度的经验公式:单位厚度隔水层承受静水压力(P/M)使岩石破坏,必须克服单位厚度隔水层的抗拉强度(Kp/M),和其重力(即容重γ);若达到极限平衡时则:

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式中:Kp——底部隔水层平均抗拉强度,其他符号同前。

回采工作面时的底板突水系数,由西安煤矿研究所提出了下述的经验公式:

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式中:TS——突水系数,Pa·m-1;

P——保护层(即隔水层)承受的水压力,Pa;

M——保护层的厚度,m;

Cp——矿山压力对底板的破坏厚度,m。

2.3.3 突水防治

为了防止突水灾害、提高工效和降低成本,采用各种工程措施,对涌入井巷或威胁井矿安全的各种水源进行排除或控制等科学管理工作,这些工作包括地表水和地下各种防水、治水,探放水和疏干排水等。合理的利用这些方法可以有效地防治突水。

矿床疏干是一项具有引发矛盾性质的工作。采矿时为防止矿井突水,总是希望最彻底或尽可能多地排除可能进入井巷和威胁采矿的各种水源,其结果可能破坏当地天然水资源的平衡,减少供水量和恶化环境。从保护环境出发,则渴望尽可能地提供更多的地下水资源和保护天然地质环境不恶化。因此,合理地进行矿床疏干是兼顾采矿、供水和保护地质环境的统筹工作。

按照不同的标准,人们把矿床疏干工作做了各种划分,下面将有关疏干防治水的各种方法按其主要作用分为三类来介绍。

2.3.3.1 防水法

指通过排除地表水降低地下水防止水流入矿区的方法,其主要目的在于减少矿井的涌水量。

2.3.3.1.1 汇集与排除矿区范围内降水形成的地表径流

方法有:填堵井下进水通道、汇集矿区内原有分布的水体,并予以排除;修筑边缘排水沟等地表防、排水工程,以拦截外围流来的降水漫流、地表水和浅部潜水,并引出矿区之外。

2.3.3.1.2 矿区内地表水体的处理

可采用隔离水体,如修筑水体防渗层、敷设排水管道等;当不允许水体存在时,则采用移河措施,以达到防止地下水进入矿井的目的。

2.3.3.2 疏水法

指对充水水源进行疏干或降压,以确保安全采矿的方法。此法包括预先疏干、并行疏干和探放水。

2.3.3.2.1 预先疏干

多用于水文地质条件复杂的大水矿床。又可分为两种情况:

(1)当开挖井巷须临时通过强含水层或受高压水威胁的地段时,可以从地表打深孔预先疏干局部含水层或降低高压水头至安全值以下,当井巷挖通,并封闭该含水层后,停止疏干,允许原含水层恢复充水。

(2)当开采矿床的直接顶底板含水或直接顶底板虽有一定厚度的隔水层,但在间接充水层水压过高,有突水危险时,可采用从地表进行预先疏干或降压的方法,达到安全条件下采矿的目的,且不允许被疏干的地下水位或降低的水压恢复。随开采范围扩大,仍可用原地表疏干方式,不断外扩疏干范围,或停止原地表预先疏干,改在井巷内布置各种疏干措施,继续进行预先疏干。

2.3.3.2.2 并行疏干

是利用采矿工程或专门疏干工程,在采矿同时进行疏干工作,其完成疏干的时间应提前于采矿工作。可分为:

(1)是在预先疏干任务完成后,停止原地表预先疏干(需要时,亦可不停止),代之以在井巷或露天矿场内设置的各种排水设施,与采矿同时进行疏干,这些设施有垂直的降水孔(井)、吸水孔井及各种过滤器,以及水平的排水孔、疏水沟、疏水平巷等。

(2)是在水文地质条件简单的矿区,从采矿开始到终止只进行并行疏干,疏干时,应对预测的强水源或有突水危险地段,进行超前探水与放水,以保安全。

2.3.3.3 防渗法

指堵截涌水水源于矿区或井巷之外的方法,用以保证安全采矿,同时达到保护供水水源和保护地质环境的目的,留设安全矿柱和建设防水闸(墙)等措施也属此类。防渗法主要用于恢复已淹井巷及涌水量过大或有突水威胁,又有适合条件的大矿区。对这类矿区,如采用疏水法,则多会发生破坏地下水资源、引起地面塌陷和增大排水费用等问题。

防渗法的实质是使用注浆工程,在地下筑成不透水体,切断井巷进水通道,用以隔绝涌水水源或大量减少矿井涌水量。此类工程虽投资多、工程量大和周期长,但只要水文地质条件适合,则会收到阻水显著、长期经济收益好的效果。国内外均有成功实例可予借鉴。

矿区内的透水天窗、通过井巷的断裂带、已淹井巷的突水口和特大涌水点等处,都可用局部堵水来隔绝水源,减少涌水量或使淹井恢复生产。对某些大矿区,如能确切地掌握充水水源的隔水和进水边界,在经济合理和技术可能的情况下,可在较大来水断面上,采用地面打钻注浆,建筑防渗帷幕,形成人工不透水墙,改变原进水边界,达到截流的目的。防渗措施,还可用于加强隔水顶底板的隔水能力和增强断裂带或安全矿柱的抗水、抗压性能;在深排水矿区,还可用以保护供水源地和环境。

从1802年法国将石灰和粘土用水混合造成浆液压入地基以来,注浆技术得到迅速发展。20世纪,从悬浮液注浆发展到化学注浆。英国在20世纪60年代后期建设的某矿,80%以上采用了注浆技术;原苏联用特殊凿井法建设的井筒,有50%以上应用了注浆法。我国于20世纪70年代开始在水口山铅锌矿区首先使用了大型帷幕注浆截流工程,随后在一些别的矿区采用了这一方法皆取得防渗的良好效果,如:淄博北大井堵水:1965年5月13日,北大井-81m水平发生特大突水。水量由突水前的11m3/min骤增至443m3/min,矿井瞬时被淹没。其原因系张性断层贯通煤层下部高压的裂隙岩溶水所致。淄博矿务局在1972年至1974年对该突水点进行了注浆堵水。从地面共打了20个钻孔,向断层破碎带与徐家庄灰岩和奥陶系灰岩的接触面部位,以及断层两盘的灰岩内注浆。共注进水泥9 104.25t,水玻璃115.77m3,沙子477.63m3,石子15.10m3,堵住了该突水口。1975年排水至井底,实测涌水量为12.37m3/min,较突水前的正常涌水量仅多1.37m3/min,堵水效果达99.69%以上。