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煤矿防治水基本理论及技术方法

2019-07-03 11:01:44      点击:

导 语

矿井水害与瓦斯、煤尘、火和顶板灾害并称煤矿五大灾害。灾害形成机理、灾害探测、灾害预防和治理技术是同一问题的几个不同侧面,本次讲座紧紧围绕矿井地下水害这一特定地质灾害形成规律及防治技术进行研讨。

矿井水害的定义及特点

地下水—广义上讲,地面以下所有的水均称为地下水。狭义上讲,地球浅表与人类活动密切相关的潜水和承压水才称为地下水;含水层—指能够透过并给出相当数量水的岩层,在自然条件或人为条件下,能流出水来的岩石,由于这种含水的岩石大多呈层状,所以叫做含水层,如砂层、砂卵石层等等。

含水层—松散层

断层带—含水带

可溶岩—岩溶含水系统

隔水层—不能透过并给出水,或透过并给出水的数量微不足道的岩层为致密岩石,其中没有空隙,既不含水,也不透水;另一种是孔隙度很大,但孔隙直径很小,孔隙中存在的水绝大部分是结合水,在常压下不能靠重力自由流出,因此也不能透水。

按埋藏条件(含水层在地质剖面中所处的部位及受隔水层限制的情况)

包气带水、潜水、承压水、按含水介质类型、孔隙水、裂隙水、岩溶水。

矿井水—指在煤矿基建和生产过程中以渗、滴、淋、流、涌和溃的形式进入采掘空间(井巷、工作面)的地下水。

矿井水害—凡是影响生产、增加吨煤成本或者使矿井局部或全部被淹的矿井水。轻则影响生产,重则造成淹井人亡的恶性事故,是煤矿生产中一种经常性的地质灾害。

透(Tou)水—地面或井下水体引发的水害事故;

突(Tu)水—由于直接揭露或各种通道引发的含水层水害事故。

矿井突水是地下水非正常涌入井巷和工作面的现象,这里,一方面要强调它的突发性,另一方面要强调它的灾害性,其次,强调它的可预控性,即绝大多数矿井突水都是可以预防的(可预测、可控制)。

矿井突水征兆:煤层内部有“吱吱”的水叫声、煤层失去光泽、煤层发汗、潮湿、结成水珠掌子面变冷 、水色变为铁锈红、老空水具嗅鸡蛋气味、底鼓、片帮。

矿井突(涌)水量变化曲线

按不同分类标准划分的矿井水害类型

按水源类型划分:

顶板水、底板水、老空水、小煤窑水、地表水、储水断层水:张扭性断层脉状含水带、大气降水

按导水通道划分 :

断层突水、陷落柱突水、裂隙岩体或煤(岩)柱突水、封闭不良钻孔突水

总体上讲,可分为直通式通道和渗透性通道突水,前者如陷落柱、断层,后者如节理、裂隙

按水源含水介质类型划分:

孔隙—元宝山露天煤矿;裂隙—焦作九里山矿、邢台东庞矿;岩溶—以溶隙充水为主的岩溶充水矿床如焦作中马村矿、莱芜业庄铁矿;以溶洞充水为主的岩溶充水矿床如广东凡口铅锌矿;以暗河管道为主的岩溶充水矿床如湖南香花岭多金属矿

矿井水文地质条件评价

矿井水文地质条件主要包括如下5个方面:

1.含水层、隔水层的结构及空间展布规律;

2.地下水的补给、径流及排泄条件;

3.不同含水层及同一含水层地下水水化学特征及分区特征;

4.地下水动态及均衡特征;

5.矿井涌水量大小。

矿井充水条件

研究矿井充水条件是矿床水文地质学的核心内容,矿坑充水特点、水量大小及动态取于充水条件,只有查明矿井充水条件,才能正确预测矿坑涌水量。

矿井充水条件包括两个方面:充水水源、充水途径

充水水源:指与矿坑有水力联系的水体或含水层

充水途径:水源进入矿坑的通道,二者统一和有机结合构成矿坑充水

主要的充水水源

总体来看,矿井充水水源主要包括大气降水、地表水、地下水和老空积水。

地表水又可分为河水、湖水、海水、水库水。

地下水可分为第四系松散沉积层潜水、砂岩裂隙水、岩溶裂隙水。

充水水源的分类

按照水源与矿体(煤层)的相对位置关系及充水特点分为三种基本形式:

间接充水水源——通过导水通道进入矿坑

直接充水水源——直接顶板含水层、直接底板含水层及露天矿井剥离第四纪含水层

自身充水水源——本身就是含水层,如伊敏河露天煤矿,孟加拉国的Barapukuria煤矿主采VI煤层(平均36米厚)本身就是含水层

老空水

以静储量为主且储量与采空区分布范围有关

老空水为多年积水,水循环条件差,多为酸性水含有大量H2S气体,有较强的腐蚀性,老空突水一般水势迅猛,硫化氢气体对人体危害性较大

采空区

采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区,按矿产被开采的时间,可分为老采区、现采区和未来采区。矿体被采出后,自顶板岩层向上形成“三带”——垮落带、导水裂隙带和弯曲带

水害总体特点

华北石炭二叠纪矿区和南方晚二叠世矿区,属典型的喀斯特水文地质类型;黄淮一松辽平原的煤田,受第四纪冲积层水危害;南方型煤田雨季充水问题,东北矿区地面塌陷坑积水,煤矿老空区积水对采掘安全的影响不容忽视

突水系数理论

T=P/M;当T>Ts,突水;T ≤Ts不突水或处于临界突水状态

矿区名称 峰峰 焦作 淄博 井陉

Ts临界突水系数(MPa/m)0.066~0.0760.06~0.100.06~0.100.06~0.15

标准大气压

1标准大气压=101325Pa=0.101325MPa

=0.101325MPa×100m/MPa

=10.1325m

≈10m

1标准大气压=76厘米高水银柱所产生的压强

=1033.6厘米高水柱所产生的压强

=1.013巴(bar)

“下三带”理论

山东矿业学院与井陉矿务局经过多年实际观测并结合室内模型试验及有限元计算后提出的。

开采煤层底板与顶板覆岩一样存在着三带,从煤层往下分别是底板破坏带( h1)、完整岩石带( h2 )、承压水导高带( h3 )。

当采矿引起的“三带”发生时,其第Ⅱ带保护层带( h2 )厚度很薄甚至完全没有时,则必定造成开采不够安全直至引起突水。

“强渗通道说”

中国科学院地质研究所与开滦矿务局共同实践的结果

底板水文地质结构存在与水源沟通的固有的富水和强渗通道,当采掘工程揭穿时,即可能发生突水。

底板中不存在这种固有的强渗通道,但在工程应力、地壳应力及地下水的共同作用下,沿袭底板岩体结构和水文地质结构中的有的薄弱环节发生变形、破坏,形成新的贯穿性强渗通道而诱发突水。前者称为原生通道突水,后者称为次生通道突水

“岩水应力关系说”

煤炭科学研究总院西安研究院在承担国家工业性试验项目时在焦作试验点提出的把复杂的底板突水问题简单地归结为岩(底板砂页岩)水(底板承压水)应力(采动应力和地应力)关系,当底板隔水岩体的最小主应力小于承压水水压时,产生压裂扩容,发生突水。

原始导高

煤系地层基底岩溶承压水,在自然状态下往往能够通过上覆地层的裂隙、孔隙导升到某一部位,形成超出含水层顶界面一定高度的越潜水柱,称为原始导高,原始导升具有不均一性,一般沿中、小型张裂隙、张扭型裂隙及节理向上导升,总体上酷似一株植根于奥灰的大树,其脉状支干枝梢参差不齐地伸向不同空间。

常用矿坑涌水量预测方法

矿井涌水量预测问题

1977~1978年55个涉及煤炭、冶金、化工和建材等部门的重点岩溶充水矿床回访调查,矿井涌水量与实际涌水量进行对比,结果如下:

误差<30%,占10% ; 误差>50%,占80% ;个别矿区误差达10倍,甚至100倍以上。

例如,山东叶庄铁矿,预测±0m中段涌水量417m3/d,经过两次放水试验,涌水量大于95000m3/d,实际涌水量是预测的228倍。

矿井涌水量预测误差较大的原因

水文地质条件未查清

水文地质参数缺乏代表性

数学模型选择不当

可能造成的后果

已建成的开拓巷道,因实际涌水量大大超过预测的涌水量被搁置,本来可以开采的矿田,因预测的涌水量过大而不敢开采。

水文地质比拟法

基本原理—应用生产矿井的涌水量资料,与矿井水文地质条件相似的设计矿井或采区作比拟,以计算新矿井或采区未来的涌水量。

实际计算中所采用的矿井涌水量资料,必须是一个水文年以上。

所谓水文地质条件相似,是指设计矿井或采区矿井充水因素(水源、通道以及影响因素)与生产矿井大体相仿。

式中:Q1、Q2分别为新老矿井(水平、采区、采面)的涌水量;

F1、F2分别为对应的开采面积;

S1、S2分别为对应的水位降深

涌水量—降深曲线法(Q-S曲线法)

直线型 :Q=aS;抛物线型 :S=aQ+BQ2;幂函数曲线型 :Q=aS(1/b);对数函数曲线型:Q=a+b lgS

涌水量方程的建立

(1)根据三次降深抽水资料,作涌水量~降深曲线Q=f(S)

(2)根据曲线特点,确定相应的涌水量方程式。

若Q=f(S)为直线,可直接用直线方程式计算;

若Q=f(S)不是直线,可根据三次降深资料分别绘制S/Q=f(Q)、lgQ=f(lgS)、Q=f(lgS)曲线。

相关分析法

式中:Qi为某月的矿坑涌水量(平均值);

Xi为某月的降雨量;

Xi-1为前一个月的降雨量;

Xi-2为前两个月的降雨量;

Qi-1为前一个月的矿坑涌水量(平均值);

B0、B1、B2、B3、B4为待定系数

解析法

承压含水层稳定流:;潜水含水层稳定流:;承压含水层非稳定流:;潜水含水层非稳定流;;承压~无压稳定流:

计算实例

某矿开采二迭系煤层,煤厚1.4m,煤层直接顶板为裂隙极为发育的粗粒砂岩,厚36.82m,煤层倾角4º,设计顺煤层走向开拓巷道320m。根据勘探资料,砂岩水头高159.85m,渗透系数36.158m/d,影响半径9607m,预计水平巷道涌水量

“大井法”

大井法—当矿井排水时,在矿井周围会形成以巷道系统为中心的具有一定形状的降落漏斗,这与钻孔抽水时在其周围形成降落斗的情况类似。因此,可以将整个巷道系统分布的范围假设成为一个理想的“大井”,可以直接利用地下水动力学的公式来计算“大井”的涌水量,整个坑道系统的涌水量就相当于“大井”的涌水量。

用“大井法”预计涌水量时,一般要求巷道系统的长度与宽度之比小于10,“大井法”—确切地说,把复杂的坑道系统假想为一个与坑道系统面积相等的“大井”,“大井”涌水量根据一般垂直钻孔涌水量公式确定。此时,钻孔半径用“大井”的引用半径代替,影响半径用“大井”的引用影响半径代替,可分为承压水“大井”、潜水“大井”、承压—无压“大井涌水量公式

研究矿床水文地质条件的各类探测、监测、测试、试验技术方法主要包括:

1、物探技术方法;2、钻探技术方法;3、化探技术方法;4、试验技术方法

物探方法

依据:介质的电性、弹性波、磁场强度、重力场的差异对不同介质及其界面进行判识,从而满足矿井防治水中对异常地质体的探测要求,优点:体积效应、无损探测、时间短。

常见岩石电阻率

地震—高分辨率三维地震是一种用于探查煤层赋存形态及地质构造的物探方法,具有探测范围大、见效快、精度高等优点。

工作原理:利用人工震源激发地震波,用地震仪器录制大地的震动信息,通过计算机处理提高信噪比,突出有效信息,分析地震波传播规律,从而达到解决地质问题的目的。由于断层和陷落柱的错断和沉降变化,使地震波产生错动或紊乱,因此,可以解释和描述这类构造的特征。

三维地震勘探可以基本查明落差5m以上的断层,但与实际揭露的吻合率最高也只能达到50%左右,对小于5m的断层吻合率很低,特别是2~3m的断层,基本还属于三维地震勘探的盲区,三维地震勘探可以基本查明波幅大于5m的褶曲,解释3~5m的断点,圈定直径大于20m的地质异常体(如陷落柱、冲刷无煤带及火成岩侵入体等),在条件较好的地区精度更高。

电法—含、导水异常体探查

目前主要方法:1、瞬变电磁法;2、直流电法;3、音频电透视;4、电测井

物探方法的特点

1、大范围、大尺度探测;2、全方位、全断面;3、无损伤探测

物探方法的局限性

1、多解性;2、因人而异;3、往往需要通过钻探和井巷工程实际揭露来验证;4、不能取得涌水量资料

钻探方法

通过钻探工程揭露和了解地层的结构特点和含隔水层的空间特征

钻探方法是各种试验方法赖以实施的基础,如抽水试验、放水试验、连通试验等需要钻孔形成以后才能组织实施。

钻探方法缺点

1、施工周期长;2、费用高;3、揭露的水文地质信息有限;4、常常给人“一孔之见”之感

钻探方法优点

1、直接性—直接应用;2、准确性—判层准确、含水性准确;3、能取得涌水量资料

物探、钻探方法配合原则

物探先行 提供靶区

钻探验证 准确定位

化探方法—水化学分析方法的简称

地下水的化学成份往往代表着其赋存地层的环境特征

按照各种特征离子的含量、矿化度、水质类型等,可以对不同含水层地下水做出区分,从而对井下涌水的来源进行识别

主要通过水质化验、示踪试验等实(试)验方法,利用不同时间、不同含水层的水质差异,确定突水水源,研究各含水层的水文地质条件,确定含水层之间的水力联系

同位素技术在矿井水害防治中的作用

1、测定地下水年龄;2、径流条件、径流强度分区;3、补给条件、补给来源、水力联系;4、地下水的形成条件;5、天然流场与人工流场的特征与联系

底板突水监测系统

监测方法:通过埋设在钻孔中的应力、应变、水温、水压传感器,监测工作面回采过程中应力、 应变、水压、水温的变化,数据传送到地面中心站后,利用专门的数据处理软件判断是否会发生突水。主要应用于具有底板突水危险的工作面回采过程中的突水监测。

原位应力测试系统

原位应力测试仪是一种以套筒致裂法原理为基础的原位地应力测试仪器,通过监测工作面回采前、回采过程中的地应力变化,应用专门的数据处理软件判断是否发生突水。该技术建立在岩水应力学说基础上,主要用于底板突水监测。

原位地应力测试理论基础

井下放水试验技术

放水试验是一种钻孔试验技术,由分布于井上、下的放水孔和观测孔组成,放水孔布置在煤矿井下巷道中,一般地,要求最好布置在未来疏水降压的中心附近,观测孔一般围绕放水孔,根据井巷工程条件,可以是井下测压孔,也可以是井上水位观测孔,以能够控制疏水降压漏斗的展布形态为原则。整个放水试验工作分三步:

1、编制放水试验设计;2、现场组织实施;3、试验数据整理与分析

放水试验设计中应明确放水孔、观测孔的孔位、孔数、结构及施工技术要求,放水量、放水时间、观测要求及放水试验的组织保障等

矿井防治水技术体系

1、矿井水害预防技术;探测+预测(评价)+监测+预治理;l四位一体

2、矿井水害治理技术(灾后恢复);探查+封堵+追排水;三位一体

探测—预测—监测—应急预案

1、探测:矿井水文地质条件、矿井充水条件;2、预测:突水危险源识别与评价;3、监测:突水条件、前兆现象;4、探测—基础;5、预测—关键;6、监测—不可少;7、应急—(做)补充。

矿井综合防治水技术体系

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