礦井水災防治及水體下安全采煤
一、地下水的基本知識
（一）自然界中水的循環
自然界中的水：
1、大氣水：水蒸氣、云、霧、雨、雪和冰雹；
2、地表水：河流、湖泊、海洋、冰雪；
3、地下水：保存在地下巖石的空隙、裂隙及巖溶中的水。
自然界中的水在太陽輻射熱和重力的作用下不斷地循環著。從海洋、河流、湖泊的表面，巖石的表面及植物的葉面上蒸發，變成水汽上升至大氣圈中。在高空凝結，形成不同形式的降水而降落到地面。降落下來的水一部分就地蒸發，一部分通過地表和地下徑流的形式回歸到海洋、河流、湖泊中。
（二）巖石的空隙性和透水性
1、巖石的空隙性
（1）孔隙：巖石顆粒之間存在的空隙。孔隙以孔隙度(n)表示。
顆粒大小均勻，孔隙度大；大顆粒之間空隙充填有較小顆粒，孔隙度小。沉積巖孔隙度一般為10%，礫巖和充填膠結差的砂巖可達20%30%或更大。
（2）裂隙：堅硬巖石受地殼運動作用，產生各式各樣的裂縫，稱為裂隙。
（3）巖溶：地下水溶蝕了某些可溶性巖石（如石灰巖、石膏、巖鹽）后，在巖石中形成了洞穴，稱為巖溶溶洞。
2、巖石的透水性
巖石能使水透過本身的性能，稱透水性。根據巖石透水性的大小，巖石可分為透水巖石和不透水巖石。
砂、礫石、礫巖以及裂隙與巖溶比較發育的巖石（砂巖、石灰巖）為透水性巖石；粘土及裂隙不發育的巖石（如頁巖）為不透水巖石。
巖石的透水性是相對的。在普通壓力下為不透水巖石，在高壓力下可能是透水性巖石。
介于透水與不透水之間的巖石為半透水性巖石，如亞粘土和亞砂土等。
巖石透水性的大小，用滲透系數 表示。(見圖1)
滲透系數是水力坡度為1時的滲透速度。測得太原組石灰巖含水層滲透系數平均為4.792×10-6m/s（0.414m/d）;本溪組石灰巖含水層滲透系數平均為1.446×10-6m/s(0.125m/d)。
3、透水層與不透水層；含水層與隔水層
能夠透水或透水性強的巖石，稱為透水層，如石灰巖，白云巖，空隙度大的礫巖和砂巖。充滿了地下水的透水層，稱為含水層。
不能透水或透水性差的巖石，稱為不透水層或隔水層，如粘土，頁巖，裂隙少的巖漿巖。
根據滲透系數K(m/d)的大小，巖石透水性可分為五級：1、極強透水性巖石（K>10）；2強透水性巖石(K=10-1)；3、中等透水性巖石(K=1-0.01)；4、弱透水性巖石(K=0.01-0.001)；5、極弱透水性或不透水性巖石(K<0.001).
幾種巖石的滲透系數見表1。
表1 幾種巖石的滲透系數
（三）地下水分類及其特征
1、潛水與承壓水
潛水：地下第一個穩定隔水層以上含水層中的地下水，是具有自由表面的重力水。潛水水面至地表有一定距離。潛水由高位向低位流動，又稱無壓水。（見圖2）
承壓水：承壓水是充滿于兩個隔水層之間的含水層中的重力水，又稱為自流水。承壓水形成條件是向斜構造和單斜構造：Ⅰ區為補水區，位置較高，接受大氣降水或地表水的補給，滲入地下沿含水層流動，；Ⅲ區為排泄區，位置較低，以泉的形式出露于地表；補水區與排泄區之間的Ⅱ區，充滿具有靜壓力的地下水，就是承壓水。由于充滿于兩個隔水層之間的地下水具有壓力，鉆孔通過隔水層后，地下水便涌入孔內，不斷上升，有可能噴出至地表。（見圖3）
2、降壓漏斗的概念（見圖4）
在潛水（或承壓水）井中抽水，水位下降，程漏斗形，直到形成穩定的降壓漏斗為止。
潛水井涌水量（即井的排水量）計算公式為：
（四）地下水的化學成分
自然界有許多巖石（如石灰巖、白云巖）都溶于水，因此地下水不是化學純水，而是復雜的溶液。已發現有幾十種元素。
離子狀態：陰離子Cl-、SO4--、HCO3-
陽離子Na+、K+、Ca++、Mg++
化合物狀態：Fe2O3、Al2O3 等
氣體狀態： N2、O2、CO2、CH4、H2S等
反映地下水化學性質常用指標有以下幾個：
1、 水的總礦化度（礦化度）
單位體積水中所含的離子、分子和各種化合物的總量稱為水的總礦化度，以克/升來表示。它表明水中含鹽分的多少。礦化度高，說明地下水的循環條件差；礦化度低，說明地下水的循環條件好。按總礦化度大小，可將地下水分為以下幾類：（見表2） 
2、 氫離子濃度(pH值)
pH值是水中氫離子濃度的負對數值：
pH=-lg H+
當 pH＝7時，說明水為中性； pH7時，說明水呈酸性反應；
當 pH>7時，說明水呈堿性反應。根據pH，可將地下水分為五類：
（見表3）
3、 水的硬度
地下水的硬度大小取決于Ca++ 和Mg++ 的含量。硬度又有：總硬度（Ca＋＋ 、 Mg＋＋的總含量）、暫時硬度（沸騰后 Ca＋＋ 、 Mg＋＋ 沉淀量）和永久硬度（沸騰后 Ca＋＋ 、 Mg＋＋ 不沉淀量）。根據總硬度，可將地下水分為五類：極軟水、軟水、弱硬水、硬水和極硬水。
二、礦井涌（突）水條件分析
（一）礦井涌水來源與通道
1、天然水源與通道
（1）水源：
a.大氣降水；
b.地表水：河流、湖泊、洼地積水等；
c.地下水：孔隙水、裂隙水，斷層破碎帶水，巖溶水，潛水，自流水（承壓水）。
（2）通道：
a.巖溶陷落柱；
b.斷層帶、裂隙；
c.隱伏露頭、天窗：隱伏在第四系含水砂層之下的基巖風化帶為隱伏露頭；第四系含水砂層之下往往有粘土質隔水層，粘土質隔水層的尖滅或缺失稱天窗。
d.地震裂隙。
2、人為水源與通道水源
（1）水源：
a.襲奪水源：由于疏干降壓形成降壓漏斗，獲得新的補給水源，稱襲奪水源；
b.老窯水。
（2）通道：
a.頂板垮落帶、導水斷裂帶；
b.開采引起的底板破壞帶；
c.巖溶地面塌陷：由于抽水試驗和疏干開采，形成的巖溶地面塌陷；
d.封堵質量不佳的鉆孔。.
（二）影響礦井涌水的因素
1、地質因素：
（1）地面因素：地面河流，洼地，降水，地形；
（2）巖石性質：透水性（滲透系數）；
（3）地質構造：
斷層：斷層是否與地表水及含水層連通；斷層破碎帶往往本身含水；若斷層破碎帶被粘土質巖石充填、膠結，具有隔水作用。
褶曲：采掘工作面處于向斜軸處，涌水量就會增大。
2、人為因素：
（1）開采活動；
（2）廢棄的勘探鉆孔，封堵質量不佳；
（3）開采面積和礦井長期排水影響：
以靜儲量水為主：初期，涌水量隨開采面積增大而增加；以后會逐漸減小。以動儲量水為主：涌水量穩定。
（三）礦井充水程度
1、根據含水系數
含水系數 KB = Q∕P
Q―礦井中排出的水量（m³）；
P―同一時期煤炭采出量(T)
（1）涌水量小的礦井：KB< 2
（2）涌水量中等的礦井：KB = 2-5
（3）涌水量大的礦井：KB = 5-10
（4）涌水量特的礦井：KB>10
2、根據涌水量
（1）涌水量小的礦井：Q< 100 m³/h
（2）涌水量中等的礦井：Q = 100-500 m³/h
（3）涌水量大的礦井：Q = 500-1000 m³/h
（4）涌水量特的礦井：Q> 1000 m³/h
三、礦井突水預兆與突水量估算
（一）礦井突水預兆
1、一般預兆
（1）煤層變濕、松軟，煤幫滴水，頂板淋水；
（2）工作面氣溫降低，霧化，有硫化氫味；
（3）聽到水的“嘶嘶”聲；
（4）礦壓增大：冒頂，片幫，底鼓。
2、工作面底板突水預兆
（1）底鼓，有時可達500mm以上；
（2）底板裂縫；
（3）沿裂縫或煤幫滲水；
（4）底板破裂，并噴出高壓水，“嘶嘶”聲；
（5）底板產生“底爆”，巨響，大量涌水。
3、松散含水層突水預兆
（1）突水部位發潮，滴水；
（2）發生局部冒頂，水量突增，有流砂；
（3）頂板發生潰水、潰砂，地表塌陷。
（二）礦井突水量的估算
1、采用現場實際測量方法
（1）浮標法（突水初期）
（2）水泵標定法（突水時）
（3）容積法
突水后，如將平巷淹沒，水位升老窯區，則涌水量可用下式計算：
Q = KSHM/(t·cosa) m3/min
K：采空區的淹沒系數，（見表5）
S：求積儀在平面圖上量得的淹沒面積，m2；
H：水位上漲的高度，m；
M：實際采高，m；
a：巖層傾角，（°）
t：水位上升所用時間，min
2、突水總量的計算
（1）算術迭加法
（2）曲線求積儀法（略）
3、淹沒時間的預計
四、礦井涌（突）水的防治方法
（一）地表水防治
1、河流改道；
2、鋪設不透水的人工河床；
3、修筑排（截）水溝；
4、堵漏。
（二）老窯水的防治
1、探：老窯的位置、范圍、形狀、水量；
2、隔：老窯水與地表水的隔離；老窯水與礦井水的隔離；
3、放：利用鉆孔將老窯水放入礦井，增大礦井涌水量，必要時設水閘門（墻）。
（三）疏干降壓
在鉆孔（地面、地下巷道）內安裝排水設備（如深井水泵），
從鉆孔內將水排至地面或地下巷道，以達到疏干或降低水位的目的。
1、疏干程序
（1）疏干勘探：查明疏干地區的水文地質資料（地下水補給及運動規律，補水邊界、隔水邊界，地下水涌水量，疏干含水層與地表水或其他含水層聯系，含水層特征，疏干水量等）；
（2）疏干方案：地面疏干，井下疏干，疏干鉆孔布置；
（3）試驗性疏干：6-12個月，了解疏干效果，調整疏干方案；
（4）經常性疏干：
隨礦井開采范圍擴大，對疏干工程進行調整、補充；觀測疏干孔的水量和水位；編制疏干水量、水位動態變化曲線圖以及疏干降低漏斗平面圖；水質分析。
2、疏干方式
（1）地表疏干
用于預先疏干階段，在煤層淺部及露天礦中采用。具有建設速度快、投資經營費用低、安全可靠等優點，但隨深部增大，費用增加。
（2）地下疏干
采用疏干巷道和鉆孔進行疏干，用于礦井較深部的疏干。
（3）聯合疏干
水文地質條件復雜或水文地質條件逐向惡化的老礦井，從經濟安全方面考慮，采用井上、下聯合疏干。
（四）注漿堵水
1、意義：將制成的漿液壓入地層空隙，使其擴散凝固、硬化后，起到堵、攔補給水源或加固作用。
2、注漿堵水的應用
（1）井筒地面預注漿：對要穿過含水層的井筒預先注漿，保證施工安全，減少涌水量；
（2）石門預注漿：對要穿過含水層或斷層破碎帶的石門，預先注漿，保證施工安全，減少涌水量；
（3）對有強補給水源的突水點注漿堵水，治水復礦；
（4）與疏放水結合，對查明的進水邊界或通道，進行帷幕截源注漿，減少礦井涌水量；
（5）有煤層底板突水危險的礦井，對強含水層頂面或夾存于其頂板隔水層內的弱含水層進行加固注漿；
（6）其他：鉆孔、陷落柱注漿。
3、注漿材料
（1）水泥：水泥+速凝劑（緩凝劑）、速凝早強劑+惰性材料（砂、礫石、粘土、礦碴）；
（2）水泥——水玻璃：分別配制，同時注入。水玻璃凝固時間短，提高可灌性；
（3）化學漿液，水玻璃類，樹脂等。性能好，成本高。
4、注漿工藝
（1）注漿鉆孔：鉆孔數目，深度，鉆孔排列，鉆孔方法；
（2）注漿設備：注漿泵，攪拌機，混合器；
（3）注漿參數：擴散半徑，注漿壓力，漿液濃度，漿液注入量，注漿效果。
5、注漿堵水的主要技術問題
（1）圈定突水點、找到補給水源通道。
（2）注漿時要準確地命中出水點。
（3）動水注漿要防止漿液的流失：先下骨料，然后再注漿封堵。
（4）保證注漿堵水有足夠的范圍和強度。
五、水體下安全采煤
（一）水體下采煤的意義及特點
水體下：地表水體、含水砂層水體、基巖水體。要防止上覆水體中的水或泥砂潰入井下，防止因涌水量增大而過分增加排水費用。
（二）影響水體下采煤的因素
1、水體類型
水體類型包括：單純地表水，單純松散層水，單純基巖水，地表水加松散層水，松散層水加基巖水，地表水加基巖水，地表水、松散層水加基巖水。
水體與煤層之間關系：水體與煤層之間有隔水層；水體與煤層之間直接接觸。
2、上覆巖層類型：含水層（透水層），隔水層。
3、地層構造：（見圖5）
（1）單一結構：水體集中、水量大、滲水性強；
（2）復合結構：含水層與隔水層在垂直方向互相間隔，水體分散；
（3）封閉或半封閉結構：含水層與隔水層在垂直方向與水平方向互相間隔，形成封閉、半封閉儲水條件；
（4）覆蓋結構：隔水層與煤系地層不整合，地表水和地下水被隔水層隔阻。
（三）上覆巖層破壞規律
1、三帶：垮落帶，導水斷裂帶，彎曲帶；
2、垮落帶、導水斷裂帶的形態：馬鞍形（緩），拋物線形（傾），斷裂帶向上發展、垮落帶超出采空區的邊界（急）；（見圖6）
3、垮落帶、導水斷裂帶高度
（1）垮落帶高度
煤層頂板覆巖內有極堅硬巖層，采后能形成懸頂時，垮落帶高度計算公式如下：
煤層頂板覆巖為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或其互層時，開采單一煤層的垮落帶高度為：
厚煤層分層開采垮落帶高度計算公式（見表－6）。
（2）導水斷裂帶高度
煤層頂板覆巖為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或其互層時，開采單一煤層和厚煤層分層時的導水斷裂帶高度（見表-7及表－8）。
（四）水體下采煤安全煤巖柱的留設
1、 水體的采動等級及允許采動程度（見表-9）。
根據水體允許采動程度將水體分為三個采動等級：
（1）防水安全煤巖柱：不允許導水斷裂帶波及到水體；
（2）防砂安全煤巖柱：允許導水斷裂帶波及到松散的弱含水層，或已經疏降的松散強含水層，但不允許垮落帶接近松散層底部；
（3）防塌安全煤巖柱：允許垮落帶接近松散層底部。
2、安全煤巖柱的留設方法
（1）防水安全煤巖柱
A、地表有松散覆蓋層時（圖7）
（2）防砂安全煤巖柱（見圖10）
（3）防塌安全煤巖柱
3、安全煤巖柱保護層厚度
安全煤巖柱保護層厚度(Hb)與煤層傾角、水體采動等級、地層構造、覆巖性質以及累計開采厚度有關。
（1）傾角0~35°及36~54°煤層，防水安全煤巖柱保護層厚度，
（見表—10）以及防砂安全煤巖柱保護層厚度（見表－11）。
（2）傾角55~90°煤層，防水安全煤巖及防砂安全煤巖柱保護層厚度（見表-12）
（五）水體下采煤的安全技術措施
1、防治措施
（1）留設安全煤巖柱，頂水開采；
（2）疏干、疏降開采：當上覆水體含水量小、補給不足時，采用疏干開采；當上覆水體含水量大，補給充足時，采用疏降開采；
（3）頂疏結合開采：上覆有多個含水層，且含水層與隔水層相間排列。導水斷裂帶以上的含水層，頂水開采；導水斷裂帶以內的弱含水層，實行疏干開采；
（4）帷幕注漿堵水：以擋水帷幕，切斷地下補給通路；
（5）處理好地表水源：改河道，鋪河底，筑攔洪壩，修攔洪溝，填滲透裂縫，切斷或改變地面補給水源。
2、開采技術措施
（1）試探開采：先遠后近，先深后淺，先厚后薄（隔水層），先易后難，逐步接近水體；
（2）分區隔離開采：采區四周防水煤柱，水閘門；
（3）全部充填、部分開采和分層間歇開采：降低覆巖破壞高度，減小垮落帶、導水斷裂帶的高度
（4）正常等速開采：正規循環，工作面均勻推進，工作面頂板完整，使頂板含水層中的水隨放頂涌入采空區。
