礦井水防治技術
第一節 概述
煤礦在生產 建設過程中,常常會受到水害的威脅,一旦出現水災,輕則直接危害職工的生命和國家財產的安全。為此,凡影響生產、威脅采掘工作面或礦井安全的、增加噸煤成本使礦井局部或全部被淹沒的礦井水,都稱為礦井水害。我國不僅是世界主要產煤國,而且也是受水害最嚴重的國家之一。
據解放后的資料統計,1955~1985年,全國統配煤礦共發生水災769次(其中老窖水198次),淹井事故208起,且有逐年增長的趨勢。20世紀80年代,開灤煤礦范各莊礦的突水淹井事故中最大涌水量高大2053m3/min ,為世界采礦史上有記載的突出水量之最。我省的煤炭懼礦、恩口礦、斗笠山礦的水害在全國也是聞名的。
一、礦井水災事故類型劃分
依據造成礦井水災害的水的來源,可以把礦井水災事故分成六種類型,由于我國多數礦井水害往往是由2~3種水源造成的,單一充水的礦井水害很少,故礦井水害類型是按某一種水源或以某種水源來命名的。
(一)地表水害
由地表河流、湖泊、水庫等地表水體,通過連通礦井井巷的巖石裂縫、斷層裂隙、巖溶孔洞、塌陷區裂隙、老窖、井巷等通道進入礦井,造成礦井充水,而且影響礦井生產和安全。
(二)含水層水水害
煤層或煤系頂底部巖層含地下水,井巷開拓或回采后,使含水層中的地下水進入礦井,造成礦井充水,且影響礦井生產和安全。
根據更具體的水源或與煤相關位置,分為:
1、沖積層水水害:覆蓋于煤層上方的含水流砂層、砂層、砂礫層、粘土砂漿層、粘土、與沙瓦層等沖積層,或其他的第四世紀沖積物、沉積物。如留設的風化帶機隔水煤柱不足,沖積層水攜帶泥沙就可能進入礦井造成危害。
2、煤層頂底板砂巖水水害:砂巖厚度較厚、又略含地下水,裂隙發育較好,在開拓回采前又未探放水,在開拓時涌水量大,或回采后頂、底板冒落突然涌水,沖垮采煤工作面,造成水害。
3、斷層水水害:斷層破碎碎帶裂隙、孔洞連通含水層、含水溶洞、老空積水、地表水等水體,當井巷進入斷層破碎碎帶而使礦井充水,而且影響礦井生產和安全。
4、老空積水:礦井原有巷道及工作面采空區廢棄后積水較老空積水。后期巷道、工作面進入老空區而引起礦井充水,而且影響礦井生產和安全。
5、巖溶水水害:易溶性石灰巖或其他可溶性巖層溶蝕后生成的溶隙、溶洞,并積有地下水,當井巷或工作面揭穿時則導致礦井充水,而且影響礦井生產和安全。
6、封閉不良的鉆孔水水害:地質勘探時,鉆孔鉆透含水層、含水溶洞。
二、礦井充水強度
地下水儲存在不同的含水層中,含水層的埋藏條件不同和巖石性質不同,決定了他們含水強度的不同,當采掘巷道一旦接近和揭露含水層時,把地下水涌入礦井內的水量是不一樣的,有的很多,有的卻很微弱。在煤礦生產中,把地下水涌入礦井內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。
含水系數
含水系數又稱為富水系數,它是礦井在某時期排除水量與同一時期內煤炭產量的比值。
含水系數用KB表示
根據含水系數的大小,將礦井充水程度劃分為四個等級:
(1)充水性弱的礦井: KB<2m3/t;
(2)充水性中等的礦井: KB=2~5m3/t;
(3)充水性強的礦井: KB=5~10m3/t;
(4)充水性很強的礦井: KB>10m3/t;
礦井涌水量
是指單位時間內流入礦井的水量,用Q表示。
根據涌水量的大小可劃分為四個等級:
(1)涌水量小的礦井: Q <120m3/n;
(2)涌水量中等的礦井: Q =120~300m3/n;
(3)涌水量大的礦井: Q =300~900m3/n;
(4)涌水量很大的礦井: Q >900m3/n;
三、礦井水文地質的劃分
為了做好礦井水文地質工作,掌握水文地質規律,研究和解決礦井生產建設的水文地質問題,防止水害發生,保證煤礦安全生產,有必要對我國現有的水文地質特征、礦井充水條件、涌水量大小、受水害影響程度等一方面做一系統的研究,找出他們的內在聯系。這種歸納總結分類工作,稱礦井水文地質類型劃分。
1984年煤炭工業部頒發的《礦井水文地質規程》,規定了礦井水文地質類型是以礦井水文地質條件和特征、井巷充水水源性質、進水通道為基礎,根據受裁決破壞或影響的含水層性質、富水程度、補給條件、及礦井單井年平均涌水量,礦井每年最大涌水量、開采時手水害影響程度、防止水工作難易程度,把礦井水文地質劃分為簡單、中等、復雜和極復雜四種類型。具體劃分如下:
第二節 礦井防治水
煤礦生產過程中的五大災害之一水水災。
礦井突水是指煤礦在正常生產中突然發生的具有一定數量來勢兇猛的用水現象。突水可來自底板、頂板、老采區、老窖、地表等。礦井突水量的大小差異很大,對礦井的危險程度也不相同,根據我國礦井突水情況,煤炭工業部在1984年5月頒布的《礦井水文地質規程》對突出水量作了等級劃分。
突水量的劃分等級標準:
小突出水的涌水量= 1m3/min;
中等突出水的涌水量= 1m3/min~10m3/min;
大突出水的涌水量= 10m3/min~30m3/min;
特大突出水的涌水量≥30m3/min;
一、造成礦井突出水的原因分析
礦井水災事故的原因分析是一個極為復雜的課題,它涉及煤田形成的地址歷史環境,以及后期的地址構造、地質作用的改造,出現了各個煤田含水的差異。即使條件近似的煤田,也因設計、技術、管理、素質的差異而導致礦井水災的不同。下面我們從技術和管理兩方面來分析礦井可能發生水災的原因。有時一種原因足以造成礦井水災,有時原因卻是多方面的。
(一)發生水災事故管理方面的原因
各級領導對水災的認識不足,相應投入的人力物力不充分,致使對礦井的水文地質情況不十分清楚,特別是受巖溶水威脅的礦井,對巖溶的發育情況、規律的研究遠遠跟不上生產的需要。老空積水、鄰近小煤窯邊界等往往輸出不準確的數據。
對“有疑必探、先探后掘”的原則能理解,但在執行中打折扣,心存僥幸,違章作業。
(二)發生礦井水災害技術方面的原因
1、地面防洪、防水措施不當,或對防洪設施管理不善,防洪設施失效。或地面塌陷、裂隙未處理,使地面洪水由井筒、塌陷、裂隙進入井下造成水災。
2、水文地質情況不清。井巷接近充水斷層、強含水層、巖溶性落柱、富水溶洞、老空積水區,以及打開隔水煤柱時,未按探水規定進行,盲目施工;或雖然進行探放水,但因措施不嚴密,而造成淹井或人生事故。
3、井巷位置設置不合理。設計中誤將井巷置于地質條件差或過分接近強含水層,導致頂、底板透水。
4、施工措施不力,工程質量低劣,致使井巷塌落冒頂、跑沙、透水;也有工程鉆孔封閉不良導致透水的。
5、亂采亂掘破壞了防水煤柱造成透水。
6、防水閘門未按設計修建,或修建時質量低劣不能防水,或年久失修,當井下出現水情況時無法防水而導致淹井。
7、排水設備能力不足,或電機事故造成淹井。排水設施平時缺少維護,如水倉不按時清倉,突水時因水倉容量不夠而淹井。
8、測量失誤,導致巷道揭露積水區或含水斷層突水而淹井。
9、其他原因。如臺風、地震等。
二、礦井水防治技術
煤礦防治水工作,是建立在弄清水文地質情況的基礎上。若礦區水文地質條件不清,防止水工作就帶有一定的盲目性,達不到預期效果。煤礦在建設之前,雖分階段(普查、詳查、精查)進行了勘探,提交了地質報告,但由于受地質條件復雜性和勘探技術的限制,所獲水文地質資料與實際不符的情況還有,遺留問題較多,給煤礦建設帶來不良后果,造成淹井,停建等被動局面。為了消滅水災事故的發生,搞好煤礦安全生產,加強水文地質工作,摸清礦井水文地質條件,就顯得非常重要。
為此,《煤礦安全規程》第251條規定:“煤礦企業應當查明礦區和礦井的水文地質條件,編制中長期防治水規劃和年度防治水計劃,并組織實施。”
礦井水防治的目的是:防止礦井水災害發生,減少礦井正常涌水,降低煤炭成本,在保證礦井建設和生產安全前提下使用家的煤炭資源得到充分合理的回收。為達到上述目的,根據產生礦井災害的原因,采取不同的對策措施。
礦井水防治的方針是:堅持預防為主,防治結合的方針。為了防止防治水工程零打碎敲,達不到良好效果,應在查明礦區和礦井水文地質的條件基礎上,按照當前與長遠、局部與整體、地面防治和井下防治、防治與利用相結合的原因,根據不同水文地質條件,分別采用防、疏、堵、截的方法予以防治。
防止水的規劃:指礦區整體性防治工程,規模大,工期長,需根據實際情況區分輕、重、緩、急,分期工程分批逐年竣工。因此,《煤礦安全法規》第252條規定“水文地質條件復雜的礦井,必須針對主要含水層(段)建立地下水動態觀測系統,進行地下水動態觀測、水害預報,并制定相應的探、防、堵、截、排綜合防治系統。
礦井年度防治水計劃,由礦總工程師負責編制,防治水規劃中的重點工程,由施工部分技術負責人編制,經向局長和總工程師匯報、審查,報省煤炭局批準后,由礦長或負責施工部門組織實施。
礦井防水是利用各種工程設施防止礦井大量涌水,特別是防止發生災害性事故。主要措施有:減少礦井充水水源或滲入礦井的水量,疏放降壓對礦井有威脅的地下水,阻止水進入井巷;充分利用井田地質、水文地質條件構筑必要的工程,減少或防止發生突水事件。礦井防水分為地面防治水和井下防治水兩種。
地面防治水方法
地面防治水是指在地表修筑各種防排水工程,防止或減少大氣降水和地表水涌入工業廣場或滲入井下,它是保證礦井生產安全的第一道防線,特別是以大氣降水和地表水為主要充水水源的礦井尤為重要。
1、嚴格按照《規程》要求選擇井筒及工業廣場。
井口和工業場地內建筑物的高程必須高于當地歷年最高洪水位;在山區還必須避開可能發生泥石流的、滑坡的地段。
如井口和工業場地內建筑物的高程低于當地歷年最高洪水位,必須修筑堤壩、溝渠或采取其他防排水措施。
2、井口附近或塌陷區內外的地表水體可能潰入井下時,必須采取必要措施,并遵守下列規定:
1)嚴禁開采煤層露頭的防水煤柱。
2)容易積水的地點應修筑溝渠,排泄積水。修筑溝渠時,應避開露頭、裂隙和導水巖層。特別是低洼地點不能修筑溝渠排水時,應填平壓實;如果太大無法填平時,可建排洪站排水,防止積水深入井下。
3)礦井受河流、山洪和滑坡威脅時,必須采取修筑堤壩、泄洪渠和防止滑坡的措施。
4)對漏水的溝渠和河床,應及時堵漏或改道。地面裂縫和塌陷地點必須堵塞。
5)每次降大的暴雨時和暴雨后,必須派專人檢查礦區及其附近地面有無裂縫、老窖陷落和巖溶塌陷等現象。發現漏水情況,必須及時處理。
3、地面防治水方法介紹
1)河流改道 礦區范圍內有常年性河流且與礦井直接充水含水層接觸,河水滲透量大,是礦井的主要充水水源,會給生產帶來影響。屬該情況可在河流進入礦區的上游地段構筑水壩,將原河流截斷, 用人工河道將河水引出礦區。若因地形條件不允許改道,而河流又很彎曲,可在井田范圍內將河道截彎改直,縮短河流經過礦區的長度,減少河水下滲量。
2)鋪整河底 礦區內有季節性河流、沖溝、渠道,當水流沿河或溝渠裂縫刀痕如井下時,則可能在滲漏水地段用料石、水泥修筑不透水的人工河床,制止或減少河水滲透。
3)填塞通道 礦區范圍內,因采掘活動而引起地面沉降、開裂、塌陷等,經查明是礦井進水通道時,應用粘土或水泥填堵,對較大的塌陷洞或塌陷裂縫,下部填碎石,上部蓋以粘土分層夯實,且略高出地表,以防積水。
5)挖溝排(截)洪 地處山麓或山前平原的礦井,因山洪或潛水流入井下,構成水害隱患或增大礦井排水量,可在井田上方垂直來水方向沿地形等高線布置排洪溝、渠攔截洪水和淺層地下水,并通過安全地段引出礦區。
6)排除積水 有些礦區開采后引起地表沉降與塌陷,常年積水,且隨開采面積增大,塌陷區范圍廣,積水越多,此時可將積水排掉,造地復田,消除隱患。
井下防治水
煤礦井下建設和生產過程中,為了做到安全生產,除了對各種出水因素充分進行研究外,還應在井下根據具體情況采取相應的措施,予以預防,其措施分別為:
(一)水害預報
即礦井水文地質人員,根據年、季、月度采掘接續計劃,逐頭逐面的進行水害因素的分析和研究,認真排查水害項目,按及時、全面、可靠六字標準,預先提出水害報告和處理措施,報送有關領導和總工程師以及生產技術、安全監察部門,并按時督促防治水害措施的兌現。
(二)留設隔離煤柱
《規程》第259條規定“相鄰礦井的分界處,必須留有防水隔離煤柱。礦井以斷層分界時,必須在斷層兩留有防水煤柱。”
防水煤柱的尺寸,應根據相鄰礦井的地質構造、水文地質條件、圍巖性質、煤層賦存條件、開采方法以及巖層移動規律等義素,在礦井設計中規定。
嚴禁在各種防隔水煤柱中采掘。
已留設的防水煤柱須變動時,必須重新設計,報省級煤炭部門批準。
1、依據隔離煤柱所處的位置,可以分成不同的種類。
1)斷層煤柱
2)井田邊界(礦界)煤柱
3)相鄰水平(采區)防水煤柱
4)水淹區防水煤柱
5)地表水體防水煤柱
6)沖積層防水煤柱
7)頂板防水巖柱
8)底板防水巖柱
留設防水煤(巖)柱的數據可以使用相同條件的礦井煤(巖)柱數據作參考,不能照搬,最好是自行計算。
常用計算公式:
1、對于煤厚小于3.5m,傾斜角小于30°,可按下式計算:
d=5m+0.05H+0.002L
d—防水煤柱寬度;
m—煤層厚度;
H—開采深度;
L—由最近的井筒至需設煤柱地點之間的距離。
如上式計算小于20m,要用20m。大于20m,用計算結果。
2、井下一些區段受水威脅時,也常用煤柱給與隔離,其計算公式為:
L—煤柱留設寬度;
m—煤層采高;
K—安全系數一般取2~5;
KP—煤的抗張強度(軟煤 3 ~5mPa,
硬煤 17 ~40mPa)
P—作用在煤柱上的壓力。
防水閘門與防水墻
防水閘門與防水墻是井下防水的主要安全措施。《規程》第273條規定:“水文地質條件復雜或有突水淹井危險的礦井,必須在井底車場周圍設置防水閘門。在其他有突水危險的地區,只有在其附近設置防水閘門,方可掘進。”防水閘門從設計到施工和驗收均有七個方面的要求(見規程地273條),且必須遵照執行。
防水閘墻是另一種形式的堵水建筑,分為臨時性的和永久性的兩種。臨時性防水閘就是在有出水危險的采掘工作面備有堵水材料(如木、草袋等),一旦突水后迅速堵截在小范圍內。這種水閘墻只能起到臨時搶險作用。永久性的防水閘墻一般是在開采結束后,為永久隔絕有繼續大量涌水可能的區段而砌筑的一種永久性關閉的擋水建筑。
第三節 礦井探放水技術
生產礦井周圍常存在許多充水小窯、老窯、富水含水層以及斷層等。當采掘工作面接近這些水體時,可能發生地下水突然涌入礦井,產生水災事故。為了消除隱患,生產中使用探放水方法,查明采掘工作面前方的水情,并將水有控制地安全排除,以保證采掘工作面安全生產。但在很多情況下,由于受勘探手段和客觀認識能力的限制,對地下水含水條件掌握不夠清楚,不能確保沒有水害威脅,這就需要推斷出可能產生水害的疑問區 ,并采取措施。當巷道到含水體一定距離或在疑問區進行掘進時,必須堅持超前鉆探,探明情況或將水放出,消除威脅后,再掘進,保證礦井安全生產。為此,《規程》第255條規定:“礦井必須做好水害分析預報,堅持有疑必探,先探后掘的探放水原則。”實踐證明,有疑必探,先探后掘的原則是防止煤礦井下水害事故的基本保證。在有水害威脅的地區進行采掘時,都應 遵循這一原則,絕不可疏忽大意。
《規程》第286條規定 ,“采掘工作面遇到以下情況時,必須確定探水線進行探水:”
1、接近水淹或可能積水的井巷、老空或相鄰煤礦時。
2、接近含水層、導水斷層、溶洞和導水陷落柱時。
3、打開隔離煤柱防水時。
4、接近可能與河流、湖泊、水庫、蓄水池、水井等相通的斷層破碎帶時。
5 、接近可能有出水可能的鉆孔時。
6、接近有水的灌漿區時。
7、接近其他有可能出現水地區時。
經探水確認無土水危險后,方可前進。
老窯水探放原則及程序
一、老窯水探放原則
二、探放水程序
三、探水鉆孔的位置
四、探水與掘進的配合
五、發現透水預兆必須停止作業 采取必要措施
一、老窯水探放原則
依老窯積水數量的多少,礦井現有排水能力、老窯水的動力補給水量、水質和疏放后可能解放煤炭數量等因素,綜合考慮,以經濟、安全、合理為原則。
二、探放水程序
1、探放水工程設計內容
1)探放水迎頭及周圍的 水文地質條件
A、老空積水范圍、積水量、確切的水頭高度、經常涌水量,與上下采空區、相鄰積水區、地表河流、建筑物及斷層關系等。
B、積水區與其他含水層的水利聯系程度。
2)探水巷道的開拓方向、施工次序、規格和支護形式。
3)探水鉆孔組數、個數、方向、角度、深度和施工技術要求,及采用的超前距與幫距。
4)探水施工與掘進工作的安全規定。
5)受威脅地區的信號聯系和避災路線的確定。
6)通風設施和瓦斯檢查制度。
7)防排水設施,如防水閘門、水閘墻等的設計以及水倉、水泵、排水管道和水溝等排水系統和能力的具體安排。
8)水情及避災聯系匯報制度和災害處理措施。
9)附老窯位置及積水區與現代采空區的關系圖、探放水孔布置的平面圖、剖面圖等。
2、在積水區范圍外進行探放水
為了確保采掘工作和人身安全,防止誤穿積水區,在采掘工作面與積水區之間必須保持適當的距離,并以此作為探水的起點,這條開始探水的邊界線叫探水線。為此,應將水淹區的積水范圍、水位標高、積水量等資料繪在工程圖上,并標出探水線位置,隨時提醒人們注意,及時探水保證安全。對探水線的規定是:
1)礦井開此阿造成的老空、老巷、水渦等積水邊界位置準確,水壓不超過1mPa時,探水線至積水線的最小距離為:在煤層中不得小于30m,在巖層中不得小于20m。
2)礦井積水區雖有圖紙資料,但不能確定積水區邊界位置時,探水線至推斷的積水區邊界最小距離不得小于60m。
3)對有圖紙資料可查的老窯,控水線至老窯邊界的最小距離不得小于60m;對沒有圖紙資料的,可根據了解到的小窯開采最低水平,作為可疑區,并以此為界向外推100m作為探水線。
4)石門揭露含水層時,探水線至含水層的最小距離不得小于20m。
5)對斷層、陷落柱,應由斷層、陷落柱留設的防水煤柱為界,至少向外推20m作為探水線。
三、探水鉆孔的位置
在了解探水鉆孔布置時,要明確主要探水參數的意義。
1、探放水的主要參數
1)超前距
探水時從探水線開始向前方鉆孔,一次打透積水情況少見,常是探水—掘進—再探水—再掘進,循環進行。而探水鉆孔位置應始終超過掘進工作面一段距離,該距離稱超前距。
2)允許掘進距離
經探水證實無水害威脅 ,可以安全掘進的長度稱為允許掘進距離。
3)幫距
幫距是指巷道兩幫與可能存在的老窯積水之間保持一定的安全距離,即呈扇形不止的最外探水鉆孔所控制的范圍與巷道幫的距離。
幫距計算公式
其值應與超前距相同,超前距一般采用20m,在薄煤層中可縮短,但不得小于8m,也可用下式計算:
a—超前距;L—巷道跨度(寬或取最大值);
A—安全系數一般取2~5; P—水力壓頭。
KP—煤的抗張強度(軟煤 3 ~5mPa,硬煤 17 ~40mPa)
4)鉆孔密度(孔間距)
指允許掘進距離終點橫剖面上探水鉆孔之間的距離,不超過3m,以免漏掉老窯巷道.
2、探放水孔布置位置
探水鉆孔的布置方式和巷道類型、煤層厚度有關,情況不同時,布置方式也不同。探水尊孔的布置從平面上看,主要有扇形和半扇形兩種。
1)扇形布置
巷道處于三面受水威脅的地區,進行搜索性探放老窯水,其鉆孔多按扇形布置,探水鉆孔之間的夾角,一般在7°~15 °,使巷道前進方向及左右兩側需要保護的煤層空間均有鉆孔控制。
2)半扇形布置
對于積水肯定在巷道一側的探水地區,探水鉆孔可呈半扇形布置,半扇形的鉆孔向一側撒開,使巷道一側需要保護范圍內的煤層空間有鉆孔控制。
四、探水與掘進的配合
1、雙巷掘進交叉探水
因積水區在上方,上山巷道三面受水威脅,一般應雙巷掘進。其中一條適當超前探水、泄水,另一條隨后,用來安全撤人,雙巷之間每隔30m ~50m掘一聯絡巷,并設擋水半墻,以便在其中一條上山出水時,誰不會竄到另一條山上去。
2、雙巷掘進單巷超前探水
在傾斜煤層中掘進平巷時,一般是用上方巷道超前探水,探水鉆孔呈半扇形,下方巷道為泄水巷,兩巷之間每隔30m ~50m掘一聯絡巷。
3、平巷與上山配合探水
在煤層內,準備回采工作面時,平巷(上風道)應先探水,掘到位置后,然后再施工開切眼,這樣既減小開切眼掘進危險性,又減少開切眼掘進時的探水作業量。
五、發現透水預兆必須停止作業 采取必要措施
透水之前必有預兆,這是從每次透水事故中得出的一條結論。如果能掌握突水規律,發現透水的預兆,立即停止作業,采取相應的措施,很多透水事故以及人員的傷亡事故時可以避免的。
煤礦井下采掘工作透水之前的預兆如下:
1、本來是干燥光亮的煤,變得發暗潮濕,無光澤,空氣變冷。當采掘工作面接近大量積水時,氣溫驟然下降,煤壁發涼,人一進去就有陰冷的感覺。
2、出現霧氣。井下空氣中含有大量的水蒸氣,濕度較大,水蒸氣凝成霧氣。
3、掛汗。當采掘工作面接近積水區時水在自身壓力下,通過煤層裂隙面在煤壁、巖壁上聚成很多水珠,較掛汗。注意觀察煤巖的新鮮面,如果潮濕,則是透水預兆。
4、掛紅。煤壁浸出的水發澀,有硫化氫氣味。附在裂隙表面上有暗紅色氧化鐵水銹,如果出現這種現象,說明已接近老空積水區。
5、煤層里發生嘶嘶水叫。由于井下高壓積水向煤層裂隙強烈擠壓與兩壁摩擦而發生的聲響。若是煤巷掘進,透水即將發生。
6、地板鼓起。 如果水體在底板以下,、水量大而壓力高,再加上礦壓的作用就會出現底鼓,甚至有壓力水噴射出來 。
7、頂板來壓,產生裂縫,出現淋水。如果水體在頂板以上,由于水體和礦壓的作用,使頂板出現裂縫和淋水,而且越來越大,這是馬上就要突水的預兆。
8、另有水色發渾、有臭味等預兆。
如采掘工作面或其他地點出現以上預兆時,必須馬上停止作業,采取措施,立即報告礦調度室,發出警報,撤出所有受威脅地點的人員。
河北開灤范各煤礦2171工作面陷落柱奧灰巖溶水突水事故
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