大同白洞礦采空區(qū)積水防治技術研究

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

單位：同家梁礦

姓名：趙晨德

職務：礦長

 

 

 

 

 

 

摘  要

 

 

采空區(qū)積水防治技術是煤礦有效控制水害事故的重要工作。本文采用統(tǒng)計分析、理論研究和現(xiàn)場試驗的方法，在分析大同煤田的區(qū)域水文地質特征、含水層、隔水層及礦井充水因素的基礎上，結合當前采空區(qū)積水防治技術，確定了白洞礦采空區(qū)積水的防治技術手段和措施；通過白洞礦303和402老空區(qū)探放水的研究，確定了白洞礦探放水的方案及安全措施；在此基礎上，對白洞礦8104工作面上部積水的探放水方案進行設計，并成功應用于現(xiàn)場，為白洞礦采空區(qū)積水防治提供了科學的技術和方法，對白洞礦安全生產(chǎn)有著重要意義。

 

關鍵詞：采空區(qū)，積水，防治技術

 

 

 

 

 

ABSTRACT

 

Gob water prevention and control technology is a prerequisite in the effective control of coal mine water accident. Adopting the methods of statistical analysis, theoretical study and field test, the author analyzes regional hydrogeology characteristics, aquifer, impermeable layer and mine water filling factor in Datong Coalfield, and combine with the currently gob water prevention and control technology, ascertains measures of prevention and control of Baidong mine gob water. According to the research on water detection and drainage of 303 and 402 old workings, determines programs and safety measures of detection and drainage of Baidong mine. Based on the above research, the author designs the detection and drainage technical measures of upper dropsy of 8104 working face, and successfully applies to production, and provides scientific technology and method of gob water prevention and for Baidong mine, and has great significance on ensuring safety production.

 

Key words:  gob, gob Water, prevention and control technology

 

目     錄

 

1 引言 1

1.1 研究意義 1

1.2煤礦探放水研究現(xiàn)狀及存在的問題 2

1.2.1國外研究現(xiàn)狀 2

1.2.2國內研究現(xiàn)狀 3

1.2.3 煤礦防治水存在問題 7

1.3論文研究內容及技術路線 7

1.3.1研究內容 7

1.3.2技術路線 7

2水文地質特征 9

2.1區(qū)域水文地質概況 9

2.2礦井水文地質條件 12

2.2.1含水層的分布與特征 12

2.2.2隔水層特征 15

2.2.3斷層的水文地質特征 17

2.2.4地下水補給、逕流、排泄條件 18

2.2.5水文地質類型 19

2.3礦井充水因素分析 19

2.3.1地表水及大氣降水充水特征 19

2.3.2采空區(qū)積水充水特征 20

2.3.3永定莊組、太原組砂巖裂隙水充水特征 21

2.3.4奧陶系巖溶水充水特征 21

3礦井探放水技術研究 25

3.1礦井水害 25

3.1.1防治技術 25

3.1.2搶險救災技術 26

3.2老空區(qū)積水 28

3.2.1老空區(qū)積水特征與危害 28

3.2.2老空透水事故分析 28

3.2.3老空透水事故事件樹模型 29

3.2.4老空水水害的分類 30

3.3老空水形成機制 31

3.3.1聚水空間 32

3.3.2充水水源 33

3.3.3充水通道 34

3.3.4老空積水區(qū)的確定方法 37

3.5老空積水的排放 38

3.5.1巷道掘進期間的排放 38

3.5.2地面打井抽水 39

3.6探放水安全技術措施 39

3.6.1探放水前的準備工作 39

3.6.2技術要求 39

3.6.3探放水的安全措施 40

4白洞井田內303、402老空區(qū)積水探放設計 42

4.1白洞井田內老空積水概況 42

4.1.1積水邊界確定 42

4.1.2積水量計算 42

4.1.3探放水方案 43

4.2探放水設計 45

4.2.1探放水鉆孔的定位 45

4.2.2探放水鉆孔結構 47

4.2.3鉆孔內放水管結構 48

4.2.4放水管路設計 50

4.2.5放水工程費用預計 51

4.3施工技術安全措施及安全防護措施 52

4.3.1施工技術安全措施 52

4.3.2防護措施 53

4.4實施效果 53

5結論與展望 57

5.1結論 57

5.2展望 57

參考文獻 58

致謝.................................... ........................ ......... .... ... .. .....................................................................61

1 引言

1.1 研究意義

在我國一次性能源結構中，煤炭占70%以上。據(jù)有關部門規(guī)劃，未來二十年中我國能源消耗需求將增長一倍左右，其中煤炭將會達到26億噸（占72%左右），仍將是我國能源消費的主要部分。我國煤炭生產(chǎn)主要是地下作業(yè)，由于煤層賦存的地質條件復雜多變，經(jīng)常受到瓦斯、水、火、粉塵及頂板等自然災害的威脅。近幾年水害事故呈上升的趨勢，透水是僅次于瓦斯爆炸的重大災害。煤礦水害極大影響了礦井的安全生產(chǎn)，一旦發(fā)生，很容易造成井下工作人員的死亡，并摧毀井下的生產(chǎn)設備，破壞巷道。

2005年全國煤礦共發(fā)生透水事故事故109起，死亡605人，其中發(fā)生一次死亡線10 人以上的特大事故13起，死亡360 人，同比分別上升160%和233.6%，分別占全國煤礦特大事故的22.4%和20.7%，發(fā)生一次死亡30人以上的透水事故3平起，死亡193 人。2005年以來，全國煤礦重特大水害事故多發(fā)，給國家和人民生命財產(chǎn)造成了巨大的損失。

大同煤田主要賦存于古生代石炭二疊紀煤系和中生代侏羅紀煤系，隨著侏羅紀煤資源的枯竭，石炭二疊紀煤系的開發(fā)利用已成為很現(xiàn)實的問題，而石炭二疊紀煤系的開采除了其他的礦井工程地質問題以外，最主要的障礙就是采空區(qū)積水的“突水”威脅。礦井突水是指煤礦在正常生產(chǎn)中突然發(fā)生的來勢兇猛的涌水現(xiàn)象^[]，它是礦井五大災害之一。

我國多年礦井水害預防及治理的理論和實踐表明，礦井水文地質環(huán)境特征、突水機理和突水預報和監(jiān)測是礦井水害預防及治理研究的中心內容。礦井水文地質條件是礦井水害治理研究的基礎，突水機理是核心，預測預報是主要目的，三者相輔相成。目前，對礦井水害防治的研究在理論上還處于探索階段，在工程上遠遠滿足不了煤炭工業(yè)現(xiàn)代化安全生產(chǎn)的需要，而且尚有許多問題沒有得到解決，如對巖體在礦山壓力、原始構造應力的影響下，在水的作用下的變形、破壞、失穩(wěn)，尤其是對強滲、突水通道的形成條件和突水機理的認識還相當模糊^[-,,,^]。

礦井水災害防治是煤礦安全生產(chǎn)必須解決的問題。從礦井突水原理理論入手，針對煤田采區(qū)地質特征，分析研究地質構造和水文地質特征，探索地下水運動規(guī)律，加強突水后的排水堵水研究，探討礦井突水的原因及防治措施，為快速治理突水提供更可靠的技術保障措施，此項研究對煤炭生產(chǎn)具有積極深遠的意義^[-,,,^]。

大同煤田由于其開采歷史久遠，在煤田范圍內存在著大量的古窯、小煤礦，據(jù)初步統(tǒng)計有三十多處，這些小窯大都分布在2、5、7、8號煤層。大同煤田侏羅系煤層埋藏較淺，可采煤層大約為21層，且各煤層采空區(qū)之間縱橫交錯，非常復雜。在采空區(qū)的低洼處易集積一些積水，積水量大小不一，少的有幾千立方米，多的可達到數(shù)萬立方米^[]。再加上大同礦區(qū)煤層頂板堅硬、性脆，易形成大面積的塌頂，因頂板冒落而形成采后裂隙，此時又擴大了原有的采動裂隙，并形成直達地面的裂縫和塌陷。充水水源通過裂隙、裂縫等通道進入礦井和煤層采空區(qū)，形成礦井采空區(qū)積水。由于采空區(qū)積水的存在，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來巨大的潛在威脅，如果對積水區(qū)的水量、區(qū)域等資料調查不清，不能采取有效地預防手段，將會造成嚴重的水患事故發(fā)生^[]。

近年來，隨著大同煤田范圍內小煤礦的關閉，在生產(chǎn)礦井范圍內了出現(xiàn)了由于廢棄礦井而產(chǎn)生新的積水源及導水通道。對廢棄礦井在關閉過程中缺乏切實可行的水害監(jiān)測及防范措施，對可能誘發(fā)的礦井水文地質條件的變化缺少理論研究與分析，對廢棄礦井相關工程和技術資料的不能進行有效的系統(tǒng)整理與管理，不能注重廢棄礦井突水條件的研究及防范技術措施準備的工作，極可能引發(fā)災難性的突水事故^[,]。同時，大同煤田部分礦井因侏羅系資源枯竭而向石炭系延伸，在采掘過程中，由于煤層間距過大，無法從石炭系煤層向侏羅系采空區(qū)實施井下探放水，上覆采空積水探測、施放成為急需解決的難題^[,]。本文研究意義即著力解決上述問題，并以大同煤礦集團白洞礦為例，對本文形成的采空區(qū)積水探放技術理論在生產(chǎn)實踐中予以優(yōu)化、改進。

1.2煤礦探放水研究現(xiàn)狀及存在的問題

1.2.1國外研究現(xiàn)狀

礦井水害的防治技術屬于能源技術領域的一項重要課題。自本世紀七十年代以來，國外礦井防治水技術有了很大的發(fā)展，含水層預先疏干降壓方法逐漸取代了被動排水，在礦井防治水發(fā)展趨勢中占有主導地位。圍繞疏干降壓的防治水方法，發(fā)展了相應的鉆探、排水新技術，如潛水泵的揚程可達35-1000m，排水量達126-5000m³／h。目前，國外礦井疏水降壓已采用計算機進行自動控制，這使得疏干技術水平大大提高了一步。由于礦井排水成本越來越高，一些國家開始試用堵水截流的方法，堵水截流的方法主要用于建井階段施工井筒和巷道，普遍認為在生產(chǎn)階段，由于巷道縱橫，堵水截流不能替代疏水降壓。因而，國外礦井防治水方法主要采用地面管井疏干降壓，堵水截流只作為一種輔助措施^[]。如美國認為，即使巖溶水礦區(qū)，也只有少數(shù)礦井可采用堵水截流的防治水措施，多數(shù)仍需疏干降壓。老空水下防水煤柱的合理留設是煤礦防治水的重要措施之一。波蘭的安全開采規(guī)程規(guī)定，在有含水層下的煤層露頭處所要留設的安全煤柱高度為所要開采煤層厚度的8倍，并且這種煤柱的最小垂直厚度不少于20 m。相對而言，印度規(guī)定的水源與作業(yè)場所之間的距離更大一些，一般要求為在所有方向上均要達到60m^[]。

與此同時，圍繞這種疏干降壓這種防水方法，發(fā)展了相應的鉆探新技術^[]。在物探方面，德、英、法、美率先使用了槽波地震法來探測斷層，比利時采用礦井地震儀探測采礦應力分布。匈牙利采用綜合物探方法探測落差大于20m的斷層、煤系中的含水層、隔水層厚度及煤系底部含水頂板的起伏等。在地面物探方法上，東歐各國應用電法較多，美國及西歐國家應用地震法較多。此外，測井法、重力法、無線電波法、聲波也有利用。水文地質勘探方面，國外仍主要采用抽水試驗，如美國采用鉆管試驗法，匈牙利采用脈沖干擾試驗法。德國和美國還采用了高敏感度壓力計，可以測出含水層的壓力差、從而獲取含水層導水系數(shù)和貯水系數(shù)。

國外在煤礦采空區(qū)探測方面的文獻較少^[-],^[],^[]，且主要集中在利用瞬變電磁技術方面。King，A^[]利用瞬變電磁技術成功的找到煤田。美國的Garg和Keller^[]利用空間和時間濾波延拓技術成功圈定出了TEM測區(qū)范圍內異常體大致所在的位置。Quincy，E.A.及Moore，D. F.^[]利用瞬變電磁技術探查了美國懷俄明州的一所煤礦自燃形成的采空區(qū)。美國的Barnett^[]認為圍巖的電阻率很高，目標體可以假設成是被隔離的導體，而從地表所觀測到的瞬變二次場可以看做是薄板導體內不同感應等效電流線圈所產(chǎn)生的。因此，使用數(shù)學中的最小二乘法可以反演得出不同延遲時間的感應等效電流線圈的位置和大小，以此來獲得薄板導體的各個幾何參數(shù)^[-],^[],^[]。

1.2.2國內研究現(xiàn)狀

為了有效地防治和遏止煤礦水災的發(fā)生，從各大院校到科研單位、從理論到方法手段等都進行了各種途徑的研究和實驗，并收到了不同程度的效果。

（1）突水機理

在理論研究方面取得了新的突破：諸如：①礦井水文地質條件分類理論研究；②礦井突水機理理論研究；③利用水文地質參數(shù)，采用電模擬方法確定地下水流暢的理論研究；④注漿堵水技術結束標準理論研究，等等。

中科院地質所徐學漢、王杰、凌榮華等利用工程地質力學理論與方法研究煤礦突水預測預報^[]，王永紅^[]、肖洪天^[]、李金凱^[]、張玉卓^[]、孫振鵬^[]、李加樣^[]、張文泉^[]、蔣金泉^[]、王夢玉、章至浩^[]等，從不同角度研究，為突水機理研究方法也做了很多有益的探索，并為煤礦水害防治做了大量實際工作。

（2）老空水預測、預報方法

另外，在煤礦突水預測、預報綜合研究也取得了很大進展^[]。

①資料分析法

在分析、預測下層煤可能遇到的采空積水問題時，首先要做的是分析研究即將開采的工作面水文地質情況，其次是結合上部煤層開采的實際情況，從而能夠更準確的了解突水問題，當發(fā)現(xiàn)有突水隱患時，有針對性的提出預測及防治方法。在采掘上下兩個煤層時，詳細記錄上層煤開采工作面的水文地質情況并填繪到礦井充水性圖上，這樣，在采掘下部煤層時能夠參照并分析充水性圖，根據(jù)分析所得到的結果及時的預測、預報，采取井下或者地面探放方法消除積水隱患^[]。在實踐中，上層煤的低洼處易形成老空區(qū)積水地帶，利用煤層底板等高線圖，探放上層煤的積水區(qū)，消除開采下層煤時的突水隱患^[]。

②小窯調查法

調查了解礦井鄰近的古窯及各小煤窯的開采情況，將調查資料真實的填繪到圖紙和臺帳上。開采下層煤時，根據(jù)其煤層賦存特征反推出上層采空區(qū)情況^[]。對有危害的小窯積水區(qū)，在條件允許的情況下，可利用下泵接水管直接排放積水。

③物探法

對老空水探測，還有地質雷達、三維地震、瞬變電磁場、電阻率法等探測方法。①上部采空區(qū)有積水的情況下，利用地質雷達方法探測出下部采空區(qū)采動裂隙帶的范圍，從而設計出合理的保護煤柱寬度，預防下部工作面突水的發(fā)生^[]。②利用三維地震方法解釋老窯采空區(qū)，一方面是從己知資料出發(fā)，在反射波對比的基礎上，選擇顯著性的主干剖面；另一方面在剖面上，分析反射波同相軸的消失、扭曲、突變等異常現(xiàn)象，最后圈定出老窯采空區(qū)^[]。③為了探查出礦區(qū)地下水地質體的分布及其導含水條件，可以采用地磁探測技術觀察地下地質體中的電性分布規(guī)律。陽泉礦區(qū)采用頻率測深(CSMT)技術和瞬變電磁場(TEM)勘探技術對采空區(qū)的積水邊界進行了探測；神華集團活雞兔礦利用自動電阻率法成功探測出12205工作面采空區(qū)潰沙潰水通道；河北金牛能源公司東龐礦采用直流電探測技術探測某個工作面積水小煤窯采空區(qū)。

三維地震和瞬變電磁場能夠確定采空區(qū)的積水邊界。另外，煤層及采空區(qū)等地質條件探測一般應用三維地震^[]探測技術，而采空區(qū)和煤層上下地層積水范圍的探測應用電磁探測技術。姜博洋^[]利用瞬變電磁技術探測技術有效的對工作面上覆采空區(qū)積水進行探測，陳永新^[]、崔占鋒^[]同樣利用該技術探測巷道前方及煤層頂板富水區(qū)，為井下水害預報和防治提供可靠依據(jù)。

④鉆探法

在老空區(qū)附近采掘時，首先應調查清楚老空水的情況，按照防水規(guī)定實施探放水工作。在探放時，根據(jù)開采煤層的賦存及工作面布置，將探放類型分為同一煤層采空區(qū)水探放和近距離煤層組上部采空區(qū)水探放兩類。在設計鉆孔時，嚴格按照探水鉆孔技術要求設計。根據(jù)水壓大小，對鉆孔放水的巷道迎頭和鉆機本身采取一定的加固措施。另外，采用負壓通風預防有有毒有害氣體噴出，并保持水溝暢通。針對老空區(qū)集聚積水量較大時，需要建立單獨的臨時泵房和水倉，并加大排水能力^[]。宋玉平^[]用鉆探技術地表排放井下采空區(qū)積水。

（3）防治水工具

在防治水工具方面也取得了一定進展。由最初引進國外SSS-1井下防爆地震儀、井下橫波地電儀、高分辨率地震儀等，到自行研制了一批具有較高水平的探測儀器，如煤炭科學院研究總院重慶分院研制的超前距為40m的井下地質雷達；西安分院研制的防爆數(shù)字直流電法儀、高靈敏度井下防爆測溫儀、鉆孔水位遙測儀等^[]。

（4）探測技術

采用同位素氚等示蹤劑進行連通試驗，利用環(huán)境同位素判別出水源，揭示地下水運移和用微量特征鑒別補給水源等^[]。由于很難嚴格區(qū)分含水層地下水常規(guī)組分的差別，促使人們尋找環(huán)境同位素和微量元素法進行研究。在用微量元素判別突水水源的研究領域，杜和榮、宋曉梅、陳陸望等^[,]分析了皖北礦區(qū)的主要含水層微量元素化學特征，并利用數(shù)學中的主成分分析方法，建立了該礦區(qū)突水水源的主成分表達式，進而為判別礦井突水水源提供了理論依據(jù)；翟建山^[]利用激發(fā)極化法探測煤層采空區(qū)積水，處理視電阻率和激發(fā)極化參數(shù)，并分析所得到的曲線，最終確定某煤層的采空區(qū)積水范圍；陳陸望^[-],^[],^[]等研究皖北礦區(qū)地下水同位素水文地球化學特征，給出了深層地下水新的識別模式；莊稼^[]研究鶴壁礦區(qū)五個主要含水層地下水環(huán)境同位素的特征，標志出主要含水層地下水的同位素，從而達到了快速、準確地判定礦井突水水源的目的； 

判別礦井突水水源的首先要找出各個含水層水質的“標型元素”，并在此基礎上識別突水水源。“標型元素”是指在地球化學勘查中，對礦化、礦床或勘查對象的類型、成因及其他特征具有確認能力的指示元素，該元素可以是離子或離子的組合、氣體、化合物等多種形態(tài)。利用標型元素識別突水水源，利用較多的是piper二線圖、單個標型組分含量值特征法、不同標型組分含量相關關系法等。高衛(wèi)東^[]等分析了徐州礦區(qū)不同含水層地下水主要化學特征，并應用水化學法和灰色關聯(lián)度理論對該礦區(qū)董莊煤礦曾發(fā)生的一起突水事故進行了預測，判斷結果較可靠；李棟臣^[]曾在1995年論述了灰色關聯(lián)度法和綜合要素法兩種方法，用于識別白廟煤礦主要含水層水化學特征和突水水源，以此為基礎預測了白廟煤礦的突水水源，取得了非誠好的效果；李明山^[]等研究姚橋礦的四個含水層水文地球化學特征，提出了各層所特有的水質模型，確定出判別礦井水源依據(jù)的水溶組分，從而為礦井防治水工作提供了依據(jù)；葛中華^[]等運用水化學常規(guī)方法，分析了徐州某個礦井的地下水中的各含水層的水文地球化學特征，從而為礦井突水水源判別提供了水文地球化學根據(jù)。此外，成春奇^[]、趙華^[]等也在利用礦井水質判別突水水源方面做了研究。李世峰^[]利用水化學常規(guī)方法，分析研究了太行山中段奧陶系巖溶含水層地下水水化學特征，提出了不同水文地質單元中地下水水化學特征的時空分布規(guī)律，為巖溶水的管理、利用以及礦井水害的防治提供了有效依據(jù)。 

數(shù)學模型在常規(guī)水化信息判別礦井突水水源的研究中應用的越來越廣泛，模型主要有貝葉斯逐步判別分析模型、灰色關聯(lián)度模型、灰色聚類模型、模糊綜合評判模型、神經(jīng)網(wǎng)絡模型^[]、物元分析和對應分析^[]模型等。現(xiàn)代地球化學、數(shù)學和計算機技術的發(fā)展，使得利用數(shù)學模型對礦井水化學數(shù)據(jù)進行處理并分析，利用其為判別突水水源成為可能?？茖W的發(fā)展，將數(shù)學與地球化學緊密結合起來，使地球化學能夠數(shù)學化、定量化，給礦井水害防治帶來了極大的好處^[-],^[],^[]。

利用物理探測技術尋找水源，研究不同含水層的微溫差、微電導等，確定補給方向和尋找隱伏導水構造等方法，在一些礦區(qū)也取得了顯著成效。王俊茹、張龍起等^[]利用人工地震方法探測采空區(qū)巖層塌陷，并指出在使用該方法時，野外工作參數(shù)對探查采空區(qū)巖層塌陷破碎帶的效果有顯著的影響；陳相府等^[]研究了地震波在采空區(qū)上的傳播特點，并通過具體應用論述了淺震在采空區(qū)勘測中的數(shù)據(jù)處理，分析、解釋所測的數(shù)據(jù)的實際意義，證實了淺震在采空區(qū)勘探中的有效性。楊進、武煒^[]等研究了人工地震在地質災害中的應用。程久龍、胡克峰等^[]對煤礦采空區(qū)的地球物理特征進行了分析并結合探測的主要技術，應用探地雷達探測了地下淺層采空區(qū)，取得了較佳效果羅周全、劉曉明等^[]利用空間三維激光探測系統(tǒng)對采空區(qū)進行精密探測，從研究的結果可以看出該技術對采空區(qū)體積、采空區(qū)頂板面積、采空區(qū)實際邊界等的確定有較好的應用。閆長斌、徐國元等^[]應用地質雷達及瑞雷波綜合探測技術，探測采空區(qū)的分布情況；張志沛、姚亞峰等^[]分對煤礦采空區(qū)注漿前后鉆孔內不同巖性的聲波波形與波速特征的不同進行分析，發(fā)現(xiàn)利用聲波技術對采空區(qū)及其注漿質量能夠進行了非常好的檢測和評價；劉敦文、古德生^[]等以試驗模型為基礎，研究了地質雷達對不同采空區(qū)充填物的反映情況，并進行了現(xiàn)場模擬試驗，通過試驗分析研究了采空區(qū)內充填物類型與狀態(tài)，得出了應用地質雷達技術可以高效、準確地探測采空區(qū)及充填情況的結論； 

（5）探放技術

對同層采空區(qū)積水及層間距不超過50m的上層采空積水處理，井下探放方法是一種簡便易行、效果較好的方法。根據(jù)預測資料，有目的、有位置的施工，確保該方法的有效。在開采老空水下煤層時，首先要查明積水區(qū)的空間位置、可能的積水量及水壓，并在采掘工程平面圖上標明積水區(qū)最低點的位置及積水外緣的標高，以利于編制出可行的探放水設計方案，再選擇適用、安全的采煤方法。

在探放采空區(qū)水實際應用中多采用鉆孔疏排進行。針對采空區(qū)水兩種不同類型，所采取的鉆場布置與鉆進工藝是有所區(qū)別的。作為探放水工程關鍵的鉆場布置設計顯得更加重要，一般而言，同一煤層采空區(qū)水探放時，鉆場布置在靠近采空區(qū)最低點的下方巷道；對近距離煤層探放時，選在采空區(qū)最凹處。

鉆孔工藝：(1)在進行近煤層組采空區(qū)水探放工作時，一般采用巖芯鉆進方法。這是因為一般情況下煤層間都有一定的巖層，所以在設計鉆孔時，鉆孔角度相對較大，而采用巖芯鉆進方法鉆進時，能夠保證鉆孔按照原先設計好的角度鉆進。(2)對同一煤層采空區(qū)水探放時，由于是在煤層中設計鉆孔，所以相對前者而言，鉆孔角度設計較小，再加上礦山壓力的影響，打鉆較困難；另外，孔內跨孔現(xiàn)象頻繁的發(fā)生，導致鉆進更加困難。針對這種情況，一般采用三翼無芯鉆進與螺旋鉆桿鉆進相結合的施工方法。開始時，采用三翼無芯風動方法盡可能鉆進，但隨著鉆進深度的增加，孔深處排渣效果不佳，此時要改為螺旋鉆進方法進行排渣工作，以便能夠保證鉆進繼續(xù)進行。如果遇到軟煤層，可先采用超前孔注漿加固工藝而后再進行鉆進施工，保證鉆進繼續(xù)。

探放水鉆孔設計的根本目的是疏排采空區(qū)水體，鉆孔的作用就是作為導水通道。但隨著鉆孔的加深，煤渣及巖塊會堵塞鉆孔，而導致流水不暢，所以要盡可能的保證孔內無堵塞，使鉆孔發(fā)揮導水作用。鉆孔一般要求為2級結構，另外孔內還要下入一定長度的孔口管，這樣能夠有效的保證排水。在同一煤層鉆進時，套管深度要盡可能地下入，最好是能夠到達采空區(qū)中，保證排水的高效。而在近距離煤層探放時，要根據(jù)巖層的工程地質性質適量下入。在鉆孔孔口處安要設壓力表等常用工具，保證水壓在所能夠承受的范圍內。在使用孔口套管前，要經(jīng)注漿加固并經(jīng)耐壓試驗檢驗，使套管合格方可進行鉆進工作。楊春林^[]對探放時鉆空設計有詳細、透徹的分析、研究。

在鉆孔接近或者導通采空區(qū)后，開始時，預計水量較大并伴隨瓦斯或其它有害氣體溢出。因此，為了預防有毒有害氣體的涌出與集聚，保證探水作業(yè)點有足夠的新鮮風流，要加大通風，并制定瓦斯防突措施。在積水疏放完畢后要及時封孔，以防有害氣體溢出。鉆場處排水設施要派專人看護并保證設備的有效，為排水做好準備工作。王少軍^[]利用該技術使豐城市河東煤礦的采空區(qū)積水問題得到了有效解決。王永華^[]采用探放水技術有效解決了窄隔離煤住的采空區(qū)積水問題。朱現(xiàn)民^[]研究煤礦采空區(qū)積水規(guī)律，提出邊探、邊掘的探放水措施,解除了掘進和回采工作面的水患,確保了掘進和回采工作的順利推進。王素娜^[]用套管技術探放工作面頂部采空區(qū)積水，解除了對工作面的威脅。

（6）井下疏導法

在開采煤層過程中，要盡量將井下低洼處形成的積水疏排到地表，其目的是減少井下采空區(qū)積水的形成。另外，在開采煤層時，對同層相鄰的積水要堅決想辦法排出，防止在開采下層煤成為潛在的隱患。

（7）地面打鉆排放法^[]

為了處理層間大的積水區(qū)，可以先從地面打鉆穿越積水區(qū)，將積水排放到井下，然后再使用井下的排水設備將其排出地表。

（8）留設防水煤（巖）柱^[]

在受水害威脅的地段留設一定范圍的煤（巖）層不采，使工作面和水體保持一定距離，以防止地下水或其它水源滲入工作面，這里所留的煤層稱為防水煤柱。在遇到小窯老空區(qū)積水時，積水量很大又不宜疏干時應設防水煤（巖）柱，預防突水事故的發(fā)生。

（9）注漿堵水

在注漿前期應使用物探方法查明下伏含水層頂部的巖溶裂隙的分布情況，然后選擇適當?shù)淖{工藝將其封閉，并使其具有隔水層的作用，進而加大了隔水底板的厚度至大于臨界厚度值。而對于斷層較多裂隙發(fā)育完全的碎裂底板，首先要采取超前探測水，而后實施注漿，從而封閉了導水裂隙的貫通，加大底板巖層的強度 

其它技術，如全息高分辨率二維地震勘探、巖體原位應力探測、瑞利波勘探技術、多參數(shù)前兆監(jiān)測儀、高靈敏度脈沖干擾技術、多參數(shù)巡回監(jiān)測儀、探地雷達與鉆孔雷達等新儀器、新設備、新方法在水害探測及治理中的也得到推廣應用。

1.2.3 煤礦防治水存在問題

根據(jù)我國煤礦水害事故的特點及其產(chǎn)生事故的機理、原因，在礦井生產(chǎn)中對水害安全防范技術措施的要求方面上，應該解決以下幾個方面的關鍵性技術問題。

（1）應加強煤層底板突水機理的研究

隨著煤層開采深度的增加，開采中遇到了較大礦山壓力、越來越復雜的地質條件的和圍巖應力的變化，如果繼續(xù)采用淺、中部煤層的防突水措施來指導大埋深、高地應力、高水壓煤層的突水工作，必然會給生產(chǎn)和安全帶來誤導。因此，必須通過新的技術方法研究在新的地質條件及水文地質條件下的防突水措施（象同煤集團現(xiàn)在放頂煤工作面一般走向寬都在200多米以上，采、放高度可達到20多米），對煤層底板水的突水機理和控制因素的影響更應該放在首位。

（2）加強對隔水層防突水效應的研究

礦井突水有三個主要因素即水源、水量和導水通道^[]，以前的研究主要針對于水源和水量，利用各種方法找到突水源及其突水量，而對突水通道研究較少，在煤層的隔水帶的研究中更顯得薄弱。煤層采深日益加大，以前的疏降難度工作變的更加困難，另外對水資源的保護也越來越受到重視，從而對隔水層的研究工作變的更為迫切。

（3）加強底板突水監(jiān)控預警技術及裝備研究

在礦井底板水害突水機理及主要影響因素研究基礎上，利用現(xiàn)代先進技術如突水信息動態(tài)分析、人工智能判別技術、突水因素適時檢測技術等收集突水信息，通過傳感器觀察突水前影響因素的各種參數(shù)變化情況，從而能夠起到預報的作用。

（4）加強隱伏導水構造精細探查技術與裝備研發(fā)

在研究總結地質探查技術裝備基礎上，結合相關專業(yè)學科的先進技術，提出對隱伏導水構造大距離探查技術裝備的研究，從而能夠消除隱伏導水構造對煤層安全的影響。

（5）加強對水害快速處理技術與裝備的研究

煤礦突水預測技術能夠有效的降低事故的發(fā)生，使事故發(fā)生前得到遏制，但有時預測也是不準確的，而發(fā)生突水事故，所以對水害發(fā)生后的快速處理技術及裝備的研究也是非常重要的。突水發(fā)生后針對突水水源的快速判別、出水點的封堵等裝備的設計有待加強。

1.3論文研究內容及技術路線

1.3.1研究內容

以大同白洞礦老空水為研究對象，結合地質學、水文地質學、煤田勘探理論，對煤礦老空水形成機理、老空水防治進行研究，優(yōu)化探放水方案：

（1）分析白洞礦地質特征和水文地質特征，研究白洞礦老空水的主要特征。

（2）分析白洞礦老空水聚水空間、充水通道、充水水源，研究白洞礦老空水充水機制。

（3）分析白洞礦主要探放水技術手段，以及透水后的搶險救災技術。

（4）對白洞礦老空水進行探放水設計，對直通式探放水技術措施參數(shù)進行優(yōu)化，確定最佳技術參數(shù)。

1.3.2技術路線

采用理論與實踐相結合的手段進行課題研究。

（1）整理國內外采空區(qū)防治水理論和研究成果，了解有關理論和技術發(fā)展的最新動態(tài)。

（2）全面分析大同煤田各生產(chǎn)礦井歷史及近幾年的防治水資料，收集地表水系、井田內含水地層、隔水層分布特征、構造水文特征、地下水補給、徑流、排泄特征等相關資料，詳細劃分并確認其水文地質類型，為判斷防治技術的有效性、可操作性奠定基礎。

（3）根據(jù)水文地質類型及物探成果確定防治水方案，包括水害征兆監(jiān)測，鉆孔位置、孔數(shù)的布置，排水系統(tǒng)的配備，避險路線、措施的準備等。

（4）根據(jù)白洞礦老空區(qū)積水的實際情況，采用本文提出的探放水方案進行實驗。結合現(xiàn)場實驗考察其效果，證明采空區(qū)積水防治技術的可行性，以經(jīng)濟、適用、可靠為前提，提高采空區(qū)積水的治理效果，為進一步深入研究積累理論基礎和實踐經(jīng)驗。技術路線如圖1.1。

圖1.1 技術路線圖

Fig.1.1 The technique route chart

2水文地質特征

2.1區(qū)域水文地質概況

大同煤田位于山西省北部，介于口泉山脈與牛頭山脈之間，四周為強烈上升的中高山地形，煤田內部地勢變緩，為低山丘陵地貌。大同煤田為一北東—南西向向斜構造，東南翼窄，地層傾角陡，構造較復雜，西北翼寬廣，地層及構造簡單。區(qū)域內出露地層有太古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系及第三系、第四系。區(qū)域內河流由北至南以次為十里河、口泉河、鵝毛口河、小峪河、大峪河，白洞礦位于口泉河流域?？谌影l(fā)源于左云縣尖口山一帶。流域面積600km²，全長50km，河寬20-150m，樹枝狀水系，一般流量0-0.2m³/s，最大洪峰流量691m³/s（1988年7月12日）。區(qū)域地下水以大氣降水為主要補給來源，其次為河流的滲漏補給，由于侏羅系、石炭—二疊系煤層均已開采，礦坑排水已成本區(qū)碎屑巖裂隙水的主要排泄方式，巖溶水由于礦坑排水和人工取水而使巖溶水的流場產(chǎn)生了變化，巖溶水僅有少部分排向了神頭泉，大部分巖溶水則通過礦坑排水，人工取水排泄或由口泉溝、鵝毛口溝、小峪口、大峪口等溝口潛流排向了大同平原。

區(qū)內含水層根據(jù)地下水賦存空間的性質，結合巖性組合特征劃分為變質巖裂隙含水層，巖漿巖裂隙含水層，碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層，碎屑巖裂隙含水層和松散巖孔隙含水層。

變質巖裂隙含水層主要出露于煤田東部邊緣地帶，巖性為花崗片麻巖，含榴長英片麻巖，淺部巖石風化，賦存風化裂隙潛水，泉水流量一般小于1L/s，含水性弱。

巖漿巖裂隙含水層分布于煤田北部，巖性為灰黑色玄武巖，玄武巖的原生柱狀節(jié)理較發(fā)育，出露泉水流量一般2-10L/s，大者達70L/s，富水性中等。

碳酸鹽巖主要出露于煤田西北邊緣，東部呈條帶狀分布，煤田內部則構成了煤系的基底。本區(qū)位于神頭泉域的北部，由于地殼差異性的升降運動，煤田內部寒武—奧陶系灰?guī)r均有不同程度的剝蝕，其中北部剝蝕程度強于南部。十里河以北及十里河附近煤系基底為寒武系地層；十里河至鵝毛口河之間奧陶系中統(tǒng)地層均已剝蝕，煤系基底則為奧陶系下統(tǒng)地層，并且具有南厚北薄之趨勢；鵝毛口河以南煤系基底則為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組地層。根據(jù)大同煤田多年的勘探證實，本區(qū)巖溶發(fā)育及富水性與巖性，構造及補、逕、排部位關系密切，其中構造控水作用極為明顯?？谌獪现潦锖又g，鉆孔揭露灰?guī)r厚度一般為50m左右，北部燕子山井田，晉華宮井田，云崗井田揭露地層為寒武系上統(tǒng)，中統(tǒng)地層，巖性為竹葉狀灰?guī)r，泥質條帶狀灰?guī)r，鮞?；?guī)r；南部揭露為奧陶系下統(tǒng)地層，巖性以白云質灰?guī)r為主。該地段巖溶以溶蝕孔洞、溶蝕裂隙為主，局部有溶洞發(fā)育，如燕子山井田Y1402號孔揭露灰?guī)r50m，見0.3m溶洞，富水部位主要在十里河沿岸以及口泉溝下游，靠近排泄區(qū)部位，十里河附近鉆孔單位涌水量0.793-1.328L/s.m，口泉溝下游地段鉆孔單位涌水量0.1-0.2L/s.m，其它地段單位涌水量一般小于0.1L/s.m，在0.01-0.05L/s.m之間?？谌獪现六Z毛口溝之間，鉆孔揭露灰?guī)r厚度在50-150m之間，一般在100m左右，揭露地層為奧陶系下統(tǒng)亮甲山組、冶里組地層，巖性主要為白云質灰?guī)r，薄層泥灰?guī)r，泥質條帶灰?guī)r，揭露灰?guī)r0-50m巖溶較發(fā)育，巖溶以蜂窩狀溶孔為主，在構造部位有溶洞，如塔山礦主平硐掘進到亮甲山組距離灰?guī)r頂界30m時，揭露溶洞一處，體積1882.9m³，該溶洞與周圍含水層水力聯(lián)系差，屬古巖溶積水?；?guī)r頂界50m以下巖溶發(fā)育漸弱，巖溶形態(tài)為斷續(xù)的溶蝕孔洞，連通性極差。本地段富水部位主要位于塔山井田東部煌斑巖侵入通道東西向斷層組以及西部王村礦附近和鵝毛口溝口的地段，上述地段斷層均很發(fā)育，鉆孔單位涌水量為0.05-0.2L/s.m，一般均大于0.1L/s.m，單井出水量400-700m³/d，富水性中等；遠離構造部位巖溶發(fā)育極弱，鉆孔單位涌水量一般小于0.02L/s.m。鵝毛口河以南地區(qū)，揭露灰?guī)r為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組，下統(tǒng)亮甲山組，該區(qū)富水部位主要位于元堡子—黃家店之間的東西向斷層組、玉井一帶以及小峪口、大峪口，紅山峪各個峪口，上述峪口是巖溶水的排泄部位，特別是小峪口至大峪口之間，由于邊山口泉斷裂的作用，次一級的斷層也很發(fā)育，王坪煤礦主平硐揭露奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r時，遇斷層突水，初期涌水量7000-10000m³/d，由于長期排水以及附近小峪煤礦、峙峰山煤礦開采巖溶水，王坪煤礦平硐巖溶水的涌水量已大為減少，目前僅為1200m³/d左右，各個峪口施工的水源孔出水量為500-2000m³/d，富水性中等—強，偏離構造部位，含水層的富水性弱，水井涌水量一般不會大于300m³/d。

大同煤田位于神頭泉域的北部，屬于神頭泉域的一部分，在天然狀態(tài)下，巖溶水一部分由西、北向東逕流運動，由各個峪口排泄，另一部分則由西向南由神頭泉排泄，近些年來，由于人工取水，礦坑排水以及降水量的減少，巖溶水的水位普遍下降?？谌獪蠝峡谏鲜兰o60-70年代巖溶水水位標高在1170m左右，現(xiàn)在已降至1000m以下；鵝毛口溝溝口以往水位標高1170m左右，2007年柴溝煤礦施工的水井巖溶水水位標高為1072m；小峪煤礦從2004年開始取用巖溶水，當時的靜水位標高為1169m左右，目前取水量為3000m³/d左右，動水位為1086m，這也是鄰近王坪煤礦平硐涌水量減少的原因之一。以上資料表明并結合大同煤田奧灰水區(qū)域等水位線圖分析，大同煤田巖溶水流向神頭泉的水量已很少。

碎屑巖裂隙含水層由侏羅系、二疊系、石炭系砂巖組成，區(qū)域內侏羅系煤層已大規(guī)模開采，煤層以上含水層結構已遭破壞，砂巖裂隙水向采空區(qū)匯集，一部分由礦井排出，一部分形成了采空區(qū)積水；石炭、二疊系砂巖含水層富水性受地形、地貌、巖性、構造及埋深控制，北部侏羅系地層覆蓋區(qū)，砂巖含水層埋藏深，巖石的節(jié)理、裂隙一般不發(fā)育，單位涌水量一般都在0.001L/s.m以下，含水性極弱；鵝毛口溝以南地區(qū)，石炭、二疊系煤層多已開采，礦井涌水量為100-1000m³/d，含水性也是弱的；目前僅在馬頭道以北白堊系地層覆蓋區(qū)，碎屑巖地下水還處于天然狀態(tài)，白堊系含水層為泥質膠結的砂巖，砂礫巖，呈半膠結狀態(tài)，淺部水井出水量一般小于50m³/d，富水性弱，其下的石盒子組，山西組、太原組砂巖含水層，由于有白堊系地層的覆蓋，補給條件極差，單位涌水量0.006-0.024L/s.m，富水性弱。松散巖孔隙含水層由第四系沖洪物組成，分布于河谷兩岸的一、二級階地和河漫灘，厚度0-51.33m，河床沖積層以砂、砂礫石為主，厚0-11.31m，單位涌水量0.2-9.47L/s.m，滲透系數(shù)5-224m/d，口泉河由于受周邊煤礦的開采，富水性已大大減弱。

煤田內的主要隔水層為本溪組地層，一般厚20-50m，巖性主要為泥巖，鋁質泥巖，是煤系下部良好的隔水層。在白堊系地層覆蓋區(qū)，沉積了厚層的弱膠結的泥巖，是煤系上部良好的隔水層。

 

 

圖2.1區(qū)域水文地質略圖

Fig.2.1 Regional hydrogeological sketch map

 

2.2礦井水文地質條件

白洞井為低山丘陵地貌，地表大部分為黃土覆蓋，山梁、溝谷中有大同組、云崗組地層出露，本區(qū)總的地勢為南高北低，地面坡降一般在30°-45°，最高點位于南部白2003-2號孔附近，標高1502.59m，最低點位于北部十里河床，標高為1214.6m，為本區(qū)最低侵蝕基準面?？谌佑晌髂现帘睎|流經(jīng)本區(qū)中部，區(qū)內長5.25km，寬20-50m，平時主要由礦坑水補給，雨季區(qū)內及區(qū)外洪水均匯入口泉河，最大洪峰流量691m³/s（1988年7月12日），洪水位標高1222-1298m，白洞井主、付井位于口泉河左岸，井口標高分別為1257.94m、1258.08m，洪水位標高為1255m。在本區(qū)的上游王村礦、四老溝礦、挖金灣礦、雁崖礦礦井總的排水量約為8000m³/d，流入白洞井后，地表逕流量大為減少，大部分滲入大同組采空區(qū)，口泉河已成為滲透性河谷。

白洞井東界外為石灰?guī)r出露區(qū)，區(qū)內石灰?guī)r為石炭系煤系地層的基底，巖溶水位標高1010-1040m，石炭系可采煤層均為帶壓開采，本區(qū)位于巖溶水水文地質單元補給—逕流區(qū)。

2.2.1含水層的分布與特征

（1）奧陶系石灰?guī)r含水層

奧陶系地層構成了本區(qū)煤系的基底，埋深400-550m，頂界標高770-890m，總體為一向斜構造，本礦有3個鉆孔對石炭系之下的奧灰含水層巖性、含水性進行了了解，現(xiàn)分述如下：

白40號孔：位于本礦中南部，揭露奧陶系下統(tǒng)地層47.21m，灰?guī)r埋深412.20m，巖性為灰白色的白云巖與深灰色的粉砂巖互層，共揭露粉砂巖4層，揭露白云巖巖溶不發(fā)育，僅有零星的溶蝕孔洞，簡易水文觀測，水位和消耗量沒有明顯的變化，耗水量極小。

白2008-3號孔，位于本礦的北中部，揭露灰?guī)r97.50m，灰?guī)r埋深401.06m，孔深401.06-463.96m，厚度62.90m，巖性為灰色粉砂質泥巖，粉砂巖，細砂巖與灰?guī)r互層，共揭露砂巖與泥巖6層，灰?guī)r局部破碎，有零星的溶蝕孔洞，洞徑最大2cm，揭露地層為奧陶系下統(tǒng)?？咨?/span>463.96-498.56m，厚度34.60m，巖性為灰色石灰?guī)r，為寒武系上統(tǒng)地層，揭露灰?guī)r巖芯破碎，裂隙比較發(fā)育，擴散曲線反映465m以下為含水層，鉆孔沒有完全揭露，終孔抽水試驗，靜止水位標高1020.64m，降深11.2m，單位涌水量0.035L/s.m，水溫16℃，為含水小的含水層。

白2003-4號孔：位于本礦北部邊緣外，揭露灰?guī)r83.62m，灰?guī)r埋深419.58m，為奧陶系下統(tǒng)地層，巖性為灰白色的白云質灰?guī)r，本孔巖芯均很破碎，鉆進至481.10m時，巖性為白云質灰?guī)r，水位突降至247m，當時受抽水設備所限，未做抽水試驗，僅做了11個小時的注水試驗，靜止水位標高1029.91m，最大注水高度24.12m，單位涌水量0.03L/s.m，水化學類型為HCO₃?SO₄—Ca?mg型水，總硬度944.44mg/L，PH值6.8，水溫20℃。

此外，2003年，大同煤礦集團有限責任公司與中國煤炭地質總局水文物測隊在同煤大唐塔山礦白洞井做《大同塔山井田試驗區(qū)奧陶紀灰?guī)r巖溶水突水性預測研究》時，在301盤區(qū)材料巷、5103巷施工了3個探奧灰水鉆孔，揭露灰?guī)r100m，3個孔的原始資料已無從查找，僅在文字報告中查到巖溶水的單位涌水量為0.086L/s?m。

由上述三個探巖溶孔資料及井下探巖溶孔資料分析，揭露地層60m以上在本礦的中南部為粉砂質泥巖與灰?guī)r互層，含水性極弱，北部鉆孔揭露灰?guī)r雖然破碎，但多屬閉合裂隙，含水小，灰界頂界60m以下為主要含水層段，單位涌水量為0.03-0.086L/s?m。另外結合北部同忻礦平硐，南部塔山礦平硐揭露灰?guī)r涌水點的涌水量分析（同忻礦平硐灰?guī)r涌水量360m³/d左右，塔山礦平硐灰?guī)r涌水量217.1m³/d）井田石灰?guī)r含水層由于主要接受東部露頭灰?guī)r區(qū)大氣降水的補給，補給量有限，井田石灰?guī)r含水層的富水性，總體來看屬于含水小的含水層。

井田巖溶水的水位標高為1010-1040m，為巖溶裂隙承壓水。（圖2.1）。

 

 

 

圖2.2奧灰水等水位線圖

Fig.2.2 Regional level contour map Ordovician limestone groundwater

（2）太原組含水層

太原組含水層主要分布在5號煤層與8號煤層之間的砂巖帶，巖性為不同粒級的砂巖，厚度15-20m，3號煤層與5號煤層之間砂巖少見，即使有砂巖賦存大部分為粉砂巖，從鉆孔簡易水文觀測資料分析，沖洗液消耗量均很小，一般在0.1-0.3m³/d之間，具有相似的含水性質，X203號孔抽水試驗，最大降深21.22m，單位涌水量0.0037L/s.m，滲透系數(shù)0.0051m/d，靜止水位標高999.36m，為承壓裂隙水。

以上資料說明，太原組含水層由于埋藏深，巖石膠結致密，地下水的補給條件差，屬于含水小的含水層。

太原組水質類型為HCO₃—[k+Na]·Mg型水，總硬度201.96mg/L，礦化度473mg/L，PH值7.99。

（3）山西組含水層

山西組地層僅分布于本礦南部白2002-2、白2002-4、白2003-1、白2003-1鉆孔，K3砂巖厚5-10m，屬于含水小的含水層。

（4）永定莊組含水層

永定莊組地層在本區(qū)內廣泛分布，上部為紫紅色的泥巖夾砂巖，下部為厚層狀的砂巖，砂礫巖，砂巖厚80-150m，是太原組3號煤開采時的直接充水含水層。永定莊組砂巖以鈣質膠結為主，質硬，在裂隙發(fā)育地段，可以是良好的含水層，無裂隙處，含水性極弱。據(jù)巷道揭露（表2.1），出水點的涌水量一般為10至幾十m³/d，最大者初期涌水量達864m³/d，但出水點的涌水量衰減速度非?？?，一般在不到1個月的時間內涌水量明顯減小，如3號煤層2112巷，7號涌水點位于兩條小斷層的交匯處，2007年 11月17日涌水量為864m³/d，至11月23日涌水量衰減為86m³/d。

上述資料說明，永定莊組含水層總體屬于含水小的含水層，局部構造發(fā)育段，屬于含水中等的含水層，由于補給條件差，礦井排水主要消耗的是靜儲量。

表2.1巷道揭露涌水點統(tǒng)計表

Tab.2.1 Gushing water points tables by tunnel revealing

編號	巷道名稱	出水點時間	涌水量m3/d	備注
1	930皮帶斜井	2001年11月5日	150	已無水
3	行人通風斜井底	2002年3月25日	140
4	5101巷火成巖墻前20m	2002年7月2日-9日	30-320
5	2101巷巷口	2002年7月9日	50	現(xiàn)在29m3/d
7	2112巷12#點前23m	2007年11月17日-23日	864-86	現(xiàn)在150m3/d
8	2112巷8#點退后27m	2007年10月22日	19
9	301盤區(qū)回風巷加5點回11m	2006年11月27日	24	現(xiàn)在29m3/d
10	301盤區(qū)回風巷加5點回18m	2006年11月27日	16
11	301盤區(qū)回風巷加5點回33m	2006年11月27日	20

（5）大同組含水層

大同組是本礦上部含煤地層，有煤層數(shù)層，含水層為煤層之間的砂巖，富水性弱-中等。據(jù)調查：本礦11號、14號已全部開采，煤層采后由于頂板冒落，各煤層之間的含水層已經(jīng)溝通，成為統(tǒng)一的含水體，在構造型態(tài)低洼處則形成了采空區(qū)積水。據(jù)白洞井提供的資料，目前采空區(qū)積水賦存在14號煤層采空區(qū)，位于本礦的東北部，共有積水5處（表2.2），總積水量134萬m³。白洞井位于大同向斜的軸部，匯水條件好，2004年停采后，侏羅系礦井排水量為6806-9526m³/d，平均8558m³/d，而且呈逐年增長的趨勢。從白洞礦侏羅系排水情況分析，礦井水的補給來源很充分，由于采空區(qū)的積水處于動態(tài)變化中，隨著時間的積累，采空區(qū)的積水含越來越多。大同組礦井水水質為：總硬度660.5-1079.0mg/L，礦化度1000-1376mg/L，PH值7.41-7.55。

表2.2  14號煤層采空區(qū)積水一覽表

Tab. 2.2 List of gob water of No.14 coal seam

積水位置	積水面積（萬m2）	積水量（萬m3）
402盤區(qū)東	15.5	17.3
402盤區(qū)西	9.2	12.5
402盤區(qū)東	25.9	20.6
303盤區(qū)	21.4	29.6
303盤區(qū)東	29.1	54.0

（6）第四系沖積層含水層

第四系沖積層分布于口泉河河床，口泉河流經(jīng)井田的北部，區(qū)內長5.25km，河寬20-50m，沖積層厚10m，巖性為砂、砂礫石，河水由上游礦井水補給，受周邊煤礦開采影響，口泉河已成為滲透性河谷。

2.2.2隔水層特征

永定莊組：上部巖性為紫紅色泥巖間夾砂巖，下部為厚層的砂巖，砂礫巖，上部泥巖夾砂巖，為柔性巖層與剛性巖層相間，具有良好的隔水性能，下部砂巖、砂礫巖，含水性弱，可做為相對隔水層，永定莊組地層厚度122.29-228.67m，是阻隔上部大同組采空區(qū)積水良好的隔水層。

本溪組：上部巖性為粉砂巖，細砂巖夾薄層石灰?guī)r，下部為粉砂巖，細砂巖，泥巖鋁土質泥巖（圖2.2），厚23.60-36.37m，平均28.01m，其厚度由西向東由薄變厚（圖2.3），本溪組砂巖為中等堅硬巖石，強度較高，泥巖和鋁土質泥巖為軟弱巖石，但具有柔性，相互組合具有良好的隔水性能。

 

圖2.3  8號煤層至O₁之間巖性特征圖

Fig.2.3 Lithologic features map between No. 8 coal seam and O₁

 

圖2.4 本溪組厚度等值線圖

Fig.2.4 Thickness contour map of Benxi

2.2.3斷層的水文地質特征

井田內斷層大部分為采3號煤層時巷道揭露，只有F1、F2、F3為從侏羅系推測下來的。斷層走向以北北東—北東向為主，其次為北西—北西西向，落差大于2m的只有F1、F2、F3、F4，其中F4為井下揭露。井下所揭露斷層中，只有F4有破碎帶，破碎帶寬0.5-1.5m，破碎帶巖石呈碎塊狀未膠結，其它斷層沒有破碎帶，斷層上下盤緊密結合，上下盤煤層頂板比較完整，在揭露的所有斷層中，均無淋水現(xiàn)象。F4斷層在3號煤層巷道中有8條巷道見斷層，只有稍微的滴水現(xiàn)象，在5號煤層巷道中，斷層帶呈干燥狀態(tài)。開采3號煤層時，井下只有兩個涌水點涌水量比較大，一個是4號涌水點，另一個是7號涌水點，4號涌水點2002年7月2日揭露，當時的涌水量為30m³/d，至7月9日涌水量增至320m³/d，出水層位是巷道頂板永定莊組細砂巖；7號出水點為2007年11月17日揭露，當時涌水量為864m³/d，至11月23日涌水量減至86m³/d，7號出水點涌水層位為巷道頂板永定莊組砂巖，涌水通道為頂板之上打的錨桿，7號涌水點距離兩條小斷層很近，由于7號涌水點上方有侏羅系14號煤層采空區(qū)積水，曾取水樣做了化驗，化驗結果為：總硬度463.6mg/L，礦化度484mg/L，硫酸根離子130mg/L，PH值7.86，與上部采空區(qū)積水高硬度，高礦化度，高硫酸根離子，二者截然不同，說明涌水來源是兩條小斷層在頂?shù)装逡陨辖粎R后，貯存的砂巖裂隙水，涌水點涌水7天以后，由860m³/d減至86m³/d，也說明貯水空間有限，補給條件差。

從以上現(xiàn)象分析，本區(qū)新華夏系應力場應力作用以褶曲構造為主，形成的以北東向為主的斷層，應力作用輕微，斷層落差小，規(guī)模小，無大的貯水空間，加之補給條件差，斷層的含水性是微弱的，由侏羅系14煤層采掘平面圖與石炭系3號煤層采掘平面圖相對照，侏羅系的斷層均未斷到石炭系，石炭系的斷層也未延伸至侏羅系，說明本區(qū)的斷層以層間斷層為主，導通侏羅系采空區(qū)積水的可能性很小。本區(qū)可采煤層均屬于帶壓開采煤層，由于奧灰水水頭壓力大，斷層可成為奧灰水進入礦井的導水通道。

2.2.4地下水補給、逕流、排泄條件

本區(qū)地下水均以大氣降水為主要補給來源，按照含水層的埋深，含水介質的不同以及開采后水文地質條件的變化，可劃分為侏羅系含水系統(tǒng)，石炭系含水系統(tǒng)，奧陶系含水系統(tǒng)，三個含水系統(tǒng)即互相獨立，又有一定的聯(lián)系，因此有不同的補給，逕流、排泄條件。

（1）侏羅系含水系統(tǒng)

包括第四系含水層、云崗組含水層，大同組含水層，本區(qū)出露地層大部分為上述地層。云崗組、大同組出露于谷坡、山梁，第四系沖積層分布于口泉河河床。地下水的補給主要來源于大氣降水，其次是口泉河的滲漏補給，井田內由于侏羅系煤層大部分已采，煤層采后由于頂板冒落，導水裂隙帶的形成，第四系含水層，云崗組含水層、大同組含水層互相溝通，形成了統(tǒng)一的含水體。由于裂隙延伸至地表，地下水的補給條件極其優(yōu)越，大氣降水不僅可以直接入滲補給而且可以匯集區(qū)外的洪水，礦坑水通過口泉河滲漏補給，并且在本區(qū)的東北部向斜的軸部形成采空區(qū)積水，從2004年侏羅系煤層停采后礦井涌水量為6806-9526m³/d，便是該含水系統(tǒng)地下水補給條件良好的最好證明，礦井排水是排泄的主要方式。

（2）石炭系含水系統(tǒng)

包括永定莊組、山西組、太原組含水層，大氣降水主要通過順層裂隙進行補給，由于出露范圍小，補給量極其有限，按補給模數(shù)1.5萬m³/km²·a估算，年補給量不足2000m³，說明其補給條件很差。白洞井開采3號煤層時，揭露的涌水點數(shù)天后涌水量明顯減少或干枯便說明了問題。開采3號煤層時，導水裂隙帶未波及到14號層采空區(qū)積水。5號煤層厚度大，導水裂隙帶可達14號煤層采空區(qū)，存在采空區(qū)積水通過導水裂隙帶進入石炭系礦井。石炭系地下水的排水仍以礦井排水為主要方式。

（3）奧陶系含水系統(tǒng)

井田賦存的是奧陶系下統(tǒng)地層，出露于井田東界外，露頭區(qū)灰?guī)r直接接受大氣降水入滲補給，分析白2008-3號孔8月-11月水位觀測資料，最高水位出現(xiàn)在9月下旬，水位標高為1018.0m左右，本年度大氣降水的峰值出現(xiàn)在8月份，兩者相差一個月左右，也就是說奧灰水接受大氣降水的補給時間滯后一個月左右，說明奧灰水的逕流通道是較為暢通的，即逕流條件較好。東部露頭區(qū)由于灰?guī)r出露范圍小，加之地勢又高，接受大氣降水的補給量是極為有限的，井田北部的同忻礦，運輸大巷距離井田東界20km，該運輸大巷穿越奧陶系灰?guī)r時，出現(xiàn)涌水點，初期涌水量為360m³/d（2008年6月），目前為100m³/d，大巷排水消耗的是靜儲量，缺乏充沛的補給來源，白2008-3號孔最高水位與最低水位僅相差0.6m，也反映了奧灰水的補給和貯水能力差的特征。奧陶系灰?guī)r水除接受東部露頭區(qū)的補給外，還有來自北部、西部遠源的側向補給。以區(qū)域上看，大同煤田灰?guī)r含水層的巖溶發(fā)育總體均很弱，本區(qū)白2003-4、白2008-3號孔灰?guī)r抽水試驗，灰?guī)r含水層富水性弱，說明其側向補給量也是很微弱的。巖溶水主要是由西南向東北逕流運動，一部分消耗于同忻礦主平硐外，其余部分出區(qū)外由口泉溝溝口排向了大同平原。

2.2.5水文地質類型

白洞井位于大同煤田中東緣地段，總體為一軸向北東的向斜構造，地表黃土廣布，為低山丘陵地貌。本區(qū)為雙紀煤系，上部為侏羅系含煤地層，下部為石炭系含煤地層。侏羅系大同組煤層大部分已采空，在本區(qū)的東北部向斜的軸部有采空區(qū)積水賦存；永定莊組、山西組、太原組含水層是開采煤層的直接充水含水層，含水層的富水性弱，礦井涌水量小于2000m³/d；太原組下伏奧陶系巖溶裂隙含水層是煤系下伏間接充水含水層，灰?guī)r含水層補給條件差，灰?guī)r含水層巖溶發(fā)育弱，含水層富水性弱。雖然主采煤層3、5、8、9號煤層屬于帶壓開采煤層，即使存在局部奧灰突水問題，其突水量也不會很大。本區(qū)5號煤層厚度大，煤層采后導水裂隙帶將溝通東北部14號煤層的采空區(qū)積水，由于侏羅系采空積水范圍較為清楚，開采5號煤層前，通過打探放水孔將采空區(qū)的水放掉，采空區(qū)積水的治理是比較容易的。

綜上所述：白洞礦水文地質類型為二類一型，屬于水文地質條件簡單礦床。

2.3礦井充水因素分析

礦井充水因素可分為天然因素和人為因素兩大類。

圖2.5 礦井充水因素分類圖

Fig.2.5 Water-filled factors classification of mine

2.3.1地表水及大氣降水充水特征

本區(qū)為干旱、半干旱大陸性氣候區(qū)，年平均降水量約400mm，降雨主要集中在7、8、9三個月，口泉河流經(jīng)井田的中部。口泉河發(fā)源于左云縣尖口山一帶，流域面積600km²，全長50km，平時逕流0-0.2m³/s，洪峰流量691m³/s，白洞井位于口泉河的中下游，區(qū)內長5.25km，上游有四老溝礦，雁崖礦，挖金灣礦，王村礦同煤集團所屬煤礦以及眾多的地方煤礦，上述礦井總的排水量約80000m³/d。口泉河沿岸煤礦經(jīng)過50余年的開采，侏羅系大同組煤層基本已采完，煤層采后由于頂板冒落，導水裂隙帶的形成，口泉河已成為滲透性河谷。口泉河平均逕流量約0-0.2m³/s，說明上游礦井排水大部分都泄入井下，而到了雨季也會有大量的洪水泄入井下。由于白洞礦位于大同向斜的軸部，口泉河由西南至東北流經(jīng)本區(qū)，匯水條件好，流域內地表水，大氣降水均向口泉河匯集，而后入滲至向斜軸部，這是白洞礦侏羅系礦井排水量遠遠高于其它礦的主要原因（白洞礦大同組煤層停采后，礦井排水量為6806-9526m³/d）。目前白洞井開采3號煤層，3號煤層厚2.50-6.24m，上覆有200余米的永定莊組地層，在采空區(qū)積水分布范圍3號煤層厚2.11-5.44m，最大導水裂隙帶高度按堅硬巖石計算為132.09m，因此開采3號煤層時大同組采空區(qū)積水對煤層開采沒有影響，地表水，大氣降水不會成為3號煤層開采的直接充水因素。開采5號煤層時，由于導水裂隙帶的高度會達及大同組14號煤層的底板，地表水、大氣降水將會成為5號煤層開采的直接充水因素，而且是煤層開采的主要充水因素。

 

表2.3  大同組采空區(qū)范圍鉆孔參數(shù)一覽表

Tab.2.3 List of drilling parameters of gob in Datong group

孔號	3號煤層厚度（m）	3號煤層 頂板深度 （m）	最底部可采煤層 底板深度（m）	3號煤層導水裂隙帶高度 （m）	最底部可采煤層與3號煤層間距 （m）
白2002-3	5.44	324.78	99.40	132.09	225.38
白50	4.00	410.63	162.78	100.09	247.85
洞5	3.79	321.20	94.52	95.42	226.68
白49	2.72	310.00	98.21	71.64	211.79
白2008-4	3.04	387.04	172.55	78.76	214.49
白2003-6	3.35	404.09	192.55	85.64	211.54
白2008-3	2.11	301.88	118.60	58.09	183.28
白52	2.61	355.64	161.74	69.20	193.90

注：導水裂隙帶高度H_f=+11.2

2.3.2采空區(qū)積水充水特征

大同組煤層經(jīng)過50多年的開采后，井田內煤層大部分已采，煤層采后在井田東北部向斜軸部匯集了采空區(qū)積水，目前總積水量約為134萬m³。開采石炭系5號煤層時，是否形成頂板突水將是本礦主要的水文地質問題。5號煤層厚度0-24.5m，一般在10m左右，5號煤層與侏羅系14號煤層之間為永定莊地層，永定莊組上部為紫紅色泥巖夾砂巖，下部為厚層狀的砂巖，砂礫巖，泥巖為軟弱巖層，砂巖多數(shù)為半堅硬—堅硬巖石。5號煤層與14號煤層的間距為218.57-280.28m，其厚度變化趨勢是南厚北薄，最薄處就位于東北部向斜軸部有采空區(qū)積水賦存的地段。開采5號煤層頂板能否突水，取決于導水裂隙帶的高度（Hf）是否大于5號煤層頂板與14號煤層底之間的距離（H），Hf＞H，則突水，Hf＜H則不突水。已往計算導水裂隙帶的高度是采用《礦區(qū)水文地質工程地質勘探規(guī)范》（GB12719-1991）附錄F中公式，Hf=100M/（3.3n+3.8）+5.1（Hf-導水裂隙帶的高度m，M—煤層厚度m，n—煤分層層數(shù)），該公式不是由特厚煤層推導而來的，對于特厚煤層是否適用尚不清楚，因此，南鄰的塔山煤礦在開采5號煤層時在8102工作面施工了兩個觀察孔，用來觀測導水裂隙帶的高度，發(fā)現(xiàn)實際導水裂隙帶的高度大于由上式計算的導水裂隙帶的高度，但小于由堅硬巖石推導的計算導水裂隙帶的公式Hf=100M/（3.3n+3.8）+11.2，將Hf=100M/（3.3n+3.8）+5.1修正為Hf=100M/（3.3n+3.8） +60，基本與實際觀測的導水裂隙帶的高度相吻合，此次計算導水裂隙帶即采用修正后的公式。由修正后的公式計算的導水裂隙帶高度為102.96-336.48m，在采空區(qū)積水賦存范圍內導水裂隙帶的高度全部大于5號煤層頂板與14號煤層底板之間的距離。因此在開采5號煤層時，必然要發(fā)生頂板突水，由于14號煤層采空區(qū)貯水量大，而且有補給來源，對安全生產(chǎn)構成極大的危害，因此，在開采以前，必經(jīng)事先排放水，從而做到安全開采。

2.3.3永定莊組、太原組砂巖裂隙水充水特征

永定莊組、太原組含水層是開采煤層的直接充水含水層，開采3號煤層時，揭露的永定莊組出水點的涌水量一般在20-50m³/d，大者達864m³/d，出水方式為初期以涌水，淋水為主，經(jīng)過一段時間變?yōu)榱芩?、滴水，說明其貯水空間和補給來源均有限，對開采不構成危害。太原組含水層根據(jù)以往施工的水文孔抽水試驗知，屬于含水小的含水層，井巷揭露后出水方式仍以淋水、滴水為主，不會對開采構成危害。

2.3.4奧陶系巖溶水充水特征

奧陶系巖溶裂隙含水層是太原組開采煤層下伏間接充水含水層，水位標高1010-1040m，3號煤層底板標高858.29-1012.58m，5號煤層底板標高為838.78-993.62m，8號煤層底板標高812.85-963.36m，9號煤層底板標高為801.95-952.85m，所有煤層均為帶壓開采煤層，根據(jù)突水系數(shù)公式：

                           （2.1）

式中：

Ts—突水系數(shù)，MPa/m；

P—隔水層承受的水壓，MPa；

M—煤層底板至奧灰頂界之間的距離，m；

C_p—采礦對底板隔水層的擾動破壞厚度，取10m；

計算：3號煤層突水系數(shù)為0.015-0.023MPa/m，5號煤層突水系數(shù)為0.014-0.041MPa/m，8號煤層突水系數(shù)0.027-0.079MPa/m，9號煤層突水系數(shù)0.031-0.128MPa/m（表6-3-1）。根據(jù)《礦區(qū)水文地質工程地質勘探規(guī)范》GB12719-91附錄G，底板受構造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m，正常塊段不大于0.15MPa/m，3號、5號煤層不會發(fā)生底板突水；8號、9號煤層在斷層帶、巖墻部位存在底板突水，正常情況不會發(fā)生底板突水，9號煤層在井田的東北部，突水系數(shù)大于0.1MPa/m，帶壓開采嚴重。

 

 

 

 

 

 

 

表2.4  煤層突水系數(shù)統(tǒng)計表

Tab. 2.4 Coal water inrush coefficient tables

注：空白格為無煤孔或煤層位于O1水位以上。

 

 

圖2.6 8號煤層突水系數(shù)等值圖

Fig.2.5 Water inrush coefficient contour map of No.8 coal

 

圖2.7 9號煤層突水系數(shù)等值圖

Fig.2.5 Water inrush coefficient contour map of No.9 coal

 

突水量分析：白洞井2003-4、2008-3號孔做了奧灰抽水試驗，揭露灰?guī)r83.6-97.5m，為奧陶系下統(tǒng)地層，含水層埋深在灰?guī)r頂界60m以下。2003-4號孔注水高度24.12m，單位涌水量0.035L/s.m；2008-4號孔最大降深11.2m，單位涌水量0.030L/s.m，井下探巖溶單位涌水量為0.086L/s?m，說明本區(qū)巖溶發(fā)育具有不均一性，但總體富水性是弱的，以最大單位涌水量做突水性分析：井田2008-4、白50號鉆孔8號煤層，9號煤層底板突水系數(shù)最大，以這兩個孔為代表做突水量計算。2008-4號孔灰?guī)r水位標高1015m，8號煤層底板標高844.56m，9號煤層底板標高820.31m，如果突水，8號煤層最大降深170.44m，9號煤層最大降深194.69m，按最大涌水量Q=q?s公式計算，8號煤層最大突水量為52.773 m³/h，9號煤層最大突水量為60.283 m³/h；白50號孔奧灰水位標高1010m，8號煤層底板標高850.21m，9號煤層底板標高832.36m，8號煤層最大降深為159.79m，9號煤層最大降深為177.64m，8號煤層最大突水量為49.47m³/h，9號煤層最大突水量為54.99m³/h，另外井田南部塔山礦平硐揭露奧灰涌水量為9.05m³/h，北部同忻運輸大巷揭露灰?guī)r后涌水量為15m³/h。

以上資料說明，白洞井8號、9號煤層即使存在底板突水，也屬于小型突水。

白洞井從2002年至2008年系統(tǒng)地觀測了石炭系礦井的涌水量。從年平均值來看，隨著開采面積，巷道長度的增加，礦井涌水量呈增長趨勢，僅2003年平均值例外。礦井涌水量與開采面積，巷道長度的比值不是常量，而是呈遞減變化。同一年每個月的涌水量有一定的波動，并不是隨著開采面積，巷道長度的增加有規(guī)律的變化，這與直接充水含水層的透水性，貯水性，補給條件有一定的關系，由于本區(qū)地下水的補給條件差，巷道揭露的出水點的涌水量隨著時間的延續(xù)，涌水量越來越小，有的干枯。但總的趨勢是隨著開采面積，巷道長度的增加呈遞增變化，說明開采面積、巷道長度與礦井涌水量有一定的相關關系。石炭系地層上覆厚層的侏羅系地層，石炭系地層僅在區(qū)外呈條帶狀出露，出露面積很小，每年大氣降水的補給量估算不足2000m³，因此大氣降水對礦井涌水量的影響很弱，可以忽略不計，開采3號煤層，巷道揭露有些出水點幾天后即沒有水便可說明此問題。

3礦井探放水技術研究

3.1礦井水害

3.1.1防治技術

根據(jù)我國聚煤區(qū)的不同水文地質特征，并考慮到礦井充水對安全生產(chǎn)的危害程度，可將我國煤礦劃分為6大礦井水害區(qū)，分別為：華北石炭二疊系巖溶、裂隙水害區(qū)，華南晚二疊統(tǒng)巖溶水害區(qū)，東北侏羅系裂隙水水害區(qū)，西北侏羅系裂隙水水害區(qū)，西藏—滇西中生代裂隙水水害區(qū)和臺灣第三系裂隙、孔隙水水害區(qū)，臺灣第三紀煤田的裂隙—孔隙水害區(qū)。

大同煤田屬于西北侏羅系裂隙水水害區(qū)，該區(qū)位于昆侖—秦嶺構造帶西段以北，賀蘭構造帶以西地區(qū)，屬干旱氣候區(qū)，局部為亞干旱區(qū)，年降水量為25mm一100mm。本區(qū)嚴重缺水，存在供水問題，僅少部分地區(qū)有地表水和老窯水構成的煤礦水害。

根據(jù)白洞礦井田范圍內水文地質條件，礦井防治水的技術如下：

（1）井下防水煤（巖）柱留設

井下采掘進行到水體下、含水層下、承壓含水層上或導水斷層附近采掘時，必須進行防水煤（巖）柱的留設，以防止地表水或地下水潰入工作面，這部分煤（巖）層稱為防隔水煤（巖）柱或防水煤（巖）柱。根據(jù)防水煤（巖）拄所處的位置，所保護的范圍也各不相同，因此，可以分成不同的類型：

①斷層防水煤（巖）柱。

在導水或含水斷層兩側，為防止斷層水潰入井下而必須留設煤（巖）柱?；虍敂鄬邮姑簩优c強含水層接觸或接近時，為防止含水層水潰入井下，也必須留設防水煤（巖）柱。

②井田邊界煤柱。

相鄰礦井往往不是以地質構造為分界的，經(jīng)常是人為劃定的。相鄰礦井間必須留設防水煤（巖）柱，嚴禁兩個礦井井下相通，從而防止一個礦井的出水漫延到另一個礦井，造成另一個礦井的淹井事故。

③上、下水平（或相鄰采區(qū)）防水煤（巖）柱

上、下兩水平（或相鄰兩采區(qū)）之間，為不同的生產(chǎn)區(qū)域，必須留設防水煤（巖）柱，這些煤（巖）柱是作用是為了上、下兩水平或相鄰兩采區(qū)不互相威脅，在開采末期或透水威脅消除后，如果相鄰巷道不再使用，這部分煤柱中的煤可以回收。

④水淹區(qū)防水煤（巖）柱

在井下老空區(qū)周圍和上、下水平要留設防水煤（巖）柱，防止采動影響使得老空區(qū)水涌出進入工作面。

⑤地表水體防水煤（巖）柱

為防止采煤后地表水經(jīng)塌陷裂縫潰入井下而留設的煤（巖）柱。

⑥沖積層防水煤（巖）校

為防止采煤后上覆沖積層中的強含水層水饋入井下而留設的煤（巖）柱。

（2）井下探放水

指采礦過程中用超前勘探方法，查明采掘工作面頂?shù)装?、側幫和前方的含水構造（包括陷落柱）、充水含水層、積水老窯等水體的具體空間位置和產(chǎn)狀等。主要包括：

①探放老窯水

小煤窯或礦井采掘的廢蒼老窯積水，其幾何形狀極不規(guī)則，積水量大者可達數(shù)百萬立方米，一旦采掘工作面接近或揭露它們時，常常造成突水淹井及人身傷亡事故，故必須預先進行探放。

②探放斷層水

斷層往往作為導水通道，在過斷層時，如果沒有采取探放措施，井下含水層、老空區(qū)的水很可能會通過斷層進入采掘工作面，造成巨大的人員傷亡。

③探放陷落柱水

在煤層底扳下伏巨厚層狀碳酸鹽巖充水含水層組的華北型煤田，由于導水巖溶陷落柱的存在，使某些處于上覆地層本來沒有貫穿煤系強充水含水層的中、小型斷層或一些張裂隙，成為了水源補給充沛、強富水的突水薄弱帶。井巷工程一旦遇及這些薄弱帶，將不可避免地引發(fā)突水或淹井事故。若導水巖溶陷落柱本身直接突水，其后果就更為嚴重。

④導水鉆孔的探查與處理

礦區(qū)在勘探階段施工的各類鉆孔，往往貫穿若干含水層組，有的還可能穿透多層老窯積水區(qū)，甚至含水斷層等。若封孔或止水效果不好，人為溝通了本來沒有水力聯(lián)系的含水層組或水體，使煤層開采充水條件復雜化。

（3）含水層改造與隔水層加固

當煤層底板充水含水層富水性強巴水頭壓力高，或煤層隔水底板存在變薄帶、構造破碎帶、導水裂隙帶，需采用疏水降壓實現(xiàn)安全開采，但疏排水費用太高、浪費地下水資源且經(jīng)濟上不合理時，采用含水層改造與隔水層加固的注漿治水方法。該技術主要針對煤層底板水害的防治，它利用采煤工作面已掘出的上通風巷道和下運輸巷道，應用地球物理勘探或鉆探等手段，探查工作面范圍煤層底板巖層的富水性及其裂隙發(fā)育狀況，確定裂隙發(fā)育的富水段，采用注漿措施改造含水層或加固隔水層，使它們變?yōu)橄鄬Ω羲畬踊蜻M一步提高其隔水強度。

3.1.2搶險救災技術

一旦透水事故發(fā)生，就必須馬上就行搶險救災工作，其中控、排水是搶險過程中常用技術。在條件允許的情況下兩項技術結合應用。

3.1.2.1礦井突水時的強排水技術

礦井突水時強排水方案的制訂，必須根據(jù)礦井災水地點、突水量、井巷工程條件、采空區(qū)及淹沒區(qū)域充水條件、預測礦井淹沒過程中不同標高的最大桶水量以及未被淹沒泵房的設備能力等資料為基礎，來編制強排水方案。

（1）礦井突水水平的排水泵房未被淹沒前的強排水

此時礦井突水量及可能最大突水的預測是關鍵：

①認真測定涌水量和預測最大可能的涌水量；

②啟動全部排水能力強行排水；

③當突水量較大，核實能力不足時，有條件的礦井可以關閉有關井底車場水閘門限制放水；

④有條件時可向低標高井巷部分放水；

其主要目的是為堅守排水泵房為擴大排水能力贏得時間。

（2）突水水平泵房被淹，水位仍上漲時的強排水

①減緩水位上漲的一般措施

封堵未淹井巷內一切可以封堵的涌水，對在排水能力不足情況下減緩水位淹沒速度起到很好作用，如關閉未淹井巷涌水鉆孔，對部分下放的涌水采取閘墻封堵或建臨時排站等?？傊?，要努力防止上巷涌水下灌而增加淹沒礦井的水量。

②制止淹沒水位上漲的重要措施

主要是迅速建立臨時強排水基地。臨時強排水基地應盡可能接近掩沒水位，又要保證不被繼續(xù)上漲的水位淹沒，所以必須依據(jù)礦井突水量、預測最大突水量、可能被淹沒井巷及采空區(qū)充水體積等資料，預計水位上升到各未淹水平的時間，為臨時排水基地選址和建立留出時間。

3.1.2.2礦井突水時的控水技術

建立永久水閘墻控制涌水，是治理涌水常用的一種方法。礦井突水初期，為了控制涌水漫流，加固了巷道和出水口，并為掩護永久水閘墻的施工，可以采取快速碼砌袋裝水泥墻辦法，為永久水閘墻施工創(chuàng)造條件；根據(jù)水情變化和突水場地及相關巷道條件，最終構筑永久水閘墻以控制涌水。

（1）堵（控）水閘墻設計施工應注意問題

①堵水閘墻設計前，要全面弄清設計條件，如：閘墻預計承壓力、閘墻所在巷道的斷面、支護形式和原掘進方法、擬選定混凝土標號、閘墻硐室圍巖性質和硬度及各種物理力學參數(shù)；

②閘墻形式的選擇：若突水水壓比較大，可以選擇楔形水閘墻；如果水壓特別大，可構筑多段模型水閘墻；

③水閘墻要構筑在致密堅硬及無裂隙的巖石中；

④水閘墻周邊應掏槽嵌入到巖石中，并事先埋好注漿管；等閘墻體完工后進行注漿，充填縫隙，使之與圍巖構成一體。

⑤永久水閘墻施工，一般都留設泄水管路閥門。注意閥門管路防腐處理，封水的水閘墻管路閥門，最好使用不銹鋼材料。

施工永久水閘墻，必須認真編制施工技術及組織設計，并認真落實，保證施工質量。現(xiàn)場實踐證明，由于水閘設計不合理而造成失敗的情況很少，主要是施工質量問題，特別是挖掘巷道四周圍巖，拓寬巷道斷面時，清理巖粉殘渣工作十分重要，是保證質量的關鍵。另外還有預埋注漿管，注漿加固間體與圍巖縫隙時，必須達到注漿設計標準。因此，建閘期間的現(xiàn)場管理，是保證水閘質量的基礎。

3.1.2.3礦井突水時的注漿堵水技術

礦井突水后，一方面組織人力采取強排水和打閘分區(qū)隔離方式制止水漫延和控制水位上漲，另一方面是根據(jù)水情和突水條件，在無法分區(qū)隔離，且礦井水久排水能力又不足以排除突水水量時，應及時采取注漿堵水方法封堵水源。所以，在搶險救災同時，要認真制定注漿堵水方案。在編制注漿堵水方案時，要盡量遵循下列原則：

①必須清楚掌握礦井地質及水文地質條件：突水發(fā)生的原因、突水點的位置、突水通道的性質、突水量的變化、突水點附近地質及工程地質條件、采掘狀況，并具有準確的相關圖紙，以便明確堵水位置，分析鉆探及注漿的難度，做到各方面條件分析充分，設計考慮周全。

②注漿堵水設計中第一批鉆孔位置原則上應首先針對出水點附近設計并施工，以便盡快確定突水補給通道的性質并提前注漿封堵，為注漿堵水打好基礎。但鉆孔終孔位置應慎重考慮注漿時漿液流失問題，特別是在動水條件下，應適當考慮漿液擴散問題。

③無論是靜水條件還是動水條件下注漿，其前期一般應以增加出水口阻力為目標，盡量減小過水斷面，而后再加大注漿強度。

④注漿鉆孔孔徑不宜過小，以不影響鉆進速度為原則，以提高效率。

⑤注漿堵水方案最終形成是一個動態(tài)變化過程，隨著對突水水源通道及地質水文條件的深入了解，隨時調整注漿方案。

⑥注漿堵水工程要進行多方案對比，如鉆孔數(shù)量，施工順序，注漿工藝等，以便好中選優(yōu)，綜合運用。

⑦注漿鉆探設備選型安可靠，注漿材料要充分保證。注漿工藝一般采取分段下行注漿，一般不采取孔口混合注漿。

⑧注漿堵水設計要明確規(guī)定配合注漿堵水過程中的地質及水文地質工作內容。分析有關資料，以指導修正注漿工藝及注漿方案.

⑨前期注漿堵水鉆孔施工，一般都帶有探測的性質，所以條件探查應列入設計內容。打鉆注漿工程盡量采用比較成熟的先進技術和工藝，并在注漿堵水設計中規(guī)定。

⑩打鉆注漿工程要有施工組織設計，明確施工中的細節(jié)問題。

3.2老空區(qū)積水

老空水也叫做老窯水，主要是指由于過去本煤礦的開采或其它一些小煤窯的開采以后遺留下一部分采空區(qū)，這部分采空區(qū)被后期的地下水或地表水充滿，就形成了一些老窯積水，這些積水由于長期無法排出，儲蓄了大量的地下水。一旦坑道開拓揭露充水老窯, 積水就會一涌而出，其壓力大, 來勢猛, 并常夾有碎石或有害氣體, 對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)危害很大，甚至可造成局部淹井事故，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

3.2.1老空區(qū)積水特征與危害

存在老窯水危險的主要是開采多年的老礦區(qū)。如果后期的地下采掘工程觸及到這種老窯水的水體的邊緣的時候，這部分老窯水就會以突然潰入的方式潰入到井下，造成一些突發(fā)性的水害事故。老空水按聚積的位置可具體分為：本礦采空區(qū)積水、老窯積水和鄰近礦井老空積水。

3.2.1.1老空水的特征

（1）老采空區(qū)范圍、具體積水深度、積水量和靜水位標高等均難以確定。

（2）一旦發(fā)生事故，短時間內可以有很大的水量，來勢猛，具有一定破壞性。

（3）由于井下所處環(huán)境，老空水中含有大量的酸根離子，具有一定的腐蝕性。

（4）往往通過導水裂隙與其它水源溝通, 在短期內難以排除。

3.2.1.2老窯積水的危害

據(jù)統(tǒng)計, 老空透水事故占煤礦水害事故的80%以上，一旦發(fā)生透水事故，會對礦井造成嚴重的危害:

（1）局部淹沒井下區(qū)域，造成造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，并由于救援或排水的需要，影響礦井正常生產(chǎn)。

（2）影響煤炭質量和資源回收。

（3）透水時壓力大，會造成井下設備、器材、巷道支護及礦井設施的毀壞，

（4）使排水費用增加, 迫使企業(yè)投入大量的資金進行防治，降低企業(yè)經(jīng)濟效益。

3.2.2老空透水事故分析

3.2.2.1老空水透水原因

老空水透水涉及到很多方面的因素，但主要可以分為從主觀原因和客觀原因兩方面。

主觀原因：

（1）第一，沒有牢固樹立安全第一、預防為主的思想，從領導到一線采煤工、掘進工，缺乏對安全工作的認識，對老空水防治工作心存僥幸，疏忽大意，違反作業(yè)規(guī)程，盲目施工，違章指揮。

（2）第二，職工缺乏培訓，安全素質低，安全技能差。沒有組織職工進行應急演練，職工沒有掌握防透水的知識和技能，缺乏判斷險情的知識，一旦遇到險情，不會選擇避災路線和自我保護措施。

（3）第三，技術手段滿后，無法在井下科學、準確的進行采空區(qū)的預測，在發(fā)生險情時，沒有足夠的措施和手段進行險情處理。

（4）第四，資料管理方法落后，不能及時在圖上將采空區(qū)繪出。缺乏地質資料，不能準確掌握工作面前面的地質狀況。

（5）安全資金投入少，井下防治水設施設置不合理，透水事故發(fā)生后，不能夠立即投入使用。

客觀原因：

（1）由于歷史原因，井田范圍內曾有小煤窯野蠻開采，留下很多廢棄巷道、采空區(qū)，且沒有在圖紙上進行標繪，留下很多隱患。

（2）隨著開采深度的增加，水文地質條件越來越復雜，需要的技術水平也越來越高，而目前防治水的技術不足有完全解決現(xiàn)場中所出現(xiàn)的問題。

（3）老空水有充足的補給水源，水量極大，水壓極強，屬非常規(guī)性老空水^[]。

3.2.3老空透水事故事件樹模型

事件樹分析（Event Tree Analysis，簡稱ETA），是安全系統(tǒng)工程分析事故的一種重要手段，是一種按事故發(fā)展的時間順序由初始事件開始推論可能的后果，從而進行危險源辨識的方法。老空區(qū)透水事故的發(fā)生，是許多原因事件相繼發(fā)生的結果，其中，一些事件的發(fā)生是以另一些事件首先發(fā)生為條件的，而一事件的出現(xiàn)，又會引起另一些事件的出現(xiàn)。在事件發(fā)生的順序上，存在著因果的邏輯關系。

3.2.3.1老空水透水事件樹編制

為了詳細了解老空水透水事故發(fā)生機理，對大量礦井老空水透水事故進行分析，找出其發(fā)生原因，建立了老空水透水事故事件樹模型。以采空水為起點，按照事故的發(fā)展順序，分成5個階段，分別是：有無積水、水情是否清楚、探放措施是否得當、水量多少、預防措施是否得當，一步一步地進行分析，每一事件可能的后續(xù)事件都取對立的兩種狀態(tài)，直到達到老空水透水事故發(fā)生為止。如圖3.1所示：

圖3.1 老空水透水事件樹圖

Fig.3.1 Event tree of goaf inrush

3.2.3.2分析結果

從圖3.1可以看出，發(fā)生老空水透水事故的序列號為Ⅵ，其概率是：

P（Ⅵ）=P（A）·P（B2）·P（C2）·P（D2）·P（E2）·P（F2） 

從上述計算可以看出，如果P（Ⅵ）等于零，才可以避免老空水透水事故的發(fā)生。從事件樹來分析，防止透水事故的發(fā)生，必須分析分析每一步的成功和失敗。作業(yè)人員探放老空積水時預防措施不當、老空區(qū)有大量積水、探放水措施不符合作業(yè)規(guī)程、水情不清、存在老空水，以上全部都成立，才會發(fā)生透水事故。也就是說，如果想防止透水事故發(fā)生，作業(yè)人員進行井下采掘作業(yè)時，必須嚴格按照探放水作業(yè)規(guī)程和探放水計劃進行施工，采取確實有效預防措施。

3.2.4老空水水害的分類

對礦井老空水水害進行分類，是防治老空水的基礎，可以了解和掌握老空水的形成機制，并根據(jù)老空水水害的分類，采取不同的預防措施。根據(jù)白洞礦地質與水文地質背景，對白洞礦井田范圍內老空水水害進行分類，如下圖所示。

 

圖3.2 白洞礦老空水分類圖

Fig.3.2 Classification illustration of goaf water in Baidong mine

非采動影響型老空水水害，主要是通過自然形成的導水通道產(chǎn)生的老空水水害，這引起導水通道的形成，沒有受到人為因素，即采掘引起的地層變化的影響。這些導水通道包括導水斷層或導水裂隙網(wǎng)絡等，不涉及到那些由于煤層距老空水較遠，采動和水壓對防水煤柱振動較小的采煤（掘進）工作面。這類老空水水害的突水水量主要取決于透水通道面積或裂隙系統(tǒng)的滲透張量。導水斷層周邊區(qū)域，受斷層的補給性強，必須首先進行排水疏干，或者對構造帶進行注漿加固。對于裂隙滲透型老空水水害主要是通過對裂隙區(qū)域注漿加固進行防治。待加固完成后，方可進行采掘作業(yè)。對于裂隙一般可對采用注漿加固，加固后可進行開采或掘進。

采動影響型老空水水害，是由于采掘作業(yè)造成防水煤柱破壞而形成了導水通道而產(chǎn)生的老空水水害。防水煤柱是老空水防治的基礎。一旦損傷了采空區(qū)防水煤柱，防水煤柱的強度不足以抵抗采空區(qū)的水壓，采空區(qū)的水就會越過防水煤柱進入采掘工作面。或者斷層等斷裂構造防水煤柱損傷后，采空水通過斷層等構造，同樣會進入了采掘工作面，造成空水事故的發(fā)生。防水煤柱在防止采動影響型老空水水害中起著重要的作用，因此，任何情況下，都不得對煤柱進行采掘。

3.3老空水形成機制

煤礦采空區(qū)是隨著礦井生產(chǎn)而逐漸形成的，采空水也伴隨出現(xiàn)。現(xiàn)在礦井隨著生產(chǎn)年限的增長和采深的不斷延伸，遇到采空區(qū)積水的情況將越來越多，對生產(chǎn)帶來的威脅也越來越大。如何在生產(chǎn)實際中減少老空水水害的威脅，必須對老空水產(chǎn)生的機制進行研究。老空水形成的形成的前提條件有三個，即：有聚水的空間（即采空區(qū)或廢棄巷道）、有充水水源、有與充水水源相連通的充水通道。因此在老空水研究過程中，必須首先分析這三個方面:

（1）有無聚水空間。采空區(qū)或廢棄巷道作為聚水空間，其存在是不可避免的，但聚水性能決定積水量的多少。

（2）有無充水水源。井下生產(chǎn)實踐表明，并不是所有老空區(qū)內均有積水，如果沒有充水水源，老空區(qū)積水就不可能形成。

（3）有無充水通道。由于自然因素和采動影響，充水通道的存在與否只能通過探查測才能知道，需要進行大量的投入。

上述的三個方面是老空水形成機制的重要內容，也是老空水防治的基礎。必須將充水水源、充水通道、聚水空間形成的條件和各自的性質搞清楚，才能結合礦井的實際情況決定采取探、防、堵、截、排哪種措施，制定切實可行的防治水方案。

3.3.1聚水空間

采空區(qū)地質剖面圖如圖3.3所示，分別從縱向和橫向兩個角度來分析采空水聚積空間，以了解和掌握采空水在采空區(qū)的聚積位置。

 

圖3.3 采空區(qū)積水聚積空間圖

Fig.3.3 Structural figure of goaf water accumulation space

（1）縱向層面

在煤層的上方，由于采掘作業(yè)，破壞了上覆地層的巖體結構，這些結構可劃分為較完整層狀結構、塊裂層狀結構、碎裂結構和散體結構四部分，這四部分分別位于冒落帶、裂隙帶和彎曲帶內。采空區(qū)積水狀況與介質特性、巖體結構存在著關系，如表3.1所示。

表3.1 采空區(qū)積水與上覆巖層結構類型的關系

Tab.3.1 Hypo taxis between goaf water and overlying strata structure types

介質特性	巖體結構	覆巖破壞變形規(guī)律	積水狀況
連續(xù)介質	較完整層狀結構	彎曲帶	不積水
連續(xù)介質	塊裂層狀結構	裂隙帶	部分積水，具有潛水特征
似連續(xù)介質	碎裂結構	規(guī)則冒落帶	主要積水，具有承壓水特征
散體介質	散體結構	不規(guī)則冒落帶	主要積水，具有承壓水特征

由上表可知，冒落帶內是采空區(qū)主要積水處，裂隙帶內存在部分積水，彎曲帶內一般不積水。

（2）橫向層面

在橫向上，可將采空區(qū)兩個區(qū)，一個區(qū)為垮落掉塊壓實區(qū)，另一區(qū)為未充分充填區(qū)。在采空區(qū)中央，頂板完全垮落，并在上部巖層的壓力下，壓密程度較好，聚水空間不大，這一區(qū)為垮落掉塊壓實區(qū)。而在采空區(qū)靠近煤柱的兩側，由于煤柱的支撐作用，直接頂垮落后，老頂跨落緩慢，采空區(qū)沒有完充填，留下很多空隙，這些空隙將成為聚水空間，這一區(qū)為未充分充填區(qū)。

（3）廢棄巷道

在井下有很多廢棄巷道的存在，這些巷道也存為采空水的聚積空間，而且由于井下巷道相互連通，能夠很快的將水導入采掘工作面，造成透水事故的發(fā)生。

3.3.2充水水源

現(xiàn)按水源特征，可把采空區(qū)水害分為若干類型，老空水充水水源的類型，因不同地區(qū)的氣候、地形、地質、水文地質條件等的差異而有所不同。但總的來說，其充水水源主要包括大氣降水、地表水、松散層含水層水、煤系頂板砂巖裂隙水與灰?guī)r水、灌漿水和工業(yè)用水等，多數(shù)老空水往往是由2-3種水源充水形成的，單一水源的礦井老空水很少?，F(xiàn)按充水水源不同分敘如下^[]:

（1）大氣降水

大氣降水是地下水最主要的補給來源。大氣降水到達地面以后被土壤顆粒表面吸附形成薄膜水。當薄膜水達到最大水量之后，繼續(xù)下滲的水被吸入細小的毛管孔隙而形成懸掛毛管水。當包氣帶中的結合水及懸掛毛管水達到極限以后，這時雨水在重力作用下通過靜水壓力傳遞，不斷地補給地下水。如果地表和采空區(qū)之間存在充水通道，這些水將進入采空區(qū)，成為老空水充水水源，如圖3.4所示。

 

圖3.4 大氣降水水源的老空水示意圖

Fig.3.4 Schematic diagram of water in goaf supplied from mdteoric water source

（2）地表水

在有地表水體分布的地區(qū)，如長年有水的湖泊水、江河水、坑塘水、水庫、溝渠水、泥石流、海洋水、塘壩等，因煤礦井下防水煤（巖）柱留設不當，當井下采掘工程發(fā)生冒頂或沿斷層帶坍裂導水時，地表水將大量迅速灌入井下，類似水害事故曾多次發(fā)生。尤其是在一些平時甚至長期無水的干河溝或低洼聚水區(qū)，多年來平安無事，未引起人們的注意和重視。當突遇山洪暴發(fā)，洪水泛濫，會使某些早已隱沒個留痕跡的古井筒、隱蔽的巖溶漏斗、淺部采空塌陷裂縫、甚至某些封孔不良的鉆孔，由于洪水的侵蝕滲流而突然陷落，造成地面洪水大量倒流井下；也可沿某些強充水含水層的露頭強烈滲漏，結果造成水害事故。在特定條件下，有時可沖毀工業(yè)廣場，直接從生產(chǎn)井口灌人井下，迫使井下作業(yè)人員無法撤出。這種水害往往來勢突然且迅猛，一時無法抗拒，可造成重大損失。

地表水補給水量的大小，取決于地表水體底部巖石的透水性，地表水位與地下水位的相對高差，地表水與地下水有聯(lián)系地段的長度，以及季節(jié)。地表水在雨季水量大，對井下采空區(qū)水的補給量也大，在旱季，隨著地表水量的減少，對采空區(qū)的補給也會減少，甚至完全沒有補給。也有一些地表水受雨季和旱季影響不大，常年向采空區(qū)充水。但如果煤層埋藏較深，地表水往往不是采空區(qū)的直接充水水源。

（3）煤系頂板砂巖裂隙水與灰?guī)r水

其充水水源為砂巖、礫巖等裂隙含水層的水。這些煤層頂部常有厚層砂巖和礫巖、其中裂隙發(fā)育，如與上覆第四紀沖積層和下伏奧陶系含水層有水力聯(lián)系時，可導致大突水事故以及建井時期發(fā)生淹井事故。含水層與煤層的距離、含水層的富水性、地下水的類型，這些因素均決定著砂巖裂隙水與灰?guī)r水對采空區(qū)水的補給程度。由礦井水文地質條件看，白洞礦開采煤層的充水含水層均屬于含水小的含水層。煤系頂板砂巖裂隙水與灰?guī)r水，充水過程如圖3.5所示。

 

圖3.5 砂巖裂隙含水層水源的老空水示意圖

Fig.3.5Schematic diagram of water in goaf supplied from sandstone aquifer source

（4）含水層水

含水層是指那些既能儲存重力水又能讓水自由流動的巖層，按松散層含水層在松散層中所處層位的不同，可分為上部、中部、下部砂層水。松散層中部、下部中，疏松的砂卵石層，半固結而富空隙的砂礫巖，富有裂隙的基巖，喀斯特發(fā)育的碳酸巖，既能容水，又能透過和排出重力水，成為老空水的主要充水水源。松散層含水層水通過導水通道進入采空區(qū)，如圖3.6所示。

 

 

圖3.6 松散層含水層水源的老空水示意圖

Fig.3.6 Schematic diagram of water in goaf supplied from loose squifer source

（5）灌漿水和工業(yè)用水

在煤層開采過程中，需要大量的生產(chǎn)用水，這些生產(chǎn)用水主要有兩個用處，一是為防止煤層自燃，對采空區(qū)進行預防灌漿的用水，二是用于井下防塵的工業(yè)用水，這兩種水在一部分進入水倉，被排出到地面，另一部分則積聚在采空區(qū)，成為老空水。

3.3.3充水通道

充水通道是充水水源進入采空區(qū)的通道。由于通過充水通道對采空區(qū)水進行了補給，造成了老空水水文地質條件復雜化。對它進行深入的研究，是科學地制訂老空水防治方案的前提。根據(jù)不同的劃分依據(jù)，老空水的充水通道存在著三種劃分方案，綜合歸納如表3.1所示。

表3.2老空水充水通道的分類

Tab.3.2 Types of transmissibility pathway of water in goaf

劃分依據(jù)	基本類型	充水通道
形態(tài)	點狀	陷落柱、封閉不良鉆孔、地面塌陷坑
	線狀	斷層帶、斷裂破碎帶
	面狀	頂?shù)装鍘r層各類裂隙
	窄條狀	窄條狀隱伏露頭
成因	構造類	斷層、裂隙
	采礦擾動類	頂?shù)装迤茐男纬傻膶严稁?、斷裂帶、煤柱破?/span>
	人類工程類	封閉不良鉆孔、小煤窯
地下水流的動力特征	滲濾	頂?shù)装鍘r層的各類裂隙、窄條狀隱伏露頭
	管流	陷落柱、斷層帶、斷裂破碎帶

 

不同成因、不同形態(tài)、不同地下水流動力特征的充水通道，其表現(xiàn)形式是各不相同的，必須加以區(qū)分。常見的老空水充水通道及其相應的充水特征如下:

（1）頂板垮落形成的冒落帶、斷裂帶

采煤工作面上覆巖層的破壞變形形態(tài)與規(guī)律，受到覆巖巖性、開采高度、開采工藝、工作面長度、煤層條件、開采方法及頂板管理方法的影響，同時受到地層結構特征如斷層與時間等其它因素的影響與控制。根據(jù)上覆巖層的斷裂破碎程度和透水性的狀態(tài)，在垂向上可將其劃分為3個帶，即冒落帶、斷裂帶和彎曲帶。冒落帶、斷裂帶、彎曲帶簡稱為“頂三帶”。如圖3.7所示。

 

圖3.7 覆巖破壞與變化規(guī)律示意圖

1-冒落帶   2-裂隙帶  3-彎曲帶

Fig.3.7 Schematic diagram of overlying strata destroy and its transmutation disciplinarian

1-the inner collapsed zone  2-the permeable fractured zone  3-bend zone

①冒落帶

是指采煤工作面放頂后引起直接頂板垮落破壞范圍。根據(jù)冒落巖塊的破壞程度和堆積狀況，又可分為上、下兩部分。下部巖塊完全失去已有層次，稱不規(guī)則冒落帶，上部巖塊基本保持原有層次，稱規(guī)則冒落帶。冒落帶的巖塊間空隙多而大，透水透砂，是導水裂隙帶，所以不允許冒落帶發(fā)展到上部地表水體或含水層底部，以免引起突水和潰砂。

②斷裂帶

垮落帶上方的巖層，會產(chǎn)生垂直斷裂和水平離層的范圍，這些范圍稱之為斷裂帶。斷裂帶內裂隙比較發(fā)育，巖體破碎。該帶一般由下而上，其斷裂和離層程度由強變弱。斷裂帶中的充填物多為膠結不夠緊密的泥質、炭質膠結，在承壓水的長期作用下被軟化、構空和溶蝕，降低了有效隔水層的厚度，根據(jù)巖層的斷裂發(fā)育程度以及其導水性，斷裂帶在垂直剖面上可分為：嚴重斷裂段，巖層大部分斷開，但仍然保持原有層次，裂隙之間連通性好，強烈透水甚至透砂；一般開裂段，巖層不斷或很少斷開，裂隙連通性較強，透水但不遠砂；微小開裂段，巖層基本不斷開，裂隙連通性不好，透水性弱。

③彎曲帶

彎曲帶是受采動影響最小的巖系，從斷裂帶上直至地表都屬于彎曲帶。彎曲帶由于巖層的整體變形和移動，造成在垂直剖面上，各巖層下降的速度小，基本上保持一樣，因此上下各巖層沒有形成離層現(xiàn)象。彎曲帶內的巖層的完好性，也保證了彎曲帶通常具有較好的隔水性，使得其導水和蓄水能力差。

（2）底板破壞形成的導水裂隙帶

白洞礦煤層底板存在著承壓含水層，在采掘過程中，頂板巖層垮落沖擊底板，對底板巖層破壞稱動礦山壓力；此外，采動后，采場內上覆巖體的自重力不能通過煤層傳遞，轉接到采場四周煤層，而采場內臨空，底板巖石受力后要向采場內產(chǎn)生位移（底鼓），稱靜礦山壓力。兩者共同作用下，可使一定厚度的直接底板道受破壞，形成“下三帶”，即上部采動破壞導水帶，中部完整巖層隔水帶和下部承壓水導升帶?！跋氯龓А睘椴煽諈^(qū)提供了充水通道，給承壓水的導升和斷裂帶內的開裂制造了空間，造成底板含水層中的水滲透和潰入采空區(qū)，成為老空水充水水源。

 

圖3.8 底板巖層破壞與變形規(guī)律示意圖

1-采動破壞裂隙帶  2-完整巖體隔水帶  3-原位垂直張裂隙帶

Fig.3.8 Schematic diagram of footwall strata destroy and its transmutation disciplinarian

1-the mining disruptive fractured zone  2-the fully rock mass waterproof zone  3-the in-situ vertical tension crack zone

 

（3）陷落柱

陷落柱是由于下伏易溶巖層經(jīng)過地下水強烈腐蝕，形成大量空洞，從而引起上覆巖層失穩(wěn)，向溶蝕空間冒落、塌陷所形成的桶狀柱體。其形成大致經(jīng)歷了溶隙、溶孔、溶洞塌陷等過程，其中溶洞形成是核心和先決條件。煤系陷落柱在中生代（大同煤田）廣泛分布，因為被破碎巖塊充填的柱狀喀斯特陷落柱，像一導水管道，因此，以其特殊的成因、性質和形態(tài)，成為礦井水害的最危險導水通道。它溝通了煤系充水含水層與下伏強富水灰?guī)r水的聯(lián)系，一旦采空區(qū)上下的采動裂隙與其溝通，水就會通過陷落柱突入工作面，造成井下突水事故的發(fā)生，同時也成為采空區(qū)的主要充水水源。

3.3.4老空積水區(qū)的確定方法

由于煤礦的采礦活動，在礦井內形成了大量的采空區(qū)，時間久了就容易形成積水區(qū)。還有些古窯、近代關閉的小煤窯也有很多是積水區(qū)域，當采掘工作面接近這些水體時，就有可能造成地下水突然涌入礦井的事故。老空區(qū)積水水體的特點是：水體壓力傳遞迅速，流動與地表水流相同，不同于含水層中地下水的滲透。為了保證井下的安全生產(chǎn)，必須消除這些隱患，因此，使用探放水的技術手段，找出采空區(qū)內積水位置，并將水排放或控件來。目前，在探放水技術手段方面已經(jīng)取得了相當多的研究成果，經(jīng)現(xiàn)場應用檢測，也取得了良好的效果。探測水源常用的方法有以下幾種。

（1）地球物理勘探技術

利用地球物理的原理，根據(jù)各種巖石之間的密度、磁性、電性、彈性、放射性等物理性質的差異，選用不同的物理方法和物探儀器，測量工程區(qū)的地球物理場的變化，以了解其水文地質和工程地質條件的勘探和測試方法。

地球物理勘探技術可以分為三類：①重力勘探，是通過觀測不同巖石引起的重力差異來了解地下地層的巖性和起伏狀態(tài)的方法。②磁力勘探，是通過觀測不同巖石的磁性差異，來了解地下巖石情況的方法。③電法勘探，通過觀測不同巖石的導電性差異來了解地下地層巖石情況的方法。

近幾年地球物理勘探技術廣泛應用在在煤礦防治水領域，探索出幾種效果顯著的方法： ①瞬變電磁法（TEM）探測技術，②高密度高分辯率電阻法探測技術，③直流電法探測技術，④音頻電穿透探測技術，⑤瑞利波探測。

另外，還有一些其他地球物理勘探方法，如鉆孔雷達探測、坑透、地震槽波探測等探測技術。大同煤礦集團近幾年在直流電法方面探測小煤窯、老空區(qū)積水應用比較多，也取得了比較好的效果，在礦井防治水工作方面起到了一定的作用，促進了煤礦安全工作。

（2）地球化學勘探技術

地球化學勘探的方法是通過系統(tǒng)測量天然物質的地球化學性質，發(fā)現(xiàn)各種類型的地球化學異常的一種調查方法。現(xiàn)有的各種地球化學勘查方法主要是根據(jù)采樣對象來劃分的。如巖石地球化學測量、土壤地球化學測量、水地球化學測量、水系沉積物地球化學測量、湖積物地球化學測量、氣體地球化學測量和生物地球化學勘查等。各種測量方法又因地質地理條件不同及選用的具體采樣物質不同而發(fā)展成若干方法的變種。

在煤礦采空區(qū)積水區(qū)探查中，主要是通過水質化驗、示蹤試驗等，利用不同時間、不同含水層的水質差異，確定突水水源，評價含水層水文地質條件，確定各含水層之間的水力聯(lián)系。主要的技術方法包括：①水化學快速檢測技術，②透水水源快速識別技術，③連通試驗。

（3）鉆探技術

鉆探技術，作為最基礎的采空積水區(qū)探查手段，曾經(jīng)受到了極大地限制，但最近十幾年來，國內外鉆探技術有了很大的發(fā)展，發(fā)展出適用于各種工作場合的鉆機。因此，應用鉆探技術，不管在地面用鉆機還是井下坑道鉆機，均可實現(xiàn)“隨鉆測斜，自動糾偏”。鉆探技術已經(jīng)滿足對老空積水區(qū)探查的要求。

（4）井巷地質、水文地質條件分析

井巷地質、水文地質條件分析主要是對井下已揭露的地質與水文地質現(xiàn)象進行觀察、測量、統(tǒng)計計算等分析研究，從而達到認識和了解礦井水文地質條件的目的。常用的井巷地質、水文地質條件寫實分析技術方法有：

①井巷地質現(xiàn)象與水文地質現(xiàn)象描述。

②井巷地質現(xiàn)象與水文地質現(xiàn)象攝影。

③礦井地質構造與裂隙測量、地質統(tǒng)計與地質作圖。

用井巷地質、水文地質條件分析方法，往往可以直接確定老空積水的范圍，積水高度，然后計算積水量。比如白煤公司井田14號層東303、東402老空積水區(qū)有明確的出水點標高，又可以在采掘工程平面圖通過等級高線劃定積水范圍。方法簡單、快速、準確。

3.5老空積水的排放

老空區(qū)積水（采空區(qū)、老窯和已經(jīng)報廢的井巷積水）積存于生產(chǎn)、開拓水平以上，水量集中，來勢兇猛，一但揭露，就會以突然潰出，具很大的沖擊力及破壞力，是煤礦主要水患之一。但是老空積水一但查明以后，往往易于防治。對于生產(chǎn)礦井本身的老空區(qū)、舊巷道積水，應認真核實圖紙資料，查明積水區(qū)的水量、最低點、最高點，然后制定探放水措施或方案進行探放水。

3.5.1巷道掘進期間的排放

在巷道掘進時可以同時進行探放水，一種是探同層的老空區(qū)積水，一種是探上層的老空區(qū)積水。在老空積水區(qū)下部煤層掘進、回采前，須排放盡上層的積水。一般的做法是邊掘邊放，放一段掘一段，掘進期間制定探放水措施，根據(jù)過去的經(jīng)驗，將調查和勘探（包括物探）獲得的小窯、老空的資料，經(jīng)過分析確定“三條界線”，即積水線、探水線、警界（戒）線，然后進行探放水。

探放水的方法簡單易行，直接用專用探水鉆機向前（或上部）積水區(qū)打鉆孔。放水鉆孔的直徑一般不超過73 mm。

在探放上層積水時，鉆孔的傾角一般在40-70度之間，鉆孔的深度約在70米以內。最近幾年，有礦井用TUX-150型鉆機打孔，深度（斜深）可達到目的130米。在鉆孔孔口處安裝孔口管，固定閥門，控制放水，水壓一般在0.5 Mpa以下，既便于操作，又安全可靠。

 

圖3.9 巷探設計圖

Fig.3.9 Lane probe design

3.5.2地面打井抽水

有的時候老空積水區(qū)周圍沒有巷道及其它空間，從本層無法放水。當積水區(qū)下方（或叫下部煤層中）沒有掘進巷道時，井下無法施工鉆孔，達不到放水的目的，這種情況下可以考慮從地面向積水區(qū)內打鉆孔，進行抽水。同煤集團的四臺溝礦呈經(jīng)用抽水的方法排放古塘積水。這類鉆孔的孔徑比較大，約在0.40-0.50m左右，潛水泵與排水管連接，從孔口一直下到積水區(qū)以下。 

地面施工這種抽水鉆孔，鉆孔成本高，排水成本相對也高，同時受多種因素限制，比如地面無法設排水溝，取電遠等問題。

3.6探放水安全技術措施

3.6.1探放水前的準備工作

（1）在組織施工前，要求施工單位將打鉆所需的材料及工具，設備準備到位，不能因為準備工作的原因而影響施工。

（2）在運輸煤礦用坑道鉆機等大件設備的過程中，運輸人員應輕拿輕放，避免設備因受力碰撞而受損。

（3）鉆機及其附屬設施及各部件間連接要牢固可靠，并在每次使用前檢查，確保施工的安全。

（4）每次開鉆前，檢查鉆桿接頭的牢固情況，嚴防脫鉆事故的發(fā)生；鉆桿要達到不堵塞、不彎曲、絲口不磨損。

（5）在組織施工前，要求施工人員對鉆機附近10米范圍內的巷道支護進行檢查，發(fā)現(xiàn)巷道支護受損的及時處理并加強支護，并打好立柱和擋板。

（6）保持鉆場有足夠的安全空間，便于施工。

（7）在巷道低洼處非人行側及時挖好水倉，清理好臨時水溝，確保排水暢通無阻。

（8）平巷時，將排水管隨掘進向前延接，迎頭20米范圍使用軟管。

（9）在打鉆地點附近安設專用電話及報警裝置，并保證隨時與調度室聯(lián)系。

（10）在探放水過程中，技術人員和探放水人員不能離開現(xiàn)場，必須保證鉆孔的施工的技術參數(shù)符合設計規(guī)定，確保鉆孔位置、方位，深度以及鉆孔數(shù)目。

（11）在探放水過程中，必須堅持對探放水地點空氣成分進行檢查，以防止瓦斯或其它有害氣體濃度超標。如果瓦斯?jié)舛瘸^0.8%或其他有害氣體濃度超過《煤礦安全規(guī)程》第一百條規(guī)定時，必須立即停止探放水作業(yè)，切斷電源，撤出人員，并報告礦調度室，及時處理。

3.6.2技術要求

（1）安鉆探水前的技術要求

①安鉆地點與積水區(qū)間距小于探水規(guī)定的超前距，或有突水征兆時，應在采取加固措施或用水閘墻封閉后，另找安全地點探放水。

②鉆窩應避免做在斷層帶或松軟巖層內。

③鉆機安裝必須平穩(wěn)牢固。安好鉆機接電時，要嚴格執(zhí)行停送電制度。

④事先對巷道排水溝進行修理，以保證排出水迅速流出。對巷道內吊掛設施進行整，以免影響排水工作的進行。

（2）探水施工中的技術要求

①鉆進時應準確判別煤、巖層厚度并做好詳細記錄。一般每鉆進10m或更換鉆具時，測量一次鉆桿并核實孔深。終孔前再復核一次，如有可能應進行孔斜測量。

②鉆進時，發(fā)現(xiàn)煤巖松軟、片幫、來壓或孔中的水壓、水量突然增大，以及有頂鉆等現(xiàn)象時，必須立即停鉆，記錄其孔深并同時將鉆桿固定，但不得取出鉆桿。要立即向礦調度室匯報，及時采取措施，進行處理。

③鉆進中發(fā)現(xiàn)有害氣體噴出時，應立即停止鉆進、切斷電源，將人員撤到有新鮮風流的地點。立即報告礦調度室。

④鉆孔內水壓過大或噴高壓水時，應采用反壓和防噴裝置的方法鉆進，應有防止孔口管和煤（巖）壁突然鼓出的措施：①背緊工作面，在攔板外面加強頂板劫掠，必要時還應在頂、底板堅固地點砌筑防水墻，之后方可放水。②對于水壓大于2MPa，中間要穿過煤層的探斷層水鉆孔，在打穿斷層或含水層前，還應下第二層孔口管并超過煤層1 m以上。

⑤在探放作業(yè)中，必須加強對含水層、斷層、陷落柱等構造的警戒，在進行到構造和積水區(qū)之前，應當停止鉆進作業(yè)，設置好安全設施后，方可繼續(xù)鉆進。

⑥遇高壓水頂鉆桿時，可用立軸卡瓦和逆止閥交替控制鉆桿，使其慢慢地頂出孔口，操作時禁止人員直對鉆桿站立。

⑦在探水作業(yè)，鉆機必須保持運行，在交接班時，不得停機。

⑧探放斷層水的探水孔終孔后，孔內有水應進行放水試驗?？變葻o水時應選擇一個孔進行壓水試驗，檢驗斷層隔水性能；壓力一般應略大于斷層所承受的靜水壓力。

（3）放水的技術要求

①鉆孔探到水后，要觀測水壓、水質、水量和估計積水量或補給量。根據(jù)礦井排水能力及水倉容量，控制放水孔的流量或調整排水能力，并清理水倉、水溝等。

②對放水地點的風量進行調節(jié)，確保有害氣體濃度不超標，并增加有害氣體的觀測次數(shù)。

③對放水全過程進行監(jiān)控，放水結束后，立即核算放水量與預計積水量的誤差，查明原因。

3.6.3探放水的安全措施

（1）探水巷道保持平整，不得出現(xiàn)有低洼積水現(xiàn)象。

（2）探水巷必須在探水鉆孔有效控制范圍內掘進，探水孔的超前距、幫距及孔間距應符合設計要求。每次探水后、掘進前，應在起點處設置標志，并建立掛牌制度。

（3）探放水工作地點的巷道支護要牢固，頂、幫背實，不能出現(xiàn)高吊棚腳等，以確保巷道在較強的水流沖擊下，保持巷道的完好性。

（4）對井下職工進行避災培訓，使他們掌握報警信號，學會選擇避災路線。

（5）探水巷道應加強出水征兆的觀察，發(fā)現(xiàn)有掛紅、掛汗、空氣變冷、出現(xiàn)霧氣、水叫、頂板淋水加大、頂板來壓、底板鼓起或產(chǎn)生裂隙出現(xiàn)摻水、水色發(fā)揮、有臭味等突水預兆時，一旦發(fā)現(xiàn)立即停止施工，采取措施，立即報告調度室，情況緊急時必須立即發(fā)出警報，撤出所有受水威脅地區(qū)的人員。

（6）老空區(qū)內不僅有水存在，還儲存了大量的有害氣體，在鉆孔接近老空時，有可能涌出到探放水工作地點，瓦斯檢查員必須隨時檢查空氣成分，以確保瓦斯等有害氣體濃度不超標。一旦發(fā)現(xiàn)瓦斯或其他有害氣體超過有關條文規(guī)定時，必須立即停止打鉆，切斷電源，撤出人員，并報告礦調度室。

（7）探放水人員必須按照批準的探放水設計進行施工，如需更改設計，必須報批，經(jīng)主管領導同意后，方可變更。

（8）其他未盡事宜的按《煤礦安全規(guī)程》執(zhí)行。

4白洞井田內303、402老空區(qū)積水探放設計

4.1白洞井田內老空積水概況 

白洞煤業(yè)公司（以下簡稱白洞礦），始建于1955年4月，1958年12月投產(chǎn)，設計能力為90萬噸/年，經(jīng)過40多年的開采，侏羅紀煤層已基本全部采完，在大量的采空區(qū)內，形成了多處積水，給礦井生產(chǎn)造成了重大隱患。

大同煤田賦存雙紀煤系—侏羅系、石炭系，侏羅系煤田有可采煤層10層，石炭系有可采煤層6層。2001年以前，大同煤礦集團開采的煤層幾乎全部是侏羅系的，煤層與煤層之間的距離一般不超過50米（見煤層綜合柱狀圖）。以往的探放水方法是：在開采下層煤時，如果上層采空區(qū)有積水，可用小型鉆機（比如TUX-75型）從下層的巷道中，直接向上層的積水區(qū)中打鉆孔就可以放水。放水的水壓不會超過0.5 Mpa。

4.1.1積水邊界確定

老空積水區(qū)特征包括積水范圍、積水量和積水高度。積水范圍（積水區(qū)邊界）的確定。一般來說老空區(qū)的積水范圍不好劃定，所以常用各種物探的方法確定積水邊界，然后打鉆孔驗證，并確定積水高度。白煤公司井田內近幾年影響生產(chǎn)的積水區(qū)有兩個，都在侏羅系14號煤層中，一是14號層的東303積水區(qū)，二是14號層的東402積水區(qū)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定：采空區(qū)必須及時封閉。采區(qū)開采結束后45天內，全部封閉采區(qū)。在工作面封閉墻的下部留有返水孔。

根據(jù)白煤公司原有的水文地質資料、充水性圖，結合井下實地勘查，確定了侏羅系的兩個積水區(qū)的積水邊界。

東303盤區(qū)從1980年開采到1985年結束，共有11個工作面，采煤方法有綜采和刀柱式，煤厚一般3.46米。盤區(qū)從1995年10月開始從采區(qū)的封閉墻下部的出水口往外流水，出水口的標高為＋1121 m，到1996年的3月出水量達到800 m³／日，之后涌水量一直保持穩(wěn)定狀態(tài)，說明采區(qū)內補給水為800 m³／日，采區(qū)內低于＋1121 m的空間全部積水，所以積水邊界很容易確定，此次預測積水區(qū)面積為23.6萬m²，估算積水量81.2萬m³。

東402盤區(qū)從1968年開采到1988年結束，共有9個工作面，采煤方法為刀柱式開采，煤厚2.73-3.87米，一般3.3米。盤區(qū)從1991年8月開始從采區(qū)的封閉墻下部的出水口往外流水，出水口的標高為＋1164.3 m，到1992年的5月出水量達到1000 m³／日左右，之后涌水量也一直保持穩(wěn)定狀態(tài)，說明采區(qū)內補給水為1000 m³／日，出水點在采區(qū)的最高處，各工作面都低于此標高，所以確定采區(qū)內全部積水。預測積水區(qū)面積為14.4萬m²，估算積水量為43.3萬m³。

4.1.2積水量計算 

王宏斌、劉伯教授在《礦井水害防治技術》書提出了關于老空區(qū)積水的計算公式^[]：

W＝K·M ·L·h /sina

式中：

W —老空積水的靜儲量,m³

K—老空的充水系數(shù), 取0.3～0.5

M—采厚,m

L—小窯老空的走向長度,m

h—小窯老空的垂高,m

a—煤層的傾角，（度）

這是一種粗略的計算方法，誤差比較大，此次我們采用計算采空區(qū)體積的方法來估算老空區(qū)的積水量。煤礦都有《回采工作面產(chǎn)量計算臺賬》，上面詳細記錄每個回采工作面每月的進度、采高、采空區(qū)體積， 所以很容易算出整個工作面開采結束后的累計體積，這樣計算出來的采空區(qū)體積相對要準確些。通過查找當年的《回采工作面產(chǎn)量計算臺賬》，計算東303及東402的積水如下：

 

表4.1 白洞礦東303、東402老空區(qū)積水計算表

Tab.4.1 Computation of east 303 and east 402 old water out area in Baidong mine

303采區(qū)工作采面編號	采空體積（m3 ）	積水量 （萬m3）	402采區(qū)工作面編號	采空體積（m3 ）	積水量 （萬m3）
8302	56800	5.7	8201	57016	5.7
8304	163013	16.3	8203	90256	9.0
8306	350110	35.0	8205	86893	8.7
8308	92906	9.3	8207	75992	7.6
8310	42051	4.2	8204	34108	3.4
8312	85014	8.5	8206	47312	4.7
8302-1	22008	2.2	8208	41897	4.2
合計	789894	81.2		433474	43.3

 

有些地方礦井、鄉(xiāng)辦煤礦特別是小煤窯因種種原因可能沒有《回采工作面產(chǎn)量計算臺賬》，如果有比較準確的采掘工程平面圖，可在圖上詳細測量出采空區(qū)的面積，然后乘以采高來算出采空區(qū)的體積，也就是積水量。如果沒有采掘工程平面圖，只好先用物探的方法（或用其它手段）確定積水范圍，然后用上述公式計算積水量。

4.1.3探放水方案

探放水的方法一般有地面打井抽水，井下施工放水鉆孔，地面打放水鉆孔。這次在白煤公司進行探放水研究，首先提出三種方案，進行對比論證。

（1）第一方案

首先考慮井下打鉆孔放水  這是過去常用的方案，一般是從本煤層積水區(qū)周邊的巷道內積水區(qū)打鉆孔放水，但前提是放水鉆孔要低于積水區(qū)。但是從礦井的采掘工程平面圖和充水性圖（圖4.1）中可以看出東303積水區(qū)位于井田內向斜的軸部，周邊惟一有系統(tǒng)的巷道就是東404集中材料巷，但是材料巷所有部分都高于東303積水區(qū)。東402積水區(qū)離集中材料巷太遠，也不能向積水的最低處打鉆。所以這個方案無法實施。

 

圖4.1東303、東402積水區(qū)圖

Fig. 4.1 East 303, East 402 water zones

（2）第二方案

從石炭系現(xiàn)有巷道中向積水區(qū)打鉆孔  白煤公司過去在開采下層煤時，如果上層有積水，從下層直接向積水區(qū)打鉆孔放水。前面講過，方法簡單易行。一般上、下煤層之間距不超過50米，鉆孔的深度也不超過80米。但是石炭系5號煤層距侏羅系的14煤層（積水區(qū)）有240-250米，用以前的方法進行探放水，顯然是行不通的。一方面，目前市場上還沒有從下向上打300-400米深的鉆機,也沒有那個礦井或單位施工過去時400米深的向上或斜向上鉆孔。另一方面，鉆孔施工中孔口管、防噴裝置固定十分困難，再者，孔口處的水壓達到2.4－2.5Mpa，鉆孔打通后，孔內積水向外噴謝，孔口處人員無法工作，所以這種方法不可行。

 

 

圖4.2探放上層積水方法

Fig. 4.2 Exploration of the upper water discharge method

（3）第三方案

直通式放水法，從地面布置鉆孔，穿過積水區(qū)與下部石炭系5號煤層的巷道貫通放水。這是本文重點討論的放水方案.

4.2探放水設計

白煤公司下一步準備開采石炭系5號煤層301采區(qū)的8104工作面，所以本次放水設計主要任務是把侏羅系東303和東402壓在8104上面的積水排完，解放8104工作面，達到安全生產(chǎn)的目的。具體任務是放東303老空區(qū)8302-1、8302、8304面，東402老空區(qū)8204、8206、8208工作面的積水，預計放水36.5萬m³。另外在東303的8307工作面內設計一個探孔，驗證此工作面確實無積水，做到萬無一失。

4.2.1探放水鉆孔的定位

根據(jù)白洞礦的生產(chǎn)銜接安排，近幾年先開采石炭系的301采區(qū)，采區(qū)的開采順序是由里向外開采，也叫后腿式開采，從開采方向上講是從東向西分別開采8104、8106、8108、8110工作面。從圖4.1上可以看出，其上部的東303積水區(qū)水頭最小處、積水標高最大處，也是在積水區(qū)的東部。向西水頭增大，積水標高降低。這樣對放水工作是很有利的，附合《煤礦防治水規(guī)定》的要求，即先從積水區(qū)的高處、水壓小地方向積水區(qū)低處、水壓大的地方逐步探放，保證在整個放水工程中更安全。

301采區(qū)的首采工作面是8104，所以首先考慮探放該工作面上部對應的積水，在設計鉆孔位置時應遵循下列原則：

（1）放水鉆孔平面位置應設計在2104、5104巷道內，或者盡量靠近此兩巷道，這樣鉆孔與巷道貫通的機率就大些，即使貫通不了，在井下巷道內找鉆孔的工程量也較小，節(jié)約時間，提高效率。有時受地形的影響，如地面有建筑物、高壓線、墳塋等，可適當移動鉆孔位置，但以移動最小為好。

（2）放水鉆孔的平面位置要穿過積水區(qū)內的空區(qū)，不能打在煤柱上，否則鉆孔報廢。

（3）在能達到最佳放水的同時，地面選擇平坦的地形，要易于修路、穩(wěn)裝鉆機。

根據(jù)白煤公司2009年的開采銜接安排，首先將鉆孔主要布置在2104和5104巷道內，具體布置鉆孔為：

 

 

圖4.3放水鉆孔位置圖

Fig. 4.3 Location of drainage holes

D1號鉆孔從5104巷口向里120m,主要放東402盤區(qū)8204工作面的積水。

D2號鉆孔：距5104巷口200 m, 主要放東402盤區(qū)8206工作面的積水。

D3號鉆孔：距5104巷口269 m, 主要放東402盤區(qū)8208工作面的積水。

D4號鉆孔：距5104巷口457 m, 主要探東303盤區(qū)8307工作面有無積水。8307工作面位于東303采區(qū)積水線以上，應該不會有積水，這里主要是驗證一下。

D5號鉆孔：距5104巷口675 m, 主要放東303盤區(qū)8304工作面的積水。本來鉆孔應設計在8304工作面的最低點，但8304工作面是綜采工作面的采空區(qū)，積水量大，光由D5號鉆孔放水，在C8104工作面開采前放不完水，所以增加D7號鉆孔共同放8304面的積水。鉆孔設計時考慮地形因素，同時考慮排水量。

D6號鉆孔：距5104巷口870 m, 主要放東303盤區(qū)8302工作面的積水。此鉆孔無法設計在2104或5104巷道內，只能布置在工作面的里面，鉆孔打到位后，從5104巷道再補打一條小巷道，專門找鉆孔，見圖中的a巷道。

D7號鉆孔：距5104巷口965 m, 但不在5104巷道內, 只能布置在工作面的外面，鉆孔打到位后，從5104巷道再補打一條小巷道，專門找鉆孔，見圖中的b巷道。主要放東303盤區(qū)8304工作面的積水。

4.2.2探放水鉆孔結構

鉆孔的結構關系到好多方面，它與施工工藝有關，與鉆孔所過的采空區(qū)層數(shù)有關，與放水的流量，放水的速度有關，更關系到放水期間的安全問題，所以鉆孔的結構是個很重要的因素。結構主要是孔徑、鉆孔內放水套管的結構、鉆孔傾斜度，其次是鉆孔深度等。

鉆孔的角度：所有鉆孔都垂直向下打，從地面開孔，一直打到C₅煤層的巷道中。在鉆孔施工區(qū)域，原白洞礦侏羅系有4、7、8、11、14煤層的采空區(qū)，幾乎每個鉆孔都要過這些采空區(qū)（個別孔或個別層位可能是實體煤柱），現(xiàn)在鉆探技術對過古空或空巷不算問題。

鉆孔的孔徑：孔徑關系到放水的流量，鉆孔放水流量與礦井的主排水能力要相匹配，還要考慮到放水時間，流量過大，造成主排水系統(tǒng)負擔太重，排水管路水壓過大，易造成排水過程中管路損壞?？讖狡偡潘俣嚷?，增加放水鉆孔數(shù)量，增加成本，又影響工期。

經(jīng)反復測算、論證，得到科學合理的孔徑應為，終孔孔徑73－89 m m，積水區(qū)處孔徑應為108 m m，開孔146 m m。大體可分為4個部分：

從地表往下到見堅硬基巖層，孔徑為146mm，敷設146mm套管。

從見基巖層到積水區(qū)下12 m（兩根管長），即圖中的A點處，孔徑為127mm，敷設127mm套管，在套管的下端帶一個膠皮墊，將積水區(qū)與鉆孔隔開，防止積水流到孔內。

從積水區(qū)下（A點處）再向下打12 m ，孔徑為108 m m。

最后一段孔徑換為89mm，至終孔。

 

 

圖4.4放水鉆孔結構圖

Fig.4.4 Drainage hole structure

 

4.2.3鉆孔內放水管結構

鉆孔打通以后，在孔內開始下放水套管，鉆孔內放水套管共分四段：

第一段：從B點以下——終孔敷設89m m普通套管。

第二段：從A點處——B點處敷設108mm普通套管。與下部89mm普通套管連接處帶一個膠皮墊，使108mm套管與孔壁之間接觸緊密，不留間隙。

第三段：從M點處——14號層底板下0.5m 處，敷設108mm的篩管，以后讓積水通過篩管進入孔內放水套管內。

第四段：從孔口——孔內的靜水位處，即M點處，此段敷設108mm普通套管。

全部套管下好后，在井下將巷道內的排水管路與孔內的89mm套管連接，并關閉閥門，然后通知鉆機隊將孔內的127m m套管返出，此時積水可進入放水管內，有少量積水順108套管的外壁向下流入鉆孔內，但到B點處被截住，再不會向下流，所以巷道內不會受積水區(qū)水的影響，更不會發(fā)生水淹巷道之類的事故，保證安全。

鉆孔內的止水錐：有時鉆孔打到位置后，巷道還沒有掘到鉆孔處，放水管路無法與鉆孔連接，鉆孔有相當長一段時間可能閑置，但積水又不能與鉆孔相通，積水不能進入孔內，此時可在鉆孔內設計一個止水錐子，將積水與積水區(qū)以下的放水管隔開，見圖4.5。有時在放水期間，井下放水管路、閥門突然發(fā)生故障，無法停止放水，此時將對礦井是個很大的隱患，最好的辦法是從鉆孔內下止水錐停止放水。止水錐用8.5-6*19 （3分）鋼絲繩吊放，并固定在孔口帽上，需要放水時，吊起止水錐，可繼續(xù)放水。

鉆孔的長度：鉆孔長度主要考慮與巷道貫通后在巷道中的外露長度，太長會影響巷道中其它工作，影響巷道中大件設備、物料的運輸。所以鉆孔打通后，應盡量貼近巷道頂板與排水管路連接。

 

圖4.5 放水鉆孔套管結構圖

Fig.4.5 Drainage Drilling casing structure

4.2.4放水管路設計

在930水平的專用回風巷內布設一趟直徑150mm（6吋水管）通到930水平的主排水泵房水倉，全長530m，在301采區(qū)的皮帶巷內,布設一趟直徑150mm的排水管，全長890m，與專用回風巷的水管相連，在2104和5104巷道內，各布設二趟直徑150mm（4吋水管）的排水管，與皮帶巷的水管相連，可供4個鉆孔同時放水，2104和5104巷道的水管與鉆孔連接。在2104、5104巷道內水壓較大，放水期間排水，管路肯定要維修、更換等，所以在鉆孔的下端與水管連接處，安裝二個閥門，平時只開、關第二閥門（從鉆孔開始數(shù)超），第一閥門只作應急用。

14號層積水區(qū)最低標高+1060m，930水平的主排水泵房水倉標高為，+925m，高差135m，所以從鉆孔到930水平的主排水泵房，中間不用水泵，讓積水從鉆孔自流到930水平的主排水泵房。

放水期間,兩個放水孔各用100 mm的水管通到在301采區(qū)皮帶巷中,并入150 mm的排水管中，放水流量可達到170 m³/h。

放水管選用要注意老空水的水質，特別是要準確化驗PH値，對于酸性水，要選用相應的耐酸水泵和水管。由于老空積水量大，放水時間長，所以在放水期間也要定期化驗水質，掌握PH値的變化情況。

4.2.5放水工程費用預計

放水工程費用預計

（1） 鉆探、管材費用估算

鉆孔深度在500米以下,每米單價為了487元,超過500米單價為510元。每個鉆孔套管費用大約5.5—6.0萬元,詳細鉆探費用見下表：

表4.2 鉆探費用表

Tab.4.2 Drilling cost table

 

本次放水在地面打鉆孔8個,需在山上修路約1110多m,修路基本上全部是挖掘山上的風化基巖,修路及占地費用估算如下表：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表4.3 修路、修鉆場費用估算表

Tab.4.3 Cost estimate table of building roads and repairing table drill field

 

4.3施工技術安全措施及安全防護措施

4.3.1施工技術安全措施

（1）鉆機穩(wěn)裝、搬運過程的安全措施

①所有鉆孔要嚴格按照設計要求施工，必須安排專人跟班，攜帶量具現(xiàn)場把握各個參數(shù)，確保施工質量。

②鉆場周圍所有設施必須牢固、完好，鉆孔時要注意觀察孔內情況，確保施工安全。

③鉆機安裝必須穩(wěn)牢水平、周正。防止在鉆機運行過程中，鉆機位置變化，影響鉆孔質量。鉆機立軸、天車與孔口中心必須位于同一直線上，保證鉆孔的垂直度。

④機械傳動部分及皮帶，應設置防護欄桿，防止人員及工具絞進皮帶，造成傷人或其它事故。

⑤電器設備必須安裝在干燥、清潔的地方，嚴防油、水及雜物侵入，電器設備及啟動、調整裝備的外殼，應有良好的接地保護裝備。

⑥在黃土地方施工時，水源池及沉淀池須離開鉆塔1米以外，防止?jié)B軟鉆塔地基。

⑦水源池及沉淀池的深度不能超過1.5米。

⑧利用超重機裝卸重物時，要有專人指揮，事先檢查好超重機械。超重機轉動范圍內嚴禁站人，更不允許站在重物上隨吊起落。

（2）鉆孔施工中的安全技術措施

①在沖積層中沖洗鉆孔時，必須經(jīng)?；剞D及提動鉆具，嚴禁靜放鉆具沖孔。

②下鉆具中途受阻時，要認真分析，考慮鉆孔情況，如有脫落巖芯掉塊，坍塌現(xiàn)象，不準硬墩，可將鉆具提起進行沖洗。

③鉆進過程不可追求進尺，不管質量，導致鉆孔打斜，造成井下找孔困難。嚴重時無法下套管，造成廢孔。

④每次下套管前要帶鉆頭掃一次同徑部分的鉆孔,然后再下套管，防止卡管。

⑤換徑鉆進時要用巖芯管作導向。

⑥鉆孔打通到14號層積水后,通知物探部門,由電測井車準確測量孔內的靜水位,并詳細記錄。

4.3.2防護措施

（1）鉆工上崗前，必須衣帽整齊，袖口、衣扣扣好，禁止戴手套，防止鉆機絞人；打鉆過程中，操作人員要精力集中，做到操作穩(wěn)準，接（卸）鉆桿時，要注意安全，嚴防鉆機絞人，工具傷人。

（2）鉆孔與采空區(qū)打通后,馬上測量孔內氣體情況,防止有CO、CH4等有毒、有害氣體涌出,發(fā)生意外事故。

（3）鉆機工地要注意防火,配齊、配全滅火器材。

（4）在森林區(qū)、禁牧區(qū)施工時，應嚴格遵守國家的有關防火規(guī)定。

（5）井下安裝放水管路時，要嚴格執(zhí)行白洞煤業(yè)公司入井人員的相關規(guī)定。

4.4實施效果

地面鉆孔從2009年的6月17日開始施工，到11月17日結束，共打鉆孔8個，鉆孔平均深度430m，參與放水的鉆孔5個，D1、D2、D3、D5、D6；D4鉆孔打到14層的8307工作面后，經(jīng)測定無積水，與原來分析、判斷的一致。D8鉆孔打到14層的8302-1工作面后，經(jīng)測定無積水，原判斷此工作面有2.2萬m³積水,現(xiàn)在卻沒有水，分析其原因很可能是，8302-1與8302工作面之間的煤柱太小，只有7m，采完至今已經(jīng)28年了,估計煤柱已壓壞，兩個工作面之間有連通之處，所以在D6鉆孔放水時, 8302-1的積水流到了8302工作面。

D1號鉆孔到位后終孔深度455.51 m。終孔位置偏離5104巷道中線4.8 m。

D2鉆孔終孔深度521.26 m。到位后偏離5104巷道中線5.3 m。 

D3鉆孔終孔深度453.52 m。到位后偏離5104巷道中線1.5 m，與巷道貫通，貫通位置很理想。

D5鉆孔終孔深度491.15 m。到位后偏離5104巷道中線0.4 m，與巷道貫通，貫通位置很理想。

D6號鉆孔終孔深度526.80 m。到位后偏離設計位置9.6 m，掘a巷道找到鉆孔。

D7號鉆孔終孔深度464.61 m。到位后偏離設計位置1.3m，掘b巷道找到鉆孔。

沒有與巷道貫通的鉆孔，由電測井資料提供孔底坐標，從5201或2104掘小巷道找到。

各鉆孔的最終套管結構基本與設計相同，只是孔深不同，長短有別，見圖4.6。

 

 

圖4.6 1號孔套管結構圖

Fig.4.6  NO.1 hole tube structure

 

3號孔的結構比較特殊，見圖4.7。孔內套管下部，即圖中C點以下20.4 m一段直徑為73 m m，C點以上為89 m m。具體情況是鉆孔終孔以89 m m的直徑與巷道貫通后，孔內涌水量當時就達到小時50－60 m³，分析原因是鉆孔打到距C5巷道頂板22.2 m處遇到一條導水斷層，導致鉆孔出水。當時用一同直徑的木塞下到433.32 m處（距C5巷道頂板22.2 m處）將水止住，推測斷層面大約在孔深433.32 m處。所以從積水區(qū)以下部分再下108 m m的套管將斷層水止住，此套管將永遠留在鉆孔內，C點以上部分放水管只好減小為89 m m，以下則改為73 m m。這是8個鉆孔在施工中出現(xiàn)的唯一特殊情況，也是在設計中沒有想到的問題。

 

圖4.7  3號孔套管結構圖

Figure 4.7  NO.3 hole tube structure

 

放水是從2009年6月27日開始，到2010年4月10日結束，共放水68.4萬m³。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表4.4 放水統(tǒng)計表

Tab.4.4 Statistics table of drainage

放水鉆孔編號	放水時間	放水量 （萬m3）	原預計放水量 （萬m3）	相差數(shù)量 （萬m3）
D1	2009年 8月31日----10月14日	9.2	3.4	+5.8
D2	2009年 9.2月10日----12月17日	20.8	4.7	+16.1
D3	2009年---2010年 10月18日----2月15日	23.0	4.2	+18.8
D5	2009年 6月27日----7月18日	4.0	2.7	+1.3
D6	2009年 6月27日----8月10日	8.0	5.7	+2.3
D7	2009年 8月15日----11月13日	15.8	13.6	+2.2
合計		80.8	34.3	+46.5

 

放水期間，對D1、D2、D3、D5、D6、D7鉆孔進行了水位測量，經(jīng)多次測量發(fā)現(xiàn)，D1、D2、D3水位標高基本一致，說明402采區(qū)內的8204、8206、8208工作面相互連通，每個工作面的密閉墻起不到隔水作用。

D1、D2、D3三個鉆孔的放水量為53.0萬m³,比原預計放水量12.3萬m³多出40.7萬m³，分析原因有：一是402采區(qū)右翼的8201、8203、8205工作面的積水和8207工作面的部分積水也通過D1、D2、D3這三個鉆孔放出;二是放水前對402左、右兩翼積水估算為43.3萬m³,現(xiàn)在放出53萬多方水,比原估算的要多出10萬m³,由此分析402老空區(qū)有日常補給水, 放水共計160多天,推算補給量大約為600-750 m³/d。

D5、D6、D7三個鉆孔的放水量為27.8萬m³,比原預計放水量22.0萬m³多出5.8萬m³,由此分析東303老空區(qū)也有補給水, 放水共計140多天,推算補給量大約為400-450m³/d。

2010年4月10日放水工作結束，8104工作面于7月開始準備，9月10日正式開采，放水結束時間比開采時間提前5個月，附合要求和規(guī)定。本次探放水設計比較成功，解放了8104工作面，解放儲量170萬噸，達到了預期放水目的。

5結論與展望

5.1結論

本論文大同白洞礦老空水為研究對象，重點研究老空水的形成機制老空水的防治技術，以及老空水排水方案的制訂。通過研究得出如下結論:

（1）老空水的形成包括老空區(qū)的聚水空間、充水通道和充水水源三個因素，這三個因素缺一不可。聚水空間在縱向上位于冒落帶和裂隙帶內，在橫向上位于未充分充填區(qū)。充水水源主要是含水層水、煤系頂板砂巖裂隙水與灰?guī)r水。充水通道主要為頂?shù)装迤茐脑斐傻膶严稁Ш拖萋渲?

（2）利用地球物理勘探技術、地球化學勘探技術、鉆探技術和井巷地質、水文地質條件分析，能夠確定白洞礦老空水的積水空間。

（3）對不同煤系中老空區(qū)積水探放進行了優(yōu)化設計，完善和改進了采空區(qū)探放水方案、鉆探工藝、放水鉆孔結構、放水套管的結構等技術問題。

（4）直通式放水法在同煤集團白洞礦應用取得了一定的安全效果和經(jīng)濟效益，對同煤集團的其它礦井（包括其它雙系煤田的礦井）今后在開采石炭系時的探放水技術有了新的理論基礎和指導思想，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5.2展望

（1）這種采空區(qū)積水防治技術在理論分析上還沒有達到應有的深度，在下一步工作中，重點做好對防治技術的數(shù)值模擬和力學分析。

（2）采空區(qū)積水防治技術的安全技術措施還沒有經(jīng)過深入的驗證，需要進一步探討，以防止在防治采空區(qū)積水時出現(xiàn)安全事故。