我国矿井水害的基本特征及防治措施

我国矿井水害的基本特征及防治措施
摘要：本文分析了我国矿井水害的基本特征及其产生原因，笔者通过统计近十年矿井水害的事故起数、死亡人数及及“十一五”期间水害类型，分析了我国矿井水害发生发展的基本规律。

介绍了矿井水害的防治措施及防治技术基本路线，提出了加强对新的采矿条件下矿井底板水突出机理的研究的建议。

关键词：矿井水害；基本特征；发展规律；防治措施
Basic characteristics of mine water hazard in China and the
control measures
Abstract：This paper analyzed the basic characteristics of mine water hazard and its causes, the author analyzed basic development and occurrence regularities of coal mine water hazards in China by statisticing the number of accidents and deaths during the last decade and the type of mine water hazard during the "Eleventh Five-Year" .Control measures and recommendations of the mine water hazard prevention technology basic line were I ntroduced, the author proposed to strengthen the study of the conditions under the new mining pit floor to highlight the mechanism of water.
Key words: mine water hazard;basic characteristics;development law;control measures
矿井在建设和生产过程中，地面水和地下水通过各种通道涌入矿井，当矿井涌水超过正常排水能力时，就造成矿井水害。

矿井水害是威胁煤矿安全生产的五大灾害之一，我国煤炭资源丰富，煤田分布广，聚煤时期多，但赋存状态差异性大且煤矿床水文地质条件复杂，开采过程中受到多种水体的威胁，是世界上矿井水害最严重的国家之一。

而且，随着开采水平的延伸和开采范围的扩大，矿井生产向纵深发展，水患威胁日益严重，矿井水灾严重威胁煤矿安全生产和矿工的生命安全。

1.我国矿井水害的基本特征
1.1矿井水害分布具有明显的地域性特征
中国煤矿水害的分布有一定的规律性，它与含煤岩系的成煤环境、成煤地质构造的变迁、煤矿区自然地理气候特征及区域水文地质条件的因素有关。

根据我国聚煤期的地质、水文地质特征，并考虑矿井水对生产的危害程度，可将我国煤矿划分六个水害区，如图1所示。

其中华北和华南矿井水文地质条件极为复杂，水害十分严重。

华北石炭二叠系煤田的岩溶裂隙水水害区位于中国华北断块范围之内，北以阴山为界，西以贺兰山构造带为界，南至秦岭构造带，东临黄海。

该区煤田分布范围大、可采煤层多、储量大、煤种齐全的焦煤和主焦煤重要产地，据国家煤矿安全监察局统计，核定生产能力为281 896万t/ a，占全国能力的66%，是我国主要的产煤区[1]。

该区属亚湿润—亚干旱气候区，年降水量600~1000mm的约占70%，200~600的约占20%，主采石炭—二叠系煤层。

寒武、奥陶系碳酸盐是区域富水性最丰富的含水层，它们是开采石炭二叠系煤层时，造成矿井水害的最主要的水源[2]。

奥陶系石灰岩含水层水往往处于高承压状态，并经常通过构造裂隙、断层或陷落柱与上部的太原群薄层灰岩含水层组产生水力联系。

矿井涌水量较大，突水频率高，最大突水量可达20530m3/ min，常使矿井淹没或部分淹没。

区内面临的主要水害问题为煤层底板岩溶裂隙突水和老空透水以及矿井排水、供水、生态环保三者之间的矛盾与冲突。

图1 中国煤矿水害分区示意图
1-华北石炭二叠纪煤田的岩溶裂隙水水害区；2-华南晚二叠世煤田的岩溶水水害区；3-东北侏罗
纪煤田的裂隙水水害区；4-西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；5-西藏—滇西中生代煤田的裂隙水
水害区；6-台湾古近纪、新近纪煤田的裂隙-孔隙水水害区
华南晚二叠世煤田的岩溶水水害区位于淮阳古陆以南、川滇古陆以东的长江流域的苏南、皖南、江西、湖南、广东、广西、四川、贵州、云南等省。

水害最严重的是晚二叠世龙潭煤系的主要煤田，分布区属湿润气候区，年降水量1200~2000mm的占95%以上。

本区的煤矿水害主要以灰岩充水为主，其主要岩溶含水层有泥盆纪融县灰岩，石炭纪黄龙灰岩、船山灰岩、壶天灰岩，二叠系茅口灰岩、长兴灰岩和三叠纪大冶灰岩，而茅口灰岩是厚度最大，富水性最强的含水层[3]。

煤系底部和顶部都有巨厚的碳酸盐岩溶含水层，地表溪河较多，岩溶发育。

矿井主要受老空水、地表水和煤层顶、底板岩溶裂隙水等水害威胁，主巷道布设在强含水层内，出水、突水频繁，经常影响生产或淹井，正常涌水量较大，为23.745万m3/ h，最大涌水量达58.684万m3/ h，为全国之首。

地面塌陷严重井下黄泥突出，堵塞井巷；矿井安全受到严重威胁，雨季更加危险[4]。

东北侏罗纪煤田的裂隙水水害区位于中国东北和内蒙古东部的新华夏系巨型或一级沉降带内，属湿润—亚湿润气候区，年降水量400~600mm的占60%，600~800mm的占25%。

主要受老空水、地表水和煤层顶板裂隙水等水害威胁，例如黑龙江省鸡西、七台河等煤矿经常发生老空透水事故，部分煤矿受季节性降水形成的地表汇流和第四系松散层水的威胁。

煤矿正常涌水量7.85万m3/ h，最大涌水量11.757万m3/ h。

西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区位于昆仑—秦岭构造带以北，包括新疆、青海、甘肃西部以及宁夏和内蒙古的西部地区。

分布区属干旱气候区，年平均降水量25~100mm的占80%，100~400mm的占20%。

本区地表和地下均严重缺水，矿构地下水的补给和水交替能力差，矿坑涌水量小，仅少部分地区有地表水和老空水造成煤矿水害。

这一地区煤层埋藏浅，开采后工作面顶板采动破坏带容易扩展至地面，矿井主要充水含水层为煤层顶板砂岩裂隙弱含水层和浅部第四系潜水。

西藏—滇西中生代煤田的裂隙水水害区位于昆仑—秦岭构造带以南、川滇构造带以西的西藏、四川西部和云南南部，属湿润—亚湿润气候区，年平均降雨量300~600mm的占55%，800~1000mm的占35%，1000~2000mm的占10%，该区煤炭储量仅占全国的0.1%，煤系一陆相碎屑岩为主，含水性若，水文地质条件简单，矿井水害不严重。

1.2矿井水害形成条件复杂
我国矿井水害形成条件的复杂性主要表现在突水类型多样、含水介质差异大、矿井地质构造复杂、底板含水层超高压以及受地表水的影响等方面。

矿井突水类型多样，包括顶板突水、底板突水、断层突水、老空突水以及陷落柱突水等。

1、当采矿活动及其影响范围（冒落裂隙带、导水构造等）触及矿体上部的充水岩层，便引发顶板矿井水害，其致灾性与其导通的充水含水层富水性和连通性直接相关。

2、当采矿活动及其影响范围（矿压破坏带、导水构造等）触及矿体下部的充水岩层时，便引发底板矿井水害，其致灾性与矿压破坏带触及的充水含水层富水性和连通性直接相关。

3、有的煤层距离含水层比较近，断层有可能导通含水层造成威胁，另外一些落差较大的断层可能导水，在揭露断层时易出现突水。

4、由于过去的矿山开采（包括同一矿山的开采和周围其他矿山的开采）之后遗留的一部分采空区，其被后期的地下水或地表水等充填，形成了老空积水。

如果后期的地下采掘工程触及到其水体边缘，该部分老空水就会以突然溃入的方式涌入井下，造成突发性的矿井水害事故。

恶性矿井水害以该种类型数量为最多且致灾性最强，该种类型的矿井水害主要特点有：⑴突发性；⑵老空水往往呈酸性；⑶老空水中硫化氢气体的浓度较高；⑷涌水量大，破坏性强，但因其储水空间较封闭导致其涌水持续时间短，较易疏干。

5、强充水型陷落柱内充填物未被压实,柱内水力联系良好，直接导通奥灰等高压水，沟通了煤系地层各含水层，采掘工程一旦揭露就发生突水，对矿井造成灾难性的淹井事故。

矿井充水含水层类型包括孔隙含水层（第三系砂砾岩孔隙水、第四系松散孔隙水、未成岩古地层孔隙水）、裂隙含水层（砂岩裂隙水、砾岩裂隙水、岩浆岩和变质岩裂隙水）以及岩溶含水层（奥陶系厚层灰岩水、矿系地层薄层灰岩水、可溶性地层地下水）等。

例如1935年5月13日山东淄博北大井突水事故便是由于采动破坏了断层带使得顶部厚层奥灰中高压岩溶水突入矿井造成的水害事故；1978年3月8日河北开滦范各庄矿-490m水平204工作面底板突水事故则是由于砂岩裂隙水通过导水构造裂隙突入矿井造成。

由于各地区地质条件的不同，煤层与充水含水层彼此位置和接触关系各异，造成矿井水害的形成条件各有不同。

地质构造包括断裂构造和褶曲构造，构造型式与规模决定地下水天然储量的大小，不同构造部位富水性差异，充水程度不同；断裂发育程度影响含水层之间、与地表水之间的水利联系，促使矿井充水条件复杂化。

地表水是矿井充水的重要水源之一，矿井距离地表水体不同（垂直于水平方向距离），充水影响程度也不同；当与地表水发生联系时，一般充水条件复杂，动储量大。

由于许多地区煤炭开采历史较长，矿区低洼地点、古井、塌陷区较多，矿井周围井口多。

浅部的部分小煤矿超上限开采，造成地表斑裂，这些都是地表水导入井下的通道。

1.3我国矿井水害发生发展的基本规律
长期以来，矿井水害给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重。

据不完全统计，在过去的10年里，共发生各类矿井水害事故679起，死亡约3275人。

图2为近10年来我国煤矿水害事故发生数及其死亡人数的基本变化规律。

由图可见，我国煤矿每年发生水害事故数及死亡人数均呈下降趋势，这是因为全国煤矿安全监察监管、行业管理部门和煤矿企业，坚持“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，牢固树立安全发展的科学理念，实现了煤矿安全状况持续稳定好转。

表1为“十一五”期间全国煤矿较大（3人）以上水害类型统计[5]，从表中可以看出，就主要矿井水害的突水水源而言，采空区及废弃的淹没小煤窑水成为主要突水水源。

其次为地表水和岩溶水，其他类型水源所占比例较少。

这一现象是中国煤矿水害的新特点，主要是由于近年来关停小煤矿数量迅速增加，且大多数关停矿井基础资料较差，加上国有大井采掘深度增加，主要开采煤层底板承受的水压越来越大所致。

图2 2002-2012年中国煤矿水害事故数和死亡人员数变化图
表1 2006-2010年全国煤矿较大（3人）以上水害类型统计表
年度老空水地表水岩溶水冲积层水其他起数人数起数人数起数人数起数人数起数人数2006 45 337
2007 29 186 2 16
2008 22 198 3 18
2009 17 108 1 3 1 4
2010 16 142 1 18 1 32 1 16 1 5
总计129 971 7 55 2 36 1 16 1 5
2.矿井水害的防治措施
矿井水防治是一项系统工程，既要有强有力的领导、完善的制度，又要有先进的技术及严格的措施保证。

要做到思想认识到位，技术措施到位，责任落实到位。

同时还要求全员重视，协同防范。

矿井水害事故发生大多数是由于思想麻痹、责任制不落实和防治技术措施缺陷等引起的[6]。

为更好地防止矿井生产建设中水害事故的发生，对矿井水患进行科学管理，建立健全矿井防治水有关制度，掌握矿井水害规律，研究解决矿井生产建设中防治水害的方法。

因此必须认真做好水文地质、防排水工作和加强矿井突水机理及水害防治技术的研究，防止水害事故的发生。

2.1水文地质条件调查技术
矿井(区)水文地质勘探探查内容包括：影响采矿的含水层及其富水性、隔水层及其阻水能力、构造及“不良地质体”控水特征、老窑分布范围及其积水情况等。

勘探范围包括区域、井田、采区及工作面。

工作顺序应由面到点、由大到小、先区域后井田、先采区后工作面。

传统技术和手段在以往矿井水文地质勘探中发挥了极为重要的作用，但随着科学技术的进步和发展，特别是电子技术、计算机技术的突飞猛进，使水文地质勘探技术和手段发生了质的飞跃。

目前矿井水文地质探查手段包括：水文地质试验技术、地球物理勘探技术、地球化学勘探技术、钻探技术及监测测试技术等，这些技术方法和手段及其综合应用已能比较好地解决矿井水文地质勘探中的大部分问题7。

地球物理勘探技术经过多年的发展日趋完善和成熟,其在地质、水文地质探查中的地位和作用越来越明显、越来越重要。

煤矿防治水领域得到了广泛推广和应用方法有以下几种：
地震勘探（包括二维和三维地震勘探，是弹性波地面探查构造及“不良地质体”的最有效方法）；电法勘探（包括直流电法、瞬变电法、音频电透视和瞬变电磁法），瞬变电磁法应用较广泛，可完成以下任务：⑴超前预测水害体类型及位置；⑵掘进巷道前方水害体超前预报；
⑶工作面煤层顶（底）板水害体预报；⑷工作面巷道外边界断层赋水性预测；⑸废弃不良钻孔赋水性探测；无线电波透视技术。

地球化学勘探技术主要通过水质化验、示踪试验等方法，利用不同时间、不同含水层的水质差异，确定突水水源，评价含水层水文地质条件，确定各含水层之间的水力联系。

国内外钻探技术飞速发展，从适合地面、井下探放水、探构造及不良地质体（陷落柱、岩溶塌洞）到水文地质勘察、注浆堵水成孔等用途的地面钻机、坑道钻机的能力和性能均有极大提高，同时定向钻进技术随着钻孔测斜技术的提高也逐步走向成熟。

现在不管是地面用钻机还是井下坑道钻机均可实现“随钻测斜、自动纠偏”，可以说现有钻探技术已能很好地满足水文地质探查中对钻探手段的技术要求。

2.2煤矿水害防治技术
煤矿水害防治工作要以“预防为主，防治结合”为基本方针。

以“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”为基本原则，并根据矿井水害实际情况制定相应的“防、堵、疏、排、截”综合防治措施。

值得一提的是，煤矿水害防治技术中的疏水降（水）压和注浆封堵技术（最常用的两种方法），经过多年的探索已取得长足发展。

疏水降压技术可以根据不同的水害类型和疏降目的采取有针对性的方式；注浆封堵技术不但在工艺上有大的改进如“立体注浆”技术、“导流”、“引流”注浆技术等，而且还相继推出了一些封堵效果好、成本低廉的注浆新材料，如水泥—勃土浆、粉煤灰浆等，对于“动水”条件下的注浆封堵已探索和应用许多新办法，取得了很好的效果。

在矿井开发的不同阶段，由于任务不同，相应的防治水要求也不一样，一般的水害防治技术路线为：
⑴矿建中或建井前，应进行矿井水文地质综合勘探，查清矿井的水文地质条件；预测评价矿井涌水量，进行矿井防排水系统的设计。

在此基础上根据矿井的未来采掘计划制定矿井总体防治水规划，确定不同阶段防治水项目。

⑵开采过程中，应建立水害安全保障体系，包括物探探测仪器、钻探和注浆设备、排水设施、水闸门、水闸墙、防治水组织结构、安全避灾路线等，以及巷道掘进前方超前探测、采区采面精细探查，以查清掘进头、采区及工作面的水文地质条件，并对有突水危险的工作面进行突水监测，根据监测结果及时调整优化防治水方案，编写救灾预案。

⑶闭井前或采矿完成后，要对矿井闭井安全条件进行评价，制定矿井关闭过程中的安全措施，监测拟关闭废井与邻近矿井水情水况，制定废弃矿井水防范措施。

并将废弃矿井采空区准确地标绘在地质图、采掘工程平面图等图纸上，同时将相关资料报送上级管理部门进行备案。

2.3建议
加强对新的采矿条件下矿井底板水突出机理的研究。

多年来沿用的突水系数理论，是浅中部煤炭资源在小尺度工作面开采过程中总结出的经验理论，而深部开采的围岩应力条件、矿压扰动和开采破坏条件都与浅中部有很大的不同，如果沿用原有的突水系数理论来指导大埋深、高水压、高应力、综合机械化开采条件下的矿井水害防治工作，必然会给生产和安全带来误导。

为此，有必要通过现场观测试验、理论计算分析和室内物理与数字模拟，研究在新的地质与水文地质条件下、在综合机械化开采条件下，煤层底板水的突出机理和控制因素。

3.结束语
矿井防治水工作是一项复杂而艰巨的长期性工作，不断采用新技术、新设备等手段对矿井水害进行预测和治理，同时加强矿井突水机理的研究。

应根据各矿区水害的特征，采取行之有效的综合防治水措施，有效提高矿井水害防治工作绩效，实现安全开采。

参考文献
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