煤矿地质工程硕士论文全文

1 绪论1.1 课题的提出迄今为止，煤矿水害事故一直没有杜绝，给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重，因此将水害事故列为煤矿五大灾害之一。

在20世纪60年代前后，矿井水害事故以多种形式频繁地发生着。

当时人们对水害的认识没有现在深入，许多事故经分析是存在思想重视不够，防治水经验不足等原因。

据不完全统计，在20世纪刚过去的20多年里，有250多个矿井被水淹没，死亡1700多人，经济损失高达350多亿人民币⑷。

可以说，在80年代中期，是我国煤矿水害最为严重的时期，当时在开滦、肥城、焦作等矿区连续发生了多期灾难性突水淹井事故。

随后，随着两期工业性试验研究和政府对防治水工区监管力度的加大，随着人们的重视程度的加大和科技手段的提高，煤矿水害事故得到遏制，呈现出减少的趋势，但是近年来煤矿突水事故又频繁地发生。

矿井突水事故从水源上来说，可分为地表水害事故，老空水害事故，松散层（冲积层）及砂岩含水层水害事故，灰岩岩溶水害事故等四类。

根据统计，水害事故尽管水源和途径（通道）各异，但灾害性的突水主要来源于导通的底板高压水和废弃关闭的小煤矿老空水或导通的地表水的溃入。

20世纪60年代前后，老空水害事故和地表水水害事故在事故总量中占的比例更大一些。

人们在记录事故时常常用到“透水”二字。

这个“透”字很形象地描绘了工作面或掘进头直接沟通了水体的事故原因⑻。

地表水和老空水是可以预见或探查的，所以随着认识的提高和思想的重视，“透水”事故减少了很多。

目前威胁煤矿安全生产的水源，主要是煤层底板灰岩岩溶水。

中国的地质时代里有8个聚煤期⑵，其中以Ⅰ.晚石炭早二叠世；Ⅱ.晚二叠世；Ⅲ. 早侏罗中侏罗世；Ⅳ.晚侏罗早白垩世这四个聚煤期的聚煤作用最强。

中国已开发的大小煤田近200个，其中属晚石炭早二叠的最多，约占38％，通称华北型煤田；属于晚二叠的占30％，通称华南型煤田。

华南型煤田主要开采晚二叠世龙潭组煤，主要受底板茅口组灰岩岩溶水威胁，大型突水来源于底板（茅灰）突水，少数矿也同时受顶板长兴灰岩水威胁，但相对比较少。

华北型煤田是我国煤炭生产主要的煤田，它的特殊的地质地理环境决定了我国煤炭资源在开采中受水害威胁严重。

该煤系地层多数直接假整合于奥陶系石灰岩之上，其间上奥陶统、志留系、泥盆系及下石炭统地层普遍缺失，使煤层距奥灰距离近。

由于奥陶系石灰岩岩溶发育，煤层隔水底板较薄，在构造或开采等因素影响下，底板突水事故常常发生，历史上发生的矿井突水事故非常多，其中有开滦范各庄矿1984年6月2日发生的突水量达2053m3/min的特大突水，有肥城国庄矿1993年1月5日突水量32790 m3/h的特大突水，造成的损失巨大。

煤矿突水已成为影响煤矿安全生产的重大问题⑶。

随着煤炭生产的发展，尤其是随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大，矿井底板突水危害也越来越严重。

原因在于：1）开采深度越来越深，灰岩承压水水压越来越大，突水的危险性也越来越大；2）开采完上组煤之后，被迫开采下组煤，下组煤距基底灰岩更近，底板突水的可能性更大；3）超速开采、带压开采，使防治水工作相对滞后，增加了防治水的难度，突水的可能性相应地增加。

笔者认为防治水工作的方法和措施可以总结为八个字：探、测、疏、排、挡、堵、改、隔。

八个字概括起来比较容易，研究和落实都是比较困难的。

理论的深度和归于数学模型的难度都在现场施工中难以达到。

这八个字有防有治，应该以防为主，力争不发生突水事故。

水害事故频繁发生，客观上是水文地质条件原因，主观上是没有把预防工作做好。

有的事故原因是人们把基本的探放水工作都没做，没有坚持有疑必探的规定，有的是对水情资料分析不透，已经面临灾难了却不知道，或者掉以轻心，有重生产轻安全的侥幸心理，有的是错误指挥决策，原因有很多。

不争的事实是，水害一直没能杜绝。

矿井突水经抢险之后的治理工作，是以“堵”为核心的，建筑挡水墙（挡）也是为了堵水。

另一措施是排水。

排水措施的应用条件是总水量一定，例如水源是老空水、老塘水，定量的地面塌陷坑积水等，确知突水（透水）水源的总量一定，突水的过程时间短而且不能控制，突水后就是个排水问题。

对于相对无限补给水源的动水突水，排水的方案不可取。

即使矿井排水量大于突水水量，持续的动水补给也会给煤矿造成巨大的经济负担，再说，长期的排水，会造成区域地下水位持续下降，导致水资源枯竭，引起供水困难，或者诱发地面沉降，引起水质恶化，导致环境污染，或者引发岩溶地面塌陷等等，导致一系列人所共知的问题。

因此在矿井突水后，堵水是最重要的课题。

针对不同地质条件下不同方式的突水，堵水的技术也需要不断地丰富并提高。

1.2国内外研究现状及存在的问题1.2.1防治水研究现状人们对水害重视的同时，防治水工作也受到重视并且取得了许多进展。

防治水工作“探、测、疏、排、挡、堵、改、隔”八字措施中，“探”字当头，是迄今为止最直接、最有效、最基本、最可靠的办法。

探，以钻探为主，包括打超前钻探，对断层取芯探查，探查水情，探查老空区、探查地质构造、探放承压含水层水、探放钻孔水等。

巷探在探查构造或找煤时比钻探能够获取更丰富更准确的资料，但在防治水工作中，一般不使用巷探。

在很多矿井防治水管理规定中，都明文规定不准对老空水、导（含）水断层、陷落柱、导水钻孔、强含水层等直接使用巷探。

采掘过程中必须坚持“有疑必探，先探后掘，先探后采”的原则，当采掘工作面遇到下列情况之一，必须探放水，确认无突水危险后，方可前进。

1）接近水淹的井巷、老空、老窑时；2）接近水文地质条件复杂的区域时；3）接近含水层、导水断层、陷落柱时；4）接近有水和泥浆积聚的灌浆区时；5）接近封孔不良或怀疑的大水钻孔，有出水危险时；6）打开隔离煤柱放水时；7）接近其它可能突水的地点时；8）接近风氧化带时。

关于探放水的规定的原则、方法、钻孔的布置、套管的规定等，目前已经比较完备。

人们致力于突水的预测预报研究的目的是掌握预防突水的主动权，在工作面开展之前，预先知道突水的可能性大小。

在预测预报方面，目前比较流行的方法仍然是突水系数方法。

T s=P/(M-C p-D g)式中T s——突水系数（MPa/m）P ——隔水层承受的水压（MPa）M ——隔水层厚度（m）C p——采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度（m）D g——隔水层中危险导高（m），承压水沿裂隙上升的高度完善后的突水系数理论中，考虑了矿压对底板的破坏深度和承压水的导高。

作为评价工作面是否突水的一个参考指标，突水系数是有一定意义的。

“下三带”理论认为开采煤层底板分为三带：即底板破坏带、完整岩层带、承压水导高带。

这三带组成比较符合煤层采动条件下的底板组成状态，在生产实践及科研中应用比较广泛⑶。

有的专家将底板破坏带中矿压的影响做进一步研究，提出了原位张裂与零位破坏理论。

另外，板模型理论提出了底板岩体“两带”模型，将底板岩体分为采动导水裂隙带和底板隔水带，该理论从力学分析角度揭示了矿压对底板的破坏规律，给出了极限水压的计算公式。

这个理论存在问题较多，在实际中很难推广和应用。

关键层理论与板模型理论有些类似。

其他很多专家在突水机理研究方面做了大量的探索和研究，也有很多有意义的发现和科学的分析。

人们对预测的研究越来越深入，有些学者从数理统计、水力学和岩体力学、模糊数学、神经网络及多源信息复合处理、突水概率指数法等方面对底板突水问题进行预测。

但应用均不普遍，主要原因是各个因素数据获取困难，应用过程复杂。

即使有的专家将突水各因素编进微机程序，也没有得到很好的应用。

疏水降压中的这个“疏”字比较容易理解，这个措施是与排水相结合的。

关于疏降的研究也有很多探索。

有的专家根据突水系数临界值指出，工作面突水系数值如果大于“临界值”时———当然这已是危险工作面，要采取疏降措施或其他措施，并且探索了可行的单位降深疏水量值，例如：疏水量小于5m3/hm就能使含水层的水压降到安全水压以下时，可采用疏水降压采煤。

疏降方法是经常用到的，但是关于它的理论研究也面临一些困难：1）疏降到突水系数小于临界突水系数后，也不能保证不突水；2）安全水压（安全水头值）的计算有局限性。

等同于突水系数理论里突水系数的计算的局限性。

因此，煤矿生产中一旦确定疏降，就基本上以疏干为目标。

当然疏降方法有它的不利方面，影响经济效益，导致水资源浪费，甚至导致矿区环境污染、地面塌陷等。

隔离设施和隔离煤（岩）柱早已被人们所重视。

人们已经计算了许多不同条件下留设隔离煤（岩）柱的厚度。

但是生产中，已经知道有断层却不留防水煤柱的情况也发生过。

《煤矿安全规程》中对防水隔离煤柱、井田边界煤柱、断层防水煤柱都有要求。

笔者将防水闸门也归到“隔”字里面，因为防水闸门（墙）是实现矿井上下水平隔离，水平中两翼隔离、上下组煤隔离的设施，对防治水意义重大。

注浆改造措施是近几十年来兴起并逐渐完善的防治水方法。

通过对含水层进行注浆，改变其富水性，或者通过对工作面底板裂隙的充填，使底板得到加固，降低了承压水导高，或者封堵了水源补给通道，以杜绝突水事故发生，实现安全采掘。

在掘进巷道中，也借鉴隧道施工中对围岩注浆的方法，对巷道将通过的断层进行注浆，确保安全掘进。

大量的注浆改造工作集中在工作面底板注浆改造上。

人们分析底板注浆改造的前提条件，施工注浆钻孔，建立注浆站进行注浆，不少煤矿均成熟了一套符合自己实际的施工方法。

国外煤炭开采历史久,对防治水的研究起步比较早。

早在20世纪初，国外就有人研究底板突水，认识到了底板隔水层的作用。

在20世纪40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念，指出底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压力有关⒂。

突水条件受相对隔水层制约。

这期间前苏联学者B.斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁，并结合强度理论，推导出底板理论安全水压值的计算公式rt KPt H +=22到20世纪80年代末期，国外不少岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时，研究了底板的破坏机理。

日本太平洋煤炭公司在海底采煤，其专业人员在防治水理论上也有较深研究。

目前，我国防治水的研究工作处于世界领先地位。

1.2.2 注浆堵水技术历史及现状人们对堵水的认识很早，早在1935年淄博北大井突水淹井后，就开始过注浆堵水施工。

当时矿井由日本人管理（中国人施工），发生奥灰突水后，向出水点打三个钻孔，注入水泥500t ，未见成效后放弃。

该矿在1972年7月～1974年4月期间，在地面打钻，静水条件下注浆堵水，历时500多天，注入水泥9104t ，堵水效果显著。

据不完全记载，我国首次突水后在动水条件下用双液浆堵水成功的实例在肥城大封矿。

1969年6月29日，该矿9204工作面底板突水，最大1628m 3/h,稳定水量1500m 3/h ，直接水源为徐灰。