井下防治水-矿山安全工程学

第三节　井下防治水

矿井采掘活动总会直接或间接破坏含水层，引起地下水涌入矿坑。井下防水的目的是防止矿坑突水，尽量减少矿坑涌水量。井下防治水的主要措施如下。

一、做好水文观测工作和矿井水文地质工作

（一）做好水文观测工作

（1）收集地面气象、降水量与河流水文资料（流速、流量、水位、枯水期、洪水期）；查明地表水体的分布、水量和补给条件；查明洪水泛滥对矿区、工业广场及居民点的影响程度。

（2）通过探水钻孔和水文地质观测孔，观测各含水层的水压、水位和水量变化规律。

（3）观测矿井涌水量及季节性变化规律等。

（二）做好矿井水文地质工作

（1）掌握断层和裂隙的位置、错动距离、延伸长度、破碎带范围及其含水和导水性能。

（2）掌握含水层与隔水层数量、位置、厚度、岩性，各含水层的涌水量、水压、渗透性、补给排泄条件。

（3）调查老窑和现采小窑的开采范围、采空区的积水和分布情况。

（4）在采掘工程平面图上绘制和标注井巷出水点的位置及水量、老窑积水范围、标高和积水量、水淹区域及探水线位置。

二、井下探水

“有疑必探，先探后掘”是采掘工作必须遵循的原则，也是防止井下水害事故发生的重要方法。当采掘工作面接近充水的小窑、老空区、含水量大的断层等水体时，必须采用探放水方法，查明采掘工作面前方的水情，并将水有控制地放出，以保证采掘工作面安全生产。

当采掘工作面遇下列情况之一时，必须探水:

（1）接近水淹井巷、老空区、老窑或小窑时；

（2）接近含水层、导水断层、陷落柱时；

（3）接近可能出水钻孔和各类防水煤柱时；

（4）接近可能与地表水体相通的断层破碎带或断裂发育带时；

（5）上层采空区积水，在两层间垂直距离小于采高40倍或巷高10倍的下层采掘工作面以及采掘工作面有明显出水征兆时。

（一）探水起点的确定

在距积水区一定距离划定一条线作为探水的起点，此线即为探水线。探水线应根据积水区的位置、范围、地质及水文地质条件及其资料的可靠程度、采空区和井巷遭受矿山压力破坏等因素确定；进入探水线后必须停止掘进，进行探放水。

对探水线有以下规定:

（1）因采掘工作造成的老空区、老巷、硐室等积水区如果边界确定，水文地质条件清楚，水压不超过1MPa时，探水线至积水区最小距离为:煤层中不小于30m；岩层中不小于20m。

（2）矿井的积水区虽有图纸资料，但不能确定积水区边界位置时，探水线至推断积水区边界的最小距离不得小于60m。

（3）有图纸资料的小窑，探水线至积水区边界的最小距离不得小于60m；没有图纸资料可查的小窑，必须坚持“有疑必探，先探后掘”的原则，防止发生突水事故。

（4）掘进巷道附近有断层或陷落柱时，探水线至最大摆动范围预计煤柱线的最小距离不得小于60m。

（5）石门揭开含水层前，探水线至含水层最小距离不得小于20m。

（二）探水钻孔的布置方法

1.探水钻孔布置原则

（1）保证安全生产；

（2）确保不遗漏积水区；

（3）探水工程量最小。

2.探水钻孔的参数确定

（1）超前距。探水时从探水线开始向前方打钻孔，探水钻孔终孔位置应始终超前掘进工作面一段距离，该段距离称超前距。超前距一般采用20m，在薄煤层中可缩短，但不得小于8m。

（2）允许掘进距离。经探水证实无水害威胁，可安全掘进的长度。

（3）帮距。呈扇形布置的最外侧探水孔所控制的范围与巷道帮的距离。此值应与超前距相同。

（4）钻孔密度（孔间距）。允许掘进距离终点横剖面上，探水钻孔之间的间距一般不超过3m，如图5-1所示。

3.探水钻孔布置方式

（1）平巷探水钻孔布置。主要是探巷道上帮小窑老空水，钻孔呈半扇形布置在巷道上帮。依据煤层厚薄及巷道沿底、顶掘进不同，布孔方式也不同。薄煤层（厚度小于2m）一般布置3组，每组1～2个孔；厚煤层一般布置3组，每组不少于3孔。当巷道沿着煤层顶板掘进时，每组至少有一个探水钻孔见底，当巷道沿着煤层底板掘进时，每组至少有一个探水钻孔见顶，如图5-2所示。

（2）上山巷道探水钻孔布置。钻孔呈扇形布置于巷道前方。簿煤层布置5组，每组l～2孔；厚煤层布置5组，每组不少于3孔，且每组钻孔至少有l孔见顶或见底，如图5-3所示。

图5-1　探水钻孔的超前距、帮距、密度和允许掘进距离示意图

图5-2　平巷探水钻孔布置示意图

图5-3　上山巷道探水钻孔布置示意图

三、放水（疏干）

在调查和探测到水源后，最安全的方法是预先将地下水源全部或部分疏放出来。疏干方法有三种:地表疏干、井下疏干和井上下相结合疏干。

（一）地表疏干

在地表向含水层内打钻，并用深井泵或潜水泵从相互沟通的孔中把水抽到地表，使开采地段处于疏干降落漏斗水面之上，达到安全生产的目的。

（二）井下疏干

当地下水源较深或水量较大时用井下疏干的方法可取得较好的效果。根据不同类型的地下水，有疏放老空区水和疏放含水层水等方法。

1.疏放老空区水

（1）直接放水。当水量不大且没有补给水源，不超过矿井排水能力时，可利用探水钻孔直接放水。(www.chuimin.cn)

（2）先堵后放。当老空区与溶洞水或其他巨大水源有联系，动水源储量很大，一时排不完全时，应先堵住出水点，切断与动水源的联系，然后疏放积水。

（3）先放后堵。如老空水或被淹井巷虽有补给水源，但补给量不大，或有一定季节性时，应选择时机先行排水，然后在枯水期进行堵漏、防漏施工。

（4）先隔后放。如果水量过大，或水质很差，腐蚀排水设备，这时应先隔离，做好排水准备工作后再排放；如果放水会引起塌陷，破坏上部的重要建筑物或设施时，应留设防水煤柱永久隔离。

2.疏放含水层水

（1）地面打钻孔抽水。从地面向含水层打钻孔，利用潜水泵或深井水泵抽排水，以降低地下水位。这种方法适合于露天矿，或埋藏较浅、渗透性良好的含水层。

（2）利用井下疏水巷道疏水。如果煤层顶板有含水层，可提前掘进采区巷道，使含水层的水通过裂隙疏放出来，再通过井下排水设备排至地面（图5-4）。

图5-4　巷道疏水

（3）利用井下钻孔疏水。可在计划疏放降压的不透水部位先掘巷道，然后在巷道中每隔一段距离向含水层打钻孔，疏放含水层水。

为了做到安全放水，必须注意以下事项:

（1）放水前，应估计到积水量和水位标高，并要根据矿井的排水能力与水仓容量，研究放水顺序和控制放水孔的流量。这是一项根本性的工作，如不预先做好，盲目放水就可能引起水患。

（2）探到水源以后，在水量不大时，一般可利用探水钻孔放水；水量很大时，则需要另打放水钻孔。放水钻孔的直径一般为0.05～0.75m，眼深不大于70m。放水钻孔的孔口必须安设套管。若矿层松软，水压较大时，还必须将巷道全断面进行加固。

（3）正式放水之前，应进行放水量、水压及矿层透水性试验，如发现管壁漏水或放水效果不好等，应及时处理。

（4）放水过程中要随时注意水量的变化、出水的清浊和所含杂质情况，以及有无有害气体涌出和有无特殊声响等，如发现异常应及时采取措施，以防止意外事故的发生。

（5）应事先规定人员撤退路线。撤退路线应保证畅通，沿途要有良好的照明。

四、排水

矿山的排水能力要达到以下要求:

（1）必须有工作、备用和检修的水泵。工作水泵的能力应能在20h内排出矿井24h的正常涌水量，备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%，工作水泵和备用水泵的总能力应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。水文地质条件复杂的矿井，可在主泵房内预留一定数量的水泵位置。

（2）必须有工作、备用的水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量，工作水管和备用水管的总能力应能配合工作水泵和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。主要水仓必须有主仓和副仓，当一个水仓清理时，另一个水仓能正常使用。主要水仓的总有效容量不得低于4h的矿井正常涌水量。

五、矿井水的隔离与堵截

在探查到水源后，由于条件所限无法放水，或者能放水但不合理，需采取隔离水源和堵截水流的防水措施。

（一）隔离水源

隔离水源的措施可采取留设隔离煤（岩）柱防水和建立隔水帷幕带防水两种方法。

1.隔离煤（岩）柱防水

为防止煤（矿）层开采时各种水流进入井下，在受水威胁的地段留一定宽度或厚度的煤（矿）柱。如井田边界、断层各侧的隔离煤柱不应小于20m。

2.隔水帷幕带

隔水帷幕带就是将预先制好的浆液通过由井巷向前方所打的具有角度的钻孔压入岩层的裂缝中，浆液在孔隙中渗透和扩散，再经凝固硬化后形成隔水的帷幕带，起到隔离水源的作用。由于注浆工艺过程和使用的设备都较简单，效果也好，因此国内外均认为它是矿井防治水害的有效方法之一。

某铜矿帷幕设计基本参数为:

（1）帷幕轴线长度:1 016m；

（2）帷幕深度:帷幕深度底线由西向东，从标高-300m左右逐渐加深到标高-435m；

（3）注浆孔的布置形式:单排孔等距离布置，注浆孔孔距为8.0m，勘察孔孔距为32m；

（4）帷幕厚度:10m，浆液扩散半径6.403m；

（5）钻孔孔径:开孔孔径Φ130～150mm，终孔孔径Φ91mm；

（6）钻孔偏斜率:每50m测斜一次，终孔最大偏斜率≯孔深的1.5%；

（7）帷幕注浆孔数:设计注浆钻孔128个，其中包括勘察孔33个，钻孔总进尺43 405m，注浆总方量127 649m³。

（8）帷幕渗透系数:平均约为0.061m/d。

（二）矿井突水堵截

为预防采掘过程中突然涌水而造成波及全矿的淹井事故，通常在巷道一定的位置设置防水闸门和防水墙。

防水闸门是在井下受水害威胁地段，为防止地下水突然涌入其他巷硐而专门设置的截水闸门。防水闸门一般设置在发生突然涌水时需要截水、而平时仍需运输、行人的井下巷道内，如在井底车场出入口、井下中央变电所和水泵房出入口以及有突然涌水影响的相邻采区之间都应设置防水闸门。水闸门平时是开着的，可照常行人和允许运输列车通过，当发生突然涌水需截水时则迅速关闭。防水闸门是由人工启闭的弧形铁门，四周用混凝土加固，并能承受设计水压力，墙内镶有放水管及电缆、电话线管路等。目前我国矿井所用的防水闸门均为钢制，按门扇数量有单扇门和双扇门之分。从闸门的结构分为平板形、圆弧拱形和球面拱形。

防水墙是用不透水材料构成的永久性构筑物，用于隔绝有透水危险的区域。防水墙结构如图5-5所示，它分为临时性防水墙和永久性防水墙两种。临时性防水墙是在有突然涌水危险的采掘工作面备有截堵水的材料（多用沙袋、木板等），一旦突然涌水时就迅速堆砌，将水截堵在小范围之内，这种防水墙只能起临时抢险作用。永久性防水墙是在开采结束后，在为了隔绝大量涌水的地段而在巷道内砌筑永久封闭的截水构筑物，多采用混凝土等良好的不透水材料。

图5-5　圆柱形防水墙

1.截口槽；2.水压表；3.放水管；4.保护栅栏；5.细管；6.来水方向

在水压特别大时，可采用多段防水墙（图5-6）。为加强防水墙的坚固性，防水墙的截口可多重设置，间隔一定距离，并在承受水压的方向伸出锥形的混凝土护壁，减少防水墙渗水的可能性。

防水墙应符合下列要求:①筑墙地点的岩石应坚固，没有裂缝；②要有足够的强度，能承受涌水压力；③不透水，不变形，不位移。

图5-6　多段防水墙

六、堵水

堵水是指注浆堵水。注浆堵水就是将专门制备的浆液通过管道压入井下岩层空隙、裂隙，使其扩散、凝固和硬化，使岩层具有较高的强度、密实性和不透水性，加固了地层并达到堵隔水源的目的。注浆堵水是矿井防治水害的重要手段之一。井巷施工中，有的地段涌水量大，给安全生产、施工条件、井下设备的维护带来不利的影响，通过注浆堵水减少了涌水量，改善了劳动条件。矿井注浆堵水，一般在下列场合使用:

（1）当井巷必须穿过一个或若干个含水丰富的含水层或充水断层，如果不堵住水源无法掘进时。

（2）当涌水水源与强大水源有密切联系，单纯采用排水方法不可能或不经济时。

（3）当井筒或工作面严重淋水时，为了加固井壁、改善劳动条件、减少排水费用等采用注浆堵水。

（4）隔水层受到破坏的局部地质构造破坏带，除采用隔离煤柱外，还可用注浆加固法建立人工保护带；开采时必须揭露或受开采破坏的含水层、沟通含水层的导水通道、构造断裂等，在查明水文地质条件的基础上，可用注浆堵水切断其补给水源。

（5）某些涌水量大的矿井，为了减少矿井涌水量，降低排水费用，也可采用注浆堵水法堵住水源。