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浅谈煤炭开采与水的关系


浅谈煤炭开采与水的关系
周龙刚 1 (1.中国矿业大学,资源与地球科学学院,江苏 徐州 221008)

摘 要:本文主要介绍了我国煤矿水害,其类型主要有:松散层水害、顶底板水 害、老窑水及采空区突水、地质构造水害、地表水水害等。分析了常见水害的 成因,并在此基础上探讨了煤矿水害的防治措置。同时介绍了煤矿开采对地下 水资源的破坏。 关键字:煤炭开采;

煤矿水害类型;成因及防治;水资源破坏 关键字 Abstract: This paper introduced the coal mine water hazards types of our country. The main types include: loose layer water hazards, roof and floor water hazards, old kilin water and god water hazards, geological structure water hazards, surface water hazards. Analyzed the cause of coal mine water hazards. Discussed the prevention and treatment measure of coal mine water hazards. Introduced underground water destroy by coal mining at the same time. Keywords: coal mining; types of coal mine water hazards; cause and prevention water resource destroy

引 言:
煤炭是我国主要的能源矿产,在我国一次能源生产和消费中的比例长期 70%左右, 我国 2010 年煤炭产量达 32.4 亿吨,全年能源消费总量 32.5 亿吨标准煤[1]。煤炭生产中 会将大量地下水排出矿井,对水资源造成极大的浪费。从 1949 年到 2004 年,山西共挖 煤约 77 亿吨, 损失水资源达 191 亿吨, 这相当于山西每年挖 5 亿吨煤, 同时使 12 亿 cm3 的水资源遭到破坏[2]。我国人均淡水资源仅为世界平均水平的 1/4、在世界上名列 110
[3]

位, 是全球人均水资源最贫乏的国家之一 , 因此水资源成为制约我国发展的一大要素。 我国是煤矿水害多发的国家,突水造成的直接经济损失一直排在各类煤矿灾害之 首,煤矿水害给国家和人民带来的经济损失和人身伤亡极为惨重,如 2005 年 8 月 7 日, 广东梅州兴宁市大兴煤矿发生特大透水事故, 造成 123 名矿工遇难; 2006 年 5 月 18 日, 山西省大同市左云县张家场乡新井煤矿发生特别重大透水事故,造成 56 人遇难,直接 经济损失达 5312 万元。 2011 年 9 月 16 日,山西省朔州市山阴县中煤金海洋集团元宝湾 煤矿(技改)综掘工作面发生透水事故,造成 11 人死亡。10 月 11 日,黑龙江省鸡西市 鸡东县金地煤矿发生一起透水事故,造成 13 人死亡[4]。在过去 20 年间有 250 多对矿井 被水淹没,直接经济损失高达 350 多亿元[5]。

1 煤矿水害的类型

根据水害的成因,矿井突水的类型可分为顶板/底板突水、断层突水、陷落柱突水、 老空区突水、钻孔突水等,另外还有地表水造成的水害。另外虎维岳等[6]水害类型基本 可归纳为 4 种:主采煤层底板高承压岩溶水突水水害、主采煤层顶板砂岩及其松散层孔 隙水透水水害、废弃小煤窑及老矿井采空区水溃水水害与地表水倒灌充水水害。 1.1 松散层水害 指冲积层中富水性强的含水层,如砂层、砂石层水在煤炭开采过程中溃人矿井而造 成的灾害。在含水松散层或半胶结的富水含水层的开采过程中,存在着上覆含水层水溃 入矿井的威胁。这种水害主要在开发初期对矿井最浅部的工作面影响较大。为了安全生 产,设计部门往往留设巨大的防水煤柱,浪费大量的煤炭储量。如果在开采过程中,对 防水煤柱实际留设的高度探测不细,或对开采上限控制不严,均可导致水溃入矿井造成 事故。由于溃水来自上部,水势凶猛,自上而下冲入工作面,往往造成人员伤亡故。 1.2 顶板 底板突水 顶板/底板突水 顶板/底板突水是由于煤层采动过程中,影响到顶板或者底板中的含水层,从而引 发的水灾害。从煤的成因来分析,煤层一般是在海洋和陆地的交汇处,在一定的环境下 形成的。这种煤层形成的特点是严重受到海水涨潮和落潮的影响,煤层会直接覆盖到灰 岩上面,而且煤层厚度较小,水就很容易进入孔隙或裂隙中,从而形成较大的含水层。 一旦含水层形成以后,由于地质变动和沉积的作用,它会受到上覆岩层的挤压,致使水 层下面孔隙和裂隙被压实而闭合,在很长时间内会处于平衡状态。这种平衡受到开拓、 掘进或回采等采动影响,会导致含水层上下原有的孔隙或裂隙张开增大,甚至形成新的 孔隙或裂隙通道,从而导致煤层和含水层之间形成漏水通道,发生透水灾害事故。 1.3 老窑水及采空区突水 老窑水及采空区突水 老窑水是处在埋藏较浅、开采年代较久的煤层中的水,开采情况难以掌握,积水量 和积水范围不清。因其中含有有害物质,一旦透水,易造成人身伤亡和财产损失。采空 区积水是指矿井开采后的采空区或巷道内形成的积水,这种积水主要是由防火灌浆水、 工作除尘水、转载机头除尘水以及上覆岩层漏水等形成的。当掘进或开采下水平或下分 层时,接近积水区,在采动影响下,致使上采空区的积水通过孔裂隙通道而涌入掘进面或 回采面而引发透水事故,造成工作面被淹,导致人员伤亡。 1.4 地质构造水害 地质构造水害 造成地下采煤过程中突水的地质构造主要有断层与陷落柱。特别是张性的正断层, 断层面相对破碎带相对疏松,如果该类型断层规模较大,导通强含水层(例如华北地区 的奥陶系灰岩强含水层) ,则很可能发生突水事故。一般情况下,在断层交叉复合部位、 尖灭端、拐弯处、向斜轴部、转折端及隐伏裂隙存在的工作面因应力集中,易造成底板破

[7]

坏突水,是预防的重点 。 另外一种容易引发突水事故的地质构造是岩溶陷落柱。 陷落柱是岩溶空洞塌陷的产 物,它是由于下伏易溶岩层,经地下水强烈溶蚀,形成大量溶洞,从而引起岩层失稳, 向溶蚀空间冒落、塌陷形成的筒状柱体。岩溶陷落柱在我国华北石炭、二叠系煤田中普 遍发育;其中以山西、河北两省更加发育。在水文地质条件复杂的矿区,岩溶陷落柱可 能成为地下水的通道,给煤矿生产带来重大安全隐患。例如 1984 年 6 月 2 日,开滦范 各庄煤矿 2171 综采工作面,因陷落柱沟通奥陶纪灰岩强含水层从而导致陷落柱特大淹 井事故。 1.5 地表水造成的水害 这种地表水主要是指煤矿地表上的河流、湖泊、水库以及雨季的雨水等。这种水害 主要是由于地下采动影响,造成地表孔隙、裂缝非常发育,甚至严重的会导致地表塌陷 等,易与地表或矿区临近的河流、水库等地表水直接沟通。特别是在雨季季节,地表排 水量能力不足,多余的雨水就会通过这些孔隙、裂隙直接进入井下巷道或工作面,如果 矿井的排水能力不足,就会引发水害事故。如 2007 年 7 月,河南陕县支建煤矿“7·29” 透水事故,主要是由于暴雨引发洪水,经露头铝土矿坑和矿井老巷渗入下,冲垮了三道 密闭,导致井下+260 m 水平巷道被淹。

2 矿井水害的成因
2.1 小煤窑和采空区积水 许多小煤窑,掠夺式的非法超层越界下山开采,不仅破坏了国有煤矿资源的完整性 和防水煤柱,同时留下了许多空区。这些小煤窑不仅能积水,而且破坏了国有煤矿防水 煤柱,部分小煤窑直接与地表水体有水力联系或成为大气降水的入渗通道,给国有煤矿 的安全生产带来极大威胁。由于采矿工程活动所诱发的突水事故防范措施不到位,特别 是对于采空区积水和关闭废弃的小煤窑积水特征及其潜在的突水危险性认识不足,矿井 关闭过程中的水文地质工作及其关闭后地下水活动条件的监测监控不到位,导致对废弃 矿井采掘空间分布及其积水淹没情况不清楚,加之防水煤岩柱预留不足或缺乏必要的防 水煤岩柱,从而形成了巷道掘进过程中直接或间接揭露采空区积水造成矿井突水灾害。 这一类型突水往往突发性强,冲击力大,造成瞬间淹井和惨重的人员伤亡。 2.2 地质构造探查不明 现有的针对隐蔽型导水构造的精细探查预测技术落后,装备不足。隐蔽型导水构造 主要包括隐伏断层、局部构造破碎带、岩溶陷落柱及岩溶塌落洞等,它们是沟通矿区充 水水源与矿井采掘工程之间的主要导水通道。在矿井采掘过程中必须超前探知该类隐伏 导水构造并进行必需的治理和防范措施后才能进一步予以采掘。大量的突水事故出自掘

进巷道前方,说明对该类导水构造探测预报和防治不到位,探测工程不足或探测精度不 够,从而造成掘进巷道头与隐伏导水构造不期而遇形成突水灾害。 2.3 专业人才缺乏 煤矿防治水技术、水害防治装备及水害安全管理水平薄弱,许多矿井特别是乡镇煤 矿缺乏专门的矿井水文地质专业人员和必需的矿井水害探测防治装备,对矿井水害防治 的重要性和管理不到位,矿井水文地质条件不清。虽然矿井突水条件十分复杂,但通过 科学的、必要的防治水技术工作完全可以大幅度降低水害发生的条件.近年来煤矿水害 的基本特点充分说明了加强矿井防治水技术与管理工作的有效性。 2.4 防水措置不合理 防水煤岩柱的留设不合理,造成断层或其他含水体水突入矿井。对于一些大型导水 断裂,由于断层两盘的牵引裂隙广泛发育,该类断层(断层带)除了具有导水性质外,其 断裂带本身就是一个含水体。 有些断层两盘的导水裂隙带十分发育, 且具有一定的宽度, 在断层防水煤岩柱留设过程中、往往注意了掘进头到断层面的距离,而忽视了断层两侧 导水破碎带的存在,导致因防水煤岩柱预留不足而诱发矿井水害。由于断层面或断层牵 引的裂隙带导水而引发的矿井突水灾害在矿井突水事故中占有绝对主导的位置。 2.5 人为因素 人为因素。我国煤矿行业次序混乱,煤矿管理尚没有走上法制化管理轨道。防治 水技术装备和手段落后,急需更新。领导重视程度不够,管理工作薄弱,防治水机构不 健全。部分单位领导存在麻痹思想,短期行为严重,不愿在防治水上投资,造成恶性循 环。矿井防治水工作是一项涉及面广、专业性强的系统基础工程,从上至下对这个问题 都未引起高度重视[8]。

3 矿井水害的防治措施 矿井水害的防治措施
目前煤矿防治水技术大致划分为:水文地质条件探查技术;顶、底板突、溃水预测 预报技术;水患治理技术;地下水供排结合及水处理技术;以及由于矿井水害及排水引 起的多种环境负效应,例如地面沉降、水环境污染的预测及治理技术等[9]。 3.1 煤矿水害预防措施 3.1.1 提高防水害意识 我国煤矿水文地质条件比较复杂煤矿水害事故频繁发生,已经居于煤矿井下各种灾 害之首。防治水灾必须坚持“预测预报,有疑必探,先探后掘,先治后采”的十六字原 则和“防、堵、疏、排、截”五项综合治理措施,增强井下水灾和水患意识,加强管理, 强化技术,制定切实可行的防治水措施,配备足够能力的防排水系统,努力将水害降低

到最小程度。 3.1.2 依靠科技进步,强化技术管理 随着煤矿开采深度的不断加大,赋存于岩层中的水的压力也不断升高,这样矿井发 生突水或透水的几率也日益增大。这就要求必须依据国家的有关规定,如《煤矿安全规 程》《矿井水文地质规程》及《煤矿防治水条例》等,结合本矿的实际情况,制定防水 、 害措施。 随着科学技术的进步,传统的地质工作方法已不能满足现代化矿井安全生产的需 要。为了有效的防治水害,必须应用先进的技术设备,如直流电探测技术、超声波探测 仪、端利波探测仪等,这样可以更加准确地探明矿井的水文地质条件,为采取正确的防 治措施提供理论依据。 3.1.3 依据矿井水害类型,采取相应的治理措施 近年来,我国煤矿水害事故频繁发生,水害类别也各不相同,这就要求根据不同的 水害特点,根据不同矿区的实际情况,制定相应的防水措施。 3.2 煤矿水害防止措施 3.2.1 注浆 即将堵水原料制成的浆注入岩层,使其扩散、凝固,起到堵塞缝隙、隔绝地下水、 提高岩层整体的强度的作用。具有能够减轻矿井的排水负担,提高矿井的质量,降低采 矿成本等优点。 3.2.2 疏干降压 当采矿过程中发现煤层顶板岩层富含水分或者水头很高,又或者是流沙层时,极易 发生突水涌砂的煤矿事故,这时候就可以采用疏干降压的方式来杜绝这种危险。 3.2.3 防水闸墙 在矿井需要的地方根据不同的实际情况搭设临时的或者长期性的阻水建筑物。其形 状可以是圆柱形、球面或者平面等,根据实际需要采取不同的形状,只要保证具有足够 的强度,一定时间内不会变形,发生位移,防水。需要注意的是,防水闸墙应当选择岩 石坚硬并且没有裂缝的地方,并且在墙的四周挖槽砌筑[10]。

4 煤炭开采对地下水的破坏 煤炭开采对地下水的破坏
煤、水资源共存于一个地质体中,在天然条件,各有自身的赋存条件及变化规律。 由于煤矿开采排水打破了地下水原有的自然平衡,形成以矿井为中心的降落漏斗,改变 了原有的补、径、排条件,使地下水向矿坑汇流,在其影响半径之内,地下水流加快, 水位下降,储存量减少,局部由承压转为无压,导致煤系地层以上裂隙水受到明显的破

坏,使原有的含水层变为透水层,地面产生沉降(如图 1 所示)

图 1 采煤沉陷示意图
[11] [12]

张伟

、林岚

等分析了煤矿疏干排水对地下水资源的影响,并论述了疏干排水引

发的环境问题:地下水位下降、水资源枯竭、岩溶塌陷和地面沉降、地表水污染、地下 水环境恶化、海水倒灌等。 同时煤炭资源的大规模开发,不可避免地对自然生态环境产生极大的扰动,特别是 对开采区域内的水文地质环境产生极为明显的破坏作用。由此引起的水资源环境问题日 益突出,己为社会多方所关注。 含水层水质污染

矿区井( 矿区井(矿) 开发建设

地下水系统格局

地下水环境 质量恶化

地下水资源量减少

图 2 煤矿地下水环境影响模型

4.1 煤矿开采对地下水的破坏类型 煤矿开采对地下水的破坏类型 (1)对浅、中层地下水的影响 浅、中层地下水是工业用水和生活用水的主要水源,由于采煤的影响,煤系地层及上 覆松散岩类中垂向裂缝增多、增大,煤系地层中的水,松散岩类地层中的水均快速地向下 渗透,形成了区域性地下水位降落漏斗,浅、中层地下水逐年被疏干。煤矿周围村庄的 水井也因无水而报废,造成了村民的吃水问题。近几十年来,哪里建矿,哪里就要为当地 居民解决供水水源问题。 (2)对深层地下水的影响 煤矿在开采过程中,为了维持采矿的正常进行及采煤工作面的横向和纵向的发展, 必须将工作面周围的水或潜在的水排出。随开采深度的加大,深层各含水层水被截留, 转化为矿坑水排出,矿井排水量逐年增加,导致深层地下水位逐年下降,所形成的地下

水降落漏斗范围和幅度也越来越大。深层地下水位一旦下降,很难在短时期内得到恢复。 地下水的流失将会减少泉水的补给,严重时会造成泉水断流。目前,很多煤矿附近已无 法找到天然泉。煤矿一般分布在山丘地带,采煤排水变成了人为的排水带,排水带截取 了山丘区地下水向河谷盆地的补给,改变了地下水的径流路线,使地下水由水平运动变 为垂直运动,减少了平川地区的侧向补给量。 4.2 采煤流失地下水资源的主要因素 (1)水文地质条件。主要是含水层的厚度、富水性、节理、裂隙、岩溶发育程度 和补给来源。一是含水层厚度大、裂隙岩溶发育、含水性强、补给来源丰富,则矿坑排水 量就大,反之则小;二是所处的地理位置,主要取决于:煤矿平面位置与附近井、泉、河 水的关系,一般离井、泉、河水近,且水力关系密切,侧向补给来源大,则矿坑排水量 大,反之则小;三是与当地降水量、入渗系数大小、煤层深浅有直接的关系,一般是开 采煤层埋深浅,降水量大,入渗系数大,降水可直接转化为矿坑水,煤层开采后导水裂 隙带影响到地面,则矿井排水量就大,且季节性变化明显,即每年雨季 7、8、9 月降水量 大,矿井排水也增加,反之则小。 (2)地质构造特征。地质构造对地下水起着重要的控制与导水作用,局部也起着 阻溢作用,主要决定于断层的导水性质及其地下水补给来源丰富程度。一般规律是地质 构造愈复杂,断裂愈多,且断层为张性的导水断层,开采煤层离断层愈近,补给来源愈 丰富,则排水量就愈大。反之构造简单,且断层为压性的阻水断层,开采煤层离断层愈 远,补给来源愈少,则排水量愈小 (3)煤矿开采阶段。煤矿开采初期,揭露的含水层相对多,各含水层处于自然饱 和状态,含水性强,随着开采面积的增大,就会逐步发生顶板冒落,沟通裂隙导水带, 煤系顶部含水层中地下水就会直接渗入矿坑。矿井开采进入中期,由于一般不会大面积 揭露新的含水层,随着开采时间的增长,含水层水位不断降低,以矿井为中心的降落漏 斗趋于稳定,部分含水层由承压转为无压,矿井排水量靠入渗量补给,处于补、径、排 平衡状态。矿井开采进入后期,由于含水层部分被疏干,导致水裂隙带和节理裂隙逐步 被充填, 地表入渗补给量逐步减少, 则矿井排水量逐步衰减。 矿井开采进入末期 (停采) , 在其影响范围内,矿坑排水变小或几乎不排水。但由于煤系底部有隔水层存在,采空区 逐步积水成为“地下水库” 。 (4)降水量。据调查资料分析,矿井排水量与降水量有明显对应关系,一般规律 是:矿井开采初期降水量增大,排水量也增加。但到开采中期,这种相应关系就不明显, 即降水量增大,排水量增加很小或不增加。当开采进入末期后,两者关系向相反方向发 展,即降水增加,排水量逐步衰减 (5)开采面积。在开采初期,矿井开采面积与排水量有相互增长的规律,当开采 达到一定深度后,无论开采面积是否增加,排水量将基本保持不变,部分矿井还随着开

采面积的增加,向相反方向发展。这是因为矿井排水量主要受水文地质等条件所决定, 即使有人为因素的干扰,也不能改变上述几个阶段的基本规律。 (6)开采深度。煤矿开采方式有平峒、斜井和竖井等不同类型,这里主要是指竖 井和斜井,在水文地质相同的条件下,煤矿开采深度与矿井排水量有直接关系。在一定 深度内,一般是开采深度越大,揭露含水层愈多,矿井排水量也相应增大。根据调查初 步分析,在水文地质条件复杂、地下水补给来源丰富的地区,在 300 m 深度以内,随开 采深度增加,排水量有所增加。超过此深度后,矿井排水量一般不增加,可能还会逐步 减少。 4.3 煤矿开采地下水流失量的估算[13] (1)煤层开采破坏的静储量的计算方法。煤层开采后,由于顶板的冒落,使采空 区上覆含水层遭到破坏,原来储存于含水层中的水在短时间内排空,这部分水被称为静 储量。它是一个与含水层本身特征有关的量,为固定量,对其破坏是一次性的。静储量 计算公式为:
Q静 = ∑ Hi ? Si ? ?i
n

(1)

式中:Q 静——采煤破坏的含水层的静储量,万 m3; Hi——各煤田采煤破坏的含水层的厚度,m; Si——各煤田采空区面积,万 m2; ?i——各含水层的给水度。 (2)煤层开采破坏的动储量的计算方法。在含水层遭破坏后,矿井涌水量迅速增 大,然后随着时间的延长,排水量逐渐趋于相对稳定,这个相对稳定量称为动储量。它 与地形、构造、降水量、煤层埋藏深度及采煤方法等因素有关,该量则为一变量,其破 坏也是永久性的。动储量的计算公式: Q动 = ∑ Si ? Mi 式中:Q 动——采煤破坏的地下水的动储量,万 m3/h; Si——各煤田采空区面积,万 m2; Mi——采煤破坏的地下水模数,m3/h·m2。
i =1 n

i =1

(2)

5 结 论
水害是煤矿开采过程中的主要灾害之一, 防治水灾必须坚持 “预测预报, 有疑必探, 先探后掘,先治后采”的十六字原则和“防、堵、疏、排、截”五项综合治理措施。确 保安全生产。我国煤炭资源主要分布在北方,特别是中西部地区,煤炭资源与水资源分 布存在相反的关系,因此在煤炭生产中要积极的做好保水工作,大力发展绿色保水开采 技术[14-15]。在开采煤炭,保障我国经济发展的同时,保护好水资源,努力协调好水与煤 炭开采之间的矛盾,使我国煤炭开采走上可持续发展的道路。

参考文献: 参考文献:
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