矿井水害防治课程论文Word文件下载.docx

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根据矿井充水水源和其进入井下方式的不同，将煤矿水害分为地表水、老窑水、孔隙水、裂隙水和岩溶水5种不同类别，在井下作业过程中，工作面与含水层、水体或含水裂隙带接触所造成的突水事故影响最大，属于需高度重视的涌入方式。

1.2.煤矿水害致因分析

直接不安全动作主要涵盖违章放炮、探放水措施未能有效开展、违章指挥、保安煤柱受损、井下人员撤离不及时和其他等6个方面；

，除了包含以上6个主要不安全行为外，还有未通过安全批准私自生产、水文地质条件信息不全、人员培训不到位、越界开采、安全通道不足、透水隐患消除力度不够、相关安全人员配备不足等7个大类。

此外，安全管理人员的不安全行为在所有不安全动作中占比最大，最需值得注意。

不同充水水源、含水层结构和地质条件是引起水害事故的环境因素；

非法开采、越界开采、违章作业和不遵循探放水原则等属于诱发煤矿水害的人为因素；

设备排水能力不足、探放水设备不合理和井筒位置不当等是引起煤矿水害事故发生的物的因素；

相关安全管理制度的完善及落实程度不足属于管理因素，并强调从管理因素方面入手能够有效减少煤矿水害事故的发生。

结合试点矿区的实际情况并经过详细的调查，按照事故树分析流程，绘制得到矿井突水事故树，如图1.1。

图1.1矿井突水事故树

2.矿井水害防治技术

2.1.矿井水勘探的技术手段

2.1.1.直流电法

直流电法是将直流电极插入岩层中，根据电流场的分布特性确定岩层的电阻分布情况，通过电阻的反演确定含水区域。

由于水的电导率大于岩层的电导率，在导电异常的区域即可认为有水的存在。

这种方法操作简便、技术成熟，在巷道探水方面发挥了关键作用。

2.1.2.放射性同位素法

放射性同位素法是将一些具有放射性的物质放入到地层中，这些物质会在水流的运动作用下转移，根据同位素聚集的位置就可以找到水源，是一种有效方便的勘探方法。

这种方法能直观地显示矿井水的分布区域及水的流向。

2.1.3.地理信息系统预测法。

地理信息系统是一种对地理空间数据进行管理研究的软件程序，借由对空间数据的综合分析，可以快速且精准地提取目标信息，实现对矿井水害区域的有效判定。

2.1.4.瞬变电磁法

瞬变电磁法（TEM）是以接地线源或不接地回线通以脉冲电流作为场源，激励探测目的物感生二次电流，在脉冲的间隙测量二次场随时间变化的响应。

瞬变电磁法近年来已经被广泛应用于探测浅部、中部、中深部煤层顶底板富水异常区，以及构造的含、导水性等，但用于矿井深部的探测却很少。

影响瞬变电磁勘探深度的主要因素有电磁噪声、仪器的功率—灵敏度、回线边长、地质噪声和地质体的电性及几何参数等。

其中电磁噪声来自外部的天电干扰，其限制了观测弱信号的能力，从而在许多情况下也限制了探测深度。

依照瞬变电磁场的“延时”效应，瞬变电磁场的扩散距离随时间的推进而增加，扩散速度受介质电阻率影响，低阻扩散速度慢，高阻扩散速度快。

因此，当存在低阻覆盖层时，探测同样的深度需要较长的时间。

“烟圈”所代表的瞬变电磁场未到达异常体时，不能探测到此异常体，一旦扩散至异常体，其后的时段上对异常体才有反映。

瞬变电磁测深中，时间范围决定于探测深度，采用中心回线装置下估算极限探测深度（H）的近似公式如下:

式中:

I为发送电流;

L为发送回线边长;

为上覆电阻率;

为最小可分辨电平，一般为0.2～0.5NV/m2。

瞬变电磁法的最大勘探深度取决于仪器可检测出有效信号的最晚延时，由发射磁矩、地质体及其围岩电阻率，以及要求的信噪比、噪声大小确定。

2.1.5.双模网络并行电法

同种煤、岩层的电阻率大体稳定，但其受到应力等作用而破碎、裂隙增加以及裂隙中的含水性差异，会引起电阻率的明显变化。

同一种岩层相比，岩层完整时的电阻率值相对稳定；

岩层破碎、裂隙发育且潮湿、含水时，导电性增加，电阻率值明显变低，显示为相对低阻（异常）区；

若岩层破碎、裂隙发育但干燥、不含水，反而导电性变差，电阻率值明显变高，显示为相对高阻（异常）区。

另外，断层、陷落柱、裂隙发育区等地质（构造）异常体，会因异常体本身的岩性、结构等特征变化，引起附近区域的导电性出现差异，若异常体潮湿、含水则此区域附近显示为相对低阻（异常）区；

若异常体干燥、不含水则此区域附近显示为相对高阻（异常）区。

地层的岩性种类、构造发育情况、含水性程度等，均会引起其导电性发生差异性变化，这种变化特征为并行电法等对导电性敏感、以电性差异为应用基础的物探技术的实施，提供了良好的地球物理应用基础。

双模网络并行电法是以分布式并行智能电极电位差信号采集方法为技术核心支撑的直流电法，其数据采集模拟地震勘探方式进行，与常规电法每次供电只能采得1个测点数据不同，并行电法每次供电可同时获得多个测点数据，是一种全电场观测技术。

双模网络并行电法仪器可支持任意多通道同时采集电场数据，在实际应用中，电法勘探的信号产生主要是通过供电电极向大地供电，网络并行电法仪器多采用单点电源场（AM法）与异性点电源场（ABM法）这2种方式来进行数据采集与处理，如图2.1所示。

图2.1双模网络并行电法工作方式原理图

2.1.6.三维高密度电法

三维高密度电法。

三维高密度电法仍是以岩土体导电性为差异的一类基础电探方法，但其将传统的电剖面法和电测深法进行组合，使其具有2种方法各自的优点；

其通过电测深法获取地质信息，在利用电剖面法对地质信息进行统计处理，绘制电阻率断面图。

三电位电极系。

三电位电极系是将温纳四级（AMNB）、偶极（ABMN）及微分（AMBN）装置按一定方式组合后所构成的一种新的测量系统。

在实际测量时，高密度电阻率勘探系统利用电极转化开关将4个相邻电极进行不同组合，从而在1个测点上获得多种不同排列方式电极的测量参数。

电极以固定点距沿井下巷道测线布置，通过多芯电缆经转换开关连接到仪器上。

通过转换开关改变装置类型完成该测点上所有装置形式的观测；

1个测点观测完后，转换开关调到下一相邻测点对应的电极，以相同方式进行新点观测，直到某一电极间距的整条剖面观测完为止。

改变电极间距，重复以上观测，观测所有不同电极间距的剖面。

三维电阻率层析成像技术。

采用高密度发射系统和接收系统对地下进行电场透视，利用大地电阻率的差异进行CT成像。

通过接收系统采集到足够高的电位异常值，对其进行数据处理与反演计算，从而推断地下电阻率的分布情况，结合含水区的边界和空间分布，求出富水区三维空间数据体。

2.2.矿井水害防治措施

2.2.1.煤层底板注浆加固定向钻进技术

（1）定向钻技术工作原理

煤矿井下随钻测量定向钻进技术主要用于岩层（硬度系数f<

5）和较稳定煤层（硬度系数f>

0.5）的瓦斯抽放钻孔和地质勘探孔施工。

定向钻进系统主要组成部分有定向钻机、高强度中心通缆钻杆、上无磁钻杆、测量探管、下无磁钻杆、孔底螺杆马达、定向钻头、孔口监视器。

煤矿井下定向钻进技术工作原理:

采用弯外管孔底螺杆马达，利用高压水驱动孔底马达带动钻头回转;

有线随钻测量技术传输孔底信息，利用孔口监视器实时监测钻孔轨迹，并通过调节螺杆马达工具面向角，改变钻孔倾角、方位角的变化，进而控制钻孔轨迹变化，实现钻孔轨迹准确钻进至靶点。

（2）煤层底板注浆加固定向钻孔施工工艺流程

钻进时首先采用螺旋钻杆回转钻进工艺进行套管段施工，成功下入套管并试压合格;

然后采用稳定组合钻具定向钻进工艺钻至目的层位，使钻孔倾角略为增加，以减少后期定向钻进倾角调整难度;

再使用螺杆钻具随钻测量定向钻进完成定向造斜段和稳斜段施工，使钻孔按设计轨迹在目的岩层中延伸直至达到设计要求。

如图2.2所示。

图2.2煤层底板注浆加固定向钻孔施工工艺流程

2.2.2.注浆堵水

（1）工作面预注浆。

在进行矿山井巷施工作业的过程中，一旦含水层的深度比较大，在进行注浆施工作业时，就需要使用井筒工作面来完成，如果井筒挖掘到离含水层恰当的尺寸处，就需要停止挖掘，并且还应该设置混凝土结构的止水垫，以此来完成钻孔灌注施工作业。

钻孔注浆施工作业也需要在留岩冒上开展。

止水垫或者留岩冒的作用是避免存在冒液或者跑浆现象。

（2）壁后注浆。

当进行完井筒的砌筑以及掘进施工作业之后，如果井壁处的施工质量比较差，在壁面处就很容易出现渗水现象。

井筒施工作业的开展具有一定的危险性，因此，该项工作在无形之中增加了排水费用。

面对这一现象，需要完成壁后注浆施工作业，同时该项施工作业应该按照从上至下的顺序来完成，对于注浆高度的确定，应该以含水层水的储存条件来进行，注浆高度应该为含水层上下合起来15m~25m。

由于矿井筒中很容易有裂缝产生，因此，对于出水量比较多的位置，应该通过预埋注浆管来完成相应的施工作业，通过控制注浆堵水的速度，来确保该项工作的及时性。

（3）巷道施工技术准备工作。

在使用巷道施工技术之前，应该结合巷道围岩的力学性能以及地质构造信息来对该项工作的可行性进行计算，并且选择出合理的支护方式。

同时，还应该加强对重点区域的施工管理工作，此外，还应该做好施工作业的安全管理。

需要借助先进的施工技术来有效提升工程项目的安全施工等级，从而有效确保重点区域中施工作业的科学性。

其次，在开展巷道掘进顶板支护施工作业的过程中，需要做好施工方案的优化设计，以免由于设计方案的失误给工程项目的建设带来较大的安全隐患。

2.2.3.矿井筒排水

在开展井筒施工作业时，需要及时处理好工作面的积水情况，并且还应该根据井筒中涌水量的大小，选择吊泵、卧泵以及吊桶排水。

（1）吊桶排水。

所谓的吊桶排水的方法也就是使用风动潜水泵或者隔膜泵来排除工作面中的积水，同时还需要使用提升设备来有效增强吊桶排水能力以及每小时吊桶的容积数，当井筒工作面中的涌水量比6m³

/h小的时候，就需要使用吊桶排水的方法。

（2）吊泵排水。

借助悬吊于井筒中的吊泵来排除工作面中的积水，也就是所谓的吊桶排水的方法，井筒工作面的涌水量应该保持在40m³

/h为宜，不然，就需要在井筒中设置多台吊泵来共同开展施工作业，因此会占据到吊桶的较大空间，这种现象对于井筒施工作业的开展而言存在较大的弊端。

在使用吊泵进行排水施工时，还可以借助风动潜水泵来共同完成排水作业，也就是使用潜水泵，将工作面中的积水排出到吊盘上面的水箱之中，然后再使用吊泵，将水箱之中的水排出到地面上。

（3）卧泵排水。

在吊盘上设置卧泵和水箱也就是所谓的卧泵排水，所谓的工作面涌水就是使用风动潜水泵将工作面中的涌水排到吊盘水箱中，通过使用除沙装置之后，再借助卧泵将水排除到地面处。

卧泵排水的优势是对于井筒的空间占据不大，再加上卧泵的鼓掌率比较低，因此，可靠性比较高、易于维护，具有较大的适应性。

2.2.4.“井–地–孔”微震监测技术与视电阻率监测技术

微震监测技术是利用布置在测区周围的传感器接收微地震信号，根据传感器坐标求取震源位置、震源机制等参数，近实时地获得裂缝空间展布特征的地球物理监测方法。

该技术通过在井下巷道、地面、地面孔中或井下孔中同时布置传感器，对破裂点进行全方位立体监测，能够大幅提高震源深度定位精度。

图2.3所示，S和Ti分别表示微震源和第i个传感器，其中，（x0，y0，z0）和（xi，yi，zi）分别表示震源和第i个传感器的坐标，t0和ti分别表示震源发震时间和第i个传感器震动波初至时，假设震动波的传播速度为v，可以建立由n个组成的方程组，解方程组即可获得震源的位置（x0，y0，z0）和发震时间t0。

图2.3“井–地–孔”微震监测定位原理

回采工作面视电阻率监测系统是专门用于监测煤矿顶底板裂隙带是否与含水层导通的仪器。

工作原理如图2.4所示，在工作面2侧巷道顶板或者底板布置电极，一侧发射人工激发的电场，另一侧接收，2侧巷道全部接收和发射完成后，利用拟高斯–牛顿法对接收的数据进行全空间三维视电阻率反演，反演数据体为顶底板岩层中每个5m×

5m×

5m网格的视电阻率值，利用多次监测结果，分析顶底板视电阻率的异常变化，并且对破坏裂隙的导水性进行判识，实现工作面水害风险的动态评估和预警。

图2.4采煤工作面视电阻率监测原理

2.2.5.矿井水害防控远程服务云平台

结合煤矿企业现场水害防治实际需求和数字化、智能化新技术，设计基于多源数据融合的矿井水害防控远程服务云平台，实现水文地质信息管理、水害风险分析评价、水害防治方案设计、水害监测预警、水灾事故应急响应以及随时随地多部门多端协同，构建“互联网+水害防治智慧服务”新模式

在梳理矿井水害防治业务逻辑，构建多源数据管理模型的基础上，结合煤矿企业现场水害防治实际需求和数字化、智能化新技术，设计了基于多源数据融合的矿井水害防控远程服务云平台，如图2.5，实现了水文地质信息管理、水害风险分析评价、水害防治方案设计、水害监测预警和水灾事故应急响应随时随地多部门多端协同。

图2.5矿井水害防控远程服务云平台架构

3.水害防治现有的不足和展望

3.1.现有的不足

（1）矿井突水的机理尚不明确。

现在对矿井突水仅仅是从现场层面来分析，不能建立有效的突水理论来准确解释突水现象，而且对于突水的研究多限于数值模拟，缺乏对物理模拟的研究。

（2）矿井水的勘探技术适用性不强。

虽然目前研发了多种物探技术，但是获得的指标并不能直接反映突水状况，需要将勘探的参数直接与突水状况连接起来。

（3）矿井防治水经验不足。

虽然很多矿井都在强调防治水，但是并未建立一些有用的数据库，形成系统的防治水资料存在巨大的困难。

3.2.展望

前人对水害防治措施的研究已有很多，且大多集中在技术和管理两个方面。

但一些技术的适用性不强，新型技术的发展仍有待进一步提高。

目前我国部分地区，矿井水害防治技术仍然停留在十几年前水平，尤其以中小型煤矿企业居多。

因此，发展通用性高新技术对于提升我国煤矿开采安全性具有重要意义。

今后的水害防治技术研究可从以下几个方面开展。

（1）加强勘探技术的研究与开发。

目前的勘探技术不能直接反映突水状况，且精准性仍有待提高，可在高精度三维定位基础上改善现有勘探技术，发展精细探查技术。

（2）注浆堵水技术研究。

采取人工造缝技术可以实现对注入量的控制，因此对压裂技术的推广及应用研究，可促进我国煤矿水害防治技术的发展。

（3）水害预警系统研发。

随着信息技术的不断进步，可构建矿井水害预警系统，通过量化相关征兆指标，实现在水害来临前的预报警示。

（4）将水害防治信息与计算机技术相结合，建立矿井水害防治数据库，共享防治技术。

在拥有可观数据量后，可通过大数据技术更进一步研究矿井水害防治措施。

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