礦井水害防治的方法一般有哪些

A. 礦井水害治理

一、水害威脅狀況

九里山礦自1982年至今發生1m³/min以上突水22次，最大一次突水53.76m³/min，平均每次突水強度為10.36m³/min，使礦井總涌水量達100m³/min，每年排水費用達1600萬元以上，不僅嚴重影響採掘工程正常進行，造成礦井遲遲不能達產，而且對礦井安全構成極大的危險。

該礦現有三個生產采區，唯獨一二采區水害威脅極為嚴重。該采區自投產至今回採3個工作面，個個都發生突水，而且突水越來越大，最大達47.51m³/min，西部總水量達90m³/min。特別是12031工作面回採4次突水，總水量已達50m³/min，突水後並未引起其他突水點明顯下降，而且突水點附近L₈水位仍保持在+27m左右。這充分說明水害威脅是十分嚴重的，已經到了水害不治理，就無法生產的局面。

二、水害治理方案

1.檢驗救災工程

12031工作面在1993年3月30日第四次突水47.51m³/min後，礦井總涌水量達100m³/min，礦井安全受到極大威脅，為保住礦井東翼生產，解除對礦井安全的威脅，必須對12031突水點進行注漿堵水，減少涌水量。同時積極做好西翼防水設施關閉的准備工作，一旦礦井安全受到威脅時立即關閉西翼防水閘門（牆）。

12031工作面共發生4次突水，共8個突水點均為工作面底板裂隙出水，因此注漿堵水具有裂隙發育不均，命中率低，動水注槳，消耗量大及出水量大，相互轉移注漿難度較大，分二期完成注漿堵水工作。第一期工程先封堵新突水點，第二期工程為防止新突水點封堵後水量轉移，對前3次突水進行封堵。

第一期工程3個突水點，設計注漿鑽孔10個，總進尺2540m，概算375萬元，預計3～4個月完成，堵水效果達到85%以上。

第二期工程設計注漿鑽孔17個，總進尺4250m，概算480.61萬元，預計6～8個月完成上述兩項工程完成後，特別是第一期工程完成後可大大解除礦井安全隱患，確保礦井安全生產。

2.西冀恢復生產水害治理工程

根據礦井西冀補給水源既有淺部露頭各含水層相互補給，又有深部垂直導水條件，擬採用淺部截流，深部充填辦法。

（1）淺部治理工程：淺部來水從上述的水文地質條件，連通試驗等資料中已經得到證實，沖積層水位在12～15 勘探線間L₈露頭附近，沿峪頭帶出現一個明顯的降落漏斗（圖4-14），沖積層水位高於L₈水位10～20m。1984年7月礦井涌水量76.45m³/min時，沖積層降落斗水位差8m；1990年4月礦井涌水量70.77m³/min時，水位差14m；1993年4月礦井涌水量100m³/min時，水位差20m。

L₈水位在露頭附近出現明顯的「谷形」，最大水位差10m，且與沖積層降落漏斗基本重疊，說明二者水力聯系密切（圖4-15）。

在L₈露頭附近，L₂、奧灰和沖積層水是混為一體的，主要是通過第四系底礫岩和基岩風化帶補給L₈。奧灰水位在一二采區L₈露頭附近出現低水位（68.51m），東部一三采區20-2孔（O₂）水位+69.58m，西部演馬庄礦9～14孔1～69.41m，在以15～11孔為中心6000m范圍內，奧灰出現一個明顯的降落漏斗（圖4-16），說明奧灰水在淺部補給明顯。

圖4-14 淺部沖積層等水位線（單位：m）

圖4-15 九里山礦八灰等水位線圖（單位：m）

圖4-16 奧灰等水位線圖（單位：m）

淺部混合水體（Q、O₂、L₂）補給量根據突水資料，連通試驗等採用多種方法計算，其補給量33.86～54.7m³/min。

淺部治水方案可採用地面鑽孔L₈充填和井下L₈巷道堵截兩個方案。

地面鑽孔充填截流方案在原工程基礎上加密和擴大范圍布置L₈層鑽孔，利用鑽孔注漿形成一個擋水牆，達到減少水量的目的。設計鑽孔55個總進尺6600m，總概算545.4萬元。

井下L₈巷道堵截方案，把巷道掘進在L₈中間，對喀斯特裂隙進行充填達到截水目的。巷道設計標高-30m，山上十二總回風巷向北以+7‰的坡度向前掘進，揭露L₈前施工好防水閘門。預計掘進100m進入L₈後向東西兩側沿L₈走向掘進。掘進中採取超前預注漿和壁後注漿相結合的方法封堵L₈喀斯特裂隙達到減少礦井涌水量的目的。設計巷道1760m，總概算為352萬元，工期3年完成。

上述淺部堵水兩方案優缺點對比如下：

①地面鑽孔充填方案施工簡單不影響煤礦生產，但工期長，見效慢，可靠性差；②井下L₈巷道堵截方案投資少，工期有把握，見效快，可靠性大；③井下L₈巷道堵截方案，「看得見摸得著」可以充分搞清水文地質條件，為進一步治理礦井水害奠定了基礎。④若截水效果不好，在標高-30m水平上排水，每分鍾1m³水年節約排水電費10萬元。

上述兩方案對比後，認為採用井下巷道堵截水方案較好。

（2）回採工作面底板L₈充填改造工程：二₁煤距底板L₈含水層20m左右，在一二采區范圍，底板隔水層以粉砂岩夾炭質層較破碎以及下部有砂岩有利於L₈發生導水，L₈厚6～8m，喀斯特裂隙發育，水壓高（2.1MPa），富水性強，回採後因水壓和礦壓綜合作用突水不可避免，為減少突水次數和強度，應對L₈含水層進行注漿充填改造。目的在於將含水層改造成隔水層，或由強含水層變為弱含水層，達到安全採煤的目的。

計劃先進行12041和12081兩個工作面的充填試驗工作，取得經驗後推廣。

（3）一四采區水文地質勘查：一四采區位於一二采區西，與演馬庄礦一九采區相鄰，北至煤層露頭，南到-225m大巷。東西走向長1000m，南北傾斜寬1000m，面積1km²，保有可采儲量573.7萬噸。

一四、一二采區與演馬庄礦一九采區同屬一個水文地質單元。演馬庄礦一九采區已回採兩個工作面，未發生突水事故，預計一四采區水文地質條件比一二采區較簡單，為搞清水文條件，應進行勘查工作。

勘查項目：①物探查明F₁斷層延伸位置；②井下放水試驗，查明L₈富水性及水力聯系。布置三組放水孔共計9個孔；③淺部沖積層抽水試驗，查明與O₂、L₂、L₈水力聯系，並預計涌水量。

（4）一二皮帶突水點水源勘查與治理：一二皮帶底板岩巷於1982年8月13日突水35m³/min後，長期穩定在30～35m³/min，該突水點突水後，一二采區相繼發生10m³/min以上突水5次，一二采區總涌水量達85m³/min以上，L₈流場仍未明顯改變，以一二皮帶突水點為中心，東西兩側L₈水位相差很大。在150m范圍內水位差110m，水力坡度733.3‰。呈現一個很大的「陡坎」，預計在突水點附近深部含水層有較強的補給，應查明水源進行治理。

該項工程「七五」期間已施工12個鑽孔，其中2個孔可做注漿孔，再施工4個孔，進尺1350m。

3.二水平水文地質勘探

馬坊泉斷層以南形成地壘，淺補與沖積層隔開減少了補給水源，加之深部裂隙減弱，富水性減弱，水文地質條件較淺部簡單，儲量達6325萬噸，埋深-300～-600m，為生產接替地區，要加速進行水文地質勘探，查明構造，了解含水層及水力聯系，預測涌水量。

B. 煤礦水害防治的規則是什麼

《煤礦防治水規定》（安監總局令第28號）第一章總則第三條規定：防治水工作應當堅持「預測預報、有疑必探、先探後掘、先治後采」的原則，採取「防、堵、疏、排、截」的綜合治理措施。
防治水十六字原則科學地概括了水害防治工作的基本程序。
「預測預報」是水害防治的基礎，是指在查清礦井水文地質條件基礎上，運用先進的水害預測預報理論和方法，對礦井水害做出科學分析判斷和評價；
「有疑必探」是指根據水害預測預報評價結論，對可能構成水害威脅的區域，採用物探、鑽探和化探等綜合探測技術手段，查明或排除水害；
「先探後掘」是指先綜合探查，確定巷道掘進沒有水害威脅後再掘進施工；
「先治後采」是指根據查明的水害情況，採取有針對性的治理措施排除水害隱患後，再安排採掘工程，如井下巷道穿越導水斷層時必須預先注漿加固方可掘進施工，防止突水造成災害。
五項治理措施是水害治理的基本技術方法。
「防」主要指合理留設各類防隔水煤（岩）柱和修建各類防水閘門或防水牆等，防隔水煤（岩）柱一旦確定後，不得隨意開采破壞；
「堵」主要指注漿封堵具有突水威脅的含水層或導水斷層、裂隙和陷落柱等導水通道；
「疏」主要指探放老空水和對承壓含水層（如華北地區奧灰水）進行疏水壓；
「排」主要指完善礦井排水系統，排水管路、水泵、水倉和供電系統等必須配套；
「截」主要指加強地表水（河流、水庫、洪水等）的截流治理。

C. 礦井必須堅持的防治水原則什麼

防治水工作應當堅持預測預報、有疑必探、先探後掘、先治後採的原則，採取防、堵、疏、排、截的綜合治理措施。

第五條

煤礦企業、礦井應當按照本單位的水害情況，配備滿足工作需要的防治水專業技術人員，配齊專用探放水設備，建立專門的探放水作業隊伍。 水文地質條件復雜、極復雜的煤礦企業、礦井，除符合本條第一款規定外，還應當設立專門的防治水機構。

第六條

煤礦企業、礦井應當建立健全水害防治崗位責任制、水害防治技術管理制度、水害預測預報制度和水害隱患排查治理制度。

第七條

煤礦企業、礦井應當編制本單位的防治水中長期規劃和年度計劃，並組織實施。

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礦井防治水

第四十一條

礦井應當查清礦區及其附近地面水流系統的匯水、滲漏情況，疏水能力和有關水利工程等情況；了解當地水庫、水電站大壩、江河大堤、河道、河道中障礙物等情況；掌握當地歷年降水量和最高洪水位資料，建立疏水、防水和排水系統。

第四十二條

礦井井口和工業場地內建築物的標高，應當高於當地歷年最高洪水位。 如果在山區，除符合本條第一款的規定外，還應當避開可能發生泥石流、滑坡的地段。 礦井井口及工業場地內建築物的標高低於當地歷年最高洪水位的，應當修築堤壩、溝渠或者採取其他防排水措施。

D. 煤礦水害防治方法

我國自20世紀70年代以來，煤礦防治水主要遵循「預防為主，防治結合」的原則，以查清水文地質條件為基礎，因地制宜。針對不同的水害類型，採取不同的防治措施，防治水方法多種多樣，有疏、有堵、有疏堵結合。在煤礦水害防治工作中堅持「預測預報，有疑必探，先探後掘，先治後采」的16字方針，並根據礦井水害實際情況制定相應的「防、堵、疏、排、截」綜合防治措施(鍾亞平，2001;趙鐵錘，2007)。

在突水機理的研究上，先後提出了「突水系數」、「等效隔水層」和底板隔水層中存在「原始導高」等概念，認為底板突水機理是含水層富水性、隔水層厚度及其存在的天然裂隙、水壓、礦壓等因素的綜合作用結果。在底板突水預測方面，模式識別方法、隨機信息方法和脆弱性指數法等新方法得到了很好的應用(武強，2006，2007a，2007b，2009;靳德武，1998)。

在疏水降壓方面，有地表疏干、井下疏干，也有井上、井下聯合疏干。疏水降壓是我國礦井防治水害的主要技術措施。國內除普遍採用經常性疏干排水外，還先後進行了峰峰礦區和淄博礦區的薄層灰岩水的疏干，和降壓及邯鄲礦區的疏干工作程序和疏干勘探方法。

在注漿堵水方面，堵水截流是我國礦井防治水害的重要方法。在靜水與動水條件下注漿封堵突水點、礦區外圍注漿帷幕截流等都有比較成熟的方法和經驗。焦作、峰峰、煤炭壩等礦區都進行過這類工作，特別是成功封堵開灤范各庄礦特大型突水。

此外，鑽探技術的提高、綜合立體勘探方法的採用、計算機技術的應用及各類軟體的開發，對定量研究煤礦突水條件起到了重要推動作用。

1.井下防水煤(岩)柱留設

在水體下、含水層下、承壓含水層上或在導水斷層附近進行採掘工程時，為了防止地表水或地下水突水、潰入工作地點，需要合理留設一定寬度或高度的防水煤(岩)層不採動，這部分煤(岩)層稱為防隔水煤(岩)柱或防水煤(岩)柱。其中有斷層防水煤(岩)柱，井田邊界煤柱，上、下水平(或相鄰采區)防水煤(岩)柱，水淹區防水煤(岩)柱，地表水體防水煤(岩)柱和沖積層防水煤(岩)柱六種類型。

2.井下探放水技術

井下探放水系指礦井在采礦過程中用超前勘探方法，查明採掘工作面頂底板、側幫和前方的含水構造(包括陷落柱)、含水層、積水老窯等水體的具體位置、產狀等，其目的是為有效地防治礦井水害做好必要的准備(劉洋，2008)。

3.疏水降壓技術

疏水降壓是指通過疏干使煤層底板含水層或煤系地層含水層水壓降低至採煤安全水壓。疏水降壓工程系統包括:排水工程、排水設施和疏水工程3部分^［1］。開灤趙各庄礦就是通過制訂合理的疏水降壓開采方案，實現了在受底板高壓奧灰水威脅下安全帶壓開采，取得了巨大的經濟和社會效益。

4.注漿堵水技術

注漿堵水技術是煤礦防治水最重要的手段之一，主要應用於井筒掘鑿前的預注漿、成井後的壁後注漿、堵大突水點恢復被淹礦井、截源堵水減少礦井涌水、井巷堵水過含水層或導水斷層。如皖北礦務局任樓礦1996年3月4日發生的陷落柱特大突水，高峰期突水量達576m³/min，在陷落柱內煤底合適層位採用注漿堵水技術成功堵水(趙鐵錘，2007)。

5.帶壓開采技術

所謂帶壓開采就是煤層底板受承壓水威脅，充分利用煤層底板至承壓含水層間隔水層性能，在不採取，或在國家經濟、技術條件許可情況下採取某些技術措施後，實現安全採掘的一種綜合性防治水技術。近幾年該技術在我國進行了較為廣泛而深入的研究，取得了顯著成績^［11］。

6.防水閘門和水閘牆

防水閘門和水閘牆是煤礦井下防治水的主要安全設施。水文地質條件復雜或有突水淹井危險的礦井，在井下巷道設計布置中，要建立健全隔離設施，在適當地點預留防水閘門和水閘牆的位置，井底車場周圍要設置防水閘門;在其他有突水危險的地區，只有在其附近設置防水閘門等防水隔離設施，實現分區隔離後，方可進行採掘活動(王歆效等，2007)。

7.礦井防、排水技術

煤礦在開采過程中，不可避免地要接近、揭露或破壞含水層(體)。含水層(體)內的水會因失去原有的平衡條件而湧入採掘工作面，進而造成水害事故。為保證煤礦的安全生產，設置相應的防、排水系統是十分必要的。礦井防、排水技術主要包括:地面防水、井下防水和礦井排水3個方面。如山東華源「八一七」潰水淹井事故，雖由暴雨引起，但也暴露出煤礦在地面防水方面存在的突出問題。

8.煤層採煤前方小構造預測的ANN技術

小構造是指斷距小於5m的小斷層或一些發育規模較小的裂隙、溶隙。在礦井生產過程中，這些小構造對工作面回採和巷道開掘具有極大的影響，在礦井防治水工作中具有重要地位。針對現行巷道開采過程中小構造預測方法的不足，將ANN技術引入到煤礦巷道掘進前方的小構造預測方法中，開展了礦井小構造預測預報的新方法研究(武強，2007c)。

9.含水層改造與隔水層加固技術

該技術是20世紀80年代中後期發展起來的一項注漿治水方法。當需採用疏水降壓方法實現安全開采，但疏排水費用太高且浪費地下水資源時，宜採用含水層改造與隔水層加固的注漿治水方法。它主要針對煤層底板水害的防治，採用注漿措施改造含水層或加固隔水層，使其變為相對隔水層或進一步提高其隔水強度(武強，2005)。該技術是防治底板水害較為有效的實質性措施之一，山東肥城礦區曾成功應用這項技術。

10.可視化地下水模擬評價軟體系統(Visual Modflow)與礦井防治水

Visual Modflow是目前國際上流行且被各國同行一致認可的三維地下水流和溶質運移模擬評價的標准可視化專業軟體系統。它在礦井防治水工作中可以進行任意水均衡域的均衡研究，幫助用戶直接確定回採煤層頂、底板或側向補給水源的補給方式、補給大小及補給水源的水質情況等。此外，它還可以預測礦區導水斷裂構造可能誘發的突水事故的突水量大小，這一點在礦區導水內邊界的防治水工作中具有十分重要的實用價值(武強，2005;董東林，2009)。

11.華北型煤田立體充水地質結構理論

該理論是武強於2000年首次提出。由各種類型水力內邊界溝通而形成相互間存在密切水力聯系的多層含水層組立體充水地質結構，是華北型煤田的主要礦床水文地質特徵，也是建立該類型煤礦井充水水文地質立體概念模型的基礎。內邊界是煤礦井立體充水地質結構理論的核心，對內邊界系統進行深入地綜合研究是解決華北型煤田底板岩溶突水難題的關鍵。據內邊界在空間展布的幾何形態特徵所劃分的4種基本類型和各種組合類型，對認識煤礦井水文地質條件復雜程度和採取科學合理的防治水對策方案均具有極其重要的理論指導意義和實用價值(武強，2000)。

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E. 礦井水防治需進一步採取的技術

1.礦井水文地質條件綜合勘查技術

該技術主要由水文地質測繪、鑽探、試驗、物探、化探和遙感等技術構成，服務於煤礦建井前的水文地質條件勘查，生產階段的水文地質補充勘探和礦井充水水源、通道及其他專門問題的探查，是研究礦井水害形成條件必不可少的技術手段。其中，鑽探也是疏放水鑽孔、注漿鑽孔等成孔的必要手段。

2.滲流理論與礦井涌水量的計算

礦井涌水量計算是以地下水滲流理論為基礎的。在實際應用中，可分為正常用水量計算和最大突水量計算兩大類。

(1)在傳統滲流理論的基礎上，各種數學方法被大量應用到礦井涌水量的計算中，但大多不夠成熟。

(2)2D數值模擬法和3D數值模擬法是目前礦井涌水量計算應用的最高水平。

(3)理論與實際應用嚴重脫節，許多礦區仍主要採用比較粗略的水文地質比擬法。

3.礦井水害的形成機制

不斷深化對礦井水害形成機制的認識，特別是對底板突水機理和控制性影響因素的認識，是礦井水害防治的重要理論基礎，也是當前研究的熱點之一。由於林南倉礦區水文地質條件復雜且差別較大，所以應開展進一步或具有普遍意義的水文地質規律的研究。

4.突水預報預警技術

礦井突水預測預警對於礦井水害防治具有至關重要的意義，如果能夠准確預測可能發生的突水事故，礦井防治水工作將發生革命性的變化。實現臨突預警是礦井突水預測預警研究期望達到的目標。通過監測突水前兆因素的有關參數變化，建立突水發生標準的識別模型，對突水的發生做出判斷，並及時發出預警信號。

5.礦井水害的災後治理技術

礦井突水發生後的災後治理技術主要包括突水水源的快速判別技術、突水水量的估算方法、高精度定位鑽孔實施技術、突水通道注漿封堵技術等。

6.礦井水綜合利用技術

傳統的礦井水害防治工作充分重視了水的災害性一面，而忽略了水的資源性一面。按照資源與環境協調發展的觀念，錢鳴高院士提出了「綠色開采」的概念，並已形成廣泛和重要的影響。水資源保護性開采是「綠色開采」的主要內容之一，它是指在防治礦井水害的同時，必須重視和強調水資源地保護和利用。

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F. 有什麼方法可以有效進行礦井水害防治

首先委託相關單位進行水文地質補勘工作，摸清井田內水文地質情況，委託有資質的設計單位編制中長期防治水規劃及礦井防治水專項設計。
其次，成立完善的組織機構，配備一定數量的管理人員及探放水施工隊伍。
第三，編制相應的管理制度及工作流程，嚴格執行煤礦防治水規定相關要求。

G. 常用的礦井水害治理注漿技術方法

常用的礦井水害治理注漿技術方法，按工程施工的時間順序劃分，有提前預注漿、出水後注漿；按注漿材料劃分，有水泥注漿、粘土注漿、化學注漿、混合注漿等；按工程性質劃分，有突水口注漿、含水層帷幕截流注漿、含水層改造和隔水層加厚加固注漿、井巷或井筒隔離封堵注漿；按受注層中地下水運動狀態（或流速）劃分，有靜水注漿、動水注漿。

我國初次成功地應用注漿堵水技術始於20世紀50年代中後期。1955～1957年，山東淄博礦務局採用注漿堵水技術成功地恢復了1934年被水淹沒的夏家林礦。當時注漿堵水的工藝方法比較簡單，只是採用了鑽桿注漿方法，用生牛皮、干海帶和黃豆作止漿塞，僅使用了水灰比為1.5～2.0的單液稀水泥漿方法，但它的成功卻為中國煤礦防治水害提供技術途徑和方法。在建井過程中我國首次採用注漿技術防治水害始用於1954～1955年當時在開灤林西礦風井施工過程中採用了水玻璃、氯化鈣在直流電流驅動下，使鈣離子與硅酸離子結合並固結治理流砂水害的技術方法，但因「電動硅化法」注漿工藝在當時還處於研究試驗階段，這次注漿治水工程未能獲得成功。直到1959年，在開灤礦務局荊各庄礦建井過程中採用凍結法通過沖積層後，發生了5號煤層頂板砂岩水突水淹井事故，為了快速治理水害並恢復礦井建設工程，歷時數年，打鑽進尺5000 m以上，注入水泥2800 t以上、水玻璃800 t以上，才取得最後治水的成功。

進入20世紀60年代後期，我國才廣泛使用注漿技術方法綜合治理礦井水害，並逐漸成為一種行之有效的礦井水害治理技術方法。1962年，原唐山煤炭科學研究所礦井地質研究室與徐州礦務局首次在徐州礦務局夏橋礦開始了帷幕注漿截流治理水害的技術與工藝試驗，並成功地進行了徐州青山泉礦注漿帷幕截流治理水害的工業性試驗。從此，在我國逐漸形成了較為完整的注漿工藝方法和大規模造漿注漿的機械化系統，在注漿材料上研究使用了不易被水稀釋的高稠度稠化漿，使注漿技術方法用於大規模改造不利於開採的水文地質條件方面邁出了重要的一步。

進入20世紀80年代後，採用注漿技術治理大流量、高流速突水災害得到了快速發展，特別是1984年開灤范各庄礦在陷落柱特大突水災害注漿治理中，形成了一套較完整的適用於動水條件注漿的水害治理理論與方法。80年代後期至90年代初，山東肥城礦務局在多次大流量突水災害的注漿治理過程中，研究發展了利用注漿技術將煤層底板下伏薄層灰岩含水層改造為阻隔水層的工程工藝和方法，取得了良好的水害治理效果。目前，我國在礦山水害注漿治理技術方面，不僅具備了成熟配套的技術，而且形成了較為完善的裝備系統。

H. 礦井井下防治水的措施有哪些

井下防治水的主要措施包括留設防水煤(岩)柱、建築防水閘門和防水牆、探放水、疏放降壓開采、注漿堵水和礦井防排水系統等。 (1)防水煤柱 為了防止地表水或地下水滲人工作地點，需要留設一定寬度和高度的防水煤(岩)柱，常有的防水煤(岩)柱是井田邊界煤柱、斷層防水煤(岩)柱、上下水平(或相鄰采區)防水煤(岩)柱、水淹區防水煤(岩)柱、地表水體防水煤(岩)柱、煤層囂頭防水煤柱等。對於各種煤(岩)柱的寬度和高度，《煤礦安全規程》都有明確的規定。這些煤柱是嚴禁開採的。 (2)防水設施 防水閘門和防水牆是井下防水的主要安全設施。凡是受水患威脅嚴重的礦井，在井下巷道布置和生產礦井開拓延伸或采區設計時，都應在適當地點預留防水閘門、硐室和防水牆的位置，使礦井形成分翼、分水平或分采區隔離開采，在水患發生時，使礦井能分區隔離，縮小災情影響范圍，控制水勢危害，確保礦井安全。 (3)井下探放水 井下探放水是指當採掘工作面接近老窯、含水層、斷層、陷落柱等有水害隱患的地點，要先探明水情，然後有計劃地將水放出來。因此，應當堅持「有疑必探、先探後掘」的探放水原則，決不可疏忽大意，更不能存在僥幸心理，執意蠻干。 探水與掘進應交叉進行，探水鑽孔終孔位置應當始終超前掘進工作面一定距離，即超前距。每次掘進長度不得超過允許的掘進距離。鑽場應加強支護，並在工作面迎頭打好堅固的立柱和擋板；保持水溝暢通，在打鑽地點或附近安設專用電話，並設有與受水患威脅地點相通的防水信號；打鑽中如發現有透水可能時，應停止鑽進，但不得拔出鑽頭，並立即報告調度室，情況危急時，必須立即撤出所有受水患威脅地區的人員，然後採取措施，進行處理。打鑽過程中，要加強通風和瓦斯等有害氣體的檢查。嚴禁用放炮方法放水。 (4)排水系統 每個礦井都應建立完善的防排水系統，水泵的防排水能力應在20小時內排出礦井24小時礦井的最大涌水量，排水管應與之相適應。主要水倉的有效容量達到《煤礦安全規程》要求，水倉、沉澱池和水溝中的淤泥應及時清理，每年雨季前必須清理一次。 在礦井發生水災時，礦井主排水泵不能停，水泵司機必須堅守崗位。

I. 礦井水害防治的技術路線

澄合礦區提出的「監測預報，超前探測，探治結合，綜合防護」四位一體綜合防治水害技術體系的主要內容及目的為:

1)監測預報主要包含了兩個方面的內容，一是針對相對富水區段實時監測井下涌水點、奧灰岩及K₂含水層，及時地掌握涌水量的動態變化規律，從而快速判斷井下突水的突水水源及類型;另一是基於水文地質條件調查分析，進行預測預報:①區域預測。區域性水害預測是建立在礦井水文地質條件分析的基礎上，綜合巷道施工、鑽孔資料、泉水和地表水資料、地質構造、水文、水化學特徵等資料，進行全面、系統的分析和研究，從宏觀上確定嚴重突水威脅區、突水威脅區和無突水威脅區域，用以指導礦井防治水工作。②局部預報。局部的水害預報主要針對不同的採掘工作面、不同的地質構造部位和不同的含水層或隔水層進行綜合分析，對採掘工作面或巷道進行水害評價;或根據近期降雨預報與井下監測結果，對突水威脅區域或嚴重突水威脅區進行局部或短期的預報。

監測預報是「四位一體綜合防治水技術體系」的基礎，而水文地質勘查是監測預報的基本手段。

2)超前探測主要是在工作面掘進前開展水文地質補充勘探，並以井下直流電法進行超前探測;工作面、巷道掘進時採用進行井下直流電法超前探測和鑽孔驗證，圈定水文地質異常區;工作面回採前用直流電法及音頻電透視探測隔水層富水塊段及原始導高，以鑽探成果深化對底板水文地質條件的認識;在工作面回採過程中，實時監測水位水壓變化規律，預測突水危險性。

超前探測是「四位一體綜合防治水技術體系」的關鍵，而水文地質物探是超前探測的主要方法。

3)探治結合是根據超前探測圈定的水文地質異常區，分不同情況實施預防措施:①煤層底板存在奧灰水威脅的地段進行注漿改造，通過注漿改造底板，提高隔水層有效厚度和完整性，增強其阻水性能; ②巷道接近老窖積水區段時，應邊探邊采，進行探放水或構築密閉牆，防止老礦采空區突水。探治結合是 「四位一體綜合防治水技術體系」的核心，注漿改造是實現探治結合的重要途徑。

4) 綜合防護是採取非工程措施提前做好水害事故預防工作，主要包括: ①在突水威脅區域掘進時，設避水災硐室，在硐室內安裝電話，壓風自救器，食物和水等。②在掘進頭附近設立專門的報警電話，以便在水災發生時能及時通知調度室。③實行遠距離放炮等安全措施。④設立避災路線，在井下懸掛明顯避災路線的標志，並傳達到井下每位作業人員。⑤編制礦井防治水緊急處理預案，定期進行演練。⑥定期向全礦進行礦井水情水害情況通報，舉行防治水專職培訓和講座。為了實現上述水害防治技術措施，具體技術路線如圖 7. 1 所示。

圖 7. 1 澄合礦區四位一體綜合防治水技術體系圖

1) 建井和生產前，開展礦區水文地質勘探，提供地質、水文地質等基礎資料。全面把握區域地質構造情況、水煤空間組合關系等，分析預測充 ( 突) 水條件、水害類型等，提出預防處理措施。

2) 開展礦區水文地質探查，採用三維地震、瞬變電磁法查清主要可採煤層的底板起伏情況及地質異常體; 查清隱伏災害性較大的含水、導水地質構造 ( 如導水裂隙發育帶等突水通道) 具體位置及煤層底板導水構造的富水性平面分布規律，並對潛在突水通道作出預測。

3) 在地面物探基礎上，工作面巷道掘進過程中，利用直流電法對地面物探異常區進行超前探測，其超前探測有效距離一般為 60 ～80 m。

4) 工作面巷道形成後，利用高分辨直流電法對工作面底板進行了綜合探測，對工作面底板構造及其富水性進行評價，並圈定可能發生的突水危險區。

5) 採用鑽探方法進行探查和驗證，在查清水害威脅程度的基礎上採用相應的方法和措施進行防護和治理。

6)對煤層底板存在奧灰水威脅的地段進行注漿改造，通過注漿改造底板，提高隔水層有效厚度和完整性，增強其阻水性能。

7)對存在老窖積水威脅的區段，應提前探測，加強疏排。

8)建立地下水動態監測系統，對威脅礦井安全生產的奧灰岩和K₂段含水層進行動態監測，根據水壓變化，制定有針對性的防治水措施。

9)進行綜合防護，編制水害應急救援預案。

J. 礦井防治水方法研究

（一）煤層底板高壓灰岩水帶壓開采技術

對於華北型煤田，防範煤層底板水的主要方法是帶水壓安全開采。雖然深部高壓水存在，若充分利用隔水層的防護作用，可消減部分水壓值，在不進行或很少進行疏水降壓的情況下將可實現帶壓開采。當礦井採煤工作面突水系數T_s大於0.06MPa/m時，應當採用降壓疏干或（和）煤層底板注漿加固方法減小突水系數，以保證煤礦安全生產。

1.帶壓開采技術

與華北型煤田類似，鄭煤集團各礦井二₁煤開采應採用帶壓開采技術。所謂帶壓開采就是煤層底板受承壓水威脅，充分利用煤層底板至承壓含水層間隔水層性能，在不採取或在國家經濟、技術條件許可情況下，採取某些技術措施後，實現安全採掘的一種綜合性防治水技術。國內外對該技術曾做過大量研究，特別是近幾年在我國進行了較為廣泛而深入的研究，取得了顯著成績。

評價帶壓開采安全的標準是突水系數。20世紀60年代由煤炭工業組織的焦作會戰提出的突水系數是

鄭州煤礦區水害防治規劃研究

式中：P——水壓值（MPa）；

M——隔水層厚度（m）。

20世紀70年代煤炭科學研究總院西安分院和其他有關單位對上式所表示的突水系數進行了修正，提出以下突水系數公式：

鄭州煤礦區水害防治規劃研究

式中：C_p——采動後底板導水破壞深度（m），其他符號同前。

該公式1984年5月由煤炭工業部正式批准作為礦井水文地質規程防治底板突水的依據，並於1986年寫入「煤礦防治水工作條例（試行）中」。

突水系數在以往的應用中取得了顯著成效，解放了受水害威脅的大量煤炭資源，特別是在突水可能性分區上已有了較為明確的界限值，所以在評價鄭煤集團各煤礦二₁煤帶壓開采時，我們採用了煤炭科學研究總院西安分院提出的公式。

就整個華北型煤田而言，關於底板奧陶系灰岩突水可能性分區問題，可以考慮以下方案：

Ⅰ區：奧陶系灰岩承壓水面以上的地區；

Ⅱ區：奧陶系灰岩承壓水面以下，但突水系數T_s＜0.06MPa/m；

Ⅲ區：突水系數T_s介於0.06～0.15MPa/m的地區；

Ⅳ區：突水系數T_s＞0.15MPa/m的地區。

Ⅰ區不存在底板奧陶系灰岩突水問題；Ⅱ區為可能發生底板突水危險地區，應在加強礦井防治水工作的情況下進行帶壓開采；Ⅲ區發生底板突水危險較大，僅在構造簡單的地段採取可靠安全技術措施後才可進行帶壓開采；Ⅳ區是發生底板突水最危險的地段，底板突水是不可避免的，只有在採取疏水降壓把突水系數T_s減小到0.15MPa/m以下才能實施帶壓開采。

按照以上公式，我們初步計算了奧陶系灰岩含水層對二₁煤層的突水系數。結果顯示，本井田內存在突水系數超過臨界突水系數，需要進行底板水防治和底板改造。

為了在本井田實施帶壓開采技術，必須做好以下工作：

1）把防治水工作的重點放在二₁煤層頂板砂岩水和底板奧陶系灰岩水上，採用綜合物探、化探和鑽探等各種手段，查明陷落柱、斷層和裂隙密集帶等，以及固井質量差的廢舊鑽孔；並採用留設防水煤柱或底板加固等手段對地質異常體進行改造，做到採煤工作面底板不出水或不出大水，以節約排水費用，保護水資源和生態環境。

2）根據涌水量預測結果，適當加大礦井和採煤工作面排水能力，以防不測。

3）發展突水預測預報技術。實現突水預測預報的可視化和適時化，建立水害預警系統，推進礦井防治水信息系統集成。

4）在採掘過程中為防治底板出現災害性突水，應堅持先探後掘、先探後采和先注漿後掘進、先注漿後回採的技術原則。為了節約工程量和保證安全，在採取鑽探、物探、化探等綜合手段時，應堅持物化探先行、鑽探驗證的技術方法，以杜絕採掘巷道誤揭陷落柱和落差大的斷層。

5）關於避災路線和通訊聯系。在有突水危險，尤其是有大危險突水的地區，安全暢通的避災路線是保證不發生人員傷亡的有效途徑。同時應具備暢通的通訊聯系，以達到及時將井下的情況迅速報告和將調度命令傳達到每一個井下工作人員的目的。

6）礦井防治水工作管理。煤礦設專門負責礦井防治水領導小組，配備探水鑽和專職探水組。嚴格地講沒有徵兆的突水是不存在的，所以每個生產班應設水情觀測員負責水文地質資料收集和突水前兆觀測。

2.中間指示層

為了研究奧陶系灰岩含水層與太原組薄層灰岩的水力聯系，在帶壓開采工作面各布置了一個中間層地下水動態監測孔，本規劃還要求在今後設計的每一個采面中，至少應布置一個中間層地下水動態監測孔。終孔層位在L_1-4薄層灰岩底面。

3.煤層底板注漿加固改造

應根據物探及鑽探探測結果，分析煤層底板的實際情況，對煤層底板存在垂向越導通道的區段，進行注漿加固，以防堵為主，確定注漿層位。注漿層位可以是奧陶系灰岩頂部含水層、薄層灰岩含水層和隔水層中的可注層位及構造薄弱帶。目前焦作和肥城等大水礦區已成功地在九里山、韓王等多個礦區實施底板注漿加固改造，取得了巨大經濟效益。

應對准備注漿加固的工作區編制專門設計方案，其中包括注漿層位、注漿孔布置、注漿方法、注漿系統和注漿工藝等。

4.疏干降壓

疏干降壓一般應在主要充水含水層（薄層灰岩含水層）中進行。可以採用疏干鑽孔、疏干巷道等。對於鄭煤集團各礦井，由於煤層下部的L₇，L₈灰岩處於煤層底板采動破壞帶內，由於采動裂隙的存在，L₇，L₈灰岩水勢必通過采動裂隙進入回採空間，增大工作面的涌水量，在個別富水區段還可能引起涌水量過大而影響生產，因此，應對L₇，L₈灰岩進行超前疏干降壓，減少其對工作面回採的影響。准備實施疏干降壓的礦井，應進行數值模擬計算，以確定疏干漏斗和疏干水量的變化。

疏干降壓應編寫專門設計，內容包括疏干降壓工程布置，疏干降壓計算結果以及疏干降壓的安全措施等。

（二）頂板砂岩水控制技術

1.頂板砂岩富水性探測

由於在不同岩石所組成的地質體中，岩石的含水性對其相對電阻率有較大的影響，含水地層具有相對電阻率較低的物性特點，且含水程度的差異與地層電阻率的變化幅度相對應，所以，通常採用電磁探測技術測量地下地質體中的電性分布規律進而達到探查礦區導含水地質體的分布及其導含水條件。這種對地層電性參數的獲取是三維地震等彈性探測方法所不能及的。

在工作面形成以前，應首先在地表進行瞬變電磁法勘探，探查頂板砂岩的富水性。

在採煤工作面形成後，直流電法在下巷中進行，而音頻電穿透則需同時在上巷和下巷中進行。直流電法對地質異常體在垂向上的分布分辨比較清晰，而音頻電穿透法對地質異常體的位置分辨比較清晰，因此兩者結合可以取得滿意的效果。

（1）音頻電穿透法

音頻電穿透法是利用電磁波在介質中傳播時，其電流強度隨介質層電阻率的大小而有規律變化的特徵，進而計算出穿透各點的視電阻率相對關系，做出反映探測區域富水性強的等視電阻率平面等值線圖，並可結合具體水文地質條件推斷出頂底板含水體的性質、富水性大小、空間形態及分布范圍，為防治水工作提供依據。該方法的主要用途如下：

1）採煤工作面底板下100m內富水區域探測；

2）採煤工作面頂板100m內富水范圍探測；

3）工作面內老窯分布范圍探測；

本規劃選用這種方法探測井下工作面隱伏含水斷層、破壞帶和裂隙帶空間位置及其賦水性變化。

（2）井下直流電法

井下直流電法主要用於巷道頂底板探查，工作面頂板探查和掘進堵頭超前探測。具體解決以下問題。

1）巷道頂底板探查：①利用現有的巷道工作，探查深度可達100m，可探測含水層深度，局部富水體深度范圍、導升高度及沿巷道方向分布寬度；②提供沿巷道方向垂向電阻率切片剖面，用於解釋工作面巷道底板100m深度內的含水、導水體，潛在的突水通道、底板隔水厚度、含水層厚度、含水層原始導升高度；③要求巷道內無大范圍積水。

2）工作面頂底板探查：①改變工作方法利用巷道側壁可以探測工作面內的隱伏含水構造；②利用多條巷道（上巷、下巷、切眼等）的數據進行立體成圖——對工作面底板不同深度進行類似「CT」成像的斷面、平面切片，分離出電法含水異常區域，得到視電阻率異常斷面圖、平面圖，進行立體解釋。

3）掘進堵頭超前探查：①利用巷道超前探測使用三極空間交會探測法，可以預測堵頭前方80m范圍內存在的導、含水構造（斷層、陷落柱、裂隙破碎帶、老窯巷道），提供前方80m范圍內岩石的視電阻率變化信息；②異常為相對異常，可以肯定解釋正常區不會存在突水或出水的危險，解釋的異常區不能肯定一定出水；③預測堵頭的後方必須有不小於前方探測深度的施工空間；④智能傻瓜化資料處理，容易掌握使用。

2.采動三帶的探測

煤層頂板采動三帶的探測採用水文地質鑽孔觀測法和物探方法結合的探測方法。

（1）水文地質鑽孔觀測法

水文地質鑽孔觀測法的實質是在采空區地面布置一定數量的觀測鑽孔，在鑽進過程中測定鑽孔沖洗液的漏失量、鑽孔水位變化，並記錄各種異常現象，經綜合分析確定垮落帶和斷裂帶的最大高度及破壞特徵。

1）觀測內容和方法：①鑽孔沖洗液漏失量觀測。沖洗液漏失量是指鑽進單位時間或單位進尺沖洗液的漏失量。通過對鑽孔中沖洗液漏失量的觀測，可以確定斷裂帶的頂點以及了解垮落帶和斷裂帶內覆岩的破壞特徵。沖洗液漏失量的測定方法有兩種：一是使用流量表觀測，另一種是測定水池中水量的變化。②鑽孔水位觀測。在鑽孔沖洗液正常循環過程中以及沖洗液完全漏失前，應對鑽孔中的水位變化進行觀測，這也是確定斷裂帶頂點和覆岩破壞的重要標志。③鑽孔沖洗液循環中斷狀況觀測。此時應記錄鑽孔深度和鑽孔沖洗液循環中斷的時間。④記錄鑽進過程中的異常現象。在鑽進過程中，及時記錄掉鑽、卡鑽及鑽具振動等異常現象，此外還應注意有無吸風或瓦斯湧出現象。

2）觀測結果的分析整理。導水裂縫帶高度主要是根據鑽孔沖洗液消耗量和鑽孔水位觀測等結果加以確定，垮落帶高度則主要是根據鑽進異常現象加以確定。各觀測鑽孔一般均在第四系下套管止水後開始觀測，一般可分為3種類型，其一是從某一孔深位置開始，鑽孔沖洗液消耗量明顯增大，孔內水位顯著下降，而且向下鑽進時繼續保持這種趨勢，直至鑽孔沖洗液全部漏失，孔內水位很低或無水；其二則是從某一孔深位置開始，鑽孔沖洗液突然全部漏失，孔內水位很低或無水；其三是導水裂縫帶頂界以上的岩層程度不同地出現鑽孔沖洗液全部漏失現象，甚至同時伴有孔內水位很低或無水現象。位於淺部區且岩柱尺寸較小的鑽孔一般均屬前兩種類型，而位於深部區及岩柱尺寸較大的鑽孔一般則屬後一種類型。鑽孔沖洗液法具有簡單、易操作、可靠、實用、觀測數據較能反映實際導水情況等優點，是獲取冒落帶和導水裂縫帶高度及特徵的基本方法。

i.裂隙帶頂點的確定。有下列情況之一時，即可認為進入了裂縫帶：①若岩體的原始滲透性較差，當鑽孔的沖洗液漏失量顯著增加，即大於1L/min或0.1L/s·m時；②鑽孔水位顯著降低，水位下降速度加快，甚至無水時；③岩心有縱向裂縫及輕微吸風現象時。

ii.垮落帶頂點的確定。鑽孔進入垮落帶以前，沖洗液早已完全漏失，孔內無水。此時應根據鑽進中的異常現象及岩心破碎情況來確定垮落帶的頂點。

iii.垮落帶和導水裂縫帶高度的確定。垮落帶和導水裂縫帶的高度，分別等於鑽孔孔口至煤層的垂直距離減去垮落帶和裂縫帶起始點的鑽孔孔深。考慮到垮落帶和裂縫帶內覆岩的壓縮量，因此有

H_垮=H-h₁+W

H_導=H-h₂+W

式中：H——鑽孔孔口至煤層頂面的垂直距離（m）；

h₁——垮落帶起始點至鑽孔孔口的垂直距離（m）；

h₂——裂縫帶起始點至鑽孔孔口的垂直距離（m）；

W——垮落帶和裂縫帶內覆岩的壓縮量，相當於打鑽過程中地表點的下沉值（m）。

3）鑽孔的孔位、孔徑、孔數及施工時間。鑽孔孔數一般以5個為宜，分布布置在采空區地面沿煤層走向和傾向主斷面上，每個主斷面上布置3個鑽孔，其中一個位於兩個主斷面的交點上，鑽孔位置應選在能獲得垮落帶和裂縫帶的最大高度的地方，走向主斷面上鑽孔應位於距開切眼30～50m、距停采線20～30m的采空區內，傾向斷面上采空區中央應布置一觀測鑽孔，其餘兩個鑽孔應設在距回風巷和運輸巷3～5m的采空區一側地表。鑽孔孔徑一般為91mm。

（2）形變-電阻率探測法

1）基本原理。岩體的電阻率大小不僅取決於岩性，還與岩體中的裂隙大小、裂隙數量及充水程度密切相關。地下煤層采出後，上覆岩體遭受破壞，裂隙增多，阻礙了電流傳導，導致電阻率增大。但若裂隙內充水，因水的導電性能優於岩體，電阻率便相應降低。因此，對比開采前後岩體電阻率的變化規律，就可探測出覆岩的破壞高度和破壞形態。

2）觀測方法。首先，在某一固定點上測量岩體電阻率隨深度的變化，以確定岩體的破壞高度。固定O點，對稱地打入A₁B₁及M₁N₁電極，M₁N₁的距離一般可取為A₁B₁距離的1/30～1/3。通過測量電流及電位差，即可計算出探測高度為A₁B₁/2時的視電阻率ρ_s1。加大供電極距到A₂B₂，測量電極距按比例擴大至M₂N₂，獲得探測深度為A₂B₂/2時的視電阻率ρ_s2。依此進行，即可得出視電阻率ρ_a隨探測深度的變化曲線。實際上真正的探測深度H與供電極距AB具有如下關系：

鄭州煤礦區水害防治規劃研究

式中換算系數K因地而異，可依實測資料反演得出。

之後，固定某一探測深度H，測量岩體視電阻率ρ_a隨某一剖面的變化。對比開采之後視電阻率的變化情況，則可確定出覆岩的破壞高度和沿某剖面覆岩的破壞形態。鑽孔沖洗液消耗量觀測法（簡稱為鑽孔沖洗液法）是通過直接測定鑽進過程中的鑽孔沖洗液消耗量、鑽孔水位、鑽進速度、卡鑽、掉鑽、鑽孔吸風、岩心觀察及地質描述等資料來綜合判定垮落帶和導水裂縫帶高度及其破壞特徵的一種方法。

3.頂板砂岩水的預疏放

對頂板砂岩水進行預疏放為工作面回採大幅度降低水壓，以防頂板冒落時大流量突水沖潰工作面，減少工作面涌水對回採的影響。一般採取兩種形式：

1）頂板疏放鑽孔。在用物探手段查明頂板富水區的前提下，為了減少頂板砂岩水對回採的影響，探明工作面頂板上方岩層賦水狀況，對二₁煤頂板上覆含水層進行預疏放，對頂板砂岩水提前疏水降壓，降低由於頂板冒落引起頂板水集中湧入工作面的峰值強度，消除或減弱工作面回採時砂岩水對開採的威脅。在工作面上巷施工放水鑽孔，將頂板砂岩水相對集中的涌水方式改為相對分散的、循序漸進的逐段放水方式。分析水文地質條件，調查礦井裂隙發育方向，提高單個鑽孔放水效率，擴大放水區域，減少放水孔數量。為獲得頂板砂岩資料，將放水鑽孔水文地質條件探測分解消化於逐段放水之中。

2）疏水巷。當放水鑽孔對頂板砂岩含水層疏放效果不理想時，可以在適當地段修建疏水巷道，該巷道應與頂板砂岩徑流方向垂直，盡可能切穿頂板砂岩裂隙，以達到最佳的放水效果。通過疏水巷道對工作面頂板砂岩含水層的襲奪，形成以疏水巷道為中心的降落漏斗，達到減少工作面涌水的目的。

4.排水措施

由於煤層頂板主要為數百米的砂岩弱含水層，含水性雖然較弱，但存在局部強含水段。採用放頂煤工藝後，頂板破壞加大，導水裂隙發育向上延伸可達百米以上，上下溝通多個含水段。採煤後隨著頂板垮落，上覆砂岩水多從老塘以老塘水形式湧出，老塘水受到堵塞時積聚，當壓力升高超過臨界值時突然湧出，危害嚴重，因此需考慮對涌水採取排水措施。

（1）采空區埋設花管

為了將采空區積水引出采空區，可預先在采空區每隔20m設置一根花管，沿下巷向上巷布置，花管長100m左右。將采空區水引至下巷排出。需要說明的是由於二₁煤較軟，因此並不能完全將涌水排除，該花管只能減少涌水在采空區的積聚，減小大量積水對工作面生產的危害。

（2）施工泄水巷

1）專用泄水巷。專用泄水巷在工作面下巷北側，距離下巷約5m，在煤層底板下的細砂岩中修建，泄水巷涌水採用自流形式。每隔50m施工一條聯絡巷，或在低凹地段設置聯絡巷，將工作面涌水排除，這樣可以在水量較大的情況下仍不影響生產。

2）施工雙下巷。在距離工作面下巷約20m處再施工一條巷道，該巷道對工作面可以作為泄水巷，可以將工作面涌水排出，同時該巷道也可以作為相鄰工作面的上巷。每隔50m設一條聯絡巷，以保證工作面涌水順利進入泄水巷。缺點是增加了掘進巷道，同時增加了維護費用。