防治水探測方法有哪些

㈠ 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。

㈡ 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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㈢ 探測與監測

一、礦井物探技術應用

隨著礦井開采深度的增加和開采強度的加大，煤層底板突水的頻率也日益增加，焦作礦區除了加強水文地質預測預報及井下鑽探工作外，還大力開展了物探技術的推廣與應用，先後引進了礦井直流電法儀、無線電波坑透儀、瑞雷波儀、音頻電透儀、加拿大GEONICS公司TEM47瞬變電磁儀、地質雷達和超低頻遙感地質探測儀，應用效果非常顯著。這里主要研究的是礦井物探技術在防治水方面的應用，另外介紹了超低頻遙感地質探測儀的應用，它和其他物探儀器原理差別較大。

礦井物探技術在礦井防治水方面主要用於探測工作面頂、底板含水層貧富水區域劃分；巷道頂底板及側幫構造帶和富水區；巷道掘進頭前方構造帶和富水區；放水孔或底板注漿孔孔位確定；工作面內部隱伏構造帶、夾矸及薄煤帶位置；煤層厚度快速探測等。以下就各類物探技術的特點和應用效果加以綜述。

1.直流電法

礦井下通常應用三極測深法和對稱四極測深法。根據探測目的不同，直流電法工作裝置形式有多種形式。三極測深法工作裝置形式為A—M-O-N—B（∞），四極測深法工作裝置形式為A—M-O-N—B。兩種方法M、N均為測量電極，用於探測地電場電壓，根據測出的電流、電壓值結合裝置系數就可以換算出地層視電阻率值；A、B均為供電電極，用於向岩層供電。直流電法一般供電極距越長，供電電場分布范圍越廣，探測深度和兩邊輻射范圍越大。通過對不同地點、不同深度地層的視電阻率值進行全方位探測和綜合分析，就可以達到研究岩層、礦體或構造等的目的。

直流電法探測是以煤、岩層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入穩定電流，觀測大地電流場的分布規律，從而確定岩、礦體物性分布規律或地質構造特徵。

直流電法具有方法靈活、理論成熟、抗干擾能力強、儀器簡便的優點，可用於劃分岩層貧富水區域、探測巷道附近構造破碎帶位置、工作面採煤時的易煤層底板突水地段或確定放水孔孔位等。以下為幾個探測實例。

圖3-23為焦作礦區某工作面回風巷直流電法探測富水性區域斷面圖。直流電法探測結果認為，該工作面切巷往外0～100m段採煤時煤層底板極易發生煤層底板突水災害。在生產工程中，實際採煤時到65m處底板發生煤層底板突水，煤層底板突水量達160m³/h。對此及時進行了預測預報，礦井提前採取了防治水措施，該工作面得以安全採煤。該工作面切巷向外0～220m段採煤時煤層底板極易發生煤層底板突水災害。通過對地質資料分析也認為，此段L₈灰岩可能與下伏L₂灰岩甚至O₂灰岩導通，煤層底板突水水源補給充分。井下數據採集重復了3次，結果雷同，因此建議此段跳采。焦作煤業集團公司有關領導研究直流電法探測結果後，決定在220m處重開切巷向外採煤，目前已按新方案安全採煤。

圖3-23 焦作礦區某工作面回風巷直流電法探測富水性區域斷面圖

該圖中較深藍色代表低阻區，可以看出低阻區距巷道底板距離較遠，L₈灰岩含水層導高較小。直流電法探測結果認為，該工作面採煤時煤層底板不會發生煤層底板突水災害。實際生產過程中採煤非常順利，證明直流電法探測結果是正確的。

圖3-24 焦作礦區某工作面低阻異常中心區域放水孔布置圖

圖3-24為焦作礦區某工作面低阻異常中心區域放水孔布置圖。根據直流電法探測結果，在該工作面低阻異常中心區域布置了4^＃放水孔，鑽孔涌水量為82m³/h。

2.無線電波坑透

無線電波坑透儀可以探測工作面內部隱伏構造帶、夾矸及薄煤帶等異常體，從而為工作面採煤設計提供依據。無線電波坑透技術的原理主要如下：將發射機和接收機分別放置於採煤工作面兩條相對巷道（運輸巷和回風巷）中，利用發射機發出的無線電波在煤層中傳播時被與煤層電性不同的地質體如斷層、陷落柱、夾矸或其他地質體等吸收，造成衰減系數的差異，從而形成接收信號的陰影區。交替變換發射機和接收機的位置，就可以對陰影區進行交會，從而確定異常體位置和大小。

圖3-25為焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖。無線電波坑透探測結果認為，工作面切巷到回風巷43號測點和運輸巷41號測點連線處圈定區域為異常區，結合地質資料分析為薄煤帶。經鑽探驗證確實為薄煤帶，因此根據無線電波坑透探測結果，改變原來設計方案，在回風巷39號點和運輸巷40號點連線處（圖中紅線）重開切巷，再開始生產。

圖3-25 焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖

圖3-26為焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖。無線電波坑透探測結果認為，圈定的回風巷裡段斷層位置與工作面採煤時實際揭露情況完全吻合。

圖3-26 焦作礦區某工作面無線電波坑透探測成果圖

3.瑞雷波

瑞雷波技術探測優點是快速，全方位，施工靈活，定位誤差小。瑞雷波技術探測的原理主要如下：根據不同頻率的瑞雷波沿深度方向衰減的差異，通過測量不同頻率成分（反映不同深度，高頻反映淺，低頻反映深）瑞雷波的傳播速度來探測不同深度煤層和頂、底板岩層及其中的斷層、喀斯特等地質異常體。

圖3-27為焦作礦區某巷道瑞雷波超前探測成果圖。在巷道迎頭瑞雷波技術超前探測時，發現前方20.78～25.28m段為斷裂破碎區，實際鑽探證實為20.35m見斷層，誤差僅為0.43m。

圖3-27 焦作礦區某巷道瑞雷波超前探測成果圖

4.音頻電透

音頻電透視技術是根據CT掃描工作原理，利用兩條相對巷道（如工作面回風巷和運輸巷）交替進行發射和接收，記錄發射電流和接收的一次場電位差，結合工作面幾何參數（寬度、長度等位置關系）計算出每個發射點對應的每個接收點的視電導率值（視電阻率值的倒數），通過多重交會，繪制出工作面內部一定深度范圍內岩層視電導率值的平面等值線圖，從而得知此范圍內富、導水區域平面分布的位置與特徵。音頻電透視技術是以煤、岩層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入音頻范圍內的低頻電流，觀察大地電流場的分布規律，從而確定岩、礦體物性分布規律或地質構造特徵。一般情況下，工作頻率為15Hz時，探測深度大約為工作面寬度的一半，選用的工作頻率越低則電場穿透深度越大。

圖3-28為焦作礦區某工作面音頻電透探測成果圖。音頻電透探測結果認為，該圖中藍線視電導率值為6所圈藍色區域為煤層底板相對富水區，應為煤層底板注漿改造重點區域，需要加密鑽孔；其他區域可少布鑽孔；工作面回風巷116號點與運輸巷19號點連線往外可以不進行煤層底板注漿改造。實際在煤層底板注漿改造時，布置在高導異常區內的鑽孔平均出水量為86.3m³/h，低導正常區內鑽孔平均出水量是37.5m³/h，前者水量是後者的2倍多。工作面回風巷116號點與運輸巷19號點連線往外段打了4個鑽孔，平均水量是8.6m³/h，為相對不富水區。鑽探證實揭露情況與音頻電透探測結果相吻合。

圖3-28 焦作礦區某工作面音頻電透探測成果圖

5.瞬變電磁

瞬變電磁儀具有布置靈活、探測方向性強、對低阻區敏感、施工快速的優點，可以全方位探測巷道各個方向或工作面內部的相對富水區位置及形態、頂底板構造破碎區，確定工作面採煤時容易發生煤層底板突水地段、煤層底板注漿改造重點注意區域、放水孔位置等。

圖3-29瞬變電磁技術原理圖可以說明，瞬變電磁技術原理是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，當脈沖結束、發射回線中電流突然斷開後，地下介質中就要激勵起感應渦流場，以維持在斷開電流以前存在的磁場，此二次渦流場呈多個層殼的環帶型，隨著時間的延長，由發射回線附近介質逐步向下及向外擴展，不同時間到達不同深度和范圍。二次渦流場僅僅與地下介質的電性有關，因此利用線圈或接地電極觀測二次場即可了解地下介質的電阻率分布情況，從而達到探測目標體的目的。

圖3-29 瞬變電磁技術原理圖

圖3-30為焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率圖。在煤層底板L₈灰岩中開拓疏水巷時，在迎頭處利用瞬變電磁法，超前探測到迎頭前方33～42m段為相對低阻區，該方法判斷為相對富水區並得到鑽探證實。

圖3-31為焦作礦區瞬變電磁視電阻率斷面圖。利用該方法探測到巷道底板存在隱伏斷裂構造。通過在此布置放水孔，鑽孔涌水量為60m³/h此隱伏斷裂的含水性得到了證實。

圖3-30 焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率圖

圖3-31 瞬變電磁視電阻率斷面圖

圖3-32焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率斷面圖。在某運輸巷向下幫側（平行岩層傾向）探測距離110m處有無平行運輸巷走向、斷距為25m的斷層（該斷層為原地質勘探報告推斷結論），利用該方法否定了此處該斷層的存在（110m處為相對高阻），並得到鑽探證實。

圖3-32 焦作礦區某巷道瞬變電磁視電阻率斷面圖

圖3-33焦作礦區某工作面瞬變電磁視電阻率斷面圖。該圖為某工作面運輸巷瞬變電磁45°斜下方探測結果。探測時0～430m段已經完成煤層底板注漿改造，大部分區域顯示為相對高阻，但0～100m段下部阻值不高，認為是注漿改造效果差，需補打少量鑽孔；460～590m段因尚未注漿改造，顯示為相對低阻區，為煤層底板注漿改造重點區域。

圖3-33 焦作礦區某工作面運輸巷瞬變電磁視電阻率斷面圖

6.地質雷達

地質雷達是在礦井井下利用電磁波的傳播時間來確定所需探測反射體（斷層、陷落柱、喀斯特等地質異常體）的距離，它是礦井井下用於超前探測的有力工具。

7.超低頻遙感地質探測儀

北京大學課題組在國家863計劃資助下，研製了超低頻遙感地質探測儀，並於2002年5月成功申請專利，該裝置在石油天然氣勘探和水文工程地質勘探領域獲得較好應用。在煤田瓦斯方面，課題組研究成員已經在河南伊川鄭煤集團公司暴雨山煤礦和登封金嶺煤礦，進行了超低頻遙感地質探測試驗，探測曲線解釋基本正確，反映明顯，具有推廣應用價值。之後在鄭煤集團公司大平礦、超化礦進行超低頻遙感地質探測試驗。目前在鄭州礦區和將在焦作礦區應用。

8.綜合應用評述

直流電法技術主要用於劃分岩層貧富水區域，探測巷道附近構造破碎帶位置，工作面採煤時的易突水地段或確定放水孔孔位等。該方法優點是儀器簡便、理論成熟、抗干擾能力強、方法靈活；缺點是井下數據採集時必須保證電極接地條件良好，體積效應影響資料解釋時對異常區具體方位的准確判斷。

無線電波坑透技術主要用於探測工作面內部陷落柱形態，隱伏斷層構造帶位置，富水性區域，夾矸和薄煤帶等地質異常體。該儀器優點是儀器簡便，對異常區定位效果好，施工快速；缺點是同象異質現象明顯，井下數據採集時需斷開測區內電纜，避免電磁干擾，資料解釋時對異常區的定性判斷仍需與地質資料結合。

瑞雷波技術主要用於全方位探測巷道附近的喀斯特、岩層界面及斷層帶、富水區、裂隙發育區等地質異常體。該儀器優點是全方位、快速、定位誤差小、施工靈活；缺點是資料解釋時「定量」易而定性難，較易引起多解性，井下工作時需多次重復探測，提高結果的可靠性，探測深度較淺，一般不超過40m。

音頻電透技術主要用於探測整個工作面富水性的橫向變化情況和頂、底板岩層岩性。該方法優點是井下抗干擾能力較強，儀器精度高；缺點是資料解釋時對異常區的縱深位置不易准確判斷。

瞬變電磁技術主要用於全方位探測巷道各方向或工作面內部的頂底板相對富水區位置及形態、構造破碎區，確定工作面採煤時的易突水地段或放水孔位置，劃定煤層底板注漿改造重點區域等。該方法優點是適用於各種角度和方位探測，探測方向性強，對低阻區敏感，布置靈活，施工高效；缺點是井下工作時需注意盡量避開大的金屬干擾體，在某些理論問題上需要進一步研究。

礦井地質雷達探測技術的最大優點，既是礦井井下超前探測（探距30～40m）的有力工具，又具有施工點面積小，垂直、水平方向探測均可，探測的精度也比較高；缺點是抗干擾差。

物探技術經過幾十年發展，呈現出應用廣泛、技術豐富、儀器多樣的特點，但各種儀器和技術方法都有自己的適用范圍和優缺點。焦煤集團公司在多年推廣應用上述各種物探技術的實踐中，深感應充分了解各種物探儀器和技術的特點，針對性地使用的重要性。

總之，實際應用時應盡可能採用綜合物探手段，優缺互補，相互取長補短，多種方法並用，對目標體做出正確判斷，盡可能消除多解性，這樣才能滿足礦井生產多方面的需求，使得物探工作快速准確向著定性又定量的方向發展。應當指出，礦井物探技術的發展是幾十年來焦作礦區防治水工作者們積極探索的結果，這和前輩們與地測處防治水中心同行們的集體努力分不開。作者參加了部分實驗與研究工作。

二、焦作礦區井下水位監測系統

隨著礦井水平的延伸和采區的推進，目前大量的水文觀測孔被破壞，部分觀測孔因長期銹蝕而失去觀測價值，使一些生產地區沒有地下水水位資料，直接影響著這些地區的安全生產。往往花費幾十萬元施工的水文觀測孔，僅投入使用1～2個月就被破壞。如果在地面施工水文觀測孔，不僅需花費高額的資金，而且地面觀測孔容易遭受人為破壞。因此，建立井下水位監測系統已成為當務之急。

焦作煤業集團公司採取了許多行之有效的防治水措施，其中地下水位觀測系統的建立就是有效的防治水措施之一。地下水位觀測系統為工程技術人員及時准確地掌握地下水水位變化情況，制訂切實可行的防治水措施提供了依據。特別是當煤層底板突水發生後，地下水位動態變化能為准確判斷煤層底板突水水源，預測煤層底板突水水量的變化趨勢，採取相應的防治水措施提供依據。焦作礦區積極開展防治水工作，通過各種途徑同煤層底板突水災害作斗爭，到目前為止，已連續20年未發生淹井事故，礦井涌水量也由過去的650m³/min減少至目前的280m³/min。

1.水位監測系統

（1）水位監測系統在焦作礦區的發展歷史：20世紀80年代中、後期，焦作礦區就開始建立地面水文觀測孔水位遙測監測系統，但儀器供電電源為電池供電，沒有及時更換電池，而使儀器損壞。另外，野外遙測系統也容易遭受破壞。不易保護。因此，該系統沒有得到推廣應用。

20世紀90年代，因地面觀測孔的急劇減少，又缺乏資金在地面施工水文觀測孔，為滿足安全生產的需要，就在井下施工放水測壓孔，以了解地下水位的動態變化。水位的觀測部分礦井使用壓力表，另一部分礦井使用水位自動記錄。水位自動記錄儀雖然比用壓力表觀測井下水位先進得多，但水位自動記錄儀供電電源為充電電池，數據的存儲模塊必須上井後才能傳輸到微機，才能輸出水位數據，使用起來不方便，且使用壽命短。

21世紀初期，隨著信息技術迅猛發展，現代感測技術的日趨成熟，採用先進的自動監測方法已是大勢所趨。焦煤集團公司與煤科總院撫順分院合作，於2001年成功地在演馬庄礦建立起一套井下水位監測系統，該系統將計算機測控技術、計算機網路技術、遠程數據通信技術融為一體，強有力地實現了遠距離的井下水位數據採集、傳輸、實時數據集中監測、處理。該系統克服了以前水位監測系統的缺點，供電電源採用井下防爆供電電源，實現了全自動實時對井下水位進行監測，具有投資少，精度高，使用壽命長，操作方便的優點。

（2）水位監測系統組成及主要功能：系統由主站（地面監測中心站）和N個分站（井下水壓觀測站點）構成。

主站：由計算機、列印機、遠程數據通信設備及系統應用軟體（含系統控制、數據通訊、數據處理等），設在地面監測中心機房。

主站是通過遠程數據通信設備對井下分站進行遠程式控制制，實時獲取井下各觀測點的水壓數據，同步監測井下各水壓觀測點的水壓變化情況。並通過系統應用軟體將水壓數據進行整理、輯錄、顯示。根據需要利用系統應用軟體生成相關數據報表、繪制各類曲線、圖形、列印輸出等，同時還可以在網上，將相關數據傳輸。

分站：由高精度水壓感測器（或高精度壓力變送器）、數據採集器、數據通訊介面、遠程數據通信裝置、防爆電源、安全保護罩等組成。安裝在井下水壓觀測點。

分站完成水壓數據採集，實現水壓數據的遠距離傳輸。分站系統是通過壓力感測器反映水壓變化的物理量轉換為電壓（電流）形式的模擬量。該模擬量經由放大、模數轉換電路處理後再將其轉換為數字信號，通過數據採集器內置計算機系統對該數字信號進行處理並記錄到存儲器中，完成數據採集。與此同時數據採集器內置遠程通信介面設備也在不斷檢測主站信息。當檢測到主站要求發送數據指令信息時則由數據採集器內置計算機控制，通過遠程數據通信設備將數據採集器記錄的水壓數據發送至主站。

（3）系統主要技術指標

主站：硬體配置：intel P4 2.53 G/256 M DDR/80 G/16 倍 DVD/17 英寸液晶/56 K/100 M/A3幅面激光及彩色噴墨列印機；系統運行環境：Windows98 se/windows Me/win dows2000/windows XP；操作方式：全中文菜單式；觀測方式：實時監測；數據記錄方式：自動、手動任選；測量時間間隔：任意設置；暫存數據：≥1000組。

分站：防爆類型：本質安全型；壓力測量范圍：0～10MPa；感測器精度：±0.3%F·S；解析度：2.0cm；通訊距離：＞500m；傳輸速率：＞300pbS；分站個數：1～255（255Max）；環境溫度：0～+40℃。

2.井下水位監測系統使用情況

焦作礦區演馬庄礦於2001年12月建立了井下水位監測系統，由於資金等原因，當時僅設立了兩個分站，即在該礦25采區下山施工兩個測壓孔（L₈灰岩含水層），安裝SY1151壓力感測器，SY-1型數據採集器，數據通訊口，防爆電源。水壓數據經通訊電纜傳輸到地面主站，再根據用戶的需要，利用系統應用軟體生成相關數據報表（如日報、月報、年報），繪制各類曲線、圖形（如月曲線圖、月柱狀圖、年曲線圖、年柱狀圖），對水位進行實時監測。通過近幾年的使用，井下水位監測系統具有投資低、操作方便、數據准確可靠，使用壽命長等優點，克服了過去地面觀測孔測水位難，數據不準確，觀測孔易遭破壞等缺點。即使發生淹井事故，井下無供電電源，系統亦能利用本身電池正常工作一個月。2002年5月10日，井下水位監測系統顯示L₈灰岩含水層水位下降，就立即與井下聯系，得知25031工作面煤層底板突水，根據井下水位監測系統顯示的水位平穩下降趨勢，且沒有發現L₈灰岩含水層水位有反彈現象，判斷該煤層底板突水點水源為L₈灰岩，煤層底板突水點涌水量不會急劇增大，對安全生產不會造成大的影響。由此可見，井下水位監測系統能了解地下水位的動態變化，為判斷煤層底板突水水源，採取相應的防治水措施提供依據。

該系統於2003年底已建成投入使用，井下的水文孔資料直接在各礦計算機上顯示。目前焦作煤業集團公司和北京龍軟公司合作，將各礦與集團公司網路聯系起來，只要在集團公司的任何一部上網計算機上，進入水文監測系統網站，就能查閱到各生產礦井下各含水層的水位資料。目前正在進入試運行階段。

可以認為井水位監測系統是一項經實踐證明了的成熟技術。井下水位監測系統具有投資少、操作方便、數據准確可靠、使用壽命長等優點，能夠代替地面水文觀測網。井下水位監測系統具有推廣應用前景。探測和監測技術是高承壓水上採煤水害綜合控制技術的重要組成部分。

㈣ 採煤工作面水害條件探查

在工作面回採巷道形成後，應進行工作面水文地質條件探查，查明工作面底板灰岩含水層富水性，探查導水裂隙帶的存在及分布情況，煤層底板隔水層厚度，L_1-3灰岩或奧陶系灰岩水導升高度等，從而為工作面防治水提供依據。

工作面水文地質條件探查採用鑽探和井下音頻電透視、井下直流電法等物探方法進行。工作程序是，首先進行井下音頻電透視或井下直流電法物探，確定工作面導水斷層或導水裂隙帶的存在及分布，L_5-6灰岩含水層的富水性情況；利用鑽探對物探方法確定的薄弱帶、富水段進行驗證，同時確定煤層底板隔水層厚度、L_1-3灰岩和奧陶系灰岩水導升高度。

（一）井下物探手段

1.井下音頻電透視

音頻電透視方法是在上回風巷、下順槽施工，探測工作面內部煤層底板下0～50m層段含水層中富水性異常的分布范圍、走向及其富水性的相對強弱等情況，探查隔水層裂隙發育帶及其分布規律，為綜合分析煤層底板隔水層性能提供依據。

2.直流電法探測

採用礦井高分辨電測深技術在工作面的上回風巷、下順槽施工，探測底板下80m深度范圍內含水性異常的分布位置與深度，分析含水層的富水特徵。

上述兩種井下探測手段是礦井開采中較為常用的方法，且探測方法相對簡單。

首先在西翼采區22121工作面和東翼采區21091工作面進行井下音頻電透視和直流電法探測，研究超化煤礦特定物性條件下不同物探方法的適用性及其解釋規律，並推廣應用於其他工作面。

（二）煤層底板隔水層隔水性能的探查及評價

深部煤層開采將受到下伏奧陶系灰岩承壓含水層的底板突水威脅，因此煤層底板隔水層的隔水性能的探查及評價是帶壓開采研究的主要內容之一。主要包括以下內容：

1）奧陶系灰岩水原始導升高度和富水性的探查與研究。

2）煤底板原位地應力測試。

3）煤層底板薄層灰岩水入侵動態監測及水情預報。

（三）二₁煤下伏灰岩水的原始導升高度和富水性探測

據統計，華北型煤田在灰岩含水層頂部富集地段，煤層底板岩層底部都存在著不同程度的導升現象。灰岩水沿煤層底板隔水層裂隙的侵入，既降低底板隔水層的有效厚度，又在裂隙中積蓄了致裂的能量，產生裂隙尖端應力異常，在礦壓作用下導致裂隙擴展。因此，探查導升高度對突水評價具有重要意義。

探測導升高度較為有效的方法就是電法，另外，該法還可以探測灰岩的深度。這項工作開展之前應由水文地質技術人員作出設計，探測結果，也應由水文地質技術人員參與確定導升高度和煤層隔水層的有效厚度，並對工作面的水文地質條件進行簡單的評價。

電法探測一般是沿工作面的上下巷布置，具體採用直流電法還是音頻電透視法，應由水文地質技術人員確定。由於超化煤礦西翼采區突水系數較大，理論上對於每個工作面都應進行該項工作。

（四）底板原位地應力普查與監測

原位地應力的測量對底板突水評價非常重要，底板岩體的應力大小是底板破裂的主要原因，是評價底板阻水性能的重要數據。應力主要的構成因素有：岩性，構造地應力（包括新構造應力和殘余構造地應力），水壓派生地應力和采礦派生地應力。

地應力的測量方法主要有水壓致裂法、套芯法、套筒法和彈性波法等，其中水壓致裂法和套芯法工藝復雜，井下實施困難，彈性波法受岩體物理性質參數影響很大，精度較差。這樣，套筒法就成了礦井原位地應力測量行之有效的方法。

原位地應力測量分采前未受擾動底板地應力測量和開采過程中擾動地應力測量兩個階段，采前測到的地應力為靜態地應力（初始應力），在反演求參和正演模擬中作為初應力應用。采動過程中測得的地應力為動態地應力，作反演求參的擬合對象和判別采礦底板破壞深度的依據，根據岩石力學參數和初始地應力就可以用電演算法計算地應力場和底板破壞情況。這種方法的優點是可直接得到岩體的強度和破壞深度，缺點是沒有考慮水壓的作用，測點和測試時間短，對水的動態無法監測。

原位地應力測量將分兩個階段進行，第一階段為原位地應力普查階段，第二階段為地應力監測階段，各階段探測的意義和工程布置如下：

原位地應力普查：本規劃所涉及的塊段地質構造相對簡單，局部有斷層發育。通過原位地應力普查，了解采前底板的原位地應力場，為底板阻水性評價提供依據。

擬分別安排在西翼采區的22101和23051工作面內進行原位地應力普查。測試工作在兩個鑽孔中進行，總進尺約70m。測試將分采前和采動過程中兩次進行，第一次測試應在距切眼60m以外的鑽孔內完成，第二次測試應在距工作面10～30m范圍內的鑽孔內進行。每次測試應在同一工作班內完成，以減少工作面推進對應力產生的影響。每個岩性分層中都必須布置測點，對於較厚的岩層，每3m應設置一個測點。孔深6～15m范圍內，每1m布置一個測點，以較多的觀測數據來判定采礦對底板的破壞深度。每次測試的數據處理應在現場完成，以便發現問題及時補救。

具體的操作方法和施工要求將另行設計。

（五）底板突水條件監測預警

1）監測目的：通過對薄層灰岩岩溶水和底板地應力的動態變化監測，預測底板水情，確定底板岩體力學參數、導升裂隙發育高度和采動底板破壞深度，為採煤工作面的水文地質評價提供依據。

2）監測內容：水壓，水溫，應力，應變。

3）監測方法：在采礦過程中，由於煤層底板的應力場和滲流場均會發生變化，承壓水的入侵高度也將向上發展，產生遞進導升現象，以致造成底板突水。因此，底板突水伴有岩體應力變化，水壓、水溫變化，水量增加等一系列徵兆。這些徵兆就是突水預測預報的依據。通過感測器可把這些徵兆轉變成電磁信號，然後再將電磁信號轉換成地質信息。根據這些信息就可了解水情的變化，實現動態監測。

突水前兆監測系統由主控台（總站）、數據採集器（分站）和感測器組成。總站設在地面調度室或地測科，分站設在工作面的風巷或機巷內，感測器置於鑽孔內。

4）預測方法：將原位測試得到的靜態地應力作為初應力，監測的地應力增量作擬合的目標值，反求岩體力學參數和滲透系數。再用這些參數正演模擬開采過程，實現煤層底板突水條件的預警，並將正演結果以模擬圖形的形式輸出，實現可視化監測。

根據以往的力學計算，對於超化煤礦底板的厚度，監測范圍宜在采前和采後各60m的區段內進行。

底板突水檢測技術曾在淮北礦務局、皖北礦務局、澄合礦務局、韓城礦務局、肥城礦務局和臨城礦務局應用過，取得了很好的效果。其中，在韓城礦務局馬溝渠煤礦成功地預報了一次突水；淮北礦務局楊庄煤礦的檢測避免了工作面疏干降壓或底板加固工程。

該方法的優點是：①具有可視化功能。地面檢測中心（總站）可以用圖形的形式在屏幕上顯示出監測到的各種曲線和底板剖面應力場、滲流場動態等值線和底板的變形與破壞狀態。②具有預測功能。以原位測試得到的原始應力為初應力，利用有限元方法模擬開采，並計算出應力場、位移場和滲流場的動態值。以實現40～60m的超前預測，並以圖形顯示。③具有實時性特點。各種監測的物理量都可以在現場及時處理並顯示出結果。

缺點是：無法測到原位地應力，電算時初始應力值需借用原位地應力測試值或用理論值。

本項工作與底板原位地應力普查同步進行可相互補充，預測效果更佳，擬先在西翼采區的22101和東翼采區的23051工作面內進行，最終的工作面將根據生產情況由生產單位和科研單位確定。測試工作面需要兩個鑽孔，總進尺約70m，監測位置將根據工作面的情況而定。監測方法可推廣應用於後續工作面，監測之前應進行設計，詳細方法和措施將在設計中說明。

（六）礦井防突水保障信息系統

煤礦防治水是一項經常性、綜合性的系統工程，需要對多種信息進行及時准確的分析、計算，繪制所需圖、表，僅靠人力通過傳統的數據管理方法，不能滿足礦井防治水快速、及時、准確的要求。應盡快建立和完善礦井防突水保障信息系統，包括地測信息系統（已建立）、煤層底板阻水性能綜合評價體系、水化學快速判別系統。

1.煤層底板阻水性能綜合評價體系

煤層底板隔水層的阻水性能是決定防治水策略的重要因素，是帶壓開採的基礎，建立煤層底板阻水性能綜合評價體系，才能正確評價隔水層的阻水性能。隔水層的阻水性能是指在煤層底板承壓含水層水壓和采動壓力作用下阻止承壓水湧出的能力，與隔水層的岩性、厚度、組合情況以及空隙特徵有關。

煤層底板阻水性能綜合評價體系將通過煤層底板強度測試、現場壓水或注水試驗、室內模擬等方法建立。

2.水化學快速判別系統

不同的水源具有不同的水化學成分，因此根據水化學成分的不同可以判斷水的來源。礦井突水情況下，快速判斷突水水源，對於正確制定搶險救災方案，恢復礦井生產，減少突水損失都是至關重要的。水化學快速判別系統可根據礦井涌水的水化學成分，簡潔、高效地確定突水水源，其成本之低也是其他方法無法比擬的。因此，它是礦井防治水的重要手段。

㈤ 什麼是防治水三專兩探一撤

三專：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。

兩探：煤巷或半煤巷施工作業時必須同時使用物探和鑽探兩種探放水手段，查清掘進工作面周圍的水害隱患。

一撤：發現有透水徵兆必須立即撤離現場作業人員，組織工程技術人員分析原因，研究科學安全有效的治理措施。

根據《山西省煤礦防治水「三專兩探一撤」規定》

第一條為進一步提升煤礦防治水工作水平，有效防範化解煤礦重大水害風險，防止和減少水害事故發生，保障職工生命安全和健康，根據《安全生產法》、《煤礦安全規程》、《煤礦防治水細則》等，結合山西省煤礦水害防治工作實際，制定本規定。

第二條煤礦防治水工作必須堅持「預測預報、探掘分離、有掘必探、先探後掘、先治後采」的原則，根據不同的水文地質條件，採取探、防、堵、疏、排、截、監等綜合防治措施。

第三條煤礦防治水「三專兩探一撤」是指煤礦按要求配備防治水專業技術人員、建立專門的探放水隊伍、配齊專用的探放水設備，採用物探、鑽探等方法進行探放水，且在遇到重大險情時必須立即停產撤人等工作的統稱。

第四條煤炭企業、煤礦必須落實防治水的主體責任，建立健全防治水責任體系。

煤礦主要負責人(法定代表人、實際控制人，下同)是本單位防治水工作的第一責任人，必須採取工程措施、技術措施和管理措施防治各種水害，特別要保證「三專兩探一撤」規定的落實。

煤礦總工程師（技術負責人，下同）是防治水技術管理總負責人，負責組織制定「三專兩探一撤」各項規章制度、規劃和計劃、專項設計和安全技術措施，提出實施「三專兩探一撤」工作的專項資金使用建議。定期組織開展水患排查活動，研究制定和落實治理措施。

煤炭企業、煤礦應當設立防治水機構、配備防治水副總工程師和專業技術（管理）人員。防治水機構必須明確主要負責人、機構職能配置和人員編制。防治水副總工程師必須具有地質或水文地質相關專業學歷及中級以上技術職稱，主要協助總工程師做好防治水技術管理各項工作。

以上內容參考中國煤炭網-關於印發《山西省煤礦防治水「三專兩探一撤」規定》

㈥ 各位大俠有沒有什麼關於煤礦防治水的創新方法或者小改革之類的

在探放水上面找找
比如探放水工藝的改進
探放老空水、陷落柱水、斷層水的方法
或者物探探測的方法

㈦ 煤礦防治水專項技術研究

隨著超化煤礦開采水平的延深，煤層底板承受的水壓不斷增大，只有密切結合生產，開展高壓水上開采技術研究，加強防治水專項科學技術研究，才能不斷提高防治水技術水平和效率，保證煤礦安全生產。

在礦井當前生產的塊斷，即-100～-300m之間，地質構造相對簡單，遠離大型斷裂構造，有利於進行必要的防治水技術研究，以便取得經驗，推廣應用於後續塊斷。根據超化煤礦礦井水文地質條件研究現狀和礦井防治水需要，應盡快開展「超化煤礦高壓水上綜合防治水安全開采技術研究」。主要研究內容包括：

1）太原組薄層灰岩含水層的滲流場研究，包括含水層的富水性；含水層的滲流場分析；薄層灰岩水與奧陶系灰岩水的水力聯系。目標是了解太原組薄層灰岩含水層的水文地質條件。

2）超化煤礦二₁煤層底板隔水層阻水性能研究，包括底板隔水層有效厚度變化規律；底板隔水層的阻水系數確定；底板隔水層的強度分析。目標是確定隔水層的有效厚度及阻抗強度。

3）超化煤礦二₁煤層底板突水機理研究，包括滲流場和應力場耦合作用（岩水耦合作用）；煤層底板應力場分析及其對底板岩體的破壞作用；底板突水機理的相似材料模擬。目標是建立底板突水模型。

4）超化礦深部采區煤層底板突水的預測和預防技術研究，包括煤層底板突水前兆的監測方法；煤層底板突水的預測預報方法；煤層底板突水的預防措施。目標是探索底板突水的預測預報和預防方法。

防治水專項技術研究最終目標是形成一套適合超化煤礦二₁煤層開採的水害防治、探測及治理綜合技術，確保礦井生產安全、高產、高效，並為礦井深部受水威脅煤炭資源開采形成水害防治綜合配套技術，即礦井、采區和工作面水文地質條件探查配套技術；帶（水）壓安全開采和疏干降壓綜合配套技術；工作面底板突水監測和預報綜合配套技術；注漿堵水以及改進開采方法，減少底板破壞綜合配套技術。

㈧ 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。

㈨ 掘進工作面與採煤工作面防治水工程

掘進及回採工作面的防治水工作，應首先利用綜合物探方法，探測工作面內部及底板構造和富水區段，以便有效指導工作面布置設計及採掘過程中防治水工程技術實施。

（一）綜合物探

1.物探方法選擇

1）探測目的。主要目的是探測二₁煤及底板隔水層構造；採掘前方及底板富水區段；奧陶系灰岩水原始導高；底板薄弱區注漿效果檢查。

2）物探方法特徵。物探方法須對構造敏感；對富水區段敏感；針對性、有效性和可靠性強。

3）原則。以井下物探為主，地面物探為輔；以一種物探方法為主，其他物探方法為輔，盡量削減物探解譯多解性的不足；適合工作面地質、水文地質條件特徵。

2.物探方法

物探方法及其作用見圖1-6。

圖1-6 物探方法及作用圖解

（二）掘進工作面防治水工程

對於掘進工作面，主要防治水工程是超前物探。

超前物探主要採用直流電法，目的是發現採掘工作面前方的水體、如老窯水、斷層水、溶洞水等。鑽探主要是進行探放水。探放水工程應進行專門設計，並符合《煤礦安全規程》的規定。

（三）採煤工作面防治水工程

在採煤工作面布置的防治水工程主要是物探、鑽探、壓水試驗。

物探採用坑透、直流電法和音頻透視法，目的是發現斷層、陷落柱、裂隙破碎帶及奧陶系灰岩含水層的導升高度。

鑽探一般在物探標出的異常區段進行，目的是驗證物探結果，進一步探查底板水情。

應結合採煤工作面的地質和水文地質情況，編寫出詳細的物探和鑽探施工設計，並且要求設計符合有關規程的規定。

底板壓水試驗主要確定採煤對煤層底板的擾動破壞深度，壓水孔一般應布置在受採煤擾動最嚴重的地段，該項工作應進行專門設計。

㈩ 專門防治水措施

根據對影響荊各庄礦區9煤地板突水的主要影響因素的分析，結合我們做出的荊各庄礦區9煤層頂板突水危險性評價圖，並參考華北型煤田頂板突水的防治措施經驗，提出了以下幾點防治水措施:

(1)從荊各庄礦區9煤層頂板突水危險性評價圖(圖11.33)可以看出，突水概率大的區域為紅色區域，這些區域主要位於F₅斷層與F₈斷層交匯處以南，荊各庄向斜軸線以東以及F₁₆，F₂₆斷層周圍區域。該區域構造發育好，含水層富水性強，含水層滲透系數大，含水層水壓大，隔水層厚度和隔水層強度較小，是突水易發區。上述區域採掘過程中發生突水的可能性很大，對於這些區域我們主要可以採取以下措施:

1)在對易突水區進行採掘前，必須明確安全措施，編制探訪水設計;當開採到設計水平時，只有在建成防水、排水系統後，才可以開始向有突水危險的區域開拓掘進。

2)這些區域斷層發育，在探明斷層的位置、規模和產狀、斷層帶寬度、充填物、充填程度、斷層兩盤對接部位岩性及富水性、膠結物岩溶發育程度以及富水性的基礎上，在開采過程中加強監測。對區內導水斷層和斷層帶應該預留防水煤柱，嚴重的可採取局部疏水降壓或者兩盤預注漿等相應措施。

3)對含水層水頭壓力較大的采區，要採取疏水降壓的方法，根據現場經驗和具體情況，把水頭壓力降到隔水層能承受的安全水頭壓力以下。

4)這些區域的含水層富水性都較高，可採取疏水降壓方式實現安全開采。

5)對有效隔水層厚度薄的采區，針對這一特點應該採取隔水層加固和含水層改造措施，採取注漿封堵措施加固隔水層或改造含水層，以使其變成相對隔水層，進一步提高其隔水強度。

(2)從荊各庄礦區9煤層頂板突水危險性評價圖(圖11.33)可以看出，突水概率居中的區域為橙色區域，這些區域主要位於紅色區域周圍。這些區域構造發育較好，含水層滲透系數較大，含水層水壓較大，隔水層較薄，這些區域有突水的可能性;另外一些零散分布的斷層區域突水概率也居中，對於這些區域我們主要可以採取以下措施:

1)針對含水層建立地下水位觀測系統，每次降大暴雨時和降雨後，及時觀測井下水位變化情況，制定雨季防治水措施。

2)區內斷層較發育，規模較大，區內導水斷層及斷層帶也應該預留防水煤柱，並採取在斷層發育的區域內疏水降壓的措施。

3)對含水層水頭壓力較大的采區，也要採取疏水降壓的方法，把水頭壓力降到隔水層能承受的安全水頭壓力以下。

4)在有效隔水層厚度較薄的區域，針對這些特點應該採取隔水層加固和含水層改造的措施，採取注漿封堵措施加固隔水層或改造含水層，以使其變成相對隔水層，進一步提高其隔水強度。

(3)從荊各庄礦區9煤層頂板突水危險性評價圖(圖11.33)可以看出，突水概率較小的區域為黃色和綠色區域。該區域構造發育差，隔水層厚度大，含水層滲透系數較小，且礦壓小。這些區域在正常開采時一般不會發生突水，但在開采時也應對其地質構造特徵、水文地質條件、圍岩性質、開采方法以及岩層移動規律進行仔細研究和分析，採取一些相應的預防措施，選擇具體的防治水方法，以防突水發生。

總之，開采進行前必須提前做好水害預測預報工作，加強日常管理工作，做好水害排查制度，有針對性的進行水文地質工作，確保礦井安全開采。