防治水探测方法有哪些

㈠ 矿井水害防治的技术路线

澄合矿区提出的“监测预报，超前探测，探治结合，综合防护”四位一体综合防治水害技术体系的主要内容及目的为:

1)监测预报主要包含了两个方面的内容，一是针对相对富水区段实时监测井下涌水点、奥灰岩及K₂含水层，及时地掌握涌水量的动态变化规律，从而快速判断井下突水的突水水源及类型;另一是基于水文地质条件调查分析，进行预测预报:①区域预测。区域性水害预测是建立在矿井水文地质条件分析的基础上，综合巷道施工、钻孔资料、泉水和地表水资料、地质构造、水文、水化学特征等资料，进行全面、系统的分析和研究，从宏观上确定严重突水威胁区、突水威胁区和无突水威胁区域，用以指导矿井防治水工作。②局部预报。局部的水害预报主要针对不同的采掘工作面、不同的地质构造部位和不同的含水层或隔水层进行综合分析，对采掘工作面或巷道进行水害评价;或根据近期降雨预报与井下监测结果，对突水威胁区域或严重突水威胁区进行局部或短期的预报。

监测预报是“四位一体综合防治水技术体系”的基础，而水文地质勘查是监测预报的基本手段。

2)超前探测主要是在工作面掘进前开展水文地质补充勘探，并以井下直流电法进行超前探测;工作面、巷道掘进时采用进行井下直流电法超前探测和钻孔验证，圈定水文地质异常区;工作面回采前用直流电法及音频电透视探测隔水层富水块段及原始导高，以钻探成果深化对底板水文地质条件的认识;在工作面回采过程中，实时监测水位水压变化规律，预测突水危险性。

超前探测是“四位一体综合防治水技术体系”的关键，而水文地质物探是超前探测的主要方法。

3)探治结合是根据超前探测圈定的水文地质异常区，分不同情况实施预防措施:①煤层底板存在奥灰水威胁的地段进行注浆改造，通过注浆改造底板，提高隔水层有效厚度和完整性，增强其阻水性能; ②巷道接近老窖积水区段时，应边探边采，进行探放水或构筑密闭墙，防止老矿采空区突水。探治结合是 “四位一体综合防治水技术体系”的核心，注浆改造是实现探治结合的重要途径。

4) 综合防护是采取非工程措施提前做好水害事故预防工作，主要包括: ①在突水威胁区域掘进时，设避水灾硐室，在硐室内安装电话，压风自救器，食物和水等。②在掘进头附近设立专门的报警电话，以便在水灾发生时能及时通知调度室。③实行远距离放炮等安全措施。④设立避灾路线，在井下悬挂明显避灾路线的标志，并传达到井下每位作业人员。⑤编制矿井防治水紧急处理预案，定期进行演练。⑥定期向全矿进行矿井水情水害情况通报，举行防治水专职培训和讲座。为了实现上述水害防治技术措施，具体技术路线如图 7. 1 所示。

图 7. 1 澄合矿区四位一体综合防治水技术体系图

1) 建井和生产前，开展矿区水文地质勘探，提供地质、水文地质等基础资料。全面把握区域地质构造情况、水煤空间组合关系等，分析预测充 ( 突) 水条件、水害类型等，提出预防处理措施。

2) 开展矿区水文地质探查，采用三维地震、瞬变电磁法查清主要可采煤层的底板起伏情况及地质异常体; 查清隐伏灾害性较大的含水、导水地质构造 ( 如导水裂隙发育带等突水通道) 具体位置及煤层底板导水构造的富水性平面分布规律，并对潜在突水通道作出预测。

3) 在地面物探基础上，工作面巷道掘进过程中，利用直流电法对地面物探异常区进行超前探测，其超前探测有效距离一般为 60 ～80 m。

4) 工作面巷道形成后，利用高分辨直流电法对工作面底板进行了综合探测，对工作面底板构造及其富水性进行评价，并圈定可能发生的突水危险区。

5) 采用钻探方法进行探查和验证，在查清水害威胁程度的基础上采用相应的方法和措施进行防护和治理。

6)对煤层底板存在奥灰水威胁的地段进行注浆改造，通过注浆改造底板，提高隔水层有效厚度和完整性，增强其阻水性能。

7)对存在老窖积水威胁的区段，应提前探测，加强疏排。

8)建立地下水动态监测系统，对威胁矿井安全生产的奥灰岩和K₂段含水层进行动态监测，根据水压变化，制定有针对性的防治水措施。

9)进行综合防护，编制水害应急救援预案。

㈡ 煤矿水害防治方法

我国自20世纪70年代以来，煤矿防治水主要遵循“预防为主，防治结合”的原则，以查清水文地质条件为基础，因地制宜。针对不同的水害类型，采取不同的防治措施，防治水方法多种多样，有疏、有堵、有疏堵结合。在煤矿水害防治工作中坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的16字方针，并根据矿井水害实际情况制定相应的“防、堵、疏、排、截”综合防治措施(钟亚平，2001;赵铁锤，2007)。

在突水机理的研究上，先后提出了“突水系数”、“等效隔水层”和底板隔水层中存在“原始导高”等概念，认为底板突水机理是含水层富水性、隔水层厚度及其存在的天然裂隙、水压、矿压等因素的综合作用结果。在底板突水预测方面，模式识别方法、随机信息方法和脆弱性指数法等新方法得到了很好的应用(武强，2006，2007a，2007b，2009;靳德武，1998)。

在疏水降压方面，有地表疏干、井下疏干，也有井上、井下联合疏干。疏水降压是我国矿井防治水害的主要技术措施。国内除普遍采用经常性疏干排水外，还先后进行了峰峰矿区和淄博矿区的薄层灰岩水的疏干，和降压及邯郸矿区的疏干工作程序和疏干勘探方法。

在注浆堵水方面，堵水截流是我国矿井防治水害的重要方法。在静水与动水条件下注浆封堵突水点、矿区外围注浆帷幕截流等都有比较成熟的方法和经验。焦作、峰峰、煤炭坝等矿区都进行过这类工作，特别是成功封堵开滦范各庄矿特大型突水。

此外，钻探技术的提高、综合立体勘探方法的采用、计算机技术的应用及各类软件的开发，对定量研究煤矿突水条件起到了重要推动作用。

1.井下防水煤(岩)柱留设

在水体下、含水层下、承压含水层上或在导水断层附近进行采掘工程时，为了防止地表水或地下水突水、溃入工作地点，需要合理留设一定宽度或高度的防水煤(岩)层不采动，这部分煤(岩)层称为防隔水煤(岩)柱或防水煤(岩)柱。其中有断层防水煤(岩)柱，井田边界煤柱，上、下水平(或相邻采区)防水煤(岩)柱，水淹区防水煤(岩)柱，地表水体防水煤(岩)柱和冲积层防水煤(岩)柱六种类型。

2.井下探放水技术

井下探放水系指矿井在采矿过程中用超前勘探方法，查明采掘工作面顶底板、侧帮和前方的含水构造(包括陷落柱)、含水层、积水老窑等水体的具体位置、产状等，其目的是为有效地防治矿井水害做好必要的准备(刘洋，2008)。

3.疏水降压技术

疏水降压是指通过疏干使煤层底板含水层或煤系地层含水层水压降低至采煤安全水压。疏水降压工程系统包括:排水工程、排水设施和疏水工程3部分^［1］。开滦赵各庄矿就是通过制订合理的疏水降压开采方案，实现了在受底板高压奥灰水威胁下安全带压开采，取得了巨大的经济和社会效益。

4.注浆堵水技术

注浆堵水技术是煤矿防治水最重要的手段之一，主要应用于井筒掘凿前的预注浆、成井后的壁后注浆、堵大突水点恢复被淹矿井、截源堵水减少矿井涌水、井巷堵水过含水层或导水断层。如皖北矿务局任楼矿1996年3月4日发生的陷落柱特大突水，高峰期突水量达576m³/min，在陷落柱内煤底合适层位采用注浆堵水技术成功堵水(赵铁锤，2007)。

5.带压开采技术

所谓带压开采就是煤层底板受承压水威胁，充分利用煤层底板至承压含水层间隔水层性能，在不采取，或在国家经济、技术条件许可情况下采取某些技术措施后，实现安全采掘的一种综合性防治水技术。近几年该技术在我国进行了较为广泛而深入的研究，取得了显着成绩^［11］。

6.防水闸门和水闸墙

防水闸门和水闸墙是煤矿井下防治水的主要安全设施。水文地质条件复杂或有突水淹井危险的矿井，在井下巷道设计布置中，要建立健全隔离设施，在适当地点预留防水闸门和水闸墙的位置，井底车场周围要设置防水闸门;在其他有突水危险的地区，只有在其附近设置防水闸门等防水隔离设施，实现分区隔离后，方可进行采掘活动(王歆效等，2007)。

7.矿井防、排水技术

煤矿在开采过程中，不可避免地要接近、揭露或破坏含水层(体)。含水层(体)内的水会因失去原有的平衡条件而涌入采掘工作面，进而造成水害事故。为保证煤矿的安全生产，设置相应的防、排水系统是十分必要的。矿井防、排水技术主要包括:地面防水、井下防水和矿井排水3个方面。如山东华源“八一七”溃水淹井事故，虽由暴雨引起，但也暴露出煤矿在地面防水方面存在的突出问题。

8.煤层采煤前方小构造预测的ANN技术

小构造是指断距小于5m的小断层或一些发育规模较小的裂隙、溶隙。在矿井生产过程中，这些小构造对工作面回采和巷道开掘具有极大的影响，在矿井防治水工作中具有重要地位。针对现行巷道开采过程中小构造预测方法的不足，将ANN技术引入到煤矿巷道掘进前方的小构造预测方法中，开展了矿井小构造预测预报的新方法研究(武强，2007c)。

9.含水层改造与隔水层加固技术

该技术是20世纪80年代中后期发展起来的一项注浆治水方法。当需采用疏水降压方法实现安全开采，但疏排水费用太高且浪费地下水资源时，宜采用含水层改造与隔水层加固的注浆治水方法。它主要针对煤层底板水害的防治，采用注浆措施改造含水层或加固隔水层，使其变为相对隔水层或进一步提高其隔水强度(武强，2005)。该技术是防治底板水害较为有效的实质性措施之一，山东肥城矿区曾成功应用这项技术。

10.可视化地下水模拟评价软件系统(Visual Modflow)与矿井防治水

Visual Modflow是目前国际上流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。它在矿井防治水工作中可以进行任意水均衡域的均衡研究，帮助用户直接确定回采煤层顶、底板或侧向补给水源的补给方式、补给大小及补给水源的水质情况等。此外，它还可以预测矿区导水断裂构造可能诱发的突水事故的突水量大小，这一点在矿区导水内边界的防治水工作中具有十分重要的实用价值(武强，2005;董东林，2009)。

11.华北型煤田立体充水地质结构理论

该理论是武强于2000年首次提出。由各种类型水力内边界沟通而形成相互间存在密切水力联系的多层含水层组立体充水地质结构，是华北型煤田的主要矿床水文地质特征，也是建立该类型煤矿井充水水文地质立体概念模型的基础。内边界是煤矿井立体充水地质结构理论的核心，对内边界系统进行深入地综合研究是解决华北型煤田底板岩溶突水难题的关键。据内边界在空间展布的几何形态特征所划分的4种基本类型和各种组合类型，对认识煤矿井水文地质条件复杂程度和采取科学合理的防治水对策方案均具有极其重要的理论指导意义和实用价值(武强，2000)。

参考文献

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㈢ 探测与监测

一、矿井物探技术应用

随着矿井开采深度的增加和开采强度的加大，煤层底板突水的频率也日益增加，焦作矿区除了加强水文地质预测预报及井下钻探工作外，还大力开展了物探技术的推广与应用，先后引进了矿井直流电法仪、无线电波坑透仪、瑞雷波仪、音频电透仪、加拿大GEONICS公司TEM47瞬变电磁仪、地质雷达和超低频遥感地质探测仪，应用效果非常显着。这里主要研究的是矿井物探技术在防治水方面的应用，另外介绍了超低频遥感地质探测仪的应用，它和其他物探仪器原理差别较大。

矿井物探技术在矿井防治水方面主要用于探测工作面顶、底板含水层贫富水区域划分；巷道顶底板及侧帮构造带和富水区；巷道掘进头前方构造带和富水区；放水孔或底板注浆孔孔位确定；工作面内部隐伏构造带、夹矸及薄煤带位置；煤层厚度快速探测等。以下就各类物探技术的特点和应用效果加以综述。

1.直流电法

矿井下通常应用三极测深法和对称四极测深法。根据探测目的不同，直流电法工作装置形式有多种形式。三极测深法工作装置形式为A—M-O-N—B（∞），四极测深法工作装置形式为A—M-O-N—B。两种方法M、N均为测量电极，用于探测地电场电压，根据测出的电流、电压值结合装置系数就可以换算出地层视电阻率值；A、B均为供电电极，用于向岩层供电。直流电法一般供电极距越长，供电电场分布范围越广，探测深度和两边辐射范围越大。通过对不同地点、不同深度地层的视电阻率值进行全方位探测和综合分析，就可以达到研究岩层、矿体或构造等的目的。

直流电法探测是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地下供入稳定电流，观测大地电流场的分布规律，从而确定岩、矿体物性分布规律或地质构造特征。

直流电法具有方法灵活、理论成熟、抗干扰能力强、仪器简便的优点，可用于划分岩层贫富水区域、探测巷道附近构造破碎带位置、工作面采煤时的易煤层底板突水地段或确定放水孔孔位等。以下为几个探测实例。

图3-23为焦作矿区某工作面回风巷直流电法探测富水性区域断面图。直流电法探测结果认为，该工作面切巷往外0～100m段采煤时煤层底板极易发生煤层底板突水灾害。在生产工程中，实际采煤时到65m处底板发生煤层底板突水，煤层底板突水量达160m³/h。对此及时进行了预测预报，矿井提前采取了防治水措施，该工作面得以安全采煤。该工作面切巷向外0～220m段采煤时煤层底板极易发生煤层底板突水灾害。通过对地质资料分析也认为，此段L₈灰岩可能与下伏L₂灰岩甚至O₂灰岩导通，煤层底板突水水源补给充分。井下数据采集重复了3次，结果雷同，因此建议此段跳采。焦作煤业集团公司有关领导研究直流电法探测结果后，决定在220m处重开切巷向外采煤，目前已按新方案安全采煤。

图3-23 焦作矿区某工作面回风巷直流电法探测富水性区域断面图

该图中较深蓝色代表低阻区，可以看出低阻区距巷道底板距离较远，L₈灰岩含水层导高较小。直流电法探测结果认为，该工作面采煤时煤层底板不会发生煤层底板突水灾害。实际生产过程中采煤非常顺利，证明直流电法探测结果是正确的。

图3-24 焦作矿区某工作面低阻异常中心区域放水孔布置图

图3-24为焦作矿区某工作面低阻异常中心区域放水孔布置图。根据直流电法探测结果，在该工作面低阻异常中心区域布置了4^＃放水孔，钻孔涌水量为82m³/h。

2.无线电波坑透

无线电波坑透仪可以探测工作面内部隐伏构造带、夹矸及薄煤带等异常体，从而为工作面采煤设计提供依据。无线电波坑透技术的原理主要如下：将发射机和接收机分别放置于采煤工作面两条相对巷道（运输巷和回风巷）中，利用发射机发出的无线电波在煤层中传播时被与煤层电性不同的地质体如断层、陷落柱、夹矸或其他地质体等吸收，造成衰减系数的差异，从而形成接收信号的阴影区。交替变换发射机和接收机的位置，就可以对阴影区进行交会，从而确定异常体位置和大小。

图3-25为焦作矿区某工作面无线电波坑透探测成果图。无线电波坑透探测结果认为，工作面切巷到回风巷43号测点和运输巷41号测点连线处圈定区域为异常区，结合地质资料分析为薄煤带。经钻探验证确实为薄煤带，因此根据无线电波坑透探测结果，改变原来设计方案，在回风巷39号点和运输巷40号点连线处（图中红线）重开切巷，再开始生产。

图3-25 焦作矿区某工作面无线电波坑透探测成果图

图3-26为焦作矿区某工作面无线电波坑透探测成果图。无线电波坑透探测结果认为，圈定的回风巷里段断层位置与工作面采煤时实际揭露情况完全吻合。

图3-26 焦作矿区某工作面无线电波坑透探测成果图

3.瑞雷波

瑞雷波技术探测优点是快速，全方位，施工灵活，定位误差小。瑞雷波技术探测的原理主要如下：根据不同频率的瑞雷波沿深度方向衰减的差异，通过测量不同频率成分（反映不同深度，高频反映浅，低频反映深）瑞雷波的传播速度来探测不同深度煤层和顶、底板岩层及其中的断层、喀斯特等地质异常体。

图3-27为焦作矿区某巷道瑞雷波超前探测成果图。在巷道迎头瑞雷波技术超前探测时，发现前方20.78～25.28m段为断裂破碎区，实际钻探证实为20.35m见断层，误差仅为0.43m。

图3-27 焦作矿区某巷道瑞雷波超前探测成果图

4.音频电透

音频电透视技术是根据CT扫描工作原理，利用两条相对巷道（如工作面回风巷和运输巷）交替进行发射和接收，记录发射电流和接收的一次场电位差，结合工作面几何参数（宽度、长度等位置关系）计算出每个发射点对应的每个接收点的视电导率值（视电阻率值的倒数），通过多重交会，绘制出工作面内部一定深度范围内岩层视电导率值的平面等值线图，从而得知此范围内富、导水区域平面分布的位置与特征。音频电透视技术是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地下供入音频范围内的低频电流，观察大地电流场的分布规律，从而确定岩、矿体物性分布规律或地质构造特征。一般情况下，工作频率为15Hz时，探测深度大约为工作面宽度的一半，选用的工作频率越低则电场穿透深度越大。

图3-28为焦作矿区某工作面音频电透探测成果图。音频电透探测结果认为，该图中蓝线视电导率值为6所圈蓝色区域为煤层底板相对富水区，应为煤层底板注浆改造重点区域，需要加密钻孔；其他区域可少布钻孔；工作面回风巷116号点与运输巷19号点连线往外可以不进行煤层底板注浆改造。实际在煤层底板注浆改造时，布置在高导异常区内的钻孔平均出水量为86.3m³/h，低导正常区内钻孔平均出水量是37.5m³/h，前者水量是后者的2倍多。工作面回风巷116号点与运输巷19号点连线往外段打了4个钻孔，平均水量是8.6m³/h，为相对不富水区。钻探证实揭露情况与音频电透探测结果相吻合。

图3-28 焦作矿区某工作面音频电透探测成果图

5.瞬变电磁

瞬变电磁仪具有布置灵活、探测方向性强、对低阻区敏感、施工快速的优点，可以全方位探测巷道各个方向或工作面内部的相对富水区位置及形态、顶底板构造破碎区，确定工作面采煤时容易发生煤层底板突水地段、煤层底板注浆改造重点注意区域、放水孔位置等。

图3-29瞬变电磁技术原理图可以说明，瞬变电磁技术原理是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，当脉冲结束、发射回线中电流突然断开后，地下介质中就要激励起感应涡流场，以维持在断开电流以前存在的磁场，此二次涡流场呈多个层壳的环带型，随着时间的延长，由发射回线附近介质逐步向下及向外扩展，不同时间到达不同深度和范围。二次涡流场仅仅与地下介质的电性有关，因此利用线圈或接地电极观测二次场即可了解地下介质的电阻率分布情况，从而达到探测目标体的目的。

图3-29 瞬变电磁技术原理图

图3-30为焦作矿区某巷道瞬变电磁视电阻率图。在煤层底板L₈灰岩中开拓疏水巷时，在迎头处利用瞬变电磁法，超前探测到迎头前方33～42m段为相对低阻区，该方法判断为相对富水区并得到钻探证实。

图3-31为焦作矿区瞬变电磁视电阻率断面图。利用该方法探测到巷道底板存在隐伏断裂构造。通过在此布置放水孔，钻孔涌水量为60m³/h此隐伏断裂的含水性得到了证实。

图3-30 焦作矿区某巷道瞬变电磁视电阻率图

图3-31 瞬变电磁视电阻率断面图

图3-32焦作矿区某巷道瞬变电磁视电阻率断面图。在某运输巷向下帮侧（平行岩层倾向）探测距离110m处有无平行运输巷走向、断距为25m的断层（该断层为原地质勘探报告推断结论），利用该方法否定了此处该断层的存在（110m处为相对高阻），并得到钻探证实。

图3-32 焦作矿区某巷道瞬变电磁视电阻率断面图

图3-33焦作矿区某工作面瞬变电磁视电阻率断面图。该图为某工作面运输巷瞬变电磁45°斜下方探测结果。探测时0～430m段已经完成煤层底板注浆改造，大部分区域显示为相对高阻，但0～100m段下部阻值不高，认为是注浆改造效果差，需补打少量钻孔；460～590m段因尚未注浆改造，显示为相对低阻区，为煤层底板注浆改造重点区域。

图3-33 焦作矿区某工作面运输巷瞬变电磁视电阻率断面图

6.地质雷达

地质雷达是在矿井井下利用电磁波的传播时间来确定所需探测反射体（断层、陷落柱、喀斯特等地质异常体）的距离，它是矿井井下用于超前探测的有力工具。

7.超低频遥感地质探测仪

北京大学课题组在国家863计划资助下，研制了超低频遥感地质探测仪，并于2002年5月成功申请专利，该装置在石油天然气勘探和水文工程地质勘探领域获得较好应用。在煤田瓦斯方面，课题组研究成员已经在河南伊川郑煤集团公司暴雨山煤矿和登封金岭煤矿，进行了超低频遥感地质探测试验，探测曲线解释基本正确，反映明显，具有推广应用价值。之后在郑煤集团公司大平矿、超化矿进行超低频遥感地质探测试验。目前在郑州矿区和将在焦作矿区应用。

8.综合应用评述

直流电法技术主要用于划分岩层贫富水区域，探测巷道附近构造破碎带位置，工作面采煤时的易突水地段或确定放水孔孔位等。该方法优点是仪器简便、理论成熟、抗干扰能力强、方法灵活；缺点是井下数据采集时必须保证电极接地条件良好，体积效应影响资料解释时对异常区具体方位的准确判断。

无线电波坑透技术主要用于探测工作面内部陷落柱形态，隐伏断层构造带位置，富水性区域，夹矸和薄煤带等地质异常体。该仪器优点是仪器简便，对异常区定位效果好，施工快速；缺点是同象异质现象明显，井下数据采集时需断开测区内电缆，避免电磁干扰，资料解释时对异常区的定性判断仍需与地质资料结合。

瑞雷波技术主要用于全方位探测巷道附近的喀斯特、岩层界面及断层带、富水区、裂隙发育区等地质异常体。该仪器优点是全方位、快速、定位误差小、施工灵活；缺点是资料解释时“定量”易而定性难，较易引起多解性，井下工作时需多次重复探测，提高结果的可靠性，探测深度较浅，一般不超过40m。

音频电透技术主要用于探测整个工作面富水性的横向变化情况和顶、底板岩层岩性。该方法优点是井下抗干扰能力较强，仪器精度高；缺点是资料解释时对异常区的纵深位置不易准确判断。

瞬变电磁技术主要用于全方位探测巷道各方向或工作面内部的顶底板相对富水区位置及形态、构造破碎区，确定工作面采煤时的易突水地段或放水孔位置，划定煤层底板注浆改造重点区域等。该方法优点是适用于各种角度和方位探测，探测方向性强，对低阻区敏感，布置灵活，施工高效；缺点是井下工作时需注意尽量避开大的金属干扰体，在某些理论问题上需要进一步研究。

矿井地质雷达探测技术的最大优点，既是矿井井下超前探测（探距30～40m）的有力工具，又具有施工点面积小，垂直、水平方向探测均可，探测的精度也比较高；缺点是抗干扰差。

物探技术经过几十年发展，呈现出应用广泛、技术丰富、仪器多样的特点，但各种仪器和技术方法都有自己的适用范围和优缺点。焦煤集团公司在多年推广应用上述各种物探技术的实践中，深感应充分了解各种物探仪器和技术的特点，针对性地使用的重要性。

总之，实际应用时应尽可能采用综合物探手段，优缺互补，相互取长补短，多种方法并用，对目标体做出正确判断，尽可能消除多解性，这样才能满足矿井生产多方面的需求，使得物探工作快速准确向着定性又定量的方向发展。应当指出，矿井物探技术的发展是几十年来焦作矿区防治水工作者们积极探索的结果，这和前辈们与地测处防治水中心同行们的集体努力分不开。作者参加了部分实验与研究工作。

二、焦作矿区井下水位监测系统

随着矿井水平的延伸和采区的推进，目前大量的水文观测孔被破坏，部分观测孔因长期锈蚀而失去观测价值，使一些生产地区没有地下水水位资料，直接影响着这些地区的安全生产。往往花费几十万元施工的水文观测孔，仅投入使用1～2个月就被破坏。如果在地面施工水文观测孔，不仅需花费高额的资金，而且地面观测孔容易遭受人为破坏。因此，建立井下水位监测系统已成为当务之急。

焦作煤业集团公司采取了许多行之有效的防治水措施，其中地下水位观测系统的建立就是有效的防治水措施之一。地下水位观测系统为工程技术人员及时准确地掌握地下水水位变化情况，制订切实可行的防治水措施提供了依据。特别是当煤层底板突水发生后，地下水位动态变化能为准确判断煤层底板突水水源，预测煤层底板突水水量的变化趋势，采取相应的防治水措施提供依据。焦作矿区积极开展防治水工作，通过各种途径同煤层底板突水灾害作斗争，到目前为止，已连续20年未发生淹井事故，矿井涌水量也由过去的650m³/min减少至目前的280m³/min。

1.水位监测系统

（1）水位监测系统在焦作矿区的发展历史：20世纪80年代中、后期，焦作矿区就开始建立地面水文观测孔水位遥测监测系统，但仪器供电电源为电池供电，没有及时更换电池，而使仪器损坏。另外，野外遥测系统也容易遭受破坏。不易保护。因此，该系统没有得到推广应用。

20世纪90年代，因地面观测孔的急剧减少，又缺乏资金在地面施工水文观测孔，为满足安全生产的需要，就在井下施工放水测压孔，以了解地下水位的动态变化。水位的观测部分矿井使用压力表，另一部分矿井使用水位自动记录。水位自动记录仪虽然比用压力表观测井下水位先进得多，但水位自动记录仪供电电源为充电电池，数据的存储模块必须上井后才能传输到微机，才能输出水位数据，使用起来不方便，且使用寿命短。

21世纪初期，随着信息技术迅猛发展，现代传感技术的日趋成熟，采用先进的自动监测方法已是大势所趋。焦煤集团公司与煤科总院抚顺分院合作，于2001年成功地在演马庄矿建立起一套井下水位监测系统，该系统将计算机测控技术、计算机网络技术、远程数据通信技术融为一体，强有力地实现了远距离的井下水位数据采集、传输、实时数据集中监测、处理。该系统克服了以前水位监测系统的缺点，供电电源采用井下防爆供电电源，实现了全自动实时对井下水位进行监测，具有投资少，精度高，使用寿命长，操作方便的优点。

（2）水位监测系统组成及主要功能：系统由主站（地面监测中心站）和N个分站（井下水压观测站点）构成。

主站：由计算机、打印机、远程数据通信设备及系统应用软件（含系统控制、数据通讯、数据处理等），设在地面监测中心机房。

主站是通过远程数据通信设备对井下分站进行远程控制，实时获取井下各观测点的水压数据，同步监测井下各水压观测点的水压变化情况。并通过系统应用软件将水压数据进行整理、辑录、显示。根据需要利用系统应用软件生成相关数据报表、绘制各类曲线、图形、打印输出等，同时还可以在网上，将相关数据传输。

分站：由高精度水压传感器（或高精度压力变送器）、数据采集器、数据通讯接口、远程数据通信装置、防爆电源、安全保护罩等组成。安装在井下水压观测点。

分站完成水压数据采集，实现水压数据的远距离传输。分站系统是通过压力传感器反映水压变化的物理量转换为电压（电流）形式的模拟量。该模拟量经由放大、模数转换电路处理后再将其转换为数字信号，通过数据采集器内置计算机系统对该数字信号进行处理并记录到存储器中，完成数据采集。与此同时数据采集器内置远程通信接口设备也在不断检测主站信息。当检测到主站要求发送数据指令信息时则由数据采集器内置计算机控制，通过远程数据通信设备将数据采集器记录的水压数据发送至主站。

（3）系统主要技术指标

主站：硬件配置：intel P4 2.53 G/256 M DDR/80 G/16 倍 DVD/17 英寸液晶/56 K/100 M/A3幅面激光及彩色喷墨打印机；系统运行环境：Windows98 se/windows Me/win dows2000/windows XP；操作方式：全中文菜单式；观测方式：实时监测；数据记录方式：自动、手动任选；测量时间间隔：任意设置；暂存数据：≥1000组。

分站：防爆类型：本质安全型；压力测量范围：0～10MPa；传感器精度：±0.3%F·S；分辨率：2.0cm；通讯距离：＞500m；传输速率：＞300pbS；分站个数：1～255（255Max）；环境温度：0～+40℃。

2.井下水位监测系统使用情况

焦作矿区演马庄矿于2001年12月建立了井下水位监测系统，由于资金等原因，当时仅设立了两个分站，即在该矿25采区下山施工两个测压孔（L₈灰岩含水层），安装SY1151压力传感器，SY-1型数据采集器，数据通讯口，防爆电源。水压数据经通讯电缆传输到地面主站，再根据用户的需要，利用系统应用软件生成相关数据报表（如日报、月报、年报），绘制各类曲线、图形（如月曲线图、月柱状图、年曲线图、年柱状图），对水位进行实时监测。通过近几年的使用，井下水位监测系统具有投资低、操作方便、数据准确可靠，使用寿命长等优点，克服了过去地面观测孔测水位难，数据不准确，观测孔易遭破坏等缺点。即使发生淹井事故，井下无供电电源，系统亦能利用本身电池正常工作一个月。2002年5月10日，井下水位监测系统显示L₈灰岩含水层水位下降，就立即与井下联系，得知25031工作面煤层底板突水，根据井下水位监测系统显示的水位平稳下降趋势，且没有发现L₈灰岩含水层水位有反弹现象，判断该煤层底板突水点水源为L₈灰岩，煤层底板突水点涌水量不会急剧增大，对安全生产不会造成大的影响。由此可见，井下水位监测系统能了解地下水位的动态变化，为判断煤层底板突水水源，采取相应的防治水措施提供依据。

该系统于2003年底已建成投入使用，井下的水文孔资料直接在各矿计算机上显示。目前焦作煤业集团公司和北京龙软公司合作，将各矿与集团公司网络联系起来，只要在集团公司的任何一部上网计算机上，进入水文监测系统网站，就能查阅到各生产矿井下各含水层的水位资料。目前正在进入试运行阶段。

可以认为井水位监测系统是一项经实践证明了的成熟技术。井下水位监测系统具有投资少、操作方便、数据准确可靠、使用寿命长等优点，能够代替地面水文观测网。井下水位监测系统具有推广应用前景。探测和监测技术是高承压水上采煤水害综合控制技术的重要组成部分。

㈣ 采煤工作面水害条件探查

在工作面回采巷道形成后，应进行工作面水文地质条件探查，查明工作面底板灰岩含水层富水性，探查导水裂隙带的存在及分布情况，煤层底板隔水层厚度，L_1-3灰岩或奥陶系灰岩水导升高度等，从而为工作面防治水提供依据。

工作面水文地质条件探查采用钻探和井下音频电透视、井下直流电法等物探方法进行。工作程序是，首先进行井下音频电透视或井下直流电法物探，确定工作面导水断层或导水裂隙带的存在及分布，L_5-6灰岩含水层的富水性情况；利用钻探对物探方法确定的薄弱带、富水段进行验证，同时确定煤层底板隔水层厚度、L_1-3灰岩和奥陶系灰岩水导升高度。

（一）井下物探手段

1.井下音频电透视

音频电透视方法是在上回风巷、下顺槽施工，探测工作面内部煤层底板下0～50m层段含水层中富水性异常的分布范围、走向及其富水性的相对强弱等情况，探查隔水层裂隙发育带及其分布规律，为综合分析煤层底板隔水层性能提供依据。

2.直流电法探测

采用矿井高分辨电测深技术在工作面的上回风巷、下顺槽施工，探测底板下80m深度范围内含水性异常的分布位置与深度，分析含水层的富水特征。

上述两种井下探测手段是矿井开采中较为常用的方法，且探测方法相对简单。

首先在西翼采区22121工作面和东翼采区21091工作面进行井下音频电透视和直流电法探测，研究超化煤矿特定物性条件下不同物探方法的适用性及其解释规律，并推广应用于其他工作面。

（二）煤层底板隔水层隔水性能的探查及评价

深部煤层开采将受到下伏奥陶系灰岩承压含水层的底板突水威胁，因此煤层底板隔水层的隔水性能的探查及评价是带压开采研究的主要内容之一。主要包括以下内容：

1）奥陶系灰岩水原始导升高度和富水性的探查与研究。

2）煤底板原位地应力测试。

3）煤层底板薄层灰岩水入侵动态监测及水情预报。

（三）二₁煤下伏灰岩水的原始导升高度和富水性探测

据统计，华北型煤田在灰岩含水层顶部富集地段，煤层底板岩层底部都存在着不同程度的导升现象。灰岩水沿煤层底板隔水层裂隙的侵入，既降低底板隔水层的有效厚度，又在裂隙中积蓄了致裂的能量，产生裂隙尖端应力异常，在矿压作用下导致裂隙扩展。因此，探查导升高度对突水评价具有重要意义。

探测导升高度较为有效的方法就是电法，另外，该法还可以探测灰岩的深度。这项工作开展之前应由水文地质技术人员作出设计，探测结果，也应由水文地质技术人员参与确定导升高度和煤层隔水层的有效厚度，并对工作面的水文地质条件进行简单的评价。

电法探测一般是沿工作面的上下巷布置，具体采用直流电法还是音频电透视法，应由水文地质技术人员确定。由于超化煤矿西翼采区突水系数较大，理论上对于每个工作面都应进行该项工作。

（四）底板原位地应力普查与监测

原位地应力的测量对底板突水评价非常重要，底板岩体的应力大小是底板破裂的主要原因，是评价底板阻水性能的重要数据。应力主要的构成因素有：岩性，构造地应力（包括新构造应力和残余构造地应力），水压派生地应力和采矿派生地应力。

地应力的测量方法主要有水压致裂法、套芯法、套筒法和弹性波法等，其中水压致裂法和套芯法工艺复杂，井下实施困难，弹性波法受岩体物理性质参数影响很大，精度较差。这样，套筒法就成了矿井原位地应力测量行之有效的方法。

原位地应力测量分采前未受扰动底板地应力测量和开采过程中扰动地应力测量两个阶段，采前测到的地应力为静态地应力（初始应力），在反演求参和正演模拟中作为初应力应用。采动过程中测得的地应力为动态地应力，作反演求参的拟合对象和判别采矿底板破坏深度的依据，根据岩石力学参数和初始地应力就可以用电算法计算地应力场和底板破坏情况。这种方法的优点是可直接得到岩体的强度和破坏深度，缺点是没有考虑水压的作用，测点和测试时间短，对水的动态无法监测。

原位地应力测量将分两个阶段进行，第一阶段为原位地应力普查阶段，第二阶段为地应力监测阶段，各阶段探测的意义和工程布置如下：

原位地应力普查：本规划所涉及的块段地质构造相对简单，局部有断层发育。通过原位地应力普查，了解采前底板的原位地应力场，为底板阻水性评价提供依据。

拟分别安排在西翼采区的22101和23051工作面内进行原位地应力普查。测试工作在两个钻孔中进行，总进尺约70m。测试将分采前和采动过程中两次进行，第一次测试应在距切眼60m以外的钻孔内完成，第二次测试应在距工作面10～30m范围内的钻孔内进行。每次测试应在同一工作班内完成，以减少工作面推进对应力产生的影响。每个岩性分层中都必须布置测点，对于较厚的岩层，每3m应设置一个测点。孔深6～15m范围内，每1m布置一个测点，以较多的观测数据来判定采矿对底板的破坏深度。每次测试的数据处理应在现场完成，以便发现问题及时补救。

具体的操作方法和施工要求将另行设计。

（五）底板突水条件监测预警

1）监测目的：通过对薄层灰岩岩溶水和底板地应力的动态变化监测，预测底板水情，确定底板岩体力学参数、导升裂隙发育高度和采动底板破坏深度，为采煤工作面的水文地质评价提供依据。

2）监测内容：水压，水温，应力，应变。

3）监测方法：在采矿过程中，由于煤层底板的应力场和渗流场均会发生变化，承压水的入侵高度也将向上发展，产生递进导升现象，以致造成底板突水。因此，底板突水伴有岩体应力变化，水压、水温变化，水量增加等一系列征兆。这些征兆就是突水预测预报的依据。通过传感器可把这些征兆转变成电磁信号，然后再将电磁信号转换成地质信息。根据这些信息就可了解水情的变化，实现动态监测。

突水前兆监测系统由主控台（总站）、数据采集器（分站）和传感器组成。总站设在地面调度室或地测科，分站设在工作面的风巷或机巷内，传感器置于钻孔内。

4）预测方法：将原位测试得到的静态地应力作为初应力，监测的地应力增量作拟合的目标值，反求岩体力学参数和渗透系数。再用这些参数正演模拟开采过程，实现煤层底板突水条件的预警，并将正演结果以仿真图形的形式输出，实现可视化监测。

根据以往的力学计算，对于超化煤矿底板的厚度，监测范围宜在采前和采后各60m的区段内进行。

底板突水检测技术曾在淮北矿务局、皖北矿务局、澄合矿务局、韩城矿务局、肥城矿务局和临城矿务局应用过，取得了很好的效果。其中，在韩城矿务局马沟渠煤矿成功地预报了一次突水；淮北矿务局杨庄煤矿的检测避免了工作面疏干降压或底板加固工程。

该方法的优点是：①具有可视化功能。地面检测中心（总站）可以用图形的形式在屏幕上显示出监测到的各种曲线和底板剖面应力场、渗流场动态等值线和底板的变形与破坏状态。②具有预测功能。以原位测试得到的原始应力为初应力，利用有限元方法模拟开采，并计算出应力场、位移场和渗流场的动态值。以实现40～60m的超前预测，并以图形显示。③具有实时性特点。各种监测的物理量都可以在现场及时处理并显示出结果。

缺点是：无法测到原位地应力，电算时初始应力值需借用原位地应力测试值或用理论值。

本项工作与底板原位地应力普查同步进行可相互补充，预测效果更佳，拟先在西翼采区的22101和东翼采区的23051工作面内进行，最终的工作面将根据生产情况由生产单位和科研单位确定。测试工作面需要两个钻孔，总进尺约70m，监测位置将根据工作面的情况而定。监测方法可推广应用于后续工作面，监测之前应进行设计，详细方法和措施将在设计中说明。

（六）矿井防突水保障信息系统

煤矿防治水是一项经常性、综合性的系统工程，需要对多种信息进行及时准确的分析、计算，绘制所需图、表，仅靠人力通过传统的数据管理方法，不能满足矿井防治水快速、及时、准确的要求。应尽快建立和完善矿井防突水保障信息系统，包括地测信息系统（已建立）、煤层底板阻水性能综合评价体系、水化学快速判别系统。

1.煤层底板阻水性能综合评价体系

煤层底板隔水层的阻水性能是决定防治水策略的重要因素，是带压开采的基础，建立煤层底板阻水性能综合评价体系，才能正确评价隔水层的阻水性能。隔水层的阻水性能是指在煤层底板承压含水层水压和采动压力作用下阻止承压水涌出的能力，与隔水层的岩性、厚度、组合情况以及空隙特征有关。

煤层底板阻水性能综合评价体系将通过煤层底板强度测试、现场压水或注水试验、室内模拟等方法建立。

2.水化学快速判别系统

不同的水源具有不同的水化学成分，因此根据水化学成分的不同可以判断水的来源。矿井突水情况下，快速判断突水水源，对于正确制定抢险救灾方案，恢复矿井生产，减少突水损失都是至关重要的。水化学快速判别系统可根据矿井涌水的水化学成分，简洁、高效地确定突水水源，其成本之低也是其他方法无法比拟的。因此，它是矿井防治水的重要手段。

㈤ 什么是防治水三专两探一撤

三专：配备满足工作需要的防治水专业技术人员，配齐专用探放水设备，建立专门的探放水作业队伍。

两探：煤巷或半煤巷施工作业时必须同时使用物探和钻探两种探放水手段，查清掘进工作面周围的水害隐患。

一撤：发现有透水征兆必须立即撤离现场作业人员，组织工程技术人员分析原因，研究科学安全有效的治理措施。

根据《山西省煤矿防治水“三专两探一撤”规定》

第一条为进一步提升煤矿防治水工作水平，有效防范化解煤矿重大水害风险，防止和减少水害事故发生，保障职工生命安全和健康，根据《安全生产法》、《煤矿安全规程》、《煤矿防治水细则》等，结合山西省煤矿水害防治工作实际，制定本规定。

第二条煤矿防治水工作必须坚持“预测预报、探掘分离、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则，根据不同的水文地质条件，采取探、防、堵、疏、排、截、监等综合防治措施。

第三条煤矿防治水“三专两探一撤”是指煤矿按要求配备防治水专业技术人员、建立专门的探放水队伍、配齐专用的探放水设备，采用物探、钻探等方法进行探放水，且在遇到重大险情时必须立即停产撤人等工作的统称。

第四条煤炭企业、煤矿必须落实防治水的主体责任，建立健全防治水责任体系。

煤矿主要负责人(法定代表人、实际控制人，下同)是本单位防治水工作的第一责任人，必须采取工程措施、技术措施和管理措施防治各种水害，特别要保证“三专两探一撤”规定的落实。

煤矿总工程师（技术负责人，下同）是防治水技术管理总负责人，负责组织制定“三专两探一撤”各项规章制度、规划和计划、专项设计和安全技术措施，提出实施“三专两探一撤”工作的专项资金使用建议。定期组织开展水患排查活动，研究制定和落实治理措施。

煤炭企业、煤矿应当设立防治水机构、配备防治水副总工程师和专业技术（管理）人员。防治水机构必须明确主要负责人、机构职能配置和人员编制。防治水副总工程师必须具有地质或水文地质相关专业学历及中级以上技术职称，主要协助总工程师做好防治水技术管理各项工作。

以上内容参考中国煤炭网-关于印发《山西省煤矿防治水“三专两探一撤”规定》

㈥ 各位大侠有没有什么关于煤矿防治水的创新方法或者小改革之类的

在探放水上面找找
比如探放水工艺的改进
探放老空水、陷落柱水、断层水的方法
或者物探探测的方法

㈦ 煤矿防治水专项技术研究

随着超化煤矿开采水平的延深，煤层底板承受的水压不断增大，只有密切结合生产，开展高压水上开采技术研究，加强防治水专项科学技术研究，才能不断提高防治水技术水平和效率，保证煤矿安全生产。

在矿井当前生产的块断，即-100～-300m之间，地质构造相对简单，远离大型断裂构造，有利于进行必要的防治水技术研究，以便取得经验，推广应用于后续块断。根据超化煤矿矿井水文地质条件研究现状和矿井防治水需要，应尽快开展“超化煤矿高压水上综合防治水安全开采技术研究”。主要研究内容包括：

1）太原组薄层灰岩含水层的渗流场研究，包括含水层的富水性；含水层的渗流场分析；薄层灰岩水与奥陶系灰岩水的水力联系。目标是了解太原组薄层灰岩含水层的水文地质条件。

2）超化煤矿二₁煤层底板隔水层阻水性能研究，包括底板隔水层有效厚度变化规律；底板隔水层的阻水系数确定；底板隔水层的强度分析。目标是确定隔水层的有效厚度及阻抗强度。

3）超化煤矿二₁煤层底板突水机理研究，包括渗流场和应力场耦合作用（岩水耦合作用）；煤层底板应力场分析及其对底板岩体的破坏作用；底板突水机理的相似材料模拟。目标是建立底板突水模型。

4）超化矿深部采区煤层底板突水的预测和预防技术研究，包括煤层底板突水前兆的监测方法；煤层底板突水的预测预报方法；煤层底板突水的预防措施。目标是探索底板突水的预测预报和预防方法。

防治水专项技术研究最终目标是形成一套适合超化煤矿二₁煤层开采的水害防治、探测及治理综合技术，确保矿井生产安全、高产、高效，并为矿井深部受水威胁煤炭资源开采形成水害防治综合配套技术，即矿井、采区和工作面水文地质条件探查配套技术；带（水）压安全开采和疏干降压综合配套技术；工作面底板突水监测和预报综合配套技术；注浆堵水以及改进开采方法，减少底板破坏综合配套技术。

㈧ 矿井防治水方法研究

（一）煤层底板高压灰岩水带压开采技术

对于华北型煤田，防范煤层底板水的主要方法是带水压安全开采。虽然深部高压水存在，若充分利用隔水层的防护作用，可消减部分水压值，在不进行或很少进行疏水降压的情况下将可实现带压开采。当矿井采煤工作面突水系数T_s大于0.06MPa/m时，应当采用降压疏干或（和）煤层底板注浆加固方法减小突水系数，以保证煤矿安全生产。

1.带压开采技术

与华北型煤田类似，郑煤集团各矿井二₁煤开采应采用带压开采技术。所谓带压开采就是煤层底板受承压水威胁，充分利用煤层底板至承压含水层间隔水层性能，在不采取或在国家经济、技术条件许可情况下，采取某些技术措施后，实现安全采掘的一种综合性防治水技术。国内外对该技术曾做过大量研究，特别是近几年在我国进行了较为广泛而深入的研究，取得了显着成绩。

评价带压开采安全的标准是突水系数。20世纪60年代由煤炭工业组织的焦作会战提出的突水系数是

郑州煤矿区水害防治规划研究

式中：P——水压值（MPa）；

M——隔水层厚度（m）。

20世纪70年代煤炭科学研究总院西安分院和其他有关单位对上式所表示的突水系数进行了修正，提出以下突水系数公式：

郑州煤矿区水害防治规划研究

式中：C_p——采动后底板导水破坏深度（m），其他符号同前。

该公式1984年5月由煤炭工业部正式批准作为矿井水文地质规程防治底板突水的依据，并于1986年写入“煤矿防治水工作条例（试行）中”。

突水系数在以往的应用中取得了显着成效，解放了受水害威胁的大量煤炭资源，特别是在突水可能性分区上已有了较为明确的界限值，所以在评价郑煤集团各煤矿二₁煤带压开采时，我们采用了煤炭科学研究总院西安分院提出的公式。

就整个华北型煤田而言，关于底板奥陶系灰岩突水可能性分区问题，可以考虑以下方案：

Ⅰ区：奥陶系灰岩承压水面以上的地区；

Ⅱ区：奥陶系灰岩承压水面以下，但突水系数T_s＜0.06MPa/m；

Ⅲ区：突水系数T_s介于0.06～0.15MPa/m的地区；

Ⅳ区：突水系数T_s＞0.15MPa/m的地区。

Ⅰ区不存在底板奥陶系灰岩突水问题；Ⅱ区为可能发生底板突水危险地区，应在加强矿井防治水工作的情况下进行带压开采；Ⅲ区发生底板突水危险较大，仅在构造简单的地段采取可靠安全技术措施后才可进行带压开采；Ⅳ区是发生底板突水最危险的地段，底板突水是不可避免的，只有在采取疏水降压把突水系数T_s减小到0.15MPa/m以下才能实施带压开采。

按照以上公式，我们初步计算了奥陶系灰岩含水层对二₁煤层的突水系数。结果显示，本井田内存在突水系数超过临界突水系数，需要进行底板水防治和底板改造。

为了在本井田实施带压开采技术，必须做好以下工作：

1）把防治水工作的重点放在二₁煤层顶板砂岩水和底板奥陶系灰岩水上，采用综合物探、化探和钻探等各种手段，查明陷落柱、断层和裂隙密集带等，以及固井质量差的废旧钻孔；并采用留设防水煤柱或底板加固等手段对地质异常体进行改造，做到采煤工作面底板不出水或不出大水，以节约排水费用，保护水资源和生态环境。

2）根据涌水量预测结果，适当加大矿井和采煤工作面排水能力，以防不测。

3）发展突水预测预报技术。实现突水预测预报的可视化和适时化，建立水害预警系统，推进矿井防治水信息系统集成。

4）在采掘过程中为防治底板出现灾害性突水，应坚持先探后掘、先探后采和先注浆后掘进、先注浆后回采的技术原则。为了节约工程量和保证安全，在采取钻探、物探、化探等综合手段时，应坚持物化探先行、钻探验证的技术方法，以杜绝采掘巷道误揭陷落柱和落差大的断层。

5）关于避灾路线和通讯联系。在有突水危险，尤其是有大危险突水的地区，安全畅通的避灾路线是保证不发生人员伤亡的有效途径。同时应具备畅通的通讯联系，以达到及时将井下的情况迅速报告和将调度命令传达到每一个井下工作人员的目的。

6）矿井防治水工作管理。煤矿设专门负责矿井防治水领导小组，配备探水钻和专职探水组。严格地讲没有征兆的突水是不存在的，所以每个生产班应设水情观测员负责水文地质资料收集和突水前兆观测。

2.中间指示层

为了研究奥陶系灰岩含水层与太原组薄层灰岩的水力联系，在带压开采工作面各布置了一个中间层地下水动态监测孔，本规划还要求在今后设计的每一个采面中，至少应布置一个中间层地下水动态监测孔。终孔层位在L_1-4薄层灰岩底面。

3.煤层底板注浆加固改造

应根据物探及钻探探测结果，分析煤层底板的实际情况，对煤层底板存在垂向越导通道的区段，进行注浆加固，以防堵为主，确定注浆层位。注浆层位可以是奥陶系灰岩顶部含水层、薄层灰岩含水层和隔水层中的可注层位及构造薄弱带。目前焦作和肥城等大水矿区已成功地在九里山、韩王等多个矿区实施底板注浆加固改造，取得了巨大经济效益。

应对准备注浆加固的工作区编制专门设计方案，其中包括注浆层位、注浆孔布置、注浆方法、注浆系统和注浆工艺等。

4.疏干降压

疏干降压一般应在主要充水含水层（薄层灰岩含水层）中进行。可以采用疏干钻孔、疏干巷道等。对于郑煤集团各矿井，由于煤层下部的L₇，L₈灰岩处于煤层底板采动破坏带内，由于采动裂隙的存在，L₇，L₈灰岩水势必通过采动裂隙进入回采空间，增大工作面的涌水量，在个别富水区段还可能引起涌水量过大而影响生产，因此，应对L₇，L₈灰岩进行超前疏干降压，减少其对工作面回采的影响。准备实施疏干降压的矿井，应进行数值模拟计算，以确定疏干漏斗和疏干水量的变化。

疏干降压应编写专门设计，内容包括疏干降压工程布置，疏干降压计算结果以及疏干降压的安全措施等。

（二）顶板砂岩水控制技术

1.顶板砂岩富水性探测

由于在不同岩石所组成的地质体中，岩石的含水性对其相对电阻率有较大的影响，含水地层具有相对电阻率较低的物性特点，且含水程度的差异与地层电阻率的变化幅度相对应，所以，通常采用电磁探测技术测量地下地质体中的电性分布规律进而达到探查矿区导含水地质体的分布及其导含水条件。这种对地层电性参数的获取是三维地震等弹性探测方法所不能及的。

在工作面形成以前，应首先在地表进行瞬变电磁法勘探，探查顶板砂岩的富水性。

在采煤工作面形成后，直流电法在下巷中进行，而音频电穿透则需同时在上巷和下巷中进行。直流电法对地质异常体在垂向上的分布分辨比较清晰，而音频电穿透法对地质异常体的位置分辨比较清晰，因此两者结合可以取得满意的效果。

（1）音频电穿透法

音频电穿透法是利用电磁波在介质中传播时，其电流强度随介质层电阻率的大小而有规律变化的特征，进而计算出穿透各点的视电阻率相对关系，做出反映探测区域富水性强的等视电阻率平面等值线图，并可结合具体水文地质条件推断出顶底板含水体的性质、富水性大小、空间形态及分布范围，为防治水工作提供依据。该方法的主要用途如下：

1）采煤工作面底板下100m内富水区域探测；

2）采煤工作面顶板100m内富水范围探测；

3）工作面内老窑分布范围探测；

本规划选用这种方法探测井下工作面隐伏含水断层、破坏带和裂隙带空间位置及其赋水性变化。

（2）井下直流电法

井下直流电法主要用于巷道顶底板探查，工作面顶板探查和掘进堵头超前探测。具体解决以下问题。

1）巷道顶底板探查：①利用现有的巷道工作，探查深度可达100m，可探测含水层深度，局部富水体深度范围、导升高度及沿巷道方向分布宽度；②提供沿巷道方向垂向电阻率切片剖面，用于解释工作面巷道底板100m深度内的含水、导水体，潜在的突水通道、底板隔水厚度、含水层厚度、含水层原始导升高度；③要求巷道内无大范围积水。

2）工作面顶底板探查：①改变工作方法利用巷道侧壁可以探测工作面内的隐伏含水构造；②利用多条巷道（上巷、下巷、切眼等）的数据进行立体成图——对工作面底板不同深度进行类似“CT”成像的断面、平面切片，分离出电法含水异常区域，得到视电阻率异常断面图、平面图，进行立体解释。

3）掘进堵头超前探查：①利用巷道超前探测使用三极空间交会探测法，可以预测堵头前方80m范围内存在的导、含水构造（断层、陷落柱、裂隙破碎带、老窑巷道），提供前方80m范围内岩石的视电阻率变化信息；②异常为相对异常，可以肯定解释正常区不会存在突水或出水的危险，解释的异常区不能肯定一定出水；③预测堵头的后方必须有不小于前方探测深度的施工空间；④智能傻瓜化资料处理，容易掌握使用。

2.采动三带的探测

煤层顶板采动三带的探测采用水文地质钻孔观测法和物探方法结合的探测方法。

（1）水文地质钻孔观测法

水文地质钻孔观测法的实质是在采空区地面布置一定数量的观测钻孔，在钻进过程中测定钻孔冲洗液的漏失量、钻孔水位变化，并记录各种异常现象，经综合分析确定垮落带和断裂带的最大高度及破坏特征。

1）观测内容和方法：①钻孔冲洗液漏失量观测。冲洗液漏失量是指钻进单位时间或单位进尺冲洗液的漏失量。通过对钻孔中冲洗液漏失量的观测，可以确定断裂带的顶点以及了解垮落带和断裂带内覆岩的破坏特征。冲洗液漏失量的测定方法有两种：一是使用流量表观测，另一种是测定水池中水量的变化。②钻孔水位观测。在钻孔冲洗液正常循环过程中以及冲洗液完全漏失前，应对钻孔中的水位变化进行观测，这也是确定断裂带顶点和覆岩破坏的重要标志。③钻孔冲洗液循环中断状况观测。此时应记录钻孔深度和钻孔冲洗液循环中断的时间。④记录钻进过程中的异常现象。在钻进过程中，及时记录掉钻、卡钻及钻具振动等异常现象，此外还应注意有无吸风或瓦斯涌出现象。

2）观测结果的分析整理。导水裂缝带高度主要是根据钻孔冲洗液消耗量和钻孔水位观测等结果加以确定，垮落带高度则主要是根据钻进异常现象加以确定。各观测钻孔一般均在第四系下套管止水后开始观测，一般可分为3种类型，其一是从某一孔深位置开始，钻孔冲洗液消耗量明显增大，孔内水位显着下降，而且向下钻进时继续保持这种趋势，直至钻孔冲洗液全部漏失，孔内水位很低或无水；其二则是从某一孔深位置开始，钻孔冲洗液突然全部漏失，孔内水位很低或无水；其三是导水裂缝带顶界以上的岩层程度不同地出现钻孔冲洗液全部漏失现象，甚至同时伴有孔内水位很低或无水现象。位于浅部区且岩柱尺寸较小的钻孔一般均属前两种类型，而位于深部区及岩柱尺寸较大的钻孔一般则属后一种类型。钻孔冲洗液法具有简单、易操作、可靠、实用、观测数据较能反映实际导水情况等优点，是获取冒落带和导水裂缝带高度及特征的基本方法。

i.裂隙带顶点的确定。有下列情况之一时，即可认为进入了裂缝带：①若岩体的原始渗透性较差，当钻孔的冲洗液漏失量显着增加，即大于1L/min或0.1L/s·m时；②钻孔水位显着降低，水位下降速度加快，甚至无水时；③岩心有纵向裂缝及轻微吸风现象时。

ii.垮落带顶点的确定。钻孔进入垮落带以前，冲洗液早已完全漏失，孔内无水。此时应根据钻进中的异常现象及岩心破碎情况来确定垮落带的顶点。

iii.垮落带和导水裂缝带高度的确定。垮落带和导水裂缝带的高度，分别等于钻孔孔口至煤层的垂直距离减去垮落带和裂缝带起始点的钻孔孔深。考虑到垮落带和裂缝带内覆岩的压缩量，因此有

H_垮=H-h₁+W

H_导=H-h₂+W

式中：H——钻孔孔口至煤层顶面的垂直距离（m）；

h₁——垮落带起始点至钻孔孔口的垂直距离（m）；

h₂——裂缝带起始点至钻孔孔口的垂直距离（m）；

W——垮落带和裂缝带内覆岩的压缩量，相当于打钻过程中地表点的下沉值（m）。

3）钻孔的孔位、孔径、孔数及施工时间。钻孔孔数一般以5个为宜，分布布置在采空区地面沿煤层走向和倾向主断面上，每个主断面上布置3个钻孔，其中一个位于两个主断面的交点上，钻孔位置应选在能获得垮落带和裂缝带的最大高度的地方，走向主断面上钻孔应位于距开切眼30～50m、距停采线20～30m的采空区内，倾向断面上采空区中央应布置一观测钻孔，其余两个钻孔应设在距回风巷和运输巷3～5m的采空区一侧地表。钻孔孔径一般为91mm。

（2）形变-电阻率探测法

1）基本原理。岩体的电阻率大小不仅取决于岩性，还与岩体中的裂隙大小、裂隙数量及充水程度密切相关。地下煤层采出后，上覆岩体遭受破坏，裂隙增多，阻碍了电流传导，导致电阻率增大。但若裂隙内充水，因水的导电性能优于岩体，电阻率便相应降低。因此，对比开采前后岩体电阻率的变化规律，就可探测出覆岩的破坏高度和破坏形态。

2）观测方法。首先，在某一固定点上测量岩体电阻率随深度的变化，以确定岩体的破坏高度。固定O点，对称地打入A₁B₁及M₁N₁电极，M₁N₁的距离一般可取为A₁B₁距离的1/30～1/3。通过测量电流及电位差，即可计算出探测高度为A₁B₁/2时的视电阻率ρ_s1。加大供电极距到A₂B₂，测量电极距按比例扩大至M₂N₂，获得探测深度为A₂B₂/2时的视电阻率ρ_s2。依此进行，即可得出视电阻率ρ_a随探测深度的变化曲线。实际上真正的探测深度H与供电极距AB具有如下关系：

郑州煤矿区水害防治规划研究

式中换算系数K因地而异，可依实测资料反演得出。

之后，固定某一探测深度H，测量岩体视电阻率ρ_a随某一剖面的变化。对比开采之后视电阻率的变化情况，则可确定出覆岩的破坏高度和沿某剖面覆岩的破坏形态。钻孔冲洗液消耗量观测法（简称为钻孔冲洗液法）是通过直接测定钻进过程中的钻孔冲洗液消耗量、钻孔水位、钻进速度、卡钻、掉钻、钻孔吸风、岩心观察及地质描述等资料来综合判定垮落带和导水裂缝带高度及其破坏特征的一种方法。

3.顶板砂岩水的预疏放

对顶板砂岩水进行预疏放为工作面回采大幅度降低水压，以防顶板冒落时大流量突水冲溃工作面，减少工作面涌水对回采的影响。一般采取两种形式：

1）顶板疏放钻孔。在用物探手段查明顶板富水区的前提下，为了减少顶板砂岩水对回采的影响，探明工作面顶板上方岩层赋水状况，对二₁煤顶板上覆含水层进行预疏放，对顶板砂岩水提前疏水降压，降低由于顶板冒落引起顶板水集中涌入工作面的峰值强度，消除或减弱工作面回采时砂岩水对开采的威胁。在工作面上巷施工放水钻孔，将顶板砂岩水相对集中的涌水方式改为相对分散的、循序渐进的逐段放水方式。分析水文地质条件，调查矿井裂隙发育方向，提高单个钻孔放水效率，扩大放水区域，减少放水孔数量。为获得顶板砂岩资料，将放水钻孔水文地质条件探测分解消化于逐段放水之中。

2）疏水巷。当放水钻孔对顶板砂岩含水层疏放效果不理想时，可以在适当地段修建疏水巷道，该巷道应与顶板砂岩径流方向垂直，尽可能切穿顶板砂岩裂隙，以达到最佳的放水效果。通过疏水巷道对工作面顶板砂岩含水层的袭夺，形成以疏水巷道为中心的降落漏斗，达到减少工作面涌水的目的。

4.排水措施

由于煤层顶板主要为数百米的砂岩弱含水层，含水性虽然较弱，但存在局部强含水段。采用放顶煤工艺后，顶板破坏加大，导水裂隙发育向上延伸可达百米以上，上下沟通多个含水段。采煤后随着顶板垮落，上覆砂岩水多从老塘以老塘水形式涌出，老塘水受到堵塞时积聚，当压力升高超过临界值时突然涌出，危害严重，因此需考虑对涌水采取排水措施。

（1）采空区埋设花管

为了将采空区积水引出采空区，可预先在采空区每隔20m设置一根花管，沿下巷向上巷布置，花管长100m左右。将采空区水引至下巷排出。需要说明的是由于二₁煤较软，因此并不能完全将涌水排除，该花管只能减少涌水在采空区的积聚，减小大量积水对工作面生产的危害。

（2）施工泄水巷

1）专用泄水巷。专用泄水巷在工作面下巷北侧，距离下巷约5m，在煤层底板下的细砂岩中修建，泄水巷涌水采用自流形式。每隔50m施工一条联络巷，或在低凹地段设置联络巷，将工作面涌水排除，这样可以在水量较大的情况下仍不影响生产。

2）施工双下巷。在距离工作面下巷约20m处再施工一条巷道，该巷道对工作面可以作为泄水巷，可以将工作面涌水排出，同时该巷道也可以作为相邻工作面的上巷。每隔50m设一条联络巷，以保证工作面涌水顺利进入泄水巷。缺点是增加了掘进巷道，同时增加了维护费用。

㈨ 掘进工作面与采煤工作面防治水工程

掘进及回采工作面的防治水工作，应首先利用综合物探方法，探测工作面内部及底板构造和富水区段，以便有效指导工作面布置设计及采掘过程中防治水工程技术实施。

（一）综合物探

1.物探方法选择

1）探测目的。主要目的是探测二₁煤及底板隔水层构造；采掘前方及底板富水区段；奥陶系灰岩水原始导高；底板薄弱区注浆效果检查。

2）物探方法特征。物探方法须对构造敏感；对富水区段敏感；针对性、有效性和可靠性强。

3）原则。以井下物探为主，地面物探为辅；以一种物探方法为主，其他物探方法为辅，尽量削减物探解译多解性的不足；适合工作面地质、水文地质条件特征。

2.物探方法

物探方法及其作用见图1-6。

图1-6 物探方法及作用图解

（二）掘进工作面防治水工程

对于掘进工作面，主要防治水工程是超前物探。

超前物探主要采用直流电法，目的是发现采掘工作面前方的水体、如老窑水、断层水、溶洞水等。钻探主要是进行探放水。探放水工程应进行专门设计，并符合《煤矿安全规程》的规定。

（三）采煤工作面防治水工程

在采煤工作面布置的防治水工程主要是物探、钻探、压水试验。

物探采用坑透、直流电法和音频透视法，目的是发现断层、陷落柱、裂隙破碎带及奥陶系灰岩含水层的导升高度。

钻探一般在物探标出的异常区段进行，目的是验证物探结果，进一步探查底板水情。

应结合采煤工作面的地质和水文地质情况，编写出详细的物探和钻探施工设计，并且要求设计符合有关规程的规定。

底板压水试验主要确定采煤对煤层底板的扰动破坏深度，压水孔一般应布置在受采煤扰动最严重的地段，该项工作应进行专门设计。

㈩ 专门防治水措施

根据对影响荆各庄矿区9煤地板突水的主要影响因素的分析，结合我们做出的荆各庄矿区9煤层顶板突水危险性评价图，并参考华北型煤田顶板突水的防治措施经验，提出了以下几点防治水措施:

(1)从荆各庄矿区9煤层顶板突水危险性评价图(图11.33)可以看出，突水概率大的区域为红色区域，这些区域主要位于F₅断层与F₈断层交汇处以南，荆各庄向斜轴线以东以及F₁₆，F₂₆断层周围区域。该区域构造发育好，含水层富水性强，含水层渗透系数大，含水层水压大，隔水层厚度和隔水层强度较小，是突水易发区。上述区域采掘过程中发生突水的可能性很大，对于这些区域我们主要可以采取以下措施:

1)在对易突水区进行采掘前，必须明确安全措施，编制探访水设计;当开采到设计水平时，只有在建成防水、排水系统后，才可以开始向有突水危险的区域开拓掘进。

2)这些区域断层发育，在探明断层的位置、规模和产状、断层带宽度、充填物、充填程度、断层两盘对接部位岩性及富水性、胶结物岩溶发育程度以及富水性的基础上，在开采过程中加强监测。对区内导水断层和断层带应该预留防水煤柱，严重的可采取局部疏水降压或者两盘预注浆等相应措施。

3)对含水层水头压力较大的采区，要采取疏水降压的方法，根据现场经验和具体情况，把水头压力降到隔水层能承受的安全水头压力以下。

4)这些区域的含水层富水性都较高，可采取疏水降压方式实现安全开采。

5)对有效隔水层厚度薄的采区，针对这一特点应该采取隔水层加固和含水层改造措施，采取注浆封堵措施加固隔水层或改造含水层，以使其变成相对隔水层，进一步提高其隔水强度。

(2)从荆各庄矿区9煤层顶板突水危险性评价图(图11.33)可以看出，突水概率居中的区域为橙色区域，这些区域主要位于红色区域周围。这些区域构造发育较好，含水层渗透系数较大，含水层水压较大，隔水层较薄，这些区域有突水的可能性;另外一些零散分布的断层区域突水概率也居中，对于这些区域我们主要可以采取以下措施:

1)针对含水层建立地下水位观测系统，每次降大暴雨时和降雨后，及时观测井下水位变化情况，制定雨季防治水措施。

2)区内断层较发育，规模较大，区内导水断层及断层带也应该预留防水煤柱，并采取在断层发育的区域内疏水降压的措施。

3)对含水层水头压力较大的采区，也要采取疏水降压的方法，把水头压力降到隔水层能承受的安全水头压力以下。

4)在有效隔水层厚度较薄的区域，针对这些特点应该采取隔水层加固和含水层改造的措施，采取注浆封堵措施加固隔水层或改造含水层，以使其变成相对隔水层，进一步提高其隔水强度。

(3)从荆各庄矿区9煤层顶板突水危险性评价图(图11.33)可以看出，突水概率较小的区域为黄色和绿色区域。该区域构造发育差，隔水层厚度大，含水层渗透系数较小，且矿压小。这些区域在正常开采时一般不会发生突水，但在开采时也应对其地质构造特征、水文地质条件、围岩性质、开采方法以及岩层移动规律进行仔细研究和分析，采取一些相应的预防措施，选择具体的防治水方法，以防突水发生。

总之，开采进行前必须提前做好水害预测预报工作，加强日常管理工作，做好水害排查制度，有针对性的进行水文地质工作，确保矿井安全开采。