第7章 矿井主要水害类型及其特征

第七章矿井主要水害类型及其特征第一节大气降水及地表水水害特征第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征第三节老空水水害特征第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征复习思考题第一节大气降水及地表水水害特征矿井主要水害类型有：大气降水及地表水水害；孔隙、裂隙、岩溶水水害（含水层水害）；老空水水害；断层水、陷落柱水、钻孔水水害。各种类型的水害特征有所不同，其相应的防治技术也不一样。第一节大气降水及地表水水害特征矿井水的主要来源是大气降水和地表水的渗透补给，即使含水层向矿井充水，其最终补给也是大气降水或地表水，未能接受大气降水和地表水的含水层，一般容易疏干。因此，矿井防治水的一个最重要环节就是防治大气降水和地表水的渗透补给。第一节大气降水及地表水水害特征一、大气降水水害特征（1）大气降水一般是通过采空区塌陷、地表裂隙、溶洞、小窑、井筒等进入矿井。露天开采条件下，一部分大气降水直接进入矿井，成为矿井水的组成部分；一部分大气降水渗入地下，再通过露天边坡或坑底进入矿井。第一节大气降水及地表水水害特征（2）在以大气降水为主要充水水源的矿井，矿井涌水量与大气降水的水量、性质、延续时间有密切的关系，具有明显的季节性变化，最大涌水量出现在雨季和融雪季节，暴雨后常常出现峰值流量。在丰水年间或雨季，矿井涌水量有大幅度的增加。第一节大气降水及地表水水害特征在南方有些岩溶裸露地区的矿井，由于浅部岩溶发育，开采煤层虽然位于地下水位以上，旱季无水，但雨季水位迅速上涨，水量很大，因而一些小煤窑便根据这个特点进行季节性开采。第一节大气降水及地表水水害特征（3）以大气降水为主要充水水源的矿井，在开采浅部煤层时，矿井水量随着走向开拓长度、开采面积的增加而增加。开拓深度增大后，当垮落裂缝带的高度再不能达到地表后，开拓深度的增加，往往不会引起矿井涌水量的增加，反而会使之变小。第一节大气降水及地表水水害特征例如：湖南湘永煤矿开采面积由0.257km2增加到0.514km2后，井下排水量由53m3/h增加到102m3/h，约增大了1倍。又如，湖南周家坳井开采+125m水平时，矿井排水量达800m3/h，而同一矿区的伍家冲井开采-180m水平时，矿井涌水量仅为200m3/h。第一节大气降水及地表水水害特征（4）以大气降水为主要充水水源的矿床，其矿井涌水量受降水量的控制具有明显的分区特点。降水量小的地区，如西北地区，其矿井涌水量也小；而降水丰沛的南方，矿井涌水量普遍较大一些。第一节大气降水及地表水水害特征除了降水数量之外，降水的性质也和矿井充水量关系比较密切，南方降水以降雨为主，则在暴雨之后易形成矿井的极大涌水量，年矿井涌水量历时曲线上只有一个峰值区段。第一节大气降水及地表水水害特征在北方，除了降雨之外，还有降雪，一般矿井涌水量年变化曲线可能有两个峰值段，但峰值多较平缓，量也较小。（5）大气降水水害一般发生在暴雨天气，水势来势凶猛、危害极大，很容易造成淹井和人员伤亡事故。第一节大气降水及地表水水害特征【案例7-1】2007年8月17日，山东省一煤矿发生洪水淹井事故，当班756人，死亡172人，与其相邻另一煤矿也被洪水淹没，致使9名矿工遇难。第一节大气降水及地表水水害特征事故原因是由于强暴雨导致山洪暴发，流经华源矿区的柴汶河水位暴涨漫过河岸，漫溢的洪水冲蚀河岸，掏空基础，最终冲开约65m的决口，冲入落差约5m的岸外低洼处。在洪水强烈冲刷作用下，形成3个集中溃水点溃入井下，溃入井下的水量约1260万m3，砂石和粉煤灰约30万m3。第一节大气降水及地表水水害特征事故主要教训：①预防自然灾害的机制不健全。②暴雨期间井下停产撤人不及时。发现井下透水后，没有及时作出人员一次性撤离升井的决定，而是分3次下达撤人命令，延误了部分人员的最佳撤离时机。第一节大气降水及地表水水害特征③事故灾难发生后，没有在规定时间内按程序立即上报，贻误了当地政府在第一时间组织抢救的时机。④开采防隔水煤柱、超层越界开采，造成相邻煤矿也被淹没。第一节大气降水及地表水水害特征二、地表水水害特征1.地表水向矿井充水的途径地表水是指地球表面上的江、河、湖、湾、水库、池塘等水体。地表水向矿井充水的途径主要有：第一节大气降水及地表水水害特征①通过井口，直接灌入井下；②通过地表水体下松散岩层、基岩含水层露头渗入井巷。③通过采后顶板冒裂带贯通地表塌陷带裂缝渗入。④通过构造破碎带、老空区直接溃入第一节大气降水及地表水水害特征2.地表水体对矿井充水强度的影响因素（1）地表水体位置。地表水体与煤层在相互位置上有3种组合关系：①地表水体位于煤层或采区上方。②地表水体位于煤层或采区的附近。第一节大气降水及地表水水害特征③地表水体离煤层或采区较远。在①的情况下，地表水体与煤层的间距、煤层开采后垮落裂缝带是否能够达到地表水体，是决定地表水体对矿床充水作用的关键因素。第一节大气降水及地表水水害特征在②③的情况下，地表水体通常只能成为补给水源，不能直接进入矿井，它们一般通过直接充水含水层后才能进入矿井。如果地表水体与强透水性的直接充水含水层因自然或人为原因发生密切的水力联系时，也可能引起大量的地表水进入矿井，甚至造成淹井事故。第一节大气降水及地表水水害特征（2）地表水体与煤层间是否有可靠的隔水层。煤层上方如果有地表水体，即使间距不太大，但只要它们之间有比较可靠的隔水层存在，则往往不会造成大量的矿井充水。第一节大气降水及地表水水害特征例如，微山湖地区，由于湖下普遍存在厚度约20m的黏土层，黏土层隔水性能良好，而且变形时以塑性为主，不会产生导水裂隙，加上其下还有其他岩层与煤层相隔，故湖水对煤层的开采不会构成严重威胁。当然，在开采接近煤层的海下隐伏露头地段时，还是要采取必要的防治水措施。第一节大气降水及地表水水害特征（3）地表水体与矿区内含水层的关系。如果地表水不能直接进入矿井，则只可能作为补给水源通过其他含水层进入矿井。此时，它与含水层的水力联系程度以及含水层的渗透性能就成为它向矿井充水作用的主要条件。第一节大气降水及地表水水害特征在含水层的渗透性能较弱或者与地表水的水力联系程度较弱的情况下，即使地表水体水量很大，它向矿井的充水量也是较小的；只有在含水层的渗透性能很强、地表水体水量较大的情况下，才构成对矿井的严重威胁。第一节大气降水及地表水水害特征（4）地表水体自身特点。地表水体自身的特点，包括水量、水位、水质、泥沙含量，以及是季节性地存在还是常年存在等。水量大的地表水体，其向矿井充水的潜在能力也大；常年存在的地表水体向矿井充水的时间长、影响也大。第一节大气降水及地表水水害特征3.地表水体对矿床充水的作用（1）地表水体对矿井的充水作用可能随着其水量水位的变化而有所不同。例如，湖北黄石矿区瓦嘴矿就是因为大冶湖在雨季水位急剧上涨，淹没了渗透性能良好的长兴硅质层的露头地段，导致湖水大量进入矿井，造成淹井。第一节大气降水及地表水水害特征在一些岩溶矿区，在疏排地下水之后，可能在地表水体之下形成塌陷，造成地表水大量进入矿井。例如，1990年6月，恩口矿区暴雨后，壶天河水猛涨，河水通过新产生的塌陷洞倒灌入茅口灰岩后进入矿井，造成恩口一二井被淹。第一节大气降水及地表水水害特征（2）地表水体对矿井的充水作用还与地表水含泥沙情况等特征有关。当地下水补给地表水时，泥沙不会堵塞其通道；但是，当在地表水体补给地下水的情况下，地表水体中的泥沙便会淤塞水流通道，这种情况特别容易发生在洪水期间。如在准格尔等矿区黄河流经灰岩地带，可以形成宽达2～3km的河流泥沙充填带。第一节大气降水及地表水水害特征（3）在天然状态下，河流和湖泊可能接受地下水的补给，也可能补给矿区地下水，但在矿床开采以后，则多成为矿床直接充水含水层的补给来源。（4）地表水作为充水水源经常构成定水头的补给边界，成为矿井水较稳定的主要来源，水量稳定，不易疏干。第一节大气降水及地表水水害特征（5）地表水如果通过井筒、岩溶、断裂带、老空区等途径直接贯通井下，往往会造成淹井和人员伤亡事故，危害极大。第一节大气降水及地表水水害特征【案例7-2】2010年8月10日，吉林省一煤矿发生突水事故，导致18名矿工死亡，矿井被淹，直接经济损失2300多万元。事故直接原因：矿井东侧紧临大罗圈沟河，大罗圈沟河上游突降暴雨，使得河水水位暴涨。河水裹着砂石、树木等杂物，冲入大罗圈沟河，造成河道局部堵塞，漫堤淹井，导致事故发生。第一节大气降水及地表水水害特征事故教训：①矿方对周边地表水体动态情况调查不清，使得安全隐患不能及时被解除，未考虑到一旦地表水体发生突发情况，会造成难以估量的损失。②在大罗圈沟河水位暴涨、已出现淹井险情的情况下，矿方不但不执行政府立即撤人的指令，反而强令工人冒险入井拆撤设备，导致人员死亡事故。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征一、孔隙水水害特征孔隙含水层是指地下水储存与运移于组成含水层的固体颗粒之间的孔隙之中的含水层。孔隙含水层主要分布于疏松未胶结或半胶结的新生代地层中。孔隙含水层的富水性一般较裂隙含水层和岩溶含水层要均一。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征它多以比较均一的渗入形式向矿井充水，有时也造成流沙溃入矿井。孔隙含水层的透水性主要取决于岩性、颗粒大小及分选程度、磨圆程度、含黏土成分的多少，特别是土成分的多少对含水层的渗透性影响很大。孔隙含水层一般埋藏较浅，易于得到大气降水和地表水的补给。它与地表水体的联系和大气降水的渗入强度往往是决定矿床充水量大小和变化过程的重要因素。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征孔隙含水层对煤矿充水主要有3种类型：①煤系本身以含孔隙水为主的煤矿床。②煤层露头部位或其浅部直接上覆有孔隙含水层的煤矿床。③巨厚孔隙含水层组覆盖下的煤矿床。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征【案例7-3】2009年7月22日，黑龙江鸡西市一煤矿发生一起孔隙含水层透水事故，死亡23人，直接经济损失1200万元。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征事故直接原因：井田区域内冲击层较厚，在遭遇区域强降水后，使得原有的各类孔隙裂隙为入渗雨水所充满，井筒周围岩层及其上覆冲积层含水达超饱和状态；水体从裂隙渗流到井筒，破坏了井筒周围的岩土稳定性，使井筒现有支护方式和支护强度不能抵御上覆饱水冲积层压力和水沙冲击，井筒围岩和支护垮塌，上覆水泥沙溃入井下，导致水灾事故发生第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征二、裂隙水水害特征1.裂隙水的特点裂隙水是指赋存于坚硬岩石裂隙中的水。它有以下特点：（1）裂隙水空间分布不均匀。局部发育，呈脉状分布，导致同一岩层中相距很近的钻孔，水量悬殊。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征（2）渗透的各向异性。一般第三方向不发育，空间展布具有方向性，不同方向发育差异。（3）水力联系不统一。裂隙连通性较差，很难形成统一的含水层，当不同方向相连通时形成裂隙含水系统。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征2.裂隙水的水害特征（1）以裂隙充水为主的煤田中，井巷开拓时突水很不均一，突水点分布具有一定的方向性。裂隙水害的危害大小，主要取决于裂隙充水量和连通性，当采掘中遇有大的含水体连通的裂隙或裂隙充水量很充沛时，往往易造成突水，威胁矿井的安全。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征（2）以裂隙充水为主的煤田中，岩层渗透性能随着埋藏深度的增大而减小，是与岩石的裂隙发育程度随着埋藏深度的增大而减少的规律相适应的。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征大同矿区曾是开采侏罗纪煤田的特大型矿区，以裂隙充水为主，其矿井涌水量一般不随开采深度的增大而增大，而主要与上覆含水层富水性、采动裂隙带的发育特征、降水的补给条件有关。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征该区断裂不发育、含水层富水性弱，在开采浅部煤层而疏干了上部含水层的情况下，开采深部煤层时，涌水量还可能变小。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征（3）组成裂隙含水层的岩石性质一般为坚硬或半坚硬岩石，在我国西北区的一些早侏罗世煤田中还广泛分布有“火烧岩”，也形成一种特殊的裂隙含水层。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征火烧岩含水层是由于煤层的自燃而使其上覆岩层烘烤变质而形成火烧岩带，所成为一种特殊的裂隙含水岩层。火烧岩埋藏浅、透水性强，易于接受大气降水的补给。由于主要是受大气降水补给，故其分布的面积大小通常决定着其富水性的大小。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征【案例7-4】2005年5月21日，安徽一煤矿发生顶板砂岩透水事故，造成5人死亡，2人轻伤。事故的主要原因：开采煤层顶板以上50m为岩浆岩，其厚度达100m。采煤后在岩浆岩下方形成“离层水体”，在回柱作业时，顶板聚集的离层水体瞬间溃入工作面，瞬时溃水量达3887m3/h，造成工作面人员伤亡。裂隙含水层特殊情况下，也会造成大的突水事故。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征三、岩溶水水害特征岩溶水，是指赋存于可溶性岩层的溶蚀裂隙和洞穴中的地下水，又称为喀斯特水。岩溶水最明显的特点是分布极不均匀。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征在可溶性岩层裸露于地表的补给区，入渗补给有2种方式：一种为灌式补给，在低洼处汇集一定量的降水，通过漏斗或落水洞灌入地下，有时，整条河流通过这类洞穴潜入地下；另一种为渗入式补给，通过地面上微小的裂隙，较缓慢地，渗入地下，汇入岩溶通道和地下河系之中。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征岩溶水同时存在于由大小悬殊的孔隙、裂隙、洞穴和通道组成的同一含水系统中，无压水流与承压水流并存，层流与紊流并存，总体上岩溶水以层流为主。岩溶含水系统一般水量丰富、水质优良，常作为大中型供水源，位于岩溶水分布地区的矿井，容易产生突然大量涌水，甚至造成淹井事故。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征岩溶含水层以顶底板突水、溃水、集中出水等形式向矿井充水，无论在时间上和空间上的分布都是不均一的，而且充水强度也千差万别。在石灰岩含水层中开拓井巷，当它们没有揭穿岩溶水径流通道时，水量很小，甚至无水；当遇到岩溶发育地段时，水量将突然变得很大，甚至超过矿井的排水能力而淹井。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征在岩溶地区，往往在几百乃至上千平方千米之内，岩溶水可通过一个泉或泉群集中排泄；而补给区则成为地表水缺乏、岩溶水又埋得很深的缺水地区，呈现出岩溶水空间分布极不均一的现象。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征岩溶水水位动态变化幅度大而且快，岩溶泉往往雨季流量急增，而雨后又骤减，呈现出岩溶水时间分布极不均一的奇景。岩溶水由于循环交替快速，一般为矿化度小于1g／L的重碳酸钙镁型淡水。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征例如，丰城云庄井田，开采二叠系乐平煤组，顶板长兴灰岩岩溶水是矿井的主要充水水源，矿井开拓过程中将运输大巷直接开拓在长兴灰岩之中，共开拓巷道长数百米，矿井中基本没水，但后来遇到了岩溶水流集中通道，瞬时水量达到19482m3/h，矿井被淹。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征岩溶充水的不均一性大量地表现在岩溶陷落柱和断层突水方面。在岩溶充水矿井中，多数突水都是遇断层或在断层附近发生的，特别是小断层在突水中有极为重要的地位。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征岩溶充水不均一性是岩溶充水矿床的一个普遍现象，在那些充水地段，多是一些岩溶含水层，岩溶比较发育，富水性较强，含水层与煤层间隔水层较薄，断层或裂隙发育的地段，当水头压力较高时，充水的可能性就更高，水量也大。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征研究岩溶含水层的岩溶发育状况，找出富水地段或强径流地带，控制煤层底（顶）板隔水层的厚度、岩性及其组合，查明断层、裂隙带、陷落柱，包括小构造的分布，观测水头压力能使矿井水害的防治工作主动和富有成效。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征【案例7-5】2005年10月4日，四川某矿井（在建）发生溶洞突水事故，死亡28人。该矿采用平硐开拓，发生事故的工作面已进入长兴组灰岩13.3m。其直接原因是：事故当班作业人员未按规定施工探水钻孔，违章掘进施工，在有透水征兆的情况下，仍然爆破，诱发岩溶透水。第二节孔隙水、裂隙水、岩溶水水害特征在整个事故救援和巷道清理过程中，又先后发生3次突水。4次突水以岩溶水静储量为主，共疏干静储量约98.6万m3；疏干总淤泥量约6.5万m3，其中巷道内沉淀2万m3；井下所有设备、设施遭到不同程度摧毁，其中摧毁各类管道7500余米，高压电缆4600余米，钢轨2500余米，矿车89个，等等。第三节老空水水害特征采空区、老窑和已经报废的井巷内，常有大量积水，统称老空水。老空水常为矿井水灾事故的主要原因，老空水水害的特征有以下5个方面：（1）瞬时水量大，一旦掘透，来势迅速，具有很大破坏力，但是涌水持续时间短，易疏干。第三节老空水水害特征老空水向矿井充水常呈现迅猛的特点，没有补给水源的老空水，短期内即可排干。但由于它可以在短时期内造成大量的水突入矿井，往往可能造成较大的灾害。与地表水连通的老空水或者因暴雨中大量雨水注入老窑渗入井下时，一旦突然溃入矿井，则可能造成淹井事故。第三节老空水水害特征（2）老空水除了突然溃入矿井外，在采区接近老空区时，老空水也可以以淋水、渗水、滴水等形式进入矿井，对补给缺乏的老空水而言，则也可能逐渐被疏干，而不至于发生突然溃水。但对于补给条件较好的老空水而言，则可能成为浅部煤层开采时矿井充水的一项重要的水来源。第三节老空水水害特征（3）老空水（一般）酸度大，不能饮用。由于老窑中煤层及顶底板岩层中黄铁矿的氧化作用，老窑水可以形成酸性的强腐蚀性水，对井下轨道、金属支架、钢丝绳等矿山金属设备有腐蚀作用，破坏甚大，特别是那些煤层顶底板碳酸盐。第三节老空水水害特征岩类较少而以砂页岩为主，交替循环条件较差的老空水更易形成强酸性地下水。但是，当老空水充水时间不长，或者其补给与排泄水量大体相关时，老空水的水化学特征基本与补给水源一致，并不表现为酸性，判断水源时综合考虑。第三节老空水水害特征（4）老空水一般位于矿区浅部，数量多且位置不清，积水量和积水标高会随外部环境的变化而改变。这些老空积水像小水库一样分布于生产矿井的上方，对采煤构成直接威胁，危害甚大。第三节老空水水害特征（5）老空溃水一般伴有有害气体的涌出。老空水一般处于密闭的空间，容易造成硫化氢、甲烷等气体的聚积，溃水时这些有害气体会同时涌出，对人伤害极大。第三节老空水水害特征【案例7-6】2005年8月7日，广东省梅州市一煤矿发生特别重大透水责任事故，造成123人死亡，直接经济损失4725万元。第三节老空水水害特征事故的直接原因：由于急倾斜煤层煤质松散易塌落，小断层发育，开采时抽冒现象严重（即：在浅部厚煤层、急倾斜煤层及断层破碎带和基岩风化带附近采煤或掘巷时，顶板岩层或煤层本身在较小范围内垮落超过正常高度的现象），第三节老空水水害特征在此抽冒严重的情况下，大量出煤，超强度开采，致使-290m水平至-180m水平防水安全煤柱抽冒导通了-180m水平至+262m水平的水淹区，造成上部水淹区的老空积水大量溃入煤矿井下，导致事故的发生。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征一、断层水水害特征断层是煤田勘探和煤矿开采中经常遇到的地质构造，它不仅对煤层的赋存和开采影响甚大，而且是矿床充水极其重要的因素。断层在矿井充水中的作用取决于断层的性质、规模，断层形成的时间，断层两盘伴生裂隙的发育程度，断层所切割的地层岩性和富水性，断层两盘岩层的对接组合状况等。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征断层在矿床充水中的作用表现在以下4方面：（1）断层切割了岩层，破坏了岩层的完整性，在隔水层中形成了脆弱地带。在煤层开采时，由于矿山压力、水头压力的共同作用，地下水常常突破这些比较脆弱的地段而发生突水，水头压力愈高，突水的可能性也愈大。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征（2）断层本身在天然状态下即是导水通道，特别是那些断层带较宽或者受其影响所产生的裂隙带较宽时，其导水的可能性更大。张性断裂、张扭性断裂的导水能力可能较强一些。新构造断裂带通常胶结较差，在岩性适宜的地段，有较好的导水性能，即使是那些压性、压扭性断层也是如此。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征（3）断层在矿床充水中的另一个重要作用，是使断层两侧的含（隔）水层产生新的组合，改变矿床的直接充水含水层的补给条件。例如，如果直接充水含水层和断层外侧的隔水岩层对接，则使其补给条件变差；如果断层使得直接充水含水层和外侧的强含水层对接，则将改善直接充水含水层的补给条件，使其在矿井充水中有比较稳定的补给水源。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征（4）断层还使得煤层与含水层对接或接近，使含水层向矿井充水的可能性增大。对正断层而言，突水易发生在断层上盘；对逆断层而言，突水易发生在断层下盘。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征断层在矿床充水中的具体作用除了与断层的地质、水文地质特征有关外，还与开拓因素相关。在许多矿井开采中突水的经常是一些小的断层，而大的断层突水则比较少见，这多是因为大的断层易于查清，并采取留煤柱等防治水措施，开拓中多只是用巷道穿过，跨度较小；第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征小的断层则不易查出，一般也不留煤柱，且多出现在采区内，采煤工作面跨度大，易于破坏，在那些隔水层厚度不大的地段，较小的断距也可能使含水层和煤层的间距小于安全数值，加之断层对隔水层力学强度的削弱，小断层的透水现象也就较普遍了，特别是在以底板进水为主的岩溶充水矿区，小断层常常是突水的最重要通道。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征一条较大的断层，其导水性能在走向上及倾向上的变化往往是很大的。在断层两侧均为含水层的地段上，断层通常表现为导水；当断层两侧岩层均为隔水层，特别是泥质岩类时，往往表现为阻水；第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征在脆性较强的岩层（如钙质胶结的砂岩；或灰岩等）中断层常具较好的导水性；在富水性差的围岩中的断层，其富水性和导水能力通常也较弱；那些切割强含水层，或者能导通地表水体、地下暗河的断层则可能成为矿井充水的重要因素；第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征在岩溶含水层中断层带常常是岩溶集中发育的地段，富水性强，常形成岩溶地下水的强径流地段。一条延伸较长的断层，其产状不会是均一的，其受力也不会是均一的，即使是一条压性断层，也会因为其挤压力的方向和受压情况不相同而在那些受压力相对较小的地段出现和受张力类似的情况，而成为导水的部位。尽管不同力学性质断层带的水文地质特征不同，但在断层带两侧往往均会伴生一些裂隙，而使其导水性增强。有一些断层，在自然状态下其导水性能可能很弱；在开采条件下，当井巷揭露断层的部位远离强含水层时，断层仍可能表现为不导水；当揭露含水层的部位越接近含水层，含水层水头压力越高时，断层则逐渐表现出导水性质；在水压较高，揭露断层的部位与含水层间距过小时，则会发生突水现象。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征断层突水通常是底（顶）板岩溶水进入矿井的重要通道，断层突水常常表现出滞后特征，即在井巷工程揭露断层的当时并不发生突水，而是在井巷穿过该断层一定时间后才突水，滞后时间可以是几天，几个月，几年甚至十余年。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征这是因为一些断层在天然状态下，本来是不导水的，之所以会突水，是由于水压、矿压和地应力等因素共同作用的结果，这需要时间、条件。只有经过了一定的时间，在一些新的条件下，原来不导水者弱导水的断层才变成了突水通道；当通道越来越通畅后，水量也迅速增大。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征在断层突水中起作用的断层往往可能不止一条，特别是一些小断层发育比较集中的地段，突水可能是一些小断层共同作用的结果。其中，部分小断层可能在井下并没有揭露，但在突水中发挥了作用。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征【案例7-7】河北一煤矿在副井向主井贯通过程中，见一断距为8m的断层，揭露无水，继续掘进5m后底鼓出水淹井，突水水量最大达5万m3／h，水温41℃，突水水源 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为奥陶系灰岩水。奥陶系灰岩距突水巷道间距120m以上，水压虽达7.3MPa，但一般情况下这8m的小断层应不至于造成奥灰水直接进入矿井，故当时怀疑是否有岩溶陷落柱或者断层向深部断距加大。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征做了地震及瞬变电磁勘探后，否定了陷落柱的存在，断层向深部断距加大也没有显示。据分析，这种突水可能不止一条小断层起了作用，也可能是一次连锁式突水，野青、伏青、大青、奥灰等灰岩逐次突破了各自的上覆隔水岩层，最终形成了奥灰水的通道。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征二、陷落柱水水害特征1.陷落柱的形状及分布岩溶陷落柱是由于底部石灰岩中岩溶充分发育，引起顶部灰岩及上覆非可溶性岩层向下塌陷所形成的锥状或柱状堆积体，多在北方石炭二叠系煤田中出现，表现为石炭二叠系岩层向下塌陷形成的塌落岩块堆积的柱状体，俗称无煤柱。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征岩溶陷落柱在平面上大多是椭圆形、圆形，少量呈不规则形状，直径几十米至数百米。在剖面上陷落柱呈上小下大的圆锥状、筒状、斜塔状、不规则形状等。陷落柱从灰岩顶面到柱体顶端的高度一般百余米到数百米，最大可达500～600m。陷落柱下部插入灰岩内一般数十米左右，陷落柱中的堆积物往往是逐次陷落形成的，其下部堆积物与原生岩层相比较陷落深度较大，而往上则陷落深度变小。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征陷落柱内岩块杂乱无章，排列紊乱，棱角明显，胶结程度不一。由于生成年代久远，多为古岩溶塌陷，故多数陷落柱内堆积物已比较密实。值得指出的是：陷落柱各不同深度横截面的中心点的连线所形成的轴线形状，除与上覆塌陷岩层的岩性及组合、产状，层理、节理及断层发育状况有关外，还反映了所在地区岩溶发育的历史和陷落柱形成过程中构造运动状况。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征由于陷落柱是上覆岩层岩块的塌陷堆积，其密实程度变化较大，相对于围岩而言其强度较低、空隙性较好，陷落柱周边与围岩的联结较脆弱，陷落柱外侧岩层通常裂隙也较发育，故岩溶陷落柱不仅对煤层开采有明显的影响，而且往往成为地下水突入矿井的通道。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征陷落柱主要分布于我国北方石炭二叠系煤矿区，在山西、河北、陕西、河南、江苏等近20个煤田中，已发现陷落柱45处，总数超过2875个，其中华东较少，山西、河北较多，尤以汾河、太行山两侧煤田较多。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征2.陷落柱的类型陷落柱的导水性可分为3种类型：强充水型、边缘充水型、弱充水型。（1）从已发现的陷落柱来看，绝大多数的陷落柱是弱充水型，陷落柱内充填物压实紧密，风化程度极强，边缘裂隙水已被疏降，煤矿在回采过程中，没有水或少量滴水。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征（2）边缘充水型陷落柱内充填物压实紧密，风化程度较强，柱内水力联系不好，只是陷落柱边缘发育的次生裂隙充水，对奥灰水的导通性不好，采掘工程揭露时一般以淋、滴水为主，涌水量不大。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征（3）强充水型陷落柱内充填物未被压实，柱内水力联系良好，直接导通奥灰高压水，沟通了煤系地层各含水层，采掘工程一旦揭露就发生突水，水量大而稳定，易对矿井造成灾难性的淹井事故，防排水设施很难起作用。（4）我国开滦、焦作、皖北、徐州、邢台等矿区都发生过特大陷落柱突水淹井事故，造成了重大的经济损失和社会影响。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征3.导水陷落柱对矿井水文地质条件的影响导水陷落柱对矿井水文地质条件影响很大，主要表现为：（1）由于导水陷落柱的存在，煤层顶底板含水层水质差异不明显，基本属同一类型。（2）矿井涌水量和突水量跳跃式猛增。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征（3）不同地段井巷涌水量大小相差悬殊，在导水陷落柱附近，涌水一般较集中，水量长期稳定。（4）由于陷落柱的补给，煤层顶底板含水层往往出现局部高水位的异常区。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征【案例7-8】2010年3月1日，内蒙古一煤矿发生特别重大透水事故，造成32人死亡、7人受伤，直接经济损失4800万元。事故直接原因：该煤矿16号煤层回风大巷掘进工作面遇煤层下方隐伏陷落柱，在承压水和采动应力作用下，诱发该掘进工作面底板底鼓，承压水突破有限隔水带形成集中过水通道，导致奥陶系灰岩水从煤层底板涌出。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征该矿在掘进过程中未执行“有疑必探、先探后掘”的探放水措施，在出现底鼓、片帮、炮眼喷水等透水征兆时，未及时撤人，从出现透水征兆到井下大量突水，历时一个半小时，建设单位和施工单位判断错误，应急处置不当，导致31人被困井下。陷落柱突水迅猛，容易造成淹井伤人事故。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征未封闭或封闭不良钻孔会成为沟通矿区各含水层水力联系的通道、成为矿井充水的通道。研究封闭不良的钻孔充水特征，则是在万一发生此类充水时能及时发现它们，及时得到处理。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征三、钻孔水水害特征在煤田勘探中，有很多钻孔要穿过多个含水层。当可采煤层之下有直接充水含水层时，必须有足够的底板延深钻孔才能揭露。按照要求，在煤田勘探中的各类钻孔，竣工后都要进行封孔，但是，由于种种原因，有一部分钻孔未得到良好的封闭。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征未封闭钻孔或封闭不良的钻孔人为地加强了各含水层之间的水力联系，使直接充水含水层的补给条件得到改善，增大了补给量，使矿井水量随之增大，特别是直接充水含水层能通过钻孔得到强含水层的补给时，常常使矿井水量大而稳定，难于疏干，同时造成钻孔附近呈高水位异常。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征钻孔除了沟通直接充水含水层与其他含水层的联系之外，也可能造成有关含水层通过钻孔直接向矿井充水。在这种情况下，对煤矿的开采具有更大的威胁，其水势较猛且水量也大。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征当钻孔所穿过的含水层补给条件较好时，水量大且稳定，即使钻孔所穿过的含水层补给条件不好时，其瞬间水量也可能很大，如果钻孔导致松散含水层水进入矿井的话，同时还可能伴随溃砂进入矿井。封闭不良的钻孔还可能沟通老空水。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征在地质钻孔施工结束后，一般要封闭钻孔。封孔的目的为了减少矿井的充水强度，封孔的结果应该维持矿区原有的天然流场状态。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征【案例7-9】1999年6月18日，河南一煤矿在井下21下山开拓时，发生突水，最大突水量达600m3/h，导致采区被淹。出水后做了大量的探查封堵工作，甚至将附近正在使用的水井进行了注浆封填，均未起到任何效果。后经认真分析，该突水处附近有一个未封孔的水文勘查孔，地面未留任何标志，也未标绘在采掘工程平面图上，是导致本次突水的主要原因。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征后经重新封孔处理，才解除了水患。未封闭或封闭不良钻孔，占据空间较少，却是畅通的导水通道，探查时不容易发现，很容易导致突水事故。第四节断层水、陷落柱水、钻孔水水害特征复习思考题1.矿井的水害类型主要有哪些？2.地表水的充水作用取决于哪些因素？3.什么是岩溶水？岩溶水害的充水特征有哪些？4.老空水的水害特征有哪些？5.什么是断层？断层在矿床充水中的作用表现在哪些方面？6.什么是陷落柱？陷落柱对矿井水文地质条件的影响有哪些？7.煤层开采后，顶板破坏可划分为哪几个带？