（一）矿井突水及突水征兆
凡是井巷掘进或工作面回采过程中，接近或沟通含水层、被淹巷道、地表水体、含水断裂带、溶洞、陷落柱而突然产生的突水事故称为矿井突水。这是因为井下采掘活动破坏岩层天然平衡，采掘工作面周围水体在静水压力和矿山压力作用下，通过断层、隔水层和矿层的薄弱处进入采掘工作面。矿井突水的发生与发展有一个逐渐变化的过程，有的表现很快（一两天或更短）、有的表现较慢（采掘后数日至半个月），这与工作面具体位置、采场地质情况、水压力、矿山压力大小有关。从开拓工作面开始到产生突水事故期间，在工作面及其附近往往显示出某些异常现象，这些异常现象统称为“突水征兆”。
1.承压水和与承压水有关的断层水突水征兆
1）工作面顶板来压、掉渣、冒顶、支架倾倒或折梁、断柱现象。
2）底软膨胀、底臌胀裂。这种征兆多在底板来压之后发生，且较普遍。在采掘面围岩内出现裂缝（特别是底板为脆性岩层），当突水量大、来势猛时，底臌胀裂的同时还伴有“底爆”响声。在受到压力最大地段，柔性岩层变薄；相应地，压力小的地段会出现增厚现象。
3）先出小水，后出大水。由出小水至大突水，时间长短不一。据统计，有1～2h至20～30d不等。如某煤矿某工作面1960年5月8日正式回采，6月2日发现工作面有底臌现象，在近F1断层的溜子道的煤层由1.8m增厚至2.4m，到6月4日，采场底臌趋于明显，并出现一条长11m、宽0.1m的裂隙，先出风、后出水，底板破裂时产生巨响，涌水量达4.8m3/min。随着矿山压力的增大，底臌更加明显，裂缝增多、涌水量愈来愈大，6月5日23时涌水量达到70.2m3/min。突水水色开始为灰色，后转为棕黄色，不久变清。
4）采场或巷道内瓦斯量显著增大。这是因为裂隙沟通、增多所致。
2.冲积层水突水征兆
1）突水部位岩层发潮、滴水，且水量逐渐增大，仔细观察可发现水中有少量细砂。
2）发生局部冒顶，水量突增并出现流砂，流砂常呈间歇性，水色时清时浑。总的趋势是水量、砂量增加，直到流砂大量涌出。
3）发生大量溃水、溃砂，这种现象可能影响到地表，导致地表出现塌陷坑。如吉林舒兰丰广矿三井二路石门，在揭露13层煤底板砂岩时，水、砂涌出，造成严重透水事故。最大涌水量为26m3/min，含砂量为60％，地表80m×700m的范围内先后出现大量塌陷坑。
3.老窑水突水征兆
1）矿层发潮、色暗无光。需挖去一薄层进行观察，若仍发暗，表明附近有水；若里面的矿体干燥、光亮，则是由附近顶板流下的“表皮水”所造成。
2）矿层“挂汗”。矿层一般不含水也不透水，若其上或其他方向有高压水，则在矿层表面会有水珠，似流汗一样。其他地层若有积水，也可能有类似现象。
3）采掘面、矿层和岩层内温度低———“发凉”。若走进工作面感到凉，且时间越长越感到凉；用手摸矿时，开始感到冷，且时间越长越冷，此时应注意可能会突水。
4）在采掘面的岩层内有“吱吱”的水呼声时，表示因水压大，水向裂隙中挤压发出的响声，说明采掘面离水体不远，有突水危险。
5）老窑水呈红色，含有铁，水面泛油花，有臭鸡蛋味，口尝时发涩；若水甜且清，则是“流砂”水或断层水。
（二）矿井突水的防治
矿井突水的防治工作应以防为主，即矿井防水是有效防治矿井突水灾害的重要手段。矿井防水就是根据井田地质、水文地质条件构筑各种必要的工程设施，防止矿井大量涌水，发生突水事故。矿井防水的措施可概括为地面防水、井下防水两大类。
1.地面防水
地面防水是指在地表修筑各种防排水工程，防止或减少大气降水或地表水渗入井下，它是保证矿井安全生产的第一道防线，特别是以大气降水和地表水为主要充水水源的矿井尤为重要，常采用以下方法：
1）河流改道。矿区范围内有常年性河流流过且与矿井直接充水含水层接触，河水渗漏量大，是矿井的主要充水水源时，会给生产带来严重影响。这种情况下，可在河流进入矿区的上游地段筑水坝，将原河流截断，用人工河道将河水引出矿区。若因地形条件不允许改道，而河流又很弯曲时，可在井田范围内将河道截弯取直，缩短河道流经矿区的长度，减少河水下渗量。
2）铺整河底。矿区内有季节性河流、冲沟、渠道，当水流沿河床或沟底裂缝渗入井下时，则可在渗漏地段用粘土、料石或水泥修筑不透水的人工河床，阻止河水渗漏或减少渗漏量。
3）填堵通道。矿区内因采掘活动而出现的地面塌陷或地面开裂，经查明是矿坑涌水通道时，可用粘土或水泥填堵这些通道。对较大的溶洞或塌陷裂缝，可下部填碎石，上部用粘土覆盖，并分层夯实，要求填土层略高出地面，以防积水。
4）挖沟排（截）洪。地处山麓或山前平原区的矿井，因山洪或潜水涌入井下，而构成水害隐患或增大矿井排水量时，可在井田上方垂直来水方向沿地形等高线布置排（截）洪沟、渠，拦截洪水和浅层地下水，将其通过安全地段引出矿区。
5）排除积水。有些矿区开采后引起地面塌陷，塌陷坑内常年积水，且随开采面积增大，塌陷区范围增大，积水增多。此时，可将积水排走，造地复田，消除水害隐患。
上述这些方法，从施工角度都是可行的，但采取何种方法应视矿区具体条件而定，可以采用单一方法，也可采用多种方法综合防治。
2.井下防水
井下防水措施可归结为“查、探、堵、排”四个字，即查明水源、超前探放水、堵挡水源、排水降压。井下防水工程主要有防水闸门、防水矿（岩）柱、矿井注浆堵水等。
（1）防水闸门
防水闸门是井下防水的主要安全设施，以分区隔离为目的，可缩小灾情范围，控制水势危害。一般设计为人工启闭的弧形铁门，四周用混凝土墙加固，墙内镶有放水管及电缆、电话线管路等，水管一端进水并挖有水池，出水口设有阀门与压力表，放水时可观测水压和调整水量。闸门向来水方向打开，并能承受设计水压力。若水压高时，需用高压水闸门，构筑时，需对四周岩层注浆，并做耐压试验。目前我国矿井所用的防水闸门均为钢制，有平板型、圆弧拱型和膜型扁壳型3种基本类型，其中膜型扁壳型防水闸门具有门扇质量轻、抗压能力大、结构合理、技术先进等优点，深受矿山开采部门的欢迎。
防水闸门一般设置在井下运输巷内，正常生产时防水闸门敞开着，当水患突然发生时，可将防闸门关闭，切断水路。凡受水患威胁严重的矿井，在井下巷道布置和生产矿井开拓延伸或采区设计时，应在适当的地点预留防水闸门的位置，使矿井形成分翼、分水平或分区隔离开采。
1）防水闸门位置的选择至关重要，一般应考虑几方面问题：①防水闸门应设置在对水害具有控制作用的部位和井下重要设施部位（如井底车场出入口处），能使水害控制在尽可能小的范围内，并考虑即使水害发生，也能恢复生产及绕过事故地点开拓新区。②防水闸门应设置在不受邻近采动影响的地点，以免破坏防水闸门的结构和闸门周边围岩的隔水性与稳定性，防止防水闸门关闭后高压水通过裂缝外泄。③防水闸门应建在围岩稳定性与隔水性好的地段（要求围岩硬度系数必须大于4），尽量避免在较弱岩层或矿层内砌筑。若必须在矿层中砌筑时，必须使闸身的混凝土结构和基岩结合成一体。④防水闸门应尽量修筑在单轨巷道内，以减少掘进量和防水闸门的规模。
2）防水闸门的分类。从使用的角度出发，防水闸门可分为临时性和永久性两种。若预计突水量不大，水头压力较小时，可修筑临时性防水闸门，一旦突水，临时性防水闸门可起缓冲作用，以便采取进一步的防治措施。永久性防水闸门投资大、施工要求高，只有在保证施工质量前提下，当关闭防水闸门后才能起到封堵水害的作用。
（2）防水矿（岩）柱
在地表水体周围、强含水层或导水断层附近采掘时，为防止地表水或地下水溃入井巷，在可能发生突水处保留最小宽度（或厚度）的矿（岩）柱，这种为保证地下采矿工程地段的水文地质条件不致明显变坏而留设的最小宽度（或厚度）的矿（岩）柱称为防水矿（岩）柱。
1）防水矿（岩）柱的种类及留设原则，一般包括几个方面：①有突水威胁又不宜疏忽的地区，采掘时必须留设防水矿（岩）柱；②应在安全可靠的基础上，把矿柱厚度降低到最低程度，以提高资源利用率；③一个井田或一个水文地质单元内的防水矿（岩）柱，应在总体开采设计中确定，即开采方式和井巷布局与矿柱留设相适应，避免以后矿柱留设的困难；④多矿层地区防水矿（岩）柱留设必须统一考虑，以免某一矿层所留矿柱因另一矿层开采而遭破坏，致使整个防水矿（岩）柱失效；⑤同一地点若按不同条件留设矿柱时，最终选定留设矿（岩）柱的宽度，应满足所有条件；⑥留设防水矿（岩）柱所需数据，必须就地取得，邻区或外区数据仅供参考。若需采用其他地方的数据，应适当加大安全系数。
2）防水矿（岩）柱留设，包括两种方法。
A.断层矿（岩）柱的留设。矿层位于导水断层上盘时的矿（岩）柱留设，分两种情况。一是断层上盘矿层与下盘含水层接触或位于其上；二是矿层与导水断层接触，断层沟通地表河流且与下盘含水层接触，如图4－11所示。可利用均布荷载“简支梁”理论导出顺层防水矿（岩）柱宽度计算公式为
地质灾害防治技术
式中：L为顺层防水矿柱宽度（m）；M为矿层厚度或采高（m）；P为矿层所承受的水压（MPa）；K为矿层的抗张强度（MPa）；A为安全系数，一般取2～5，取值应考虑断层产状要素可靠程度、破碎带的宽度和强度、矿层变化及其强度值的可靠性、水压变化及其可靠程度、采后矿柱破坏情况等诸多因素。
图4－11 矿层位于导水断层上盘时的防水矿柱
当岩层倾角较大时，可用下式计算水平防水矿柱宽度：
地质灾害防治技术
式中：Lp为岩层倾角较大时，顺层防水矿柱的宽度（m）；L为顺层防水矿柱的宽度（m）；β为矿层倾角（°），当岩层与断层间夹角较小时，应考虑底板突水可能性，并用底板防水岩柱厚度来校验。校验时先确定底板防水岩柱，再根据矿层与断层间的夹角用下式计算顺层防水矿柱的宽度：
地质灾害防治技术
式中：Ha为安全防水矿（岩）柱宽度（m）；θ为矿层与断层夹角（°）；其他符号意义相同。
将式（4－21）和式（4－22）计算结果进行比较，取大值作为防水矿（岩）柱宽度的最终选定值。
图4－12 矿层位于导水下盘的防水矿柱图
B.安全防水岩柱厚度（Ha）确定方法。
a.根据矿井实际观测资料确定。Ha可根据各矿具体情况和经验确定，应大于隔水层受采动影响而遭到直接破坏的无效隔水层厚度。我国峰峰、焦作、淄博等矿区采煤对底板破坏深度为6～14m，有些地区大于14m，在无资料情况下，可利用直接破坏带厚度与采场岩体试验资料作为参考（坚硬岩层为11～20m，中硬岩为10～17m，软弱岩层为8～12m）。
b.突水系数（Ts）的估算。突水系数指突水点处突水临界水压力与其有效隔水层厚度的比值（MPa/m）。先根据矿区各突水点资料算出临界突水系数值，再利用突水系数值计算安全防水岩柱厚度。根据定义，突水系数及安全防水岩柱厚度（Hs）表达式分别为
地质灾害防治技术
式（4－23）和式（4－24）中：P0为临界水压力（MPa）；P为隔水层承受水压力（MPa）；M1为隔水层厚度（m）；M0为矿压对底板破坏的最大深度（m）。
斯烈萨列夫隔水层底板临界厚度（t）的计算公式为
地质灾害防治技术
式中：L为巷道底宽或回采工作面最大控顶距离（m）；γ为隔水层容重（t/m3）；K为隔水层抗张强度（t/m2）；其他符号意义同前。
再计算安全防水岩柱厚度（Ha），公式为
地质灾害防治技术
当L不大时，M0→0，则Ha＝t。
矿层位于导水断层下盘时，矿（岩）柱的留设除按式（4－21）计算顺层安全防水矿柱外，还需计算导水裂隙带与断层保持一定安全厚度的防水岩柱时，顺层防水矿柱宽度（图4－12）。比较两者大小，取大值。计算公式为
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式中：L为顺层防水矿柱宽度（m）；L1、L2、L3分别为顺层防水矿柱分段宽度（m）；Ha为断层安全防水岩柱宽度（m）；Hml为导水冒裂带高度（m）；θ为断层面与煤层的锐夹角（°）；δ为走向塌陷角（°）。
矿层位于不导水断层上盘时，矿（岩）柱留设根据断层两盘的矿层与含水层的相对位置可分为：含水层高于冒裂带高度、含水层处于冒裂带中和含水层低于矿层等3种情况。
（3）矿井注浆堵水
注浆堵水就是将制好的浆液压入井下围岩裂隙或巷道中，使其扩散、凝固和硬化，从而提高岩层强度、完整性和不透水性，从而达到封堵、截断补给水源和加固围岩的目的，也是矿井防治水害的重要手段之一。目前已广泛用于矿井井筒注浆、封堵突水点、恢复被淹矿井，在帷幕注浆堵水截流减少矿井涌水量，底板注浆加固防止突水等方面，已取得良好的效果。
1）注浆材料与注浆工作程序。
A.注浆材料：注浆材料的选择应根据注浆堵水的目的、地质条件、施工条件、注浆工艺和投资多少等诸多因素决定。一般情况下，凡是水泥浆能解决问题的，尽量不采用化学浆。化学浆主要用于弥补水泥浆的不足，解决一些水泥浆难以解决的问题。当地下水流速小于25m/h时，采用单液水泥浆；流速大于25m/h时，采用水泥、水玻璃双液浆。用于底板岩溶、断层破碎带的注浆堵水及处理井下突水事故时，多采用先灌注惰性材料（如砂、炉渣、砾石、锯末等）充填过水通道，缩小过水断面，然后灌注快凝水泥、水玻璃浆液，再用强度较高的化学浆进一步封堵。
B.注浆工作程序：
a.注浆段高和注浆方式。注浆段高是指一次注浆的长度，可分为全段一次注浆和分段注浆两种。前者是在注浆孔终孔后进行一次性注浆，适用于含水层距地表近、厚度不大、裂隙发育较均匀的岩层。其优点是一次钻进，一次完成注浆，可缩短施工时间；缺点是段高大时，不易保证质量。当岩层吸浆量大时，要求注浆设备能力大，易出现不均匀扩散，影响注浆堵水效果。当注浆深度较大且穿过裂隙大小不同的多个含水层时，为防止浆液在大裂隙扩散远、小裂隙扩散近，或上部岩层的裂隙进浆多、下部岩层裂隙进浆少等问题，宜采用后者，即分段注浆。段高可按岩层破碎程度划分，我国经验数据是：极破碎岩层一般为5～10m；破碎岩层为10～15m；裂隙岩层为15～30m；重复注浆可取30～50m。注浆方式是指注浆顺序，分下行式和上行式两种。自上而下依次注浆称为下行式注浆，即从地表钻进含水层开始，钻一段，注一段浆，反复交替，直至全孔。其优点是：上段注浆后，下段高压注浆时，不跑浆，上段同时获得复注，注浆堵水效果好；缺点是：钻孔与注浆交替进行，工期长。该方式适用于岩层破碎或裂隙发育的地层。自下而上的注浆称为上行式注浆，即在注浆孔钻进结束后，使用止浆塞，自下而上逐段注浆。优点是无重复钻进，能加快注浆速度。该方法适用于岩层较稳定，垂直节理不发育的地层。
b.注浆前压水。目的在于将裂隙中松软的泥质充填物推送到注浆范围以外，使浆液进入裂隙后增加填充的密闭性和胶结强度。对于大裂隙，压水时间约为10～20min，中小裂隙则需15～30min或更长。重复注浆钻孔压水时间适当延长，一般为30～60min。压水时，压力应由小增大，最大不得超过注浆终压。
c.下放止浆塞及注浆。止浆塞放至规定位置后，接好输浆管，压缩浆塞止浆并经压水试验检查后，即可进行注浆。注浆过程中应特别注意堵浆、跑浆及冒浆，并采取措施保证注浆工作顺利。
C.注浆参数：
a.浆液扩散半径。裂隙中浆液的扩散半径随岩石的渗透系数、注浆压力、注浆时间的增加而增大，随浆液的浓度和粘度的增加而减小。据实际经验，岩溶地层的浆液平均扩散半径为10～15m，裂隙地层平均为4～8m。
b.注浆压力。注浆压力对浆液的扩散影响很大。经验表明，随着注浆压力的提高，填充物质的强度急剧增加，这就保证了填充物具有足够强度和不透水性。当地下水流速大时，应设法增加浆液的流动阻力，则需降低注浆压力。合理运用注浆压力是注浆的关键，宜根据水文地质条件选择注浆压力，如有的地区选用注浆压力为静水压力的2～2.5倍，有的则根据岩石裂隙采用合适的压力值。
c.浆液注入量。可根据扩散半径和岩石裂隙率进行粗略计算，计算公式为
地质灾害防治技术
式中：Q为浆液注入量（m3）；r为浆液扩散半径（m）；n为裂隙率，一般取1％～5％；H为注浆段长度（m）；β为浆液在裂隙内的有效充填系数，约为0.3～0.9，视岩层性质而定。
2）井筒注浆堵水。井筒注浆堵水一般可分为井筒地面预注浆、井筒工作面注浆两种方式。
井筒地面预注浆就是在井筒开凿前，从地面打孔，采用闭合帷幕方式进行预先注浆，封堵含水层中的孔隙、裂隙、溶洞，将水隔离于井筒开凿范围以外，保证井筒施工顺利进行。该方法适用于含水层较厚且离地表较近，或含水层较薄且层数多的水文地质条件，它具有施工条件好、速度快、不占施工工期等优点。
A.注浆孔的布置：一般多呈外环式布孔。即注浆孔布置在井筒毛断面（荒径断面）的外围，由注浆孔组成注浆外环。外环圈的直径大于井筒荒径0～1m，各孔的间距不应小于3～4m。对裂隙小、耗浆少的地层，间距可略大些（图4－13）。
图4－13 外环式注浆孔布置
注浆孔孔数的确定与岩石裂隙发育程度、井筒断面、注浆泵能力等因素有关，可由下式确定：
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式中：N为注浆孔数（个）；D为井筒掘进直径（m）；L为注浆孔间距，一般取3～5m；A为注浆孔至井筒掘凿边界距离（m），一般取0.5～1.5m，当注浆孔深度小于200m时，且钻孔水平偏距不大时，A值可取小些。
注浆孔应按由稀到密的原则分组施工，待第一组钻孔施工并注浆完毕后，再进行第二组，依此类推。这样可根据施工和注浆情况，检查注浆效果和修改必要的注浆参数，如调整孔距、浆液浓度、注浆段长度等，也便于钻机交叉施工。注浆孔结构应尽量简单，在钻机设备能力允许的条件下，终孔直径尽可能大些，一般以不小于89～108mm为宜。
B.井筒工作面预注浆：该方法是在井筒掘进工作面凿至距含水层尚有一定距离处，停止掘进，从工作面上打钻至含水层预先注浆堵水。优点是可节省钻孔工程量及钻进时间、浆液消耗量低、对上段岩层情况和注浆效果检查直观，还可作为下段注浆施工参考的依据；缺点是钻孔注浆在工作面进行，场地小、施工不便、钻孔直径和深度均受到限制，而且占用建井工期。
3）突水点（口）注浆堵水。矿井因突水事故被淹没后，可以采取强排疏干法和注浆堵水法，使其恢复生产。强排疏干法即利用大流量水泵（水泵排水量要大于矿井突水后的总涌水量）强行排水，并采取相应措施恢复生产。它适用于突水点（口）涌水量和含水层静储量小、矿井排水设备及电力供应条件好、排水后对工农业和居民用水无影响等条件下。注浆堵水是指用各种方法和材料（水泥、水玻璃、化学材料等）堵塞井下突水点，切断通道和水源，增加突水点及其周围岩层和隔水层的强度，故又称为突水点（口）注浆堵水。适用于突水点埋藏深且涌水量大、井巷断面有限、不能安装大型排水设备、突水点水源与工农用水和居民供水属同一水源、排水后会引起水源地枯竭或产生环境水文地质问题时。
按注浆孔的位置，突水点（口）注浆堵水可分为地面注浆堵水和井下注浆堵水。按堵水的先后顺序，突水点（口）注浆堵水分为先堵后排法和先排后堵法。我国淹没矿井恢复注浆堵水常采用的是地面注浆先堵后排法。
A.注浆堵水前的水文地质工作。注浆堵水时应解决的问题是：井下突水点的具体位置在哪里？在什么部位注浆效果最好？根据什么原则布置勘探注浆孔？突水点堵水效果如何判断等。为了正确选择堵水方案，确保注浆钻孔能命中堵水的关键地点或部位和正确评价堵水效果，一般需进行下列水文地质工作：
a.分析已有水文地质资料，进行野外地质调查，补充必要的勘探工作，查清突水点的位置，确定或判断突水水源，查明突水点附近断裂构造与含水层的特征及岩溶发育程度和规律，分析突水点与它们之间的水力联系等。
b.测定地下水流速、流向和地下水的水质与水温。
c.布设地下水动态观测网，进行堵水前、后和堵水过程中的动态观测，并编制注浆观测孔历时曲线和等水位（压）线图。
d.利用钻孔和被淹矿井抽（放）水试验，进一步分析各含水层与突水点（口）的水力联系，并利用注浆工程前后放水资料对比，评价堵水效果。
e.注浆前必须进行冲洗钻孔及压水试验。冲洗钻孔的目的是疏通岩层的空隙通道，有利于浆液扩散与胶结围岩，提高堵水效果；通过压水试验可计算岩层单位吸水量、了解岩层的渗透性，以选择浆液材料及其浓度与压力。
B.待封堵于井巷内的水停止流动后，在接近防水闸门的正常巷道内向出水点附近的断层或含水层打注浆孔，并用高压注浆泵注浆，以封堵水源和加固突水点周边的围岩。