煤矿水害防治技术PPT课件.ppt

4 5注浆堵水技术4 5 1概述注浆堵水就是将水泥浆或化学浆通过管道压人并下岩层空隙 裂隙或巷道中 使其扩散 凝固和硬化 从而岩层具有较高的强度 密实性和不远水性 达到封堵截断补给水泥和加固地层的作用 是矿井防治水害的重要手段之一 注浆堵水作为一项治水手段应用于煤矿安全生产 在20世纪50年代中期首先应用于山东淄博和河北开滦 进入60年代后期 我国才广泛使用注浆技术方法综合治理矿井水害 目前主要应用于以下几个方面 1 对有强补给水源的突水点注浆堵水 冶水复矿 并相应查明突水原因和条件 2 与疏放水结合 对查明的进水边界或通道 进行帷幕截源注浆 改造自然条件 减少矿井涌水量 3 对导水钻孔进行地面启封注浆或井下注浆 4 对导水陷落柱或其他垂直导水通道 进行针对性注浆 注浆工作程序 一 注浆材料注浆材料的选择应根据堵水的目的 地质条件 施工条件 注浆工艺和投资多少等因素决定 二 具体注浆工作步骤1 注桨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 前者是将注浆孔钻至终孔后一次注浆 适用于含水层距地表近且厚度不大 裂隙发育较均匀的岩层 其优点是一次钻进 一次完成注浆 缩短施工时问 缺点是段高大时不易保证质量 当注浆深度较大 穿过裂隙大小不同的多个含水层时 在一定注浆压力下 为防止浆液在大裂隙扩散远 小裂隙扩散近 上部岩层的裂隙进浆多 下部岩层裂隙进浆少 应采用分段注浆 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5m 10m 破碎岩层为10m一15m 裂隙岩层为15m一30m 重复注浆可取30m一50m 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下行式注浆 即从地表钻进含水层 钻一段孔 注一段浆 反复交替 直至全深 该方式适用于岩层破碎或裂隙发育的地层 自下而上的注浆称上行式注浆 即注浆孔一次钻进到注浆终深 使用止浆塞 自下而上逐段注浆 该方法适用于岩层较稳定 垂直节理不发育的地层 2 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 从而提高注浆质量和堵水效果 对于大裂隙 压水时间为10min 20min 中小裂隙 则需15min 300min或更长一些 压水时压力应由小增大 最大不得超过注桨终压 3 下放止浆塞及注浆止浆塞放至规定位置后 接好输浆管 压缩放塞止浆并经压水试验检查好 即可进行注浆 三 注浆参数 1 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 注入时间的增加而增大 随浆液的浓度和熟度的增加而减小 据现场经验 岩溶地层注浆 浆液平均扩散半径为10m一15m 裂隙地层平均为4m 8m 2 注浆压力 3 浆液注入量 根据扩散半径和岩石裂隙率进行粗略计算 公式为 式中 Q 浆液注入量 m3 r 浆液扩散半径 m n 裂隙率 H 注浆段高 m 浆液在裂隙内有效充填系数 0 9 0 95A 浆液消耗系数 一般取1 2 1 3 4 注浆结束标准 一般是用两个指标表示 一是最终吸浆量 即注浆注至最后的允许吸浆量 另一个是达到设计压力时 即终压时 的持续时间 4 5 2注浆堵水技术在受淹矿井的快速恢复中的应用 矿井淹没不仅给矿山带来资财以至生命的损失 而且会直接打乱国家经济计划 为了最大限度地减低淹井造成的损失 30余年来 用强排 先堵后排 先排后堵等多种方法及时恢复了大多数被淹没的矿井 一旦矿井遭遇水患淹没 加快封堵突水点和快速排水恢复生产是紧要的 要实现快速封堵 达到抢险救灾的目的 首要的是准确判断突水点位置 突水点位置确定后 注堵部位的选择和注堵钻孔的布置是实现快速堵水的关健 快速注堵突水点和排水恢复工程要寓于一个完整的恢复方案中 一个技术可行 经济合理 切合实际的方案是快速注堵和排水恢复工程成功的保证 一 被淹矿井恢复方法的确定由于我国煤矿床水文地质条件复杂 加之排水 防水以及管理等条件的影响 矿井被淹的事例时有发生 在数十次遭淹矿井的恢复中积累了不少经验 被淹矿井的恢复 应根据该井水文地质条件的复杂程度 地下水动静储量的大小及技术设备等条件 采取强排疏干或堵的方法 或者分先排后堵 先堵后排两种 被淹矿井的恢复方案必须在弄清当地的地质 水文地质条件的基础上 结合现有及可能有的技术设备 安装条件 电源 并考虑对邻近矿井的影响等情况 在进行不同方案的技术经济比较后方能确定 确定时应考虑下列主要因素 1 被淹矿井地质特征及突水点情况的了解程度2 突水水源的富水程度3 对临近矿及阑附近供水水源的影响4 电源 技术设备及安装条件5 突水点的位置及地下水的特点6 经济合理性 采用先堵后排的条件 1 区内断层发育较少 互不沟通 导水性及含水性弱 隔水层厚 岩性致密 分布较稳定 强度较大 2 突水水量大 2 电源 技术设备不足 4 井巷断面小 5 淹井水源与附近供水水源相联系 6 预计排水所用时间比注浆时间长得多 而且成本也高得多 采用先排后堵的条件 1 区内断层发育少 且互不沟通 导水性及含水性弱 隔水层厚 岩性致密 分布较稳定且强度较大 2 突水水量较小 或者突水量虽然大 但能具有相应的排水设备 3 电源 技术设备及井巷断面能满足排水和安装需要 4 突水点多 面广 且埋藏深 5 井下测量资料不正确 无法圈定出水地点 采用强排疏降法的条件 1 区内断层繁多 互有沟通 导水性及含水性较强 隔水层破碎 分布不稳定 不能保证隔水作用 2 突水水量较小 易被疏干 或水压大 为了今后生产的安全 必须把水头降至一定高度 3 被淹矿井与相邻矿井为同一水源或与淹没矿井的充水水源有联系时 以联合排水为宜 4 电源 技术设备 井巷断面均能满足需要 5 经济上合理 二 先排后堵法恢复被淹矿井 以井陉三矿为例井陉三矿始建于1918年 日本侵华时期 1942年6月23日 一号井北部1200m处在四层煤的掘进过程中 奥灰水通过断层突入井巷 突水量达68m3 min 突水后两小时井底中央泵房浸水 全井掩没 淹没后日方曾采取先堵后排方法复矿 从地面打了14个钻孔 并注入煤和细砂混合料 未能成功 解放前先后两次改用强排法复矿 均因泵量不足而未能成功 1958年采用先排后堵方案才使淹没14年的井陉三矿重获新生 复矿后已安全生产了千余万吨优质焦煤 三 先堵后排法恢复被淹矿井及其有关问题经验证明 通过地面钻孔注入水泥浆及其它固料封住坑下的突水点 将突水水源与井下硐室隔绝开来 而后排除矿井内的静水水体 是恢复突水量很大或排水设备不足的被淹矿井的有效方法 现就静水条件下注堵的有关问题进行讨论 1 堵水部位的探查 选择及法浆孔的布置 淹井突水点的探查注浆堵水钻孔绝大多数在地面施工 为使注浆钻孔打中欲注部位 必须将井下突水点或过水通道在地面上的垂直投影点准确地找出来 以便进行圈定 保证堵水效果 堵水部位的选择从一系列突水淹井实例来看 突水多发生在断层带或断层带附近的巷道及工作面内 突水点往往位于断层上盘 因其与对盘之突水含水层直接接触或极为接近 堵水勘探及堵水钻孔的布置和钻进采用先堵后排的方法恢复被淹矿井 从查清突水点到打中堵水部位 需有足够用来观测和试验的钻孔 钻探工作量是很大的 因此必须遵循合理的布孔原则 2 注堵不同部位切断淹井水源恢复被淹矿井实例 一 淄傅北大井先堵断层等夺水通道尔后排水恢复被淹矿井淄博北大井于1935年5月13日发生奥陶系灰岩含水层突水 突水量达443m3 min 仅78小时就淹没了全并 使530余名矿工遇难 突水通道为周瓦庄断层 断层落差28 30m 断层带上宽下窄 具有良好导水性 布置3排钻孔 第一排孔布置在断层下盘 穿过断层 徐家庄灰岩 下称徐灰 进入奥灰20m 对徐灰和奥灰注浆 第二排孔直穿周瓦庄断层 过断层进入奥灰20m 对断层破碎带和奥次注浆 第三排孔位于断层上盘 穿过徐灰 在奥灰顶部过断层进入下盘奥灰15m 对徐灰断层带及奥灰注浆 二 焦作冯营矿先封堵合水层 断层带及煤层底板突水通路尔后排水恢复被淹矿井焦作冯营矿西部边界为一导水的下庄断层 断距55m 井田位于断层上盘 L8灰岩与下盘富水的L2灰岩对接 大煤煤层与下盘L2灰岩垂距为38m 并对该断层留有防水煤柱 由于五里源小煤窑违章开采了大煤煤层防水煤往 1979年11月当小煤窑开拓距下庄断层12m处时 底鼓突水 突水量大于37m3 min 使冯营矿全井被淹 三 安阳铜冶煤矿先封堵陷落往后排水恢复被淹矿井安阳钢冶煤矿年产量21万t 1965年8月25日在103工作面下顺槽打确定巷道前进方向的超前钻孔时 发生钻孔出水 初始出水量0 5m3 min 随着水流冲刷涌水逐增 12小时后水量猛增至23 3m3 min 大于该矿排水能力 至30日全井被淹 其突水水源为奥陶系灰岩含水层 突水通道为陷落柱 四 淮北相城煤矿先注堵巷道及突水水源 后排水恢复被淹第二水平相城煤矿位于淮北闸何煤田西南端 东界为F5号断层 采二叠系石盒子组3 4 5煤层 矿井设计能力21万t 为了扩大生产能力东大巷需过F5号断层开采七采区 1971年当东大巷揭露F5号断层时 发生过1m3 min的突水 l973年5月24日突然于原突水点处发生底鼓 突水量达到12 1m3 min 超过第二水平排水能力的2 5倍 致使第二水平被淹 这项技术是八十年代中后期发展起来的一项注浆治水方法 当煤层底板充水含水层富水性强且水头压力高 或煤层隔水底板存在变薄带 构造破碎带 导水裂隙带 需采用疏水降压方法实现安全开采 但疏排水费用太高 浪费地下水资源且经济上不合理时 采用含水层改造与隔水层加固的注浆治水方法实属上策 4 6含水层注浆改造与隔水层加固 煤层底板注浆改造含水层 是沿工作面上下平巷大面积布置注浆钻孔 通过注浆钻孔注浆来充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙 从而大大减弱含水层的富水性并切断水源补给通道 使受注含水层被改造为不含水或弱含水层 实现工作面不突水开采 由于构造原因 煤层与含水层之间的隔水层常存在区域性或局部性裂隙破碎带 减弱了隔水层的阻水性能或抗水压能力 为此 在工作面回采之前 应对已探知或分析预测的隔水层破碎带进行注浆改造 以充填和加固隔水层的整体完整性 提高其防突水能力和阻抗水压的能力 山东肥城矿区是应用这项技术较为成功的一个地区 该矿区从1986年到现在 已经局部注浆和整体注浆改造九 十层煤回采工作面23个 安全采出原煤152 32万吨 取得了十分可观的经济和社会效益 如杨庄矿9507回采工作面当回采到 33米水平时 底板出水 相距230米的9505采空区出水约10m3 h 经过在五灰充水含水层打孔注浆后 工作面面上水量消失 采空区水量仅剩2m3 h 4 7矿井防排水系统 一 矿井排水系统与防水系统矿井排水系统与相应防水系统的建立 是煤矿安全生产必备的五大环节之一 必须符合 煤矿安全规程 规定之要求 多事故大水矿井在加强防治水工作的同时 必须保证 煤矿防治水工作条例 规定的抗灾枪险的排水能力和相应的防水系统建立 只有这样 煤矿的安全正常生产才能得以保证 在水量一旦意外有所增大的情况下 才能避免淹井事故的发生 至少能争取时间撤出危险区的工作人员 根据有关 规程 利 条例 的规定 建立的矿井排水和防水系统府该包括以下主要内容 一 水仓水仓容量要符合 煤矿安全规程 和 煤矿防水工作条例 的规定 保证能在一定的时间内存储一定的涌水量 以便能有缓冲时间来排除排水系统的一些偶然停运故障 它应具备下列功能 1 有相应连接又可控制隔离的主 副仓 便于轮流清理淤泥杂物 保证水仓容量的有效性 2 有足够的供水泵吸水管 阀 安放且与水仓连接的吸水小井 3 水仓进水口沉淀池利流量堰口安根据水量大小 有足够的稳流沉淀容积 稳定隔板和标准的不漏水堰口 便于及准确测定流量 4 应急储水区 5 与泵房相连的水平大巷临时枪随隔离闸板门 二 泵房按设计要求安装足够台数的水泵及相应的配电盘和开关 所建泵房要满足以下要求 1 有便于水泵及电动机进汽的通道 2 泵房内的环形管路从相应的闸阀能有利于充分发挥排水管路和各台水泵的能力 启动和调配水员方便合理 3 必要时要预留安泵位置和接电开关 一但需要可突击增加水泵 4 当同一矿井 同一水平有数个泵房时 其底面标高应尽可能一致 这样便于协同排除该水平的来水 形成统一的排水能力 防止低位泵房被淹 高位泵房还发挥不了排水功能 三 排水管道其管径要与水泵能力相匹配 其趟数要与总设计诽水能力相匹配 其壁厚要与相应的扬程相适应 这些应由设计部门选型 四 水泵水泵的选型要依据扬程 排量和匹配的管径以及电动机类型 电压等综合分析确定 其台数与排水能力必须符合 煤矿安全生产规程 的有关规定 满足同时有运转 备用和检修水泵的条件 五 供电系统供电系统要与水泵供电负荷相匹配 并保证双电源双回路供电 以便一路电源发生故障时 另一路电源能立即供电 保障排水系统的不间断正常工作 六 闸门系统根据具体的水文地质和工程地质条件 要整体考虑矿井采区开拓部署 实行分水平 分煤层 分区域甚至分采区的隔离措施 修建水闸门系统 4 8灌浆帷幕截流 灌浆帷幕截流是通过钻孔向导水岩层中灌浆建造帷幕状人工阻水体截断地下水流的一种治水方法 简称帷幕截流 灌浆截流或帷幕灌浆 截流灌浆等 灌浆帷幕截流有两大类 一类是在冲积层中建造灌浆帷幕进行截流 另一类是在基岩中建造灌浆帷幕进行截流 两者目的一致 但工艺差别甚大 本节讨论的只是后者 且仅讨论在石灰岩含水层中建造灌浆帷幕进行截流的情况 4 8 1概述灌浆帷幕截流 在国内矿山使用于60年代初 当时徐州矿务局青山泉煤矿为了挽救受相邻被淹井威胁的三号井 在两井之间过水的薄层灰岩中建造了我国煤矿第一条灌浆帷幕 取得了治水的初步成功 60年代中期 焦作矿务局与煤炭科学研究院地质勘探研究所在演马庄矿也以同样的方法 在截断隐伏露头区的天窗渗漏中 减少渗漏量18m3 min 仅用50多万元的工程投资 就获得了节省年排水费70多万元的巨大效益 进入70年代 矿山系统的许多单位都争相使用这种治水方法处理各自的水文地质问题 如湖南水口山铅锌矿用灌浆帷幕解决琉于塌陷 山东新汉矿务局和枣庄矿务局用灌浆帷幕截流解决河床渗漏和保护泉水资源 河北峰蜂矿务局和山东张马屯铁矿用帷幕截流减少矿坑涌水量等 4 8 2灌浆帷幕的基本要素与构成及其对水文地质条件的要求一 灌浆帷幕的基本要素与构成1 帷幕线帷幕线是未来灌浆截流帷幕在平面上的分相位置 由灌浆钻孔连线构成 其延伸方向可直可曲 也可自行封闭 一般情况下多以直线为主 2 帷幕的长 宽 高帷幕形成后基本有六个面 它们组成了幕长 幕宽和幕高 习惯上称为幕长 幕厚和幕深 幕长是指帷幕两端与隔水边界交接处之间的整个帷幕线的长度 幕宽即幕厚 是指沿垂直帷幕线方向上浆液的有效充填范围 幕高或幕深 严格地说是指帷幕上下限之间的这段距离 即帷幕的垂向范围 3 灌浆孔及孔排灌浆孔是打在帷幕上用来灌浆的钻孔 孔排是平行主帷幕线的一排灌浆孔 也是帷幕构成中不可分割的部分 4 检查孔5 观测孔指在垂直帷幕线的方向上 打在浆液扩散范围内外 帷幕两侧的非灌浆孔 以此来获得的帷幕内外水位差资料 说明灌浆帷幕的截流效果 二 灌浆帷幕对水文地质条件的要求 一 受灌地层要有较好的可灌性和适当的厚度 二 受灌地层要有明确的主补给方向 此补给方向应占有绝大部分补给量 三 要有集中径流带存在 四 要具备不透水边界 4 8 3灌浆帷幕截流的应用实例分为两类 一种是在浅部 埋深 200m 的薄层灰岩中进行的帷幕截流 主要介绍青山泉 演马庄 协庄和黄贝4个煤矿为不同目的建幕裁流情况 另一种是在深部 埋深 200m 的薄层灰岩中利用帷幕截流的情况 目的是减少矿井涌水量 主要以河北峰峰滏岭庄为例 一 浅部薄层灰岩灌浆帷幕截流实例 一 消除被淹井对相邻生产井的涌水威胁地点江苏省徐州矿务局青山泉煤矿三号井问题的产生青山泉煤矿共有三对矿井 其中二 三号井相邻 当二号井因水大放弃而淹没时 其井水匣通过井田边界沿同一含水层涌向正在生产的三号井 致使三号井涌水量由0 5m3 min猛增至22m3 min 安全受到了严重威胁 水文地质特征九 十层簿层灰岩构成直接威胁含水层 它们分别是现采煤层 七层煤和九层煤 的间接顶板和直接顶板 九灰厚2 8m 十灰厚3 5m 九 十层灰岩地下水流速为720 3320m d 灌浆帷幕的设计与施工帷幕线选在井简西侧的煤柱上 长565m 与岩层倾向一致并与斜井井简平行呈南北向由浅而深延伸 帷幕的边界情况 灌浆孔共172个 孔深分别为15 85m 截流效果经过6个月施工 投资48 93万元 在观测孔中观测到了九 十层灰岩在帷幕内外两侧形成的水位差达26 11m和28 10m 证明灌浆截流已见实效 二 封闭隐伏露头区漏水天窗的补给地点河南省焦作矿务局演马庄煤矿漏水天窗的发现1964年9月30日 井下 60m水平的12121工作面发生突水 水量达89m3 min 据动态观测 位于北部隐伏露头区的第四系观测孔水位骤然下降19m 并以此为中心形成了以东西向为长轴的椭圆形漏斗 随即在该处布置了10个专门水文孔进行了相应的水文地质试验 结果发现了一个近乎三角形的漏水天窗 漏水天窗的东西长400m 南北宽90m 总面积为18km2 水文地质条件分析演马庄矿主要含水层为第四系砂砾石层 八灰 二灰和奥灰 其中八灰虽仅厚6 8m 但含水丰富 为历次突水的直接水源 每次突水水量可达50 100m3 min 甚至更大 这些含水层在天窗附近的补给关系是奥灰补给第四系 第四系补给八灰 帷幕的设计与施工帷幕线沿天窗口东 南 西三面布置 形成包围圈 总长930m 灌浆孔共35个 孔距30 50m 孔深50 70m 选用的灌浆材料主要是黄土 水泥 其次是石灰 砂子和水玻璃 在26个有效钻孔中共灌入的材料为 截流效果截流后12121工作面突水点水量减少了17 8m3 min 八会总涌水量减少18m3 min 帷幕外侧的八灰水位由截流前的74 2m上升为89 9m 第四系砂砾层水位回升了5 4 9 2m 与同层正常水位相平 漏斗完全消失 帷幕内侧的八次水位下降了15 16m 三 切断河水对矿坑的渗漏与倒灌地点山东省新汶矿务局协庄煤矿截流原因协庄煤矿煤系地层露头的90 以上被小沈河河漫滩沉积物 厚2 12m 所覆盖 使煤系中的一 二 三 四层灰岩 徐家庄灰岩和草埠沟灰岩与这些松散含水层相接触其中平均厚7m的四灰 虽在可采的十一煤层之下约30m 但开采该煤层时 在工作面上发生的涌水量分别为32 67m3 min边和28 70m3 min的突水 引起了四灰水位在走向3700m的范围内普遍下降 同时在河床中四灰隐伏露头带上出现塌陷 造成局部河水倒灌 帷幕的设计与施工帷幕线沿四灰走向布置 两端分别至Fl和F2号断层 为了稳妥 在F18断层处又沿倾向做了弯折 总长3115m 设计灌浆孔446个 单排布置 孔深35 40m 孔距7 5 15m 选用的灌浆材料是水泥水玻璃浆 配合灌港注骨科 灌注时 先以砂作骨料注堵岩溶裂隙 而后灌注浆液材料 完成的工程量和消耗的材料分别是 截流效果 1 帷幕上下游的四灰水位差逐渐加大 2 建幕前后井下四灰突水量和硫干水量显著变小 建幕前四灰突水量是10 7m3 min 建幕后四灰全部泄水时 水量只为4 6m3 min 较建幕前减少11 2m3 min 3 建幕后 井下各泄水点的疏干速度明显加快 四 保护矿区泉水资源地点山东省枣庄矿务局甘霖煤矿黄贝井泉水干涸的背景黄贝井以东有当地名泉陈郝泉一处 出露于奥陶系厚层石灰岩中 因其水量丰富常年不哀 周围农村和厂矿均以该泉为供水水源 当黄贝井开采四煤层揭露十灰时 十灰水量开始增加 泉水量却相应减少 至1969年发生了严重的供水水荒 注浆截流设计帷幕线平行F4断层 沿十灰走向至两端上翅的边界 总长800m 选用水泥和矸石土为主要注浆材料 以粘土为辅助材料以水玻璃为促凝剂 总灌入量 水泥1017t 矸石土948t 粘土280t 截流效果 1 F4断层两侧水位差加大 达12m 2 过水段地下水流速降低了18 9 50 7倍 3 十灰在井下涌水量减少了2 4 3 2m3 min 4 陈郝泉受到了保护并增加了水量 可达36000m3 d以上 5 奥灰水的等水位线发生明显改变 已出现了以陈郝泉为中心的稳定的封闭等水位线 二 深部薄层灰岩灌浆帷幕截流实例河北省峰峰矿务局二矿滏岭庄帷幕工程峰峰二矿共有7个可采煤层 上四层煤开采殆尽 受水威胁严重的下三层煤的开采已势在必行 其中野青 山伏青和大青灰岩为主要含水层 而前二者已随上部煤层的开发得到疏干 唯独大青灰岩含水层 虽仅厚6m 但水量却相当丰富 多次造成矿井突水 严重地威胁着下三层煤的安全开发 通过放水和示踪试验发现奥灰