矿井水害防治技术与方法[1].ppt

煤矿水害防治技术与方法,中国煤炭科工集团西安研究院,虎维岳博士,山西焦煤集团水害防治技术交流材料,1.我国煤矿水害典型特征,山西焦煤集团水害防治技术交流材料,2.煤矿水害形成的主要原因,3.矿井水害形成条件及分析诊断,4.矿井水害形成条件探查识别,5.煤矿水害防治技术与方法,我国煤矿水害典型特征,山西焦煤集团水害防治技术交流材料,我国煤矿水害典型特征,水害发生的企业属性分布特征,企业管理、技术与装备水平对水害安全保障作用重大,水害发生的水源属性分布特征,老空水成为煤矿水害安全的第一杀手,我国煤矿水害典型特征,水害发生的井下位置分布特征,掘进迎头是煤矿水害最易发生的地方,我国煤矿水害典型特征,整合或代管矿井水害发生频数较大,西部矿区水害发生频数呈增加趋势,基建矿井水害发生频数较大,水害多发的矿井类型特征,我国煤矿水害典型特征,我国煤矿水害典型特征,拥有资源整合矿井67座,水文地质条件复杂类型矿井30座，（其中受底板承压水威胁的20座，小窑老空水威胁的10座）。,受底板承压水威胁的矿井108座,山西焦煤矿井水害条件及其类型,我国煤矿水害典型特征,底板承压水普遍存在,小窑老空水严重,资源整合矿井较多,水害形成的主要原因,1.对废弃矿井及老空水害条件探查认识不足,探查技术方法不足以达到精确定位,多手段综合配套探查应用不够,地质采矿学科与物探技术交叉融合不够,对老空水本质认识不足，处置方法不当。,水害形成的主要原因,2.对隐蔽型导水构造超前探查认知不够,探查工作的持续性和信息的累积性分析不够,探查手段的选择与应用不当,探查技术与装备能力不够,探查资料与地质资料的结合分析不够,水害形成的主要原因,3.对相关概念的理解与应用不准确,影响地下水补给、储存、径流、排泄、物理化学性质演化的所有内、外在因素的总和。,影响矿井开采过程中充水水害发生的时间、地点、方式、水量、时空变化规律的所有内、外在因素的总和。,水文地质条件,矿井水文地质条件,矿井水文地质概念矿井涌水量概念,水害形成的主要原因,4、突水系数概念的理解和应用不准确,T=P/M-MI-MIII=P/MII,水害形成的主要原因,5、对物探技术的理解和应用有误,物探,物质,物性,=,地质水文地质综合分析,多一点耐心，寻找物性与物质之间的关系,水害形成的主要原因,防水煤岩柱的留设不合理，造成断层或其他含水体水突入矿井。对于一些大型导水断裂，由于断层两盘的牵引裂隙广泛发育，该类断层（断层带）除了具有导水性质外，其断裂带本身就是一个含水体，有些断层两盘的导水裂隙带十分发育，且具有一定的宽度，在断层防水煤岩柱留设过程中，往往注意了掘进停头到断层面的距离而忽视了断层两侧导水破碎带的存在，导致了因防水煤岩柱留设不足而诱发的矿井水害。由于断层面或断层牵引的裂隙带导水而引发的矿井突水灾害在矿井突水事故中占有绝对主导的位置。,6.对构造水害理解及防水煤岩柱留设不合理,水害形成的主要原因,7.对陷落柱水文地质性质认识不深,水害形成的主要原因,8.防治水技术理论的理解与应用问题,在右图所示的承压水井流条件下，为什么距抽水井越近，则承压水头面下降越快？,右图所示为几种含水层系统井流降深随时间的变化特点，说出不同曲线所反映的含水层系统性质，并分析其反映的水文地质条件。,缺乏对水文地质理论的深层次认识，应用防治水理论时有照猫画虎的特点,水害形成的主要原因,矿井水害形成条件及其分析诊断方法,控制和影响煤矿水害的三大因素,煤矿水害,充水水源,充水途径,充水水量,A、充水水源是否存在，如果存在，有何特征。B、充水途径是否存在，如果存在，属何类型。C、充水强度如何，一旦出水有何后果。,矿井水害防治的技术难度系数,形成对矿井水害危险性评价指标,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,常见的矿坑充水水源,间接充水水源,直接充水水源,自身充水水源,间接顶板水,间接底板水,直接顶板水,直接底板水,工作面位于含水层之中,要素之一的充水水源：,充水水源类型的不同直接决定着防治水技术路线的选择,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,常见的充水途径,天然通道,人工通道,导水裂隙,导水断层,陷落柱,岩溶塌洞,顶板三带,底板三带,防水煤岩柱,不良钻孔,点状通道,线状通道,面状通道,要素之二的充水途径：,不同的充水途径所选择的探查技术与方法完全不同,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,要素之三的充水水量：,正常水量,最大水量,灾害水量,常见的水量类型,几个水量的概念是什么？,不同概念的水防治方法选择有什么不同？,什么是矿井涌水量？,勘探报告提供矿井涌水量是什么含义？,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,从矿井充水的三个要素分析诊断,从矿井充水的性质分析诊断,从矿井水害发生机理与时空关系分析诊断,回答有无水害存在,回答水害产生后果,回答水害防治的难易程度及防治思路,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,矿井水害分析诊断技术路线：,含水层及其水资源的时间特征（动、静水量）,含水层与主采煤层的空间位置关系,含水层与主采煤层之间隔水层厚度及其稳定性,含水层水头压力及其动态变化,隐伏导水构造,采矿对围岩扰动破坏特征,矿井水害诊断分析的主要内容,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,基本地质与水文地质调查写实分析,确定有无含水体,充水水源补径排水文地质试验分析,评价含水体的性质,构造、隔水层与采掘活动分析,确定有无导水条件,相关水文地质计算,确定矿井水害程度,矿井防治水规划,提出水害防治的主体规划与思路,矿井水害防治工程设计,提出具体水害安全保障措施,防治水工程实施与安全采煤,矿井水害诊断分析的主要方法：,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,请问下图所示的地质结构反映出怎样的矿井充水性特征？请分析可能发生的水害类型和时空特征,地质与构造地质基础条件分析：,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,请问下图所示的地下水流场反映出怎样的含水层渗透性特征？请分析含水层渗透性强弱分布规律,水文地质基础条件分析诊断：,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,请分别分析下图所示的三种含水层抽水试验S-T曲线反映了什么类型的水文地质条件？为什么？,水文地质基础条件分析诊断：,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,请分析下图所示的三种含水层抽水试验水位降落漏斗形态是否正确？并说明不同曲线反映含水层渗透性差异？为什么？,水文地质基础条件分析诊断：,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,采动围岩岩体破坏特征分析研究：,推进56m,分析不同采掘条件下，工作面顶板、底板岩层破裂、变形特征与规律,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,矿井水害诊断分析成果的表现形式,主要充水水源与采掘工程时空分布与演化分析研究报告,充水水源空间分布特征（图）,隔水层厚度分布及其与主采煤层空间位置关系（图）,采掘工程布置及其开采过程时间进度（图）,开采过程顶底板围岩扰动破坏特征（图）,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,矿井水害危险性分区特征与时空演化研究报告,矿井水文地质条件清楚区（图）,矿井水文地质条件模糊区（图）,矿井水文地质条件简单区（图）,矿井水文地质条件复杂区（图）,矿井水文地质条件中等区（图）,矿井水文地质条件待查区（图）,矿井水文地质条件禁采区（图）,矿井水害诊断分析成果的表现形式,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,矿井防治水规划研究报告,是防治水工作的行动指南：应明晰需要解决的问题，提出解决问题的指导思想与技术路线，设计解决问题的技术与工程，提出总体目标与阶段目标，绘出路线图与时间表，将采掘工程与水害防治规划有机结合起来。应该有大量图件和图表。,矿井水害诊断分析成果的表现形式,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,矿井防治水工程设计与实施计划研究报告,是防治水工作实施的操作说明书：详细工作内容、工程位置准确布置、工程时间与空间尺度详细设计、技术要求与质量控制标准、过程控制与保障措施、应急预案等。,矿井水害诊断分析成果的表现形式,矿井水害及其形成条件及其分析诊断方法,矿井水害形成条件探查识别,矿井水害形成条件探查识别,矿井水文地质勘探的基本概念：,矿井水文地质条件勘探就是从矿床开采的角度出发，采用科学的、适合于勘探区地质特点的技术手段、工程措施获得反映勘探区矿床开采水文地质条件综合信息的工程与技术。,基本手段方法,调查与写实分析,化学探测与试验,地球物理探查,钻探工程探查,专门水文地质式验,多手段综合勘探,矿井水害形成条件探查识别,区域自然地理、地质与水文地质条件写实分析方法,区域自然地貌调查与分析气象与地表水系调查分析区域地质与水文地质调查矿井揭露的地质、水文、构造特征调查分析相邻矿井水文地质特征调查分析,矿井水害形成条件探查识别,多元连通（示踪）试验技术与方法；氧化还原电位技术与方法；环境同位素技术与方法；水化学宏量及微量组分分析技术方法溶解氧分析技术与方法；水文地球化学模拟技术与方法；,化探方法,矿井水害形成条件探查识别,化学示踪试验技术是指采用稳定的易溶性的盐类离子作为示踪剂，通过地面钻孔将溶解后的示踪剂投放至目标含水层，溶解于水中的示踪剂在放水激发流场的作用下随地下水流进行运移和浓度扩散，在含水层不同位置的井下放水孔排出的地下水中定时取样接收，在实验室内测定接收水样中示踪剂的离子浓度值，并根据示踪剂浓度大小来监测和分析研究放水条件下地下水的运动规律，进而反分析岩溶含水介质中岩溶发育特征。,地下水化学成分组成、同位素特征、特征离子，研究地下水来源、年龄、流动环境、识别方法等。,天然化学场探测,人工化学场探测,矿井水害形成条件探查识别,相对均匀网络裂隙介质场中接收试剂特征,强岩溶径流带型介质场中试剂特征,多分叉管道型岩溶裂隙介质场中接收试剂特征,单一管道型岩溶介质场接收试剂特征,接收到示踪踪剂分布特征与含水层中岩溶发育特征关系,矿井水害形成条件探查识别,矿井水害形成条件探查识别,地球物理勘探方法,微流速测定技术与方法矿井直流电法技术与方法频率测深技术与方法瑞利波地震勘探技术与方法瞬变电磁法技术与方法槽波地震勘探技术与方法高分辨地震勘探技术与方法探地雷达技术与方法；,矿井水害形成条件探查识别,三维地震勘探技术,采空区探测问题,构造探测问题,矿井水害形成条件探查识别,陷落柱探测问题,三维地震勘探技术,矿井水害形成条件探查识别,瞬变电磁（TEM)勘探技术,矿井水害形成条件探查识别,探测掘进前方、巷道顶底板及侧帮含水构造,直流电法勘探技术,矿井水害形成条件探查识别,探测煤层顶底板含水、导水构造,音频电穿透探测技术,矿井水害形成条件探查识别,矿井水害形成条件探查识别,天然地震示意图,小煤窑的盗采活动必然诱发振动，该振动波会向地表传播。因此，如果在小煤窑可能越界的区域，在地面预先布设监测网，实时监测地下的采掘活动，并动态定位，结合矿界分析、大矿采掘活动排除等，即可确定小窑越界的时间、地点等。,矿井水害形成条件探查识别,矿井水害形成条件探查识别,矿井水害形成条件探查识别,“数字检波”、数字传输、数字记录,巷道,小断层,水文地质钻探探查技术方法,地面钻探,地面垂直孔,地面导斜孔,井下钻探,上仰钻探,水平钻探,下斜钻探,导斜钻探,底板导斜,顶板导斜,矿井水害形成条件探查识别,地面水文地质钻探,矿井水害形成条件探查识别,井下水文地质钻探,矿井水害形成条件探查识别,矿井水害形成条件探查识别,矿井水害形成条件探查识别,矿井水害形成条件探查识别,专门水文地质试验技术与方法,单孔、群孔抽水试验技术与方法；单孔、群孔放水试验技术与方法；多含水层干扰抽、放水试验技术与方法地下水位动态观测技术与方法；钻孔压水试验技术与方法；钻杆试验技术与方法；脉冲干扰技术与方法；,矿井水害形成条件探查识别,1、揭示含水层的水动力条件。2、揭示含水层的补给条件。3、揭示含水层的富水性条件。4、揭示含水层之间的水动力联系条件。5、提供对含水层水文地质性质进行定量评价的水文地质信息。6、提供对矿井涌水量定量评价的水文地质信息。,水文地质试验的目的与任务,矿井水害形成条件探查识别,水文地质试验就是人为地对地下水系统给予特定方式的干扰（激励），进而观测、分析、研究地下水系统对给定干扰的反映（响应）特征和反映量，从而达到了解和认识地下水系统的目的。常见的水文地质试验类型有：,1、地面抽注水试验2、井下放水试验3、平面干扰水文地质试验4、垂向干扰水文地质试验5、含水层恢复试验6、水文地球化学示踪试验7、地下水系统改造试验,稳定流试验非稳定流试验,矿井水害形成条件探查识别,从地面向含水层施工单个或多个钻孔，通过这些钻孔对含水层进行预先设计的抽水或注水，同时观测记录含水层对给定抽注水量的响应特征（水位、水压、水温、水质、流速、流量、流向、流态）,地面抽注水试验,矿井水害形成条件探查识别,从井下巷道向含水层施工单个或多个钻孔，通过这些钻孔使含水层水在其自然水压力作用下排泄流出，同时观测记录含水层对给定放水量的响应特征（水位、水压、水温、水质、流速、流量、流向、流态）,井下放水试验,矿井水害形成条件探查识别,通过平面上不同位置分布的试验孔对同一含水层进行干扰试验（相互之间分别作为激励孔和接收孔）,查明含水层横向水力联系查明含水层各向异性特征为最优疏水工程设计提供依据,同一含水层平面干扰水文地质试验,矿井水害形成条件探查识别,通过垂向上不同含水层的试验孔对不同含水层进行相互干扰试验（相互之间分别作为激励孔和接收孔）,查明垂向不同含水层之间水力联系查明垂向不同含水层水力联系位置与强度为最优防治水工程设计提供依据,不同含水层垂向干扰水文地质试验,矿井水害形成条件探查识别,在含水层中以给定的流量Q抽水，当抽水经过一定时间T后，从含水层中抽出的水量等于其得到的补给量，这时含水层中处处水位和降深都不随时间而发生变化，这种状态下的抽水试验为稳定流试验。不同的Q会产生不同的稳定水位和相应的水位降深。据此可获得Q与S的相互关系。（状态）,稳定流水文地质试验,矿井水害形成条件探查识别,在含水层中以给定的流量Q抽水，抽水从开始经过一定时间结束，在整个抽水过程中含水层中的水位（水位降深）都处于不断的变化之中，这种含水层中水位和降深都不断随时间而发生变化的抽水试验为非稳定流试验。据此获得H或S与T的关系。（状态和过程）,非稳定流水文地质试验,矿井水害形成条件探查识别,在含水层中的抽放水过程停止后，含水层的水位将逐渐向抽水前（初始）状态恢复。观测和研究含水层向初始状态恢复的过程和最终恢复状态，称之为含水层恢复试验。（状态和过程）,含水层恢复试验,矿井水害形成条件探查识别,1、基本水文地质条件分析,2、明确所需查明的关键问题,3、选择科学合理的试验方法,4、提出水文地质试验的详细设计,5、实施试验工作的配套工程,6、试验工程实施,7、试验资料分析处理,8、试验资料的应用及工程检验,水文地质试验的基本步骤与程序,矿井水害形成条件探查识别,背景信息的观测与分析,试验过程信息的动态观测与动态分析,试验终止前的静态观测与分析,试验结束后含水层状态恢复过程动态观测与分析,恢复终态的观测与分析,变化量分析计算,水文地质试验信息的观测,矿井水害形成条件探查识别,试验资料的数字化数据库建设,基础背景资料,试验工程资料,试验过程资料,其它相关资料,试验信息数据库,水文地质试验资料的分析与整理,矿井水害形成条件探查识别,试验资料的图形化分析,主要图件,不同阶段平面图,不同阶段立体图,全过程时间曲线图,全过程对数曲线图,主要状态的剖面图,水文地质试验资料的分析与整理,矿井水害形成条件探查识别,试验资料的计算分析,主要方法,相关分析法,趋势分析法,数值模拟法,统计分析法,时间序列分析法,综合分析法,水文地质试验资料的分析与整理,矿井水害形成条件探查识别,1、定量评价矿井水文地质条件,2、评价预测矿井涌水量、为矿井防排水系统设计提供依据,3、为矿井水害危险性评估和具体防治水技术与工程设计提供依据,紧密结合矿区地质资料、开采技术资料和其它相关资料,牢记水文地质条件的复杂性、时间可变性、地域不均匀性，必须在认真分析研究的基础上，科学合理地应用水文地质试验资料,矿井水害形成条件探查识别,煤矿水害防治技术与方法,水害条件超前探测与评价技术,水害监测、预防与控制技术,水害快速治理与抢险救灾技术,事前工作,过程工作,事后工作,常见水害防治工作内容,认知,防范,救援,煤矿水害防治技术与方法,顶板水害防治,老空水害防治,其他水害防治,常见水害防治类型与技术路线,避让,改造,利用,底板水害防治,地表水害防治,过程控制,抢险,疏堵,共采,排水,煤矿水害防治技术与方法,矛（水压）,盾（隔水层）,构造,采掘工程扰动作用,底板水害防治技术,煤矿水害防治技术与方法,为增加盾的防御能力（隔水层的阻抗水压能力）,注浆技术,煤矿水害防治技术与方法,注浆改造防治矿井水害技术系指通过专门的设备和工程，根据具体的矿井水文地质条件和水害类型与特点，将预先研究配制成的低渗透浆液或骨料注入含水层、隔水层中的空隙、断裂破碎带、岩溶陷落柱、井巷或突（出）水口等，并使之与围岩固结成不透水（或微透水）的、具有一定强度的整体而起到堵塞过水通道、充填导含水空隙、降低受注岩体渗透性、增大岩石强度和隔（阻）水作用的一种矿井水害防治技术方法。该技术可广泛地应用于封堵井下突水口（点）以恢复被淹矿井、阻截水源含水层对矿井充水的补给以减少矿井运行排水量、变含水层为隔水层以增加煤层顶底板有效隔水层的厚度、隔断连接充水水源与矿井之间的导水通道以避免矿井突发性突水灾害等。,煤矿水害防治技术与方法,掘进巷道前方导水断层注浆改造工作示意图,井下封堵突水断层进水口工程示意图,注浆改造防治矿井水害的典型类型,煤矿水害防治技术与方法,注浆改造防治矿井水害的典型类型,地面导斜注浆封堵陷落柱突水原理示意图,地面注浆封堵过水巷道原理示意图,煤矿水害防治技术与方法,煤矿水害防治技术与方法,灌注骨料,灌注骨料,注入浆液,注入浆液,煤矿水害防治技术与方法,峰峰梧桐庄182306工作面突水注浆堵水工程,底板含水层注浆改造技术示意图,井下隔水层破碎带注浆加固原理示意图,注浆改造防治矿井水害的典型类型,煤矿水害防治技术与方法,煤矿水害防治技术与方法,探治结合防治矿井水害的典型类型,多层、多方位、近水平辐射成孔，探查与注浆多功能,煤矿水害防治技术与方法,施工环状巷道，逐个探查冻结孔位置及导水情况。进行耳洞施工揭露冻结孔，对冻结管上下进行固管后截断。设置上下注浆预留管后，在耳洞口立模进行混凝土浇注或注浆充填,煤矿水害防治技术与方法,冻结管内的射孔注浆截流技术,煤矿水害防治技术与方法,大型袋囊3m直径，4m长。充满后体积约28m（体积大）凝胶后重量可达60余吨（重量重）凝胶过程可依封堵巷道形状柔性变形（效率高）在动水条件下可趋向水流通道凝胶（封堵快）,煤矿水害防治技术与方法,a矿井主要充水含水层的动态补给水量大且稳定，采用疏水技术难以使含水层水位大幅度降低或所需的疏水量太大以至于在经济上不合理；b矿井水补给通道位置明确且相对集中，只要阻断局部导水通道就可使整个矿井的补给水量大幅度减少；c矿井充水含水层又是本区主要或唯一的供水水源含水层，而客观条件又不具备实现矿井水排供结合技术方案，在煤炭资源开发的过程中要求充分保护水源地和含水层。d矿区生态环境脆弱，环境对矿井充水含水层的依赖性强，一旦含水层水位明显下降会诱发区域生态环境恶化或其它工程地质灾害。e实施注浆的目标含水层或构造薄弱带应具有良好可注性条件。这种可注性条件包括受注层的吸浆量、浆液在受注层内的运移与扩散性、浆液的凝结与稳定性等。f.受注层具有合适的水动力和水文地球化学环境条件，能够确保注浆固结体的强度稳定性和抗渗稳定性，以满足工程的使用寿命。,适用于注浆方法进行矿井水害防治的基本水文地质条件,煤矿水害防治技术与方法,为降低矛的破坏能力（降低含水层的水压力）,疏水降压技术,煤矿水害防治技术与方法,所谓疏水降压防治矿井水害技术就是对威胁矿井安全生产的主要充水含水层水，通过专门的工程和技术措施在人工受控的条件下进行超前预疏干或疏降水压，进而减少或消除其在矿山建设和生产过程中对矿井安全的威胁。其基本内容可划分为疏干和疏水降压两大方面。,煤矿水害防治技术与方法,常见的疏水降压方式,疏水类型,疏干,降压,疏水阶段,预先（超前）疏降,并行（过程）疏降,煤矿水害防治技术与方法,常见的疏降工程布置形式,井上下联合疏降工程,根据疏降钻孔的布置位置,地表疏降工程,井下疏降工程,根据疏降工程形式,钻孔疏水,巷道疏水,沟渠疏水,煤矿水害防治技术与方法,常见地表疏水孔的平面布置形式,煤矿水害防治技术与方法,地面群孔疏水,疏水降压防治矿井水害的典型类型,井下巷道疏水,煤矿水害防治技术与方法,井下专用疏水巷疏水,工作面顺槽疏水,疏水降压防治矿井水害的典型类型,煤矿水害防治技术与方法,地面直通式疏水,井下上仰式疏水,疏水降压防治矿井水害的典型类型,煤矿水害防治技术与方法,井下下行式疏水,压力传递式井下疏水,疏水降压防治矿井水害的典型类型,煤矿水害防治技术与方法,疏水降压防治矿井水害的典型类型,煤矿水害防治技术与方法,煤矿水害防治技术与方法,受控定向近水平钻孔疏水防治矿井水害技术,利用