煤矿突水点井下动水注浆封堵技术

煤矿突水点井下动水注浆封堵技术研究与应用,煤矿突水点井下动水注浆封堵技术研究与应用一、概况1、华北型煤田存在的水文地质问题华北型煤田是我国石炭二叠纪聚煤期形成的重要煤田，面积约110多万km2，煤炭年产量占全国原煤产量的60以上。在我国能源工业中占有举足轻重的位置。华北型煤田目前开采的主要是石炭二叠系煤层，在煤系地层中分布有数层石炭系薄层灰岩（以下简称为薄灰），其下为巨厚的奥陶系灰岩（以下简称为奥灰）。由于奥灰含水层溶洞和裂隙发育，富水性极强，加上断裂构造复杂，使得煤层回采过程中，受到严重的岩溶水害威胁。,矿井突水频繁突水量大且时刻受到特大型突水的威胁按照水文地质条件的差异及复杂程度，我国共划分为6个煤矿水害区（图11），最为严重的煤矿水害主要分布在华北和华南区，其中以华北地区尤为突出。据统计，华北地区从1956年到2003年共突水2000余次，淹井250余次，死亡近两千人，直接经济损失近百亿元。河南煤田位于华北型煤田南端，同样受底板灰岩的水害威胁。最近几年，义煤新安煤矿、巩义市西村镇西洼煤矿、郑州煤电集团弋湾煤矿新平井、伊川县奋进煤矿黄村分矿等相继发生突水淹井事故，造成了重大的人员伤亡和经济损失。国家投资40亿元的永城煤电集团，目前矿井涌水量已达到矿井设计排水能力，矿井安全受到严重威胁。,图例：（1）华北石炭二叠纪煤田的岩溶裂隙水水害区；（2）华南晚二叠纪煤田的岩溶水水害区；（3）东北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；（4）西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；（5）西藏、滇西中生代煤田的裂隙水水害区；（6）台湾第三纪煤田的裂隙孔隙水水害区图1-1我国煤矿水害分布图,水害压煤数量大我国是煤矿水害“压煤”最多的国家，全国统配煤矿共601处，受水威胁的矿井285处，占47.5。受水害威胁导致不能开采的煤炭上百亿吨，占总储量的31.7，“压煤”数量巨大。在华北煤田中的一些大水矿区,受水威胁的煤炭储量竟高达矿井总储量的45%以上。经常性涌水量大、排水费用高华北型煤田各大水矿区经常性涌水量一直居高不下，由此导致排水量大、排水费用高。不但提升了煤炭成本，而且浪费了宝贵洁净的地下水资源。全国每年用于排水的费用高达50多亿元，河南省年排水费用也高达3亿多元，焦作矿区年排水费用为8000万元。此外，经常性大流量排水使矿井排水系统处于极限运行状态，时刻威胁着矿井和矿工生命的安全。,2、焦作矿区水文地质问题受水威胁储量巨大，水害压煤严重焦作矿区受水威胁储量约60132.6万吨，目前仅解放4685.0万吨，尚有92.2约55447.6万吨的储量等待解放。特别是位于石炭系薄层灰岩下的一5煤（储量9462万吨）的局部，一2煤（储量27909万吨）的全部，总计37371万吨，受水威胁最为严重，不能正常开采。矿井经常涌水量大、排水费用高、经济负担重焦作矿区是全国著名的水大矿区之一，历年来曾发生1.0m3/min以上的突水500余次，其中10m3/min以上的突水72次，最大一次突水320m3/min。全区总涌水量高达400500m3/min。突水后造成淹采区14次，淹井17次，经济损失达3亿多元。随着排水量的增加及电价的提高，,2003年焦作煤业集团公司所属的8对生产矿井，总涌水量达282m3/min，排水费用高达8000万元，吨煤排水电费高达2030元。3、焦作矿区水害防治理论及技术研究现状针对上述严重的水害威胁状况，焦作矿区除了正常留设底板隔水岩柱外，自上世纪50年代还投入了大量的人力物力，开展了一系列的防治水理论研究工作并采取了多种防治水措施。浅部帷幕注浆截流,图1-2九里山矿浅部截流工程平面图,焦作煤田总体为一单斜构造，在地层浅部隐伏露头附近，各含水层通过第四系底砾岩发生密切的水力联系，浅部帷幕注浆截流（图1-2）就是在L8灰岩隐伏露头附近对第四系底砾岩和L8灰岩隐伏露头进行注浆，切断L8灰岩与其它强含水层的水力联系，使L8灰岩隐伏露头带由强补给边界变为弱补给边界，减少L8灰岩的补给量，降低L8灰岩的突水威胁及突水量。如九里山矿一二采区浅部帷幕注浆，共注入砂子2332.48m3，水泥2477.07吨，而矿井涌水量仅减少67m3/min。这说明L8灰岩补给范围广，补给量大，局部截流是难以根治水害的。疏水降压强排,图1-4九里山井底大泵房,由于焦作矿区水文地质条件复杂，水害威胁严重，突水频繁，多年来在同地下水害斗争中各矿均建立了坚强的防排水阵地，任凭突水发生，有水就排，全矿区总涌水量最大时曾达到598m3/min。为了满足大流量的排水要求，各矿井的泵房越建越大（图1-4）。如九里山矿总排水能力达278m3/min，水仓总容积18470m3。当矿井涌水量达到104m3/min时，西翼采区L8灰岩水位只下降20m，仍不能从根本上摆脱地下水的威胁。地面钻孔注浆封堵突水点当地下水长期排量不减，严重威胁矿井安全时，必须对一些大的突水点进行注浆封堵。以往注浆堵水主要在地面通过打钻注浆进行，1958年以来，焦作矿区共进行地面注浆堵水42处，总堵水量1452.95m3/min，恢复被淹矿井11对。可以看出地面打钻注浆封堵突水点在抢险救灾、恢复被,淹矿井、封堵大突水点等方面是十分重要的，经济效益也是十分明显的。但是由于注浆堵水只解决了点的问题，因此地面打钻封堵突水点也难以从根本上解除水害威胁。综上所述，以前所采取的多种防治水措施，虽然取得了一定的成效，但很难从根本上消除水害威胁。近几年来我们的防治水指导思想发生了变化，由过去的被动防水转变成现在的主动治水，煤层底板含水层注浆改造技术在焦作矿区的成功应用，为井下突水点注浆封堵提供了有利条件，消除了大的水害隐患，实现安全生产。为了减少矿井排水、降低煤炭成本、获得好的经济效益，在搞清水文地质条件的基础上，选择技术上可靠有效、工程量小、投资少的注浆堵水技术是当今水害防治工作的需要，通过综合调查分析研究，认为在井下进行突水点注浆封堵是有效的。,4、实施井下动水注浆的必要性和可行性煤矿突水点井下动水注浆封堵的必要性A、减少矿井排水，相对增加矿井抗灾排水能力集团公司各生产矿井涌水量大，矿井排水压力较大，一旦发生新的突水，就有可能发生淹采区、淹矿井的恶性事故，实施井下突水点动水注浆封堵后，减少了矿井排水，相对地增加了矿井的排水能力，提高了矿井的抗灾能力。B、改善生产环境，提高生产效益集团公司所属生产矿井由于涌水量大，突水点多，造成井下巷道水沟大，从而减少了巷道运输空间和通风断面，回采工作面如果发生较大突水，往往造成工作面运输巷水流较深而无法运输，造成工作面停产，生产环境恶化。因,此，应用井下突水点动水注浆技术快速封堵突水点后,改善了生产环境，为综合机械化开采提供条件,提高生产效率。C、解放受水威胁储量，减少煤炭资源损失集团公司平均煤厚6m左右，一般分三层开采，顶层工作面在回采时,如果发生较大突水，则该工作面只能放弃回采被迫改造，剩余煤炭储量只能作为水文地质损失报损。D、降低排水费用原有老突水点大多接受深部L2、O2含水层补给，起不到疏水降压作用而成为无效排水；或者原有的放水孔在开采期间起到了疏水降压的作用，工作面回采结束后已不起疏水降压作用而成为无效排水，对这些无效突水点应用井下突水点动水注浆技术实施井下封堵后，可大大减少矿井的排水量，从而极大地节省了排水电费。,E、工程量少，费用低大部分小突水点和分散突水点在地面没有办法进行封堵，这部分突水点的总涌水量占矿井总涌水量的80以上。而在井下对上述小突水点和分散突水点进行注浆封堵，则具有注浆孔浅，工程量少，命中率高，费用低等优点。突水点井下动水注浆封堵的可行性A、各矿井水文地质条件已经查明，有利于井下封堵突水点。经过几十年的开采，上千次的突水，历经华北型煤田奥灰岩溶水综合防治工业性试验的两期工业性试验阶段，各矿井水文地质条件已经查明。此外各矿井下突水点均建立有详细的突水点资料，为开展煤矿井下突水点动水注浆封堵技术的研究提供了准确的资料。,B、煤层底板含水层注浆改造技术为突水点井下动水注浆封堵创造了有利条件集团公司已有多个矿井实施煤层底板含水层注浆改造开采，为井下快速封堵突水点提供了新型注浆材料和井下钻探技术。水泥粘土浆实现了注浆材料的新突破，不但注浆成本低，材料来源广，而且浆液流动性好，充填效果好，确保井下快速封堵突水点经济可行。C、强大的专业注浆队伍是井下封堵突水点的有力保障在长期的治水过程中，锻炼了一支技术过硬的注浆专业队伍，完成堵水工程近百次，恢复被淹矿井25对，是确保实施井下突水点注浆封堵技术应用的有力保障。二、矿区水文地质特征,1、概况焦作矿区位于华北型煤田南端，太行山南麓，矿区北部山区出露约1800km2的奥陶系灰岩，接受大气降雨补给，据计算补给量15m3/s,奥灰岩溶水含量十分丰富。在焦作的东部辉县地区、太行山山前出露老地层为隔水层，西部济源地区山前亦出露老地层为隔水层，仅焦作40km长的山前为奥灰含水层，形成了山西奥灰岩溶水流入焦作的大通道，是焦作矿区水大的原因所在。目前矿区开采的煤层主要是二叠系山西组二1煤（俗称大煤），受矿区断层影响，极可能造成奥灰突水淹井。2、煤系地层与含水层本地区出露的地层有太古界、远古界震旦系，下古生界寒武系、奥陶系、上古生界石炭系、二叠系、中生界三迭系、新生界第三系及第四系。,煤系地层本区煤系地层为石炭、二叠系，共有3个主采煤层，其中二1煤位于二叠系山西组地层的底部，煤层厚度56m，在全区广泛分布，厚度稳定，为目前矿区的主要开采煤层。主要含水层A、第四系砂砾层孔隙含水层组第四系地层主要由砂、粗砂、砾石和粘土等松散冲积和洪积物组成(图21),呈层状分布。对矿井开采影响不大。B、二叠系砂岩裂隙含水层组本区二叠系地层为坚硬、半坚硬砂岩、粉砂岩和页岩互层，厚度为0600m。对矿井开采影响不大。,C、石炭系灰岩岩溶裂隙含水层组本区石炭系地层为石灰岩、砂岩、粉砂岩、页岩和煤层互层，厚度为90100m，含水层以第二层灰岩（简称“二灰”，L2）和第八层灰岩（简称“八灰”，L8）为主，厚度较大且分布稳定，具有较强的充水作用，是本矿区的主要充水含水层。D、奥陶系岩溶裂隙含水层组奥陶系地层为厚层状石灰岩、泥灰岩和白云质灰岩互层，厚400米左右，为煤系地层的基底，是本矿区的最主要含水层。,图2-1矿区煤系地层综合柱状图,三、突水点井下动水注浆封堵设计1、注浆系统设计地面注浆系统A、注浆站位置的确定a、注浆站距井下注浆工作面的距离，最远不得超过3.5km。b、要求供水充足，运输畅通，供电和通讯方便。c、注浆站的面积10001500m2。B、注浆站土建工程注浆站由储土棚、粗浆池、精浆池、一搅池、二搅池、散装水泥罐平台、注浆棚、清水池、输浆孔等土建工程构成（见图3-1）。,C、主要设备皮带输送机、NL12型制浆机、杂污泵、净化器、粘土浆搅拌机、散装水泥罐、水泥计量斗、泥浆泵。,图3-1注浆站示意图,图3-2水泥配置系统示意图D、注浆工艺流程注浆工艺流程如下图,图3-3造浆及注浆工艺流程图,井下注浆站A、位置确定在井下建设注浆站，应考虑下列因素：运输方便，通风良好，供水、供电及通讯方便，有足够的建站空间，施工时不影响其他生产。B、土建工程井下注浆站由于受环境条件限制，土建工程较简单，主要有储料场和浆液池组成。储料场顺巷道布置，长度根据巷道情况而定，应能满足储料需要，平整干净。浆液池有两个，水泥造面。C、设备井下注浆站主要设备有：制浆机、注浆泵。,D、注浆工艺流程（见图3-4）图3-4注浆工艺流程图2、井下注浆堵水方案的确定煤矿突水点井下动水注浆封堵就是在井下对正在涌水的突水点进行注浆封堵。煤矿井下突水点动水注浆堵水按堵水的方法进行分类可以分为：壁后注浆堵水、利用煤层底板含水层注浆改造系统注浆堵水、建水闸墙堵水或建水闸墙注浆堵水、通过施工注浆孔注浆堵水和建止浆垫注浆堵,水。根据突水点的突水水量，突水点附近巷道围岩性质和分布状况，隔水层厚度及岩性，突水点的分布状态等情况选定井下动水注浆堵水方案。3、注浆材料注浆材料可分为浆液和骨料两大类。分为普通浆液和化学浆液。A、普通浆液：纯水泥浆、粘土浆，粘土水泥浆等。B、化学浆液：双液浆，丙稀酰胺浆液等。骨料A、软骨料：海带、麻、编织袋等B、硬骨料：石子、砂子、粉煤灰、玉米芯、锯沫等,4、注浆施工的注意事项注浆孔施工时应对含水层进行取芯钻进，并对岩心的溶隙、裂隙等进行详细记述，注浆套管必须进行耐压试验，终孔深度必须过含水层5m左右，注浆成孔后应对钻孔进行冲洗和压水试验。注浆系统试运转及管路设施耐压试验注浆注浆时应注意以下事项：A注浆压力保持不变，吸浆量均匀减少时；或当吸浆量不变时，压力均匀升高时，注浆工作应持续下去,一般不得改变水灰比；B注浆前后及注浆时必须观测邻孔的孔深及水压变化，以判断或发现钻孔串浆，便于及时处理；C一般注浆工作必须连续进行，直到结束；D注浆孔段注到最浓一级浆液，仍不升压（吸浆,不减），以至采用间歇注浆也无升压显示时，或单位吸水量大于10L/min.m.m，又同时是有大溶洞、裂隙或破碎带时，可注砂、碎石、石渣等骨料；E注浆结束标准：a结束压力，可随隔水层厚度增加而增大，一般取大于含水层静水压力的23倍。b结束吸浆量，一般2060L/min，越小越好。观测与记录注浆过程中观测记录泵压、孔口压力、泵量、浆液浓度及钻孔跑浆窜浆情况。注浆结束后压水.清洗孔外注浆管路及设施等开孔口阀提取止浆塞或再次注浆,封孔分析检查注浆效果四、突水点井下动水注浆封堵技术及应用实例1、壁后注浆堵水技术及应用实例适用条件壁后注浆堵水主要应用于巷道淋水。施工步骤A、收集资料，编写施工设计和安全技术措施B、施工前的准备工作施工设备、人员到位，并组织培训，贯彻施工设计和安全技术措施。,1钻孔2巷道图4-1注浆钻孔布置图,C、注浆孔施工a采用梅花形布孔（图4-1）,使得每个孔的浆液扩散范围充分交叉重叠,孔间距1.02.0m为宜。深孔和浅孔相间。,b成孔：用风钻成孔，孔深1.53m，先施工浅孔，待浅孔注浆结束后，再施工深孔。c插入注浆管：注浆管直径一般为4分或6分无缝钢管，用棉纱、麻捻缠紧注浆管，打入钻孔，并用速凝胶泥止水，注浆管外端带丝扣与高压胶管相连。D、注浆堵水实例焦煤集团公司朱村矿北区石门大巷，淋水巷道长250m，涌水量180m3/h,注浆后残余水量8m3/h，堵水率达95以上，效果良好。焦煤集团演马庄矿东四底板回风巷，淋水巷道长140m，涌水量120m3/h，注浆后残余水量9m3/h，堵水率达92.5。实践证明，壁后注浆堵水是治理巷道淋水的有效手段。,2、利用底板含水层注浆改造系统注浆堵水技术及应用适用于实施煤层底板含水层注浆改造开采工作面附近的突水点或煤层底板含水层注浆改造系统输浆管路所能达到的突水点。施工步骤A、收集突水点资料，编写施工设计和安全技术措施B、施工注浆孔C、注浆堵水利用煤层底板含水层注浆改造系统的地面造浆站制造粘土水泥浆或纯水泥浆，利用输浆钻孔和输浆管路将浆液或清水送至注浆孔（图4-2）。,图4-2地面造浆系统注浆示意图,先用粘土浆作联通实验,如果跑浆量不大,则直接注粘土水泥浆,可适当掺一些锯末。如果跑浆量大,则改为注骨料，即利用骨料添加器将各类型的骨料注入含水层。软骨料适用于堵水压较低的突水点，硬骨料适用于堵水压较高的突水点。骨料的粗细取决于注浆孔的水量，一般水量较小的钻孔注细骨料，水量较大的注粗骨料，遵循先细后粗再细的原则。当骨料注不进去时改注粘土水泥浆，如仍然跑浆，则可在粘土水泥浆中掺锯沫，直至将突水点封住。实例九里山矿14041工作面煤层底板含水层注浆改造时，4-3注浆孔注浆时与14021工作面突水点联通，该突水点水量4.5m3/min，水压1.3Mpa，离4-3注浆孔终孔位置250m，因此,将4-3注浆孔改为堵水孔，先后在该孔注入4m3直径2-5mm的石子，10m3直径1-2mm砂，,5m3锯沫；最后注入850m3粘土水泥浆将突水点封堵，堵水率100%。韩王矿25091工作面突水点水量5.5m3/min，水压1.8Mpa。在突水点附近施工了一个注浆堵水孔，该孔水量为2m3/min，与突水点联通性较好，先后在该孔注入直径5-10mm石子20m3，编织袋30条，1-2mm砂10m3，锯沫5m3；最后注粘土水泥浆500m3，将突水点封堵，堵水率100%。3、建水闸墙堵水或建水闸墙注浆堵水技术及应用适用于废弃地区或巷道中的突水点堵水，是在废弃地区与外界联通的巷道或突水点巷道两端建立水闸墙，将突水点用水闸墙封堵起来。,施工步骤A、收集有关资料，编制施工设计及安全技术措施B、水闸墙施工a选定水闸墙施工地点：必须选在巷道围岩条件较好（中等稳定以上）的地段，岩性以砂岩、粉砂岩为佳，无构造破坏。若条件限制，迫不得已放在软岩（煤）中时，在设计中必须考虑特殊加固措施。b水闸墙施工：水闸墙硐室开挖，混凝土浇筑，埋设注浆管及放水管，墙体完工后要注浆充填混凝土与围岩之间的空隙。C、关闭放水管待水闸墙凝固好后，关闭放水管上的高压闸阀，将水封堵在水闸墙内（见图4-4）。,1突水点2水闸墙3放水管4巷道图4-4建水闸墙、放水管示意图,建水闸墙注浆堵水通过导水管对突水点进行注浆，将突水点的补给通道给予封堵。实例演马庄矿西大巷突水点于1966年发生L8灰岩突水，截至堵水前前水量仍有18.5m3/min，水压1.4Mpa，该段巷道已废弃，因此，决定在西大巷突水点两端建两座水闸墙将突水点封堵。先在突水点以里大巷内建一座水闸墙，再在突水点外大巷内建一座水闸墙，并将突水点水流通过预埋管道导出，待水闸墙凝固后，通过导水管注浆，将突水点的补给通道封堵，堵水率为100。朱村矿一5煤南区报废，将水闸门关闭后，轨道巷水闸门仍漏水2.5m3/min，每年排水电费达50万元，因此，,决定在水闸门外再施工一座水闸墙封堵该漏水。工程实施后，将漏水全部封堵，堵水率为100。4、打钻动水注浆堵水技术及应用适用于煤矿井下一些突水点由于受种种条件限制，其他堵水方法施工困难或采用其他方法经济上不合理时，可采用施工注浆孔方法对突水点进行封堵。施工步骤A、收集突水点资料，编写施工设计和安全技术措施。B、施工注浆孔C、注浆堵水根据注浆孔的水量及与突水点的联通情况，选择堵水,材料。如果注浆孔水量大于0.8m3/min，宜先注骨料，骨料粒径应先细、后粗、最后再细。骨料注不进后，再注水泥浆。如果跑浆严重，可在水泥浆中掺锯沫或注双液浆。如果注浆孔水量较小则直接注水泥浆。一个孔注完后注另一个孔，直至突水点被封堵。实例朱村矿东北区泵房口突水点，水量为3m3/min，水压1.5Mpa，突水水源为L8灰岩岩溶水。在突水点附近施工了2个注浆孔，注入1-2mm砂子5m3，锯沫10m3，双液浆150m3，将突水点全部封堵，堵水率为100。5、打止浆垫注浆堵水技术及应用适用于封堵巷道离含水层较近或围岩比较破碎的突水,点。由于围岩不能抵抗高水压因此需要打止浆垫以提高围岩的抗压强度。施工步骤A、收集突水点资料，编写施工设计和安全技术措施B、导水C、清理浮渣D、打止浆垫E、加固止浆垫和周边围岩F、关水、增压、防渗漏实验G、注浆,实例中马村矿23皮带巷突水点水量240m3/h，水压1.40Mpa，巷道距突水含水层仅6.5m。突水点涌水由2根150mm钢管导出10m以外，止浆垫向巷道两侧巷帮各开挖0.5m，厚0.5m，长10m，待止浆垫凝固后，对围岩注浆加固。关闭高压闸阀,发现有围岩渗水现象，打开闸阀放水，再进行围岩注浆加固,凝固之后，再关闭高压闸阀，无渗水现象开始注浆，水泥浆注至压力1.5Mpa，双液浆注至终压3.0Mpa。将突水点封堵，堵水率100%。朱村矿东北区总回风巷三号井断层突水点水量72m3/h,水压1.30Mpa,水源为L8灰岩岩溶水。断层带非常破碎,且L8灰岩含水层直接被巷道揭露,采用打钻注浆堵水很难成功。因此,选用建止浆垫堵水的方法,先清理巷道浮渣,掏槽,预埋导水管,构筑混凝土止浆垫,待止浆垫凝固后，,再对垫体围岩进行注浆加固，最后进行止浆垫下注浆堵水。工程实施后，残余水量为0.48m3/h，堵水率99.92%。五、项目实施效果1、减少矿井涌水量应用突水点井下封堵技术后，封堵井下中小型突水点非常成功。几年来共封堵矿井突水点数十处，堵住水量5580m3/h。2、改善生产条件，提高生产效率及资源回收率通过实施突水点井下封堵工程，改善了生产条件，为建设高产高效矿井奠定了基础，使受水害威胁严重的煤炭资源得到合理开采，提高了资源回收率。,3、抑制恶性水害发生，确保矿井安全生产通过应用突水点井下封堵技术,减少了矿井涌水,相应地增加了矿井的抗灾排水能力,确保了矿井的安全生产。六、效益分析1、经济效益通过封堵井下突水点工程,焦煤集团公司矿井涌水量由过去的2