XX露天煤矿涌水治理方案

1、露天煤矿涌水治理方案一、工程详细说明1、概况本工程为 xxxx 煤矿东端帮涌水治理工程位于陕西省榆林市榆阳区的东北部、神木市的西南部。本次治理工程具体位置处于xxxx 首采区东端帮煤层自然边界附近长度约650 米的地段。依据煤田勘探资料和补充勘探资料，首采区东端帮涌水主要来源为烧变岩裂隙孔洞潜水首采区采掘场 2-2煤层自燃边界呈不规则形状，以南北向延伸分布于勘探区东部，也是露天矿的东部边界。 岩体为碎裂结构， 烧变变质程度由自燃煤层向上递减。由于岩层破碎，透水性好，又地处沙漠滩地边缘，其补给来源充分，富水性强。据前期勘探资料，含水层厚度32.44 50.31m，单位涌水量9.217 16.33

2、76l/s.m ，渗透系数 28.2728.29m/d。烧变岩裂隙孔洞潜水层富水性在平面空间状态存在不均匀性，总体富水性强。2019年 5月，在东端帮 1124 岩石平盘钻孔时，多个钻孔均有不同程度水量涌出（现场冲洗钻孔时，周边钻孔有岩粒喷出），涌水呈喷泉状，微承压。经对该区域实施物探及钻探，预测东端帮烧变岩涌水量270m3/h ；2019 年 11 月对东端帮涌水区进行帷幕注浆治理， 烧变岩孔洞裂隙潜水涌水通道发生变化，出现新的涌水点。近期实施爆破后，涌水通道再次发生变化，涌水量明显增加。2019年 6月-12 月平均涌水量 721m3/h（17304m3/d ） 。2020 年 1 月-3

3、 月平均涌水量 918m3/h（22032m3/d ） 。2020年 3 月 24 日爆破以后东端帮煤层爆破后烧变岩孔洞裂隙潜水涌水量再次增加，涌水点发生变化，平均涌水量961m3/h（23064m3/d ） 。本项目主要任务是东端帮煤层自燃边界附近长约650 米的涌水治理工程，使该地段涌水量减少60%-80% 。2、治理方案与治理范围依据招标书目的和技术要求及实地踏勘、收集以往煤矿勘探资料和涌水治理经验、现场施工条件以及环保生态的影响等多种因素综合分析，认为对该区段进行帷幕注浆隔离的方法进行治理较为经济合理，效率高。具体对局部涌水量较大地段采用钻孔疏干降水+钻孔注浆堵截水源通道和涌水量较小地

4、段采用钻孔注浆堵截水源通道的方法治理目标地段的矿坑涌水。根据现场踏勘和已有资料显示， 东端帮煤层自燃边界附近大的涌水点有两处，南边一处已被填埋，但涌水仍从填土层下方流处矿坑，北边的涌水点涌水从2-2煤层顶板约 10 米的风化岩层与灰色泥质粉砂岩接触面处涌出（见下图）。采用帷幕注浆的方法堵水，首先要弄清楚帷幕注浆段的布设位置、长度、布孔方案、注浆段的高度等。（1）帷幕注浆段位置帷幕注浆段位置的布设由涌水点的位置、出水层位的地质条件、 涌水的补给来源等因素所决定。 由于东端帮涌水段以东紧邻煤层自燃边界，在自燃边界以东岩石较破碎，裂隙发育，地水下丰富，相当于一个天然的地下水库，因此帷幕注浆段位置布设

5、不能越过自燃边界， 只能布置在煤层自燃边界西侧尽量靠近涌水的一侧；涌水位置处于矿坑边帮处， 东边帮由于开挖形成了多级台阶，如将帷幕注浆线选在距出水点最近的标高+1124平台，注浆堵水效果最初可能较明显，但随着注浆堵水，地下水位的抬高，出水位置越过+1124平台，继续向矿坑涌水，使帷幕注浆工程失效（据补勘资料bk-2的地下水位标高为1135.60，bk-3 的下水位标高为 1138.15） 。因此，依据地质勘探资料及露天采坑边坡的实际情况，确定帷幕注浆段位置布设在标高+1141+1143 的平台，该平台处于煤层自燃边界西侧稳定地层的一侧， 孔口标高大于原始地下水位， 注浆后地下水不再越过帷幕向矿

6、坑涌水。因此，注浆孔底部就进入煤层2 米（标高为 +1104） ，设计孔深为30-38 米，注浆段高度约为20-30 米。注浆孔深度标高示意图针对目前矿坑涌水的情况， 主要有 2 处涌水量较大的地段， 确定帷幕注浆段分两段布设，以涌水量集中的涌水点向两侧各延, 根据注浆区段的基岩埋深、风化地层发育特征及东端帮涌水区域水文地质勘查成果等综合分析，并结合实际开采状况及涌水情况，初步设计重点注浆区域的长度为200 米，注浆延伸区域约109 米，合计约 309米（见帷幕注浆布置图） 。帷幕注浆布置示意图（2）注浆钻孔行距与孔距一般注浆钻孔布设采用三排孔， 梅花状等间距布设， 线距和孔距根据注浆段地层孔

7、隙裂隙发育情况及现场打试验孔，并依据试验结果确定。 本次注浆钻孔行距与孔距确定， 考虑注浆堵水效果的同时兼顾经济效益，采用前期非工作帮南端注浆工程施工注浆结果及经验， 初步采用两排孔的布孔方案， 线距和孔距均采用米（局部涌水较大地段加密至三排孔） ，布孔方式采用梅花状布点法。因此在个帷幕注浆段，总长200 米，共布设注浆钻孔240 个。三排注浆孔布孔示意图两排注浆孔布孔示意图（3）帷幕注浆段高度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，缩短施工时间；缺点是段

8、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， 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 15m ；裂隙岩层为15m 30m ；重复注浆可取 30m 50m 。根据矿区补勘资料地下水水位标高和2-2煤层顶板标高的情况及帷幕注浆堵水的目标要求，确定帷幕注浆段高为地下水位标高以下至2-2煤层顶板之间，即+1135左右（ bk-2 孔

9、水位标高为 +1135.60）至 2-2煤层顶板标高 +1106（bk-2孔2-2煤层顶板标高为 +1106.10）, 确定的帷幕注浆段的 高度最大为 30m左右。3、注浆技术 。（1）注浆堵水原理注浆堵水的基本原理是通过各种专用的注浆设备，根据不同堵水条件制备不同特性的堵水浆液，注入岩体及岩层的孔隙之中，占据原来被水占有的孔隙或通道，在一定的压力、时间下脱水，固结成胶凝，使浆体的结石体或胶凝体与围岩形成阻水整体，从而改变原来不利于采矿的水文地质条件。一般情况下，浆液在地层中的运动规律和地下水运动规律相似，但浆液的流性不同，运动阻力复杂。因此，地下浆体力学与地下水力学虽属一个科学范畴，但因许多

10、浆液的粘度会随注浆时间而增大，故前者相关因素更多，难度更大。当采用粒状浆材时，不稳定悬浮浆液在一定条件下会在空隙中发生颗粒沉淀，从而使浆液流动规律大大改变。根据本次涌水治理工程的实际情况采用渗透注浆，在注浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入岩土的孔隙、裂隙，使岩土孔隙、裂隙中存在的气体和水被排出，浆液充填孔隙或裂隙而形成较为密实的固化体，从而使地层的渗透性减少，强度得以提高。注浆压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就越大。这种理论假定，在注浆过程中地层结构不受扰动和破坏，所用的注浆压力相对较小。渗透注浆假定注浆过程中地层结构不受扰动和破坏。这一假定给注浆技术提出了严格规定，当采用粒状浆材时，浆材的颗

11、粒必须小于地层的空隙尺寸。但是，浆材是由不等的颗粒组成，地层的空隙也有大有小，注浆工艺又不能使浆液“对号入座” ，其结果常常是较小的空隙被漏灌和堵塞，所以这种注浆理论是有局限性的。传统的注浆工艺是以“渗透理论”为基础， 注浆时只采用相对较低的注浆压力，使浆液在空隙中扩散时不致破坏岩土层的原有结构。（2）单孔注浆工艺流程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。其优点是：上段注浆后，下段高压注浆时不跑浆，同时上段获得复注，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

12、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。上行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。为保证注浆效果节约工的条件下，本次注浆工艺选择孔内上行式分段循环注浆工艺，具体流程如图5-5 所示：水泥水一级搅拌二级搅拌注浆泵注浆管路钻 孔（松散层、和岩层裂隙）水玻璃浆液施工工艺流程图注浆前压水，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，从而提高注浆质理和堵水效果。对于大裂隙，压水时间为10min20min；中小裂隙，则需15min30min 或更长一些。重复注浆钻孔压水时间适当延长30min60mi

13、n。压水时压力应由小增大，最大不得超过注浆终压。首先通过控制系统将水泥和水送入一次搅拌池，搅拌均匀后，加入调配好的水玻璃溶液进行二次搅拌，采用注浆泵通过50mm- 75mm 注浆管注浆。水泥 - 水玻璃浆液站选用1m3大小的移动式注浆池。整个注浆过程中，先用清水或稀浆压入孔内，然后将正常配比浆液注入孔内，注浆过程中因各种原因停泵或注浆结束，必须压入清水，清洗注浆管路，尽量避免浆液堵管。注浆管路进入孔内有3 种形式，分别为孔口焊接加盖加压注浆、孔内止浆塞加压注浆、孔内止浆塞花管注浆，第一种形式简单方便，但是注浆效果不如后两种，孔内止浆塞加压注浆在本工程上下连通性较好区域，浆液易向底部流失，因此本

14、次注浆选用孔内止浆塞花管注浆。孔内止浆塞花管注浆孔内示意图分段式注浆注意事项：止浆塞应有良好的膨胀和耐压性能，并易于安装和卸除；采用分段卡塞注浆方式时，止浆塞应安装在注浆段段顶以上2m 3m井壁完整处，注浆前应检查止浆塞的封闭性，止浆塞压力应大于设计注浆总压力 1mpa 。采用分段注浆时，应分段计算注浆段压力，压力计算点应取段中位置。结束注浆时，必须先放掉注浆压力，再放掉充气压力，防止注浆射出，造成安全事故。（3）注浆方式4、注浆材料选用4.1 注浆材料注浆材料的选择对注浆效果起着十分重要的作用。国内目前注浆材料主要有惰性骨料材料、单液水泥浆、水泥- 水玻璃双液浆、黏土水泥浆和有机化学类注浆材

15、料等。1）固体颗粒充填阻水材料该类材料主要包括砾石、砂砾、沙子、石屑等不同粒径的石子、粉煤灰和不易被水冲走的木串等。 它们一般适用于大断面动水通道的封堵。这种材料的大量注入，可将过水通道中的管道流改造成颗粒间的渗透流，从而减小水流速度， 增加阻水能力。在充填成功之后， 再注入胶凝堵水材料， 便可达到彻底封水的目的。对过水断面较大的裂隙、 孔隙、溶洞也必须先投入骨料再注浆加固。该类惰性材料来源广，价格便宜，是动水注浆和充填大的通道的首选材料。2）单液水泥类浆液以纯水泥或以水泥为主剂添加一定量的外加剂，用水调制成浆液， 采用单液方式注入，这样的浆液称为单液水泥类浆液，可注入的砂层最小粒径为1.1m

16、m 。3）水泥 -水玻璃类浆液水泥-水玻璃类浆液亦称cs浆液（c代表水泥， s代表水玻璃），是以水泥和水玻璃为主剂， 两者按一定的比例采用双液方式注入，必要时加入附加剂所形成的注浆材料。水泥-水玻璃浆液由普通硅酸盐水泥和水玻璃（模数2.4 3.2 ，浓度 3045 be）加速凝剂（氢氧化钙）或缓凝剂（磷酸氢二钠）组成，其性能一般取决于浆液的凝胶时间和抗压强度。 凝胶时间是指水泥浆与水玻璃相混合时起至浆液不能流动为止的这段时间，水泥-水玻璃类浆液的凝胶时间可以从几秒钟到几十分钟准确控制，影响其凝胶时间的因素有水泥品种、水泥浆浓度、水玻璃浓度、水泥浆与水玻璃体积比及浆液温度等。水泥- 水玻璃浆液结

17、石体抗压强度较高，特别是早期强度较高，并且增长速度很快。4）新型材料（ sjp ）该新型材料特点一是用于改善水泥凝固时间，控制几分钟至几小时， 保障水泥在我们需要的时间内凝固。 二保证水泥不会沿裂隙灌注几十米，解决注浆水泥浪费大、灌不住、顺层跑等问题，在突水量巨大的条件下，常规注浆堵水基本失效，该材料效果明显，即注浆3 米就 3 米，12 米就 12米。应用本新型材料水泥添加剂， 结合相应的注浆堵水专门设备、 专门施工工艺，在各种复杂地层条件下不会失效，因此达到快速堵水、止水的效果。该新型材料的创新点：（1）选择渗析胶结与吸附胶结强的高分子聚合物；改善高分子固体表面吸附特性，调节水泥水化进程。

18、（2）以高分子聚合物水泥化学动力学为基础，优选可以使水泥浆速凝、且后期强度高的外加剂。（3）新型材料适用于复杂地层和复杂环境如架空松散地层、煤层火烧岩等复杂地层 。5）黏土水泥类浆液黏土水泥浆液是一种适用于多种防治水工程用途的注浆材料，可应用在井筒预注浆工程和煤矿底板的加固工程中。其特点是：（1）黏土水泥浆较单液水泥浆成本低，流动性好，抗渗性强，结石率高；（2）黏土水泥浆抗压强度因配方不同有所差异，一般情况为510mpa ，相比单液水泥浆有所下降，适用于充填注浆；（3）浆液材料来源丰富，价格低廉，采用单液注入工艺，设备简单，操作方便；（4）浆液无毒性，对地下水和环境无污染。6）有机化学系列注浆

19、材料（1）丙烯酰胺类浆液丙烯酰胺类浆液是以有机化合物丙烯酰胺为主剂，配合其他交联剂、 促进剂和引发剂等材料而制成的液体， 其以水溶液状态注入地层， 在地层中发生聚合反应而形成具有弹性、 不溶于水的聚合体。 丙烯酰胺的抗压强度一般比较低，其凝胶时间可以控制在几秒到几个小时之间。（2）木质素类浆液木质素类浆液是以纸浆液为主剂，加入一定量的固化剂所组成的浆液，由于目前仅有重铬酸钠和过硫酸铵两种固化剂能使纸浆废液固化，因此目前木质素类浆液包括铬木质素浆液和硫木质素浆液2 种。（3）尿醛树脂类浆液脲醛树脂是由尿素和甲醛综合而成的一种高分子聚合物。脲醛树脂在固化前是一种水溶性树脂，用水配制成水溶液，这种溶

20、液在酸性条件下，在常温、常压下就能迅速固化，并且具有一定的强度，因此，它可作为注浆材料使用。（4）聚氨脂类浆液聚氨酯类浆液是一种防渗堵漏能力较强、固结强度较高的注浆材料， 它属于聚氨基甲酸酯类的高聚物， 是由异氰酸酯和多羟基化合物反应而成。由于浆液中含有未反应的异氰酸基因， 遇水发生化学反应， 交联生成不溶于水的聚合体， 因此能达到防渗、 堵漏和固结的目的。 另外反应过程中产生二氧化碳，使体积膨胀而增加固结体积比， 并产生较大的膨胀压力， 促使浆液二次扩散， 从而加大了扩散范围。聚氨酯类浆液可分为水溶性和非水溶性浆液两大类。（5）其他有机类浆液其他有机类浆液主要有糖醛树脂浆液、环氧树脂浆液、

21、丙烯酸盐浆液、 甲凝浆液等。糖醛树脂浆液具有粘度低，可注性好，材料来源丰富；但浆液固化时间长，不易准确控制。环氧树脂浆液具有浆液粘结力强，结石体强度高，收缩小，化学稳定性好；缺点是粘度偏大，固化时间长。丙烯酸盐浆液具有粘度低，可注性好，浆液的凝胶时间可控制在几秒到几个小时的范围内，浆液可在高、 低温条件下使用。甲凝浆液具有粘度低，可注性好，抗压和抗拉强度高，适合于混凝土干细裂缝的补强注浆。4.2 注浆材料选择根据矿区地层岩性， 结合矿区以往治经验及出水情况以及矿山帷幕注浆规范 （dz/t0285-2015） ，本次帷幕注浆材料选择水泥- 水玻璃浆液、 水泥 +水玻璃+新型材料（ sjp ） 。

22、具体参数如下：1）水泥：选用强度等级为 42.5 的普通硅酸盐水泥。其质量应符合硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥 （gb175-92 ）标准，不得使用受潮结块的水泥或过期的水泥。2）水玻璃：选用 na2o nsio2，其参数指标：模数2.4 3.2 ，波美度（比重）为 3045 b 。3）水：造浆用水水质须满足国家混凝土拌合用水质量标准，其so4-2含量应4。4）新型材料（ sjp ）：根据实际地层情况经现场试验后确定材料配比。4.3 注浆浆液配比根据以住堵水工程施工经验以及浆液性能测试成果，搅拌时间应不少于5min，放置时间不宜超过3min，为保证本次帷幕注浆浆液扩散半径、注浆量、凝固时间，本次水

23、泥 - 水玻璃浆液（新型材料sjp）配比初步（最终配比以现场试验为准）设计如下：（1）水灰比（重量比）取1:1 ；（2）加入水泥重量 3% 的水玻璃。（3）新型材料 sjp加入水泥重量 3% 左右。（即：1m3水泥- 水玻璃浆液添加 759kg 水泥、 23kg 水玻璃或 23kg 新型材料sjp）4.4 新材料（ sjp ）粘度时变灌浆材料与同类材料性能对比表5、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，随浆液的浓度和黏度的增加而减少。据以往现场经验，岩溶地层注浆，浆液平均扩散半径为10 m 15m ，裂隙地层平均为 4m 8m ，

24、本次浆液扩散半径以现场注浆试验结果确定。（2）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， 充塞物质的强度急剧增加， 这就保证了充塞物具有足够强度和不透水性。在地下水流速大的情况下， 应设法增加浆液的流动阻力， 需降低注浆压力，故合理运用注浆压力是注浆的关键。不同地区因地质条件不同， 注浆压力也不尽一样。有地区选用注浆压力为静水压力的23 倍，有的则根据岩石裂隙采用合适的压力值。（3） 浆液注入量。根据扩散半径和岩裂隙率进行粗略计算，公式为q=r2ahn 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，

25、0.9 0.95；a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。从理论上讲，最终吸浆量是越小越好， 最理想的情况是注至完全不吸浆， 但难以做到，故结束标准是注浆压力达到设计终压，一般为受注含水层水压的1.6 2.5 倍，吸浆量小于 80l/min ，时间不少于 30min 即可。（5）注浆应遵循以下原则：1）跳孔注浆原则：本次采取两序孔原则，一序注浆孔之间相隔1 个注浆孔，二序注浆孔为一序孔中间加密的孔。2) 定量- 定压相结合原则：在注浆施工中，如只按照注浆压力达

26、到设计终压进行注浆控制，那么浆造成浆液大量流失和浪费，且延长施工时间，达不到注浆效果。因此，采取跳孔分序注浆时，对先序孔采取定量注浆， 对后续孔采取定压注浆。 注浆时根据搅拌桶的容积和浆液流量确定注浆量， 在搅拌桶中配好浆液、 测定体积后再将浆液输入注浆池中，注浆池直接与注浆泵相连。 注浆时再通过压力表和浆液流量记量仪来控制注浆量。另外，通过计量现场水泥用量，也是掌握注浆量的有效措施。一般先期注浆孔的注浆量大于后期孔，外围注浆孔的注浆量大于内部孔。3）多孔少注原则：如果不采用定量-定压相结合、多孔少注注浆原则，浆会使少数孔注浆过多，多数孔注不进浆，导致注浆均匀性差，易产生注浆盲区。在注浆过程中

27、，应观察相邻注浆孔的返水、 排气、冒浆情况，若周围孔有浆液冒出，说明注浆效果好。 若周围注浆孔没有反应， 且注浆量过大， 特别是在土洞底部当浆流失过大时，应采用“间歇定量分序注浆法”进行注浆 , 以控制浆液扩散范围，分序跳孔注浆；在注浆过程中，应根据不同地质、不同时序、不同部位、不同次数和注浆时压力、 流量变化等， 对注浆参数进行不断的动态调整，以实现既保质量又不浪费浆液。二、设备方案1生产设备注浆施工所用的机具与设备主要有钻机、泥浆泵、注浆泵、搅拌机、上料系统输浆管路等。采用 14 台钻机进行注浆孔钻探工作， 钻机可适应各类复杂地层、 不同孔深、不同角度的钻进需要；采用10 台注浆泵进行帷幕

28、注浆；采用搅拌机6 台，搅拌能力为注浆泵注浆能力的1.5 倍。每个注浆段需提供电量100kw 。主要施工设备如下表所示。拟投入本工程的主要施工设备表序号设备名称型号规格数量额定功率（kw ）生产能力用于施工部位1全站仪rts6001良好测量放线2gps-rtk南方测绘1良好测量放线3钻机xy-1009100m钻孔4钻机gg-2405240m钻孔6注浆泵3nbb-2505注浆7注浆泵bw250515250l/min注浆8搅拌机自制67.5良好制浆系统序号设备名称型号规格数量额定功率（kw ）生产能力用于施工部位9潜水泵qy-2545.5良好制浆系统10测斜仪jjx-332良好钻孔测斜11空压机12m3560良好制浆系统12交流弧焊机bx-30061820m/d钻孔、注浆13装载机zl50c115.2良好物资运输和便道修整拟配备本项目的试验和检测仪器设备表序号仪器设备名称型号规格数量国别产地用途1压力试验机bc-3001中国北京抗压强度测试2维卡仪iso标准4中国北京塑性强度测试3比重计nb-115中国上海比重测试4旋转粘度计nxs-11a