煤层底板含水层注浆改造技术在焦作矿区的应用

1、煤层底板含水层注浆改造技术在焦作矿区的应用1概况1.1矿区概况'4天 I焦作矿区位于河南省西北部太行山南麓，为掩盖式石炭二叠纪煤田，北依太行山，东至修武、辉县，南抵武陟县，西达博爱县。东西走向长65km南北倾斜宽20km矿区总面积约1300km2矿区主采煤层为山西组二1煤，煤层总厚69m埋深100 ? C <.：,z1000m为优质无烟煤，地质储量28.5亿t。矿区现有8处生产矿井，生产能力350万 t/a。I I/ J I I i I1.2矿区地质构造焦作煤田位于太行山复背斜东南翼，处于东西向构造段新华夏系构造的复合部位，区内广泛分布着燕山期以来新生成的各种构造形迹，以多期活动

2、的高角度正断层为 主，褶皱构造表现微弱，断裂构造按其展布方向可分为 NW向、NE向和近EW向三组, 近EW向张性断层和NE向压扭性断层控制着地下水的补给、径流和排泄。1.3矿区主要含水层情况 矿区发育有四个含水层（组），自上而下分别是第四系（Q砂砾石含水层；二叠系（P1）砂岩裂隙含水层；石炭系（C3）薄层灰岩岩溶含水层；奥陶系（02）巨厚层 灰岩岩溶含水层，其中后两个含水层（组）对矿井安全生产威胁最大。石炭系（C3 薄层灰岩岩溶含水层主要有八层灰岩含水层（L8）和二层灰岩含水层（L2）。八层石 灰岩层厚610m上距二1煤层1840m 一般20m 该含水层水性较强，是二1煤'4天 I层的

3、直接充水水源，矿区曾经发生近千次八层灰岩突水，最大突水量达6300m3/h。该含水层一旦通过构造、矿压破坏等形式与“二灰”、“奥灰”沟通，常会造成淹 没采区及矿井的灾害性突水事故，是矿井开采过程中重点治理对象。二层石灰岩层 厚812m上距二1煤层70m下距“奥灰”顶面一般20m该含水层岩溶裂隙发育， 富水性强，水位变化基本与奥灰水位同步，是上覆各含水层的补给水源。当巷道与 其接近或通过破碎带与之相通时，将可能造成突水淹井的毁灭性灾害。奥陶系灰岩 含水层（02）为煤系地层之基底，厚；400m岩溶裂隙十分发育，富水性强，在太行 山区直接接受大气降水及地表水的大量补给，然后转为地下径流，向东南运移进

4、入 矿区深部，成为焦作矿区各含水层间接的强大补给水源。1.4矿区水害威胁状况焦作矿区是全国着名的大水矿区，历史上曾发生多次突水事故，截止 2003年底集团 公司所属矿井共发生60m3/h以上突水600余次，最大一次突水量为19200m3/h,因 突水造成淹井17次，淹采区14次，造成的直接经济损失达 3亿元之多，少出煤炭近千万吨，生产矿井的正常涌水量最高达 30000m3以上如此巨大的矿井涌水量，加上频繁的突水，迫使工作面不得不进行改造，使得煤炭生产难以正常进行，无法使用综采等先进采煤工艺来提高矿井生产能力。'4天 I2煤层底板注浆改造技术在焦作矿区应用的必要性2.1水害压煤i ?.：

5、,z X' ',I、焦作矿区所属各生产矿井均为水文地质条件复杂矿井，主要充水水源为二1煤层底板石炭系太原组薄层灰岩岩溶裂隙水。随着开采水平的不断延深和开采范围的不断 扩大，水压逐渐升高，水文地质条件变得愈来愈复杂，突水威胁俞加严重，矿区受 水严重威胁储量高达14.5亿t。如不采取有效措施解决水患威胁，将导致矿区可采 储量减少，矿区年产量逐年下降，直接影响到矿区的长远发展。2.2矿井经常性涌水量过大焦作矿区每采一吨煤要排5060t水，是全国平均水平的56倍，仅排水费用每年就高达6000余万元，吨煤排水费用占吨煤成本20%，造成企业经济效益低下。也造 成排水泵房设备老化，矿井抗灾能

6、力大大降低。2.3突水频繁突水量大焦作矿区突水之频繁，突水量之大，经济损失之惊人，都达到了极其严重的程度。'4天 I近几年来，随着矿井开采水平的不断延深，水文地质条件变得愈加复杂，虽然开展 了八层灰岩含水层疏水降压等多项综合防治水工作，但对一些水文地质条件复杂含 水层富水性强的地区效果不明显，而且巨额排水费用矿井也难以接受。i ? C .： Z ' I、综上所述，在焦作矿区应用煤层底板含水层注浆改造这一新技术不仅是十分必要的, 也是十迫切的。I1 I:) I I 、 i I3煤层底板注浆改造技术在焦作矿区应用的可行性煤层底板含水层注浆改造技术就是沿工作面下顺槽大面积布置注浆钻孔

7、，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，同时亦增强 了煤层底板隔水层的强度，实现工作面不突水开采。3.1注浆开采有成熟的技术和成功的经验注浆改造含水层进行开采源于 1984年，经过20年来的发展，经历了地面打孔、地 面注浆和井下打孔、井下注浆两个发展阶段后，现已实现了井下大面积打孔地面连 续注浆的新工艺，已经积累了成熟的注浆改造技术和丰富的经验。'4天 I3.2各矿井水文地质条件已经查明，有利于注浆改造技术的实施 ? £, X国家级工业性试验项目华北型煤田奥灰岩深水综合

8、防治工业性试验，历经“七五”、“八五”两期工业性试验阶段，通过钻探、物探等多种探测手段，焦作矿区 各矿井水文地质条件已经基本查明，为防治水工作奠定了基础。I1 IJ 1 I I I3.3新型注浆材料确保了注浆改造开采既可行又经济随着注浆技术的发展，注浆材料也经历了从单液水泥浆到水泥、粘土、水玻璃等多 元材料的发展过程，水泥粘土浆不但注浆成本低，材料来源广，而且浆液流动性好， 充填效果佳，改造质量高，确保经济可行。3.4新型物探手段有助于注浆改造技术成功应用 直流电流物探等新型物探手段的焦作矿区已经推广应用多年，通过对数十个工作面 进行探测，证实对探测 L8灰岩富水带和岩溶发育带比较准确。通过物

9、探技术探测， 一方面可以了解底板含水层裂隙分面情况， 确定富水地段，指导注浆孔的合理布置, 另一方面为检验注浆效果提供了控测手段，有利于注浆改造技术的应用。'4天 I通过以上的综合分析，我们认为在焦作矿区实施煤层底板注浆改造含水层技术是可 行性，可以解决长期以来被动防水的难题。I ? C, XI、4煤层底板注浆改造技术的主要内容I1 II I煤层底板注浆改造工程主要包括地面造浆站、井下工作面打注浆钻孔、井下连续注 浆等工程。地面造浆站由储土棚、粗浆池、精浆池、一搅池、二搅池、注浆棚、清水池等设施 组成。主要设备有制浆机、搅拌机、杂污泵、泥浆泵、空压机等。根据浆液的扩散 半径以及L8灰岩

10、含水层的富水性，在工作面下顺槽每隔一定距离施工一个钻窝，每 个钻窝内施工34个注浆钻孔，具体参数根据被改造含水层具体水文地质条件确定。 注浆钻孔要分三个序次施工，全部注浆结束后，视钻孔涌水量和进浆情况确定补打 检验孔。制好的粘土水泥浆由泥浆泵t输浆钻孔t输浆管路t注浆钻孔t含水层。注浆压力一般为水压的23倍，浆液扩散范围较大，注浆后可封堵含水到煤层的导 水裂隙，加固煤层底板隔水层；也可改变L8灰岩富水性，变强含水层为弱含水层或隔水层，同时亦可切断底板L8含水层与L2灰岩及02灰岩含水层的水力联系，从而 达到安全开采之目的。5煤层底板注浆改造技术在焦作矿区应用的效果5.1九里山矿14041等工作

11、面I / f .:,z- z'1 I、九里山矿西翼采区水文地质条件极为复杂，一四采区首采面14021在开采中曾发生两次突水，水量分别为 840m3/h,和360m3/h,造成工作面停产。通过实施该技术，I 不仅没有发生突水而且由于浆液大范围扩散充填了水源补给通道，封堵了 14021工 作面老突水点水量360m3/h, 二采区涌水量也减少600m3/h,仅此一项每年就可节 约排水费用320万元，取得了显着的经济效益，又相对增强了井底泵房的抗灾能力， 对矿井安全生产起到了重要作用。继14041工作面进行了煤层底板含水层注浆改造实现了开采水突水后，为了推进高 产高效矿井的建设，2001年集团

12、公司决定在14061工作面进行首个综采试验。通过 应用该技术保证了第一个综采工作面的顺利回采，并安全采出煤炭53万t。而14051综采工作面实施了煤层底板含水层注浆改造，也安全采出煤炭38万t，该矿2003年矿井产量首次达产，突破100万t5.2演马庄矿25081工作面演马庄矿25081工作面下风道位于一条H=5m的断层附近，通过物探手段探测显示为'4天 I抵阻带，极有底板突水可能。因此对 25081工作面也实施了该技术，重点对下风道 和断层之间的破碎带进行加固。回米期间也未发生大的突水，安全米出煤炭20万t。 /<_.：z' X该技术在九里山矿和演马庄矿成功应用后，又相继在朱村矿、韩王矿和古汉山矿等 三对矿井进行了推广应用，截至目前已安全采出煤炭240余万t，不仅了大的突水事 故的发生，并且实现了综采，为集团公司高产高效矿井的建设打下了良好的基础。与此同时，九里山矿等五对矿井利用底板含水层注浆改造系统封堵了井下多处突水 点，减少矿井涌水量3000m3/h,年节约排水费用1275万元，取得了显着的经济效益 和社会效益