1、煤矿水害防治技术研究（刘白宙教授）,煤矿水害防治技术研究刘白宙教授级高工 河南煤化焦煤集团副总工程师2010.05,突水水源探查技术 突水水源识别技术 煤层底板含水层注浆改造技术 突水点注浆封堵技术 帷幕注浆截流技术 防水煤岩柱留设技术 水害隔离技术 疏水强排技术 断层防水技术,一、突水水源探查技术物探 针对掘进巷道和回采工作面不同的物探条件，在井下分别利用瞬变电磁、音频电透、直流电法、无线电波坑透、瑞雷波、地质雷达等先进物探仪器探测了可能的突水水源；同时在地面利用三维地震、瞬变电磁等进行区域水文地质条件勘查。,钻探 在物探基础上，对低阻异常区打钻验证。 物探是突水水源探查技术的辅助手段，而钻
2、探是突水水源探查技术的根本手段。,二、突水水源识别技术 不同含水层由于其埋深、赋存条件的差异表现在水文地球化学特征上也有差异，这为判别水源提供了依据。,水动力场法 突水发生后，突水含水层水位会发生相应的变化。水位的观测方法有：传统的人工观测法、现代的遥测法及水位自动监测系统。水位下降的含水层即为突水含水层。特征组分分析法,模糊聚类法 以焦作矿区6个奥灰水样、2个二灰水样、14个 八灰水样的突水水质资料，建立的奥灰、二灰和 八灰三类水源聚类模型：,y1(x)=-93.91843.6718*Ca+1.5059*Na-1.6225*SO4-0.3624*Cl(奥灰)y2(x)=-93.91843.6
3、718*Ca+1.5059*Na+1.6225*SO4-0.3624*Cl(二灰)y3(x)=-93.91843.6718*Ca+1.5059*Na-1.6225*SO4-0.3624*Cl(八灰),特征曲线法 根据突水水质资料，选定矿化度、(Ca+Mg)/(K+Na) 、K+Na、Ca、Mg、Cl、SO4、HCO3等8个数据，给出了6 种突水水源的特征曲线如下：,水质特征曲线,分析放射性同位素氚（T）的含量可以看出：直接接受大气降水补给且孔隙及溶隙发育的含水层其氚含量高，如第四系砂砾岩孔隙水和奥陶系岩溶水的氚值均在5T.U以上；间接接受大气降水补给且裂隙或溶隙不甚发育的含水层其氚含量低，如顶
4、板砂岩裂隙水和底板L8灰岩水的氚值均小于0.5T.U。这说明顶板砂岩裂隙水和底板L8灰岩水的运移速度较慢，地下水的补给来源主要为邻近含水层，这与实际的水文地质条件是吻合的。,各水源同位素测试结果,同位素法,煤层底板含水层注浆改造技术，是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。,三、煤层底板含水层注浆改造技术,九里山矿底板含水层注浆改造地面注浆站,注浆材料及配比的研究 注浆材料：粘土、水泥、粉煤灰以及软固料，断层带以水泥为主，其它地区以粘土水泥浆为主，水泥占固料的20-30
5、%。注浆孔布置及成孔工艺研究 裂隙发育但互相不连通的含水层，钻孔布置方向以垂直裂隙方向为主，孔隙水及X型裂隙发育的含水层以均匀布孔为宜，每个钻场的钻孔分三个序次布置。 套管下入深度以不发生底鼓为宜，如果提前见水则增加套管的级数。,注浆深度的研究 H=P/1.0注浆扩散范围探测技术研究 在浆液中添加食盐，提高了受注含水层的物探灵敏度，注浆后利用物探技术探测其扩散范围。高水压含水层注浆终压技术研究 传统的注浆终压为水压的2.5到3倍，而现在注浆终压以克服水压的绝对值来评价，在条件允许的情况下尽可能提高注浆终压。酸溶法扩大岩溶裂隙增加注浆量技术研究,四、突水点注浆封堵技术,按突水点水流是否流动可分为
6、：动水注浆堵水和静水注浆堵水。按作业场所不同可分为：地面注浆堵水和井下注浆堵水。 （一）地面注浆堵水 地面注浆堵水按突水点是否流动可分为动 水注浆堵水和静水注浆堵水。,注浆材料有两类：一类是固料类，包括：砂子、石子、锯末、粉煤灰、海带和玉米芯等。另一类是液体类，包括：纯水泥浆、粘土水泥浆、水玻璃水泥浆等。 自55年以来，焦作矿区共进行地面注浆堵水84次，共封堵水量1745m3/min，其中最大一次封堵水量320m3/min。,（二）、井下注浆堵水 煤矿突水点井下动水注浆封堵技术就是在井下对正在涌水的突水点进行注浆封堵。它具有比地面注浆堵水节省工程量、位置准确、施工工期短等优点，但井下突水点动水
7、注浆具有水压高、井下环境受限等缺点，给注浆堵水带来困难，需要通过研究解决一些技术难题。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、打钻注浆堵水和建止浆垫注浆堵水。,古汉山矿利用注浆改造系统封堵11071工作面突水点工程布置图,壁后注浆堵水技术1适用条件 壁后注浆堵水主要应用于巷道或井筒淋水。2施工步骤（1）收集资料，编写施 工设计和安全技术措施（2）施工前的准备工作（3）注浆孔施工（4）注浆堵水,注浆钻孔布置图,3实例 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8
8、m3/h，堵水率达95以上，效果良好。 利用煤层底板含水层注浆改造系统注浆堵水技术1适用条件 该堵水方法主要应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。,2施工步骤 （1）收集突水点资料，编写施工设计和安全技术措施 （2）施工注浆孔 （3）注浆堵水3实例 九里山矿14041工作面煤层底板含水层注浆改造过程中，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，先在该,孔注入4m3直径25mm的石子，又注10m3直径12m
9、m砂，后注5m3锯沫，最后注入850m3粘土水泥浆将突水点封堵，堵水率100%。 建水闸墙堵水或建水闸墙注浆堵水技术 1适用条件 2施工步骤 收集有关资料，编制施工设计及安全技术措施,水闸墙施工 选定水闸墙施工地点： 水闸墙施工： 关闭放水管,1突水点 2水闸墙 3放水管 4巷道建水闸墙堵水工程示意图,演马庄矿二水平底板巷水闸墙堵水1080m3/h,3建水闸墙注浆堵水 4实例 演马庄矿西大巷突水点于1966年发生突水，截至堵水前水量仍有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，堵水率为100。 打钻动水注浆堵水技术 1适用条件
10、 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。,2施工步骤 （1）收集突水点资料，编写施工设计和安全技术措施。 （2）施工注浆孔 （3）注浆堵水,3实例 朱村矿东北区泵房口突水点，水量为4m3/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12mm砂子5m3，锯沫10m3，双液浆 150m3，将突水点全部封堵，堵水率为100。,打止浆垫注浆堵水技术 1适用条件 该堵水方法主要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
11、的抗压强度。 2施工步骤 （1）收集突水量资料，编写施工设计和安全技术措施 （2）导水 （3）清理浮渣 （4）打止浆垫 （5）加固止浆垫和周边围岩 （6）关水、增压、防渗漏实验 （7）注浆,3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
12、突水点封堵，堵水率100%。,五、帷幕注浆截流技术(一)含水层露头帷幕注浆截流 浅部帷幕注浆截流就是在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。,九里山矿多元水力联通试验图,九里山矿浅部截流工程平面图,（二）奥灰垂向进水口截流 奥灰水通过断层破碎带或陷落柱等垂向补给煤层底板薄层灰岩，至使薄层灰岩富水性大增，接受补给十分充足，对矿井的安全生产构成巨大威胁，因此对奥灰垂向进水口进行截流是十分必要的。,演马庄矿西二F3断层进水口截流工程布置图
13、,六、防水煤岩柱留设技术,（一）冲积层防水煤柱留设技术 赵固一矿设计留设55米，我们通过探测分析研究，留设30米保证了安全生产。（二）断层防水煤柱留设技术 朱村矿三号井断层派生构造发育，设计留设180米防水煤柱，通过采取措施只留设了60米，提高了资源回收率。,为了控制水害蔓延，根据不同的水害威胁情况，采用分翼、分采区建筑防水闸门进行水害隔离。 在全国率先设计制造安装了承压最高的（5.5MPa）防水闸门。,七、水害隔离技术,八、疏水强排技术 顶板水疏放：通过物探及水文地质条件分析，合理布置疏水钻孔，对疏放的顶板水利用管路进行集中排放。 底板水疏放：焦作矿区底板突水主要水源为L8灰岩水、L2灰岩水
14、和O2灰岩水，其中L2灰岩水和O2灰岩水富水性强，因其距二1煤层较远，故可采用防、堵的办法避免发生突水，而L8灰岩距二1煤仅2040m，在目前生产水平的水压下，突水系数均大于临界突水系数极易发生突水，但其,富水性极不均一，对L8灰岩富水性较弱的地区可以疏降开采。判别条件：涌水量1m3/min水位降深大于5m的地区，适宜疏水降压开采，涌水量1m3/min水位降深小于5m的地区，应采用煤层底板含水层注浆改造开采。疏水降压工程的形式有： 1. 专门疏水巷道控放型 2. 井下钻孔控放型 3. 突水点控放型,强大的排水阵地,九、断层防水技术,巷道过较大断层（根据本矿区发生突水的最小断层而定）必须进行预注浆加固，如果巷道误揭较大落差断层，必须停止施工，对断层进行注浆加固，并对断层带巷道采用特殊支护方式。对断层进行注浆加固可以减少断层防水煤柱的留设，或者不留设防水煤柱。,请各位领导、同仁指正，谢谢！,
