地方煤矿特大突水治理成套技术探讨.pdf

收稿日期 2009 - 11 - 01 作者简介白峰青1963 - ,男,河北青县人,博士、教授,矿井防治水专家,从事矿井防治水研究与教学。 地方煤矿特大突水治理成套技术探讨 白峰青 1 ,李 冲 1 ,郝彬彬 1 ,王 磊 2 ,陈娅鑫 1 1 1河北工程大学 资源学院,河北 邯郸 056038; 21江西省抚州市国土资源局 土地开发整理中心,江西 抚州 344000 摘 要随着煤炭开采深度的逐渐加深,我国的多数煤田都受到奥灰水的巨大威胁,开采活 动稍有不慎,就会诱发底板奥灰特大突水事故,造成重大的损失。论文提出一套 “ 查 ” 、“ 找 ” 、 “ 定 ” 、 “ 堵 ” 、“ 验 ”相结合的特大突水治理技术,并成功应用于德盛煤矿特大突水治理实践中, 对于国内外条件相似地区煤矿特大突水治理及矿井恢复具有重要意义。 关键词煤矿;特大突水;成套;治理技术 中图分类号TD745 文献标识码 B 文章编号 1671 - 0959 2010 0820051202 随着开采深度的加大,煤层底板受奥灰强含水层威胁 增大,极易诱发底板发生特大突水。面对岩溶型矿区严重 的水患问题,我国许多水文地质工作者在一些大水矿区进 行了大量的研究工作,取得了相应的研究成果。由于发生 突水事故的矿井地质、水文地质条件、突水通道、突水水 源及堵水施工环境等千差万别,使突水治理工作具有很大 的差异。虽然注浆技术应用已久,但主要是针对具体的情 况进行的,对于可以普遍应用的注浆堵水治理技术的研究 与探讨仍具有重要的意义。 1 特大突水治理成套技术 111 技术路线 根据煤矿特大突水事故的特点和存在的现实问题,由 于涌水量大,流速快,整个堵水过程,必须在排水控制水 位的动水条件下进行,这就决定了直接封堵突水点附近巷 道的可能性较小。因此,在突水点和突水区域位置已经基 本确定的前提下,应采用先封堵突水区域,实施截流堵源, 在出水量大幅度减少的情况下,再对导水通道包括采空 区和隔水底板进行封堵和加固的技术路线。 112 注浆堵水成套技术 通过总结分析矿区突水事故的治理技术与方法,结合 德盛煤矿特大突水治理的工程实例,优化了与特大突水治 理技术相关的技术和工艺,提出了一套在动水条件下以 “ 查 ” 、 “ 找 ” 、 “ 定 ” 、 “ 堵 ” 、 “ 验 ”相结合的完备的特大突 水综合治理成套技术,对国内外条件相似地区的煤矿特大 突水治理具有指导意义和重要的参考价值。 查即指查明突水水源、突水通道。突水水源的调查 主要包括① 突水量调查,主要通过水量的大小判定可能 的水源;② 水位或水压调查,主要通过突水后相邻观测孔 的水位变化和突水水压变化分析判定;③ 水质调查,一般 不同含水层具有不同的水质类型,因此可以通过突水点的 水质分析结果,结合区域水文地质条件判断突水水源;突 水通道的调查,主要依据突水特征、采煤揭露情况和地质 条件进行确定。在现场调查分析过程中,为了迅速、准确、 可靠确定突水水源和通道,应采用上述多种手段进行综合 分析对比。 找主要寻找突水点、突水区域和过水通道的具体位 置。这一步是整个堵水技术中关键的一步。针对煤矿具体 情况,具体查找时主要采用调查、询问与物探方法相结合 的方法,即通过反复调查、询问突水现场的相关工作人员, 并结合实际资料和收集到的相关资料,经过工程技术人员 详细讨论,初步确定突水区域的范围。地面条件允许时, 还应进行必要的物探工作,进一步缩小突水区域范围,为 钻孔准确定位奠定基础。 定即确定堵水方案、布孔方案钻孔位置、钻孔数 量、堵水技术与工艺钻孔结构、材料选择、施工顺序 等。堵水方案是注浆堵水的核心部分,应具体问题具体分 析。在查明突水水源、突水通道和突水区域的基础上,根 据突水区域的情况确定堵水方案如截流封堵方案、围点打 援等方案。钻孔布置主要依据突水区域大小、地层结构、 堵水环境等确定。钻孔的类型可以包括探查孔、注浆堵 水孔和加固孔,目的是通过钻孔施工进一步确定、核实突 水区域和导水通道分布,为后续的堵水施工创造条件。堵 水技术和工艺是堵水工程具体实施的环节,采取的技术手 段和工艺是否合理是堵水成败的关键。骨料充填和注浆封 堵时,应以基本的水文地质资料为基础,同时结合必要的 现场压水试验、室内实验,以确定所需要的参数如水固 比、浆液比重、注浆压力等。结合具体条件,可以选择采 用单液注浆、双液注浆、单孔注浆、双孔注浆、间歇注浆、 15 2010年第8期 煤 炭 工 程 生产技术 连续注浆等多种注浆技术与工艺。 堵即通过骨料充填和钻孔注浆,对突水点和导水通 道实施有效封堵。由于特大突水事故堵水环境多为动水环 境,突水通道断层破碎带、裂隙、岩溶发育区带和煤层采 空区空隙大、导水性好、流速大。应首先充填砂、碎石 等粗骨料充填较小裂隙时可以选择铁矿尾矿等作为的充填 材料 , 以降低流速和过水能力,使管流向为渗流的水动力 条件过渡,为后续水泥浆彻底封堵突水点创造有利条件, 即注浆封堵过程一般分为两步即骨料充填和注浆封堵过 程。骨料充填和注浆封堵一般均采用下行式,但对空间比 较大的突水点和导水通道的封堵,注浆时应采用上形式。 在骨料注入时,应按照技术要求选择合理骨料注入顺序和 配比等参数,必要时应根据堵水方案、现场实验钻孔压水 试验和水泥配比实验等确定的注浆堵水所需参数水固 比,单位注入量、骨料直径、骨料配比、水灰比、水泥浆 比重、注浆压力、注浆结束标准等 , 对主要突水通道进行 计算机数值模拟,以确定骨料的最小粒径。注浆过程中, 为防止堵孔,减少捅孔、扫孔次数,对水力联系密切的钻 孔应适当调整骨料充填和水泥浆注入顺序。注浆工艺可采 取升压注浆、间歇注浆、加固、引流带压注浆和联合注浆 等,也可选择多种注浆工艺相结合的方式。在整个堵水施 工过程中,应加密对观测孔和主井水位的观测工作,及时 调整注浆工艺和顺序。实际上,注浆封堵与骨料充填往往 是相间进行的,注浆前应依据每个注浆段的实际情况,调 整施工参数,以达到比较理想的注浆效果,从而实现对突 水点和导水通道的彻底封堵。 验即对堵水治理效果的检验,主要包括注浆结束时 孔口压力的检验和排水效果的检验。在堵水工作结束前, 应对每个钻孔进行压水实验,依据孔口压力大小确定是否 达到设计标准。堵水工作结束后,除应对主井和奥灰水位 持续进行7～10d的观测工作外,还应进行矿井排水试验, 预计堵水剩余水量验证堵水效果。堵水结束后,施工的奥 灰观测孔应予以保留,作为奥灰水的长期观测孔,为矿井 恢复后矿井防治水工作提供参考。 2 工程实例应用 211 工程实例 2004年10月20日,德盛煤矿1841工作面在掘进工作 面运巷时,发生小面回采滞后底板突水,最大涌水量高达 6430m3/h。由于突水水量远远超过矿井排水能力,致使整 个矿井被淹没。由于突水区域与相邻煤矿间隔离煤柱的完 整性遭到破坏,如不及时治理,可能酿造更大的灾难。邯 郸市人民政府和邯郸矿业集团迅速进行抢险救灾,历经 248d的注浆堵水施工,使井下突水点和导水通道得到有效 封堵,有效地解决了德盛煤矿奥灰特大突水演变成重大灾 害的问题,避免了陶一、陶二等相邻矿井突水灾害的发生。 212 突水治理成套技术的应用 根据德盛煤矿被淹后的实际情况,确定了以查、堵、 截相结合的堵水思想。即采用先封堵突水区域,实施截流 堵源,在大幅度减少出水量的情况下,再对导水通道包括 采空区和隔水底板进行封堵和加固的注浆堵水技术路线。 “ 查 ” 、 “ 找 ” 、 “ 定 ” 、 “ 堵 ” 、 “ 验 ”五字方针贯穿于整个治 理过程中。 在德盛煤矿突水治理过程中,首先经过大量现场调查 及相关钻孔资料分析,查明了突水水源为奥灰岩溶水,突 水通道为出水区域下方的断层。采用边探边堵,探堵结合 的治理方案,通过施工探测孔,确定突水区域的可靠位置, 为特大突水治理技术路线制定奠定了基础;利用大量现场 试验、室内实验及多维数值模拟分析,确定了在动水条件 下注浆堵水的关键技术参数;利用突水区域周围钻孔与Ex - 2孔的关系,采用 “ 围点打援 ”技术方案,采取升压注 浆、间歇注浆、连续注浆、间歇定量注浆、单孔注浆、双 孔同时注浆等联合注浆技术与工艺,进行封堵。同时,利 用铁矿尾矿砂的物理特性,采用注浆泵加压注水泥浆中适 当添加一定比例的铁矿尾矿砂,解决小裂隙骨料充填和注 浆材料问题,最终实现对突水点和导水通道的有效封堵。 注浆堵水结束后,依据1841工作面煤层底板标高和奥灰水 位标高,对孔口压力和排水效果进行检验,通过验收确定 堵水效果达100。 3 结 语 目前面临日益严峻的水患问题和特大突水风险增大的 局面,如何快速高质量地对特大突水通道实施有效封堵是 目前急需解决的重要课题。根据地方煤矿的特点和其本身 的脆弱性,必需科学地制定相应的技术路线和治理方案, 才能实现预期的治理目标。本文所提出的特大突水综合治 理成套技术,不仅在德盛煤矿堵水实践中得到了成功运用, 有效地解决了此次奥灰特大突水演变成重大灾害的问题, 同样适合于国内外条件相似地区煤矿特大突水治理,具有 广阔的应用前景。 参考文献 [1] 陈红,谭慧,祁慧.中国煤矿重大水害事故规律分析[J ]. 中国矿业, 2005, 148 23～261 [2] 赵庆彪,李彩慧,陈立武.小煤矿突水淹井后对大矿威胁的 水患治理[J ]1煤矿安全, 2002, 33 4 18～191 [3] 张现才,王志勋 1大规模注浆治理工作面奥灰突水[J ]1 山东煤炭科技, 2001,4 9～101 [4] 高志刚 1地面注浆堵水充填骨料工艺技术[J ]1煤矿开采, 2005, 104 78～791 [5] 刘小军,谢文明,许克明,等 1复合注浆技术在井下堵水中 的研究与应用[J ]1中州煤炭, 2005,5 11～121 [6] 卢兰萍,缑书宝,白峰青,等 1德盛煤矿奥灰突水点封堵技 术[J ]1煤矿安全, 2007, 38 2 26～271 责任编辑 章新敏 25 生产技术 煤 炭 工 程 2010年第8期