煤矿水害探查与治理技术及发展趋势

煤矿水害探查与治理技术及发展趋势董书宁研究员、博士生导师中煤科工集团西安研究院有限公司11123我国煤矿水害特点煤矿水害隐患探查技术煤矿水害治理技术汇报提纲24煤矿水害探查与治理技术发展趋势1我国煤矿水害特点3阴山构造带川滇构造带昆仑秦岭构造带贺兰山构造带341526西北侏罗纪煤田裂隙水水害区华北石炭二叠纪煤田岩溶裂隙水水害区东北侏罗纪煤田裂隙水水害区华南晚二叠世煤田岩溶水水害区台湾古近纪煤田裂隙孔隙水水害区西藏滇西中生代煤田裂隙水水害区1.我国煤矿水害特点4水害分区主要充水水源水害特点华北底板岩溶水老空水涌、突水频繁，常影响生产或淹井，深部下组煤受奥灰水严重威胁华南顶、底板岩溶水老空水涌、突水频繁，常影响生产或淹井，雨季突水频率高，突水常伴有泥沙东北顶板松散层孔隙水及砂岩裂隙水、老空水部分矿井受地表水、松散层水威胁较重，有时造成淹井事故西北顶板砂岩裂隙水老空水总体缺水，少部分矿井受地表水、老空水威胁较大西藏滇西及台湾煤炭储量占比较小，水文地质条件较简单，富水性弱，总体水害不严重1.我国煤矿水害特点近年来，煤矿重大水害事故数量及死亡人数总体呈下降趋势，但仍造成重大的经济损失和人员伤亡1.煤矿水害的特点6601002003004005006007000204060801001201401601802000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015死亡人数（人）事故起数（起）年份事故起数（起）死亡人数（人）2000～2015年全国煤矿水害事故起数与死亡人数统计图据统计，近五年发生的16起重大水害事故中，老空水害事故14起，占87.5%。72011~2015年重大水害事故类型统计柱形图1.煤矿重大水害的特点72煤矿水害隐患探查技术82.煤矿水害隐患探查技术99老空水探查技术及方法10102.1老空水物探探查技术2.煤矿水害隐患探查技术11112.1老空水物探探查技术2.煤矿水害隐患探查技术12122.1老空水物探探查技术2.煤矿水害隐患探查技术13132.1老空水物探探查技术040801201602002402803203604004404801000105011001150234567891011121314151617181920212223242526距离(m)高程(m)测点9煤12煤8煤N56W异常225354555657585951051151252.煤矿水害隐患探查技术14142.1老空水物探探查技术掘进工作面直流电法超前探测2.煤矿水害隐患探查技术15152.1老空水物探探查技术2.煤矿水害隐患探查技术16162.1老空水物探探查技术110100908070605040302010020101回风巷L2L1L32.煤矿水害隐患探查技术2.煤矿水害隐患探查技术2.2底板水（导水通道）——地面高密度全数字地震勘探高密度全数字三维地震常规三维地震18182.煤矿水害隐患探查技术2.2底板水（导水通道）——地面高密度全数字地震勘探1919坑透、槽波、2.2采煤工作面构造探测—槽波地震勘探2.煤矿水害隐患探查技术60080010006008001000-600-400-600-4001016192124273036查庄矿7507工作面注浆后音频电透视CT分析图材料下山机巷N对工作面底板注浆改造后，矿井音频电透视CT分析认为：原纬距850…1000m间的异常已消失。说明该处底板破碎已注浆、加固完好。而在停采线附近发现有次级异常，建议开采时引起注意。结果回采时，中部地段顺利、安全通过。而采至停采线附近的小异常处，出水30t/h.说明矿井音频电透视CT分析可作为工作面顶、底板注浆、改造效果检测的主要物探方法。煤炭科学研究总院西安分院制图曾方禄l时间1996年10月电话[phone](矿井音频电透视CT简报材料4）7号煤砂岩、泥岩(10-15m)四灰(5-9m)突水：Q=30t/h60080010006008001000-600-400-600-4001316192124273038材料下山机巷查庄矿7507工作面注浆前音频电透视CT分析图NQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q11Q12Q13Q141号异常2号异常3号异常断层1音频电透视CT分析有三个异常区，其底板相对破碎并富水。建议采前打钻放水并注浆加固底板。2打钻放水情况为：异常区内钻孔出水量大于70t/h,而异常区外的钻孔出水量一般小于40t/h.证实了音频电透视探测采面内部底板内导水、含水构造的有效性。放水孔出水情况（t/h)Q1=150Q2=125Q3=75Q4=70Q5=60Q6=69Q7=38Q8=87Q9=75Q10=130Q11=60Q12=120Q13=40Q14=40煤炭科学研究总院西安分院制图曾方禄时间1996年10月电话[phone](矿井音频电透视CT简报材料3)7号煤砂岩、泥岩四灰2.2煤层底板下富水异常区探测—音频电透视治理前治理后2.煤矿水害隐患探查技术2040608010012014016018020022024026028030032034036038040042044046048050052054056058060020406080100120140160180200220240260280300320340360380400420440460480500520540560580600-160-140-120-100-80-60-40-20-160-150-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10-150-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1004线——地面直流电法视电阻率低阻异常剖面图（比例尺：1：1000）90°31线20线F3黄陵矿业集团有限责任公司黄陵一号煤矿300、402工作面及相邻区域水文地质条件探查直流电测深剖面图图192煤切眼低阻含水层导水通道采动38m后顶板影响高度黄陵一号煤矿402工作面富水性探测2.煤矿水害隐患探查技术2.3煤层顶板水探查—井下直流电法陕西铜川照金煤矿4.25突水溃沙事故2016年4月25日，陕西铜川照金煤矿202工作面回采过程中发生突水溃沙事故，造成11人死亡。2.煤矿水害隐患探查技术XZ平面地面检波器孔中检波器井下检波器2.3煤层顶板两带微震监测2.煤矿水害隐患探查技术3煤矿水害治理技术242010年3月28日，华晋焦煤有限责任公司王家岭煤矿在20101回风巷掘进时，因老空区积水情况未探明，防水煤柱失效导致老空区透水事故，造成38人死亡、115人受伤。造成38人死亡老空透水案例1）老空水害超前治理3.煤矿水害治理技术3.1超前治理老空水害特点多数是由矿井周边小窑遗留下来的；数量、位置、分布范围、积水情况不清楚；探测难度大难以疏放彻底261）老空水害超前疏放3.煤矿水害治理技术3.1超前治理1）老空水害超前疏放井下探放老空水示意图老空水超前探放3.煤矿水害治理技术3.1超前治理探放老空水前，应当首先分析查明老空水体的空间位置、积水量和水位（压）探放水孔应当钻入老空水体，并监视放水全过程，核对放水量，直到老空水放完为止超前探放距离不得小于30m止水套管长度不得小于10m老空水探放要求探水钻孔的超前距、帮距和允许掘进距离示意图当钻孔接近老空时，预计可能发生瓦斯或者其它有害气体涌出的，应当设有瓦斯检查员或者矿山救护队员在现场值班，随时检查空气成分1）老空水害超前疏放3.煤矿水害治理技术3.1超前治理平朔矿区东坡矿913工作面掘进巷道按照“一查一震两电一钻”的工作流程，在掘进前方68m处探测出积水巷道，打钻放出20万m³积水，避免了一次透水淹井事故直流电法超前探测成果图总放水量20万m3积水老空巷道913工作面掘进巷道积水老空巷道异常区（66～70m）913工作面8m68m掘进面1）老空水害超前疏放—工程实例3.煤矿水害治理技术3.1超前治理301984年6月2日,开滦范各庄矿2171工作面第一次发生了煤层底板奥陶纪灰岩岩溶陷落柱突水灾害。突水高峰期平均涌水量为2053m3/min，造成重大损失；2003年4月12日，河北金牛能源东庞矿在2903工作面掘进过程中发生了2#煤层奥灰陷落柱突水灾害；2014年7月27日峰峰集团梧桐庄矿底板隐伏陷落柱突水灾害等底板突水案例2）底板岩溶水害超前治理3.煤矿水害治理技术3.1超前治理底板岩溶水害特点煤层底板灰岩含水层地下水在矿井采掘过程中通过天然（断层、陷落柱）或人为扰动（采掘扰动裂隙）的导水通道进入矿井并造成灾害。突水水源：主要为煤层底板灰岩（薄层灰岩、厚层奥灰）含水层突水通道：断层、陷落柱、采掘扰动裂隙等高水压、大流量、补给充沛312）底板岩溶水害超前治理3.煤矿水害治理技术3.1超前治理以穿层钻孔方式施工，有效孔段短，盲区范围大可靠性差，不能有效预防岩溶水害事故常规注浆改造示意图有效段穿层钻孔陷落柱陷落柱盲区(a)剖面图(b)平面图常规钻进及注浆改造底板含水层2）底板岩溶水害超前治理3.煤矿水害治理技术3.1超前治理井下定向钻进及注浆改造（加固）底板含（隔）水层33特点：无效孔段短，盲区小应用：焦作赵固一矿、韩城桑树坪矿等2）底板水害超前治理3.煤矿水害治理技术与装备3.1超前治理定向钻孔最大孔深：687m；注浆量总计：17275m3；岩石普氏硬度:平均:6.56；13个注浆效果检查孔涌水量:0.2~3m3/h，平均:1.6m3/h。工程实例—赵固一矿定向钻进煤层底板加固342）底板岩溶水害超前治理3.煤矿水害治理技术3.1超前治理3105综采面A钻场B钻场A-1B-1B-22-12-21-21-31-11-43-23-33-1A-2C钻场C-12#钻场1#钻场3#钻场15m30～35m16.8m工程实例—韩城桑树坪矿奥灰顶部定向钻进注浆改造353.煤矿水害治理技术3.1超前治理地面超前区域注浆改造底板灰岩含水层特点：地面施工定向分支钻孔，一主孔，多分支地面注浆，实现超前、区域治理水患可适用于硬度大、水压高的灰岩地层钻进应用：峰峰九龙矿、淮北朱庄矿2）底板岩溶水害超前治理3.煤矿水害治理技术3.1超前治理朱庄矿Ⅲ采区多个工作面发生200-400m3/h涌水，严重影响安全生产。采用地面超前区域治理技术后，工作面最大涌水量5m3/h，实现了安全回采朱庄矿Ⅲ采区区域改造钻孔布置图改造前富水区（蓝色）区域改造前后物探探查成果图F1断层4#钻场1#钻场Ⅲ632工作面Ⅲ634工作面Ⅲ636工作面Ⅲ638工作面F2断层F3断层2#钻场D2D4D3D1改造后富水区消失工程实例—朱庄矿地面区域治理3.煤矿水害治理技术3.1超前治理地面径向射流造孔注浆改造灰岩含水层220m110m120°径向射流造孔速度快（灰岩中100m仅需要10多分钟），与注浆工程衔接良好。在冀中能源集团邢台矿开展示范工程。38引进美国技术装备，原用于石油部门2）底板岩溶水害超前治理3.煤矿水害治理技术3.1超前治理39邢煤西井地面区域治理工程布置序号推进日期平均推进距离（m）突水前涌水量m3/h最大突水量m3/h稳定涌水量m3/h持续时间（h）12009.11.0346.51521213515022009.11.21561351817120332010.03.03112.5907931087042010.03.25186108300017840红柳1121工作面离层透水过程离层水探放钻孔平面图离层水探放钻孔剖面图3.煤矿水害治理技术3.1超前治理3)顶板离层水害治理技术携袋钻进双液注浆孔底混合袋内固结抛袋分离在水量较大、水流较快时，这种方法不但可以快速封堵巷道，而且可以节省大量的浆液动水大通道突水钻孔控制注浆封堵技术411）快速复矿（封堵巷道）3.2灾后治理3.煤矿水害治理技术与装备过水通道底部淤积现象高压