煤矿突水点井下动水注浆封堵技术

煤矿突水点井下动水注浆封堵技术研究与应用煤矿突水点井下动水注浆封堵技术研究与应用一、概况1、华北型煤田存在的水文地质问题华北型煤田是我国石炭二叠纪聚煤期形成的重要煤田，面积约110多万km2，煤炭年产量占全国原煤产量的60％以上。在我国能源工业中占有举足轻重的位置。华北型煤田目前开采的主要是石炭二叠系煤层，在煤系地层中分布有数层石炭系薄层灰岩（以下简称为薄灰），其下为巨厚的奥陶系灰岩（以下简称为奥灰）。由于奥灰含水层溶洞和裂隙发育，富水性极强，加上断裂构造复杂，使得煤层回采过程中，受到严重的岩溶水害威胁。①矿井突水频繁突水量大且时刻受到特大型突水的威胁按照水文地质条件的差异及复杂程度，我国共划分为6个煤矿水害区（图1－1），最为严重的煤矿水害主要分布在华北和华南区，其中以华北地区尤为突出。据统计，华北地区从1956年到2003年共突水2000余次，淹井250余次，死亡近两千人，直接经济损失近百亿元。河南煤田位于华北型煤田南端，同样受底板灰岩的水害威胁。最近几年，义煤新安煤矿、巩义市西村镇西洼煤矿、郑州煤电集团弋湾煤矿新平井、伊川县奋进煤矿黄村分矿等相继发生突水淹井事故，造成了重大的人员伤亡和经济损失。国家投资40亿元的永城煤电集团，目前矿井涌水量已达到矿井设计排水能力，矿井安全受到严重威胁。图例：（1）华北石炭二叠纪煤田的岩溶——裂隙水水害区；（2）华南晚二叠纪煤田的岩溶水水害区；（3）东北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；（4）西北侏罗纪煤田的裂隙水水害区；（5）西藏、滇西中生代煤田的裂隙水水害区；（6）台湾第三纪煤田的裂隙——孔隙水水害区图1-1我国煤矿水害分布图②水害压煤数量大我国是煤矿水害“压煤”最多的国家，全国统配煤矿共601处，受水威胁的矿井285处，占47.5％。受水害威胁导致不能开采的煤炭上百亿吨，占总储量的31.7％，“压煤”数量巨大。在华北煤田中的一些大水矿区,受水威胁的煤炭储量竟高达矿井总储量的45%以上。③经常性涌水量大、排水费用高华北型煤田各大水矿区经常性涌水量一直居高不下，由此导致排水量大、排水费用高。不但提升了煤炭成本，而且浪费了宝贵洁净的地下水资源。全国每年用于排水的费用高达50多亿元，河南省年排水费用也高达3亿多元，焦作矿区年排水费用为8000万元。此外，经常性大流量排水使矿井排水系统处于极限运行状态，时刻威胁着矿井和矿工生命的安全。2、焦作矿区水文地质问题①受水威胁储量巨大，水害压煤严重焦作矿区受水威胁储量约60132.6万吨，目前仅解放4685.0万吨，尚有92.2％约55447.6万吨的储量等待解放。特别是位于石炭系薄层灰岩下的一5煤（储量9462万吨）的局部，一2煤（储量27909万吨）的全部，总计37371万吨，受水威胁最为严重，不能正常开采。②矿井经常涌水量大、排水费用高、经济负担重焦作矿区是全国著名的水大矿区之一，历年来曾发生1.0m3/min以上的突水500余次，其中10m3/min以上的突水72次，最大一次突水320m3/min。全区总涌水量高达400～500m3/min。突水后造成淹采区14次，淹井17次，经济损失达3亿多元。随着排水量的增加及电价的提高，2003年焦作煤业集团公司所属的8对生产矿井，总涌水量达282m3/min，排水费用高达8000万元，吨煤排水电费高达20～30元。3、焦作矿区水害防治理论及技术研究现状针对上述严重的水害威胁状况，焦作矿区除了正常留设底板隔水岩柱外，自上世纪50年代还投入了大量的人力物力，开展了一系列的防治水理论研究工作并采取了多种防治水措施。①浅部帷幕注浆截流图1-2九里山矿浅部截流工程平面图焦作煤田总体为一单斜构造，在地层浅部隐伏露头附近，各含水层通过第四系底砾岩发生密切的水力联系，浅部帷幕注浆截流（图1-2）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。如九里山矿一二采区浅部帷幕注浆，共注入砂子2332.48m3，水泥2477.07吨，而矿井涌水量仅减少6～7m3/min。这说明L8灰岩补给范围广，补给量大，局部截流是难以根治水害的。②疏水降压强排图1-4九里山井底大泵房由于焦作矿区水文地质条件复杂，水害威胁严重，突水频繁，多年来在同地下水害斗争中各矿均建立了坚强的防排水阵地，任凭突水发生，有水就排，全矿区总涌水量最大时曾达到598m3/min。为了满足大流量的排水要求，各矿井的泵房越建越大（图1-4）。如九里山矿总排水能力达278m3/min，水仓总容积18470m3。当矿井涌水量达到104m3/min时，西翼采区L8灰岩水位只下降20m，仍不能从根本上摆脱地下水的威胁。③地面钻孔注浆封堵突水点当地下水长期排量不减，严重威胁矿井安全时，必须对一些大的突水点进行注浆封堵。以往注浆堵水主要在地面通过打钻注浆进行，1958年以来，焦作矿区共进行地面注浆堵水42处，总堵水量1452.95m3/min，恢复被淹矿井11对。可以看出地面打钻注浆封堵突水点在抢险救灾、恢复被淹矿井、封堵大突水点等方面是十分重要的，经济效益也是十分明显的。但是由于注浆堵水只解决了点的问题，因此地面打钻封堵突水点也难以从根本上解除水害威胁。综上所述，以前所采取的多种防治水措施，虽然取得了一定的成效，但很难从根本上消除水害威胁。近几年来我们的防治水指导思想发生了变化，由过去的被动防水转变成现在的主动治水，煤层底板含水层注浆改造技术在焦作矿区的成功应用，为井下突水点注浆封堵提供了有利条件，消除了大的水害隐患，实现安全生产。为了减少矿井排水、降低煤炭成本、获得好的经济效益，在搞清水文地质条件的基础上，选择技术上可靠有效、工程量小、投资少的注浆堵水技术是当今水害防治工作的需要，通过综合调查分析研究，认为在井下进行突水点注浆封堵是有效的。4、实施井下动水注浆的必要性和可行性①煤矿突水点井下动水注浆封堵的必要性A、减少矿井排水，相对增加矿井抗灾排水能力集团公司各生产矿井涌水量大，矿井排水压力较大，一旦发生新的突水，就有可能发生淹采区、淹矿井的恶性事故，实施井下突水点动水注浆封堵后，减少了矿井排水，相对地增加了矿井的排水能力，提高了矿井的抗灾能力。B、改善生产环境，提高生产效益集团公司所属生产矿井由于涌水量大，突水点多，造成井下巷道水沟大，从而减少了巷道运输空间和通风断面，回采工作面如果发生较大突水，往往造成工作面运输巷水流较深而无法运输，造成工作面停产，生产环境恶化。因此，应用井下突水点动水注浆技术快速封堵突水点后,改善了生产环境，为综合机械化开采提供条件,提高生产效率。C、解放受水威胁储量，减少煤炭资源损失集团公司平均煤厚6m左右，一般分三层开采，顶层工作面在回采时,如果发生较大突水，则该工作面只能放弃回采被迫改造，剩余煤炭储量只能作为水文地质损失报损。D、降低排水费用原有老突水点大多接受深部L2、O2含水层补给，起不到疏水降压作用而成为无效排水；或者原有的放水孔在开采期间起到了疏水降压的作用，工作面回采结束后已不起疏水降压作用而成为无效排水，对这些无效突水点应用井下突水点动水注浆技术实施井下封堵后，可大大减少矿井的排水量，从而极大地节省了排水电费。E、工程量少，费用低大部分小突水点和分散突水点在地面没有办法进行封堵，这部分突水点的总涌水量占矿井总涌水量的80％以上。而在井下对上述小突水点和分散突水点进行注浆封堵，则具有注浆孔浅，工程量少，命中率高，费用低等优点。②突水点井下动水注浆封堵的可行性A、各矿井水文地质条件已经查明，有利于井下封堵突水点。经过几十年的开采，上千次的突水，历经《华北型煤田奥灰岩溶水综合防治工业性试验》的两期工业性试验阶段，各矿井水文地质条件已经查明。此外各矿井下突水点均建立有详细的突水点资料，为开展煤矿井下突水点动水注浆封堵技术的研究提供了准确的资料。B、煤层底板含水层注浆改造技术为突水点井下动水注浆封堵创造了有利条件集团公司已有多个矿井实施煤层底板含水层注浆改造开采，为井下快速封堵突水点提供了新型注浆材料和井下钻探技术。水泥粘土浆实现了注浆材料的新突破，不但注浆成本低，材料来源广，而且浆液流动性好，充填效果好，确保井下快速封堵突水点经济可行。C、强大的专业注浆队伍是井下封堵突水点的有力保障在长期的治水过程中，锻炼了一支技术过硬的注浆专业队伍，完成堵水工程近百次，恢复被淹矿井25对，是确保实施井下突水点注浆封堵技术应用的有力保障。二、矿区水文地质特征1、概况焦作矿区位于华北型煤田南端，太行山南麓，矿区北部山区出露约1800km2的奥陶系灰岩，接受大气降雨补给，据计算补给量15m3/s,奥灰岩溶水含量十分丰富。在焦作的东部辉县地区、太行山山前出露老地层为隔水层，西部济源地区山前亦出露老地层为隔水层，仅焦作40km长的山前为奥灰含水层，形成了山西奥灰岩溶水流入焦作的大通道，是焦作矿区水大的原因所在。目前矿区开采的煤层主要是二叠系山西组二1煤（俗称大煤），受矿区断层影响，极可能造成奥灰突水淹井。2、煤系地层与含水层本地区出露的地层有太古界、远古界震旦系，下古生界寒武系、奥陶系、上古生界石炭系、二叠系、中生界三迭系、新生界第三系及第四系。①煤系地层本区煤系地层为石炭、二叠系，共有3个主采煤层，其中二1煤位于二叠系山西组地层的底部，煤层厚度5～6m，在全区广泛分布，厚度稳定，为目前矿区的主要开采煤层。②主要含水层A、第四系砂砾层孔隙含水层组第四系地层主要由砂、粗砂、砾石和粘土等松散冲积和洪积物组成(图2－1),呈层状分布。对矿井开采影响不大。B、二叠系砂岩裂隙含水层组本区二叠系地层为坚硬、半坚硬砂岩、粉砂岩和页岩互层，厚度为0～600m。对矿井开采影响不大。C、石炭系灰岩岩溶裂隙含水层组本区石炭系地层为石灰岩、砂岩、粉砂岩、页岩和煤层互层，厚度为90～100m，含水层以第二层灰岩（简称“二灰”，L2）和第八层灰岩（简称“八灰”，L8）为主，厚度较大且分布稳定，具有较强的充水作用，是本矿区的主要充水含水层。D、奥陶系岩溶裂隙含水层组奥陶系地层为厚层状石灰岩、泥灰岩和白云质灰岩互层，厚400米左右，为煤系地层的基底，是本矿区的最主要含水层。图2-1矿区煤系地层综合柱状图三、突水点井下动水注浆封堵设计1、注浆系统设计①地面注浆系统A、注浆站位置的确定a、注浆站距井下注浆工作面的距离，最远不得超过3.5km。b、要求供水充足，运输畅通，供电和通讯方便。c、注浆站的面积1000～1500m2。B、注浆站土建工程注浆站由储土棚、粗浆池、精浆池、一搅池、二搅池、散装水泥罐平台、注浆棚、清水池、输浆孔等土建工程构成（见图3-1）。C、主要设备皮带输送机、NL12型制浆机、杂污泵、净化器、粘土浆搅拌机、散装水泥罐、水泥计量斗、泥浆泵。图3-1注浆站示意图图3-2水泥配置系统示意图D、注浆工艺流程注浆工艺流程如下图粘土皮带运输机N12型制浆流量计清水过滤粗浆池旋流净化器精浆池测试测试散装水泥水泥计量仪一次搅拌池测试二次搅拌池泥浆泵送料孔输浆管路受注层图3-3造浆及注浆工艺流程图②井下注浆站A、位置确定在井下建设注浆站，应考虑下列因素：运输方便，通风良好，供水、供电及通讯方便，有足够的建站空间，施工时不影响其他生产。B、土建工程井下注浆站由于受环境条件限制，土建工程较简单，主要有储料场和浆液池组成。储料场顺巷道布置，长度根据巷道情况而定，应能满足储料需要，平整干净。浆液池有两个，水泥造面。C、设备井下注浆站主要设备有：制浆机、注浆泵。D、注浆工艺流程（见图3-4）图3-4注浆工艺流程图2、井下注浆堵水方案的确定煤矿突水点井下动水注浆封堵就是在井下对正在涌水的突水点进行注浆封堵。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、通过施工注浆孔注浆堵水和建止浆垫注浆堵水泥搅拌机浆池注浆泵注浆孔清水水玻璃水。根据突水点的突水水量，