水灾防治(第11章)

矿井水灾防治第十一章

煤层底板注浆加固技术第一节概述华北及华东地区二叠纪下统山西组的二1煤普遍发育，煤层赋存稳定，厚度大，储量丰富，煤质好，经济价值高，开采条件好，是许多矿区的主要开采煤层之一。太原组上段L7~8灰岩，下段L1~4灰岩。L7~8灰岩水是开采二1煤的直接充水水源，岩溶裂隙发育，含水丰富，如果没有其他水源补充，L7~8灰岩突水量一般在300m3/h左右。L1~4灰岩中间夹有一1、一2、一3、一4四个薄煤层，煤层和灰岩顶板直接接触。几层灰岩厚度相对较大，岩溶裂隙发育，含水丰富，是开采二1煤的第一间接充水水源。如果与L7~8灰岩之间有水力联系，可以直接补充L7~8水，突水量一般在500~1000m3/h之间。奥陶系灰岩厚度大，溶隙、溶槽、溶洞发育，富水性强，是开采二1煤的第二间接充水水源。一旦遇到断裂构造，与L1~4灰岩、L7~8灰岩及二1煤层之间发生水力联系，突水量可高达1000~10000m3/h。由于灰岩水的补给属侧向补给，补给范围很广，所以二1煤底板水属于动储量，一旦发生突水，水量大、水压高，难以疏排，轻者给煤矿造成经济损失，重者造成重大的人身伤亡事故。寒武系灰岩的含水性相对较弱，以溶洞水为主。华北部分地区缺失奥陶系地层，寒武系白云质灰岩直接与本溪群、太原群地层呈不整合接触，开采过程中偶尔发生溶洞突水，突水量最高达30000m3/h。二1煤下部地层有几个含水性很强的灰岩岩溶含水层：太原组薄层灰岩含水层奥陶系灰岩含水层寒武系灰岩含水层在二1煤层与几个含水层之间有几个良好的隔水层，发挥了很好的隔水作用。１）二1煤底板至太原组灰岩之间的海相泥岩和砂质泥岩隔水层岩性致密均匀，隔水性能好，华北和华东地区普遍发育。海相泥岩的厚度和致密程度决定其隔水性能，河南郑州矿区海相泥岩厚度为8~12m，焦作矿区20~23m，鹤壁矿区30~40m，永城矿区50m，海相泥岩越厚，隔水性能越好。３）本溪组地层主要是铝土质泥岩、砂质泥岩、泥岩，夹有煤线和黄铁矿、赤铁矿薄层，如果本溪组地层较厚，可有效阻隔奥陶系与L1~4灰岩之间的水力联系。２）太原组中段的砂质泥岩隔水层它起到了阻隔L1~4灰岩与L7~8灰岩之间水力联系的作用。人们希望三个良好的隔水层能有效地阻隔二1煤底板突水，但这仅是个美好的愿望，在煤矿生产建设过程中，二1煤底板突水事故不断发生。尤其是回采工作面底板突水及工作面后方采空区底板滞后突水，水量大、水压高，轻者淹没工作面，重者淹没整个采区，给矿井安全生产带来很大影响。近年来，回采工作面底板突水事故呈上升趋势，究其原因有以下几点：①二1煤底板海相泥岩地层太薄，不足于抵抗底板突水压力。②回采工作面前后方煤层底板受矿山压力扰动，破坏了底板隔水层的完整性，降低其强度，弱化其隔水性能。③煤层底板岩层中存在有裂隙、溶隙、断层、陷落柱等，沟通了含水层与二1煤层之间的水力联系。④开采深度越来越大，承担的水压越来越高，突水的概率增高，突水量也相对增大。⑤采煤方法不正确，巷道布置不合理，回采工艺不对路，不利于底板水的防治。⑥水文地质工作不到位，防治水措施不得力，没有认真贯彻执行“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水方针。⑦防治水安全投入不够，矿井排水能力不足，防治水工程不完善。2001年肥城矿区首先提出对二1煤底板进行注浆加固的方案：在回采工作面上、下顺槽及开切眼准备出来之后，先用直流电法仪或瞬变电磁仪对回采工作面圈定范围内煤层底板含水层进行超前探测，找出可能发生突水的局部区域（低阻区）在上、下顺槽向低阻区上方海相泥岩打钻在地面建立注浆站，通过输浆管路与钻孔孔口管上的高压闸阀连接，注浆加固海相泥岩，充填其涌水通道，防止开采期间回采工作面及其后方采空区底板突水。近几年来，焦作矿区、永城矿区、郑州矿区也相继采用了这一技术，并取得了成功，这一技术有着广泛的推广应用前景。第二节

注浆加固层位的确定①岩层厚度应大于由于矿山压力向底板中传播所形成的破碎带厚度。②加固地层可注性强，浆液可在地层中大面积扩散，在高压注浆条件下不跑浆，浆液利用率高。③加固以后可有效改变底板岩层的物理力学性质，提高其强度和隔水性能，有效防止底板突水。④在井下布置钻场方便，辅助工程量小，注浆钻孔钻进工程量小。为了保证注浆加固煤层底板的防治水效果，必须首先确定加固哪一个层位。如果加固层位距离煤层太近，在注浆过程中可能会出现大量跑浆，浪费注浆材料，达不到加固目的；加固层位距离煤层太远，钻孔工程量大，技术经济不合理；加固层位太薄，加固后其强度仍然不足以抵抗水的压力；加固层位太厚，可能会消耗更多的注浆材料，费工费时，影响回采进度。合理的加固层位应该是：一、回采引起底板岩层形成破碎带厚度的确定（一）理论计算法（二）巷道观测（三）钻孔透视法（四）钻孔电视法二、注浆加固底板层位的确定二1煤底板海相泥岩底与太原组地层呈整合接触，是注浆加固煤层底板的首选层位。选择这一层位需要考虑以下几个方面的因素：1.二1煤底板海相泥岩的厚度通过计算和矿压观测，支承压力对底板的强烈扰动深度为20~30m。因此，海相泥岩厚度大于30m才能选择加固这一层位，否则即使海相泥岩得到了加固，也不能实现阻止底板突水的效果。2.加固区域是否有采空区注浆加固煤层底板施工时注浆站是在地面设置，由于注浆站与受注地点高差比较大，浆柱压力很高，一般属高压注浆。如果加固区域有采空区，浆液就有可能向采空区扩散。尽管消耗了大量的注浆材料，仍然达不到注浆加固的预期效果。3.采空区与注浆加固区域的相对位置如果采空区与注浆加固区域距离较远，可以不考虑采空区的影响。（一）加固二1煤底板海相泥岩（二）加固太原组上段薄层灰岩如果二1煤底板泥岩的厚度太薄，应选择加固太原组上段薄层灰岩。与加固泥岩底板相比，有其明显的优越性，主要表现在以下几个方面：①直接充填薄层灰岩岩溶裂隙，从根本上治理薄层灰岩突水。②可以将太原组上段薄层灰岩由含水层变为隔水层，增加了二1太原组上段薄层灰岩煤底板隔水层的厚度，增强抵抗L1~4灰岩和奥陶系灰岩突水的能力。③岩溶裂隙发育，可注性强，容易实现预期的注浆加固效果。④灰岩强度较大，能够承受较高的注浆压力，注浆过程中失浆量少，不易发生底鼓现象。（三）加固太原组中段隔水层选择注浆加固太原组中段隔水层的主要是郑州矿区。该矿区二1煤泥岩底板厚度仅有8~12m，太原组上段L7~8灰岩厚度8~10m。如果加固L7~8灰岩，由于距离煤层太近，注浆压力又比较大，注浆过程中跑浆现象严重，局部出现底鼓，达不到预期的加固效果。将钻孔打到L5~6灰岩，增加止浆层厚度和强度，可有效控制跑浆，提高浆液利用率。第三节

底板注浆加固方案的确定一、注浆加固时机与顺序的选择选择加固底板的时机必须贯彻“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，注浆加固底板的时机应选择在回采工作面上、下顺槽和开切眼掘进完成之后进行。先用直流电法或瞬变电磁法对煤层底板进行一次全面的水文地质物理探测，圈定回采工作面推进范围内的低阻区，然后根据低阻区的分布进行注浆加固方案设计。二、煤层底板水文地质预测预报煤层底板水文地质预测预报的目的：查明推进范围内煤层底板的水文地质情况，找出发生底板突水的可疑区，然后针对可疑区采取有效措施。由于水是良好的导电体，电阻率很低，多数岩石是半导体，电阻率很高，所以目前采用最多的预测预报方法是直流电法和瞬变电磁法。（一）采用直流电法仪进行煤层底板水文地质预测预报直流电法仪运用直流电法仪采用三极交汇法进行掘进工作面超前水文地质预测预报，同样也可以运用直流电法仪，采用四极对称法进行回采工作面超前水文地质预测预报。采用四极对称法可以探测煤层底板60~100m范围内的水文地质情况，这一深度对华北多数矿区来说，均可以了解到L7~8灰岩的富水情况，有些地区二1煤底板泥岩较薄，可以探测到L1~4灰岩甚至于奥陶系灰岩的富水情况。四极对称法：图11-1某矿28031（B）工作面煤层底板36m以深直流电法探测结果平面图（二）采用瞬变电磁仪进行煤层底板水文地质预测预报1.瞬变电磁仪工作原理瞬变电磁法：利用不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次涡流场，从而探测介质电阻率。探测原理：当发射回线中电流突然断开后，地下介质激励起感应涡流场以维持在断开电流以前存在的磁场，此二次涡流场呈多个层壳的“环带”型，随着时间的延长在发射回线附近介质逐步向下及向外扩展，不同时间到达不同深度和范围。二次涡流场极大值沿着与发射回线平面成30°倾角的锥形斜面向下、向外传播，感应涡流场在探测面引起的磁场为整个“环带”各个涡流层的总效应，此效应可以简单的用不同时间逐步向外及向下扩散和电流环（称之为“烟圈”）相等效，“烟圈”沿47°倾斜锥面扩展。二次涡流场的表现与地下介质的电性有关，所以通过观测二次涡流场就可以了解地下介质的电阻率分布情况。图11-2瞬变电磁半空间探测原理示意图接收线圈发射圈观测面T1T2T3高校采用TEM47HP型瞬变电磁井下探水系统，并获得了成功应用。TEM47HP是加拿大Geonics公司专门生产的井下探水瞬变电磁系统，也叫PROTEM47HP。其组成包括：图11-3TEM47HP井下探水系统的组成TEM47HP发射机高频接收线圈接收机可调节角度的井下多匝发射线圈同步电缆①PROTEM数字接收机②TEM47HP发射机③高频接收线圈④可调节角度的井下多匝发射线圈⑤TEMB全空间正、反演软件设备的工作原理:根据探测目标将井下多匝发射线圈安置在合适的位置上，将高频接收线圈安置在距发射线圈5～10m的位置上，TEM47HP发射机向多匝发射线圈发送脉冲电流（频率可选）产生一次场。该一次场向探测目标体扩散，当遇到探测目标体时则产生二次场，即瞬变电磁场。该瞬变电磁场在高频接收线圈中产生感应电压并由PROTEM数字接收机接收和进行初步处理。

TEMB全空间正、反演软件是对数字接收机接收到的瞬变电磁场数据进行全面处理和反演解释，并给出探测目标体的位置、形状和电阻率等参数。（1）TEM47HP井下探水系统的组成（2）井下瞬变电磁法的装置结构①重叠回线装置②中心装置③共面偶极装置④共轴偶极装置图11-4剖面探测装置方式TxRx③共面偶极装置TxRx④共轴线偶极装置TxRx②中心装置左侧帮探测方向>5m巷道掘进头右侧帮Tx发射线圈Rx接收线圈图11-5巷道掘进头TEM超前探测装置方式右侧帮左侧帮θ2θ1正前方β1β2图11-6巷道掘进头超前探测方式与探测范围θi－探测方向为前方偏左θi角度；βi－探测方向为前方偏右βi角度（3）技术指标2.巷道掘进头超前探测应用实例图11-7第一次初探结果图11-8第二次初探结果图11-9第三次初探结果图11-10第四次初探结果图11-11第五次初探结果（1）对巷道掘进头的超前探测（2）在巷道内探测采区煤层底板储水构造图11-12倾向探测导水断层图11-13圈定工作面回采时易突水地段图11-14圈定放水（疏水降压）孔位置图11-15煤层底板含水层注浆改造前、后效果对比（3）探测巷道下方储水构造图11-16偶极方式图11-17偶极方式图11-18储水构造成像三、注浆加固方案注浆系统注浆方式注浆材料注浆参数注浆顺序注浆技术措施等。工作面概况工作面底板岩层水文地质分析钻场布置钻孔结构钻孔施工顺序钻孔施工技术要求回采工作面底板注浆加固方案设计的主要内容包括：（一）工作面概况说明：回采工作面位置、技术参数煤层赋存特征底板岩性采煤方法煤层底板标高地面标高及相关生产系统等情况。（二）工作面底板岩层水文地质分析①说明煤层底板直接充水含水层、间接充水含水层的岩性、强度、厚度、节理裂隙发育程度、含水性、导水性、水头高度、水压、补给水源、补给与季节的关系及其与煤层之间的相对位置。②说明煤层底板直接隔水层、间接隔水层的岩性、厚度、节理裂隙发育程度、强度、隔水性能及与煤层之间的相对位置。③说明回采范围内的地质构造，分析断层、裂隙的含导水性，各含水层之间的水力联系等。④介绍煤层底板水文地质预测预报的主要结论，结合本矿在过去生产中水灾事故特点，分析有可能发生底板突水的主要区域，突水强度、突水量预测等。（三）注浆加固范围及加固层位的确定分析注浆加固、改造底板隔水层的必要性，确定注浆加固总体方案，包括：加固范围和加固层位、加固工程量、辅助工程量、辅助工程位置、需要的钻场数量、钻孔数目、注浆系统、工程工期、工程进度、施工组织等。根据高压注浆堵水加固工作原理，选用先进合理的技术路线，以“堵源截流、阻堵结合、加固底板”为原则，采用先简单、后复杂，先骨料后单液，最后采用双液浆的注浆顺序，保证注浆加固，改造底板的目的。（四）钻场布置钻场位置应选择顶板较完整的地段，尽可能不影响工作面上下顺槽中的设备运行。合理设计钻场巷道断面，为了避免钻场巷道断面过大，钻场内钻孔可全部设计为斜孔。钻巷断面规格一般为：长×宽×高=5m×3m×3m钻巷的支护锚网支护、金属棚子支护。尽量减少钻场数量，合理安排钻孔施工顺序。（五）注浆孔布置原则①根据低阻区分布范围合理设计钻孔的位置和数目，钻孔的孔径一般要大于Φ75mm，浆液扩散半径按30m计算。②尽量增加钻孔揭露含水层的面积，确保注浆效果。③钻孔设计方向要尽可能多的穿越断层带和裂隙，使钻孔能大面积地揭露含水层。④在断层交叉、尖灭、拐弯处、工作面初次来压、周期来压显现地段、煤柱、以及褶皱轴都要尽量多布置钻孔。⑤钻场内注浆孔多为伞状布置，根据钻机的最大钻进深度，调整钻孔的方位，均匀布置钻孔。⑥同一个钻场要尽可能多布置钻孔，以减少钻场数量，减少钻场辅助工程量。⑦钻场内钻孔位置、倾角及方位的选择要考虑到方便钻机架设、方便钻进施工。⑧各钻孔要按照设计施工次序编号。（六）钻孔结构注浆钻孔选用Φ135mm钻头开孔，下入Φ108mm、长6～10m的无缝钢管作孔口管，然后换用Φ90mm钻头钻进，直至终孔位置。如果二1煤底板破碎，为防止注浆过程中从孔口附近漏浆，可选用Φ155mm钻头开孔，下入Φ146mm、长6～10m孔口管，然后换用Φ130mm钻头钻进，穿过L7灰后，下入Φ108mm二级套管，最后换用中Φ90mm钻头钻进直至终孔位置。两级套管均要注浆封闭，封闭套管时注CS双液浆，待双液浆充分凝固后，扫孔注水，进行耐压试验。耐压实验压力不低于设计注浆终压时的孔口压力，持续时间不少于30min。（七）钻孔施工顺序为加快工程进度，可安排2~3个钻场同时施工，配备足够的钻孔与注浆设备，多工种、多工序平行作业。为保证注浆加固效果，注浆孔要分三遍注浆：

先施工第一序次钻个数不低于钻孔总数的50%。完成一序次后再施工第二序次钻孔，二序次的钻孔个数不得低于总孔数的30%，一、二序次完成后再施工第三序次的检查孔，检查孔的个数一般为总孔数的20%。（八）钻孔施工技术要求①必须严格按照设计标定的钻孔方位、倾角。②必须使用防喷反压装置，以免钻具被高压水顶出伤人。③孔口管要进行耐压试验，压力不小于注浆终孔孔口压力，持续耐压时间不少于30分钟。④及时、准确、完整、清晰、准确记录钻孔进入各隔水层、含水层的初始水量、最大水量、稳定水量、出水压力、岩层层位、换层深度、进入含水层前有无“导高”、进入含水层后岩溶发育程度等简易水文观测资料。⑤防止钻孔偏斜，制定切实可行的钻孔防斜措施。（九）注浆材料1.粘土-水泥-水玻璃浆液2.粉煤灰-水泥浆液3．单液水泥浆4．CS双液浆（十）注浆系统注浆系统组成由:地面制浆系统注浆泵送料孔井下注浆管路井下注浆孔地面制浆系统组成:粘土制浆机水泥添加器搅拌机其它辅助设施粘土制浆机采用肥城矿业集团的NL12型制浆机，如图11-22所示。图11-22粘土-水泥浆注浆系统及工艺流程图（十一）泵量与泵压采用：NBB－250/6型泥浆泵泵量为150～250L/min水玻璃泵泵量为80～250L/min（十二）注浆方式采用全段连续注浆方式，分孔分序次连续注浆，达到注浆终压为止。以最大量注入，最大范围扩散，最大限度的充填岩溶裂隙为目的。对注浆孔初始水量大于100m3/h的钻孔，可采取分段注浆，穿透含水层后最终达到注浆终孔位置。相邻钻孔在含水层段间距小于50m时，不得同时穿透含水层，以免串浆。（十三）注浆参数1.浆液的比重2.浆液的粘度3.单孔注浆结束标准（十四）注浆施工技术要求①注浆前要对注浆管路进行检查，确保管路畅通，然后对注浆管路进行耐压试验，试验压力不低于6MPa，持续时间不得低于20分钟，合格后方可注浆。②注浆前要观测其水量和水压，并进行单孔放水，放水时间不小于10分钟。③要严格浆液配比标准，并认真做好记录。④注浆过程中要根据注浆压力和跑浆情况，及时调整注浆泵泵量和各种浆液的比重。⑤注双液浆时，应首先开启水泥浆泵，水泥浆进入注浆孔10分钟后按开动水玻璃泵。达到注浆压力要求时，停止注浆，先停水玻璃泵后停水泥浆泵。⑥要严格注浆顺序、注浆方式、注浆结束标准。⑦如发现钻孔串浆、堵塞或钻孔进浆量明显较少时，要重新扫孔或补打检查孔注浆。⑧当达到注浆结束标准后，应及时关闭孔口阀门，卸下孔口高压胶管。⑨注浆结束后，要及时将管路和混合器冲洗干净，以备再用。（十五）注浆效果检查1．钻探检查2．物探检查3．综合水动态分析第四节底板加固注浆工程实例一、矿井概况某矿位于焦作煤田东北部，开拓方式为立井暗斜井多水平开拓，采煤方法为走向长壁采煤法。井田内构造以高角度的正断层为主，煤系地层呈现单斜构造形态，局部存在褶曲构造。井田西部边界为二1煤层露头，东部边界附近为开放性的九里山断层，南部边界为北升南降、落差200m左右的正断层，北部边界为南升北降、落差65m的F4断层。开采深度100～740m，开采煤层为二叠系山西组二1煤层，煤厚1.5～7.5m。历史上曾多次发生突水事故，其中最大突水量4200m3/h。矿井正常涌水量2280m3/h，涌水水源主要来自二1煤层底板的L8灰岩含水层。二、23071工作面水文地质条件23071工作面位于井田南部二水平23采区的底部，走向长640m，煤厚4.4～5.2m，工作面运输巷和回风巷均沿煤层顶板布置。工作面水文地质条件比较复杂，L8灰岩含水层厚6～8m，水位-90m，煤层底板隔水层厚38～44m。在其上部的23051工作面回采过程中涌水量达450m3/h，右上部的20071工作面回采过程中涌水量达780m3/h，23051和20071工作面涌水水源均来自二1煤层底板的L8灰岩含水层。三、突水原因分析及加固技术的可行性在构造破碎带区域，二1煤层隔水底板的稳定性减弱，抗压强度小于4MPa，隔水底板失去隔水功能，位于煤系地层下部的L8含水层的高压水沿构造破碎带涌人矿井。在煤层回采前预先对其破碎的隔水底板注浆加固，对位于煤层底板的L8灰岩含水层含水溶洞进行注浆充填，把二1煤层破碎的隔水底板变成坚固的整体，将L8灰岩含水层改造成隔水层。这样，在工作面回采过程中，就能避免突水事故发生。四、注浆加固方案设计（一）钻场布置及设备1.钻场硐室钻场硐室在运输巷上帮布置，与运输巷走向垂直，其规格为5×3×2.4m，8个硐室，间距60m。2.钻机钻机为SGZ-MA300，注浆泵型号NBB-260，额定注浆量为260L/min；注浆压力为7MPa。（二）注浆钻孔每个钻场布置3-4个注浆钆孔，每个钻孔设计为二级孔口固定装置。孔径146mm，长8～10m；采用Φ108mm，δ=4.5mm的钢管；用