矿井水的防治

矿井水的防治第一页，共九十四页，编辑于2023年，星期日第一节矿区地面防水

地面防水是指在地表修筑防排水工程或采取其它措施，限制大气降水和地表水补给含水层或直接渗入井下，从而减少矿井涌水量防止水害事故的发生。它是保证煤矿安全生产的第一道防线，对露天矿和主要充水来源为大气降水和地表水的矿井尤为重要1．截水沟、水库与防洪堤2．河流改道3．整铺河床4．堵塞通道第二页，共九十四页，编辑于2023年，星期日一、地面防水工程的类型

1．截水沟、水库与防洪堤位于山麓或山前平原的矿区，雨季山洪或潜流侵袭，淹没露天坑、井口和工业场地，或沿采空塌陷、含水层露头大量渗漏造成矿井涌水。在矿区上方，严重渗漏地段，开挖大致沿地形等高线布置的排(截)洪沟(图10-1)，拦截洪水和浅部地下水，并利用自然坡度将水引出矿区。在某些情况下也采用防洪堤或水库蓄洪，拦截洪水侵袭。图10-1排(截)洪沟布置示意图1-地形等高线；2-排洪沟第三页，共九十四页，编辑于2023年，星期日2．河流改道

图10-2河流改道示意图当矿区内有河流通过，并严重威胁露天矿或矿井生产时，在河流流入矿区的上游地段筑坝拦水，修筑人工河床引水(图10-2)。在山区，也采用排水平硐来代替人工河道。如四川南桐红岩煤矿，就是通过排水平硐对丛林河进行改道的。图10-2河流改道示意图1-拦河坝；2-矿区界限第四页，共九十四页，编辑于2023年，星期日河流改道一般工程量大，投资多，不宜轻易采用，应通过技术经济比较后再行设计施工。应考虑以下四点：1）经济合理，确保实效。坝址及人工河道应选择在隔水岩层上，必要时还应对局部河段进行防渗处理。2）人工河道坡度合理，不宜过大或过小以免冲刷或淤塞；人工河道的断面应能保证通过最大洪水量。3）旧河道要妥善处理，如填塞或雨季设泵排水，以防积水渗入井下。4）要考虑矿区发展远景和工农业布局，即要避免二次改道，又不要因改道而影响矿区的工农业和生活用水。第五页，共九十四页，编辑于2023年，星期日3．整铺河床当河流(或渠道，冲沟等)通过矿区，并沿河床或沟底的裂缝渗入矿井时，可在漏失地段用粘土料石或水泥铺砌不透水的人工河床，以阻止或减少河水漏失。例如，北京门头沟煤矿，一条长约4.4km的主沟漏失严重，采用铺底措施后基本上消除了沟渠水的下渗；四川某煤矿，河流在煤层顶板长兴灰岩露头处通过，河水沿岩溶裂隙渗入矿井。通过整铺河床后(图10-3)，雨季矿井涌水量减少了30%-50%。图10-3整铺河床示意图1-灰岩；2-页岩；3-整铺后的人工河床第六页，共九十四页，编辑于2023年，星期日4．堵塞通道采矿活动引起的塌陷坑和裂隙，基岩露头区的裂隙和溶洞及岩溶塌陷坑.废弃钻孔及老空等，经查明与井下构成水力联系时，可用粘土，块石，水泥，钢筋混凝土等将其填堵。大的塌陷坑和裂隙，下部充以砾石，上部覆以粘土，分层夯实，并使其略高于地表（图10-4）。填堵岩溶塌陷时，混凝土盖板应浇注在洞口附近的基岩面上，安装排气孔(管)，以防潜蚀或真空负压引起复塌图10-4充填塌陷坑坑示意图第七页，共九十四页，编辑于2023年，星期日地面防水，应综合运用，方能取得实效。如徐州贾汪矿区，在充分调查和研究矿区自然条件的基础上，结合矿井生产和发展情况，总结出“井下着眼，井上着手，远近结合，以防为主，防、排、治相结合”的治水方针，按近山矿区和平原矿区的不同特点，制定了不同的综合措施（图10-5）。即山区以蓄为主，蓄防结合。修水库、挖鱼鳞坑、建山前顺水沟，以减少矿井雨季洪峰流量；矿区外围以防为主，防排结合。即在可向井下漏水的煤系地层和太原组灰岩露头周围修筑排洪道，排洪道水注入屯头河，并在排洪道的出口处建闸设泵，以便河水倒灌时落闸向外排水；矿区内部以导为主，导排结合。即在低平矿区内挖中央排洪道，向矿区外围导流排水，并在塌陷区设泵排除积水。上述工程的修建，使该矿区雨季各井涌水量都减少了20%-40%，1963年战胜了50年一遇的特大洪水，保证了矿井安全生产。第八页，共九十四页，编辑于2023年，星期日图10-5韩桥、青山泉矿区地面防治水工程图1-等高线；2-河流或排水洪道；3-排洪道铺底段；4-废河道；5-水库大坝；6-石拱渠；7-灌区；8-太原群灰岩露头；9-正断层；10-逆断层

第九页，共九十四页，编辑于2023年，星期日二、地面防水工程设计与计算

矿区地面水流多为面积小的坡面径流、季节性冲沟或小溪，因缺少洪水观测资料，常根据洪水痕迹调查或雨量资料推算洪水量，因此地面防水工程设计时，一般均需收集暴雨资料，按防水工程设计标准推算洪水量，从而根据暴雨径流量来设计截水沟或改道河流的纵横断面、防洪堤的堤高、水库的库容、坝高及坝的断面尺寸等。具体设计和计算可参考有关的“规程”、“规范”和“手册”。第十页，共九十四页，编辑于2023年，星期日第二节井下防水一、探放水

二、防隔水煤（岩）柱的留设三、水闸门和水闸墙第十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期日一、探放水

（一）探水起点的确定（二）老窑积水量的估算（三）探水钻孔的布置原则和布置方式（四）放水孔孔口管的安装（五）探水作业安全注意事项第十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

为保证安全生产，常按小窑的最深下山巷道划定一条积水线，由积水线外推60m～150m作为探水线；由探水线再外推50m～150m作为警戒线，巷道进入此线后应警惕积水的威胁，注意掘进巷道迎头的变化，当发现有出水征兆时必须提前探水。探水线和警戒线的外推数值，取决于积水边界的可靠程度、积水区的水头压力、积水量的大小、煤层厚度及其抗张强度等因素。一第十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期日划定积水线后，可按下式初步估算老空积水量：二第十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1、探水钻孔的布置原则：

探水钻孔应保证适当的超前距、帮距和密度。采用探水—掘进—探水循环进行。

２、探水钻孔的布置方式：

一般倾斜煤层平巷和上山巷道探水钻孔的布置方式、数量和夹角大小不同，可参见相关规程。三第十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

图10-7放水孔孔口装置示意图

防水孔孔口管装置示意图

1-含水层；2-相对隔水层；3-钻杆；4-钻孔；1-含水层；2-相对隔水层；3-钻杆；4-钻孔；

5-水泥；6-肋条；7-钢管；8-铁卡；9-水压表；

10-木柱；11-水闸门

四第十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期日二、防隔水煤（岩）柱的留设留设情况：1．煤层露头

2．含水或导水断层

3．煤层与强含水或导水断层接触并局部被覆盖时

4.煤层位于含水层上方且又导水情况下

5．在水淹区或老窑积水区下掘进时

6．保护地表水体

7．保护导水钻孔

8．相邻矿（井）人为边界

9．井田以断层为边界第十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1）煤层露头无覆盖或被粘土微透水松散层覆盖时，按下式留设防砂煤（岩）柱：

H防=H冒+H煤2）煤层露头被松散富含水层覆盖时，按下式留防水煤（岩）柱：

H防=H裂+H保式中H防—防水煤（岩）柱高度

H冒—采后冒落带高度

H裂—采后导水裂隙带高度

H保—保护层厚度1煤层露头第十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期日含水或导水断层防隔水煤柱的留设2第十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1）当含水层顶面高于导水裂隙带上限时防水煤柱可按图（a）、（b）留设。

L=L1+L2+L3=H安cscθ+H裂cotθ+H裂cotγ(10-7)2)最高导水裂隙带上限高于断层上盘含水层时按图（c）留设。L=L1+L2+L3=H安（sinγ-cosγcotθ）+H安cosγ+M)(cotθ+cotγ)

图10-10煤层与强含水或导水断层接触并局部被覆盖时防水煤柱的留设3第二十页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

当煤层位于含水层上方，且断层又导水时，两方向的压力：一是煤层底板隔水层能否抗住下部含水层的压力；二是断层水顺煤层方向上压力。无论何种情况，最小不应小于20m。底部压力，应使煤层底板至断层面之间的最小垂直距离大于安全煤柱H安的计算值公式：L=H安/sina(10-10)式中a—断层倾角，°。其它同上。顺层水压，应按式10-4计算煤柱宽度。最后，取用较大值。如果断层不导水，在留设防水煤柱时，应使含水层顶面与断层面交点至煤层底板间的最小距离要大于安全煤柱的高度H安图10-11煤层位于含水层上方，且断层又导水的情况4第二十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1）巷道在水淹区下或老窑积水区下掘进时，巷道与水体之间的最小距离不得小于巷道高度的10倍。2）在水淹区或老窑积水区下同一煤层中进行开采时，若老窑区或水淹区的界线已经查明，隔水煤柱的尺寸应按式10-4留设。3）在水淹区或老窑积水区下同一煤层中进行回采时，隔水煤（岩）柱的尺寸不得小于导水裂隙带最大高度与保护带高度之和。5煤层位于含水层上方且又导水情况下

第二十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期日6.水体下采煤的防隔水煤柱的留设1）水体下采煤的防隔水煤柱的留设，不允许导水裂隙带波及水体。H垂≥H裂+H保（10-11）（a）缓倾斜煤层；（b）急倾斜煤层煤系地层无松散层覆盖和采深较小，应考虑地表裂隙深度H表裂

H垂≥H裂+H保+H表裂(10-12)如果松散含水层为强或中等含水层，且直接与基岩接触，而基岩风化带亦含水，则应考虑基岩风化带深度H风

H垂≥H裂+H保+H风（10-13）或者将水体底界面下移至基岩风化带底界面。第二十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期日6.水体下采煤的防隔水煤柱的留设2）防砂安全煤柱的留设防砂安全煤柱允许导水裂隙带波及松散弱含水层或已疏降的松散强含水层，但不允许冒落带接近松散层底部。即：H垂≥H冒+H保（10-14）

3）防塌安全煤柱的留设防塌安全煤柱不仅允许导水裂隙带波及松散弱含水层或已疏干的松散含水层，同时允许冒落带接近松散层底部。H塌≈H冒（10-15）基岩风化带含水时防水煤柱留设第二十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期日根据钻孔测斜资料换算钻孔见煤点坐标，按式10-4方法留设。如无测斜资料，必须考虑钻孔可能偏斜的误差，然后计算保护导水钻孔的防水煤柱宽度。图10-4充填塌陷坑坑示意图7保护导水钻孔第二十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

⑴多采层开采，当上下两层煤的层间距小于下层煤开采后的导水裂隙带高度时，下层煤的边界防隔水煤柱应根据最上一层煤的岩层移动角和煤层间距向下推算。⑵当上下两层煤层之间的垂直距离大于煤层开采后的导水裂隙带高度时，上、下煤层的防隔水煤柱可分别留设。8井田以断层为边界第二十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期日图10-12以断层为界的井田边界防隔水煤柱的留设9第二十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期日三、水闸门和水闸墙

1．水闸门

2．水闸墙第二十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1-混凝土门垛；2-门框；3-门扇；4-放水管；5-风管；6-压力表安装孔；7-活动钢轨图10-13水闸门结构图1设在有突水危险的采区巷道出入口、井底车场两端、井下重要设施巷道出入口等处。突水时即时关闭水闸门，以控制水害。第二十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期日设在需要永久或长期阻挡水的地方。分临时性的（用木料和砖砌筑）和永久性（用混凝土或钢筋混凝土浇注）水闸墙的形状有平面、圆柱面或球面等三种。不论哪种水闸墙均应有足够的强度，不发生变形、不透水和不位移。因此，修筑水闸墙的地点应选择在岩石坚硬、没有裂隙的地点，且应在墙的四周围掏槽砌筑。圆柱面或球面水闸墙的厚度，有些矿区用下式计算：a=r/Kp/p-1

式中a—水闸墙的厚度，m；

r—水闸墙的内半径，m；

Kp—水闸墙的临界抗压强度，MPa；

P—水闸墙承受的水压力，MPa。

(10-11)式中2水闸墙第三十页，共九十四页，编辑于2023年，星期日第三节疏干降压第十章矿井水的防治第三十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

一

条件、分类及选择1、疏干降压与矿井排水有着本质的差别：前者是借助于专门的工程及相应的排水设备，积极地、有计划有步骤地使影响采掘安全的含水层降低水位（水压）或造成不同规模的降落漏斗，使之局部或全部疏干；后者是消极被动通过排水设备，将流入水仓的水直接排至地表。疏干降压在调节水量及水压、改善井下作业条件，以及保证采掘安全乃至降低排水费用等方面起着矿井排水所不能起的作用。第三十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

2、疏干降压条件:矿层及其顶、底板含水层的涌水，对矿井生产有着严重影响，不进行疏干降压无法保证采掘工作安全和正常进行；矿床赋存于隔水或弱含水层中，但矿层顶、底板岩层中存在含水丰富或水头很高的含水层，或虽含水不丰富但属流砂层，采掘过程中有突然涌水、涌砂的危险；露天开采时，由于地下水的作用，降低了土石的物理力学强度，导致边坡滑落.

3、疏干降压分类：分为预先疏干和平行疏干。

4、疏干降压的选择：取决于矿区水文地质和工程地质条件、矿床开采方法以及采掘工程对疏干的要求等,通过综合的技术经济比较后确定。第三十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期日二地表疏降

4明沟疏干

(1)明沟疏干主要用于疏干埋藏不深、厚度不大、透水性较强、底板有稳定隔水层的疏松含水层。3水平疏干钻孔

(1)水平疏干钻孔主要用于疏干露天矿边坡，钻孔以接近水平的方向打穿边坡，水靠重力自流排出。钻孔深度应穿透不稳定边坡的潜在滑动面。1地表疏干钻孔2吸水钻孔

1)使用条件和优缺点1)吸水钻孔的含义2)地表疏降钻孔的布置方式

2)吸水钻孔的优点3)疏降钻孔的基本结构3)吸水钻孔需注意第三十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期日使用条件：适用于疏降渗透性良好，含水丰富的含水层，一般渗透系数为5m/d～150m/d的含水层最为有效。

优点：施工简单，施工期较短；地表施工劳动和安全条件好，疏降工程的布置可根据水位降低的要求，分期施工或灵活地移动疏水设施。缺点是：因受疏降深度和含水层渗透性等条件的限制，使用上有较大的局限性。

布置方式：线形孔排适合于地下水为一侧补给的矿区，疏降孔排垂直地下水流向布置于进水一侧；环形孔排适于地下水从各个方向补给的矿区；当疏降地段的平面几何形状比较复杂时，常采用任意排列的孔群。

疏降钻孔的基本结构：根据含水层的性质，疏降钻孔可以不下过滤器，或下入骨架或其它带过滤层的过滤器，钻孔底部应设置一定长度的沉砂管。地表疏降钻孔第三十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期日吸水钻孔：将煤层上部含水层中的水放（漏）入煤层下部吸（含）水层的钻孔，也称漏水孔。

优点：经济、简便，一些位于当地侵蚀基准面以上的煤矿，由于所处地势较高，下伏厚层奥陶系灰岩层中的地下水位低于上部煤系中各含水层的水位，灰岩裂隙及古岩溶有着巨大的蓄水能力，为上部各含水层水的泄放创造了条件。必须注意：严重污染。当下部含水层为当地的饮用水源层，而上部待疏降的含水层水质又不符合饮用水标准时，不可采用吸水钻孔疏降煤层上部含水层水，否则会造成饮用水源第三十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期日三地下疏降

1．疏干巷道1）疏干巷道类型

2）使用条件和优缺点3）疏干巷道的布置

2．放水钻孔1）顶板放水钻孔

2）直通式放水钻孔

3）底板放水钻孔

第三十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期日疏干巷道类型

（1）巷道布置在含水层中，直接疏降。一般在基岩含水层中采用。（2）巷道嵌入含水层与隔水层之间，含水层与隔水层分界线在疏干巷道腰线通过，巷道砌碹，并在碹的腰部和顶部留有滤水窗或泄水孔起疏水作用，用在底板隔水层缓倾斜的松散含水层中。

（3）巷道布置在隔水层或煤层中，施工专门的放水垌室，通过放水钻孔、直接式过滤器等疏降含水层，疏放出的水汇集于巷道内，流入水仓，再排出地表。

使用条件和优缺点

优点：使用范围广，各种地质、水文地质条件均适用。其疏放强度大、效果好，尤其将疏干巷中时效果更好。采用地下疏降，排水设备检修和管理方便，效率较高。由于有水仓的缓冲作用，短时停电影响不大。

缺点：疏降工程在井下施工时劳动和安全条件差，巷道在含水层中掘进时施工更为困难；施工的准备工作复杂，工期长、投资大。垂直于地下水流向布置，巷道布置应与采矿工程密切配合，并尽可能延长其服务年限。开采当地侵蚀基准面以上的煤层时，应使疏放的水全部或部分自流排出地表。疏干巷道的布置

第三十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期日顶板放水钻孔用于疏放煤层或巷道上方的含水层。其方法是在巷道内向顶板含水层打仰孔、直孔或水平孔进行放水。我国的许多煤矿，煤层顶板上多赋存有砂岩裂隙含水层。且以储存量为主，突水开始时水量较大，随之很快减少，以致消失。顶板放水孔应布置在裂隙发育、位置较低处，间距一般为30m-50m，孔深取决于煤层开采裂高，一般为40m-50m，钻孔方向最好垂直顶板含水层，施工时间应与回采工作面工作相衔接，一般超前于回采1～2个月。直通式放水钻孔当煤层顶板以上有较平缓并距地表较近的多个含水层，且巷道顶板隔水层相对稳定时，可从地表穿过含水层向巷道打钻孔，使含水层水通过钻孔流入巷道，达到疏放多个含水层的目的。当钻孔穿过疏松含水层时，需安装过滤器。底板放水钻孔它的作用在于降低底板下承压含水层的水压，以降低突水系数或增加底板的相对抗水压能力，防止底板突水。底板放水钻孔是从巷道内向下施工，它即可比地面施工节省进尺，又可利用承压水的自流特征直接由钻孔流出，不需要安装专门的抽水设备，同时可借助孔口装置控制水量、测量水压。但钻孔施工比较困难，需要采取必要的安全措施。第三十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

为了改善井下施工底板放水孔的劳动条件，提高钻进效率，徐州矿业集团创造了一种地面施工的井下疏水降压钻孔，称为地面穿透式放水孔。为了安装好孔口的安全装置，需要在下套管前将1~1.5m长的活节短管准确地下到设计位置，为此严格要求打直孔。当钻孔达到设计深度后，从井下放水石门开短巷找出活节短管，然后加强巷道支护，卸下活节短管，换上三通管和孔口安全装置。第四十页，共九十四页，编辑于2023年，星期日四联合疏降

联合疏降是指两种以上疏降方法的联合使用。在一些水文地质条件复杂的矿区，采用单一的疏降方法或单一矿井的疏降不能满足要求或不经济，需要采用井上下相结合或多井的联合疏降方式。第四十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期日五

疏降设计及疏降水文地质计算

疏降工程的布置、数量、规格、深度及间距等；疏降工程的涌水量；疏降时间；过滤器的类型；水泵的选择；疏降所需的动力设备及电源等。需要借助于水文地质计算，以保证在规定时间内用最少的疏降工程达到最好的疏降效果。疏降设计内容有：第四十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期日第十章

第四节矿井排水一、矿井排水 是煤矿生产的基本环节。一些开采当地侵蚀基准面以上煤层的矿井，可借助平硐内的排水沟或专门开掘的泄水平硐自流排水；开采当地侵蚀基准面以下煤层的矿井，是将井下涌水或通过井下疏降设备疏放出的水，经过排水沟或管道系统汇集于水仓，然后用井下主水泵排至地表。第四十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1排水方式有：直接、分段和混合排水三种。选择：应视矿井涌水量大小、井型、开采水平的数量和深度、排水设备的能力、矿井水腐蚀性等具体条件而定。1）直接排水由各水平水仓直接将水排至地表。2）分段排水由下部水平依次排至上一水平，最后由最上部水平集中排至地表。如果上部水平的涌水量很小或下部水平的排水能力负荷不足，也可将上水平水排至下水平，再集中排至地表。3）混合排水当某一水平具腐蚀性的酸性水时，可将该水平的水直接排至地表，以避免腐蚀其它水平的排水设备和排水管路，而其它水平的水第四十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期日2排水系统不论何种排水方式，排水系统都是由排水沟、水仓、泵房和排水管路构成。1）排水沟一般在运输巷道一侧挖排水沟排水2）水仓有主水仓和副水仓。其容积视涌水量大小而定，一般应能容纳8h的正常涌水量。3）泵房要设置工作、备用、检修三套水泵。设备有离心泵、潜水泵、深井泵、气压泵和射流泵等，其中经常使用的为离心泵和潜水泵。潜水泵优点：基建投资少，不用专门的泵房和基础，不怕水淹，具有自吸能力，可以防爆，能大大减少操作人员等。4）管路它是将水由井下排至地表的咽喉，应注意管道的防腐和防止中途漏水，以保证矿井水能顺利地至地表。第四十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期日二、露天矿排水1．露天矿排水方案的分类露天矿排水方案的分类、使用条件及主要优缺点，见表10-4。表10-4不同排水方案的使用条件及主要优缺点第四十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

排水方案

使用条件

优点

缺点

自流排水方式

山坡型露天矿、利用排水平硐安全可靠，基建投资少，排水经营费低，管理简单

受地形限制

露天采场底部集中排水方式；半固定式泵站；移动式泵站

汇水面积小及水量小的中、小型露天；采深浅，降速慢或干旱区的大露天基建工程量小、投资少，移动式泵站不受淹没高度限制

泵站移动频繁，作业条件差、开拓延伸工程受影响；经费高，受淹没高度限制

露天采场分段截流永久泵站排水方式汇水面积大、水量大的中露天；采深大，下降速度快的露天露天坑积水较少，作业和开拓延深条件较好，排水经营费低泵站多，分散，需临时泵站。需挖大储水池及水沟等，基建量大井巷排水方式

水量大；深部有巷道可用；需预疏干的露天，深部用地下开采。排水巷可供开采用采场无水，作业条件好，为穿爆、采、装、运等作业创良好条件，不受淹没高度限制，泵站固定

井巷工程量多，基建投资多，基建时间长，前期排水经费高

第四十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期日3露天矿排水露天矿排水方案的选择原则自流排水方式具有独特的优越性，一切有条件的露天矿都应尽量采用。排水系统也是合理的.有时，即使开凿专门的排水平硐，以形成自流其它排水方式的选择，除应根据自然地理、地质和水文地质条件进行经济技术比较外，还应考虑不同排水方式对采矿各工艺过程效率的影响。一般来说，井巷排水方式由于基建投资高、时间长，因此在确定排水方式时需要慎重考虑。第四十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

第十章矿井水的防治第五节注浆堵水一、常用注浆材料、注浆设备及注浆工艺（一）注浆材料（二）注浆设备（三）注浆工艺第四十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期日（一）注浆材料注浆材料是注浆堵水及加固工程成败的关键和影响注浆经济指标的重要因素。注浆材料的选择，主要取决于堵水加固地段的水文地质条件、岩层的裂隙、岩溶发育程度、地下水的流速及化学成分等因素。注浆材料的选择一般要求为浆液可注性好；浆液稳定性好。第五十页，共九十四页，编辑于2023年，星期日常用注浆材料

1．水泥浆液1）水泥浆液的配制

2）纯水泥浆的性能的提高2．水泥-水玻璃浆液3．粘土浆液4．化学浆液第五十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期日图10-17几种注浆浆液适用范围示意图第五十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1）水泥浆液的配制水泥浆的浓度一般用水灰比来表示。水灰比是指水泥浆液中水和水泥重量之比。可用下式10—12表示

(10-12)

p—水灰比；WW—水的重量，kg；Wc—水泥的重量，kg。计算任意水灰比条件下，配制一定体积水泥浆所需水泥和水的重量公式为

(10-13)

(10-14)式中Vg—水的重量，kg；ρc—水泥的重量，kg。其余符号同前现场配制纯水泥浆可参照表10-5进行。第五十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期日水泥浆液的配制

表10-5水泥浆现场配制表水灰比 水泥/kg 水/L 制成浆量/m3 0.5：1 1200 600 1.000 0.6：1 1100 660 1.026 0.75：1 950 712 1.029 1.：1 750 750 1.000 1.25：1 650 812 1.029 1.50：1 550 825 1.008 2：1 450 900 1.050 第五十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期日2）纯水泥浆的性能的提高为了缩短水泥浆液的终凝时间，可在水泥浆液中添加氯化钙，水玻璃、苏打，石膏等水泥浆凝剂。如加入氯化钙（速凝剂）的水泥浆液的配制方法可参照表10-6进行。加入水泥速凝早强剂，如三已醇胺与氯化钠复合加剂等。它们对水泥不仅有显著的速凝作用，并能提高结石的强度，特别是具有早强性质，因而便于达到控制水泥浆扩散范围，缩短注浆工期和提高堵水效果的目的。加入表面活性物质，如亚硫酸盐纸浆废液、食糖、硫化纳等，使水泥浆起塑化作用，降低粘度，增加流动性和可灌性加入膨润土或高塑性黏土等悬浮剂，可提高水泥浆液的结石率和流动性，降低沉降速。度，增加可灌性。表10-6水泥浆现场配制表

水灰比 水泥

50%氯化钙溶液/L 水/kg 制成浆液/立方米 0.5:1 1200 75 525 1.000 0.6:1 1100 67．5 593 1.026 0.75:1 950 60 625 1.029 1:1 750 45 705 1.000 1.25:1 650 37．5 774 1.029 1.5:1 550 30 795 1.008 2:1 450 30 870 1.050 第五十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期日2．水泥-水玻璃浆液2．水泥-水玻璃浆液用水玻璃Na2O·nSiO2，又称泡花碱，是一种胶状无机聚合物，具有粘性及胶结性能。它既能溶于水，又能硬化，其性能一般用模数和浓度表示：水玻璃模数M

关系为：

(10-15)水玻璃出厂浓度一般为50Be-56Be，而注浆使用范围为30Be-45Be。其浓度变换按下式计算：

式中V加—加入水的体积，L；V原—原来水玻璃体积，L；ρ加—加入水的相对密度，kg/Lρ原—原来水玻璃相对密度，kg/L;ρ配—欲配水玻璃相对密度，kg/L第五十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期日水泥—水玻璃浆液亦称CS浆液，它是将水泥、水玻璃分别制成浆液，按照一定的比例，用2台泵或1台双缸独立分开的泵同时注入。其组成及配方见表。原料规格要求

作用用量主要性能水泥325号或425号普通硅酸盐水泥或矿渣水泥主剂1凝胶时间可控制在几秒至几十分钟范围内；抗压强度在5～20MPa范围内水玻璃模数2.4～3.4，浓度30Be～45Be

主剂0.5～1氢氧化钙工业品速凝剂0.05～0.20磷酸氢二钠工业品缓凝剂

0.01～0.03

注：水玻璃用量为与水泥浆的体积比数；速凝剂和缓凝剂的用量为占水泥重量的比数。第五十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期日3．粘土浆液粘土浆液和水泥浆液相比，其优点是可就地取材，成本远较水泥浆液和化学浆液低。粘土颗粒粒径大部分小于0.01mm,能注入更小的裂隙，施工工艺简单，不存在导管、注浆泵及软管胶结的可能，注浆过程中停止或中断一段时间（12h）不影响注浆质量；可在含侵蚀性水的含水层中使用，注浆中的重复钻进和注浆后的掘进工作较容易；由于粘土浆大量吸水膨胀，不易被地下水稀释和冲跑。其缺点是材料消耗量大，注浆时间长，充塞物力学强度低。为了改善粘土浆液的性能，常加入各种化学附加剂以促进粘土颗粒凝聚，改变粘土浆的粘度和脱水性，提高冲塞物的坚固性和强度。一般配制成粘土-水泥浆和粘土-水泥-砂浆液，以扩大粘土浆液的使用范围。第五十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期日4．化学浆液上述水泥浆液、水泥—水玻璃浆液和粘土浆液都属于颗粒性浆液材料，对细小裂隙或粉砂、细砂层难以灌入，为此需要化学浆液。化学浆液的品种很多，主要有丙烯酰胺类浆液、硌木素类浆液、脲醛树脂类浆液、聚氨脂类浆液和糠醛树脂类浆液。其中，较常用的是丙烯酰胺类浆液和聚氨脂类浆液。丙烯酰胺类浆液以有机化合物丙烯酰胺为主剂，配合其它药剂，以水溶液状态注入岩层中，发生聚合反应，使之形成具有弹性的、不溶于水的聚合体。这种聚合体充填堵塞砂层中的孔隙或岩层中的裂隙，并把松散砂粒胶结起来，起到阻水和加固地基的作用。但这种浆液的凝胶体抗压强度低，约0.4MPa～0.6MPa，而且配制复杂，成本高，因此实际应用中常与其它廉价的注浆材料配合使用。聚氨脂类浆液分为非水溶性聚氨脂类浆液（PM）和水溶性聚氨脂类浆液（WPU），二者主要区别在于PM型浆液以丙酮等为溶剂，而WPU型溶液中含有水作为反应剂兼溶剂。第五十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期日（二）注浆设备1）钻机的选择应根据地层条件和注浆深度来确定。2）注浆机的选择主要考虑的原则是；根据设计的注浆压力及注浆量选型，应尽量选用压力、流量可调节的注浆泵；根据单液或双液注浆系统及备用量确定台数，根据注浆材料及灌注骨料与否选泵。3）搅拌机选择的依据是其生产能力应能保证供应注浆泵有足够的浆量。4）止浆塞是将注浆孔的任意两个注浆段隔开，只让浆液注入到止浆塞以下的岩石空隙中去的工具。止浆塞的选取应以能达到合理使用注浆压力，有效控制浆液分布范围，实现分段注浆，确保注浆质量等为原则。常用的止浆塞类型有：孔内双管混合止浆塞、单管止浆塞及水力膨胀止浆塞等。此外，注浆设备还包括双液注浆用的混合器，逆止阀等。第六十页，共九十四页，编辑于2023年，星期日（三）注浆工艺3．注浆段高和注浆方式4．注浆孔的钻进5．注浆参数的确定6.注浆效果检查2.注浆方案设计1．注浆前的水文地质调查第六十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1．注浆前的水文地质调查注浆前的水文地质调查是正确选择注浆方案、注浆材料、确定注浆工艺和进行注浆设计的依据。一般应查明的情况是：岩层地质条件，包括掘进井筒所穿过的岩层的含水性、透水性，以及含水层的裂隙、岩溶发育程度等；含水层的埋藏条件、厚度、位置及其相互联系；地下水的静水压力、流向、流速、化学成分，不同含水层、不同深度的涌水量及渗透系数；附近有无溶洞、断层、河流、湖泊及其与含水层的联系。第六十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期日2．注浆方案设计

注浆方案的选择，应考虑岩层的水文地质条件，设备能力，工期要求及技术经济指标等因素。设计内容一般包括：确定堵水范围、注浆层段和部位以及注浆孔、观测孔的数目及布置方式，注浆深度确定，注浆段划分，注浆方式确定，注浆材料选择和配方试验要求，注浆参数确定和检查评价方法，注浆设备选择及注浆站布置，材料消耗量估算，设备和资金概算，劳动组织和工期安排，以及主要安全技术措施和操作规程等。第六十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期日3．注浆段高和注浆方式注浆段高指一次注浆的长度。注浆工作可分为分段注浆和全段注浆两种当注浆深度较大，穿过较多含水层，且裂隙大小不同，在一定的注浆压力下，浆液的流动和扩散在大裂隙内远些，在小裂隙近些。同时，静水压力随含水层埋藏深度增加而增加，在一定的注浆压力下，上部岩层的裂隙进浆多，扩散远，下部岩层的进浆少，扩散近，或几乎不扩散。因此，为使浆液在各含水层扩散均匀，提高注浆质量，应分段注浆。注浆段高与注浆目的与工程性质有关，不同的工程其注浆段高不同。一般5～10m，如受注层厚度小于10m，则不分段。根据钻进与注浆的相互关系，分段注浆又分为下行式和上行式注浆两种方式。下行式注浆是指从地表钻进含水层，钻进一段注一段，反复交替直至终孔。其优点是上段注浆后下段高压注浆时不致跑浆而引起地面破坏，同时上段可得到复注，注浆效果好。其缺点是钻进与注浆交替进行，总钻进工作量大，工期长。上行式注浆是指钻进一次到终孔，然后使用止浆塞自下而上逐段注浆。其优点是无须反复钻进，可加快注浆速度，缺点是需要性能良好、工作可靠的止浆塞。在煤矿堵水中，由于裂隙，岩溶发育，一般采用下行注浆。注浆是全段指注浆孔钻进至终深，一次注全段，其优点是不需要反复交替钻进、注浆、减少安装及起拔止浆塞的工作量，从而缩短施工工期。缺点是由于注浆段高且大，不易保证注浆质量，岩层吸浆量大时要求注浆设备能力大，所以一般只在含水层距地表近且厚度不大，裂隙较发育的岩层中采用全段注浆方式。第六十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期日4．注浆孔的钻进1）浆孔深度一般要选在含水层以下3～5m的位置。2）注浆孔结构要根据通过岩层的条件和注浆方法确定。应力求简单，变径次数少，孔斜小。对于地面预注浆。注浆孔段直径不小于110mm为宜。孔径越大，揭露岩石裂隙的机率越多，对注浆越有益，钻孔通过第四系和采空区的地段，应下套管，并保证固结质量。3）注浆孔的钻进在注浆孔钻进时，应取岩心进行岩层裂隙及破碎程度的鉴定。钻进中所用的冲洗液，在冲积层中可用泥浆，基岩注浆段需要用清水钻进。在钻进过程中，应注意防斜与纠偏。4）注浆孔冲洗注浆孔钻至设计深度以后要进行钻孔的冲洗，冲洗的目的是将残留于孔底和粘滞与孔壁的岩粉冲出孔外。钻孔的冲洗可以分为冲孔、抽水洗孔及压水三个步骤进行。第六十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期日5．注浆参数的确定1）扩散半径2）注浆压力3）浆液浓度4）浆液注入量浆液注入量与岩层中孔隙、裂隙或岩溶的发育程度有关，可根据扩散半径及裂隙率进行粗略计算，其公式为Q=πγ²Ηnβ（10-19）式中Q—浆液注入量，m³；

γ—浆液扩散半径，m；

Η—注浆段长度，m；

n—裂隙率（一般取n=1%-5%）；

β—浆液在裂隙内的有效充填系数（一般取0.3-0.9，视岩性而定）5）注浆结束标准。

第六十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1）扩散半径

浆液在岩石裂隙中的扩散范围，称为扩散半径。由于岩石裂隙发育的各向异性，浆液在岩石裂隙中的扩散不规则。因此，注浆时常以充塞半径表示有效扩散范围，在此范围内浆液充塞、水化后的结石体能有效地封堵涌水。由于岩石的渗透性和裂隙发育的不均匀，致使浆液的扩散半径和充塞半径有时相差很大。所以在注浆前应进行试验，以取得布置注浆孔孔距的可靠依据。第六十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期日2）注浆压力

注浆压力是给予浆液扩散注浆压2、充塞、压实的能量。一般高压注浆可使浆液保持足够的流速，以阻止颗粒过早沉析，从而提高结石的密度和强度，增大浆液扩散范围，这样不仅可增大孔距，减少孔数，而且能加速注浆施工进度。但注浆压力又是有一定的限度，超过了允许注浆压力，冒浆次数会增多，裂隙也会扩大，甚至引起岩层的移动变形，或浆液扩散到注浆区外，造成材料的浪费；反之，注浆压力过小，浆液不能充满裂隙，达不到注浆的效果。由此可知，确定合理的注浆压力非常重要。影响注浆压力的因素很多，既有地质条件方面的，又有注浆方法与浆液浓度方面的，目前还没有一套完整准确的方法计算注浆压力的大小。比较合理的方法是通过注浆现场试验来确定，也可用下列经验公式计算：P=(2-2.5)P1(10-17)式中P—

最大允许注浆压力，Mpa；

P1—注浆段地下水静水压力，Mpa。第六十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期日3）浆液浓度

注浆浆液的浓度直接影响到浆液的可注性和结石强度，因此注浆过程中必须对其准确控制。采用水泥注浆时，所用的浆液浓度既取决于裂隙的大小，又取决于水泥浆及其附加剂的性质及注浆压力的高低。裂隙越大，采用的浆液越浓。由于在一个注浆段中含有多种不同宽度的裂隙，所以注浆过程中浆液的浓度有变化，原则是先稀后浓，用不同浓度的浆液分别去适应各种不同宽度的裂隙。第六十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期日（1）起始浓度确定起始浓度通常是按岩层的吸水率q确定的。吸水率q为单位长度的注浆段在单位压力作用下单位时间的吸水量，可在注浆前通过钻孔压水试验求得。即

q=Q/Hh(10-18)式中Q—单位时间内试验段在恒压下的吸水量，L/（min.m.m）；

H—压水试验段的水头，m；

h—压水试验段长度，m。由式10-18计算出钻孔吸水率后，再参考表10-8选择浆液浓度。第七十页，共九十四页，编辑于2023年，星期日表10-8钻孔吸水率和浆液浓度关系表吸水率qL/（min.m.m）水灰比浆液配比（重量）水砂水泥<0.18:18010.1～0.56:16010.5～1.04:14011～32:130.513～51:12115～100.5:11.521＞100.5:1231第七十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期日（2）浆液浓度的控制注浆开始，首先使用起始浓度，然后由稀逐级加浓。浓度变更的原则为：①采用某一浓度浆液注浆时，注浆压力保持不变，吸浆量随注浆过程的延续而逐渐变小；或吸浆量不变，压力逐渐升高，表明注浆过程正常，不需改变浆液浓度。此外，根据经验，若吸浆率相当于吸水率的0.85倍时，说明浆液的浓度合适。②采用某一浓度注浆持续了一定时间（一般20min～30min）或注入300L-600L浆液之后，注浆压力和吸浆量均无变化，或变化很小时，浆液应加浓一级。③改变浆液浓度后，若压力突然升高或注浆量突然减少，说明浆液浓度不合适，应变回到原来的浓度。④遇冒浆、大裂隙或大溶洞时，可越级加浓浆液，或在浆液中加掺合剂、速凝剂及采取间歇注浆等措施。第七十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期日5）注浆结束标准

注浆结束标准一般是用最终吸浆量（即浆液注至最后的允许吸浆量）和达到设计压力（即终压）时的持续时间等两个指标来衡量。从理论上说，最终吸浆量越小越好。最理想是注至完全不吸浆。但实际施工中很难做到，必要性也不大。此外，由于注浆工程的类别不同，以及地质条件和技术的差异，所以质量要求和结束标准也不一样。一般认为，注浆终压达到设计要求，吸浆量小于20L/min～60L/min，稳定20min～30min，即可认为达到结束标准。第七十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1）施工情况及技术资料的分析2）钻孔抽水检查3）钻孔取芯检查4）注浆地段掘进时的观察

6.注浆效果检查第七十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1）施工情况及技术资料的分析

对注浆过程的施工情况及有关施工记录等技术资料应进行详细分析。如钻孔偏斜是否造成漏洞、缺口的可能；分析注浆过程中的压力、浆液浓度、吸浆量的变化，判断注浆工作是否正常。此外，对每个钻孔分段注浆的注入量、注浆事故、跑浆情况和范围、处理措施及效果等，也应进行综合分析和评价。第七十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期日2）钻孔抽水检查

一般采用检查孔与注浆孔合一的方式，既检查孔与注浆孔兼用。当第一组孔注浆结束后，于第二组孔或其中的1～2个钻孔进行抽水试验，以检查第一组孔的注浆效果。以后，待第二组孔注浆结束后，从第三组孔或其中的1-2个钻孔中抽水，以检查前两组孔的注浆质量。有时在注完浆后，于注浆地段内水流上方或注浆效果较差的钻孔附近，布置1～2个检查孔进行抽水（或压水）检查。当质量不合乎要求时，可将检查孔作注浆孔继续注浆，以确保注浆效果。第七十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期日3）钻孔取芯检查

根据注浆钻孔施工的先后不同，即先期施工钻孔的注浆效果，可通过后期施工钻孔取芯，检查裂隙被浆液充填的情况。通过取芯和裂隙充填情况的分析，找出注浆地段的薄弱环节，从而通过后期施工的钻孔加以弥补。少数情况下，也可在注浆结束后，在注浆地段专门布置钻孔取芯，以了解注浆效果和浆液扩散范围。第七十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

（一）井筒巷道预注浆（二）井筒壁后注浆及巷道淋（涌）水的封堵（三）注浆恢复被淹矿井或采区（四）注浆帷幕截流（五）注浆改造薄层灰岩含水层，确保工作面安全（六）防渗墙堵水技术二、注浆堵水技术在煤矿防治水工作中的应用第七十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

1．井筒预注浆通常，对于复杂条件下的基岩井筒，当其通过含水层或导水构造带前，常采用预注浆对含水层或导水构造进行封堵，以避免水害事故，改善作业条件，简化施工工序，加快建井速度，降低施工成本。井筒预注浆分为地面预注浆与工作面预注浆。前者是指在井筒开凿前，从地面施工钻孔，对含水层进行预先注浆；后者是当井筒掘进工作面接近含水层时，预留隔水岩柱（也可以在出水后打止水垫），向含水层施工钻孔，进行预注浆。井筒工作面预注浆与井筒地面预注浆相比较，优点在于前者钻探工程量少，节省管材，而且可使用轻便钻机。由于钻孔浅，易控制方向；孔径小、孔数多，易与裂隙沟通，浆液易于控制，堵水效果好。缺点是工作面狭小，施工不便，且影响建井工期。地面预注浆的优点是既可在井筒开工前进行，也可与井筒掘进平行作业，不占用建井工期。（一）井筒巷道预注浆第七十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期日井筒淋水或巷道淋水都采用壁后注浆，即用风锤打透井（巷）壁，下好注浆管，待其与井壁固定固牢后，接管向壁后压注浆液封水。若井筒、巷道有较大涌水时，宜用水泥、水玻璃双液浆临时止水，待水止住后再延伸注浆钻孔，进入含水层内一定深度，压入单液水泥浆，以保证长期使用中不致再度淋水。如为个别较大的裂隙通道涌水，应向裂隙深部打钻，进行专门封堵。具体做法是用较深钻孔打透大的裂隙，插入注浆管进行引流疏水，用浅孔封好大裂隙口，并使注浆管固定，然后对引流孔加压注浆封堵。二）井筒壁后注浆及巷道淋（涌）水的封堵第八十页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1).当矿井或采区被淹后，注浆封闭突水点常是处理这类问题的有效措施。例如，淹没了40多年的山东淄博北大井，通过从地面施工钻孔，注浆封闭了原先的突水点，后排水恢复，使矿井又获得了新生；河南焦作冯营主井，当井筒掘至-120m时发生突然漏水，水量达210m3/h,井筒被淹后用注浆方法封闭了突水点，保证了井筒的顺利施工。2).矿井因突水被淹后，矿井水位与突水源天然水位相当时的注浆，称为静水注浆，如前述淄博北大井和焦作冯营主井的注浆。若突水后矿井局部淹没，突水口处地下水位低于突水水源的天然水位时的注浆，称为动水注浆，如开滦范各庄特大型突水灾害的注堵工程。动水注浆时，为增加水的流动阻力，减缓地下水流速，需先投入骨料（砂、砾石、压缩木或其它特制品），然后注入速凝浆液，使之快速凝固，以避免浆流被高速水流稀释或冲跑，达不到堵水效果。现结合开滦范各庄矿注浆抢险实例加以说明。（三）注浆恢复被淹矿井或采区第八十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期日1984年6月2日河北开滦范各庄煤矿2171工作面奥陶系灰岩水通过陷落柱突入井巷，使年产300万t的矿井被淹。最大突水量2053m3/min，为国外最大突水量（南非德律芳金矿达340m3/min）的6倍以上。当范各庄矿淹没水位上升到-156.17m时，从标高-232m的7煤层盲巷突破与邻矿之间的残余边界煤柱，使吕家坨矿随之淹没。当吕家坨矿淹没水位上升到-334.72m时，与其相邻的林西矿之间的隔水煤柱开始渗水，水位上升到-197.95m时渗水量已达16m3/min，使林西矿被迫停产1.范各庄矿特大突水概况第八十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期日

2.治水方案及其实施由于这次水害水量大，秧及面广，治理的难度很大。治理时既要迅速控制灾情的发展，又要准确查明陷落柱的位置，从根本上堵住突水通道，封住突水水源。第八十三页，共九十四页，编辑于2023