王建民,魯 巖

(1.安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)第七工程處,安徽宿州 234000; 2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

礦井開采中導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э刂萍夹g(shù)研究

王建民1,魯 巖2

(1.安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)第七工程處,安徽宿州 234000; 2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

礦井水害是影響和威脅煤礦安全主要因素之一,導(dǎo)水?dāng)嗔褞且鸬V井水害的重要方面。影響斷裂導(dǎo)水的因素主要有巖層的富水性、導(dǎo)水?dāng)嗔寻l(fā)育程度、礦山壓力引起的斷裂活化、含水層的水壓、隔水層的性質(zhì)等,其中絕大多數(shù)與導(dǎo)水?dāng)嗔褞в兄苯雨P(guān)系。導(dǎo)水?dāng)嗔训目刂萍夹g(shù)主要有注漿加固、留設(shè)防水煤柱、輸水降壓和截流堵水等。對(duì)于防治技術(shù)的選擇要綜合多方面因素。

導(dǎo)水?dāng)嗔?注漿加固;化學(xué)注漿;防水煤柱;輸水降壓;截流堵水

1 引言

礦井水害的頻繁發(fā)生,不僅嚴(yán)重制約了我國煤礦的安全高效生產(chǎn),而且造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。礦井水害主要表現(xiàn)在：采掘工作面出現(xiàn)淋水,對(duì)勞動(dòng)條件和生產(chǎn)效率造成影響;排水費(fèi)用增加,導(dǎo)致煤炭生產(chǎn)成本增加;對(duì)金屬設(shè)備、支架、鋼軌具有腐蝕作用,縮短生產(chǎn)器材的使用壽命等。因此,礦井開采中導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э刂萍夹g(shù)研究十分重要。

2 影響斷裂帶導(dǎo)水的主要因素

2.1 巖層富水性

富水性主要取決于巖溶裂隙發(fā)育程度、徑流條件、構(gòu)造及埋深等因素,它對(duì)礦井突水水害的規(guī)模和對(duì)礦井的危害程度起決定作用。查明水層的富水性和富水區(qū)域,可以為積極采取有效措施防治斷裂出水提供可靠的依據(jù)。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育程度

在煤礦開采的過程中隨著開采巷道的不斷掘進(jìn)、煤層的回采和礦井的延伸,礦井突水的潛在危險(xiǎn)逐漸增加。研究構(gòu)造斷裂的發(fā)育程度和導(dǎo)水性對(duì)井田預(yù)防底板突水具有十分重要的意義。

2.3 礦山壓力引起的斷裂活化

根據(jù)現(xiàn)場觀測,采礦過程中的礦山壓力易引起工作面底板斷裂活化。工作面初壓和周期來壓時(shí),頂板懸頂面積最大,工作面附近煤體的支撐壓力和煤壁處的剪切力達(dá)到峰值,煤層底板極易遭到破壞,底板最易突水。因此突水點(diǎn)多在初壓及周壓地段或煤壁處。一般工作面自切眼推至60m這段距離內(nèi),底板發(fā)生突水的概率最大[1]18-21。

2.4 含水層的水壓

含水層的水壓是工作面底板突水的動(dòng)力,主要有靜水壓力和動(dòng)水壓力兩種形式。含水層水壓的大小直接影響斷裂帶和導(dǎo)水裂隙的導(dǎo)水能力,并對(duì)已存在的斷裂帶和裂隙具有擴(kuò)張作用,加大出水流量,從而進(jìn)一步擴(kuò)大斷裂和裂隙。

2.5 隔水層的性質(zhì)

隔水層的阻水能力大小是由其厚度、巖性組合以及力學(xué)強(qiáng)度決定的。厚度越大,越不易出水。起阻水作用的大小取決于有效隔水層厚度。如果礦壓對(duì)底板破壞深度大,導(dǎo)高又大,那么有效隔水層厚度相對(duì)減小,工作面底板就容易出水。

3 導(dǎo)水?dāng)嗔训姆乐?/h2>

3.1 注漿加固

煤層底板注漿加固技術(shù),是在工作面巷道內(nèi)大面積地布置注漿鉆孔,通過注漿充填底板巖層,減弱含水層的富水性并切斷水源補(bǔ)給通道,使受注含水層被改造為弱含水層或不含水,繼而增強(qiáng)煤層底板隔水層的強(qiáng)度,以實(shí)現(xiàn)工作面不突水開采。注漿加固技術(shù)有物理注漿和化學(xué)注漿兩種方式。物理注漿是采用混凝土注漿[2]9-13。具體參數(shù)根據(jù)被改造含水層具體水文地質(zhì)條件確定。一般說來,在工作面每隔一定距離施工一個(gè)鉆窩,鉆窩距離要根據(jù)漿液的擴(kuò)散半徑以及含水層的富水性而定?；瘜W(xué)注漿是將一定的化學(xué)材料(無機(jī)或有機(jī)材料)配制成真溶液,用化學(xué)注漿泵等設(shè)備將其注入到地層或縫隙內(nèi),使其擴(kuò)散、膠凝或固化,以提高地層強(qiáng)度,降低地層滲透性,防止地層變形[3]18-21。對(duì)于不同的施工環(huán)境和斷裂發(fā)育情況應(yīng)采取不同的治理方案。

3.2 留設(shè)防水煤柱

留設(shè)斷層防水煤柱是一種堵塞通道、隔斷水源、防止斷裂突水的重要措施。根據(jù)防水煤巖柱所處的位置劃分防水煤柱的種類,其可分為覆水體防水煤巖柱、斷層防水煤巖柱、礦井邊界防水煤巖柱、水平隔離煤柱、老空積水區(qū)防水煤巖柱[4]30-33。防水煤巖柱留設(shè)的原則：留設(shè)防水煤巖柱必須考慮地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、煤層賦存、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、煤層組合等自然因素,還要與采煤方法、開采強(qiáng)度、支護(hù)形式等人為因素相適應(yīng)[5]35。

3.3 疏水降壓

在礦井開采過程中斷裂帶或裂隙連通的含水層的水壓是影響斷裂導(dǎo)水的一個(gè)重要因素。含水層水壓的大小影響斷裂導(dǎo)水的能力、出水量大小、裂隙擴(kuò)張速度。對(duì)于有斷裂存在的煤層一定要探明所處含水層水量的水壓大小,對(duì)安全造成影響的含水層應(yīng)采取輸水降壓措施。疏水降壓技術(shù)是對(duì)威脅礦井安全生產(chǎn)的主要充水含水層水,通過超前預(yù)疏或疏降水壓而減少或消除其對(duì)礦井安全的威脅。

3.3.1 疏水降壓的實(shí)施

常見的三種含水層分別為松散含水層、裂隙含水層、喀斯特含水層。當(dāng)充水介質(zhì)為喀斯特含水層時(shí),礦井的涌水量往往較大,喀斯特水是危害我國煤礦最嚴(yán)重、存在最普遍、分布最廣泛的水害來源[6]124。查明斷裂發(fā)育位置和發(fā)育程度以及導(dǎo)水性,建立和完善礦井上下水文地質(zhì)長期觀測系統(tǒng);把握疏干或降壓目的含水層的富水性在水平方向和垂直方向上的變化規(guī)律,分析水源發(fā)育分布規(guī)律、補(bǔ)給水源、水力交替運(yùn)動(dòng)條件、水力連通關(guān)系及水文地質(zhì)邊界條件,是進(jìn)行疏干或降壓之前必須做的工作。此外,對(duì)礦井疏干降壓后可能引發(fā)的環(huán)境水文地質(zhì)問題和地質(zhì)災(zāi)害,也要進(jìn)行分析預(yù)測和提出相應(yīng)的措施。

3.3.2 疏水降壓主要任務(wù)

降壓工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要任務(wù)如下：提出最優(yōu)的疏水孔位布置以便在確保滿足疏水降壓要求的前提下,使總疏水量最小;提出最優(yōu)的疏水水量時(shí)間與空間配置,以便在確保滿足疏水降壓要求的前提下,使得過程疏水量最小;預(yù)測在不同疏水方案條件下,實(shí)施疏水降壓工程后,目標(biāo)含水層的疏水降壓效果和疏水降壓后目標(biāo)含水層、相關(guān)含水層的地下水流場形態(tài)。

3.4 截流堵水

為了使開采區(qū)與水源隔開以及限制局部地段的突水不致波及其它地區(qū)造成淹井停產(chǎn),可采用截流注漿技術(shù)在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)構(gòu)筑水閘墻(門)。其方案設(shè)計(jì)如下：礦井突水后,在清楚了解突水水源、突水點(diǎn)位置及斷裂導(dǎo)水通道位置的情況下,用2～3個(gè)鉆孔打中位置清楚的過水巷道,注骨料使動(dòng)水條件變?yōu)榻旗o水條件,然后注漿進(jìn)行封堵。在幾百米深的井下,井下巷道一般較窄,想打中巷道難度相當(dāng)大,但打中巷道卻是透巷截流注漿的前提條件。另外,突水巷道內(nèi)一般水量大、水流急,封堵困難,須把動(dòng)水條件改為靜水條件后進(jìn)行堵水。在突水流經(jīng)的巷道布置2～3個(gè)鉆孔(根據(jù)水量、水壓的大小可適當(dāng)增減)。如圖1[7]54-64所示打透突水巷道,采用動(dòng)水注漿封堵工藝,向巷道內(nèi)大量充填骨料,控制流速,使突水水流由管道流變?yōu)楣橇峡障堕g的滲流,然后實(shí)施旋噴注漿,使骨料固結(jié)形成充填式水閘墻。注漿使巷道底板及巷道周圍巖體進(jìn)一步得到加固,水閘墻形成后透巷孔應(yīng)向下延深。對(duì)水源及突水通道注漿,在突水源頭向突水層位布置一個(gè)堵源孔以達(dá)到治本的目的。突水點(diǎn)及過水巷道位置的準(zhǔn)確確定,是鉆孔透巷的關(guān)鍵因素,是布置透巷鉆孔的先決條件。透巷鉆孔施工時(shí)應(yīng)該合理選擇組合鉆具及定向?qū)惫に嚋?zhǔn)確透巷,為后期注漿封堵提供有利條件。當(dāng)突水量較大時(shí),封堵時(shí)必須快速大量地向巷道內(nèi)充填骨料,快速封頂;同時(shí)選擇直徑較小的石子作為主骨料。

圖1 工程布置示意圖

4 結(jié)語

在導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э刂七^程中,不同的控制技術(shù)既有其優(yōu)點(diǎn),也有其不足之處。礦井開采過程中導(dǎo)水?dāng)嗔褞Э刂萍夹g(shù)的選擇應(yīng)該根據(jù)斷裂帶的導(dǎo)水性、含水性、水壓、涌水量、補(bǔ)給水源確定,同時(shí)還要考慮采取技術(shù)的經(jīng)濟(jì)合理情況等因素,必要的時(shí)候可采取多種防治手段以防不測。

[1] 王檔良,姜振泉.在建礦井井壁滲漏水的地質(zhì)成因分析與化學(xué)注漿治理[J].建井技術(shù),2008(5).

[2] 杜工會(huì).焦作礦區(qū)水害治理技術(shù)[J].中國煤炭,2005 (05).

[3] 尹萬才,尹增德,施龍青.礦井突水原因及防治[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào),1999(1).

[4] 鄧祥月,韓明新,孟斌.論述防水煤柱的留設(shè)原則及計(jì)算方法[J].煤炭技術(shù),2001(06).

[5] 白峰青,姜興閣,蔣勤明.斷層防水煤柱設(shè)計(jì)的可靠度方法[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2000(4).

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[7] 喬留軍.透巷截流注漿技術(shù)在礦井水害治理中的應(yīng)用[J].中州煤炭,2007(03).

責(zé)任編輯：文 月

TD824.6

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1671-8275(2014)01-0115-02

2013-10-16

王建民(1967-),男,安徽宿州人,安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)第七工程處處長,助理工程師。研究方向：煤田地質(zhì)鉆探。