茅口灰岩井下注浆截流的关—堵—疏相结合的防治水方法 |
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| 申请号 | CN201510043883.9 | 申请日 | 2015-01-29 | 公开(公告)号 | CN104612753A | 公开(公告)日 | 2015-05-13 |
| 申请人 | 湖南科技大学; | 发明人 | 赵延林; 王卫军; 万文; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种茅口灰岩井下注浆截流的关-堵-疏相结合的防治 水 方法，包括如下步骤：（1）关闭井下高能耗、安全供电排水条件差的采区；（2）确定茅口灰岩岩溶发育垂直分带域的标高范围；（3）在已关闭的井下高能耗、安全供电排水条件差的采区下伏的茅口灰岩复式向斜 底板 内，选取距 地下水 补给区最近的次级背斜隆起部位作为井下注浆设计靶区；（4）确定茅口灰岩井下注浆孔的深度和方位；（5）截流井下茅口灰岩地下水；（6）电价低谷时段排水。本发明能防范突水事故；降低发生岩溶地表塌陷的可能性，并且能够节约大量电费，提高经济效益。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种茅口灰岩井下注浆截流的关-堵-疏相结合的防治水方法，包括如下步骤: (1)关闭井下高能耗、安全供电排水条件差的采区； (2)确定茅口灰岩岩溶发育垂直分带域的标高范围； (3)在已关闭的井下高能耗、安全供电排水条件差的采区下伏的茅口灰岩复式向斜底板内，选取距地下水补给区最近的次级背斜隆起部位作为井下注浆设计靶区； (4)确定茅口灰岩井下注浆孔的深度和方位； (5 )截流井下茅口灰岩地下水； (6)电价低谷时段排水。 |
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| 说明书全文 | 茅口灰岩井下注浆截流的关一堵一疏相结合的防治水方法技术领域背景技术[0002] 我国南方煤田属于华南晚二叠世煤田，煤层底板大多为茅口灰岩含水层,其水文地质条件往往介于极复杂-中等类型之间。2001年-2012年全国煤矿发生突水事故179起，死亡人数1598人，其中南方煤矿发生96起，死亡917人，分别占53.6%和57.4%。突水事故造成重大人员伤亡、财产损失和严重社会环境问题。目前南方煤矿茅口灰岩矿井水害防治一般采取地面堵漏，井下强排，以排为主的治理措施。由于茅口灰岩矿井水文地质条件复杂，受采掘破坏或影响的岩溶含水层、老空水、地表水，其补给条件很好，补给来源极其充沛，矿井突水频繁，防治水工程量大，而且效果较差。 [0003] 在长期工作实践的基础上，防治水工作者先后探索出了一些水害治理的途径和方法在煤矿治水方面，“疏水降压”和“注浆堵水”是矿井水防治的两大工程措施。水害治理的技术方法的选择依赖于对水文地质条件的充分认识，同时参考突水前兆的监测信息。对于一些灾害性的突水事故，为了抢险救灾，大多采取注浆堵水的方法。但事后往往造成工程再修复或水资源的浪费和污染。目前很少有煤矿能从矿井整体防治水角度，通过含水层注浆改性成隔水层，实现矿井地下水的进行合理截流，对全矿地下水的排放进行整体规划。现有的井下注浆堵水截流技术主要是针对北方矿区的奥陶系灰岩，都是以堵水为目的，没有考虑地下水截流后的疏干。 [0004] 对于南方煤矿，茅口灰岩含水层的岩溶发育大多呈垂直分带域特性，矿井向深部开拓的过程中，许多矿井涌水量随不同水文地质单元变化较为明显。煤矿底板受多次强烈构造作用，大多形成了复杂的复式向斜构造。复式向斜是由若干次级背斜、向斜组合而成的一个大型向斜构造，其中同一个褶曲的脊部为次级背斜隆起的最高部位、槽部为次级向斜凹陷的最低部位。这种复杂构造的地层为中二叠统茅口灰岩，岩溶一般较发育，地下水非常丰富。如何充分利用南方煤矿茅口灰岩含水层的岩溶发育垂直分带域特性和复式向斜地质构造，改过去一味的强排疏干为关一堵一疏相结合的防排水方式，以提升矿井防排水安全保井能力，提高矿山经济效益，是一个值得研究与开发的重大课题。 [0005] 发明内容[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种茅口灰岩井下注浆截流的关一堵一疏相结合的防治水方法，它能防范突水事故；降低发生岩溶地表塌陷的可能性，并且能够节约大量电费，提高经济效益。 [0007] 本发明采用的技术方案，包括如下步骤:(O关闭井下高能耗、安全供电排水条件差的采区； (2)确定茅口灰岩岩溶发育垂直分带域的标高范围； (3)在已关闭的井下高能耗、安全供电排水条件差的采区下伏的茅口灰岩复式向斜底板内，选取距地下水补给区最近的次级背斜隆起部位作为井下注浆设计靶区； (4)确定茅口灰岩井下注浆孔的深度和方位； (5 )截流井下茅口灰岩地下水； (6)电价低谷时段排水。 [0008] 上述的茅口灰岩井下注浆截流的关一堵一疏相结合的防治水方法，步骤(I)的具体操作过程如下:通过对矿区内各采区的采煤量、排水量和涌水量的多年统计数据进行分析，确定井下高能耗、安全供电排水条件差的采区，将其永久关闭，并撤出关闭采区的所有设备。 [0009] 上述的茅口灰岩井下注浆截流的关一堵一疏相结合的防治水方法，步骤(2)的具体操作过程如下:通过对矿区茅口灰岩进行钻孔，分析溶洞率沿地层的变化规律，得到茅口灰岩岩溶发育程度在垂直方向的三个带域:溶洞发育带、裂隙发育带和岩溶不发育带；根据茅口灰岩岩溶发育规律，确定矿井水文地质条件分界线为裂隙发育带和岩溶不发育带的分界面。 [0010] 上述的茅口灰岩井下注浆截流的关一堵一疏相结合的防治水方法，步骤(3)的具体操作过程如下:查明矿区地下水补给区、径流带、地层层序和地质构造，在已关闭的井下高能耗、安全供电排水条件差的采区下伏的茅口灰岩复式向斜底板内，选取距地下水补给区最近的次级背斜隆起部位作为井下注浆设计靶区，上述次级背斜隆起部位和地下水补给区之间至少存在一个次级向斜凹陷部位。 [0011] 上述的茅口灰岩井下的浆截流的关一堵一疏相结合的防治水方法，步骤(4)的具体操作过程如下:利用岩溶发育垂直分带性，确定各个注浆孔的深度和方位，按“先勘查孔、后注浆孔、一孔多用”的原理在平面上采用双排错位方式布置注浆钻孔，注浆孔的深度应超越矿井水文地质条件分界线，注浆孔的方位角控制在65°〜85 °之间，注浆孔的间距要小于浆体扩散半径的2倍。 [0012] 上述的茅口灰岩井下注浆截流的关一堵一疏相结合的防治水方法，步骤(5)的具体操作过程如下:在所述茅口灰岩复式向斜的次级背斜隆起部位注浆，将所述茅口灰岩复式向斜的次级背斜轴部附近区域改造成隔水带，地下水封闭在所述次级背斜隆起部位和地下水补给区之间，且距次级背斜隆起部位最近的一个次级向斜凹陷部位内，地下水并通过突水点涌入已关闭的井下高能耗、安全供电排水条件差的采区；地下水截流在注浆巷道水平，阻止浅部一步地下水向深部渗透。 [0013] 上述的茅口灰岩井下注浆截流的关一堵一疏相结合的防治水方法，步骤(6)的具体操作过程如下:由于隔水带的存在，次级向斜凹陷部位上伏已关闭的高能耗、安全供电排水条件差的采区实质上成为矿区的巨形水仓，晚班时，将地下水蓄存巨形水仓内，早班电价低谷时段，将蓄存于巨形水仓的地下水排至地表。 [0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明针对南方煤矿茅口灰岩底板岩溶发育垂直分带域特性和具有复式向斜的地质构造提出，关闭井下高能耗、安全供电排水条件差的采区(即关一堵一疏相结合的防治水方法中的“关”)，在茅口灰岩复式向斜底板的次级背斜隆起部位实施井下注浆，将地下水截流在次级背斜隆起部位和地下水补给区之间的次级向斜凹陷部位，并通过突水点涌入已关闭的井下高能耗、安全供电排水条件差的采区(即关一堵一疏相结合的防治水方法中的“堵”)；本发明将地下水截流在注浆巷道水平，阻止浅部地下水向深部渗透，使得下水平开采的涌水量大大减少，矿井地下水抬升至注浆巷道水平，减小了矿区茅口灰岩疏干漏斗面积，大大降低了发生岩溶地表塌陷的可能性；本发明，在晚班时段地下水蓄存于次级向斜凹陷部位上伏已关闭采区内(实质上成为了矿区的巨形水仓)，早班电价低谷时段，将蓄存于巨形水仓的地下水排至地表(即关一堵一疏相结合的防治水方法中的“疏”)。由于岩溶地下水截流在注浆巷道水平，大大减少了排水扬程，节省了大量电费，提高经济效益。 附图说明 [0015] 图1茅口灰岩复式向斜底板构造和岩溶发育垂直分带域示意图。 [0016] 图2茅口灰岩复式向斜隆起部位井下注浆截流的关一堵一疏相结合的防治水示意图。 [0017] 图3井下注浆孔分布示意图。 [0018] 图4是图2中的A-A剖视图。 [0019] 图5是图3中的B-B剖视图。 [0020] 1、高能耗、安全供电排水条件差的采区 2、溶洞发育带3、裂隙发育带4、岩溶不发育带5、矿井水文地质条件分界线6、次级背斜隆起部位7、注浆孔深度 8、隔水带 9、突水点10、注浆巷道 11、下水平12、巨形水仓13、排水扬程14、注浆孔15、浆体扩散半径 16、顶板17、水流线18、注浆孔方位角19、次级背斜20、次级向斜21、脊部22、槽部23、地下水补给区24、茅口灰岩复式向斜底板25、次级向斜凹陷部位26、煤系地层。 具体实施方式[0021] 下面结合附图和实施例对本发明进一步进行描述。 [0022] 南方煤矿茅口灰岩底板含水层受多次强烈构造作用，大多形成了复杂的复式向斜构造，所述复式向斜构造是指是由若干次级背斜19、次级向斜20组合而成的一个大型向斜构造，其中同一个褶曲的脊部21为次级背斜隆起的最高部位、槽部22为次级向斜凹陷的最低部位。本发明充分利用南方煤矿茅口灰岩含水层的岩溶发育垂直分带域特性和复式向斜地质构造，改过去一味的强排疏干为关一堵一疏相结合的防排水方式，大大提升矿井防排水安全保井能力，特大提高矿山经济效益。具体实施方法如下:(I)关闭井下高能耗、安全供电排水条件差的采区。通过对矿区内各采区的采煤量、排水量和涌水量的多年统计数据进行分析，确定井下高能耗、安全供电排水条件差的采区1，将其永久关闭，并撤出关闭采区的所有设备。 [0023] (2)确定茅口灰岩岩溶发育垂直分带域的标高范围。通过对矿区茅口灰岩进行钻孔，分析溶洞率沿地层的变化规律，得到茅口灰岩岩溶发育程度在垂直方向的三个带域:溶洞发育带2、裂隙发育带3和岩溶不发育带4，根据茅口灰岩越往深部发展，溶洞裂隙发育率越低的变化规律，确定矿井水文地质条件分界线5为裂隙发育带和岩溶不发育带的分界面。 [0024] (3)在已关闭的井下高能耗、安全供电排水条件差的采区I下伏的茅口灰岩复式向斜底板24内，选取离地下水补给区23最近的次级背斜隆起部位6作为井下注浆设计靶区，进一步，在上述次级背斜隆起部位6和地下水补给区23之间至少存在一个次级向斜凹陷部位25。 [0025] (4)确定茅口灰岩井下注浆孔的深度和方位。根据岩溶发育垂直分带性和浆体扩散半径15，确定各个注浆孔14的注浆孔深度7、注浆孔方位角18和注浆孔的间距，按“先勘查孔、后注浆孔、一孔多用”的原理，在平面上采用双排错位方式布置注浆孔，注浆孔深度7应超越水文地质条件分界线5，注浆孔方位角18控制在65°〜85 °之间，注浆孔的间距要小于浆体扩散半径15的2倍。 [0026] (5)截流井下茅口灰岩地下水。在上述茅口灰岩复式向斜的次级背斜隆起部位6上选取合适的注浆巷道10，对次级背斜轴部区域进行注浆，将次级背斜轴部附近区域改造成隔水带8，地下水封闭在离次级背斜隆起部位6最近的一个次级向斜凹陷部位25内，地下水并通过突水点9涌入次级向斜凹陷部位25上伏已关闭的高能耗、安全供电排水条件差的采区I内；这样地下水截流在注浆巷道10水平，阻止浅部地下水向深部渗透。使得下水平11开采的涌水量大大减少，矿井地下水抬升至注浆巷道10水平，减小了矿区茅口灰岩疏干漏斗面积，大大降低了发生岩溶地表塌陷的可能性。 [0027] (6)电价低谷时段排水。由于隔水带8的存在，次级向斜凹陷部位25上伏已关闭高能耗、安全供电排水条件差的采区I实质上成为矿区的巨形水仓12，晚班时段，地下水蓄存于上述巨形水仓12内，早班电价低谷时段，将蓄存于巨形水仓12的地下水排至地表。由于茅口灰岩地下水截流后，地下水蓄存于上述巨形水仓12内，阻止浅部地下水向深部渗透，巨形水仓12向地表排水的排水扬程13要比深部采区的排水扬程少得多。节约了大量电能，而且电价低谷时排水，大大节省了电费，提高经济效益。 [0028] 实施例:湖南黑金时代长沙矿业有限公司所辖煤炭坝矿区是一个全国闻名的大水矿区，矿区现有五亩冲、西峰仑、竹山塘三对矿井，矿区地质构造中等，水文地质条件极复杂，随着矿井的不断开拓延深，矿区疏干漏斗不断扩大，疏干面积现已达到368km2。已进入后期深部开采阶段，生产成本居高不下，防水保井任务艰巨，压力巨大，只有通过地表治水、关闭井下部分高能耗、安全供电排水条件差的采区，才能全面达到本质安全、高效益的矿区，使矿区焕发生机。本发明的实施区域为竹山塘煤矿东翼采区。该区域位于煤炭坝矿区最东端，为矿区地下水主要补给区，有洋泉湖地下水径流带，大成桥地下水径流带，贺石桥地下水径流带共同补给，水量充沛。物探资料显示该区域地下水位平缓，水力坡度为3-5%。，该区域越往东，汇水面积越大。而经井下揭露，竹山塘煤矿_170东七石门一 34运输巷一 -170流水巷,为竹山塘一贺家湾复式向斜的次级背斜隆起部位，该部位下伏于竹山塘煤矿东翼采区，是竹山塘煤矿东翼采区茅口灰岩复式向斜底板，距东部地下水主要补给区最近的次级背斜隆起部位。采用本发明，治理地下水的具体步骤如下: (I)关闭井下高能耗、安全供电排水条件较差的采区。竹山塘煤矿东翼采区包括-235水平、-207水平为高能耗、安全供电排水条件较差的采区I。整个竹山塘煤矿东翼采区现有开拓煤量仅7.0万吨，而东翼采区矿井涌水量最大为8800m3/h，平均为6400 m3/h，约占全公司矿井涌水量的70%。首先关闭-235水平东大巷水闸墙闸阀，尽量撤出-235水平所有设备。根据竹山塘煤矿东翼的突水点水量变化分析，逐步关闭竹山塘煤矿东翼全部采区。 [0029] (2)确定茅口灰岩岩溶发育垂直分带域的标高范围。根据煤炭坝矿区钻孔得到井下不同标高的溶洞率分别为:-120m〜-200 m溶洞率为2.1%，-200 m〜-250 m溶洞率为1.31%,，-250 m〜-300 m溶洞率为0.14%, -300〜-400溶洞率为0.1%。从钻孔结果分析得到该矿区的溶洞发育带2的标高范围为:-120m〜-200 m，裂隙发育带3的标高范围为:-200 m〜-240 m，岩溶不发育带4标高范围为:-240 m以下的区域。可见茅口灰岩越往深部发展，溶洞裂隙发育率越低的变化规律，确定矿井水文地质条件分界线5为标高-240m处。 [0030] (3)在已关闭的井下高能耗、安全供电排水条件差的采区下伏的茅口灰岩复式向斜底板24内，选取距地下水补给区23最近的次级背斜隆起部位6作为井下注浆设计靶区。煤炭坝矿区主要补给水源为洋泉湖、大成桥等地，有洋泉湖地下水径流带，大成桥地下水径流带以及贺石桥地下水径流带共同补给，水量非常充沛，平均水力坡度为5%。。竹山塘煤矿-170东七石门一 34运输巷一 -170流水巷,为竹山塘一贺家湾复式向斜的次级背斜隆起部位6，该部位下伏于竹山塘煤矿东翼采区，是竹山塘煤矿东翼采区的茅口灰岩底板复式向斜，距东部地下水主要补给区最近的次级背斜隆起部位6，起着“山脊”、“驼峰”及过水瓶颈作用，是茅口灰岩巷道井下注浆设计靶区。 [0031] (4)确定茅口灰岩井下注浆孔的深度和方位。竹山塘煤矿标高-170m的34运输巷处于竹山塘一贺家湾复式向斜的次级背斜隆起部位，将其作为注浆巷道10，进行井下注浆，根据岩溶发育垂直分带性和浆体扩散半径15，确定注浆孔深度7为80m，注浆的方位角18约为75°，注浆孔间距为15m，其中注浆孔深度80m超越水文地质条件分界线5，按“先勘查孔、后注浆孔、一孔多用”的原理，在平面上采用双排错位方式布置注浆孔。注浆完成后茅口灰岩复式向斜的次级背斜轴部附近区域改造成了隔水带8，隔水带8全长450米。 [0032] (5)茅口灰岩地下水截流。茅口灰岩复式向斜的次级背斜轴部附近区域改造成隔水带8后，地下水封闭在次级背斜隆起部位6和地下水补给区之间的次级向斜凹陷部位25内，并通过突水点9涌入已关闭的高能耗、安全供电排水条件差的采区1，地下水截流在上述已关闭采区内，从而阻止浅部地下水向深部渗透。茅口灰岩地下水截流后，竹山塘煤矿东翼标高-170m水平的地下水涌出量达2600 m3/h，而下水平11 (即-270水平)的涌水量仅为700 m3/h。由于地下水绝大部分从竹山塘煤矿东翼-170m水平涌出，从-270水平的涌水量很小，这样从矿井向地表排水的扬程将减少100米左右。 [0033] (6)电价低谷时段排水。由于隔水带8的存在，次级向斜凹陷部位25上伏的已关闭的高能耗、安全供电排水条件差的采区I实质上成为矿区的巨形水仓12，晚班地下水蓄存于巨形水仓内，总体积约30000 m3,按2600 m3/h流量可蓄水11.5小时，可实现晚班停排水、进行蓄水，早班电价低谷时段排干，与电价峰谷时段相比，采用早班电价低谷时段排水，其排水电价差0.4元/度。 [0034] 采用本发明，可以减少排水扬程100米，每年可节约电能2732.6万度、减少劳动力用工48人，利用电价低谷时段排水，年可节约电费1093万元，同时由于东翼关闭后，整个矿区排水成本降低，可以降低矿区总产量，延长矿区服务年限，社会效益也非常明显。 |
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