煤矿水害综合防治技术讲座教学幻灯片.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,煤矿水害综合防治技术讲座,河南工程学院,王国际,电话：[phone],E-mail:aqgcx2006,第一部分我国煤矿水害治理技术现状,一、我国煤矿水害的基本特征,我国是世界最大的产煤国，煤炭产量比整个欧洲国家煤炭产量的总和还要多。但是，随着我国煤矿开采规模的迅速扩大，开采深度的不断增加，开采时所承受的水压越来越大。近年来，煤矿井下突水事故呈增加趋势，轻者影响矿井正常生产，造成经济损失，重者造成矿井局部或全部被淹，甚至造成重大的人员伤亡事故，我国煤矿已成为受水灾危害最严重的国家之一。,据不完全统计，在过去的5年里，全国有300多个矿井由于突水被淹没，死亡1360多人，经济损失高达600多亿元人民币。底板高压水通过导水构造突入矿井、采空区及老窑积水突入矿井的水灾事故占水灾事故的85%以上。,许多矿区奥陶系喀斯特溶洞发育，使上覆岩层陷落或裂隙发育，塌陷裂隙把灰岩岩溶承压水突然导入矿井引发突水事故，其后果往往是灾难性的。,喀斯特溶洞,由于大量乡镇煤矿无序开采，导致矿井之间的隔水煤柱遭到破坏，使得废弃矿井、老空区积水瞬间溃入采掘巷道，造成严重灾害的现象近年来呈多发趋势。,19861995年、20002005年期间，由于煤炭企业规模迅速扩张，是我国煤矿水灾最为严重的时期，当时华北各矿区以及广东、广西、湖南、山西等矿区连续发生了多起灾难性突水淹井事故。,2006年以来，国家安全监察总局对矿井水灾防治工作监管力度加大，我国煤矿水害事故呈现出逐年减少的趋势，但重特大事故并没有降下来。,随着科学技术的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了很大的提高，矿井生产和建设规模迅速扩张，而矿井水灾防治技术的发展远不能适应矿井生产与防治水灾工作的需求，从而形成了某些矿区矿井突水事故、死亡人数及经济损失的反弹和上升，特别是重、特大型矿井突水事故时有发生。,通过近年来对我国一些突水事故的调查与分析，总结出我国煤矿水害事故有如下特点：,重特大水灾事故增多，事故后果严整，社会影响面大。,重特大水灾事故多是底板高压突水和老空老窑突水。,大的水灾事故主要源自华北型煤田。,水灾事故与矿井防治水措施落实不到位有着密切的关系。在近期发生的突水事故中7080%的矿井防治水措施落实不到位，矿井水灾防治技术人员缺乏，安全管理水平低下。,突水事故的高发期往往出现在煤炭工业的快速发展期，矿井超设计能力生产往往是水灾事故孕育和发生根本原因。,矿井涌水量随季度变化较大，汛期是水灾事故多发期，大量的降水致使地面河流、湖泊水位上升，造成淹井事故。,煤矿突水事故所造成的经济损失是巨大的。,如我国永城、井陉、淄博、郑州、新汶等矿区均发生过突水量在50m,3,/min以上的重大突水事故，各矿区总排水量均大于500m,3,/min。吨煤排水成本为1040元，占原煤成本中的比例较大，年排水费高达数千万元，部分矿区由于排水费用过高，长期亏损，严重影响到企业的发展。,据统计，目前我国受水害威胁的矿井8000多处，核定生产能力占总产量的60%以上。其中受水患威胁比较严重的矿井有3000多处，煤炭产量15亿吨，占总产量的60%，这种局面严重影响到各矿区的安全生产，影响矿井的正常接替，阻碍煤炭企业的发展。,华北的一些主要矿区，如焦作、峰峰、邯郸、邢台、井陉、淄博、肥城、韩城、郑州、永城等矿区受水威胁的储量占矿井总储量的80%以上。因此，不迅速解决水灾事故上升问题，煤矿安全生产形势难以扭转。,目前不少矿井已进入深部开采，个别矿井开采标高已超过-800m，最深的已过-1000m。煤层底板承受岩溶承压水的水压已达67MPa，而开采煤层与其下伏的灰岩岩溶含水层之间的隔水层厚度一般只有840m，突水的机率增大，淹井事故也逐年上升。,矿井水灾已成为影响煤矿安全生产的重大问题之一，水灾防治工作已经成为各矿区保证安全生产所必须面对的重大研究课题之一。,二、我国华北各矿区矿井水害防治技术现状,近年来，国家安全监察总局、各省市煤矿安全监察局以及各级煤炭行业管理部门、煤炭企业已经把矿井水灾防治工作列入重要议事日程。新出台的煤矿防治水规定对矿井防治水工作提出了更高的要求。,建立健全水灾防治组织机构。,进一步完善了矿井水灾防治措施。,各煤炭企业必须设专职主要管理人员主抓矿井水灾防治工作。,各煤矿必须健全矿井水文地质图件、水文地质台帐。,必须按相关法律、法规、规程及标准要求建立专业的探放水队伍，配备探放水技术装备。,必须建立完善的矿井主排水系统，并保证其可靠性。,制定矿井中长期防治水规划和年度防治水计划、汛期防洪计划，为防治水工作做好充分的思想准备、物质准备和组织准备。,各矿区对水灾防治工作进行了全方位整改:,受底板灰岩水威胁的华北各矿区在水灾防治策略方面基本上理清了思路，认真贯彻“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水方针，确立了以疏放结合的带压开采为主的防治水策略。,肥城、焦作、永城及郑州等矿区近几年大力开展了对二,1,煤底板进行注浆改造方面的研究，部分矿区在底板改造方面取得了重大研究成果，并逐步得到了推广应用。,从我国各矿区水灾防治工作的全局来看，还存在有明显不足的问题。,主要表现:,1.在矿井水灾防治专业技术人员严重缺乏，对水灾防治工作的重大问题研究深度不够；,2.少数煤矿对水灾防治工作的认识不够深入，投资力度不够，安全技术措施制定不规范，落实不到位；,3.各矿区水文地质工作不够规范，缺少强有力的专业技术措施；,4.尽管有些煤矿建立起了水文地质台帐、水文地质图件等，但由于日常的矿井地质和水文地质工作不够规范，对矿井水文地质的变化情况掌握不够，对未来水灾隐患预测不准；,5.对矿井主要的突水水源、各含水层的涌水特性、涌水量及突水压力认识模糊，对带压开采所存在的潜在危险认识不足；,6.个别煤矿由于井田勘探程度不够，对井田内的地质构造掌握不清，对矿井的突水机理、容易发生突水的区域、矿井涌水量随季度的变化规律认识不足；,7.相当一部分煤矿主排水系统及次级排水系统还不够完善，所配备的排水设备能力偏小，综合排水能力达不到水灾防治要求；,8.主排水系统安全设备存在缺陷，相当一部分煤矿主排水管路没有实现双电源供电；,9.矿井主水仓不符合煤矿安全规程要求，水仓容量不够，水仓淤煤没有得到及时清理，有效容积没有得到充分发挥；,10.一部分矿井没有按要求进行每年一度的水泵联合试运转演习，对主排水系统的实际排水能力掌握不够；,11.相当一些煤矿没有坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，物探工作基本没有进行，钻探工作不够规范，探水过程中的安全技术措施不够完善，存在盲目掘进，盲目开采的现象；,12.部分矿区注浆堵水工作开展得不够及时，注浆堵水技术普及率太低，专业技术人员短缺，水灾治理不够及时，造成了很大的经济损失。,由于存在以上不足，近年来我国煤矿重特大水灾事故时有发生，矿井水灾防治工作任重而道远。,三、我国煤矿水灾事故频繁发生的原因分析,造成矿井水害频发的根本原因主要有水灾防治技术手段推广应用不够，防治水工作投人不足，矿井水文地质基础工作薄弱等。,长期以来我国政府和广大科技人员为煤矿水灾防治工作付出了艰苦的努力，在长期与煤矿水灾事故斗争的过程中，以中国煤炭科学总院西安分院及有关高校和科研院所为代表的防治水科研队伍，研发形成了较为系统完善的适合我国国情的煤矿水害防治技术、方法和相关的仪器装备。但由于生产企业在市场经济条件下没有及时调整好快速增长的生产方式与安全配套的防治水技术与措施之间的协调关系，致使矿井水灾防治技术难以满足矿井的满负荷甚至超负荷生产要求。,许多煤炭企业在19972000年期间因效益不好，造成高素质专业水文地质人才流失，2001年以来煤炭企业规模迅速扩大，产量大幅度提高，防治水技术与管理人员力量不足，加上规范化监管力度不够，使得现有的防治水技术和手段没有得到充分应用，矿井基础水文地质工作力度不够。,据专家研究，防治水技术手段落后，矿井水灾条件预测的准确度不能满足机械化生产的要求，是造成矿井水灾的重要原因之一。,近年来，煤矿开采方式有了很大改进，开采深度和工作面开采空间尺度不断增大，致使水灾产生的条件、水灾威胁的程度以及水灾形成的机理都发生了较大的变化。而目前我国防治水技术和水害预测评价的理论基础仍然以我国20世纪80年代所积累的防治水经验及其相关研究成果为主。矿井水灾防治作为一门实践性很强的学科，其特定历史阶段的研究成果都具有极强的时间效应和对特定采矿方式与采矿环境的适应性。,历史所形成的传统的防治水技术措施已经不能完全满足新形势下现代化矿井建设与生产的要求，矿井防治水技术与生产的高产高效技术发展水平不平衡必然会产生矿井水灾事故的上升。,在煤炭工业快速发展时期，没有研制出对于含水构造和涌水通道进行准确探查的技术与装备，造成了对矿井导水通道的位置、分布、含水性、导水性等探测不准，所制定的防范措施不到位，缺少针对性，这是导致灾难性水灾事故的直接原因。,水源、水量、导水通道是煤矿水灾产生的三大因素，矿井水文地质工作的核心内容就是要查明这三大因素。,含水层对水源和水量起决定作用，其补给和排泄条件具有区域性和面状分布特点，因此往往是易于查明和预测分析的；,但导水通道（断层、陷落注、不良封闭钻孔等）具有显著的局部性和难以预测性，大多数灾难性突水事故都起因于对导水通道的不可预知性。,煤矿水灾存在最为普遍、突水灾害最为严重、突水因素最为隐蔽、水害安全最难预知的莫过于华北型石炭系、奥陶系岩溶水通过断层或陷落柱突水，而我国目前拥有的矿井水文地质条件探查技术与设备对于断层和陷落柱等导水构造的探查精度和超前探测距离都不能满足现代化矿井对防治水工作的基本要求。,越层越界等非法开采的人类活动所诱发的突水条件和水灾隐患，是造成了老空、老窑突水的根本原因。,近年来，政府对乡镇煤矿进行资源整合，大量小煤矿被关闭，部分国有煤矿因资源枯竭而关闭，使得生产矿井周边形成了新的水源和涌水通道，由于没有对矿井关闭可能诱发生产矿井水文地质条件恶化的危险度进行系统评价，没有采取切实可行的水灾监测和防范措施，缺乏关闭矿井相关工程和技术资料的系统整理，对废弃矿井突水条件的认识及防范措施准备不足，频繁发生灾难性的突水事故，而且这类事故呈现出明显的上升趋势。,四、矿井安全生产对水灾防治技术的基本要求,矿井水文地质条件的探查和水文地质信息的分析与管理技术，必须满足矿井建设与生产在时间与空间方面的要求。,煤层顶、底板含、导水构造的探测精度和探测深度，必须满足矿井巷道采掘工作在速度和空间尺度方面的要求。,矿井充水因素的预测预报，必须实现适时性和定量性。,五、煤矿水灾防治技术发展需要解决的重要问题,多年来沿用的突水系数理论是在浅、中部煤炭资源小尺度工作面开采过程中总结出的经验理论，而深部开采的围岩应力条件、矿压扰动和开采破坏条件都与浅、中部开采有很大的不同。,如果沿用原有的突水系数理论来指导大埋深、高水压、高应力、综合机械化开采条件下的矿井水灾防治工作，必然会给生产和安全带来误导。,必要通过现场观测与试验研究、理论计算与分析、室内物理与数字模拟等，研究在新的地质与水文地质条件下、在综合机械化开采条件下，煤层底板水的突出机理和控制因素，为有效实施底板水的预测预报提供理论依据。,1.加强对现代采矿条件下开采煤层底板水突水机理的研究,过去的研究成果主要集中于水量和水源，而对导水通道的研究较少，特别是对煤层底板隔水层的隔水性能的研究较少。,随着开采深度的增加，深部疏水降压难度加大，深入认识煤层底板隔水层的隔水性能，进而有效利用隔水层的自然隔水能力，减少或防止底板突水尤为重要。因此有必要通过对煤层底板隔水层的节理裂隙发育程度、岩石力学性质、由于开采而引起的矿山压力对煤层底板的扰动破坏、水岩相互作用机理以及它们之间相互关系进行研究，提出煤层底板隔水层防高压突水的综合评价理论和方法，为充分利用隔水层的防、隔水性能，开采深部煤炭资源，提供水文地质基础资料。,2.加强对煤层底板隔水层隔水性能的研究,在充分调查研究和对现有地质探查技术与装备的基础上，借鉴相关学科的技术进步与研究成果，针对目前矿井水文地质条件，特别是隐伏导水构造远距离、高精度探查方面存在的问题，研究开发新的探查技术与装备。重点研究以水源和导水构造为主的高精度、远距离快速物探技术与装备，从而提高矿井突水条件的探查精度和空间距离。,3.加强对导水构造探查技术与装备研发,根据对矿井底板水突出机理及主要控制因素的研究成果，利用突水信息原位采集技术、突水因素适时检测技术、突水因素远程监控技术、突水信息动态分析和人工智能判别技术，直接从矿井突水的前兆因素入手，利用现代信号检测、数据传输和模式识别技术，通过适当的传感器直接监测突水前兆各项参数变化，研究确定矿井突水的发生条件和预报方法，建立矿井水灾自动监测预报预警系统，开发相应装备，以实现矿井突水前兆的适时监控、水灾控制信息的过程与动态分析、水害发生的即时预警。,4.加强对煤层底板水灾监控预警技术与装备研究,重点研究矿井突水淹井后突水水源的快速判别、利用注浆技术对出水点快速封堵、被淹矿井快速恢复等关键技术。,5.加强对重大水灾事故快速处理技术与装备的研究,第二部分水害,多源协同预测预报技术,一、,水害,多源协同预测预报技术总体方案,矿井水害多源协同预测预报技术路线：,地震方法与电磁方法相结合；,物探技术与地质分析相结合；,长距离与短距离相结合；,物探技术与钻探技术相结合；,针对矿山不良地质段建立宏观控制预报、准确预报、验证预报三级预报系统。,水害多源协同预测预报技术工作流程见下图。,水害多源协同预测预报技术工作流程图,重点探测区,一般探测区,地面及井下地质调绘，确定重点探测区段及探测内容,正常,确定短距离物探手段及,预报技术，实施探测,确定长距离物探手段,及预报技术，实施探测,异常,井下地质调绘、,超前深孔钻探,正常,井下地质调绘、,加长炮孔钻探,综合分析及预报,确定施工方案,巷道施工,信 息 反 馈,异常,二、,水害,多源协同预测预报技术的主要方法与手段,采用配套技术进行地面及井下工程地质及水文地质调查，结合勘察设计资料拟定预报分级管理标准，划分出重点不良地质区段；,采用水害多源协同预测预报技术的思想与方法建立预报模型，将地质调绘、地质分析与井下物探、钻探相结合，对开挖面前方断层、节理裂隙、破碎带、接触带、含水层、地应力状况以及岩性和围岩等级进行预报。,（一）主要方法,地质调绘,环境监测分析,地质编录,地质构造分析、岩性分析、水文特征分析,钻孔摄影,物探,地质钻探,（二）主要手段,三、组织结构,为了保证水害多源协同预测预报技术的顺利进行，集团公司设立指挥部，发挥设计、科研、施工、制造“四位一体”的优势，对地质预测预报工作及重难技术问题进行联合攻关，水害多源协同预测预报技术组织结构见下图。,水害,多源协同预测预报技术组织结构图,指挥部,矿项目部,短距离探测组,地面地质调绘与监测组,井下地质调绘与监测组,综合分析与预报组,直流电法探测组,超前地质钻探组,瞬变电磁法探测组,四、地质信息收集与处理,水害多源协同预测预报技术要建立一个地质信息系统，通过各种方法收集地质信息，进行综合分析、判断，编制信息预报成果。,水害多源协同预测预报技术信息采集处理流程见下图。,地质信息采集处理系统,信息分析处理,是否与设计一致,变更设计,否,现场施工,是,地质信息系统,五、国内外物探预报技术,国内外主要的物探技术：,电法勘探,磁法勘探,重力勘探,地震法勘探等。,其中物探技术应用较为广泛的有电法勘探、磁法勘探和地震法勘探。,（一）地震法预报技术,国内外常用的地震法超前预报技术有：,陆地声纳法,负视速度法,水平地震剖面法（,HSP,）,TSP,超前预报方法（,TSP202,、,TSP203,等）,TGP206,超前预报方法,TRT,和,TRT6000,超前预报技术,TST,超前预报技术,地震法存在一些技术缺陷，主要在于观测方式与处理软件上。观测方式和软件处理方法缺乏严谨的物理基础，臆造性较大，与真实地质情况有一定差距，造成了一些漏报、误报和工程事故。漏报、误报现象主要是由于地震法勘探对含水地质构造不敏感。,地震法原理图,地层,或,断层,反射波前,震源,检波器,检波器,隧道,（二）电磁法预报技术,电法勘探是勘探地球物理学主要学科之一。,电法勘探研究以地壳中各种岩石、岩石电学性质（导电性、介电性、导磁性、激电性）之间的差异性为基础，利用电场或电磁场（天然或人工）空间和时间分布规律来解决地质构造或寻找有用矿产的一类地球勘探方法。,在实际应用中已有20余种，通常分为三类：,直流电法,直流电法一般常用的有高密度电、音频电透视、三极超前探测、电测深等；,交流电法,交流电法主要有瞬变电磁、地质雷达、磁偶源、坑道透视等；,天然电磁法,天然电磁主要有天然场和电磁辐射等。,1.电法勘探原理,瞬变电磁法，TEM,瞬变电磁法的基本原理是：,利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇时间内，用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法，以取得地质构造数据。,随着电子技术特别是计算机技术的发展，国内外研制的瞬变电磁法勘探仪器不断涌现。如:,MSD-1脉冲瞬变电磁仪采用高精度宽带程控运算放大器、高速十六位模数转换器、高速双口随机存储器等器件，并利用双极性同步采样、对工频相干采样、弱信号多点平均、信号累加、瞬态干扰赐除等多种数据处理方法，获取较好的勘探数据。,矿井地质雷达,国内使用的矿井地质雷达主要由重庆分院开发，其研制的KDL-3型矿井地质雷达系统在技术上已达到国际先进水平，具有微机控制、数据采集、存贮及信息处理、自动成图等功能。分辨率较高，探测距离可达6070m。矿井地质雷达系统包括发射天线和发射机、接收天线和接收机，以及控件部分。发射机通过发射天线对准探测地质目标定向发射高频窄脉冲电磁波，电磁波的传播速度和衷减率取决于岩石的介电性和导电性，且对岩石类型的变化与裂隙含水性非常敏感，在传播过程中，一旦遇到岩石导电特性变化，就可能使部分透射波反射，反射信号或透射信号通过接收天线被接收机所检测，从而探测地质异常体的性质、位置和大小。,主要用于探测落差大于lm的小断层、煤层位置与厚度、厚煤层开层后的剩余厚度、导水裂隙带和灰岩岩溶发育带的位置、隔水层厚度、瓦斯异常带等。,无线电波透视法（俗称坑透法）,无线电波透视法:,是向地下地质体发射高频无线电波，通过观测电磁波在传播过程中场强的衰减情况，以确定地质异常体的位置。,通常情况下，煤层和顶底板岩石对高频电磁波的吸收作用是不同的。低电导率的岩石对电磁波能量吸收作用小，因而接收的信号（即场强）较强，而煤层吸收作用大，接收的信号弱。断层破碎带、陷落柱等则会使电磁波产生反射、折射和吸收，属低电阻体（高电导率）。坑透法在两条巷道（回风顺槽和运输顺槽）之间进行，通常把发射机放在所探测采煤工作面的运输顺槽内，向被探测地质体发射无线电波，接收机放在回风顺槽内，接收透过被探测地质体的电磁波信号，当有低电阻的异常体时，在相应的接收点处能观测到无线电波场强的明显衰减通过改变发射点或接收点位置多次观测，即可确定地质异常体的位置和形态。,直流电法属全空间电法勘探。它以岩石的电性差异为基础，电流通过布置在隧道内的供电电极在隧道周围岩层中建立起全空间稳定电场。,直流电法超前物探主要是根据视电阻率的大小来判断工作面前方的含水构造与地质构造，因此，探测前提是探测目标有明显的电性差异，利用探测目标电性参数的差异来分辨目标体，如：探测目标为岩层、洞穴、金属矿、水体还是构造等。,直流电法,1.直流电法超前预报技术的技术关键,视电阻率是直流电法超前物探的关键因素之一，影响视电阻率的因素主要有：,组成岩石的矿物成分，主要与组成岩石的矿物颗粒的结构状态、湿度（含水量）、温度有关。,岩石中水溶液的分布状态。,岩层中水溶液的电阻率大小。,与含水孔隙度有明显关系。,与岩石的裂隙率，岩溶发育程度有较大关系。,2.直流电法超前预报技术的几个技术关键：,直流电法探测的干扰主要来自5个方面的影响：,探测地点存在铁轨、工字钢、扒矸机等金属干扰物和水沟等连续状低阻体。,巷道底板干湿不匀，局部地区存在积水段。,巷道底板过分干燥引起的接地电阻过大。,线路漏电。,巷道弯曲。,2.直流电法超前预报技术的几个技术关键：,理论上，只要巷道较长，探测时两极足够远，就能达到足够大的探测距离。多年的探测实践表明，因全空间和体积效应等问题，直流电法有效探测距离一般不超过100m。,2.直流电法超前预报技术的几个技术关键：,直流电超前探测法可以超前查获掘进作面前方空洞、断层、富水区等地质异常区，为掘进工作面探放水工作提供了准确的技术依据，有效地预防了掘进工作面突水事故的发生。,（三）物探预测预报技术路线,综合分析上述几种物探技术，结合各种物探技术在国内外应用情况，其中：,地震法勘探对构造、岩性等力学性质变化敏感，也就是说地震法超前物探对构造探测比较准确；,电磁方法对含水性引起的导电性敏感，说明电磁法超前物探对含水构造探测较为准确；,为了提高超前物探的准确性，应采用地震法与电磁法相结合的物探技术，地面物探和井下钻探相结合的技术路线。,（四）直流电法水文地质预测预报应用,1.直流电法仪超前水文地质预测预报的基本原理,一个点电源 O 在均匀介质中的电场形态为球形（见图），每个球壳为一个等电位面，不同等电位面上 A、B 两点会产生电位差，电位差的大小与其通过的介质的导电性（电阻率）有关。用直流电法仪测得 A、B 两点的电位差，依公式可计算出介质的视电阻率。,点电源在均匀介质中的电场形态,j电流线,A,等电位面,B,C,A B C,O,在巷道中设 A、B 两极供电点，其中 B 点设在无穷远（大于测量范围3倍以上），就形成了以 A 点为中心稳定的球形电场。设3个不同球形电场 A1、A2、A3（见图）进行测试，可以得到3组前方相切的介质的视电阻率，经过计算机处理，消除其他方向上的干扰，得到前方切点D处的视电阻率。,掘进巷道,B,Y,3,X,3,Y,2,X,2,Y,1,X,1,A,3,A,2,A,1,三个不同电场观测示意图,连续观测就得到工作面前方不同距离处介质的视电阻率变化曲线，含水地点的岩石视电阻率会大大降低，依视电阻率变化情况可以推测到工作面正前方水文地质是否有异常。,2.直流电法仪工作原理,直流电法仪是由锂电池组、逆变声压、整流滤波、极性变换、单片机控制、A/D 转换、显示、存储、通讯等电路组成。其工作原理见图。,逆变升压,电 路,整流电路电流电压取样电路,变频,输出,单 片,计算机,存储器,键 盘,电源电路,串口通讯,PC,显 示 器,A/D转换器,M,N,A,B,直流电法仪工作原理示意图,电池输出的直流电压经逆变升压电路产生,83 V,的高压，经整流滤波、极性变换电路输出，即通过,A,、,B,电极供入大地，建立稳定的人工电场；,同时通过,M,、,N,电极接收大地的感应电压信号，经,A/D,转换器转换成数字信号后送单片机控制电路，测量电压和供电电流，经过计算存入存储器。,显示器用来显示参数和测量数据。,存储器用于测量参数和测量数据的储存。,存储器中的数据通过,RS232,串行通讯口传送到,PC,机中，在,PC,机中完成数据的转换和成果图的绘制。,3.工程实例,登封市庙庄煤矿是一个技改矿井，2006年5月对该矿的部分巷道采用直流电法进行了超前探测，根据探测结果对其水文地质进行了预测预报。,（1）测点布置,根据不同探测目的，直流电法可以采用多种工作装置形式。井下探测通常应用对称四极测深装置、三极测深装置和三点三极超前探装置，由于此次超前探测的目的是了解运输大巷掘进工作面前方的断层含水情况，所以采用三极测深布极法。测点布置见下图。,在掘进工作面迎头布置供电极 A1、A2、A3，间距 4 m，A1 布置在掘进工作面迎头位置 1 m位置，接收极 M、N，间距 4 m，在掘进工作面迎头后 300 m处布置 B 极作为无穷远极。距供电极 A112 m 开始跑极，观测记录各点视电阻率，然后在计算机上绘制 A1、A2、A3 点视电阻率曲线图。以各条曲线上距 A1 供电点等距低阻点为依据，分别以 A1、A2、A3 点为圆心绘圆，三圆相交点即为前方低阻异常点。,测点布置图,（2）成果分析,将井下采集的数据通过RS232串行通讯口传送到计算机中，在计算机中通过 Sufer8 完成数据的转换和成果图的绘制，详见庙庄煤矿主运输大巷直流电法超前探测结果图。,本次采用直流电法仪三极布极法，对巷道超前探测 100 m，共测得数据 75 组，其中可信数据 73 组，有效探测距离为 85 m。图中用两种方式表达介质的视电阻率大小，一是视电阻率等值线；一是颜色深浅，颜色较浅部分表示视电阻率较低，颜色较深的部分表示视电阻率较高。图像下方数字代表距巷道掘进工作面距离。,从图中可以看出：,工作面前方 4857 m为一低阻区，此区间岩石的视电阻率为5565，比正常介质视电阻率低得多，可视为富水区；6068 m之间为一高阻区，此区间岩石的视电阻率为145155，比正常介质的视电阻率要高，可视为断层破碎带，不含水；其余部分为正常段。,揭露验证:,在掘进工作面前方 47.5 m 处出现淋水，并且水量较大，掘进工作面前方 60 m 处出现一落差5m的断层，与探测结果完全吻合。,（五）直流电法超前预测预报成果图,六、井下钻探,1.超前距,探水时从探水线开始向前方打钻孔，探水一掘进一再探水一再掘进，循环进行。而探水钻孔终孔位置应始终超前掘进工作面一段距离，该距离称超前距,（见探水钻孔的主要参数示意图）。,（一）探放水的主要参数,探水钻孔的主要参数示意图,2.允许掘进距离,经探水证实无水害威胁，可以安全掘进的长度称允许掘进距离。,3.帮距,帮距,使巷道两帮与可能存在的老窑积水之间保持一定的安全距离，即呈扇形布置的最外侧探水孔所控制的范围与巷道帮的距离，可用下式计算：,a超前距，m,L巷道跨度（宽度高取大值），m,K,P,煤的抗拉强度，MPa；,A安全系数，一般取25,P水头压力，MPa,4.钻孔密度（孔间距）,指允许掘进距离终点横剖面上探水钻孔之间的间距，不超过3 m，以免漏掉含水区。,（二）探放水钻孔布置方式,扇形探水钻孔,半扇形探水钻孔,探水钻孔的布置方式和巷道类型、煤层厚度与产状有关，情况不同时，布置方式也有所不同，主要有:,扇形、半扇形,（三）探水与掘进的配合,1.双巷掘进交叉探水,2.双巷掘进单巷超前探水,3.平巷与上山配合探水,4.隔离式探水,（四）断层带探放水,据统计，矿井突水事故中有90以上是位于断裂带或其附近。因此，当采掘工作面将要揭露或接近含水、导水的断裂构造时，都必须进行探水，防止突水事故发生。,1.断层探放水原则与探查内容,（1）断层探放水原则，下列情况均必须探水：,采掘工作面前方有导水断层存在，但具体位置不清或控制程度不够。,采掘工作面前方，预测有断层存在，但具体位置和含（导）水性不清。,采掘工作面底板隔水层厚度与承受水压都处于临界状态，采掘工作面影响范围内断层赋存情况不清。,巷道揭露或穿越断层无突水征兆，但隔水层厚度及实际水压接近临界状态。,井巷工程在浅部穿越断层时已证实不含（导）水，但深部有可能突水。,根据井巷工程和断层防水煤柱留设的特殊要求，必须查明的断层。,采掘工作面接近推断导水断层100m时，或距已知含（导）水断层60m。,采区内小断层使煤层与强含水层的距离缩短时，含水层水压大于23MPa。,（2）断层水探查的主要内容,查明断层位置、落差、走向、倾向、倾角，断裂带宽度、充填物和充填程度，断层的导水性与富水性。,查明断层两盘断裂带裂隙、岩溶发育情况、两盘对接部位的岩层及其富水性。,查明煤层与强含水层的实际间距。,查明断层探水孔不同深度处的水压、水量，确定底板水在隔水层中的导升高度。,通过放水试验和连通试验查明断层导水性、富水性以及通过断层的侧向补给水量。,2.断层探放水方法,断层探水方法与探老窑水方法相仿，但探水钻孔孔数要比探老窑水少，一般为3个孔，钻孔布置方式按探查目的不同略有差异。,（1）探查工作面前方已知或预测含（导）水断层：先布置掘进前方1号孔，然后再打2、3号孔，确定断层走向、倾向、倾角和断层的落差及两盘的对接关系。,（2）隔水岩柱处于临界状态时对掘进工作面前方的探查：沿巷道掘进方向打3个孔。,（3）巷道实见断层，在采动影响后有无突水危险性的探查：一般应向下盘预计采动影响带内打1号孔；若无水，则还应向预计采动带以下打2、3号孔。,3.断层水的预防和处理,（1）断层带不含（导）水,导水水源为孔隙、裂隙水时，可直接通过，但防止塌落冒顶；若是冲积层、岩溶含水层，须先打孔疏放，证实水压、水量不大时，再过断层带。,（2）断层带弱含（导）水，有可能突水的断裂带,若水源为孔隙、裂隙含水层时，需加强支护，防止冒落。如水压、水量较大时，应先打孔疏水降压，然后再过断层。,若是冲积层、岩溶含水层时，要超前探水，再穿过断层带。如隔水岩柱不足，应留设防水煤柱。,若为厚层强岩溶水或大型地表水体时，巷道掘进必须超前探水，回采时须留设断层防水煤柱。,（3）富含水或导水性强、突水可能性大的断层,若水源为孔隙、裂隙含水层时，回采前疏水降压至安全值以下，并留设防水煤柱。,若水源是冲积层、灰岩层含水层时，要超前探水，防止滞后突水、留防水煤柱。,若水源为厚层强含水层或大型地表水体时，应超前探水，留设断层防水煤柱。,第三部分,煤矿注浆堵水技术,一、注浆技术的发展、现状与研究方向,又称为灌浆（Grouting），它是将一定材料配制成浆液，用压送设备将其灌入地层缝隙内使其扩散、胶凝或固化，以达到加固地层或防渗堵漏的目的。从而改善受注地层的水文地质或工程地质条件。,注浆,（Injection Grout）,注浆技术起源于地下工程的特殊需要。,1802年，法国人查理斯贝里格尼在修理第厄普冲刷闸时，用木制冲击筒装置，人工锤击方法向地层挤压将石灰和粘土浆液加固迪普港的砖石砌体，开始了注浆施工。,1824年，英国的约瑟夫阿斯普丁研制成功硅酸盐水泥后，一些国家开始以水泥为主要注浆材料，将注浆技术应用于建筑基础、水坝和矿山工程中。,1845年，美国沃森在一个溢洪道陡槽基础下灌注水泥砂浆。,1864年，阿里因普瑞贝硬煤矿的一个井筒第一次使用了水泥注浆法，以后又相继在比利时、法国和德国使用了这种方法。,1885年蒂金斯成功采用地面预注浆方法开凿井筒，并取得了专利权。从此，注浆技术作为矿山工程、建筑工程中防水、加固的重要手段，先后在英国、法国、南非、美国、日本以及前苏联等国家得到了广泛的应用。,1884年，英国的豪斯古德在印度建桥时首次使用化学注浆并获得成功。,1887年，德国切撤尔斯基发明了硅化法并获得专利。,1909年，比利时人勒马尔塔蒙特提出了双液单系统的一次压注法并获得专利。,荷兰采矿工程师尤斯登在1920年首次论证了化学注浆的可靠性，并创造了水玻璃氯化钙双液双系统两次压注法，开始了化学注浆的历史。,上世纪50年代以后，欧美及日本等国家开展注浆材料研究，美国研制了粘度接近水、凝胶时间可任意调节的丙烯酰胺浆液（AM9），接着各国分别研制出了木质素类、脲醛树脂类、酚醛树脂类、呋喃树脂类、丙烯酸盐类、聚氨脂类、环氧树脂类、不饱和聚酯树脂等性能各异的注浆材料。另一方面，注浆材料向超细水泥方向发展，逐步替代化学浆材，减小对环境污染和降低工程造价。砂、土层的化学注浆防渗加固技术逐步被20世纪70年代以后开发的高压喷射注浆法所取代；高压喷射注浆技术由单管（CCP法），逐步发展为二管（双介质）和三管（三介质：水、气、浆）。,我国20世纪50年代初在煤炭、水电、铁路等行业中，利用注浆法治理水害，才填补了旧中国在注浆技术方面的空白。,20世纪60年代以后，煤炭行业的注浆技术得到快速发展。注浆材料由单液水泥浆发展到CS双浆，即水泥水玻璃浆液。,1964年我国研制成功MG646新型化学浆液，1967年研制成功水泥一水玻璃双液注浆法，70年代研制成功聚氨酯化学注浆材料。近年来又开发了以粘土为主剂的CLC型粘土水泥浆，降低了注浆成本。,注浆材料的发展，促进了注浆设备和机具的研制，相继出现了一系列高性能专用注浆泵，高精度的陀螺定向测斜仪，高效的冻注钻机，KWS型止浆塞等。,注浆方法分类；,1按注浆材料的不同分类：,化学注浆、水泥注浆、粘土类注浆,2按浆液的混合方式分类：,单液单系统法、双液单系统法,同步注入型双液双系统法、交替注入双液双系统法,3按注浆的施工时间分类：,预注浆、后注浆。,4按注浆的目的不同分类：,加固注浆、堵水防渗注浆、置换注浆,5按浆液的渗透方式为类：,充填注浆、渗透注浆、挤密注浆和劈裂注浆,6按注浆管形式进行分类：,钻杆法、花管法、双层管双栓塞法、同步注入法、高压喷射搅拌法,二、注浆材料,（一）注浆材料及其特点,注浆材料配制和作用一般包括三个阶段：,原,材,料,配制,浆液,形成,结石,体,加入水或,其他溶剂,化学反应或,物理反应,结石体用于充填、堵塞地层中的裂隙或孔隙，起到堵水和加固的作用。,原材料包括主剂和助剂，助剂根据其在浆液中的作用，分为固化剂、催化剂、速凝剂及悬浮剂等,理想的注浆材料，应满足以下要求：,浆液粘度低，流动性好，可注性好，能够进入细小隙缝和粉细砂层；,浆液凝固时间可以在宽域时间内任意调节，并能人为地加以准确控制；,浆液的稳定性好。常温、常压下存放一定时间不改变其基本性质，不发生强烈的化学反应；,浆液无毒、无臭，不污染环境，对人体无害，属非易燃、易爆物品；,浆液对注浆设备、管路、混凝土建筑物及橡胶制品无腐蚀性，并且容易清洗；,浆液固化时，无收缩现象，固化后有一定的粘结性，能牢固地与岩石、混凝土及砂子粘结；,浆液结石率高，结石体有一定的抗压强度和抗拉强度，不龟裂，抗渗性好；,结石体应具有良好的耐老化特性和耐久性，能长期耐酸、碱、盐、生物菌等腐蚀，并且其温度、湿度特性与被注体相协调；,注浆后材料颗粒应有一定的细度，以满足注浆效果，但颗粒越细，浆液成本也就越高；,浆液配制方便，操作简单，原材料来源丰富，价格合理，能大规模使用。,按浆材料主剂性质分为两大系列：,（二）注浆材料的分类,无机系列,单液水泥类浆液,水泥粘土类浆液,可控域粘土固化浆液,高水速凝材料浆液,水泥-水玻璃类浆液,水玻璃类浆液,有机系列,丙烯酰胺类浆液,木质素类浆液,脲醛树酯类浆液,聚胺酯类浆液,其他有机类浆液,1.单液水泥类浆液,（三）无机系列注浆材料,以水泥为主包括添加一定量的附加剂，用水配制成浆液，采用单液方式注入岩土层，这样的浆液称为单液水泥浆。,单液水泥浆,系指是指能改善水泥浆液性能的速凝剂、早强剂、塑化剂、悬浮剂等。,附加剂,水泥浆的基本性能,（1）纯水泥浆,不包括附加剂，只有水泥和水调制而成的浆液，随着水灰比的增大，水泥浆的粘度、密度、结石率、抗压强度等有十分明显的降低，初凝、终凝时间逐渐延长。,（2）附加剂,水泥速凝剂,能缩短水泥凝固时间的化学药剂。我国速凝剂种类很多，如“711”型、红星一型、阳泉一型、氯化钙、苏打、水玻璃、碳酸钾、硫酸纳等。水泥浆中加入氯化钙或水玻璃均有显著速凝作用。