奥陶系突水高压水闸墙设计与施工的若干问题

奥陶系突水高压水闸墙设计与施工的若干问题——徐州三河尖煤矿21102工作面突水综合防治隋旺华资源与地球科学学院水文地质部分专题二主要内容1、矿井水文地质工程地质条件2、国内外现状及研究内容3、前期抢险救灾工作4、治理方案的确定5、水闸墙设计6、水闸墙施工组织7、工程应用效果1、矿井水文地质工程地质条件1.1地质条件：地层——井田内钻孔揭露的地层由老到新为：奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗—白垩系、第三系、第四系。三河尖煤矿地层综合柱状图地质构造——三河尖井田位于滕鱼背斜向西南的延伸部分。经地震测线控制、钻孔穿过及生产揭露的大中型断层有30条，其中孙氏店断层、F1/断层和F24断层为井田边界断层。三河尖井田构造纲要图1.2水文地质条件三河尖煤矿位于半封闭的滕县背斜储水构造水文地质单元的西南侧。根据含水层岩性特征，空隙性质及地下水埋藏条件，可划分为三种类型的含水层组：孔隙潜水-承压含水层组裂隙承压含水层组岩溶裂隙承压含水层组1.3工程地质条件主要研究21102工作面本次防治水工程21煤及其顶底板的主要工程地质类型的工程地质性质。1.421102工作面突水情况21102工作面概况——位于太原组西一、西二采区，该工作面为三河尖煤矿太原组首采工作面。工作面走向长1136m，倾斜长85m，采深为-770.8至-831.2m，煤层倾角16°-20°，煤厚1.1-1.8m，煤层直接顶板为十二灰，厚度5.2m，老顶为泥岩，厚15m；直接底板为泥岩，厚0.7-1.1m，老底为细砂岩，厚2.7m。21煤层底板距奥灰45.62m，距离富水的奥灰马家沟组约为200m。21102工作面在回采过程中涌水量一直在2m3/h左右，至突水时工作面回采330m。21102工作面突水经过——于2002年10月26日8：40发生突水，短时间内最大涌水量达2170m3/h，后逐渐衰减。至今水量稳定在后一直稳定在1020m3/h，水温50.5℃。0500100015002000250010:0013:0021:000:007:0014:3019:000:005:0010:0019:000:0019:000:0019:000:009:0010:0019:0010:2610:2710:2810:2910:3010:31日期(d/h)涌水量m3涌水量变化曲线图2、国内外现状及本课题研究内容2.1现状综述突水的预测和防治——煤矿开采技术的一个重要组成部分水闸墙（防水门）——矿山巷道隔水构筑物注浆堵水——煤矿防治水中应用广泛的工程技术突水的预测和防治——煤矿开采技术的一个重要组成部分由于煤矿水害而给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重。在我国煤矿重特大事故中，水害事故在死亡人数上仅次于瓦斯事故，居第2位；在发生次数上，也紧随瓦斯和顶板事故之后，居第3位。据不完全统计，在过去的20多年里，有250多个矿井被水淹没，死亡1700多人，经济损失高达350多亿元人民币。上世纪80年代中期是我国煤矿水害最为严重的时期，当时在开滦、肥城、焦作等矿区连续发生了多期灾难性突水淹井事故。随着两期工业性试验研究和政府对防治工作监管力度的加大，我国煤矿水害事故呈现出逐年减少的趋势。突水的预测和防治——煤矿开采技术的一个重要组成部分近年来，随着科学技术的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了极大的提高，但煤矿突水事故却频繁发生。特别是2000年以来，煤矿水害事故又呈现出上升的趋势。据不完全统计，从2000年到目前为止，共发生重特大水害事故152起，死亡970人，失踪340人。此外，矿井水害事故对煤矿正常生产的影响也非常大，特别是对一些高产高效现代化矿井影响极大。这些矿井一旦发生水害事故，即使不淹井不死人，也可能造成综采机械设备不能正常工作，停产一天都会造成巨大的经济损失。目前我国水害压煤超过100亿吨，随着开采条件的复杂化，一些特殊矿井水害问题也日益严重。如近松散层采煤的水砂突涌问题、大型水体下采煤的安全开采上限问题、西部缺水地区的保水采煤问题等。这些问题的研究目前尚不够深入，需要进行专门攻关。突水的预测和防治——煤矿开采技术的一个重要组成部分显而易见，在加强监管同时进一步开展矿井水害综合防治研究，有效遏制矿井水害事故的发生，已成为保障矿井安全生产的十分迫切的需要，具有重大的社会意义和经济意义。关键技术–加强矿井水害防治基础理论研究–研究建立矿井水害自动监测预报预警系统–研究开发矿井水害救灾快速反应指挥系统–研究高性能注浆材料及注浆工艺–解决特殊矿井水害问题突水的预测和防治——实例与经验矿山防治水技术水平也得到了不断提高，从简单的单纯排水发展到复杂的预先人工降低地下水位的疏干；从简单的堵漏发展到现代的注浆和构筑防渗墙技术，已使许多过去因水害而不能开发的矿床得以安全开采，严重的水害矿山得以根治。突水的预测和防治——实例与经验焦作矿区“立足矿井，预防为主，疏堵结合，分类治理”的防治水方针，采取综合治理的防治水技术与措施。主要技术措施有：（1）加强水文地质预测、预报坚持月、季、年的水情水害预测、预报工作，对矿井生产地区进行逐头、逐面分析。及时、准确的水文地质预报工作，一方面为生产部署提供了可行的地质依据，避免了盲目采掘，另一方面可减少突水和降低突水强度，保证安全生产。（2）坚持有疑必探，防止巷道误揭断层突水为防止采掘巷道误揭落差大于5m的断层，制定了有疑必探、超前探水的具体有疑标准。另外，根据断层落差和水压大小，留设足够的防水煤柱；而巷道必须穿过断层时，要采取加固措施，降低矿压对围岩的破坏，有效防止断层滞后突水。（3）合理疏堵，减少矿井涌水量控放方法有两种，第一种是钻孔控放，在适当地点向灰岩含水层打放水钻孔，孔口加截水阀，必要时可以关闭或控制流量；第二种方法是建控放站，在适当地点向灰岩含水层掘进巷道，在揭露灰岩前建立防水闸门，然后沿灰岩含水层开掘巷道放水，利用水闸门按采掘工程进度及突水规律控放，经生产验证效果较好。对已回采结束的采区采用防水闸门(墙)封闭是生产矿井减少水量的另一有效途径。突水的预测和防治——实例与经验（4）改革巷道布设，减少恶性突水焦作矿区矿井水平大巷，采区上下山布置随开采水平加深和对水文地质条件的认识程度经历了三个阶段。第一阶段将巷道布置在煤层顶板岩石中，其弊端在于留设保护煤柱大，维护困难，造成煤炭回收率低，第二阶段将巷道设计在底板岩石中，其优点是减少煤柱损失，有利疏水降压。随开采深度增加各含水层水压相对升高，二灰、奥灰突水日趋严重，掘进巷道时突水次数增多，突水量增大，淹井、淹采区事故愈来愈多。在总结上述两个阶段的正反两方面经验和教训，认识到焦作矿区的巷道布置要决定于水文地质条件复杂程度，在高水压(2.0MPa)地区或八灰水疏放效果不好的地区，主要巷道布置在顶板岩石中，不做或少做底板岩巷，待防排水系统形成后，再行控放。在水文地质条件相对简单，八灰接受补给不明显的地区，将主要巷道布置在煤层底板岩石中。（5）建立、完善矿井防排水系统建立防水闸门(墙)主要是防止奥灰突水淹井。由于奥灰突水具有水量大、来势猛的特点，且其涌水量难准确预计，若按突水量布置排水设施技术难度大，经济上也不合理。所以按水文地质条件复杂程度，采取分翼、分水平或分区设置防水闸门(墙)进行隔离防水，可避免因一处突大水而造成矿井被淹没的后果。各生产矿井水文地质条件复杂的地区基本实现了单独隔离。（6）推广使用新技术利用业已成熟的井下直流电法探测技术、瑞利波探测技术和工作面坑道透视技术对生产区进行探测。查明生产区底板岩溶含水层富水情况，确定生产过程中发生突水的机率，提出相应的防治措施；突水的预测和防治——实例与经验义马矿务局新安煤矿于1999年11月5日发生了突水量达4257m3/h的特大型奥灰突水灾害，并于当月7日矿井被淹。后根据实际水文地质条件，采用了“上阻，中拦，下堵”的立体堵水方法，封堵了突水信道，解放被淹矿井，堵水效果良好。所谓上阻，即在突水巷道和破碎带进行固料填充和注浆，设置阻水障碍，增加对地下水涌入巷道的阻力；中拦，即在中间L1-3灰岩段通过注灰砂浆拦截下部O2灰岩水的信道或通过L1-3灰岩含水层的间接涌出；下堵，即在O2灰岩含水层或断层破碎带地段进行充填和注浆，彻底切断O2灰岩水对突水点的补给通道。突水的预测和防治——实例与经验徐州矿区矿井水灾比较严重，据不完全统计，自解放以来，全区共发生水灾事故66起，严重影响了矿井生产，造成巨大经济损失。从水源看，水灾类型主要有：地表水水灾、冲积层水水灾、顶板砂岩水水灾、石灰岩岩溶水水灾、老窑老空水水灾、钻孔水水灾、断层水水灾、陷落柱水水灾等。地面防水，井下防水，探放水，留设防水煤柱，设置水闸墙或水闸门，矿井排水及注浆堵水。突水的预测和防治——实例与经验自1954年以来，郑州矿区因奥灰、寒灰突水造成淹井达6次，随着矿井向深部的开采，奥灰-寒武灰岩含水层突水的危险性将越来越大，是矿区防治水工作的重点。主要防治对策与技术如下：(1)进一步查清水文地质条件，建立健全地下水长观系统。(2)实行分区隔离，完善防排水系统,正确留设安全防隔水煤柱。对水文地质条件复杂，有突水危险的区域，采取分区隔离的开采方案，在适当的位置建立相应的水闸门，防止突大水。(3)注浆封堵奥灰、寒灰突水点。(4)预注浆加固断层带和底板薄弱带。水闸墙（防水门）——功能矿山巷道隔水构筑物，主要指水闸墙和防水门。水闸墙在我国名称不一，目前有隔水墙、堵水墙、水闸墙和防水墙之称。其主要功能有以下几点[17]：（1）堵水巷道掘进中如果出现突水，其涌水量大于本中段现有排水能力或矿井总排水能力，对矿井安全已构成威胁，在这种情况下可构筑水闸墙，以解除突水带来的威胁。（2）控制放水为进行地下疏干建水闸墙；当向富水地区掘进巷道时，如果遇到涌出的地下水对矿井安全构成威胁，水闸墙对地下涌水进行控制放干措施，如果遇到停电或排水设备出现故障，关闭放水闸门，以确保矿井安全，有些水闸墙虽非为疏干而建，当地下水位降低，危险期过后，放水闸门打开，用于疏干，或作他用。（3）节能巷道掘进中，如果遇到从孤立通道中涌出的地下水或旧矿井水，这些新增涌水量对矿井安全虽不构成威胁，但无疏干的必要，只能增加矿井排水费用，在这种情况下，构筑水闸墙只是为了节能堵水。水闸墙（防水门）——功能（4）加速排水速度在恢复淹井排水过程中，当突水中段出露后，立即在该中段突水点附近构筑水闸墙给予封闭，其目的在于减少矿井总涌水量，加快排水速度，以求早日使淹井恢复生产。（5）作为地下水库井下生产中所用的清水，如：凿岩，喷雾、喷浆等用水，可从上部中段已有的水闸墙中引出水管降到下部中段，供生产用水。也可以从专门建造的水源隔水墙中引出水管，如果水质符合饮用标准，也可作矿区生活用水。水闸墙（防水门）——位置选择水闸墙位置应选择在巷道围岩工程地质良好的地段；水闸墙位置原则上应尽量靠近涌水点，使水淹区控制在最小范围内，尤其是靠近采场或采孔区地段。因为密闭巷道内水淹区越长，沟通采场或相邻巷道的可能性也愈大。应注意水闸墙和采场之间的关系，即：隔水墙和内侧的水淹巷道应在采场和采空区岩体移动或采动影响范围之外；水闸墙外侧不应该出现和墙内水淹巷道相连通的泄水点，岩溶矿区尤其要注意这个问题；由于水闸墙建成后，墙体内的封闭巷道一般不再使用，故水闸墙不宜建在主干巷道内；原则上应该选择再巷道断面较小处，以减少工程量。同时适当考虑施工条件水闸墙（防水门）——实例直墙式水闸墙[18]，像砖石墙体一样，与巷道的四周围岩形成密封整体，一般不用掏槽，可节省工程量，为涌水量大的矿井或采区安全开采提供有力保障。该方法与一般防水墙设计方法不同的是:利用材料力学中的剪切强度条件原理，结合井下防水墙的具体要求，导出墙体厚度计算公式，利用公式进行承载能力验证和墙体厚度计算。该方法设计施工简单易懂；可以不掏槽，节省工程量，从而节省工程费用开支；施工工期短，为抢险堵水提供可靠保障；特别是