煤矿水害防治新技术与新装备

煤矿水害防治新技术与新装备主讲人：董书宁2019年5月30日111234我国煤矿水害的特点煤矿水害防治技术概述煤矿水害预防新技术与新装备煤矿水灾治理新技术与新装备主要内容25煤矿水害防治技术发展趋势1我国煤矿水害的特点3煤矿水害是与瓦斯和粉尘爆炸、煤与瓦斯突出、顶板冒落、火灾并列的五大灾害之一尽管近年来水害事故数量及死亡人数总体呈下降趋势，但较大以上水害事故时有发生，形势依然严峻近5年煤矿较大以上灾害事故分布情况水害事故现状1.我国煤矿水害的特点4煤矿水害事故起数与死亡人数统计图水患分区特征西北侏罗纪煤田裂隙水水患区华北石炭二叠纪煤田岩溶裂隙水水患区东北侏罗纪煤田裂隙水水患区华南晚二叠世煤田岩溶水水患区台湾古近纪煤田裂隙孔隙水水患区西藏滇西中生代煤田裂隙水水患区1.我国煤矿水害的特点水患分区主要充水水源水患特点华北底板岩溶水老空水涌、突水频繁，常影响生产或淹井，深部下组煤受奥灰水严重威胁华南顶、底板岩溶水老空水涌、突水频繁，常影响生产或淹井，雨季突水频率高，突水常伴有泥沙东北顶板松散层孔隙水及砂岩裂隙水、老空水部分矿井受地表水、松散层水威胁较重，有时造成淹井事故西北顶板砂岩裂隙水老空水总体缺水，少部分矿井受地表水、老空水威胁较大西藏滇西及台湾煤炭储量占比较小，水文地质条件较简单，富水性弱，总体水害不严重水患分区特征1.我国煤矿水害的特点水文地质类型划分截止目前，全国共有5684个煤矿开展了水文地质类型划分。其中：极复杂型矿井59个，占总数的1.04%；复杂型矿井291个，占5.12%；中等型矿井3624个，占63.76%；简单型矿井1710个，占30.08%。1.我国煤矿水害的特点水文地质类型复杂、极复杂煤矿共有350个主要分布在：陕西、河北、新疆、山西、河南、四川、贵州、内蒙古、安徽、山东、黑龙江等地区水文地质类型划分81.我国煤矿水害的特点2煤矿水害防治技术概述9过程治理源头预防局部治理区域治理井下治理井上下治理措施防范工程治理治水为主治保结合2.煤矿水害防治技术概述根据《煤矿防治水细则》，应落实防治水主体责任，推进防治水“五个转变”。坚持“三专两探一撤”是防范煤矿重特大水害事故的重点措施。三专：专业人员专门队伍专用设备两探：物探钻探一撤：撤人“五个转变”“三专两探一撤”11水灾治理技术水害预防技术水害防治技术2.煤矿水害防治技术概述12水害预防技术水灾治理技术探测探查监测预警预测预报超前治理应急救援探查测试快速复矿根治水患2.煤矿水害防治技术概述3煤矿水害预防新技术与新装备1314水害预防技术探测探查监测预警预测预报物探钻探化探试验“两探”超前治理3.煤矿水害预防新技术与新装备常用的煤矿物探技术包括弹性波技术和电磁波技术两大类。根据不同地层的物性差异，探测地层厚度变化及地质构造等。根据不同介质的电阻率差异，探查地层富水性。弹性波技术电磁波技术常规三维地震高密度全数字三维地震槽波瑞利波微震……瞬变电磁法直流电法高密度电法音频电透视坑透……（1）物探技术151）水患探测探查技术3.煤矿水害预防新技术与新装备高覆盖次数、小面元采集、面元属性均匀数字记录、数字传输提高弱反射层的成像精度拓宽目的层反射波频带及提高主频提高地震资料的信噪比高密度全数字三维地震技术16奥灰顶界面无法识别奥灰顶界面清晰可见1）水患探测探查技术3.煤矿水害预防新技术与新装备（1）物探技术1）探测技术槽波探测新技术：1)槽波设备：集中式节点式2)数据类型：XY分量Z分量3)透射方法：速度成像能量成像4)反射方法：同相叠加绕射偏移断层回风巷道1.巷道超前探测：巷道掘进过程中，探测迎头前方构造探测距离200m2.反射槽波探测：巷道形成后，探测巷道侧帮内部探测深度300m断层回风巷道3.透射槽波探测：工作面形成后，探测工作面内部透射距离600m运输巷道陷落柱煤厚变薄带高家堡41103工作面断层刘桥一矿417陷落柱赵庄5312煤厚变薄带葫芦素21102断层回风巷道回风巷道阳煤二矿811013.煤矿水害预防新技术与新装备（1）物探技术采用音频发射、等频接收技术，抗干扰能力强，透视距离为400m左右多频点、多方位探测技术，实现了工作面顶底板100m深度范围内水害隐患精细探测音频电透视仪四档变频（15-120Hz）发射电流70mA接收灵敏度1μV防爆类型本安型ExiblMb三维音频电透视法1）水患探测探查技术3.煤矿水害预防新技术与新装备唐家会煤矿62103工作面陷落柱探测结果陷落柱体（1）物探技术地面发射，孔中接收可探查钻孔周围30~50m范围内含水异常体信号衰减小抗干扰能力强空间定位准1）水患探测探查技术3.煤矿水害预防新技术与新装备（1）物探技术地-孔瞬变电磁法近水平定向钻探技术(探水、注浆)（2）钻探技术地面大口径钻探技术（救援）1）水患探测探查技术3.煤矿水害预防新技术与新装备ZDY1300型坑道钻机ZDY15000LD型煤矿用履带式大角度高转速钻进距离长孔口防喷、夹持装置钻孔开孔定位仪探放水钻机开孔定位仪（2）钻探技术1）水患探测探查技术3.煤矿水害预防新技术与新装备ZDY3500JD型煤矿用胶轮式车载离子色谱仪矿井充水水源快速识别仪车载移动水化学实验室水质全分析同位素分析有机物分析连通试验突水水源快速识别系统22（3）化探技术1）水患探测探查技术3.煤矿水害预防新技术与新装备水情监测指标（水位/水压、流量、水温、水质）（1）水情监测3.煤矿水害预防新技术与新装备2）监测预警技术（2）地下水分层监测系统常规水文监测孔地下水分层监测孔3.煤矿水害预防新技术与新装备2）监测预警技术（3）自动排水监控系统根据水位及涌水量自动启、停水泵，自动实现水泵的轮换工作具有自动控制、远程手动控制及井下泵房现场控制三大控制模式地面监控中心站主机打印机光端机（地面）PLC控制箱……用户用户用户数据库服务器WEB服务器矿内局域网地面井下用户Internet外网共享地面井下1～5#操作箱操作台RS485和以太网RS485/CAN正负压传感器浮球开关电动闸阀反馈信号（本安）水位传感器PT100管道流量传感器17路电动闸阀信号（非安）17路电动球阀信号（非安）RS4851#水泵2#水泵3#水泵4#水泵5#水泵光端机（井下）3.煤矿水害预防新技术与新装备2）监测预警技术监测富水性变化-监测是否已出现富水异常监测岩石破裂过程-监测导水通道是否已形成监测岩层变形、水压、水温的指标变化-监测水源是否导升连续电法系统微震系统光纤传感器系统(应变、水温、水压)-70-90-80-60-70-90-80-60t1t2t4t3底板水害监测预警系统应用：冀中能源集团葛泉煤矿（4）底板水害监测预警2）监测预警技术3.煤矿水害预防新技术与新装备t527（5）微震监测2）监测预警技术3.煤矿水害预防新技术与新装备井-地-孔微震监测系统示意图工作面运输巷巷道传感器地表传感器地面井地面井中传感器井下孔中传感器GPS卫星通讯天线回风巷微震分站微震分站交换机工作面上方地表顶板导水裂隙带底板破坏带断层活化过程…………3）预测预报技术涌水量动态预测技术工作面涌水量随着工作面老顶垮落和导水裂缝带的发育情况而动态变化。应依据覆岩活动规律、工作面水文地质结构特征和工作面推进至不同地段进行工作面涌水量动态预测。老顶初次垮落老顶周期性垮落CCCC1234LⅠⅡⅢⅠ－老顶初次垮落形成的裂隙带Ⅱ－老顶第一次周期性垮落形成的裂隙带Ⅲ－老顶第二次周期性垮落形成的裂隙带老顶不同垮落阶段导水裂缝带发育示意图3.煤矿水害预防新技术与新装备“动、静态水结合”工作面涌水量预测方法将工作面采后涌水量分为“静态水”和“动态水”两部分静态水：随工作面顶板垮落即时释放；动态水：有稳定补给源3）预测预报技术工作面涌水量动态变化曲线3.煤矿水害预防新技术与新装备“动、静态水结合”工作面涌水量预测方法3）预测预报技术1211221201exp/exp/,,,,,,,,,,tjtdtjdQQkabQkabkfkqDVkfkqDVQgSQgkMHSKKKK工作面顶板涌水量预测动力系统通用模型基于多阶系统动力学衰减、恢复理论模型，叠加刻画工作面顶板含水层静态水释放与动态补给的复合过程，建立水文地质参数与采动信息耦合的涌水量预测通用理论模型静态水释放与动态补给复合涌水过程3.煤矿水害预防新技术与新装备老空透水案例事故原因：8446采煤工作面自开切眼向前推进42米后，老顶来压，顶板垮落，与上部采空区积水导通，涌入采煤工作面和相邻的两个掘进工作面8446工作面顺槽掘进时虽然采取了物探、钻探措施，探查并放掉了部分采空区积水，但采空区积水没有全部放空！！2015年4月19日，山西省同煤集团地煤公司姜家湾煤矿8446采煤工作面发生透水事故，造成21人死亡（1）老空水患超前治理（老空水最容易造成人员伤亡）4）超前治理技术3.煤矿水害预防新技术与新装备定向钻孔轨迹可控，落点较准定向钻孔单孔钻进距离长可施工分支孔可有效解决巷道掘进与超前探放水的冲突问题，提高了工作效率排水效率高4）超前治理技术基于定向钻进工艺的老空水探放技术3.煤矿水害预防新技术与新装备老空水老空水332010年3月1日7时20分，位于内蒙古乌海市的神华集团乌海能源公司骆驼山煤矿在基建施工中发生煤层底板突水灾害。当班井下共有作业人员77名，事故发生后经抢救有46人相继升井(其中1人经抢救无效死亡)，事故共造成32人遇难、7人受伤。底板突水案例（2）底板水患超前治理（底板水造成经济损失最大）4）超前治理技术3.煤矿水害预防新技术与新装备井下定向钻进及注浆改造（加固）底板含（隔）水层特点：井下巷道中布置钻场无效孔段短，盲区小优先考虑该项技术应用：焦作矿区韩城矿区……（2）底板水患超前治理4）超前治理技术3.煤矿水害预防新技术与新装备地面定向钻进及注浆改造（加固）底板含（隔）水层当治理靶区埋藏较浅或遇到高硬度、高水压地层时，可选择地面施工定向钻孔，注浆改造（或加固）底板含（隔）水层缺点：无效孔段长、穿采空区施工难度大应用：邯邢矿区、淮北矿区等（2）底板水患超前治理4）超前治理技术3.煤矿水害预防新技术与新装备引入径向射流造孔技术，实现径向孔注浆功能，完成导水断层注浆封堵和奥灰含水层注浆改造。36互嵌式射流布孔法地面径向射流造孔注浆改造灰岩含水层（2）底板水患超前治理4）超前治理技术3.煤矿水害预防新技术与新装备（3）顶板水患超前治理4）超前治理技术顶板溃水溃沙超前治理技术采用含水沙层水头疏降、沙层固结、防渗引流（过沟开采时）、加强支护等防治技术措施。沙层固结关键技术：采用密孔、超细水泥、反复强化的复合式注浆方式，能提高含水沙层固结率及覆岩整体强度。挤密型高压劈裂型浅埋煤层地表风积沙溃入灾害3.煤矿水害预防新技术与新装备顶板离层水害超前治理技术4）超前治理技术离层水害的防控思路：分析离层空间发育的位置、充水水源、透水条件→判别致灾离层→制定防控技术措施。超前治理技术：确定离层水体最佳探放时机，即根据垮落步距在离层水体形成之后、泥岩隔水层破断之前，布设井下束状群孔，对离层水体进行精准靶向疏放。直罗组粗砂岩上分层离层水夹层泥岩直罗组粗砂岩下分层顶板泥岩煤层离层发育示意图束状钻孔靶向探放示意图3.煤矿水害预防新技术与新装备（3）顶板水患超前治理（4）地表水患超前治理4）超前治理技术3.煤矿水害预防新技术与新装备2007年8月17日，山东省华源矿业有限公司发生洪水淹井事故，死亡172人，与其相邻的名公煤矿也被洪水淹没，致使9名矿工遇难。40封堵地面塌陷裂隙通道修筑排洪渠、防洪堤漏水河床(冲沟)铺底河流改道地面帷幕截流塌陷坑堵填方法示意图排洪沟示意图（4）地表水患超前治理4）超前治理技术3.煤矿水害预防新技术与新装备4煤矿水灾治理新技术与新装备41救援提升装备救援提升装备的特