过水大断面截流堵巷工程若干关键技术问题的探讨

在过水巷道中灌注骨料建造阻水墙是实现突水矿井水害治理的重要手段,阻水墙建造的关键技术问题长期以来缺乏理论技术支撑。从骨料灌注期间的水力学状态、堆积体的"生长-接顶"机制、截流施工参数、墙体受力特征、建造技术综合优化等方面进行了研究和探讨,结果表明:(1)截流过程可分为4个阶段,即骨料灌注前的施工准备阶段、铺底-充填阶段、骨料接顶阶段、注浆加固阶段,结合固液两相流数值模型验证了截流期间流量在时空上的动态分布效应。(2)灌注期间骨料运移受流场作用存在筛选效应,堆积形态与流速密切相关,当骨料灌注过程与流速总体匹配时堆积高度和长度可同步增长并向上游逆向接顶直至成功截流,如果水流流速过低则会提前接顶并在孔间留下空腔。(3)巷道倾角越大骨料向上山方向的起动流速越大,向下山方向越小,且下山中灌注时堆积长度更大、高度更低,不利于成本和工期的控制。(4)从能量守恒、渗流突破、浆液初凝时效3个角度提出了骨料堆积长度的估算方法,分析了不同预测方法的适用性,指出巷道倾角、分支巷、冲刷效应对骨料灌注量的影响。模拟得出5 MPa上游水压对阻水墙的最大应力影响范围不超过50 m,表明注浆加固重点区域是上游距来水端较...     

集中突(过)水巷道阻水墙综合建造技术

煤矿发生突水灾害后,在突水构造及其位置不明确的情况下,利用独头突(过)水巷道的有利条件,通过灌注骨料和注浆截流建造阻水墙成为最直接、最快速有效的治理方案。系统地介绍了在动水条件下集中突(过)水巷道阻水墙的综合建造技术和工艺。     

过水巷道动水快速截流机理研究

保浆袋囊钻孔控制注浆可以解决传统过水巷道动水截流工程量大、工期长且易发生次生灾害等技术难题,实现快速抢险救援和恢复生产的目的.为了进一步研究阻水墙快速建造机制,采用典型工程案例分析和基于过水巷道动水快速截流大型模拟试验平台的物理模拟试验,对保浆袋囊钻孔控制注浆快速截流机理进行研究.结果表明:保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流的主控因素为动水压力、动水流量和巷道围岩力学强度,其中单纯的投放保浆袋囊+补充注浆的动水截流模式,仅适用于动水压力低、动水流量小和巷道围岩力学强度高的突水截流环境,其快速截流机理是保浆袋囊能够使得袋囊之间的水流流速较小,水泥-水玻璃双液浆在扩散凝结过程中不易被动水袭夺,致使双液浆凝胶体可以在袋囊之间控制运移扩散,并快速与巷道顶板堆积接顶,有利于截流巷道中阻水墙的快速建造.而投放保浆袋囊+灌注骨料+补充注浆的动水截流模式,可适用于动水压力高、动水流量大和巷道围岩力学强度低的突水截流环境,其快速截流机理是保浆袋囊首先能够提前完成部分骨料铺底和充填阶段;其次是保浆袋囊残余过水断面处的高速水流环境能够使得骨料灌注过程中携带进入巷内的空气快速排出巷外,减少骨料灌注过程中的堵孔次数,同时加快骨料灌注速率;最后是由保浆袋囊和骨料组成的骨料接顶阻水体具有高阻弱渗的阻水性能,其中,高阻特点可使阻水体抵抗更高的动水压力,减少骨料灌注期间堵孔阻水段快速升压导致发生阻水体频繁突破再造的次数,低渗特点可为阻水段后期补充注浆浆液快速凝结创造有利的条件.     

综合注浆法建造阻水墙技术

煤矿发生突水灾害后,在突水构造及其位置不明确的情况下,利用独头过水巷道的有利条件,通过灌注骨料和注浆施工建造阻水墙成为最直接、最快速有效的治理方案.论文以东庞矿2903工作面陷落柱突水灾害为例,系统介绍了综合注浆法建造阻水墙的工艺技术与方法.     

双液注浆法快速建造阻水墙封堵突水巷道

以2010年3月发生于内蒙古乌海骆驼山煤矿特大突水淹井水害治理工程为实例,介绍了一种从地面打400m定向钻孔、适用于静水条件、孔底混合方式的水泥-水玻璃双液注浆法快速建造阻水墙封堵突水巷道技术。利用双液注浆法快速建造阻水墙封堵突水巷道技术先快速建造阻水墙骨架,再联合运用传统综合注浆法对阻水墙骨架进行注浆加固形成阻水墙实体,经受住了试排水阶段的初期注浆效果检验和最后抢险救援阶段最终抽排水的注浆阻水墙实体强度考验,达到了快速注浆堵水抢险救援的目的,经过事实证明该技术是直接、快速有效的突水水害治理技术,能够为其它突水水害抢险救援方案的实施提供借鉴和指导作用。     

矿井大流量动水注浆细骨料截流技术

以桑树坪煤矿为例,研究了细骨料在矿井大流量动水注浆中的应用,总结了以往矿井动水注浆中使用的截流材料,阐述了桑树坪煤矿突水和堵水工程的过程,分析了骨料截流的机理和细骨料在动水截流中的可能性,论述了采用细骨料砂子进行截流的工艺和方法,研究了桑树坪矿动水截流的条件。实践表明,在突水量达8000m3/h的矿井大流量动水截流中,只使用细骨料而不使用粗骨料也能完成截流任务;桑树坪煤矿堵水中砂子能成功截流与动水压力小及过水面积大有关。     

垮塌煤巷内快速构建阻水墙技术

为解决垮塌巷道中充填骨料堆积半径小,阻水墙初步形成时间长的问题,及其初步形成之后,阻水墙及软弱煤巷,容易受突水点内外压差△p作用而失稳的问题,在充填注浆阶段,首次省去灌入骨料,采用了"水泥单浆液充填注浆技术",及"大井回灌助推阻水墙快速构建技术"。结果表明:水泥单浆液的扩散半径大,阻水墙形成有效连接迅速;大井回灌技术降低了△p增大速率,使其保持在阻水墙及软弱煤巷能够承受的范围内,只用42 d便完成了阻水墙的构建。     

煤矿岩溶水水环境保护安全开采技术

总结了邢台矿区岩溶地下水水环境保护开采方面的技术经验,通过不断深入研究,在水文地质预测、超前探查、井田分区评价、煤层底板改造、快速建造阻水墙、建造陷落柱堵水塞和充填开采技术等方面,取得了较大的技术进步和成效。实现了矿井超前预探及采前安全性评判,采用下组煤带压开采底板注浆改造加固技术,综合注浆法快速建造阻水墙技术、陷落柱堵水塞建造技术、综合机械化充填采煤技术,有效防止了工作面突水事故的发生。     

动水大通道突水灾害治理关键技术

针对动水大通道及地面无法施工直孔的治理技术难题,以潘二煤矿特大隐伏陷落柱突水灾害快速治理工程为例,在分析突水水文地质条件的基础上,提出了采用定向分支斜钻孔同时对过水巷道截流和突水通道堵源的治理方案。根据以往直孔堵水经验,确立了水力射流骨料灌注工艺和分序分段高压注浆工艺,并给出了骨料灌注关键技术和高压注浆结束标准。根据钻探注浆特征分析,结合淮南矿区陷落柱发育基本条件,推测了导水通道形态特征。注浆堵水结果表明:突水点残余涌水量为0,奥灰水位恢复良好,堵水率100%;堵源分支钻孔单位吸水率均小于0.1 Lu,堵源效果良好,彻底切断了奥灰水与突水点之间的水力联系。     

深部开采高水压条件下矿井注浆堵水技术

2012年5月26日申家庄煤矿2302工作面回采时在采深约830 m处发生突水,堵水中巷道截流段承受水压高达8.2 MPa。为了完成抢险任务,研究分析了堵水条件,制定了注浆方案,按设计方案进行了施工,复矿排水后截流段安全可靠,堵水效果良好。申家庄煤矿堵水实践表明,在高水压条件下进行注浆堵水,首先要做好巷道截流段的注浆工作,同时要进行突水点采空区注浆和突水通道注浆,在截流段、采空区、突水通道经注浆后连成一个整体的情况下,巷道截流段是安全的。     

采空区挡水墙施工技术研究

老空水是煤矿水害类型中最普遍的一类,许多矿井关闭后的老空水对其相邻矿井的安全生产造成很大威胁。以禹州枣园煤业有限公司22071综采工作面受邻近白庙煤矿老空水威胁为例,在白庙煤矿停产关闭后,该矿矿井水位上升,其老空水通过22071综采工作面切眼下部采空区涌入枣园煤业22071工作面,威胁22071综采工作面生产安全。矿井针对白庙矿老空水特点,通过在22071综采工作面切眼以里22071运输巷里段构筑挡水墙,在挡水墙上设置放水孔,安全疏放白庙矿采空区老空水,挡水墙采用“料石+混凝土浇筑＋帷幕注浆”进行施工。实践表明,该施工方案效果良好。     

水流速度对单裂隙化学注浆浆液扩散影响的试验研究

在不同水流流速条件下，对单一裂隙动水化学注浆浆液扩散规律和注浆堵水效果进行了一系列试验。结果表明，水流流速越大，浆液沿逆水流方向和垂直水流方向的扩散距离、固结体面积和堵水率越小，堵水效果越差；水流流速对逆水流方向扩散距离的影响程度大于对垂直水流方向扩散距离的影响程度。采用理论模型计算了水流流速对浆液沿水流方向和逆水流方向扩散的影响，表明水流速度对逆水流扩散距离影响大，逆水流扩散距离随流速增大降低明显。在动水条件下，为了获得好的注浆效果，注浆孔布置应考虑水流流速的影响，在水流速率大时要减小注浆孔的间距。     

压水试验定量评价注浆效果研究

注浆后岩体渗透性和力学强度是反映岩体注浆效果的重要参数,为定量评价注浆堵水工程效果,以安徽某矿奥灰特大突水抢险注浆堵水工程为例,提出采用钻孔高压压水试验方法,对C53太原组灰岩堵源注浆效果进行定量评价。针对高压压水试验过程中岩体渗透性的剧烈变化特征,提出采用紊流渗透定律计算岩体渗透系数。研究结果表明:C53太原组灰岩注浆后表现出良好的隔水性能,阻水性能呈现出高阻弱渗的特点,渗透性等级属极微~微透水,与注浆前弱~中等透水的渗透性等级对比,渗透性能显著变弱,说明堵源注浆效果良好;可根据临界抗渗强度来评价C53太原组灰岩注浆后抵抗水力劈裂的力学强度,经计算其临界抗渗强度为1.83 MPa/m,依据阻水系数消能试验测试原理,注浆后C53太原组灰岩足以抵抗5.64 MPa奥灰水的劈裂破坏,可以消除煤层底板奥灰突水威胁,能够达到堵源注浆工程目的。     

水泥-水玻璃注浆在围堰防渗漏浆处理中的应用

漏浆是围堰防渗注浆过程中常遇到的工程现象,采取合理有效的方法解决漏浆问题对注浆效果具有重要的工程意义。针对引黄工程某围堰防渗注浆过程中的大量漏浆问题,对现场工程情况及漏浆原因进行了分析,提出采用水泥-水玻璃双液注浆的解决方案。在分析水泥-水玻璃浆液凝结硬化机理基础上,主要从注浆材料、注浆方法、注浆压力、注浆结束条件及封孔等方面对其注浆技术的现场应用情况进行了分析。检查孔压水试验表明,通过水泥-水玻璃注浆处理后,漏浆地层透水率大幅减小,满足工程设计要求,达到漏浆封堵效果。     

深部承压水上含隐伏构造煤层底板渗流路径扩展规律

针对邯邢矿区矿井开采深度逐渐加深与采动影响下隐伏构造活化而导致底板奥灰层突水威胁日益加重的问题,研究大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律,以确定矿井底板突水条件及重点治理区域。从开采扰动、隐伏构造、承压水共同作用角度分析,根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析,建立了含隐伏导含水构造的概化力学模型,通过断裂力学理论得出了含水裂隙的起裂条件、抗渗透强度及由主应力表达的裂隙扩展判据,应用弹性力学边界荷载在半无限板内传播的经典求解方法推导得出了采动应力与承压水压力耦合作用下含隐伏构造煤层底板的垂直应力、水平应力和剪切应力表达式,在所得应力分量基础上通过应力张量的不变量求解应力状态方程得到含水裂隙扩展判据中的主应力表达式,以邯邢矿区典型突水矿区地质与开采参数为例进行算例分析,通过编制Matlab计算程序计算得出底板裂隙的扩展路径。进而采用可模拟岩石破裂声发射且裂隙扩展可视化效果较好的RFPA数值软件进行验证分析,再现了底板渗流路径演化过程。理论计算与数值分析结果表明:隐伏构造的局部应力扰动作用影响了渗流路径的扩展方向,使3种类型底板分别呈现出不同的渗流路径,对于完整型底板,渗流裂隙由奥灰承压水层顶界面至采空区两侧边界呈"正八字"形向采空区扩展;对于隐伏陷落柱型底板,渗流裂隙沿陷落柱顶界面呈"倒八字"形向上发散式扩,至底板28 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线分别指向采空区两侧边界展;而对于隐伏断层型底板,渗流裂隙则沿断层延线的反向扩展,至底板30 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线指向工作面后方,在底板含水裂隙自下而上与底板采动裂隙自上而下联合扩展作用下最终贯通形成底板奥灰水至采煤工作面的渗流通道。基于理论计算和数值模拟得出的底板承压水渗流路径扩展规律,在实际工程中可结合微震监测技术来实时动态捕捉煤层底板隐伏导含水构造活化的前兆信息,进而实现底板突水路径的预测预报和快速重点区域治理。     

普通注浆法在立井过砂岩强含水层中的应用

以平煤股份十矿三水平北二进风井井筒为例,阐述了立井井筒预注浆+壁后注浆工艺及涌水治理措施。使用传统注浆工艺——普通注浆法,借鉴注浆堵水的成功经验,采取科学合理的注浆技术,利用水泥+水玻璃双浆液,将砂岩内含水堵截在井筒注浆帷幕圈以外,彻底根治了井筒井壁淋水,为井筒安全、快速掘进提供了保障,确保了井壁质量,取得了良好的技术经济效益。     

多含水层条件下大断面立井开凿综合防治水实践

为探究需要穿越多个含水层时立井井筒施工过程的有效防治水措施,在孟村煤矿开展了具体实践应用。根据地层分布情况,结合井筒开凿前、开凿时以及成井后的防治水需要,从主动、被动两方面考虑,选取了全深冻结、双层钢筋混凝土浇筑、射孔注浆、壁间壁后注浆相结合的综合防治水措施。实践表明,整个建井过程中未发生过任何较大的淋水现象,整个过程中总水量小于2 m3/h,为井筒的施工创造了良好的作业条件,顺利通过了洛河组巨厚砂岩中等富水性含水层;该综合防治水技术的成功运用为类似条件下的井筒防治水工作提供了宝贵的经验,具有一定的推广价值。     

含水率对泥质粉砂岩强度损伤及声发射特征影响的研究

煤系沉积岩体原生及采动裂隙为水-岩作用提供了渗流通道,且受其组分和胶结类型等因素的影响,水作用下煤系沉积岩体力学性质改变显著。采用X射线衍射仪、无损浸水试验装置和煤岩力学性质测试系统,分析了泥质粉砂岩矿物组分,测试了其含水率随时间变化规律,并探讨了含水率影响下泥质粉砂岩强度损伤演化特征。研究结果表明:泥质粉砂岩中高岭石、伊利石和绿泥石等黏土矿物占矿物成分的62%;根据岩样含水率随浸水时间的变化趋势,将其划分为快速增长(0~25 h)、缓慢增长(25~85 h)及恒定(85 h~)3个阶段;由干燥到饱和,岩样的单轴抗压强度降低了47.72%,弹性模量降低了18.36%;随着含水率的增加,岩样破坏形式由剪切破坏逐渐向拉张破坏转化;应力、累计AE计数与时间变化关系曲线能阐明裂隙扩展的各个阶段,其中,裂隙不稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活跃;除含水率1.6%的岩样外,声发射定位结果与岩样实际破坏迹线大致相符;加载初期,岩样内部在中心位置产生剪切裂隙并扩展,裂隙和能量逐渐向外围扩散,后期产生拉剪复合裂隙。研究成果对于煤矿地下水库坝体设计、富水巷道顶板岩层控制等工程中涉及的水岩作用问题研究提供了有益参考。     

富水岩溶隧道注浆堵水技术研究

高压、富水岩溶隧道稳定性较差,节理裂隙发育,围岩遇水风化软化严重,易发生塑性变形和流变,严重影响了正常施工和安全.针对大瑶山隧道的水文地质条件,提出了“以堵为主,适量排水,防、截、排、堵相结合,综合治理”的防治水方案,从研究复合性注浆材料、注浆工艺、注浆设备等方面对隧道各种水害进行综合治理,制定了“分区、隔断、集中、封堵,一长一短、先浅后深”的径向围岩注浆堵水工艺,有效地解决了隧道施工中渗水问题,确保了隧道的安全和长期稳定.     

高孔隙率砂岩涌水渗流场特征与注浆治理

将孔隙率引入到多孔介质达西渗流理论中的连续性方程及动量守恒方程,建立均质高孔隙率砂岩非稳定达西渗流数学模型,同时结合实际工程中的水文地质条件,采用数值模拟的方法研究了不同注浆压力下渗流场演化规律及涌水区域水流速度变化。计算结果表明:随着注浆压力的提高,浆液不断驱替砂岩中的孔隙水,有效封堵过水通道;不同注浆压力下巷道涌水区域水流速度变化显著:注浆过程中水流速度降低接近于零,注浆结束后水流速度上升最终达到稳定状态。针对地下工程中高孔隙率砂岩的涌水治理提出了"深部封堵水源、浅层注浆加固"治理原则,通过现场试验,取得了良好治理效果。