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1、133浅谈肥城矿区水害防治方法2011级采矿工程专业 尹德宇 指导老师：孙太庆摘要：通过对肥城矿区水文地质条件探查，提出疏水降压、注浆改造含水层、留足防水煤柱等承压水害防治措施。关键词：水文条件 探查 疏降 注浆改造 水害防治1.概况肥城煤田位于鲁西台背斜肥城断陷盆地内，东西走向长22km，南北宽27km，面积98km2，主要可采煤层为31层煤、7层煤、8层煤、9层煤和102层煤。其中，二叠系山西组31层煤，为上组煤，上组煤基本不受水威胁，现已全面开发，有的矿已开采完；石炭系太原群含7、8、9、102层煤，也称下组煤，下组煤受煤层底板承压水威胁严重。肥城煤田属于华北型石炭、二叠系全隐蔽式煤田，
2、水文地质条件极为复杂，煤系基底中奥陶系岩溶-裂隙水水害十分严重，全公司60%以上的可采储量受水威胁。自1965年开采下组煤以来共发生底板出突水200余次，历次突水中水量大于1000m3/h的有8次，水量大于30m3/h的有122次。其中1993年1月5日，国家庄矿-210m水平北大巷施工过程中遇到隐伏断层发生的底板奥灰突水，突水量达32970m3/h，造成矿井被淹，经济损失巨大。因此，搞好矿井水害防治工作是肥城矿区保障安全生产的首要任务。2.肥城矿区的水文地质特征2.1地质构造肥城煤田断裂构造十分发育，根据目前揭露的资料，共发育落差大于30m的断层66条，延展长度184km，落差大于20m30
3、m的断层88条，延展长度235km，平均每平方公里0.9条、长度2.4km。煤田区域内的主要断层有马山断层、岈山断层、桃园断层和肥城断层。肥城煤田基本是受这些大断裂控制的单斜构造。由于断层的切割，造成四灰、五灰与奥灰地层多处对口接触，并形成多处地堑、地垒构造。煤田区域内的大构造，一般都作为井田边界，成为控制矿井水文地质边界条件的主要因素。煤田内断裂构造的主要特点是断层展布方向主要为北东、北北东向，北西向断层较少且主要发育在煤田东部；断层延展距离长、数量多、密度大；断层多为高角度正断层，切割深；局部地段层间滑动构造明显；由于断裂构造十分发育，造成主要含水层水力联系密切，断裂构造是奥灰补给四灰含水
4、层和五灰含水层的主要通道。2.2含水层肥城矿区为华北型石炭二叠系晚古生代含煤地层，包括二叠系山西组、石炭系太原群，含煤地层总厚度为250m275m，第四系直接覆盖在含煤地层之上，煤系基底为奥陶纪、寒武纪石灰岩，地层中的主要含水层有：第四系砂及砂礓含水层；山西组三层煤顶底板砂岩含水层；太原群第一、二、四层灰岩含水层和9煤顶板泥灰岩含水层；本溪群五灰含水层；奥陶系灰岩含水层。各含水层自上而下详细叙述如下：2.2.1 第四系砂及砂礓含水层第四系厚11.07127m，平均35m左右，南薄北厚，岩性主要由粘土、亚粘土和砂土组成。上部为12层含水砂层与粘土层交互成层，单层总厚度0.911.78m，透镜状，
5、 不连续，单位涌水量q=0.5L/S.m，含水性中等， 水位标高为+100+120m， 水质为重碳酸氯钠钙型（HCO3ClNaMg），矿化度0.170.355g/L；砂及砂礓含水层距地表210m，主要成分由钙质结核及粘土组成。结核具小孔，水即储藏其内，为孔隙性潜水。其水位距地表05.0m。井筒穿过本层时，涌水量约为20m3/h。主要接受大气降水补给。底部的粘土、亚粘土隔水层，发育普遍，厚度4.1m92.7m，平均厚度11.0m左右，岩性较纯，粘度大，具有良好的隔水性能和可塑性能，它充填了基岩的裂隙和溶洞，隔绝了第四系潜水与煤系中含水层的联系，使地表水及第四系潜水不能补给煤系含水层，即使遇到开采
6、破坏，发生地面沉降，地表水和第四系潜水也不能渗入矿井，因此第四系潜水与基岩无直接水力联系，对煤层开采无直接影响。2.2.2 3层煤顶板砂岩含水层3层煤顶、底板砂岩含水层厚0.5417.28m，岩性为灰白色长石英中粒砂岩，钙质胶结。水质自北而南由HCO3NaCa 变为ClHCO3NaCa，矿化程度由0.641增高至0.839g/L。开采过程中，涌水量60282m3/h，是上组煤开采过程中的主要充水水源。浅部砂岩较厚、富水性较强，深部砂岩较薄、富水性较弱，但由于3层煤顶板砂岩补给水源有限，可直接疏干，故对矿井生产影响不大。2.2.3 一灰含水层一灰厚0.824.09m，上距山西组3层煤64.08m
7、，下距5层煤58.8m，沉积稳定，岩溶裂隙不发育，单位涌水量q=0.780.0031L/s.m，渗透系数k=40.440.172m/d，富水性弱，易疏干。根据1986年5月曹庄矿轨道暗斜井钻孔揭露，单孔涌水量为45m3/h，20日后降至5m3/h。矿区内在浅部现已疏干。原始水位标高为+60.595m，水质属HCO3ClCaNa型，矿化度为0.4870.81g/L。2.2.4 二灰含水层：厚0.732.88m，平均1.96m。是6煤直接顶板，上距5煤6.5m。溶隙不发育。1987年2月，国家庄矿-210m水平轨道暗斜井钻孔揭露，单孔涌水量为40m3/h，10日后降至5m3/h。矿井深部F隆断层上
8、盘，二灰疏干至-160m水平。浅部即F隆下盘至露头，二灰已疏干至-80m水平。原始水位标高+63.43m ,水温150C，水质属HCO3ClCaNa型，矿化度0.4870.81g/L。2.2.5 四灰含水层：四灰是8层煤的直接顶板，厚1.768.6m，平均厚度4.93m，上部泥质含量较大，中部夹厚度为00.35m的粉砂岩，下部质较纯，致密坚硬，多含燧石，垂向裂隙和顺层裂隙均较发育，偶见洞穴，常为方解石所充填。单位涌水量q0.00060.817L/SM，原始水位标高为60.93113m，渗透系数K=0.01918.18m/d，四灰上距7层煤14.5125.98m，平均20.6m；下距五灰2543
9、.38m，一般为3436m。开采资料表明，四灰的岩溶裂隙在发育程度上存在较为明显的垂直分带性，浅部裂隙溶洞发育，富水性强。裂隙发育程度和富水性由浅部向深部趋于减弱， 大体上可分三个水平带：（1）-50m以上为裂隙溶洞带，q0.790.813L/S.m，K=3.715.896m/d，（2）-50-300m 水平为裂隙带， q=0.00060.002L/S.m， K=0.01 0.03m/d，（3）-300m水平以下为微裂隙带，大部分钻孔冲洗液无漏失现象。四灰水与其它含水层的联系甚微，以静储量为主，补给有限。随着8煤的开采，目前在浅部四灰已局部形成疏干区，最低水位标高已达480m，深部四灰尚有未揭
10、露区。局部地段由于大型断层的切割，造成四灰与断层对盘的五灰、奥灰对口接触，存在着五灰、奥灰的垂向或侧向补给，使四灰含水层部分区域水文地质条件复杂化，四灰难于疏干。四灰是威胁下组煤安全开采的主要含水层之一。2.2.6 五灰含水层：五灰厚4.8212.68m，平均厚910m，质纯、致密坚硬，为灰色质纯致密厚层状细粒结晶灰岩，岩溶裂隙发育。五灰上距8层煤22.543.18m，平均3234m；距9层煤16.933.02m，一般24m；上距10层煤1437m，一般1620m；下距奥灰1.4118.57m，一般10m左右，单位涌水量q0.001716.12L/S.m，富水性较强，原始水位标高为60.80+
11、63.74m,近期的最高水位为+35m左右，渗透系数K=1.131.877m/d。根据矿井突水、放水资料证实，五灰的突水性浅部大深部小。深部岩溶发育极不均一,呈明显的垂直分带性和横向上的不均一性。井下钻孔揭露,单孔水量为0.5250m3/h。因迳流条件、构造等因素的影响，五灰的富水性不均一， 具有明显的块段性和垂直分带性，在倾向上，一般向深部五灰岩溶发育趋于减弱，富水性亦呈浅大深小，深部径流强度大大减弱，但个别地段仍存在富水区。由于五灰和奥灰间距小，受断裂构造发育的影响，水力联系十分密切，水质、水位动态与奥灰基本相同，五灰为煤系底部主要含水层，补给量受岩溶发育程度控制。随着开采标高的降低，水压
12、增大，矿压对底板破坏深度加大，更易发生底板突水，直接威胁着本矿区8、9、102层煤的安全开采。五灰是矿井直接充水的水源层，严重威胁下组煤的开采，是防治水工作的重点。2.2.7 奥陶系石灰岩(O2)含水层：奥灰含水层是煤系地层底盘含水层，呈巨厚层状，厚度800m左右，上距五灰1.4118.57m，一般10m左右，单位涌水量q=0.0114101.01L/Sm，K=0.20640.28m/d。原始水位标高为+62.07+64m，矿化度为0.2470.681g/L。奥陶系灰岩在矿区内埋藏深度+30-500m。奥陶系灰岩在盆地周围山区有广泛出露，面积约260Km2，直接接受大气降水的补给，补给量相当丰
13、富，达2.8万m3/h，是煤系各含水层的补给水源。从矿区内奥灰水文孔统计资料看，奥灰顶部30m左右岩溶裂隙不发育，仅在局部地段顶部岩溶裂隙发育。奥灰与五灰间距10m左右，由于构造作用，奥灰极易以水平或垂直方式补给五灰，二者水力联系极为密切，为主要补给含水层。奥灰是威胁下组煤开采的主要含水层。2.3 隔水层肥城煤田地层中对煤层开采有直接意义的隔水层主要有第四系底部的粘土层、太原组粉砂岩地层及煤系下部本溪组泥岩、砂岩层等，下面将各隔水层自上而下为：1、第四系底部粘土层：第四系底部的粘土、亚粘土隔水层，发育普遍，厚度4.1m92.7m，平均厚度11.0m左右，岩性较纯，粘度大，具有良好的隔水性能和可
14、塑性能，它充填了基岩的裂隙和溶洞，隔绝了第四系潜水与煤系中含水层的联系，使地表水及第四系潜水不能补给煤系含水层，即使遇到开采破坏，发生地面沉降，地表水和第四系潜水也不能大量渗入井下。2、7层煤底板砂岩层：7层煤下距四灰14.5125.98m，平均20.6m，岩性以泥质胶结粉砂岩为主，胶结性差，遇水易膨胀。7层煤开采对底板的破坏深度一般为11m。3、8层煤底板粘土岩、砂岩层：8层煤下距五灰22.543.18m，平均3234m，岩性以泥质胶结的粉砂岩为主，在102层煤底板有一层厚平均3.5m的粘土岩具有良好的塑性和隔水性，另外在五灰顶板大部分区域有一层中砂岩，坚硬， 对防止五灰突水也起到了一定安全
15、屏障作用。8层煤开采对底板的破坏深度一般为12m，随着开采深度加大，对底板的破坏程度亦不断加大。根据研究成果表明，8层煤开采对底板的破坏深度最大可达36.5m，远远超过有效隔水层的实际厚度，煤层底板突水的几率非常大。4、9层煤底板砂岩层：9层煤下距五灰16.933.02m，平均24m，以泥质胶结的粉砂岩为主，102层煤底板粘土岩及五灰顶板中砂岩对隔水、阻止五灰突水均起到了一定作用。采矿对底板的破坏深度一般为10m。随着开采深度加大，对底板的破坏程度亦不断加大。根据最新研究成果表明，9层煤开采对底板的破坏深度最大可达14.2m，亦接近有效隔水层的实际厚度。5、102层煤底板泥岩、砂岩层：102层
16、煤下距五灰1437m，一般1620m,以泥质胶结粉砂岩为主，其底板粘土岩厚平均3.5m，具有良好的塑性和隔水性，另五灰顶板有一层中砂岩，对防止五灰突水亦起到一定作用。采矿对底板的破坏深度一般为8m。对煤层开采有直接意义的隔水层是：7煤下距四灰15.73m32.50m，平均为20.77m，岩性以粉砂岩为主，次为粉砂岩及细砂岩互层；102层煤至五灰之间的隔水层，厚度13.4139.53m，平均23.47m，岩性以粉砂岩为主，次为泥岩及中细砂岩，局部地段含有泥灰岩(无名灰)和煤线(11煤)。由于受采动影响，矿山压力对煤层底板隔水层具有一定的破坏作用，根据肥城矿区实际开采状况，在正常块段7层煤的底板破
17、坏深度为11.0m；8层煤的底板破坏深度为12m；9层煤的底板破坏深度为10m；102层煤的底板破坏深度煤为8.0m。据钻探资料，就102层煤而言，其底板至五灰顶板最小厚度为13.41m。而102层煤开采以后的破坏深度达8m，再加上五灰以上中粒砂岩裂隙水使五灰承压水头上升，实际有效隔水层厚度变小，最后导致承压水沿煤层底板裂隙导出。在构造薄弱地段，地下水则更易克服岩层结构面的阻力，使水压直接作用于煤层底板，更容易造成底鼓而出水。因此，根据肥城矿区的实践证明，开采下组煤尤其是8、9、102煤层，注浆加固煤层底板，改变承压含水层的富水性，是肥城矿区防治五灰的主要方法之一。2.4各含水层间的水力联系肥
18、城矿区地表水、第四系潜水与煤系地层内各含水层间因为第四系底部发育有厚度稳定、隔水性能良好的粘土、亚粘土层，无直接水力联系。煤系地层内各含水层间及与煤系地层基底奥灰含水层之间，由于断裂构造的破坏，使得以上各含水层均能发生水力联系，其方式分为以下几种：1、水平直接接触(水平流入)式：在煤田浅部岩溶隙发育区，由于断层的切割造成断层两盘含水层对口接触，断层破碎带内充填物少或胶结不好,即可形成直接水平式水力联系，在国家庄矿浅部采区的放水试验证明，F7-1断层为这种形式的水力联系，在F7和F25边界断层及其它地带，也存在这种联系的可能性。2、水平渗透间接式水力联系：断层两盘含水层对口接触，但断层带内因断层
19、泥充填较好，断层带具有一定的隔水作用，或附生断层使含水层间接对口接触，可形成水平渗透间接式水力联系。如国家庄矿F7断层南端的63水13、63水14、63水15、315钻孔进行的抽水试验和流速试验断层带及上下盘的q、k均不同。表2.6 抽水试验资料表孔 号所处部位抽水层位q(L/s.m）K(m/d)63水15断层下盘奥灰1.9325.370315断层带断层带0.0050.03463水14断层上盘四灰0.1153.7263水13远离奥灰四灰0.0842.085上述资料说明了F7断层带具有一定的渗透导水作用，断层上盘的四灰与下盘的奥灰含水层通过断层带保持水平渗透间接式水力联系，并且对于同一断层的不同
20、深度和不同地段，其导水程度也不相同，如F7断层，南段渗透系数大于东段。3、垂直（间接式）有限渗透式水力联系：这是在断层落差不大，未使含水层对口接触时，通过断层破碎带发生的垂直间接水力联系方式。如国家庄井田内GF3断层（H=030m）的63水17孔抽水试验，q=0.12L/s.m，k=0.4738m/d，证明此断层具有一定的导水作用，底部的五灰、奥灰含水层可与上部的四灰发生垂直间接水力联系，其它如F7附生断层组及F3断层亦如此。综上所述，由于地质构造、岩溶发育程度等因素的不同，井田内各含水层的水力联系方式主要为以上三种。第一、第二种主要发生在矿井各边界大断层两侧含水层之间，第三种则在井田内落差较
21、小的断层附近或向斜的轴部。此外，由于矿区内尚有较多封孔不良或封孔资料不祥的钻孔，含水层之间也可通过封孔不良钻孔发生垂直水力联系；如国家庄矿井内西补8钻孔和西补13钻孔，因封孔不良导致四灰水沿钻孔涌入巷道，造成突水，应在生产过程中予以重视，加强对水文钻孔资料的分析研究，确保实现安全生产。2.5矿区水文地质特征肥城煤田水文地质条件极为复杂，随着矿井开采水平的不断延深，受水威胁程度越来越严重。一是构造不清，隐伏构造发育；二是深部水压大，受水压和矿压影响，突水的机率加大；三是深部受奥灰直接突水的严重威胁；四是浅部五灰注浆改造技术对深部来讲不适应。含水层裂隙发育不均一，连通性差，水压高，注浆难度大，效果
22、差等。这些问题制约煤层开采，威胁矿井安全。具体表现为：1、地质构造复杂导致水文地质条件复杂。由于断裂等构造发育，一方面使奥灰含水层以垂向或水平侧向等多种方式补给五灰，造成奥灰与五灰水力联系极为密切，局部地段成为一个含水体；另一方面破坏了工作面底板岩层的完整性，造成局部地段底板破碎。在矿压、水压的作用下，不完整的底板易发生突水。2、奥灰富水性强，根据矿区奥灰孔资料统计，奥灰富水性无明显的规律性，水文地质条件极为复杂，而且补给水源充足，与五灰水力联系极为密切，使我们的防治水难度大大增加。3、四灰含水层大部分块段以静储量为主，富水性弱，能直接疏干。只有个别块段四灰直接接受五灰、奥灰强含水层补给时富水
23、性较强。4、五灰含水层富水性各块段差异较大。有的矿井五灰富水性存在浅强深弱的规律，有的井田则五灰普遍富水，规律性不明显。5、隔水层厚度小，102层煤下距五灰仅18m左右。6、局部地段导高比较发育，如陶阳矿9层工作面普遍有导高，个别面有导高的钻孔占90，导高发育，减少了工作面底板的有效隔水层厚度。7、突水系数普遍超规定。随着开采水平的延深，水压逐渐增大，根据矿区的统计资料，开采8层煤五灰突水系数为0.110.21MPa/m，奥灰突水系数已超过0.1MPa/m；9、102层煤的五灰突水系数为0.1120MPa/m，奥灰突水系数大于0.6MPa/m，因此8、9、102层煤的开采受到五灰、奥灰水的双重
24、威胁。而上述煤层均为各矿的主要生产煤层。8、矿压对底板的破坏深度增加。随着开采标高的降低采动矿压对底板的破坏深度加大。据查庄矿8层煤的开采资料，-350m水平8层煤的开采矿压破坏深度已达40m，曹庄矿-300m水平8层煤的损伤底板破坏深度为36.5m。9、深部水文地质条件不清，岩溶裂隙网络发育不均一，且构造探明程度相对较低，遇导水构造出水的可能性较大。10、水害治理方法难度大。由于深部含水层水压大，裂隙连通性差，注浆改造难度大，效果难以保证。11、受水威胁的煤层的开采比重增大。3.矿井水害防治途径肥城矿区最大的水害隐患为煤层底板承压含水层水，而直接影响下组煤开采的主要是四灰含水层、五灰含水层和
25、奥灰含水层。3.1 四灰水文地质条件及防治途径 3.1.1四灰水文地质条件：1.四灰为8层煤直接顶板，厚1.768.6m，平均厚度4.93m，上距7层煤15.65m，四灰富水性的基本规律可以用“浅大深小”来描述，即煤田浅部的富水性较强，深部的富水性较弱。大部分块段四灰水与其它含水层的联系甚微，以静储量为主，补给有限，易疏干，在特殊水文地质块段，由于大型断层的切割，造成四灰局部块段与强五灰或者奥灰含水层对口接触，五灰或者奥灰水直接补给四灰，四灰水表现为水量大、水压高，放水过程中水量衰减不明显，有的甚至不发生衰减。国庄井田和陶阳的中三井田的四灰水文块段就是典型代表。这时的四灰水补给量大，无法疏干。
26、2.防治途径：根据几十年来防治水工作的经验，对水文地质条件比较简单的块段，由于四灰水以静储量为主，补给有限，易疏干，疏干降压开采是最简单、可行的方法。疏干降压开采是借助于专门的工程（如疏水巷道、抽水钻孔或疏水钻孔）及相应的排水设备，积极有计划、有步骤地疏干或局部疏干影响采掘安全的充水含水层。疏干降压是一种与矿井水害斗争的积极措施。对于水文地质条件复杂的块段，由于水文地质条件复杂块段的四灰水以动储量为主，补给水量大，疏干降压开采不仅经济上不合理，而且，也不能解除四灰水的威胁，采用帷幕截流的方法治理四灰则是一条捷径。帷幕截流最早应用于地面大坝坝址的防渗堵漏，伴随着我国注浆堵水技术的广泛应用和日趋完
27、善，开始应用于矿井防治水，早期主要在地面进行井筒和露天矿床的帷幕截流阻水。肥城矿业集团公司在1986年提出并试验注浆改造薄层灰岩防止奥灰水突出的技术方法后，历经20年的探索，不仅技术工艺逐步完善配套，而且装备水平大大提高，使之成为一项矿井防治水的核心技术，也使帷幕截流技术应用到井下成为可能。帷幕注浆技术是煤矿实现疏堵结合、防治水害的重要手段之一。帷幕的目的是在四灰含水层中人为注浆建造“阻水墙”，堵截含水层补给通道，使之易于疏降，进而实现安全采煤。井下帷幕是在井下巷道中施工注浆孔，利用矿井现有的注浆系统进行注浆，不但可以克服地面帷幕应用上的局限，而且在注浆系统的优化、注浆过程的监控等方面具有独到
28、的条件，可以大大提高帷幕截流效果。3.2 五灰水文地质条件及防治途径3.2.1 五灰水文地质条件：1.五灰水文五灰厚4.8212.68m，平均厚910m，质纯、致密坚硬，为灰色质纯致密厚层状细粒结晶灰岩，岩溶裂隙发育。五灰上距8层煤22.543.18m，平均3234m；距9层煤16.933.02m，一般24m；上距102层煤1437m，一般1620m；下距奥灰1.4118.57m，一般10m左右，单位涌水量q0.001716.12L/S.M，富水性较强。五灰为薄层灰岩含水层，下距奥灰9.13m，因小断层频繁错动，致使五灰、奥灰两含水层接近对口或对口接触，从水位标高、水质类型、水量、水压等水文参
29、数分析两含水层之间有着密切的水力联系，五灰含水层的主要补给水源来自奥灰。2、防治途径：针对五灰的水文地质条件，肥城矿区的防治水专业科技工作者经过几十的努力探索，在虚心学习、借鉴国内、外先进技术和方法的基础上，不断改进和提高，逐步形成了独具特色的对薄层灰岩含水层注浆改造技术。肥城矿区结合华北型煤田水文地质特征，研究发展了大面积注浆改造薄层灰岩防止奥灰水突出的综合治水技术，形成了一套将工作面下伏含水层改造为阻隔水层的技术方法，配套完善了粘土水泥浆注浆改造工艺系统，完成了由防到治、由被动变主动的根本性转变，取得了良好效果。注浆改造作为一种按人的意志改变岩体（层）水文地质条件的方法与手段，基本原理是浆
30、液在一定压力、一定时间作用下在受注层原来被水占据的空隙或通道内脱水、固结或胶凝，使结石体或胶凝体与围岩岩体形成阻水整体，从而改变不利于采矿的水文地质条件。对薄层灰岩注浆能起到含水层改造、导水裂隙封堵和隔水层加固的作用：（1）向薄层灰岩大量灌注浆液，浆液在薄层灰岩沿岩溶裂隙扩散、结石、充填，把含水层中的水“置换”出来，使之不含水或弱含水。（2）浆液在注浆压力作用下，通过薄层灰岩沿奥灰水补给薄层灰岩通道运移、扩散、结石，堵塞或缩小导水通道，减少奥灰水的补给量。（3）浆液在注浆压力作用下，通过薄层灰岩沿着煤层底板裂隙运移、扩散、结石，充填隔水层导水裂隙，强化、加厚煤层底板。该项技术通过在肥城矿区十几
31、年的完善和发展，经实践证明技术上可行、经济上合理、安全上可靠，是目前比较成熟的一种防治水方法。截止到2003年底，已安全采出受水威胁煤炭储量 万吨，经济效益和社会效益非常显著。3.3 奥灰水文地质条件及防治途径3.3.1、奥灰水文地质条件： 1.奥灰含水层是煤系地层基底含水层，呈巨厚层状，厚度800m左右，上距五灰1.4118.57m，一般10m左右，单位涌水量q=0.0114101.01L/SM，K=0.20640.28m/d。原始水位标高为+62.07+64m，矿化度为0.2470.681g/L，水质类型为HCO3CaMg，属于重碳酸氯化物钙镁水。目前水位标高在+33m左右。奥陶系灰岩在矿
32、区内埋藏深度标高为+30-500m。奥陶系灰岩在盆地周围山区有广泛出露，面积约260Km2，直接接受大气降水的补给，补给量相当丰富，达2.8万m3/h，主要有石灰岩、白云岩组成，根据岩性、化学成份、岩石结构、可溶性及富水性，并结合沉积特征，将奥灰分为八个含水段，其中有三个强含水段和二个次含水段，最上一个含水层段含水量最为丰富。奥灰是煤系各含水层的补给水源，从矿区内奥灰水文孔统计资料看，奥灰顶部30m左右岩溶裂隙不发育，仅在局部地段顶部岩溶裂隙发育。奥灰是威胁下组煤开采的主要含水层。2、防治途径： 对于奥灰的防治，以前虽然也做了不少工作，初步开展了一些奥灰突水机理、奥灰水防治等方面的科学研究，但
33、是，由于人们对奥灰的认识程度不高，再加上受科技发展水平的限制，奥灰治理成果方面，有待于进一步研究和探讨。不过，笔者认为：充填开采是今后推广和实施的关键环节。也是今后防治水工作的重点。4.水害防治方法4.1水文地质条件探查运用各种勘探手段，查明水文地质条件。查明水文地质条件是一切防止水工作的基础，只有了解了水文地质条件，才可能有的放矢地采取有效防治措施。随着科学技术的进步，许多勘探手段，特别是物探手段发展、进步很快，随着数字化技术推广应用，各种物探技术的准确性、针对性大大提高，为物探技术的推广、普及打下了坚实的基础。在生产过程中，要大力推广新技术、新方法，详细探查各水文地质块段的水文地质条件，了
34、解地质构造发育情况及各含水层的富水性、岩溶裂隙发育情况，然后，采取有针对性的措施进行治理，严格执行“先治后采，治不好不采”原则，确保矿井不出大水。4.2疏水降压疏水降压是利用抽水钻孔、放水钻孔及巷道揭露煤层顶板或底板含水层，使承压含水层在人为条件下，形成不同规模的降落漏斗，甚至疏干，以达到安全开采的目的。疏水降压技术是矿井主要的水害防治技术之一4.2.1 疏水降压适用条件1.煤层顶板煤岩柱保护范围内存在直接或间接含水层，且以静储水量为主，具可疏性，不疏降无法保证采掘活动安全。2.巷道设计在含水层中，采掘活动必须揭露充水含水层，工程施工前需提前对含水层进行疏水降压。3.煤层底板存在直接或间接含水
35、层，且水压较高，无隔水层或隔水层难以承受矿压和水压破坏，在此条件下，可对含水层进行疏水降压。4.煤层顶底板含水层富水性弱到中等，单位降深疏水量小于5m3/(h.m)时，采掘工作面可进行疏水降压。5.若煤层顶底板直接或间接含水层富水性强，且动态补给量大时，采取先注浆，堵塞、充填过水通道，改造含水层后，再进行疏水降压。4.2.2煤层底板承压水疏放我国许多煤矿，煤层底板下发育强含水层，且水压大，有的达到5MPa以上。在采掘活动中，由于岩层的原始平衡状态遭到破坏，巷道或回采工作面底板在水压和矿山压力的共同作用下，底板隔水层发生变形，产生底鼓及突水事故。这种底板突水在我国华北型煤田中屡见不鲜，底板承压水
36、疏放就是最简捷的有效治理手段。其疏放方法有：1）巷道疏放将巷道布置在含水层中，利用巷道直接疏放。该方法不适应于水压较高且不宜疏干的强含水层中。2）钻孔疏放通过向强含水层中施工疏放钻孔，使煤层底板含水层水头压力降到安全水头以下，乃至疏干，以达到安全开采的目的。疏放钻孔布置在采区巷道或专门疏水巷道内，每隔一定距离向煤层底板含水层施工钻孔放水，使之形成降落漏斗，逐步将水位降到安全水头以下。3）钻孔与巷道相结合疏放对水压高、富水性较强的含水层，一般先利用疏放钻孔进行疏放，待水压降到0.2MPa以下,放水孔总放水量小于100m3/h时，在利用巷道揭露含水层，达到充分疏降的效果。4.3煤层底板含水层注浆改
37、造注浆改造技术是通过对煤层底板含水层进行注浆改造，使浆液在一定压力下沿裂隙运移、扩散、结石、充填含水层，堵塞或缩小导水通道，从而强化、加厚底板隔水层，改变岩体（层）水文地质条件，以防止煤层底板水害事故的发生。通过对底板岩溶突水机理的研究得知，承压水的存在是造成底板突水的物质基础，水压、矿压是造成底板突水的力源，断裂构造、陷落柱、原始及采动裂隙是发生底板突水的通道。削弱底板突水的物质基础的技术方法是对煤层底板直接引发突水的含水层进行注浆改造，降低突水力源的技术方法是采用“双放双降”，避开突水通道的技术方法是留设防水煤柱，堵塞突水通道的技术方法是注浆改造充填裂隙。注浆改造作为改变岩体(层)水文地质
38、条件的方法与手段,基本原理是浆液在一定压力、一定时间作用下,在受注层原来被水占据的空隙或通过内脱水,固结成胶凝,使结石体或胶凝体与围岩岩体形成阻水整体,从而改变不利于采矿的水文地质条件。注浆改造的作用：一是向含水层中压入浆液，浆液沿着灰岩岩溶裂隙扩散，结石，最后充填，把灰岩中的水“置换”出来，使之不含水或弱含水；二是浆液在注浆压力作用下，通过薄灰沿着含水层补给通道运移扩散，结石，堵塞或缩小导水通道，减少强含水层补给；三是浆液在注浆压力作用下沿着煤层底板裂隙运移扩散，结石，充塞隔水层的导水裂隙，胶结强化底板。因此对含水层注浆能起到改造、封源和加固的作用。 1.适用条件注浆改造技术一般要在水文地质
39、条件复杂或极复杂，疏降采煤经济上不合理的开采范围内使用。1）煤层下伏含水层富水性强或中等以上块段，单位降深疏水量大于10 m3/h.m，或一个采区总疏放水量大于500 m3/h。2）突水系数在构造复杂地段超过0.06MPa/m，在正常地段超过0.1MPa/m。3）工作面底板存在导水裂隙带，构造破碎带、陷落柱、隔水层厚度不够等。4）煤层底板含水层之间存在垂向补给通道。2注浆系统：分为井下注浆系统和井上注浆系统两部分。井下注浆直接在井下造浆，利用注浆泵通过注浆管路，由注浆钻孔向含水层内注浆，该系统具有易操作，工艺简单等特点，但劳动强度大，注浆效果差。井上注浆系统是由地面集中建站、造浆，通过送料孔和
40、井下管路送浆，利用注浆孔向含水层注浆，该系统注浆管路长，但能连续造浆、注浆，注浆效率高、效果好。注浆系统主要有由粘土浆液造浆系统、粘土水泥浆液造浆系统、自动跟踪控制系统和灌注系统四个部分组成。 （1）粘土浆液造浆系统：由粘土皮带输送机，制浆机，粗浆池、精浆池、旋流除砂器、泥浆泵等设备构成。皮带式输送机：用以粘土上料。制浆机：主要型号为NLl2型，有粉碎、搅拌、筛选三种功能。具有定量上料，连续造浆的特点，造浆密度为1.101.23g/L，其能力不小于16 m 3h， 直径0.07mm以下的粘土颗粒大于95，粘土浆制成后，经过滤流到粗浆池。粗浆池：地下封闭式，储存粗粘土浆。除砂器；由液下式泥浆泵用
41、2寸胶管与旋流器相接组成，粘土浆经旋流除砂器除砂后进入精浆池内。精浆池：亦为地下封闭式，储存净化后的粘土浆。 精浆输送泵：可为离心式水泵，电机功率为30KW，排量17.0 m 3h，把净化后的粘土浆输送到一次搅拌池内。（2）混合浆液造浆系统：由粘土精浆通过射流与水泥混合搅拌系统和添加剂加入装置组成。（3）自动跟踪控制系统：由在线监测、工控机、组态软件平台等组成。随着注浆改造治水技术的推广应用和现代化手段的发展，对注浆改造工艺使用在线监测装置，并借助工控机和组态软件平台，进行自动跟踪监控。该项目具有以下特点：直观的界面：该系统将现场整个注浆工艺流程集成到主界面中，使生产设备与注浆动态一目了然，现
42、场采集的数据准确。数据的实时性：现场重要数据由数据采集模块，通过串口通讯规约，实时上交工控计算机进行处理、记录、存储和显示，信号采集的频率高，保证了信号的实时性。准确的报警：设置影响现场注浆质量关键数据的合理运行区间，出现异常时系统自动报警，提示工作人员进行处理。灵活的报表：在报表输出中，打破了传统的固定格式，实现了灵活的查询输出方式，更能满足报表上报的要求。便捷的操作：系统操作简便，所有操作仅用鼠标既可完成，现场施工人员容易掌握。可靠的运行：系统数据采集设备、各类传感器采用了独立低电压直流供电，信号的采集、传输均采取安全屏蔽措施，运行稳定可靠。专家核心模式：系统吸取了注浆改造的经验，在关键工
43、艺参数中，采取理论与专家经验相结合，并根据现场实际进行验证，在运行中能及时对注浆过程进行指导。可扩充性：随着注浆改造技术的发展，可以对专家系统及时调整和更新。（4）灌注系统：灌注系统由泥浆泵、输浆管路及工作面注浆孔组成。泥浆泵：常采用型号为NBB-25060泥浆泵，四级变速，流量分别为250、150、80、40Lmin，电机功率为30KW，铭牌最高压力为6MPa。也可采用NBB-260/7等其他型号泥浆泵。输浆管：自地面与下井送浆钻孔连接到井下输浆管，一般采用采用50mm的无缝钢管，用快速接头连接，到注浆孔通过50mm高压胶管连接。3注浆材料及注浆参数1）注浆材料：主要有水泥、粘土、粉煤灰、添
44、加剂和水组成。2）注浆参数：水灰比、比重、稠度视单孔涌水量及岩溶发育程度而定。单液水泥浆注浆，水灰比一般控制在0.8：12：1；粘土水泥浆注浆，粘土浆的比重一般为1.121.18，每立方米粘土水泥浆中水泥掺入量为0.10.4t，水泥粉煤灰注浆，浆液可根据现场情况而定。单孔注浆结束时进浆量在40L/min，且孔口注浆压力一般是孔口水压的2.53.5倍。4注浆工艺注浆工艺采用井上造浆注浆工艺，即注浆孔在井下工作面的回采巷道施工，制浆注浆在地面建集中注浆站，由注浆泵、送料孔、注浆管路、注浆孔向含水层注浆。（图1注浆工艺流程图、图2粘土水泥浆注浆示意图）1）注浆工艺注浆方式可分为：连续注浆、引流注浆、
45、间歇式注浆等。为达到最大量进浆，最大范围扩散、最大限度充填的目的，一般采用分序次含水层全层连续注浆的方式，直至达到终孔压力为止。如需控制浆液扩散范围，可采用间歇式注浆。注浆方式与段高的确定：注浆改造以最大量进浆，最大范围的扩散，最大限度的充填为目的。所以采用钻孔穿透薄含水层或对厚含水层顶部块段连续注浆方式，分孔序连续灌注，直至达到终孔压力为止。发现井下跑浆时可间歇注浆。泵量与泵压：泵量根据含水层岩溶裂隙的发育程度及泵压确定。正常情况下，裂隙发育，扩散较远，进浆畅通，采用全泵量大流量灌注；裂隙发育较差，扩散较近，进浆阻力大，采用中泵量；达到接近终孔压力时用小泵量。单孔注浆结束的标准：注浆压力越大
46、，扩散的范围越大，对裂隙充填的越实，形成的结实体强度越高。但压力太大，由于煤层底板隔水层厚度较小，裂隙又比较发育，容易造成巷道底鼓跑浆。所以单孔注浆结束的标准是：泵量40L/min（NBB-250/6型泥浆泵），泵压达到设计要求，持续时间30分钟以上。当发现巷道底鼓，大量跑浆现象时，应采用间歇法、调整浆液和注浆参数或填加软骨料等注浆方法。2）注浆程序：注浆前，先对注浆孔放水0.5小时1小时，将沉淀在孔内的碎石、岩溶裂隙中的充填物冲出，使注浆裂隙畅通。检查造浆、注浆系统设备运转良好并有充足浆液以便连续注浆。室内做好浆液的各种配方试验，选择最佳配比方案。注浆设备、管路进行打压试验，试验最大压力要达
47、到注浆最大压力，发现漏水等问题及时处理。向注浆孔中压清水，确定钻孔的吸水量。按照钻孔涌水量、吸水量等确定浆液的配比。3537 图2 粘土水泥浆注浆示意图2）注浆程序：注浆前，先对注浆孔放水0.5小时1小时，将沉淀在孔内的碎石、岩溶裂隙中的充填物冲出，使注浆裂隙畅通。检查造浆、注浆系统设备运转良好并有充足浆液以便连续注浆。室内做好浆液的各种配方试验，选择最佳配比方案。注浆设备、管路进行打压试验，试验最大压力要达到注浆最大压力，发现漏水等问题及时处理。向注浆孔中压清水，确定钻孔的吸水量。按照钻孔涌水量、吸水量等确定浆液的配比。注浆：注浆过程中要根据进浆、泵压等情况，随时调节泵量及浆液配比、粘度、添加剂用量。当达到注浆结束标准时，关闭孔口阀门，卸下孔口高压胶管，压入足量(根据管路长短确定)的清水，将管路冲洗干净，并对注、造浆设备检修好，以备再次使用。3）注浆孔的布设及结构（1）注浆孔的设计原则 可以进行全面注浆布孔，也可针对某一特殊块段进行布孔。若全面进行注浆布孔应按浆液扩散半径布设，力求使浆液在整个工作面或需改造范围内的覆盖率达到80%以上。一般注浆扩散半径按1520m来布设。 以斜孔为主，使钻孔揭露含水层段尽量长