煤矿防治水实用技术及装备
第36卷第3期煤炭科学技术Vol136 No13 2008年3月COAL SC I ENCE AND TECHNOLOGY Mar. 2008
煤矿防治水实用技术及装备
董书宁,靳德武,冯 宏
(煤炭科学研究总院西安研究院,陕西西安 710054)
摘 要:煤矿水害事故严重制约着煤炭工业的可持续发展,探索和开发煤矿防治水实用、有效的技术方法,研制高精度的探测仪器是解决这一问题的重要途径。从充水水源特征、导水通道的性质探查入手,根据煤炭资源开发阶段划分的要求,针对不同的水害类型,提出了煤层顶、底板水害探查技术及装备;导水陷落柱探查、治理技术与装备;采空区水探查技术、装备及防治方法;巷道穿越(导水)断层破碎带的管棚支护技术等几种典型煤矿水害的实用探测、治理技术及装备。
关键词:煤矿防治水;水害类型;实用技术;装备
中图分类号:T D745 文献标志码:A 文章编号:0253-2336(2008)03-0008-04
Practi ca l technology and equ i pm en t for m i n e wa ter preven ti on and con trol
DONG Shu2ning,J I N De2wu,FENG Hong
(X i’an Research Institute,China Coal Research Institute,X i’an 710054,China)
Abstract:The m ine water disaster has been restricted the sustainable devel opment of the coal industry in China.The discovery and devel2 opment of a p ractical and effective technical method f or m ine water p reventi on and contr ol and the research and devel opment of high accu2 rate p r obing instru ments are an i m portance access t o s olve the m ine water disaster.Fr om the features of the income water res ources and the p r operties of the water drainage channel,base on the require ment of the coal res ource devel opment phases and according t o the type of the different water disasters,the paper p r ovided the technol ogy and equi pment t o p r obe the water disaster fr om the sea m r oof and fl oor,the technol ogy and equi pment t o p r obe and contr ol the water conducted sunk holes;the technol ogy,equi pment and method t o p r obe the water in goaf;the tube shield support technol ogy f or a m ine r oad way driving thr ough(water conducted)breaking zone of a fault,and the p rac2 tical p r obing and contr ol technol ogy and equi pment t o deal several typ ical m ine water disasters.
Key words:m ine water p reventi on and contr ol;water disaster type;p ractical technol ogy;equi pment
1 概 述
煤矿水害是矿井基建、生产过程中一种常见的灾害,它轻则影响矿井生产效率,重则造成淹井人亡的恶性事故。近年来,煤矿水害事故一直呈现高发的态势,严重制约着煤炭工业的可持续发展。不断探索和开发煤矿防治水实用、有效的技术方法,研制高精度的探测仪器一直是煤炭科学研究总院西安研究院长期以来确立的主攻目标。
从总体上讲,煤矿防治水技术分为预防水害发生的技术和治理已经发生水害的技术2个方面,前者简称为“水患预防技术”,后者简称为“水害治理技术”。水患预防技术包括探测、预测、监测(三测)技术三个方面,探测技术则包括物探、钻探、化探(三探)和试验4个方面;预测与评价常常是不可分割的2个方面,评价矿井水害的威胁程度往往意味着预测矿井突水的可能性;监测既是对水害是否发生的一种预测,同时也是对水害发生时间的一种预报。矿井水文地质工作的核心任务是各类探测技术在评价充水水源和查找导水通道方面的具体应用。由于含水层的层次结构比较复杂,展布范围较广,富水性很不均一,尤其对于巨厚的灰岩含水层和多层薄层灰岩含水层其含水介质差异性非常明显,查明强径流带则是做好防治水工作的前提条件,因此,发展实用的探测技术与装备是解决这一问题的重要途径。
2 煤矿水害类型及其防治水方法
根据水源和通道的不同,可以给出煤矿水害类型不同的分类方案。按照水源与采掘空间的关系,可分为顶板水、底板水、老空水和地表水;按照导水通道的不同,一般分为岩体裂隙突水、断层突水
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和陷落柱突水。不同的水害类型,防治水方法各异。对于顶板水,应着重查明覆岩岩体结构特征、不同含水层的分布范围,计算冒裂带发育高度,论证采动条件下地下水进入采掘空间的可能性;对于底板水害,查明隔水层厚度、展布特征、阻隔水性能、含水层水压、富水性是做好防治水工作的基础;而对于老空水,关键问题是查清其积水范围、积水量、积水面标高;陷落柱和断层作为两种典型的导水通道是矿井基建和生产中经常遇到的水害类型,其防治方法的关键在于精确定位和对于其导水性的正确判断。
就煤矿生产过程而言,可以将各种防治水方法和装备分为用于采区(工作面)布置前、工作面掘进中、回采准备阶段、回采过程中和水患预处理、水害治理等5个不同的阶段。采区布置前可供选择的技术包括高分辨三维地震勘探技术、瞬变电磁探测技术、磁偶源探测技术、频率测深探测技术、高密度电法探测技术、水位遥测系统、钻孔无线电波透视技术以及放水试验技术、多元示踪试验技术;工作面掘进过程中可供选择的技术包括井下瑞利波探测技术、直流电法探测技术、高分辨二维地震勘探技术、地质雷达探测技术、顺煤层定向钻进技术;回采准备阶段可供选择的技术包括无线电透视技术、槽波地震探测技术及弹性波CT层析成像技术、音频电透探测技术、原位地应力测试技术;回采过程中可供选择的技术包括底板突水监测技术、声发射及电磁辐射的底板监测技术、多含水层地下水压(位)的自动监测技术(用于顶板冒裂带探查的钻孔冲洗液消耗法、孔间透视法以及用于底板破坏深度原位观测的技术贯穿于采准与回采两个阶段);矿井水患预处理技术包括局部注浆加固、底板改造技术、帷幕截流、主动疏水降压技术和防隔水煤(岩)柱留设等,矿井水害治理技术包括建造巷道阻水墙技术、陷落柱止水塞技术和钻孔施工中的分支造斜技术等。
3 几种典型煤矿水害探查技术及装备
311 煤层顶底板水害探查技术及装备
31111 井下放水试验技术
放水试验是煤矿水文地质补充勘探的有效方法之一,是对基建、采准阶段矿井水文地质条件的一次大暴露,放水试验不是目的,其真正目的在于通过它查明采矿条件下地下水的补给来源、补给通道和补给量,更确切地说是了解地下水的补给条件及其控制因素,在此基础上确定矿井防治水的对策,如疏放水降压、注浆堵水、留设防水煤(岩)柱等。因此,对于水文地质条件不清或水文地质类型复杂、极复杂的矿井应用放水试验技术是做好矿井防治水工作的重要途径。为了集中解决矿井地下水的补给通道问题,以水化学分析、环境同位素技术为主线的示踪试验与放水试验同步进行,成为放水试验的一个必要的补充。由于放水试验具有直观、实用、可靠性高和成本低的特点,在水文地质条件复杂的矿区普遍受到欢迎,尤其在开采距离奥陶系岩溶强含水层很近的下组煤煤矿区更是如此,如山东肥城是我国典型的大水矿区,继20世纪80年代完成了东部四矿的联合放水试验之后,90年代又开展了西部四矿的联合放水试验。此外,邢台矿区、皖北矿区、兖州矿区、淄博矿区、永夏矿区在不同时期均委托西安研究院开展过井下放水试验。河南神火集团新庄煤矿在-600m水平安全开采后,又要求在-700m水平继续进行放水试验对矿井水文地质条件进行整体研究。可以看出,井下放水试验在解放大量受水害威胁的煤炭资源、实现煤矿安全生产方面发挥了重要作用。
主要装备:KJ117矿井水情实时监测系统、高压水上钻探孔口防喷装备、水质检测仪器、地下水流数值模拟软件包。
31112 采区构造探查技术
1)三维地震勘探技术。三维地震勘探技术主要提供煤系地层的弹性参数,是煤田采区地质构造探测的有效手段,是水文地质条件分析的前提条件之一。西安研究院不但在山东、河北、两淮和徐州等平原区取得了3m落差断层的探测精度,而且在神东沙漠、哈密戈壁、霍林河草原和平朔山区等均取得了理想效果。
主要装备:AR I SE数字地震勘探仪、Geovect2 eur Plus地震数据处理系统。
2)瑞利波探测技术。瑞利波探测技术是基于弹性面波在弹性不连续地质体中扩散场分布形态的变化现象,通过探测不同测点数据采集道间的信号相位差异,识别地质体破碎的程度或断裂的位置。瑞利波方法适合于探测巷道前方、侧帮、顶底板前方的煤层不连续体,是探测底板隔水层厚度、剩余
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煤厚和断层延伸方向的有效手段。平煤集团十矿采用瑞利波探测技术对戊9-10-21150工作面过运输巷和回风巷的断煤交界面进行了超前探测,取得了理想的探测效果。
主要装备:YT R(D)矿用瑞利波探测仪及其解释软件。
31113 电磁类探测技术
与地震勘探方法相比,电磁类探测技术对地表条件要求较低,对于山区、沙层、砂砾层、厚黄土覆盖的地震盲区,是一种非常有效的补充手段。电磁类探测方法较多,其探测精度、适应性、作业成本等差异较大。
神东矿区在上组煤开采中存在严重的涌水溃沙现象,通过在补连塔、乌兰木伦、活鸡兔、大柳塔等采用磁偶源探测技术和高分辨自动电阻率探测技术进行联合勘探,有效地探测到第四系富水区的分布范围、与煤层的距离以及断层的导水情况,为工作面合理布局提供了可靠的依据。
淮北矿业集团公司桃园煤矿10号煤1022综采工作面曾发生底板灰岩突水,最大突水量达565 m3/h,造成全矿停产。而先后施工的10个灰岩放水孔,无一出水。采用矿井高分辨率直流电法技术进行了探查,对探测资料反映的低阻异常部位进行打钻验证和放水泄压,结果孔孔出水,取得了预期的疏放效果。
皖北矿区刘桥二矿利用音频电透视技术对6513工作面进行了底板含水性分层探测,分别解释了工作面下30m和55m的2个层面的相对含水性分布。峰峰矿区梧桐庄矿用音频电透视技术对132104工作面进行了底板含水性分层探测,通过钻探及放水验证,效果良好。
主要装备:YT120(A)矿用音频电穿透仪、Y DZ(A)矿用直流电法仪、磁偶源MAX I-PROBE勘探仪及其相关解释软件。
31114 水情、水害监测技术
利用KJ117矿井水情实时监测系统,可对煤矿井下以总线网络拓扑结构方式连接的水文地质长观孔,回采工作面底板应力、应变、水温、水压等进行超远距离的实时动态监测。其监测数据能及时反映不同含水层水压、水位及动态变化情况,煤层底板采动破坏情况以及地下水沿煤层底板岩体裂隙的导升情况,实现了监测数据自动采集、数据通信、数据库管理和监测数据实时显示等多方面的功能。近年来,西安研究院已为焦作矿区、平顶山矿区、永城城郊矿等建立起实时水情监测系统,在煤矿防治水技术保障体系建设中迈出了重要的一步。
主要装备:KJ117矿井水情实时监测系统、YJSY(A)水位遥测仪(GS M)、YJSZ(A)水位自动记录仪、YJS(A)矿用水压自记仪。
312 导水陷落柱探查、治理技术与装备
1)中间指示层放水试验技术。华北型煤田下伏的奥灰岩溶裂隙含水层,通过垂直导水陷落柱与煤系含水层发生水力联系。这些垂直导水陷落柱隐伏性强、横断面极其有限,用常规的水文地质勘探方法难以查找。在开滦、肥城等矿区,选择位于最下部可采煤层和奥灰之间的某一含水层作为“中间指示含水层”,在其中寻找反映下部水源补给含水层性质的“水文地质异常区”,通过放水试验,进一步缩小其范围,查明了3个垂直导水构造。
主要装备:加拿大某公司开发的V isualMODF2 LOW数值模拟软件、德国某公司开发的FEF LOW 数值模拟软件、美国B righa m Young University的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站开发的G MS数值模拟软件。
2)陷落柱空间形态的综合探查技术。东庞矿2903工作面发生导水罕见陷落柱特别重大水害事故以后,在一、二期治理工程中先后应用7种物探方法对陷落柱空间形态进行了探测,其中效果明显的3种物探技术分别为三维地震勘探及其精细解释技术(三维地震小波分析技术)、瞬变电磁法勘探、高密度直流电法勘探。同时,应用分支侧钻、定向钻进等新工艺进一步揭露了陷落柱的发育特征,为陷落柱治理工程设计提供了可靠的探测依据。
主要装备:AR I SE数字地震勘探仪、Geovect2 eur Plus地震数据处理系统、V8系统、Y DZ(A)矿用直流电法仪。
3)大型导水陷落柱治理的止水塞建造技术。随着定向受控钻探技术及分支造孔技术的发展,使陷落柱治理从最初的全段注浆充填逐步演变为在柱体内指定深度建造止水塞的技术,该项技术工期短、成本低,西安研究院已成功地将其应用于开滦范各庄矿、皖北任楼矿、邢台东庞矿陷落柱治理工程中,取得了显著的经济效益和社会效益。
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董书宁等:煤矿防治水实用技术及装备2008年第3期
主要装备:美国车载T685W S系列钻机、TXB-1000钻机、ZJ-25ⅢK系列钻机、NBB260/7型注浆泵、立式散装水泥罐、螺旋送料机等。
313 采空区水探查技术、装备及防治方法
阳泉矿区采用瞬变电磁场(TE M)技术和频率测深(CS MT)技术对二矿东翼日伪老五矿采空区的积水边界进行了探测,确定了20世纪30～40年代房柱式开采边界和采空区水边界,为该区两个工作面安全布设提供了关键的地质资料。
东庞矿9102工作面采用直流电法探测含水的小煤窑采空区,在9102运输下山掘进工作面密闭墙位置对9102面开口150m范围进行了超前钻探验证,至物探圈定的1号采空区时,钻孔出水,部分孔出现漏风现象,水涌出量2～8m3/h,经水质化验是老空水,与物探结果吻合。通过探测确认了小煤窑越界范围最深已超过-150标高(埋深260 m),准确地圈定了采空区范围,避免了9102工作面因盲目掘进巷道可能造成的采空区透水引发的安全事故,为合理布置工作面提供了科学依据。
主要装备:V8系统、Y DZ(A)矿用直流电法仪。
314 巷道穿越(导水)断层破碎带管棚支护技术
埋深大、涌水、喷孔等复杂地质条件下巷道穿越断层的掘进施工是煤矿井下面临的一项技术难题,将管棚支护技术应用于解决这一问题中才刚刚起步。西安研究院成功地将这一技术应用于开滦东欢坨矿业公司-230m北回风巷通过F′
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断层带(宽6m)施工中。
主要装备:Z DY1900S,Z DY3200S型全液压坑道钻机,2TGZ-60/210型双液注浆泵。
4 结 语
煤矿防治水的技术关键在于查清矿井、采区、工作面的充水水源和导水通道,发展多种实用技术解决上述两方面的技术问题是我们长期以来追求的目标。综观煤矿防治水技术的发展,其实用技术主要包括2个方面:一是常规的水文地质试验分析技术,二是地球物理勘探技术、传感器技术、钻探机具和工艺等在不同类型矿井水害探查、监测和治理中的具体应用。随着采煤深度的增加,煤矿水文地质条件会变得越来越复杂,实用新型技术将会在矿井防治水安全工作中起到有力的保障作用。
作者简介:董书宁(1961-),男,陕西蓝田人,研究员,博士研究生,从事煤矿防治水技术研究工作。
收稿日期:2007-12-10;责任编辑:朱拴成
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阜新海州立井矿是技改矿井,原主斜井运输系统为箕斗提升,无法适应技改后的产量要求,如果对箕斗提升进行加大改进,巷道改动工作量较大,成本高。经多方论证及现场爬坡试验,最终确定将箕斗提升改为高倾角花纹带式输送机。该矿使用经验表明:采用高倾角花纹带式输送机提升与采用箕斗提升相比,采用高倾角带式输送机提升不仅显著降低了运营费用,产量大幅提高,而且可减少人员和设备种类,管理、维修、操作技术也比较简单,使用高倾角带式输送机具有显著的经济效益。
4 结 论
实际使用证明:高倾角花纹带式输送机采用新型凹型花纹输送带、深槽托辊装置、先进的软启动技术以及合适的带速可使输送机的输送倾角提高到上运36°,该机的研制成功,拓展了高倾角花纹带式输送机的最大输送角度,增大了高倾角花纹带式输送机的使用范围,为煤矿主斜井运输系统箕斗提升改为高倾角上运带式输送机提升提供了可靠的技术保障,具有显著的社会效益及推广价值。
参考文献:
[1] 张炳福1高倾角花纹带式输送机的研究与应用[J].煤矿
机电,2004(1).
[2] 吴明龙1YT系列液力调速装置的结构原理及技术特点[J].
煤矿机电,1999(1).
[3] 张炳福1强力花纹带式输送机的研究[A].中国煤炭学会
煤矿运输专业委员会2004年学术年会论文集[C].2005
作者简介:史 志(1968-),男,河北沧州人,高级工程师,现在煤炭科学研究总院上海研究院从事矿山运输机械设备的研究工作。Tel:138********
收稿日期:2007-12-11;责任编辑:王宗禹
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