专利名称：返流注浆封堵矿井突水技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种矿井水害防治技术，特别是一种在常规注浆基础上，封堵依然存在着的个别较大裂隙和相当多的狭小裂隙或者薄弱带、提高注浆封堵效果的返流注浆封堵矿井突水技术。
背景技术：
我国是世界上的煤炭资源大国之一，居世界第三位。煤炭年生产量自20世纪80 年代末以来就一直保持在IOXIO81以上，居世界首位。在中国一次性能源的生产和消费构成中，煤炭占70%以上，这就决定了煤炭生产在中国能源工业中的主要地位，且以煤为主要能源的格局在中国将长期存在。在煤炭资源大规模开发过程中，与煤炭资源开采有关的水害问题愈来愈突出，与此同时由水害引发的安全事故也愈来愈严重。这就使煤矿水害与瓦斯灾害、火灾一起构成了煤矿主要的三大灾害。凡是影响生产、威胁采掘工作面或矿井安全的，增加吨煤成本，使矿井局部或全部被淹没的矿井水，都称为矿井水害。我国不仅是世界主要产煤国，而且也是受水害危害最严重的国家之一。据解放后的资料统计，1955 1985年， 全国统配煤矿共发生突水769次(其中老窑水198次)，淹井事故218起，且有逐年增长的趋势。20世纪80年代，开滦范各庄矿的突水淹井事故中最大涌水量高达2053 m3/min，事故造成经济损失近5亿元,损失煤炭产量近8. 5 Mt。据统计，目前受水害威胁的矿井约占国有重点煤矿矿井总数的48%以上。长期以来，煤矿水害给国家和人民带来了巨大的经济损失和人身伤亡。特别是近年来，国内能源形势紧张，煤炭工业迅速发展，虽然制定了 “预测预报，有疑必报，先探后掘，先治后采”的煤矿水害防治十六字原则，但煤矿水害事故频频发生。随着煤矿开采深度增加和下组煤大规模开发，开采方式和工作面开采空间尺度的变化及机械化程度的明显提高，水害产生的条件、 威胁程度，以及水害形成的机理都在发生着很大的变化。在传统水文地质条件研究的基础上，探索、应用和推广适应新的采掘条件下的矿井防治水理论及技术，深入系统地研究矿区的水文地质条件，查清矿床充水水源、充水通道及充水强度，准确地预测矿井涌水量、顶底板突水，解决出现的各种水文地质问题，有效地遏止突水造成的危害，合理地解决带压开采中防治水的问题以及矿井遭受水灾后的快速复矿治理是当前一项非常重要和紧迫的任务。 对煤炭企业向高产、低耗、安全和集约化生产方向发展具有重要的现实意义和长远意义。截流注浆技术是指根据矿井的具体水文地质条件和水害类型与特点，采用专门的设备及工程，把配制好的胶凝材料浆液或骨料压入含水层、隔水层中的空隙、断裂破碎带、 溶隙、溶洞、陷落柱、井巷及突水口等，并使之扩散、固结，从而起到堵塞过水通道、充填导含水空隙、增大岩石强度或加强顶底板隔(阻)水作用的技术。该技术广泛应用于发生水害的矿井抢险治理过程中。常用的矿井截流注浆技术，按工程性质可划分为含水层截流帷幕注浆、含水层改造注浆、隔水层加固注浆、突水点堵水注浆、井巷封堵注浆、井筒截流帷幕注浆；按工程施工时间可划分为预注浆、出水后注浆；按受注层中地下水运动状态可划分为静水注浆、动水注浆；按使用的注浆材料可划分为水泥浆液注浆、粘土浆液注浆、化学浆液注浆、混合浆液注浆，等等。截流注浆技术适用于矿井主要充水含水层的动态补给量大且稳定，补给通道位置明确且相对集中，含水层或构造薄弱带应具有良好的可注性条件，且能够确保注浆固结体的强度稳定性和抗渗稳定性，等等。早在1802年，法国的夏尔斯贝林尼用自己设计的冲击泵注入粘土和石灰浆液，修复被水流侵蚀的挡潮闸的砾石地基工程，被称为注浆施工的开始。188(Tl905年，当时在法北部和秘鲁的煤矿工作的罗伊曼克斯、波蒂埃尔、萨克雷埃尔、弗兰土等组成矿山技术小组，在涌水量大的立井施工中，进行硅酸盐水泥的注浆试验，研制出高压注浆泵，并且对注浆材料的配方和注浆施工等有关问题作了改进。化学注浆最早是在1920年，由德国的尤斯登(Joosten)注入水玻璃和氯化隹丐。50年代初，我国开始在煤炭、水电、铁路等行业中，利用注浆法治理水害。由于理论不够完善，技术比较落后，注浆效果不够理想。60年代以后，煤矿的注浆堵水技术在多次生产实践应用中得到了普及和提高，先后共完成20余次强充水含水层突水点的堵水治理工程，许多井筒的预注浆和成井后的注浆效果明显，解决了因井筒淋水大而影响生产安全和损坏井筒内装备等难题，并开始进行帷幕截流堵水的实践。注浆材料由单液水泥浆发展到 CS双浆，即水泥一水玻璃浆液、MG — 646、聚氨酯(包括水溶性聚氨酯)及其他许多种化学浆液。注浆材料的发展，促进了注浆设备研发，相继出现了一系列高性能专用注浆泵，高精度的陀螺定向测斜仪，高效的冻注钻机，KWS型止浆塞等。流量测井技术的开发为井筒涌水量的预测、注浆效果的检查，提供了准确可靠的技术手段。在软弱地层加固方面研究出单管、 双管和三重管高压喷射注浆法。在加固土体和浆液流向方面，旋喷、定喷、定摆喷技术不仅在矿山建设中得到应用，还在土建、坝基及交通工程中发挥了重要作用。20世纪80年代至今，注浆堵水技术已成为煤矿井防治水的一种重要有效的手段。 许多煤业集团都建立起了专业注浆队伍，治理矿山各种水害或加固不良岩体，用于预注浆凿井、井壁或壁后注浆、井巷及硐室的涌水封堵、软岩或软土的封水加固、特大透水或淹井事故的治理。尽管经过多年的实践，注浆堵水技术已成为煤矿防治水的主要手段，但随着矿井开采深度日益加大，高水压、高应力、综合机械化开采条件下的突水条件复杂多样，存在如下亟待解决的问题
煤矿发生水害后，在已知矿井突水点、突水水源及涌水通道后，就可以施工常规注浆钻孔，下入骨料后，将配制的浆液压人井下岩层空隙、裂隙或巷道中，迫其扩散、凝固和硬化， 使岩层具有较高的强度、密实性和不透水性而达到封堵截断补给水源和加固隔水层的作用。在注浆堵水复矿施工过程中，当骨料和浆液被注入一定量后，受注岩体的主要通道、裂隙已被浆液基本充填，但依然存在着个别较大的裂隙和相当多的狭小裂隙或者薄弱带。截流注浆后巷道或工作面就形成了密闭空间，此时，导水通道和含水层依然连通。也就是说， 常规注浆的主要作用在于封堵截断补给水源和加固隔水层，封堵突水并不彻底。
发明内容
本发明目的在于提供一种在常规注浆封堵基础上，堵塞导水通道和改造含水层为隔水层、彻底封堵突水水源的返流注浆封堵矿井突水技术。为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案返流注浆封堵矿井突水技术，在常规注浆基础上，在突水点附近施工钻孔加压注浆，迫使浆液沿导水通道流向含水层，占据导水通道和含水层富水空间，以堵塞导水通道和改造含水层为隔水层，彻底封堵突水水源。具体包括以下步骤
I、矿井水文地质条件分析
由于返流注浆堵水技术有其特定的应用条件，所以在确定采用注浆技术之前必须进行矿井水文地质条件分析。主要包括水害成因、突水量、突水水源、矿井充水补给通道的性质及其分布范围、静水压力等。只有弄清这些问题，才能制定切实可行的注浆堵水技术与工程方案。主要包括
(1)突水水源分析；
(2)导水通道分析；
(3)突水类型分析。所述的突水类型，包括掘进巷道突水、隐伏构造突水和采煤工作面突水。2、治水方案设计
对于掘进巷道突水和隐伏构造突水，建立堰塞体截流，在经过下骨料和常规注浆工作基础上，实施返流注浆；
对于采煤工作面突水除了成功截流突水点附近的水外，还要在突水点附近的钻孔中， 投注适量骨料充填采空区中冒裂带，低压返流注浆，将采空区中的水与煤层顶板水隔离；继续下钻过程中每遇到一层含水层就实施返流注浆，将煤层底板以下逐层加固改造，起到隔水效果。由于采用了上述的技术方案，本发明具有的有益效果在于在常规注浆基础上，在突水点附近施工钻孔加压注浆，迫使浆液沿导水通道流向含水层，占据导水通道和含水层富水空间，以堵塞导水通道和改造含水层为隔水层，彻底封堵突水水源，消除了突水隐患， 实现了本发明的目的。下面将结合附图对本发明作详细描述。
附图1，本发明返流注浆封堵矿井突水技术的流程图。附图2，本发明返流注浆封堵矿井突水技术的掘进巷道突水返流注浆示意图。附图3，本发明返流注浆封堵矿井突水技术的隐伏构造突水返流注浆示意图。附图4，本发明返流注浆封堵矿井突水技术的采煤工作面突水返流注浆示意图。 图中10—突水点，11 一含水层，12—导水通道，13—巷道，14一堪塞体，15—截流孔，
16—注浆孔；
20—陷落柱，21—煤层；
30一米空区,31一盖帽截流。
具体实施例参照附图1，返流注浆封堵矿井突水技术，具体包括以下步骤
I、矿井水文地质条件分析
5由于返流注浆堵水技术有其特定的应用条件，所以在确定采用注浆技术之前必须进行矿井水文地质条件分析。主要包括水害成因、突水量、突水水源、矿井充水补给通道的性质及其分布范围、静水压力等。只有弄清这些问题，才能制定切实可行的注浆堵水技术与工程方案。主要包括
(1)突水水源分析；
(2)导水通道分析；
(3)突水类型分析。所述的突水类型，包括掘进巷道突水、隐伏构造突水和采煤工作面突水。2、治水方案设计
对于掘进巷道突水，首先建立堰塞体截流，在常规注浆基础上，直接实施返流高压注浆。参照附图2，掘进巷道突水，一般是揭露了导水断层或者是遇岩溶裂隙较发育的地段。 突水点10位于含水层11的导水通道12在巷道13的出露处；首先在巷道13距突水点10 一定距离实施截流孔15，实施常规注浆，使突水点10附近形成密闭的空间，只有导水通道 12与含水层11沟通，此时，含水层11水压P含略大于巷道13水压P水。在常规注浆基础上，直接实施返流高压注浆。对于隐伏构造突水，参见附图3，在工作面回采或者巷道13掘进的过程中，由于采动的影响，裂隙有可能沟通下部的隐伏构造20诱发突水。这类隐伏构造20主要有隐伏断层或者隐伏陷落柱，此类隐伏构造20不切断煤层21或者离煤层21底板距离较远。对此类突水治理依然是先巷道截流建立堰塞体截流，实施常规注浆，使突水点10附近形成密闭空间，只有导水通道12与突水层11水源连通，此时，隐伏构造中水压P68略大于巷道和钻孔水压P#。在常规注浆基础上，直接实施返流高压注浆。对于采煤工作面突水，参照附图4，在工作面回采煤层21时，当遇到底板隔水层较薄或者裂隙发育的薄弱地段，底板下部高压的承压水容易发生突水。首先在突水点附近上下副巷或者突水点两侧煤层完整的地段，实施两个截流孔进行截流，实施常规注浆；
在常规注浆基础上实施返流注浆，包括以下步骤
(1)返流低压注浆；
(2)返流高压注浆。工作面回采后，采空区30放顶形成的冒落带内被杂乱无章的塌陷物所充填。所述的返流低压注浆，是在突水点10附近施工注浆孔16钻进到采空区30冒落带后，停止钻进， 堵截下部含水层11水上涌，向采空区30充填骨料，使原突水水流由管道流变为渗透流，缩小出水通道，减小水量，返流注浆使之形成具有一定抗压强度的混凝土帽，将采空区30中的水与煤层21顶板水隔离。所述的返流高压注浆，是指在突水点10附近实施返流注浆孔16，实行高压注浆， 迫使水沿导水通道12返流回含水层11，封堵裂隙导水通道12、改造含水层11为有效隔水层。对于掘进巷道突水，实施返流高压注浆，是在突水点10附近注浆孔16实行高压注浆，截流巷道13中水被压缩后，其压力P水大于含水层11水压P含，并且随着注浆压力的升高，P水值亦逐渐增加，而含水层11压力值P含保持不变。被注浆液具有流向弱势压力通道的属性趋势，于是徐徐注入含水层11，迫使水沿导水通道12返流回含水层11中。对于隐伏构造突水，实施返流高压注浆，是在突水点10附近注浆孔16实行高压注浆，截流巷道13中水被压缩后,其压力P水大于含水层水压P隐，浆液就会流向压力较小的一侧，徐徐注入隐伏构造20中。只要加压注浆，浆液就会顶替水沿导水通道12返流隐伏构造20中，在此过程中堵塞导水通道12。对于采煤工作面突水，实施返流高压注浆，是在突水点10附近注浆孔16钻进至底板含水层11，实施下骨料，高压注浆，迫使水返流回含水层11，封堵裂隙导水通道12 (图中未示出)，或者浆液顶替含水层11中水流向其他区域。应采用下行法注浆，加固一段，延深一段，改造此段含水层11为有效隔水层。
权利要求
1.返流注浆封堵矿井突水技术，在常规注浆基础上，其特征在于在突水点附近施工钻孔加压注浆，迫使浆液沿导水通道流向含水层，占据导水通道和含水层富水空间，以堵塞导水通道和改造含水层为隔水层，彻底封堵突水水源；具体包括以下步骤(1)矿井水文地质条件分析主要包括①突水水源分析；S导水通道分析；3:突水类型分析；所述的突水类型，包括掘进巷道突水、隐伏构造突水和采煤工作面突水；(2)治水方案设计对于掘进巷道突水和隐伏构造突水，建立堰塞体截流、在常规注浆基础上，直接实施返流高压注浆；对于采煤工作面突水，在常规注浆基础上实施返流注浆，包括以下步骤(1)返流低压注浆；(2)返流高压注浆。
2.根据权利要求I所述的返流注浆封堵矿井突水技术，其特征在于所述的返流低压注浆，是在突水点附近施工注浆孔钻进到采空区冒落带后，停止钻进，堵截下部含水层水上涌，向采空区充填骨料，注浆使之形成具有一定抗压强度的混凝土帽，即盖帽截流。
3.根据权利要求I所述的返流注浆封堵矿井突水技术，其特征在于所述的返流高压注浆，是指在突水点附近实施返流注浆孔，实行高压注浆，迫使水沿导水通道返流回含水层，封堵裂隙导水通道、改造含水层为有效隔水层。
全文摘要
本发明返流注浆封堵矿井突水技术，提供了一种堵塞导水通道和改造含水层为隔水层、彻底封堵突水水源的返流注浆封堵矿井突水技术。在常规注浆基础上，在突水点附近施工钻孔加压注浆，迫使浆液沿导水通道流向含水层，占据导水通道和含水层富水空间，以堵塞导水通道和改造含水层为隔水层，彻底封堵突水水源。
文档编号E21B33/13GK102587859SQ20121011261
公开日2012年7月18日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者张秋成, 武强, 赵苏启 申请人:中国矿业大学(北京)