国庄8101堵水设计2.docx

1、国庄8101堵水设计2前 言 国庄煤矿1970年建井，1975年投产，设计能力45万吨/年，年最高产量103万吨/年。1995年，原南高余矿并入国庄矿，现有-70m、-80m、-210m三个生产水平，2002年产量60万吨，共有职工家属万余人。国庄井田位于肥城煤田西南端，东、南以F7断层与白庄矿、平阴矿为界，西北以F25和F3断层与查庄矿、马坊矿为界，西南以人为技术边界与隆庄矿为界，面积8.2Km2。 主要含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原群，目前上组煤（山西组煤层）已开采完毕，主要开采受水威胁的下组煤。该矿井水文地质条件极为复杂，下组煤开采受四灰、五灰、奥灰含水层的严重威胁。井田东、南边界F

2、7断层组使井田内各含水层与断层对盘奥灰直接对口接触，接受奥灰水的补给。在井田范围内，断层十分发育，较大断层及相交部位各含水层之间有密切的水力联系。1993年元月5日，-210m北大巷沿七层掘进时，曾发生32970m3/h 的特大型突水淹井事故。一、水文地质概况本井田为一独立的水文地质单元。其基本轮廓为三面阻水，一面进水的“”形边界条件。井田西南边界为浅部隐蔽露头区,由于第四系底部粘土层隔水性良好，而且灰岩风化严重,溶洞、裂隙多被粘土所充填,第四系水与基岩含水层无水力联系,为一阻水边界;西北和北部边界为F3断层,落差3090m,对盘下降,切断了四灰与五灰含水层之间的水力联系,查庄矿和聊城矿的开采

3、实践亦证明是一阻水边界;东南边界为F7断层组,造成井田内各含水层与对盘奥灰强含水层对口接触,为一导进水补给边界（图1）。 矿井的构造形态为一倾伏似船形向斜构造，井田内断层发育，落差大于30m的大型断层有7条，延展长度均在1000m以上，落差在1030m断层现已揭露18条之多，影响着井田的采区合理划分和巷道布置，同时使井田的水文地质条件复杂化。 井田内主要含水层有：第四系砂及砂礓含水层，山西组砂岩含水层、太原群石灰岩含水层、本溪群徐家庄灰岩（五灰）及奥陶系灰岩含水层。其中第四系砂及砂礓层、太原群第一、第二层石灰岩含水层对矿井充水影响不大。严重威胁下组煤开采的含水层为：太原群第四层石灰岩、本溪群徐

4、家庄石灰岩和奥陶系石灰岩强含水层（图2）1、四灰含水层：厚4.547.80m，平均5.94m，为8层煤直接顶板，上距7层煤19.19m，岩溶裂隙发育，通过F7断层组接受奥灰水补给，水文地质条件较复杂。据其复杂程度大致分为五个不同的水文地质块段。第一、第二块段水文地质条件极复杂，煤层储量列为表外。第三块段水文地质条件简单，易于治理。第四块段水文地质条件复杂，四灰通过F7-1断层接受奥灰水补给。该块段煤层储量大，是矿井生产的主要区域，也是四灰水治理的重点。第五块段四灰水文地质条件较简单。2、五灰（徐家庄灰岩）：厚6.58.0m,平均7.5m,上距煤8平均32.0m,下距奥灰平均10.2m。五灰质纯

5、致密,岩溶裂隙发育，q = 0.11216.12 L/S,因断层的影响与奥灰水力联系密切，是威胁煤层开采的主要含水层。3、奥陶系石灰岩含水层：厚800m左右，地表广泛出露，直接接受大气降水补给，含水丰富，动水量达2.8104m3/h,是五灰、四灰的水源层。原始水位+60m左右，由于近几年大气降水偏少，工农业取水量增加，水位普遍下降。现在正常水位-5m左右，是威胁煤层开采的主要含水层。二、突水经过及采取措施国庄煤矿8101工作面位于8100轨道上山及8100皮带机巷西南侧，西至8100总回风巷保护煤柱，南至f1断层防水煤柱，东至GF121断层防水煤柱。工作面走向长370m，倾斜宽27140m，平

6、均101.5m，可采储量9.72万吨。工作面标高-169.1-187.8m。该面为严重受水威胁工作面，水文地质条件复杂。回采前采取了以下措施：（1）、按照集团公司的有关规定，对该面进行了底板五灰注浆改造。共施工注浆孔51个/2851.5m，钻孔水量为0190m3/h，平均71.6m3/h，共注入水泥1845.8吨，粘土2739.3吨，平均每孔注干料90吨。无论是钻孔密度还是注浆量，与相邻工作面相比都是较大的；（2）、该面回采过程中，采取了放水降压开采措施，先后打开3个放水孔，放水量109m3/h，减小了水压对工作面底板的作用；（3）对顶板四灰按规定进行了人工强制放顶，减少矿压对底板的破坏作用；

7、（4）施工了专门泄水巷，确保泄水路线畅通。2002年12月19日6时10分，当8101工作面推采至100米时，靠近循环溜头2530m处突遇一条落差1.8米的正断层，断层走向与工作面基本平行，之后发现溜头以下24米27米范围内底板出水，水量为45m3/h（标高-173m）。出水后，集团公司及国庄矿有关领导立即赶赴现场，研究采取了以下措施：（1）工作面立即停止生产；（2）采取打木垛（共打18个）控制底板；（3）安排加强水情观测；（4）布置井下打钻堵水。12月20日水量增至406m3/h后，经集团公司及矿研究，采取了以下措施：（1）地面、井下打钻注浆同时进行；（2）迅速组织人员对-280、-230、

8、-210三个泵房的排水设备进行检修，并进行试运转，确保设备完好；（3）对所有防水闸门及截止阀进行全面检查，确保灵敏可靠；（4）立即由生产科室包区队干部及安监员组织井下施工人员，现场熟悉避灾路线。12月27日19时10分，水量突然增大至1500m3/h。之后，水量继续猛增，据有关资料推算，瞬时涌水量超过16540m3/h，至12月28日6时，-210m泵房进水，造成矿井深部水平（210m水平）被淹。之后，水位仍然继续上升。现场作业人员均已安全撤出。当晚集团公司成立了以董事长、总经理为总指挥的抢险保矿指挥部，专门研究了抢险方案，并对各项工作进行了明确分工。立即采取以下措施：（1）下井人员必须经调度

9、室同意签字盖章后方可持证下井；（2）在-210南翼回风暗斜井、8100皮带巷、7500临时回风巷三处设点观测，每10分钟观测汇报一次；（3）当发现水量有增大趋势时，首先撤出-210下山采区作业人员；至12月28日1时，除-280、-210、-230泵房开泵、维修人员外，其余-210水平作业人员全部撤出；（4）至28日4时30分，因水量继续增大，-230、-280泵房放弃，在确定人员全部撤出后，分两组关闭-210m南、北大巷及6200底车场三道水闸门（南大巷水闸门因水流冲积杂物较多，造成关闭不严）；（5）加强对-210泵房的维护，开启-210泵房全部7台水泵排水，终因水量太大，至12月28日6时

10、，-210泵房进水，被迫放弃。三、水情分析预测根据井田地面钻孔水位动态变化情况可以看出，8101工作面出水前，五、奥灰含水层水位呈整体下降的趋势，下降幅度很小，日降平均0.05m左右。12月19日出水后，由于水量小，没有形成大的降落漏斗，各钻孔水位变化不大，依然保持自然下降的趋势。12月27日突水点水量骤增后35个小时（即12月29日上午），地面钻孔水位降深增大。96水1、GO3、NO4奥灰孔水位分别下降了1.58m 、1.69m和0.45m，G501、N507、N508五灰孔水位分别下降了6.02m、 0.35m和 0.44m。以上资料表明，此次突水最初为五灰水源，后来变为奥灰直接突水（表1

11、）。含 水 层 水 位 动 态 成 果 表表 1 孔 号GO3G501NO4N508N50796水1距 出 水 点 距 离19604302875222026101700含 水 层奥灰五灰奥灰五灰五灰奥灰出 水 前 水 位（12月19日）-5.21-18.89-5.6-4.3-4.5-4.53406m3/h时水位/降深（12月27日）-5.30.09-18.990.1-5.780.18-4.50.2-4.680.1816540m3/h时水位/降深（12月29日）-6.991.69-25.016.02-6.230.45-4.850.35-5.120.44-6.11累 计 降 深1.786.120.

12、630.550.621.58从出水点的水量资料分析，12月19日6时10分，开始出水量为45m3/h。20日夜班水量加大，增至406m3/h。12月27日19时10分，水量突然增大到1500m3/h，之后水量继续猛增，28日凌晨瞬时最大水量超过16540m3/h，很快淹没了-210m水平。水量由小到大的巨变，也充分说明突水水源由五灰转变为奥灰强含水层。四、突水原因8101工作面出水后，集团公司组织有关专业人员认真进行了分析，一致认为这次出水原因是：（1）断层的破坏作用。工作面在推进过程中突遇H=1.8m的正断层，断层的张性错动使断层带及顶底板较为破碎，构造裂隙十分发育，并且该断层走向与工作面基

13、本平行，断层倾角大（75度85度），近乎直立，是一个极为薄弱的地带。底板五灰、奥灰含水层水压1.7MPa左右，在水压作用下五、奥灰水沿断层薄弱带导入工作面，形成突水。（2）矿山压力的诱导破坏作用。工作面在揭露断层期间，矿压的剪切破坏使断层活化，煤层底板也受到不同程度破坏，底板隔水厚度变小，强度降低，因水压和矿压共同作用，导致工作面出水。五、堵水方案（一）、堵水方案的确定根据以上资料分析，本次突水有以下几个特点：一是属于工作面底板出水，老空区范围较大，不利于封堵；二是沿断层破碎带出水，落差H=1.8m断层走向与工作面基本平行，沿工作面断层方向有不同程度的底鼓，出水点沿断层移动，堵水难度大；三是突

14、水水源为奥灰，突水水量大，水压高；四是四灰、奥灰与五灰之间的突水通道不明确，一般情况下应该是断层破碎带，但也存在陷落柱的可能性。根据上述特点，为了快速高质量地封堵出水点，尽快恢复矿井生产，经过讨论研究，结合肥城矿区以往的堵水经验，确定采用“封顶盖帽、堵源截流、阻堵结合”的堵水方案，沿工作面方向、出水点两侧布置6个堵水孔，地面安排34台钻机同时施工。在保证施工质量的前提下，加快施工速度，采用自上而下分段注浆方式，对老空区先注砂子、石子等骨料，减缓水流速度，然后进行旋喷加固，之后延深到水源层注浆。堵水材料主要为砂子、石子、单液水泥浆为主，在对突水通道注浆时，可以掺入水玻璃、NC-3添加剂等材料或进

15、行双液注浆，争取以最短的时间、以最快的速度，以最好的质量完成98%的堵水效果。（二）、钻探工程1、钻孔布置：本次工作面突水水量大，要在短时间内以最省的材料费用，封堵突水口，切断水源通道并巩固住堵水效果，必须做到钻孔布置合理、设计准确。经研究本次堵水钻孔布置如下（图3，图4）：堵1孔：布置在工作面上半部，距溜头25m、距面边8m的煤层实体内，设计深度为310m，终孔位置为奥灰，进入奥灰20m左右。其目的是封堵水源层，堵截突水通道。钻探至五灰时先注浆，注浆结束后延深至奥灰，再行注浆。堵2孔：布置在距运煤机道5m的采空区内。该孔正对突水点，设计深度285m，终孔层位为五灰。施工至采空区后，先注砂子、

16、石子等骨料，对突水点进行“封顶盖帽”，减缓水流速度，缩小突水口，减少浆液流失。骨料充填后再旋喷加固，最后延伸至五灰含水层注浆封堵突水通道。堵3孔：布置在距运煤机道21m、距工作面6m的采空区内，孔深285m，设计在五灰内揭露断层上下盘，其目的是进一步加固含水层，封堵水源通道。堵4孔：布置在工作面上头断层组采空区侧，设计深度280m，其目的是封堵侧向水源通道。堵5孔：布置在工作面下部采空区，设计深度295m，终孔层位五灰。其目的是对底板水源层进一步加固注浆封堵。堵6孔：布置在堵3孔以下20m采空区内，设计深度310m，终孔层位为奥灰，其目的是针对断层带底鼓区注浆加固堵水。施工过程中根据具体情况，

17、随时调整有关堵水孔（表2）。堵水孔设计情况一览表 表 2孔 号孔 口 坐 标终孔深度目 的X（4008）Y（20459）Z堵 1615.894935.86769.3310封堵水源层堵 2612.000912.50069.3285封顶盖帽 堵截通道堵 3602.500926.50069.3285封堵突水通道堵 460190269.3285堵源截流堵 556896669.4295封堵水源堵 659195969.3310巩固注浆果2、钻孔结构钻孔结构根据设计穿过层位及终孔直径进行选择。8101面堵水范围煤3、煤4、煤6为实体煤，煤7大部分为采空区，集中出水点附近为实体煤，煤5为采空区。兼顾注浆效果、

18、施工安全和施工速度，结合以往实践，最后一级套管和终孔直径确定为108mm和91mm。考虑上述因素，堵水孔采用如下三种结构类型：型：煤7、煤8均为实体煤，如堵1、堵4孔。一级孔径170mm，深度3059 m，下入168mm套管，隔离冲积层及风化带；二级孔径130mm，深度为266m左右，进入煤10底板 4-5m左右，下入108 mm套管，作为注浆管使用，三级孔径91 mm至终孔位置（图5）。型：煤7为实体煤，煤8为采空区，如堵2、堵3孔。一级孔径同型，二级孔径150mm，至煤7底板9m左右的三灰层位，深度225m，下入127 mm套管隔离煤5、煤7采空区，对煤8采空区进行注骨料和旋喷加固后，三级

19、孔径110 mm至煤10底板，下入108 mm注浆管，四级孔径91 mm至终孔位置（图6）。型：煤7、煤8均为采空区，如堵5、堵6。一级孔径250mm，下入219mm套管，二级孔径170mm，深度228m左右，穿过煤7采空区底板3m，下入168mm套管，隔离煤5、煤7采空区。三级孔径150mm，下入127mm套管隔离煤8采空区，四级孔径110mm，下入108 mm套管作注浆管使用，终孔孔径91 mm（图7）。终孔层位在奥灰的钻孔，对五灰注浆结束后，91 mm钻进。3、施工技术要求四灰以下全取芯，采取率达到70%以上。认真做好简易水文工作，提、下钻间隔时间观测水位，详细观测记录孔内的漏（涌）水情

20、况。岩芯按顺序排放，及时鉴定贴票，见标志层、终孔时排全长。如层位异常，提高岩芯采取率，以便判断是否有断层或其它构造。施工至采空区（老巷）位置，首先对突水点注骨料盖帽，再注d1.70的单液浆或水泥掺添加剂浆旋喷加固后向下钻进。在四灰以下钻进，凡是发现漏水层，均必须及时汇报，以确定是否注浆。原始记录做到及时、准确、完整、清晰。施工过程中认真执行钻孔防斜措施。孔内相关套管封闭后作打压试验，耐压试验压力值4.5MPa。钻孔的标定必须准确无误，要用T2级仪器，15级导线两个测回敷设。在煤3层位附近为F3断层破碎带，下套管前采取旋喷护壁措施或注浆。在积累施工经验的前提下，在保证终孔孔径的同时，可尽量简化钻

21、孔结构。在注浆堵水期间，其它钻孔不得在五灰、奥灰层位钻进，在其它层位出现串浆时暂停钻进，保证施工安全。（三）、注浆工艺采取地面临时注浆站造浆，经注浆管路由地面堵水孔进入受注层的注浆方式。对煤8采空区以注骨料为主，对突水通道及水源层在动水条件下以水泥浆、水玻璃双液浆为主，在静水条件下以单液水泥浆为主。1、地面临时注浆站注浆站建造在不影响堵水孔布置、位置适中的地点，本着设备配置紧凑、操作方便的原则，充分考虑注双液浆、骨料存放、供水等因素。为提高制浆速度，加快堵水进程，安装两个20t的散装水泥罐和两台1.6m3的立式整体一搅池，一个3.0m3的二搅池（含吸浆槽）。另设清水池两个（各1.0m3）、水玻

22、璃池一个（1.0m3）、水玻璃储存池一个（10m3）、水玻璃储存罐一个（6m3）。同时，注浆站内应设立电源站，电源站总功率不得低于注浆和打钻主要设备的功率之和，设立专用供水系统，供水量不得小于40m3/h（图8）。为减小劳动强度，提高制浆效率和质量，尽量采用射流造浆制浆工艺。2、注浆系统注浆选用NBB250/6泥泵四台，泵量分别为40、80、150、250L/min四个档位。一台注单液水泥浆，一台注水玻璃，两台备用。注骨料采用人工上料经孔口料斗在水力带动下进入受注层的工艺，供水量要求不小于50m3/h。注骨料时，钻杆在孔内转动喷水，水和砂子（石子）从钻杆与套管间隙进入通道。3、注浆材料水泥：用

23、质量稳定可靠的425普通硅酸盐水泥；水玻璃：玻美度不小于38Be（比重不小于1.36）；添加剂：NC-3早强防冻剂，济南煤炭科技研究所研制；骨料：以砂子、石子、炉渣为主（粒径小于5mm）。根据堵水钻孔情况结合对堵水进程的深入分析可适当选择其它辅助材料。4、注浆参数（1）浆液参数单液浆：水灰比0.5:11:1,即比重1.861.49(表3)。单液浆水泥、清水加入量对比表 表 3 水 灰 比比 重制1m3浆水灰用量（Kg） 水水泥0.5:10.6:10.75:1 0.8:11:11.861.701.621.601.4860066067068074012601040950920740为控制单液浆的扩

24、散，减少浆液的损失，可在单液水泥中加入NC-3添加剂，加入量以占水泥重量的25%为准。使用前，进行不同条件下、不同比重单液水泥浆、不同加入量的配比试验，根据试验结果选择合理的配比参数。根据12月29日室内简易配比试验情况，从初凝速度看，掺加3%4%效果较好。双液浆：单液水泥浆的水灰比一般采用0.8:10.6:1，水玻璃与水泥浆的体积比采用1:10.32:1。每次注浆前进行配比试验，根据初凝时间、目的层吸浆量及孔内混合器位置具体确定。注骨料：水和砂子的注入比为30:110:1，先细后粗的顺序。（2）注浆终孔压力出水点最大水压1.7MPa，鉴于出水点附近断层发育，底板遭受破坏，压力过大，易使底板隔

25、水层破坏加剧，造成水量反复，压力太小，又影响进浆量和堵水效果。参照有关标准，终孔压力定为水压的1.52.5倍，即2.64.5MPa。双液浆取5.0MPa。（3）钻孔注浆结束标准注浆终压（包括结束时压清水的压力）在注浆量小于80L/min时，单液浆注浆达到4.04.5MPa，并持续10分钟以上，双液浆注浆达到5.0MPa，并持续5分钟以上。钻孔耗水量小于50L/min。5、技术要求及安全措施（1）注浆期间：上料、造浆、放浆、司泵严格执行工种岗位责任制，听从注浆指挥的安排，确保顺利实施。（2）注浆期间对积水水位和矿井涌水量加密观测，观测地点设专用电话，观测结果要及时汇报注浆指挥部。地面观测： 利用

26、堵水孔揭露四灰或煤8采空区进行积水水位观测。井下观测：水位至-80m水平以下时，利用-210轨道斜井挡水墙测压管观测，和实际水位进行比较，消除因漏水产生的误差。当水位上升，接近-70m水平时， 利用-80帷幕下山挡水墙测压管观测，-80帷幕下山挡水墙顶、底板标高分别为-82.75m和-84.60m，距-80东大巷变坡点38.5m。 （3）注浆方案的确定：首先要根据钻孔掉钻、岩芯、水位等资料分析钻孔与出水点的关系，必要时做钻孔透视及流速流向测定。采取骨料和浆液结合使用，单液浆和双液浆结合使用，以及大量注和定量注、稀浆和混浆、间歇和连续注浆结合使用的注浆方案。（4）注浆管路连接时，应逐条检查，包括

27、是否畅通，有无损坏，丝扣完好等，下入孔内时要加棉线上铅油拧紧，防止接头处跑浆埋管。（5）井下观测积水水位必须两人一组，经检测在有害气体不超限、氧气含量大于18%的条件下进行。（四）堵水效果分析评价办法每次注浆结束或工程全部结束，对堵水效果的分析评价采取以下方法相结合的综合评价办法。1、地下水动态分析根据突水前后及注浆后的地下水地表观测数据，绘制历时曲线图，用距出水点较近的GO3奥灰孔、501五灰孔和较远的NO4奥灰孔、N508五灰孔进行对比分析，可对堵水效果作出定性评价或大致定量评价。2、注浆参数分析一般情况下，相同浓度的浆液和注浆方式，其压力为越高，泵量（吸浆量）越小，反映了注浆效果好，裂隙

28、充填堵塞的越实。相邻堵水孔的串浆情况也是效果评价的一个辅助手段。注浆初期，进浆量大，随着注浆量的继续增加，扩散距离加长，可能出现钻孔串浆现象。3、裂隙充填程度分析一孔（次）注完后，根据其它堵水孔钻进层位的裂隙充填程度分析评价以前注浆的效果。4、排水试验根据排水期间淹没区域的积水水位、排水量、地下水动态等综合分析确定堵水效果。六、工期及效果预计工期：50天，力争30天。即自2002年12月28日至2003年2月18日，争取2003年1月28日前结束。效果：98%以上，即突水点剩余水量331m3/h以下。工程安排：按三台钻机同时施工排工期七、劳动组织为保证8101面堵水工程高效、快速、有序地进行，

29、成立由集团公司领导的国家庄煤矿、地勘处参加的注浆堵水指挥部，集团公司董事长梁兴泰、总经理孔青任总指挥，集团公司副总经理李兆祥、总工程师张希平任副总指挥，成员由集团公司副总工程师于树春、吴泗波及地测处、机电处、技术处、调度室、通防处、安监局、器材供应处、国家庄煤矿、地勘处等处室、单位主要负责人组成。下设技术组、钻探注浆施工组、后勤保障组。1、技术组组长：于树春副组长：王则才、陈振江、尹万才成员：刘志刚、江玉祥、房孝春、刘贤好、陈希堂、潘光明、李明宝、许京丰、。负责分析突水原因；编制注浆堵水设计；结合堵水钻孔资料及水动态变化等情况，通过注浆材料配比试验制定注浆施工方案供指挥部决策；根据领导小组决策

30、的方案组织实施；负责对堵水效果分析评价。2、钻探注浆施工组组长：陈崇柱副组长：杨延杰、常延水、谢少华成员：陈希堂、郭修杰、郑如臣、李明宝、潘光明、于吉峦负责按照方案设计提交堵水孔单孔设计及安全技术措施，组织施工堵水孔、注浆堵水、注浆加固、采空区水位观测，确保四台钻机三班作业，确保按注浆堵水施工设计制造浆液并实现连续注浆（骨料），确保施工工期。3.后勤保障组组长：桑红星副组长：王次东、梁兴泉、范毅、曲修术成员：张衍国、闫相国、高宗溪、郭吉平、马兴军、于炳海、马德武、苏明保证注浆堵水工程材料、设备、配件、资金等的及时足量供应；协调农事，保证供电、供水、人员的组织等。 八、资金概算8101面注浆堵水工程概算资金235.8万元。其中：堵水孔工程费52.0万元，堵水孔管材48.0万元，注浆材料费66.4万元，建造注浆站17.0万元，注浆费21.6万元，不可预见费30.8万元（表4）。肥城矿业集团有限责任公司国家庄煤矿8101工作面堵水工程方案设计肥城矿业集团有限责任公司二00二年十二月二十九日责 任 表设计编制：尹万才设计审查：张希平 于树春 王则才 参加设计：房孝春 刘贤好 潘光明 李明宝 许京丰 马冲 杨新汶目 录前言一、水文地质概况.二、突水经过及原因.三、堵水方案（一）、方案确定.（二）、钻探工程.（三）、