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煤礦水害綜合防治技術(shù)講座 河南工程學院王國際電話 13603861088E mail aqgcx2006 第一部分我國煤礦水害治理技術(shù)現(xiàn)狀 一 我國煤礦水害的基本特征 我國是世界最大的產(chǎn)煤國 煤炭產(chǎn)量比整個歐洲國家煤炭產(chǎn)量的總和還要多 但是 隨著我國煤礦開采規(guī)模的迅速擴大 開采深度的不斷增加 開采時所承受的水壓越來越大 近年來 煤礦井下突水事故呈增加趨勢 輕者影響礦井正常生產(chǎn) 造成經(jīng)濟損失 重者造成礦井局部或全部被淹 甚至造成重大的人員傷亡事故 我國煤礦已成為受水災危害最嚴重的國家之一 據(jù)不完全統(tǒng)計 在過去的5年里 全國有300多個礦井由于突水被淹沒 死亡1360多人 經(jīng)濟損失高達600多億元人民幣 底板高壓水通過導水構(gòu)造突入礦井 采空區(qū)及老窯積水突入礦井的水災事故占水災事故的85 以上 華北地區(qū)受底板承壓水威脅的礦區(qū)較多 由于奧陶系灰?guī)r富水性強 水壓高 補給水源區(qū)域廣 隔水層薄 而區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造及陷落柱較發(fā)育 致使華北地區(qū)煤礦重特大突水事故多發(fā) 奧陶系灰?guī)r 其中 太行山東麓各礦區(qū)在開采石炭 二疊紀煤層時 頻繁發(fā)生突水事故 特別是當煤層底板隔水層太薄或斷層破碎帶削弱了底板隔水層強度 而無法承受底板水頭壓力時 導致突水次數(shù)增多 突水強度增大 許多礦區(qū)奧陶系喀斯特溶洞發(fā)育 使上覆巖層陷落或裂隙發(fā)育 塌陷裂隙把灰?guī)r巖溶承壓水突然導入礦井引發(fā)突水事故 其后果往往是災難性的 喀斯特溶洞 由于大量鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦無序開采 導致礦井之間的隔水煤柱遭到破壞 使得廢棄礦井 老空區(qū)積水瞬間潰入采掘巷道 造成嚴重災害的現(xiàn)象近年來呈多發(fā)趨勢 1986 1995年 2000 2005年期間 由于煤炭企業(yè)規(guī)模迅速擴張 是我國煤礦水災最為嚴重的時期 當時華北各礦區(qū)以及廣東 廣西 湖南 山西等礦區(qū)連續(xù)發(fā)生了多起災難性突水淹井事故 2006年以來 國家安全監(jiān)察總局對礦井水災防治工作監(jiān)管力度加大 我國煤礦水害事故呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢 但重特大事故并沒有降下來 隨著科學技術(shù)的進步 煤礦生產(chǎn)與建設(shè)過程中的裝備 工藝 技術(shù)都有了很大的提高 礦井生產(chǎn)和建設(shè)規(guī)模迅速擴張 而礦井水災防治技術(shù)的發(fā)展遠不能適應(yīng)礦井生產(chǎn)與防治水災工作的需求 從而形成了某些礦區(qū)礦井突水事故 死亡人數(shù)及經(jīng)濟損失的反彈和上升 特別是重 特大型礦井突水事故時有發(fā)生 通過近年來對我國一些突水事故的調(diào)查與分析 總結(jié)出我國煤礦水害事故有如下特點 重特大水災事故增多 事故后果嚴整 社會影響面大 重特大水災事故多是底板高壓突水和老空老窯突水 大的水災事故主要源自華北型煤田 水災事故與礦井防治水措施落實不到位有著密切的關(guān)系 在近期發(fā)生的突水事故中70 80 的礦井防治水措施落實不到位 礦井水災防治技術(shù)人員缺乏 安全管理水平低下 突水事故的高發(fā)期往往出現(xiàn)在煤炭工業(yè)的快速發(fā)展期 礦井超設(shè)計能力生產(chǎn)往往是水災事故孕育和發(fā)生根本原因 礦井涌水量隨季度變化較大 汛期是水災事故多發(fā)期 大量的降水致使地面河流 湖泊水位上升 造成淹井事故 煤礦突水事故所造成的經(jīng)濟損失是巨大的 如我國永城 井陘 淄博 鄭州 新汶等礦區(qū)均發(fā)生過突水量在50m3 min以上的重大突水事故 各礦區(qū)總排水量均大于500m3 min 噸煤排水成本為10 40元 占原煤成本中的比例較大 年排水費高達數(shù)千萬元 部分礦區(qū)由于排水費用過高 長期虧損 嚴重影響到企業(yè)的發(fā)展 據(jù)統(tǒng)計 目前我國受水害威脅的礦井8000多處 核定生產(chǎn)能力占總產(chǎn)量的60 以上 其中受水患威脅比較嚴重的礦井有3000多處 煤炭產(chǎn)量15億噸 占總產(chǎn)量的60 這種局面嚴重影響到各礦區(qū)的安全生產(chǎn) 影響礦井的正常接替 阻礙煤炭企業(yè)的發(fā)展 華北的一些主要礦區(qū) 如焦作 峰峰 邯鄲 邢臺 井陘 淄博 肥城 韓城 鄭州 永城等礦區(qū)受水威脅的儲量占礦井總儲量的80 以上 因此 不迅速解決水災事故上升問題 煤礦安全生產(chǎn)形勢難以扭轉(zhuǎn) 目前不少礦井已進入深部開采 個別礦井開采標高已超過 800m 最深的已過 1000m 煤層底板承受巖溶承壓水的水壓已達6 7MPa 而開采煤層與其下伏的灰?guī)r巖溶含水層之間的隔水層厚度一般只有8 40m 突水的機率增大 淹井事故也逐年上升 二 我國華北各礦區(qū)礦井水害防治技術(shù)現(xiàn)狀 近年來 國家安全監(jiān)察總局 各省市煤礦安全監(jiān)察局以及各級煤炭行業(yè)管理部門 煤炭企業(yè)已經(jīng)把礦井水災防治工作列入重要議事日程 新出臺的 煤礦防治水規(guī)定 對礦井防治水工作提出了更高的要求 建立健全水災防治組織機構(gòu) 進一步完善了礦井水災防治措施 各煤炭企業(yè)必須設(shè)專職主要管理人員主抓礦井水災防治工作 各煤礦必須健全礦井水文地質(zhì)圖件 水文地質(zhì)臺帳 必須按相關(guān)法律 法規(guī) 規(guī)程及標準要求建立專業(yè)的探放水隊伍 配備探放水技術(shù)裝備 必須建立完善的礦井主排水系統(tǒng) 并保證其可靠性 制定礦井中長期防治水規(guī)劃和年度防治水計劃 汛期防洪計劃 為防治水工作做好充分的思想準備 物質(zhì)準備和組織準備 受底板灰?guī)r水威脅的華北各礦區(qū)在水災防治策略方面基本上理清了思路 認真貫徹 預測預報 有疑必探 先探后掘 先治后采 的防治水方針 確立了以疏放結(jié)合的帶壓開采為主的防治水策略 肥城 焦作 永城及鄭州等礦區(qū)近幾年大力開展了對二1煤底板進行注漿改造方面的研究 部分礦區(qū)在底板改造方面取得了重大研究成果 并逐步得到了推廣應(yīng)用 從我國各礦區(qū)水災防治工作的全局來看 還存在有明顯不足的問題 由于存在以上不足 近年來我國煤礦重特大水災事故時有發(fā)生 礦井水災防治工作任重而道遠 三 我國煤礦水災事故頻繁發(fā)生的原因分析 造成礦井水害頻發(fā)的根本原因主要有水災防治技術(shù)手段推廣應(yīng)用不夠 防治水工作投人不足 礦井水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作薄弱等 長期以來我國政府和廣大科技人員為煤礦水災防治工作付出了艱苦的努力 在長期與煤礦水災事故斗爭的過程中 以中國煤炭科學總院西安分院及有關(guān)高校和科研院所為代表的防治水科研隊伍 研發(fā)形成了較為系統(tǒng)完善的適合我國國情的煤礦水害防治技術(shù) 方法和相關(guān)的儀器裝備 但由于生產(chǎn)企業(yè)在市場經(jīng)濟條件下沒有及時調(diào)整好快速增長的生產(chǎn)方式與安全配套的防治水技術(shù)與措施之間的協(xié)調(diào)關(guān)系 致使礦井水災防治技術(shù)難以滿足礦井的滿負荷甚至超負荷生產(chǎn)要求 許多煤炭企業(yè)在1997 2000年期間因效益不好 造成高素質(zhì)專業(yè)水文地質(zhì)人才流失 2001年以來煤炭企業(yè)規(guī)模迅速擴大 產(chǎn)量大幅度提高 防治水技術(shù)與管理人員力量不足 加上規(guī)范化監(jiān)管力度不夠 使得現(xiàn)有的防治水技術(shù)和手段沒有得到充分應(yīng)用 礦井基礎(chǔ)水文地質(zhì)工作力度不夠 據(jù)專家研究 防治水技術(shù)手段落后 礦井水災條件預測的準確度不能滿足機械化生產(chǎn)的要求 是造成礦井水災的重要原因之一 近年來 煤礦開采方式有了很大改進 開采深度和工作面開采空間尺度不斷增大 致使水災產(chǎn)生的條件 水災威脅的程度以及水災形成的機理都發(fā)生了較大的變化 而目前我國防治水技術(shù)和水害預測評價的理論基礎(chǔ)仍然以我國20世紀80年代所積累的防治水經(jīng)驗及其相關(guān)研究成果為主 礦井水災防治作為一門實踐性很強的學科 其特定歷史階段的研究成果都具有極強的時間效應(yīng)和對特定采礦方式與采礦環(huán)境的適應(yīng)性 歷史所形成的傳統(tǒng)的防治水技術(shù)措施已經(jīng)不能完全滿足新形勢下現(xiàn)代化礦井建設(shè)與生產(chǎn)的要求 礦井防治水技術(shù)與生產(chǎn)的高產(chǎn)高效技術(shù)發(fā)展水平不平衡必然會產(chǎn)生礦井水災事故的上升 在煤炭工業(yè)快速發(fā)展時期 沒有研制出對于含水構(gòu)造和涌水通道進行準確探查的技術(shù)與裝備 造成了對礦井導水通道的位置 分布 含水性 導水性等探測不準 所制定的防范措施不到位 缺少針對性 這是導致災難性水災事故的直接原因 水源 水量 導水通道是煤礦水災產(chǎn)生的三大因素 礦井水文地質(zhì)工作的核心內(nèi)容就是要查明這三大因素 含水層對水源和水量起決定作用 其補給和排泄條件具有區(qū)域性和面狀分布特點 因此往往是易于查明和預測分析的 但導水通道 斷層 陷落注 不良封閉鉆孔等 具有顯著的局部性和難以預測性 大多數(shù)災難性突水事故都起因于對導水通道的不可預知性 煤礦水災存在最為普遍 突水災害最為嚴重 突水因素最為隱蔽 水害安全最難預知的莫過于華北型石炭系 奧陶系巖溶水通過斷層或陷落柱突水 而我國目前擁有的礦井水文地質(zhì)條件探查技術(shù)與設(shè)備對于斷層和陷落柱等導水構(gòu)造的探查精度和超前探測距離都不能滿足現(xiàn)代化礦井對防治水工作的基本要求 越層越界等非法開采的人類活動所誘發(fā)的突水條件和水災隱患 是造成了老空 老窯突水的根本原因 近年來 政府對鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦進行資源整合 大量小煤礦被關(guān)閉 部分國有煤礦因資源枯竭而關(guān)閉 使得生產(chǎn)礦井周邊形成了新的水源和涌水通道 由于沒有對礦井關(guān)閉可能誘發(fā)生產(chǎn)礦井水文地質(zhì)條件惡化的危險度進行系統(tǒng)評價 沒有采取切實可行的水災監(jiān)測和防范措施 缺乏關(guān)閉礦井相關(guān)工程和技術(shù)資料的系統(tǒng)整理 對廢棄礦井突水條件的認識及防范措施準備不足 頻繁發(fā)生災難性的突水事故 而且這類事故呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢 四 礦井安全生產(chǎn)對水災防治技術(shù)的基本要求 礦井水文地質(zhì)條件的探查和水文地質(zhì)信息的分析與管理技術(shù) 必須滿足礦井建設(shè)與生產(chǎn)在時間與空間方面的要求 煤層頂 底板含 導水構(gòu)造的探測精度和探測深度 必須滿足礦井巷道采掘工作在速度和空間尺度方面的要求 礦井充水因素的預測預報 必須實現(xiàn)適時性和定量性 五 煤礦水災防治技術(shù)發(fā)展需要解決的重要問題 多年來沿用的突水系數(shù)理論是在淺 中部煤炭資源小尺度工作面開采過程中總結(jié)出的經(jīng)驗理論 而深部開采的圍巖應(yīng)力條件 礦壓擾動和開采破壞條件都與淺 中部開采有很大的不同 如果沿用原有的突水系數(shù)理論來指導大埋深 高水壓 高應(yīng)力 綜合機械化開采條件下的礦井水災防治工作 必然會給生產(chǎn)和安全帶來誤導 必要通過現(xiàn)場觀測與試驗研究 理論計算與分析 室內(nèi)物理與數(shù)字模擬等 研究在新的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件下 在綜合機械化開采條件下 煤層底板水的突出機理和控制因素 為有效實施底板水的預測預報提供理論依據(jù) 1 加強對現(xiàn)代采礦條件下開采煤層底板水突水機理的研究 過去的研究成果主要集中于水量和水源 而對導水通道的研究較少 特別是對煤層底板隔水層的隔水性能的研究較少 隨著開采深度的增加 深部疏水降壓難度加大 深入認識煤層底板隔水層的隔水性能 進而有效利用隔水層的自然隔水能力 減少或防止底板突水尤為重要 因此有必要通過對煤層底板隔水層的節(jié)理裂隙發(fā)育程度 巖石力學性質(zhì) 由于開采而引起的礦山壓力對煤層底板的擾動破壞 水巖相互作用機理以及它們之間相互關(guān)系進行研究 提出煤層底板隔水層防高壓突水的綜合評價理論和方法 為充分利用隔水層的防 隔水性能 開采深部煤炭資源 提供水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料 2 加強對煤層底板隔水層隔水性能的研究 在充分調(diào)查研究和對現(xiàn)有地質(zhì)探查技術(shù)與裝備的基礎(chǔ)上 借鑒相關(guān)學科的技術(shù)進步與研究成果 針對目前礦井水文地質(zhì)條件 特別是隱伏導水構(gòu)造遠距離 高精度探查方面存在的問題 研究開發(fā)新的探查技術(shù)與裝備 重點研究以水源和導水構(gòu)造為主的高精度 遠距離快速物探技術(shù)與裝備 從而提高礦井突水條件的探查精度和空間距離 3 加強對導水構(gòu)造探查技術(shù)與裝備研發(fā) 根據(jù)對礦井底板水突出機理及主要控制因素的研究成果 利用突水信息原位采集技術(shù) 突水因素適時檢測技術(shù) 突水因素遠程監(jiān)控技術(shù) 突水信息動態(tài)分析和人工智能判別技術(shù) 直接從礦井突水的前兆因素入手 利用現(xiàn)代信號檢測 數(shù)據(jù)傳輸和模式識別技術(shù) 通過適當?shù)膫鞲衅髦苯颖O(jiān)測突水前兆各項參數(shù)變化 研究確定礦井突水的發(fā)生條件和預報方法 建立礦井水災自動監(jiān)測預報預警系統(tǒng) 開發(fā)相應(yīng)裝備 以實現(xiàn)礦井突水前兆的適時監(jiān)控 水災控制信息的過程與動態(tài)分析 水害發(fā)生的即時預警 4 加強對煤層底板水災監(jiān)控預警技術(shù)與裝備研究 重點研究礦井突水淹井后突水水源的快速判別 利用注漿技術(shù)對出水點快速封堵 被淹礦井快速恢復等關(guān)鍵技術(shù) 5 加強對重大水災事故快速處理技術(shù)與裝備的研究 第二部分水害多源協(xié)同預測預報技術(shù) 一 水害多源協(xié)同預測預報技術(shù)總體方案 礦井水害多源協(xié)同預測預報技術(shù)路線 地震方法與電磁方法相結(jié)合 物探技術(shù)與地質(zhì)分析相結(jié)合 長距離與短距離相結(jié)合 物探技術(shù)與鉆探技術(shù)相結(jié)合 針對礦山不良地質(zhì)段建立宏觀控制預報 準確預報 驗證預報三級預報系統(tǒng) 水害多源協(xié)同預測預報技術(shù)工作流程圖 重點探測區(qū) 一般探測區(qū) 地面及井下地質(zhì)調(diào)繪 確定重點探測區(qū)段及探測內(nèi)容 正常 確定短距離物探手段及預報技術(shù) 實施探測 確定長距離物探手段及預報技術(shù) 實施探測 異常 井下地質(zhì)調(diào)繪 超前深孔鉆探 正常 井下地質(zhì)調(diào)繪 加長炮孔鉆探 綜合分析及預報 確定施工方案 巷道施工 信息反饋 異常 二 水害多源協(xié)同預測預報技術(shù)的主要方法與手段 采用配套技術(shù)進行地面及井下工程地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)查 結(jié)合勘察設(shè)計資料擬定預報分級管理標準 劃分出重點不良地質(zhì)區(qū)段 采用水害多源協(xié)同預測預報技術(shù)的思想與方法建立預報模型 將地質(zhì)調(diào)繪 地質(zhì)分析與井下物探 鉆探相結(jié)合 對開挖面前方斷層 節(jié)理裂隙 破碎帶 接觸帶 含水層 地應(yīng)力狀況以及巖性和圍巖等級進行預報 一 主要方法 地質(zhì)調(diào)繪環(huán)境監(jiān)測分析地質(zhì)編錄地質(zhì)構(gòu)造分析 巖性分析 水文特征分析鉆孔攝影物探地質(zhì)鉆探 二 主要手段 三 組織結(jié)構(gòu) 為了保證水害多源協(xié)同預測預報技術(shù)的順利進行 集團公司設(shè)立指揮部 發(fā)揮設(shè)計 科研 施工 制造 四位一體 的優(yōu)勢 對地質(zhì)預測預報工作及重難技術(shù)問題進行聯(lián)合攻關(guān) 水害多源協(xié)同預測預報技術(shù)組織結(jié)構(gòu)見下圖 水害多源協(xié)同預測預報技術(shù)組織結(jié)構(gòu)圖 指揮部 礦項目部 短距離探測組 地面地質(zhì)調(diào)繪與監(jiān)測組 井下地質(zhì)調(diào)繪與監(jiān)測組 綜合分析與預報組 直流電法探測組 超前地質(zhì)鉆探組 瞬變電磁法探測組 四 地質(zhì)信息收集與處理 水害多源協(xié)同預測預報技術(shù)要建立一個地質(zhì)信息系統(tǒng) 通過各種方法收集地質(zhì)信息 進行綜合分析 判斷 編制信息預報成果 水害多源協(xié)同預測預報技術(shù)信息采集處理流程見下圖 地質(zhì)信息采集處理系統(tǒng) 信息分析處理 是否與設(shè)計一致 變更設(shè)計 否 現(xiàn)場施工 是 地質(zhì)信息系統(tǒng) 五 國內(nèi)外物探預報技術(shù) 國內(nèi)外主要的物探技術(shù) 電法勘探磁法勘探重力勘探地震法勘探等 其中物探技術(shù)應(yīng)用較為廣泛的有電法勘探 磁法勘探和地震法勘探 一 地震法預報技術(shù) 國內(nèi)外常用的地震法超前預報技術(shù)有 陸地聲納法負視速度法水平地震剖面法 HSP TSP超前預報方法 TSP202 TSP203等 TGP206超前預報方法TRT和TRT6000超前預報技術(shù)TST超前預報技術(shù) 地震法存在一些技術(shù)缺陷 主要在于觀測方式與處理軟件上 觀測方式和軟件處理方法缺乏嚴謹?shù)奈锢砘A(chǔ) 臆造性較大 與真實地質(zhì)情況有一定差距 造成了一些漏報 誤報和工程事故 漏報 誤報現(xiàn)象主要是由于地震法勘探對含水地質(zhì)構(gòu)造不敏感 二 電磁法預報技術(shù) 電法勘探是勘探地球物理學主要學科之一 電法勘探研究以地殼中各種巖石 巖石電學性質(zhì) 導電性 介電性 導磁性 激電性 之間的差異性為基礎(chǔ) 利用電場或電磁場 天然或人工 空間和時間分布規(guī)律來解決地質(zhì)構(gòu)造或?qū)ふ矣杏玫V產(chǎn)的一類地球勘探方法 在實際應(yīng)用中已有20余種 通常分為三類 直流電法直流電法一般常用的有高密度電 音頻電透視 三極超前探測 電測深等 交流電法交流電法主要有瞬變電磁 地質(zhì)雷達 磁偶源 坑道透視等 天然電磁法天然電磁主要有天然場和電磁輻射等 瞬變電磁法 TEM 瞬變電磁法的基本原理是 利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場 在一次脈沖磁場的間歇時間內(nèi) 用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法 以取得地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù) 隨著電子技術(shù)特別是計算機技術(shù)的發(fā)展 國內(nèi)外研制的瞬變電磁法勘探儀器不斷涌現(xiàn) 如 MSD 1脈沖瞬變電磁儀采用高精度寬帶程控運算放大器 高速十六位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 高速雙口隨機存儲器等器件 并利用雙極性同步采樣 對工頻相干采樣 弱信號多點平均 信號累加 瞬態(tài)干擾賜除等多種數(shù)據(jù)處理方法 獲取較好的勘探數(shù)據(jù) 礦井地質(zhì)雷達 國內(nèi)使用的礦井地質(zhì)雷達主要由重慶分院開發(fā) 其研制的KDL 3型礦井地質(zhì)雷達系統(tǒng)在技術(shù)上已達到國際先進水平 具有微機控制 數(shù)據(jù)采集 存貯及信息處理 自動成圖等功能 分辨率較高 探測距離可達60 70m 礦井地質(zhì)雷達系統(tǒng)包括發(fā)射天線和發(fā)射機 接收天線和接收機 以及控件部分 發(fā)射機通過發(fā)射天線對準探測地質(zhì)目標定向發(fā)射高頻窄脈沖電磁波 電磁波的傳播速度和衷減率取決于巖石的介電性和導電性 且對巖石類型的變化與裂隙含水性非常敏感 在傳播過程中 一旦遇到巖石導電特性變化 就可能使部分透射波反射 反射信號或透射信號通過接收天線被接收機所檢測 從而探測地質(zhì)異常體的性質(zhì) 位置和大小 主要用于探測落差大于lm的小斷層 煤層位置與厚度 厚煤層開層后的剩余厚度 導水裂隙帶和灰?guī)r巖溶發(fā)育帶的位置 隔水層厚度 瓦斯異常帶等 無線電波透視法 俗稱坑透法 無線電波透視法 是向地下地質(zhì)體發(fā)射高頻無線電波 通過觀測電磁波在傳播過程中場強的衰減情況 以確定地質(zhì)異常體的位置 通常情況下 煤層和頂?shù)装鍘r石對高頻電磁波的吸收作用是不同的 低電導率的巖石對電磁波能量吸收作用小 因而接收的信號 即場強 較強 而煤層吸收作用大 接收的信號弱 斷層破碎帶 陷落柱等則會使電磁波產(chǎn)生反射 折射和吸收 屬低電阻體 高電導率 坑透法在兩條巷道 回風順槽和運輸順槽 之間進行 通常把發(fā)射機放在所探測采煤工作面的運輸順槽內(nèi) 向被探測地質(zhì)體發(fā)射無線電波 接收機放在回風順槽內(nèi) 接收透過被探測地質(zhì)體的電磁波信號 當有低電阻的異常體時 在相應(yīng)的接收點處能觀測到無線電波場強的明顯衰減 通過改變發(fā)射點或接收點位置多次觀測 即可確定地質(zhì)異常體的位置和形態(tài) 直流電法屬全空間電法勘探 它以巖石的電性差異為基礎(chǔ) 電流通過布置在隧道內(nèi)的供電電極在隧道周圍巖層中建立起全空間穩(wěn)定電場 直流電法超前物探主要是根據(jù)視電阻率的大小來判斷工作面前方的含水構(gòu)造與地質(zhì)構(gòu)造 因此 探測前提是探測目標有明顯的電性差異 利用探測目標電性參數(shù)的差異來分辨目標體 如 探測目標為巖層 洞穴 金屬礦 水體還是構(gòu)造等 直流電法 視電阻率是直流電法超前物探的關(guān)鍵因素之一 影響視電阻率的因素主要有 組成巖石的礦物成分 主要與組成巖石的礦物顆粒的結(jié)構(gòu)狀態(tài) 濕度 含水量 溫度有關(guān) 巖石中水溶液的分布狀態(tài) 巖層中水溶液的電阻率大小 與含水孔隙度有明顯關(guān)系 與巖石的裂隙率 巖溶發(fā)育程度有較大關(guān)系 直流電法探測的干擾主要來自5個方面的影響 探測地點存在鐵軌 工字鋼 扒矸機等金屬干擾物和水溝等連續(xù)狀低阻體 巷道底板干濕不勻 局部地區(qū)存在積水段 巷道底板過分干燥引起的接地電阻過大 線路漏電 巷道彎曲 理論上 只要巷道較長 探測時兩極足夠遠 就能達到足夠大的探測距離 多年的探測實踐表明 因全空間和體積效應(yīng)等問題 直流電法有效探測距離一般不超過100m 直流電超前探測法可以超前查獲掘進作面前方空洞 斷層 富水區(qū)等地質(zhì)異常區(qū) 為掘進工作面探放水工作提供了準確的技術(shù)依據(jù) 有效地預防了掘進工作面突水事故的發(fā)生 三 物探預測預報技術(shù)路線 綜合分析上述幾種物探技術(shù) 結(jié)合各種物探技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用情況 其中 地震法勘探對構(gòu)造 巖性等力學性質(zhì)變化敏感 也就是說地震法超前物探對構(gòu)造探測比較準確 電磁方法對含水性引起的導電性敏感 說明電磁法超前物探對含水構(gòu)造探測較為準確 為了提高超前物探的準確性 應(yīng)采用地震法與電磁法相結(jié)合的物探技術(shù) 地面物探和井下鉆探相結(jié)合的技術(shù)路線 四 直流電法水文地質(zhì)預測預報應(yīng)用 1 直流電法儀超前水文地質(zhì)預測預報的基本原理一個點電源O在均勻介質(zhì)中的電場形態(tài)為球形 見圖 每個球殼為一個等電位面 不同等電位面上A B兩點會產(chǎn)生電位差 電位差的大小與其通過的介質(zhì)的導電性 電阻率 有關(guān) 用直流電法儀測得A B兩點的電位差 依公式可計算出介質(zhì)的視電阻率 點電源在均勻介質(zhì)中的電場形態(tài) 在巷道中設(shè)A B兩極供電點 其中B點設(shè)在無窮遠 大于測量范圍3倍以上 就形成了以A點為中心穩(wěn)定的球形電場 設(shè)3個不同球形電場A1 A2 A3 見圖 進行測試 可以得到3組前方相切的介質(zhì)的視電阻率 經(jīng)過計算機處理 消除其他方向上的干擾 得到前方切點D處的視電阻率 三個不同電場觀測示意圖 連續(xù)觀測就得到工作面前方不同距離處介質(zhì)的視電阻率變化曲線 含水地點的巖石視電阻率會大大降低 依視電阻率變化情況可以推測到工作面正前方水文地質(zhì)是否有異常 2 直流電法儀工作原理直流電法儀是由鋰電池組 逆變聲壓 整流濾波 極性變換 單片機控制 A D轉(zhuǎn)換 顯示 存儲 通訊等電路組成 其工作原理見圖 直流電法儀工作原理示意圖 電池輸出的直流電壓經(jīng)逆變升壓電路產(chǎn)生83V的高壓 經(jīng)整流濾波 極性變換電路輸出 即通過A B電極供入大地 建立穩(wěn)定的人工電場 同時通過M N電極接收大地的感應(yīng)電壓信號 經(jīng)A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送單片機控制電路 測量電壓和供電電流 經(jīng)過計算存入存儲器 顯示器用來顯示參數(shù)和測量數(shù)據(jù) 存儲器用于測量參數(shù)和測量數(shù)據(jù)的儲存 存儲器中的數(shù)據(jù)通過RS232串行通訊口傳送到PC機中 在PC機中完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和成果圖的繪制 3 工程實例登封市廟莊煤礦是一個技改礦井 2006年5月對該礦的部分巷道采用直流電法進行了超前探測 根據(jù)探測結(jié)果對其水文地質(zhì)進行了預測預報 1 測點布置根據(jù)不同探測目的 直流電法可以采用多種工作裝置形式 井下探測通常應(yīng)用對稱四極測深裝置 三極測深裝置和三點三極超前探裝置 由于此次超前探測的目的是了解運輸大巷掘進工作面前方的斷層含水情況 所以采用三極測深布極法 測點布置見下圖 在掘進工作面迎頭布置供電極A1 A2 A3 間距4m A1布置在掘進工作面迎頭位置1m位置 接收極M N 間距4m 在掘進工作面迎頭后300m處布置B極作為無窮遠極 距供電極A112m開始跑極 觀測記錄各點視電阻率 然后在計算機上繪制A1 A2 A3點視電阻率曲線圖 以各條曲線上距A1供電點等距低阻點為依據(jù) 分別以A1 A2 A3點為圓心繪圓 三圓相交點即為前方低阻異常點 測點布置圖 2 成果分析將井下采集的數(shù)據(jù)通過RS232串行通訊口傳送到計算機中 在計算機中通過Sufer8完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和成果圖的繪制 詳見廟莊煤礦主運輸大巷直流電法超前探測結(jié)果圖 本次采用直流電法儀三極布極法 對巷道超前探測100m 共測得數(shù)據(jù)75組 其中可信數(shù)據(jù)73組 有效探測距離為85m 圖中用兩種方式表達介質(zhì)的視電阻率大小 一是視電阻率等值線 一是顏色深淺 顏色較淺部分表示視電阻率較低 顏色較深的部分表示視電阻率較高 圖像下方數(shù)字代表距巷道掘進工作面距離 從圖中可以看出 工作面前方48 57m為一低阻區(qū) 此區(qū)間巖石的視電阻率為55 65 比正常介質(zhì)視電阻率低得多 可視為富水區(qū) 60 68m之間為一高阻區(qū) 此區(qū)間巖石的視電阻率為145 155 比正常介質(zhì)的視電阻率要高 可視為斷層破碎帶 不含水 其余部分為正常段 揭露驗證 在掘進工作面前方47 5m處出現(xiàn)淋水 并且水量較大 掘進工作面前方60m處出現(xiàn)一落差5m的斷層 與探測結(jié)果完全吻合 五 直流電法超前預測預報成果圖 六 井下鉆探 1 超前距探水時從探水線開始向前方打鉆孔 探水一掘進一再探水一再掘進 循環(huán)進行 而探水鉆孔終孔位置應(yīng)始終超前掘進工作面一段距離 該距離稱超前距 見探水鉆孔的主要參數(shù)示意圖 一 探放水的主要參數(shù) 2 允許掘進距離經(jīng)探水證實無水害威脅 可以安全掘進的長度稱允許掘進距離 3 幫距幫距 使巷道兩幫與可能存在的老窯積水之間保持一定的安全距離 即呈扇形布置的最外側(cè)探水孔所控制的范圍與巷道幫的距離 可用下式計算 a 超前距 m L 巷道跨度 寬度高取大值 m KP 煤的抗拉強度 MPa A 安全系數(shù) 一般取2 5 P 水頭壓力 MPa 4 鉆孔密度 孔間距 指允許掘進距離終點橫剖面上探水鉆孔之間的間距 不超過3m 以免漏掉含水區(qū) 二 探放水鉆孔布置方式 扇形探水鉆孔 半扇形探水鉆孔 探水鉆孔的布置方式和巷道類型 煤層厚度與產(chǎn)狀有關(guān) 情況不同時 布置方式也有所不同 主要有 扇形 半扇形 三 探水與掘進的配合 1 雙巷掘進交叉探水2 雙巷掘進單巷超前探水3 平巷與上山配合探水4 隔離式探水 四 斷層帶探放水 據(jù)統(tǒng)計 礦井突水事故中有90 以上是位于斷裂帶或其附近 因此 當采掘工作面將要揭露或接近含水 導水的斷裂構(gòu)造時 都必須進行探水 防止突水事故發(fā)生 1 斷層探放水原則與探查內(nèi)容 1 斷層探放水原則 下列情況均必須探水 采掘工作面前方有導水斷層存在 但具體位置不清或控制程度不夠 采掘工作面前方 預測有斷層存在 但具體位置和含 導 水性不清 采掘工作面底板隔水層厚度與承受水壓都處于臨界狀態(tài) 采掘工作面影響范圍內(nèi)斷層賦存情況不清 巷道揭露或穿越斷層無突水征兆 但隔水層厚度及實際水壓接近臨界狀態(tài) 井巷工程在淺部穿越斷層時已證實不含 導 水 但深部有可能突水 根據(jù)井巷工程和斷層防水煤柱留設(shè)的特殊要求 必須查明的斷層 采掘工作面接近推斷導水斷層100m時 或距已知含 導 水斷層60m 采區(qū)內(nèi)小斷層使煤層與強含水層的距離縮短時 含水層水壓大于2 3MPa 2 斷層水探查的主要內(nèi)容查明斷層位置 落差 走向 傾向 傾角 斷裂帶寬度 充填物和充填程度 斷層的導水性與富水性 查明斷層兩盤斷裂帶裂隙 巖溶發(fā)育情況 兩盤對接部位的巖層及其富水性 查明煤層與強含水層的實際間距 查明斷層探水孔不同深度處的水壓 水量 確定底板水在隔水層中的導升高度 通過放水試驗和連通試驗查明斷層導水性 富水性以及通過斷層的側(cè)向補給水量 2 斷層探放水方法斷層探水方法與探老窯水方法相仿 但探水鉆孔孔數(shù)要比探老窯水少 一般為3個孔 鉆孔布置方式按探查目的不同略有差異 1 探查工作面前方已知或預測含 導 水斷層 先布置掘進前方1號孔 然后再打2 3號孔 確定斷層走向 傾向 傾角和斷層的落差及兩盤的對接關(guān)系 2 隔水巖柱處于臨界狀態(tài)時對掘進工作面前方的探查 沿巷道掘進方向打3個孔 3 巷道實見斷層 在采動影響后有無突水危險性的探查 一般應(yīng)向下盤預計采動影響帶內(nèi)打1號孔 若無水 則還應(yīng)向預計采動帶以下打2 3號孔 3 斷層水的預防和處理 1 斷層帶不含 導 水導水水源為孔隙 裂隙水時 可直接通過 但防止塌落冒頂 若是沖積層 巖溶含水層 須先打孔疏放 證實水壓 水量不大時 再過斷層帶 2 斷層帶弱含 導 水 有可能突水的斷裂帶 若水源為孔隙 裂隙含水層時 需加強支護 防止冒落 如水壓 水量較大時 應(yīng)先打孔疏水降壓 然后再過斷層 若是沖積層 巖溶含水層時 要超前探水 再穿過斷層帶 如隔水巖柱不足 應(yīng)留設(shè)防水煤柱 若為厚層強巖溶水或大型地表水體時 巷道掘進必須超前探水 回采時須留設(shè)斷層防水煤柱 3 富含水或?qū)詮?突水可能性大的斷層 若水源為孔隙 裂隙含水層時 回采前疏水降壓至安全值以下 并留設(shè)防水煤柱 若水源是沖積層 灰?guī)r層含水層時 要超前探水 防止滯后突水 留防水煤柱 若水源為厚層強含水層或大型地表水體時 應(yīng)超前探水 留設(shè)斷層防水煤柱 第三部分煤礦注漿堵水技術(shù) 一 注漿技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)狀與研究方向 又稱為灌漿 Grouting 它是將一定材料配制成漿液 用壓送設(shè)備將其灌入地層縫隙內(nèi)使其擴散 膠凝或固化 以達到加固地層或防滲堵漏的目的 從而改善受注地層的水文地質(zhì)或工程地質(zhì)條件 注漿 InjectionGrout 注漿技術(shù)起源于地下工程的特殊需要 1802年 法國人查理斯 貝里格尼在修理第厄普沖刷閘時 用木制沖擊筒裝置 人工錘擊方法向地層擠壓將石灰和粘土漿液加固迪普港的磚石砌體 開始了注漿施工 1824年 英國的約瑟夫 阿斯普丁研制成功硅酸鹽水泥后 一些國家開始以水泥為主要注漿材料 將注漿技術(shù)應(yīng)用于建筑基礎(chǔ) 水壩和礦山工程中 1845年 美國沃森在一個溢洪道陡槽基礎(chǔ)下灌注水泥砂漿 1864年 阿里因普瑞貝硬煤礦的一個井筒第一次使用了水泥注漿法 以后又相繼在比利時 法國和德國使用了這種方法 1885年蒂金斯成功采用地面預注漿方法開鑿井筒 并取得了專利權(quán) 從此 注漿技術(shù)作為礦山工程 建筑工程中防水 加固的重要手段 先后在英國 法國 南非 美國 日本以及前蘇聯(lián)等國家得到了廣泛的應(yīng)用 1884年 英國的豪斯古德在印度建橋時首次使用化學注漿并獲得成功 1887年 德國切撤爾斯基發(fā)明了硅化法并獲得專利 1909年 比利時人勒馬爾塔蒙特提出了雙液單系統(tǒng)的一次壓注法并獲得專利 荷蘭采礦工程師尤斯登在1920年首次論證了化學注漿的可靠性 并創(chuàng)造了水玻璃 氯化鈣雙液雙系統(tǒng)兩次壓注法 開始了化學注漿的歷史 上世紀50年代以后 歐美及日本等國家開展注漿材料研究 美國研制了粘度接近水 凝膠時間可任意調(diào)節(jié)的丙烯酰胺漿液 AM 9 接著各國分別研制出了木質(zhì)素類 脲醛樹脂類 酚醛樹脂類 呋喃樹脂類 丙烯酸鹽類 聚氨脂類 環(huán)氧樹脂類 不飽和聚酯樹脂等性能各異的注漿材料 另一方面 注漿材料向超細水泥方向發(fā)展 逐步替代化學漿材 減小對環(huán)境污染和降低工程造價 砂 土層的化學注漿防滲加固技術(shù)逐步被20世紀70年代以后開發(fā)的高壓噴射注漿法所取代 高壓噴射注漿技術(shù)由單管 CCP法 逐步發(fā)展為二管 雙介質(zhì) 和三管 三介質(zhì) 水 氣 漿 我國20世紀50年代初在煤炭 水電 鐵路等行業(yè)中 利用注漿法治理水害 才填補了舊中國在注漿技術(shù)方面的空白 20世紀60年代以后 煤炭行業(yè)的注漿技術(shù)得到快速發(fā)展 注漿材料由單液水泥漿發(fā)展到CS雙漿 即水泥 水玻璃漿液 1964年我國研制成功MG 646新型化學漿液 1967年研制成功水泥一水玻璃雙液注漿法 70年代研制成功聚氨酯化學注漿材料 近年來又開發(fā)了以粘土為主劑的CL C型粘土水泥漿 降低了注漿成本 注漿材料的發(fā)展 促進了注漿設(shè)備和機具的研制 相繼出現(xiàn)了一系列高性能專用注漿泵 高精度的陀螺定向測斜儀 高效的凍注鉆機 KWS型止?jié){塞等 注漿方法分類 1 按注漿材料的不同分類 化學注漿 水泥注漿 粘土類注漿2 按漿液的混合方式分類 單液單系統(tǒng)法 雙液單系統(tǒng)法同步注入型雙液雙系統(tǒng)法 交替注入雙液雙系統(tǒng)法3 按注漿的施工時間分類 預注漿 后注漿 4 按注漿的目的不同分類 加固注漿 堵水防滲注漿 置換注漿5 按漿液的滲透方式為類 充填注漿 滲透注漿 擠密注漿和劈裂注漿6 按注漿管形式進行分類 鉆桿法 花管法 雙層管雙栓塞法 同步注入法 高壓噴射攪拌法 二 注漿材料 一 注漿材料及其特點 理想的注漿材料 應(yīng)滿足以下要求 漿液粘度低 流動性好 可注性好 能夠進入細小隙縫和粉細砂層 漿液凝固時間可以在寬域時間內(nèi)任意調(diào)節(jié) 并能人為地加以準確控制 漿液的穩(wěn)定性好 常溫 常壓下存放一定時間不改變其基本性質(zhì) 不發(fā)生強烈的化學反應(yīng) 漿液無毒 無臭 不污染環(huán)境 對人體無害 屬非易燃 易爆物品 漿液對注漿設(shè)備 管路 混凝土建筑物及橡膠制品無腐蝕性 并且容易清洗 漿液固化時 無收縮現(xiàn)象 固化后有一定的粘結(jié)性 能牢固地與巖石 混凝土及砂子粘結(jié) 漿液結(jié)石率高 結(jié)石體有一定的抗壓強度和抗拉強度 不龜裂 抗?jié)B性好 結(jié)石體應(yīng)具有良好的耐老化特性和耐久性 能長期耐酸 堿 鹽 生物菌等腐蝕 并且其溫度 濕度特性與被注體相協(xié)調(diào) 注漿后材料顆粒應(yīng)有一定的細度 以滿足注漿效果 但顆粒越細 漿液成本也就越高 漿液配制方便 操作簡單 原材料來源豐富 價格合理 能大規(guī)模使用 按漿材料主劑性質(zhì)分為兩大系列 二 注漿材料的分類 無機系列單液水泥類漿液水泥粘土類漿液可控域粘土固化漿液高水速凝材料漿液水泥 水玻璃類漿液水玻璃類漿液 有機系列丙烯酰胺類漿液木質(zhì)素類漿液脲醛樹酯類漿液聚胺酯類漿液其他有機類漿液 1 單液水泥類漿液 三 無機系列注漿材料 水泥漿的基本性能 1 純水泥漿不包括附加劑 只有水泥和水調(diào)制而成的漿液 隨著水灰比的增大 水泥漿的粘度 密度 結(jié)石率 抗壓強度等有十分明顯的降低 初凝 終凝時間逐漸延長 2 附加劑 水泥速凝劑能縮短水泥凝固時間的化學藥劑 我國速凝劑種類很多 如 711 型 紅星一型 陽泉一型 氯化鈣 蘇打 水玻璃 碳酸鉀 硫酸納等 水泥漿中加入氯化鈣或水玻璃均有顯著速凝作用 水泥的速凝早強劑水泥的速凝早強劑是復合附加劑 如水玻璃 三乙醇胺加氯化鈉 三異丙醇胺加氯化鈉及二水石膏加氯化鈣等 一般情況下 速凝早強劑用量為 三乙醇胺 或三異丙醇胺 占水泥用雖0 05 0 1 氯化鈉占水泥用量0 5 1 0 水泥的分散劑和懸浮劑單液水泥漿易沉淀析水 需發(fā)加入懸浮劑 為了降低水泥漿的粘度 提高漿液的流動性 增加漿液的可注性 往往要加入分散劑 水泥的其他附加劑亞硫酸鹽 紙漿廢液 食糖 硫化鈉等屬于塑化劑 而膨潤土 高塑粘土屬于懸浮劑 為滿足注漿工程的特殊需要 水泥需添加一些其他附加劑 如緩凝劑 流動劑 加氣劑 膨脹劑 防析水劑等 單液水泥漿的特點 水泥作為注漿材料 來源豐富 價格低廉 漿液結(jié)石體強度高 抗?jié)B性能好 采用單液方式注入 工藝及設(shè)備簡單 操作方便 由于水泥是顆粒材料 可注性差 難以注入中細粉砂層及細裂隙巖層 水泥漿液初 終凝時間長 不能準確控制 容易流失 易沉淀析水 強度增長慢 結(jié)石率低 穩(wěn)定性較差等缺點 超細水泥漿液 超細水泥漿液的特性 1 同樣水灰比超細水泥漿液粘度比普通水泥和膠體水泥漿液粘度低 穩(wěn)定性好 2 超細水泥顆粒有較高的化學活性 能較好地凝結(jié)硬化 獲得高早期和后期強度 齡期3天的超細水泥結(jié)石體抗壓強度不低于20MPa 28天可達30MPa以上 W C 0 6 3 超細水泥漿液凝結(jié)時間的確定可用摻入硅酸鈉的方法在45 150s的范圍內(nèi)調(diào)解 4 超細水泥具有可調(diào)的膨脹率 容易使結(jié)石體充滿整個裂隙 使其界面結(jié)合得十分嚴密 大大提高了其抗?jié)B能力 濕磨超細水泥 濕磨水泥制漿方法 簡稱WMC 濕磨超細水泥是對水灰比為1 1的普通水泥的漿液再予以磨細15min 所達到的平均粒徑為4 10 m 比表面積達到7000 10000cm2 g 析水率只是普通水泥漿液的5 左右 可以在磨細操作的同時進行注漿 膏狀水泥漿液 膏狀水泥漿液是普通水泥漿液 膨潤土和附加劑經(jīng)過高速攪拌而成的 它的水灰比低 為0 4 0 7 這種稠漿2小時內(nèi)的析水率不超過5 在壓力作用下 水分不會被擠出 并且在注漿過程中有觸變性 具有高穩(wěn)定性 能夠較為飽滿地充填裂隙 結(jié)石體的強度高 抗化學溶蝕的能力強 2 類漿液水泥粘土 水泥粘土類漿液的性能 粘土用量對漿液性能的影響 水泥和粘土的化學反應(yīng) 水泥和粘土攪拌后 首先是水泥水化 產(chǎn)生水化物的同時 一部分繼續(xù)硬化 形成水泥水化物的骨架 另一部分則與周圍具有活性的粘土顆粒發(fā)生反應(yīng) 反應(yīng)主要是離子交換及團?；饔煤湍Y(jié)作用 所謂離子交換是指水泥與水反應(yīng)生成的鈣離子 Ca 被帶負電荷的粘土顆粒吸附而發(fā)生膠凝 水泥粘土類漿液的特點 較單液水泥漿液成本低 流動性好 抗?jié)B性強 結(jié)石率高 抗壓強度因配方不同有所差異 一般情況下為5 10MPa 比單液水泥漿低 只適用于充填注漿 漿液材料來源豐富 價格低廉 采用單液注入工藝 設(shè)備簡單 操作方便 漿液無毒性 對地下水和環(huán)境無污染 3 可控域粘土固化漿液 以粘土為主劑加入一定量的添加固化劑而成 漿液成本低 來源廣 應(yīng)用范圍大 漿液特點 以粘土為主要成分 占80 85 具有高分散性和高可控流動性 且其結(jié)石不收縮 堵水率可達90 以上 漿液可注性好 擴散半徑可控 可降低注漿鉆孔數(shù)量 避免漿液流失 漿液具抗水稀釋性 流變可控制性 能在動水狀態(tài)下注漿 避免漿液過多損耗 漿液結(jié)石體塑性強度高 化學穩(wěn)定性好 具有良好的抗震性和化學侵蝕能力 4 高水速凝材料 以鋁礬土 石灰和石膏為主要原料 配以多種無機原料附加劑 經(jīng)磨細 均化等工藝 配制成甲 乙兩種粉料的水硬性膠結(jié)材料 主要技術(shù)特征 由甲乙兩種固體粉料組成 具有高含水性 水和固體粉料體積比高達6 1 9 1 水灰比為2 l 3 1 具有可注性 甲乙兩種固體粉料與水攪拌制成的甲乙兩種漿液 單獨放置可達24h以上不凝固 不結(jié)底 流動性好 適應(yīng)于遠距離輸送 具有速凝性 甲乙兩種漿液混合后30min之內(nèi)即可凝結(jié)成固體 強度性能 甲乙兩種材料漿液混合后開始凝固 lh抗壓強度可達0 5 1MPa 2h強度可達2MPa 一天可達4MPa 7d以后可達5MPa以上 無毒 無害 無腐蝕 酸堿性 甲料的PH為9 10 為弱堿性 乙料的PH為11 12 為堿性 高水材料所形成的結(jié)石體早期破壞后還具有重結(jié)晶恢復強度的特性 5 水泥 水玻璃類漿液 水泥 水玻璃類漿液亦稱CS漿液 C代表水泥 S代表水玻璃 是以水泥和水玻璃為主劑 兩者按一定的比例采用雙液方式注入 必要時加入附加劑所形成的注漿材料 水泥 水玻璃類漿液是一種用途極其廣泛 使用效果良好的注漿材料 CS漿液的適宜配方為 水泥為425號或525號普通硅酸鹽水泥水泥漿的水灰比為0 8 l 1 1 水泥漿與水玻璃的體積比為1 0 1 1 0 8水玻璃模數(shù)為2 4 3 4 濃度為22 40Be CS漿液漿液的凝固機理2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 2硅酸三鈣水化硅酸鈣氫氧化鈣2 3CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 2硅酸二鈣水化硅酸鈣氫氧化鈣3CaO Al2O3 6H2O 3CaO 2Al2O3 3H2O Ca OH 2鋁酸三鈣水化鋁酸鈣氫氧化鈣 由于Ca OH 2的存在 水泥凝固時間較長 難以滿足注漿的要求 必須采取措施 研究縮短水泥凝膠時間的方法 水玻璃是有效的速凝劑之一 水玻璃也叫硅酸鈉或泡花堿 分子式為NaO SiO2 Ca OH 2 NaO nSiO2 CaO nSiO2 mH2O Na OH 水玻璃把Ca OH 2置換為水化硅酸鈣 使水泥快速凝固 凝固時間一般可控制在30 60秒之內(nèi) 并且可以調(diào)節(jié) 衡量水玻璃性質(zhì)有兩個重要參數(shù) 模數(shù) M 一般情況下M 2 4 3 3濃度 用玻美度 B 表示 實際應(yīng)用時有兩種水玻璃 38B M 3 1 3 3注漿用51B M 2 4 2 6堵漏用如果想進一步縮短CS漿液的凝膠時間 也可以在其中加入其他的化學添加劑 如三乙醇胺 氯化鈉 硅粉等 可將CS漿液的凝膠時間縮短至7 15秒 如果要延長CS漿液的凝膠時間 可在其中加入緩凝劑 如磷酸二氫鉀等 水泥 水玻璃漿液的特點 漿液可控性好 凝膠時間可準確控制在幾秒到幾十分鐘的范圍內(nèi) 漿液結(jié)石體強度高 可達5 0 10 0MPa 漿液的結(jié)石率高 可達100 結(jié)石體的滲透系數(shù)小 為10 3cm s 該漿液適宜于0 2mm以上裂隙及1mm以上粒徑的砂層使用 材料來源豐富 價格便宜 漿液對地下水和環(huán)境無污染 水玻璃類漿液是指水玻璃在固化劑作用下產(chǎn)生凝膠的一種注漿材料 1 水玻璃 氯化鈣漿液兩種液體在地下土壤中相遇 立即發(fā)生化學反應(yīng) 生成二氧化硅膠體 并將土粒包圍起來凝成整體 不僅起到防滲作用 更主要的起到加固作用 2 水玻璃 鋁酸鈉漿液水玻璃與鋁酸鈉反應(yīng) 生成凝膠物質(zhì)硅膠及硅酸鋁鹽 膠結(jié)砂和土壤 起到加固和堵水作用 3 水玻璃 硅氟酸漿液水玻璃和硅氟酸兩種漿液相遇便產(chǎn)生絮狀沉淀物 在性能上是一種比較好的水玻璃漿 4 其他類水玻璃漿液 水玻璃 磷酸類 水玻璃 草酸硫酸鋁類 水玻璃 二氧化碳類 水玻璃 有機膠凝劑類 6 水玻璃類漿液 四 有機系列注漿材料 丙烯酰胺類漿液要求雙液系統(tǒng)注入 主劑 交聯(lián)劑 還原劑 或強還原劑 及緩凝劑溶解在水中單獨存放 簡稱甲液 氧化劑也溶解在水中單獨存放 簡稱乙液 由于丙烯酰胺單體具有毒性 日本 美國等現(xiàn)在已不再使用 漿液特點 粘度小 在凝膠前一直保持不變 具有良好的滲透性 凝膠時間可以準確地控制在幾秒至幾十分鐘的范圍內(nèi) 漿液凝膠是在瞬間發(fā)生并完成的 凝膠體抗?jié)B性能好 滲透系數(shù)為10 9 10 10cm s 凝膠體抗壓強度低 一般不受配方的影響 其值約為0 4 0 6MPa 1 丙烯酰胺類漿液 2 木質(zhì)素類漿液 以紙漿廢液為主劑 加入一定量的固化劑所組成的漿液 包括鉻木質(zhì)素漿液和硫木質(zhì)素漿液兩種 1 鉻木質(zhì)素漿液雙液系統(tǒng)注入的注漿材料 漿液由三部分組成 甲液是亞硫酸鈣紙漿廢液 乙液包括固化劑和促進劑 固化劑采用重鉻酸鈉 促進劑有三氯化鐵 硫酸鋁 硫酸銅 氯化銅等 漿液特點 漿液的粘度較小 可灌性好 滲透系數(shù)為10 3 10 4cm s的基礎(chǔ)均可適于灌漿 防滲性能好 用鉻木質(zhì)素漿液處理后的基礎(chǔ) 其滲透系數(shù)達10 7 10 8cm s 漿液的膠凝時間可在幾秒鐘至十分鐘范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 新老凝膠之間的膠結(jié)較好 結(jié)石體的強度達0 4MPa 0 9MPa 原材料來源廣 價格低廉 2 硫木質(zhì)素漿液由于重鉻酸鈉是一種劇毒藥品 在地層中注漿存在著鉻離子 Cr6 污染地下水的問題 因此鉻木質(zhì)素漿液的廣泛應(yīng)用受到了一定的限制 以過硫酸銨完全代替重鉻酸鈉 成為無毒的硫木質(zhì)素漿液 漿液特點 漿液粘度與鉻木質(zhì)素相似 可灌性能好 膠凝時間可在幾十秒至幾十分鐘之間控制 凝膠體不溶于水 酸及堿溶液中 化學性能較穩(wěn)定 結(jié)石體抗壓強度在0 5MPa以上 3 脲醛樹脂類漿液 由脲素和甲醛綜合而成的一種高分子聚合物 在固化前是一種水溶性樹脂 用水配制成水溶液 溶液在酸性 常溫 常壓下就能迅速固化 并且具有一定的強度 脲醛樹脂類漿液分三類 性能如下 脲醛樹脂漿液 用市售固體含量為55 左右的脲醛樹脂為主劑 注漿時稀釋至40 然后加入酸或強酸弱堿鹽作固化劑 漿液特點 材料來源豐富 價格便宜 漿液結(jié)石體的強度較高 達40 80MPa 但較脆 漿液粘度較大 在酸性條件下對設(shè)備有腐蝕性 在含碳酸鹽地層注漿時其結(jié)石體強度會下降 凝膠體抗?jié)B性差 長期存放會變質(zhì)固化 并且漿液的剌激性氣味大 脲素 甲醛漿液 該漿液用脲素和甲醛作注漿材料的甲液 固化劑作乙液 漿液特點 漿液流動性好 粘度低 解決了漿液長期存放的問題 但漿液配制后必須立即使用 材料來源廣泛 成本下降 改性脲醛樹脂液 脲醛樹脂漿液雖有價格低廉 使用廣泛等優(yōu)點 但仍有許多不足之處對注漿不利 如質(zhì)脆易碎 抗?jié)B性差 與巖石膠結(jié)力不強 并有收縮現(xiàn)象 有效期短等 因此 有時在脲醛樹脂生產(chǎn)過程中 加入一種或幾種能參與反應(yīng)的化合物或在脲醛樹脂漿液中加入另一種注漿材料混合使用 以取長補短 達到改善性能的目的 改性脲醛樹脂的特點 漿液結(jié)石體強度大 膠結(jié)力強 固砂強度可達10 0MPa 漿液粘度低 為25MPa s 可注性好 可注入含泥量為20 的細砂中 漿液凝膠時間可控范圍寬 可從幾十秒至幾十分鐘調(diào)節(jié) 凝膠及其固砂體耐久性好 可抗5 濃度的強酸 強堿和鹽的腐蝕 材料來源豐富 成本較低 4 聚氨酯類漿液 由于漿液中含有未反應(yīng)的異氰酸基因 遇水發(fā)生化學反應(yīng) 交聯(lián)生成不溶于水的聚合體 因此能達到防滲 堵漏和固結(jié)的目的 另外反應(yīng)過程中產(chǎn)生二氧化碳 使體積膨脹而增加固結(jié)體積比 并產(chǎn)生較大的膨脹壓力 促使?jié){液二次擴散 從而加大了擴散范圍 聚氨酯類漿液可分為兩大類水溶性非水溶性漿液區(qū)別在于 前者與水能混合后者只溶于有機溶劑 非水溶性聚氨酯漿液 由多異氰酸酯和多羥基化合物聚合而成 當該漿液制備時可分為 一步法 和 二步法 兩種 一步法 就是在灌漿時 將主劑的組分和外加劑直接一次混合成漿液 二步法 又稱預聚法 是把主劑先合成為聚氨酯的低聚物 預聚體 然后 再把預聚體和外加劑按需要配成漿液 這樣可以緩和反應(yīng) 減少放熱 便于控制膠凝時間 漿液特點 漿液是非水溶性的 遇水開始反應(yīng) 因此不易被地下水沖稀或沖失 漿液遇水反應(yīng)時發(fā)泡膨脹 進行二次滲透 擴散均勻 注漿效果好 結(jié)石體抗壓強度高 采用單液系統(tǒng)注漿 工藝設(shè)備簡單 水溶性聚氨酯漿液 水溶性聚氨酯漿液由預聚體和其他外加劑組成 預聚體也是由聚醚樹脂和多異氰酸酯反應(yīng)而成 外加劑與非水溶性聚氨酯所用的基本相同 目前國內(nèi)所用的主要有兩種 即高強度漿液的預聚體及低強度的預聚體 漿液特點 漿液能均勻地分散或溶解在大量水中 凝膠后形成包有水的彈性體 結(jié)石體的抗?jié)B透性能好 一般在10 6 10 8cm s之間 漿液的凝膠時間可以根據(jù)催化劑或緩沖劑的用量在數(shù)秒到數(shù)十分鐘之間調(diào)節(jié) 5 其他有機類漿液 四種漿液 糠醛樹脂漿液環(huán)氧樹脂漿液丙烯酸鹽漿液甲凝漿液 三 注漿設(shè)備與機具 注漿設(shè)備及機具 主要包括 鉆機 鉆具 注漿泵 攪拌機 注漿管線 止?jié){塞和混合器等其中 鉆機與鉆具是成孔設(shè)備注漿泵 攪拌機等其它設(shè)備 器具則是制備 輸送漿液等 并將漿液注入地層空隙或軟土地層中的機具 1 鉆孔設(shè)備 地面常用鉆機 TXB 100型 紅旗 700型 紅旗 500型 XJ 100型 DPP 100型汽車鉆機等 井下常用鉆機 DZ 100型 DZ 200型 MK 3型 MK 3型 MK 5型 ZDY1200S型 ZDY1200S型 ZDY1500S型 ZDY52000S型 ZDY3000S型等 2 注漿泵 注漿泵是注漿施工中最重要的設(shè)備之一 它應(yīng)有足夠的排漿量 其泵壓應(yīng)大于最大注漿壓力的2 3倍 以保證注漿工作的順利進行 注漿施工中 當注入水泥漿 水泥 水玻璃 粘土水泥漿等粒狀漿液時 國內(nèi)目前多采用活塞注漿泵或泥漿泵 漿中摻砂時則采用專用砂漿泵 若進行化學注漿 可用專用計量泵 注漿專用泵的技術(shù)特征見表 3 止?jié){塞和混合器 止?jié){塞是在常規(guī)注漿中 實現(xiàn)分段注漿 合理使用注漿壓力和有效控制漿液分布范圍 保證注漿質(zhì)量的重要設(shè)備 它在注漿孔中的安設(shè)位置 應(yīng)選擇在孔壁圍巖穩(wěn)定 巖性完整 無縱向 70 90 裂隙 或有縱向裂隙 但已注漿封堵 和孔徑規(guī)則的孔段 目前常用的止?jié){塞根據(jù)其結(jié)構(gòu)及作用原理可分為機械 水力膨脹式兩種類型 機械式有單管三爪式 單管異徑式 孔內(nèi)雙管式 小型雙管式和KWS型卡瓦式 水力膨脹式有單管式和雙管式 混合器是針對兩種漿液混合注漿用的一種專用器具 混合器按安裝位置分為孔口混合器和孔內(nèi)混合器兩類 它們根據(jù)工藝流程和漿液凝膠時間選擇 4 其他注漿設(shè)備 包括 攪拌機 流量計 輸漿管路 孔口密封裝置 閥門和壓力表等 這些注漿設(shè)備應(yīng)根據(jù)注漿工藝要求進行選擇和配備 謝謝