CN115354987A - 一种矿井突水治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井突水治理方法，属于矿井突水治理技术领域，该方法将晶胞填隙模型和紧密堆积法引入矿井突水治理中；首先，根据突水位置信息，施工，并下放套管；然后，依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂中的一种或多种，注入浆液加固，完成初次封堵；砾石的注入可实现封堵中对突水通道的初步封堵，可有效防止水流过大导致骨料冲走造成的浪费；逐级注入的方式可使封堵材料达到相对最大密实度，进而实现最佳的突水通道封堵效果，提高对突水通道的治理能力。最后，通过对初次封堵效果进行检验，并根据检验结果对突水通道进行再次封堵，进一步保证对突水通道的有效封堵，解决现有技术中矿井突水通道封堵时材料浪费和治理效果不佳的问题。
Description
技术领域
本发明属于矿井突水治理技术领域，涉及一种矿井突水治理方法。
背景技术
矿井突水往往会引起淹没矿井、人员伤亡、设备受损等重大安全事故，是煤矿生产经常遇到的重大灾害之一。其主要原因可归结为生产活动导致矿井与突水水源连通，致使大量的水进入矿井从而引发一系列安全事故。其矿井与突水水源连通的通道被称为突水通道。
矿井突水治理一直是困扰煤矿生产的一大技术难题。其核心理念是通过各种手段对突水通道进行封堵，隔绝矿井与水源的联系，从而防止水进一步进入矿井，再对多余的矿井水进行抽水排放，从而达到治理效果。
目前，较为普遍的治理方法为先对矿井突水情况进行分析，然后通过井上井下钻探施工，向突水通道中注入骨料、浆液、或其他生物化学材料等，待其凝固便可封堵突水通道。其中在注入骨料浆液的时候往往是同一级配或同一配方一次注入，即便是发现骨料漏失也只能通过持续增大注入的量来实现封堵。这种方法的缺点就是，如果骨料颗粒过大则很难注入，如果颗粒过小又很容易被水冲走，造成材料的大量浪费还达不到治理效果，即便最终选对了级配，同一粒径颗粒之间存在的较大空隙还是会影响治理效果。
因此，无论哪种方式注入骨料和浆液，都会引起材料的浪费和治理效果差的问题，进而无法满足矿井突水治理技术领域的封堵要求。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的矿井突水通道封堵时材料浪费和治理效果不佳的问题，提供一种矿井突水治理方法，该方法基于晶胞填隙模型和紧密堆积法实现对矿井突水通道封堵的同时，有效避免封堵材料的浪费，使封堵材料达到相对最大密实度，从而保证突水通道的封堵效果。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供一种矿井突水治理方法，包括以下步骤：
S1：根据突水水源、突水点、突水量以及突水通道类型及位置，向突水通道水源侧处钻井施工，并下放套管；
S2：根据突水量，向突水通道中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂中的一种或多种，最后注入浆液加固，完成初次封堵；
S3：检验封堵效果，分析突水点和突水量；
S4：将突水量与矿井设计安全涌水量进行比较，当突水量大于矿井设计安全涌水量时，根据突水点和突水量，进行再次封堵，并执行S3，直至突水量小于矿井设计安全涌水量；当突水量小于矿井设计安全涌水量时，向突水通道中注入浆液加固或抽放排水治理，完成矿井突水的治理。
进一步地，S1的具体操作为：
根据矿山前期勘察资料和现场情况，确认突水点和突水量，并预测突水水源及突水通道情况；
采用垂直钻井或定向水平钻井的方法向突水通道水源侧钻进，至遇到持续漏浆、塌孔、卡钻情况，停止钻进；并在钻孔内下入注浆套管，连接注浆设备。
进一步地，S4中将突水量与矿井设计安全涌水量进行比较，当突水量大于矿井设计安全涌水量时，根据突水点和突水量，进行再次封堵，并执行S3，直至突水量小于矿井设计安全涌水量的具体操作为：
当突水量大于矿井设计安全涌水量时，在主孔周围施工，设置分支孔，并下放套管；
当突水点的突水量大于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
当突水点突水量大于200m3/h小于等于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
当突水点突水量大于100m3/h小于等于200m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
当突水点突水量大于矿井设计安全涌水量小于等于100m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
直至突水量小于矿井设计安全涌水量。
优选地，所述分支孔和主孔之间的距离为30～50m。
优选地，所述砾石的粒径为38～42mm。
优选地，所述砂砾的粒径为10～11.5mm。
优选地，所述粗砂的粒径为2.74～3.15mm。
优选地，所述细砂的粒径为0.75～0.86mm。
优选地，所述粉砂的粒径为0.21～0.24mm；所述浆液中水泥颗粒的粒径小于等于0.05mm。
优选地，所述矿井设计安全涌水量为30m3/h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种矿井突水治理方法，该方法根据突水水源、突水点、突水量以及突水通道类型及位置，向突水通道水源侧处钻井施工，并下放套管，然后在管套中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，完成初次封堵；砾石的注入可实现初次封堵中对突水通道的初步封堵，有效防止水流过大导致骨料冲走造成的浪费；其次，将晶胞填隙模型和紧密堆积法引入矿井突水通道封堵技术中来，采用砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂依次注入的方式对突水通道进行初次封堵，除可以使材料避免浪费外，还可使封堵材料达到相对最大密实度，进而实现最佳的突水通道封堵效果，从而提高对突水通道的治理能力。最后，通过对初次封堵效果进行检验，并根据检验结果对突水通道进行再次封堵，保证对突水通道的有效封堵，从而加强对突水通道的治理效果，进而满足当前矿井突水治理技术领域的封堵要求。
进一步地，准确计算了砾石的粒径为38～42mm，砂砾的粒径为10～11.5mm，粗砂的粒径为2.74～3.15mm，细砂的粒径为0.75～0.86mm，粉砂的粒径为0.21～0.24mm，浆液中水泥颗粒的粒径小于等于0.05mm，不仅能够达到实现突水通道封堵最佳效果，且为后续的工程实践提出了精确的理论指导，为当前矿井突水治理技术领域进一步提升治理效果提供理论依据。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的矿井突水治理方法流程图。
图2为本发明的矿井突水治理方法晶胞填隙模型原理图。
图3为本发明的矿井突水治理方法的紧密堆积模型原理图。
图4为本发明的实施例1和实施例2的矿井突水治理方法的垂直钻孔突水治理示意图。
图5为本发明的实施例3的矿井突水治理方法的水平钻孔突水治理示意图。
1-晶胞，2-晶体原子，3-填隙原子，4-晶胞空隙，5-一级颗粒，6-二级颗粒，7-三级颗粒，8-材料孔隙，9-整体材料，10-表土层，11-含水层，12-主孔，13-分支孔，14-隔水层，15-煤层顶板，16-突水通道，17-煤层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明提供一种矿井突水治理方法，包括以下步骤：
S1：根据突水水源、突水点、突水量以及突水通道类型及位置，向突水通道水源侧处钻井施工，并下放套管，具体操作为：
根据矿山前期勘察资料和现场情况，确认突水点和突水量，并预测突水水源及突水通道情况；
采用垂直钻井或定向水平钻井的方法向突水通道水源侧钻进，至遇到持续漏浆、塌孔、卡钻情况，停止钻进；并在钻孔内下入注浆套管，连接注浆设备。
S2：根据突水量，向突水通道中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂中的一种或多种，最后注入浆液加固，完成初次封堵，具体操作为：
当突水点的突水量大于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固；
当突水点突水量大于200m3/h小于等于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固；
当突水点突水量大于100m3/h小于等于200m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固；
当突水点突水量大于矿井设计安全涌水量且小于等于100m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入细砂和粉砂，最后注入浆液加固；其中，砾石的粒径为38～42mm，砂砾的粒径为10～11.5mm，粗砂的粒径为2.74～3.15mm，细砂的粒径为0.75～0.86mm，粉砂的粒径为0.21～0.24mm，浆液中水泥颗粒的粒径小于等于0.05mm。
S3：检验封堵效果，分析突水点和突水量。
S4：将突水量与矿井设计安全涌水量进行比较，当突水量大于矿井设计安全涌水量时，根据突水点和突水量，进行再次封堵，并执行S3，直至突水量小于矿井设计安全涌水量；当突水量小于矿井设计安全涌水量时，向突水通道中注入浆液加固或抽放排水治理，完成矿井突水的治理，具体操作为：
当突水量大于矿井设计安全涌水量时，在主孔周围施工，设置分支孔，所述分支孔和主孔之间的距离为30～50m并下放套管；
当突水点的突水量大于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
当突水点突水量大于200m3/h小于等于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
当突水点突水量大于100m3/h小于等于200m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
当突水点突水量大于矿井设计安全涌水量且小于等于100m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
直至突水量小于矿井设计安全涌水量；
若突水量小于矿井设计安全涌水量，则向突水通道中注入浆液加固或抽放排水治理，完成矿井突水的治理；其中，矿井设计安全涌水量为30m3/h。
其原理，参见图2和图3，在材料领域，无论是金属还是非金属材料通常都是由晶体组成的。晶体则是由一个个晶胞按照特定的规律有序堆叠而成的。每一个晶胞又可以看作一个平行六面体，是由不同的原子或分子(统称为粒子)互相连接形成的。各粒子由于数量、位置、堆叠方式等的不同，组成了不同类型的晶体，最终形成了各式各样的材料。
根据粒子的堆积方式不同，可将晶体结构分为：体心立方、面心立方和密排六方。每种类型晶体内部粒子与粒子之间均存在着较多空隙，称为晶体间隙，主要可分为两类，分别为八面体间隙和四面体间隙。间隙大小可用在间隙中能填入的最大粒子(即填隙粒子)半径来表示，参见以下公式：
D＝Ra/R (1)
其中，D为间隙大小，Ra为填隙原子半径，R为晶体原子半径。
体心立方晶胞、面心立方晶胞和密排六方晶胞的间隙数量和尺寸参见下表：
参见图2及上表，面心立方晶胞中间隙总数为12个，密排六方晶胞为16个，均小于体心立方晶胞的18个，并且体心立方的堆垛密度(即晶胞中各粒子体积之和与晶胞体积之比)为0.68，面心立方的堆垛密度为0.74，密排六方的堆垛密度为0.74。因此，面心立方和密排六方晶胞相较于体心立方更加致密。此时，若向晶胞1中，各个晶体原子2中每个晶胞间隙4中填入半径为Ra的填隙原子3，结合式(1)和上表，体心立方晶胞堆垛密度将增大23.83％，面心立方晶胞堆垛密度将增大28.8％，体心立方晶胞堆垛密度将增大29.59％。此时，晶胞的结构将更加致密，晶胞空隙4体积将大大减小，称之为晶胞填隙模型。
矿井突水的防治措施主要为封堵水力通道，切断水源与生产矿井之间的水力联系。矿井下的水力通道多种多样，大到断层褶皱等大型地质构造、岩溶陷落柱、岩层破碎带等，小到岩层裂缝、孔隙等。突水防治的成败主要取决于水力通道的封堵是否密实，而通道是否封堵密实则主要取决于封堵材料堆积是否紧密。
参见图3，封堵材料主要由大小不同的砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂组成，这些材料互相堆积填充了突水通道，隔绝了水力联系，则矿井突水便得到了有效治理。这些材料在突水通道中的互相堆积最终形成一个整体的过程，便犹如晶胞中粒子互相堆积最终形成一个晶体的过程，若从最终的整体封堵材料中取出一个微小单元，便可以看作是一个“晶胞”，而这个微小单元中的砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂可看作组成晶胞的不同粒子；即将整体材料9看作一个晶胞，砾石看作一级颗粒5，砂砾可以看作二级颗粒6，粗砂、细砂和粉砂可以看作是填入材料孔隙8中的三级颗粒7。要想整体封堵材料最为致密，就要求对应的每一个“晶胞结构”最致密，即要求在各材料孔隙中充分填入更小的颗粒，从而达到最大的堆积密度，这种方法即称为紧密堆积法。
假设砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂均为球形颗粒，颗粒粒径由大到小分别为砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂，工程中能泵送的最大砾石粒径为40mm。颗粒堆积体符合晶胞结构模型，各颗粒间的空隙数量和尺寸符合上表，则空隙尺寸满足离散型随机分布，则空隙平均尺寸可由下式(2)计算得出：
其中，
为平均空隙尺寸，即空隙中能填入的最大颗粒与材料颗粒的比值；Di为每种间隙的大小，由上表可知分别为：0.155、0.29、0.414和0.225；pi为每种间隙的比例，可由上表中每种间隙数量占总间隙数量的比值算出。
因此，由式(2)可得，封堵材料的平均间隙尺寸为0.274。由此可将封堵材料进行分步填充，后一步填充颗粒粒径要求不大于前一步填充颗粒的0.274倍即可。这样便可保证每次填充的颗粒均能较好的进入此前颗粒空隙之中，从而使得填充物拥有最大的密实度。
实施例1
以某煤矿开采某1#煤层为例，煤层厚度3.1～3.5m，平均3.3m。某工作面回采200m后开始出水，水量逐渐增大至350m3/h后稳定。井下进行钻探注浆时出现钻井液大量漏失、卡钻等情况，推测由于煤层开采顶板破碎导通上覆陷落柱，使含水层与煤层连通造成严重突水。采用抽水疏放、井下钻探注浆等方法治理60天，共消耗骨料8000m3，注浆10000t，突水情况并无明显改善，相反有大量骨料被冲出进入采空区，造成大量浪费。
利用本发明提供的一种矿井突水治理方法对上述突水情况进行治理，包括如下步骤：
参见图4，根据现场情况及相关资料，确定突水水源为煤层17上覆灰岩含水层11，含水层11上为表土层10，突水通道16为煤层17上覆陷落柱连通含水层11与煤层17。确定钻井方案为先向突水口正对地面位置处进行垂直钻井，主孔12开孔直径为125mm，当钻进至基岩10m后钻孔直径改为107mm，钻进至持续漏浆、卡钻30min时停止钻进，此时已经钻进至陷落柱上方位置。向钻孔中下入孔径95mm，壁厚5mm的无缝钢管，并连接注浆设备。
首先向主孔12中注入粒径为42mm的砾石，初步封堵突水通道，此时突水量由350m3/h减小为280m3/h。第二步注入粒径为11.5mm的砂砾，突水量快速减小，由280m3/h减小为150m3/h。第三步注入粒径为3.15mm的粗砂，突水量减小为80m3/h。第四步注入粒径为0.86mm的细砂，突水量减小为50m3/h。第五步注入粒径为0.24mm的粉砂，突水量减小为30m3/h。最后进行注浆加固，最终使涌水量稳定在18m3/h，完成初次封堵，治理效果显著。
为了防止工作面继续推进再次引发突水事故，检验封堵效果，分析突水点和突水量，当突水量大于矿井设计安全涌水量30m3/h时，在主孔12周围施工，设置分支孔13，并下放套管从原有钻孔位置向工作面18推进方向20m处施工一口分支井13，根据突水点和突水量，进行再次封堵，直至突水量小于矿井设计安全涌水量，向突水通道中注入浆液加固或抽放排水治理，完成矿井突水的治理，具体操作为：
当突水点的突水量大于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，；
当突水点突水量大于200m3/h小于等于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，检验封堵效果，分析突水点和突水量；
当突水点突水量大于100m3/h小于等于200m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，检验封堵效果，分析突水点和突水量；
当突水点突水量大于矿井设计安全涌水量小于等于100m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入细砂和粉砂，最后注入浆液加固，检验封堵效果，分析突水点和突水量；
直至突水量小于矿井设计安全涌水量。
经测算，经该方法治理后，治理时间缩短30～50％，共消耗骨料减少40～60％，注浆消耗为原来的40～60％，突水情况明显改善，且节约大量骨料和浆料成本，提高了封堵效率。
实施例2
以某煤矿开采某2#煤层为例，煤层厚度2.8～3.3m，平均3.1m。某工作面回采400m后开始出水，水量逐渐增大至320m3/h后稳定。井下进行钻探注浆时出现钻井液大量漏失、卡钻等情况，推测由于煤层开采顶板破碎导通上覆陷落柱，使含水层与煤层连通造成严重突水。采用抽水疏放、井下钻探注浆等方法治理50天，共消耗骨料6000m3，注浆9000t，突水情况并无明显改善，相反有大量骨料被冲出进入采空区，造成大量浪费。
利用本发明提供的一种矿井突水治理方法对上述突水情况进行治理，包括如下步骤：
参见图4，根据现场情况及相关资料，确定突水水源为煤层17上覆灰岩含水层11，含水层11上位表土层10，突水通道16为煤层17上覆陷落柱连通含水层11与煤层17。确定钻井方案为先向突水口正对地面位置处进行垂直钻井，主孔12开孔直径为125mm，当钻进至基岩10m后钻孔直径改为107mm，钻进至持续漏浆、卡钻30min时停止钻进，此时已经钻进至陷落柱上方位置。向钻孔中下入孔径95mm，壁厚5mm的无缝钢管，并连接注浆设备。
首先向主孔12中注入粒径为38mm的砾石，初步封堵突水通道，此时突水量由320m3/h减小为230m3/h。第二步注入粒径为10mm的砂砾，突水量快速减小，由230m3/h减小为140m3/h。第三步注入粒径为2.74mm的粗砂，突水量减小为70m3/h。第四步注入粒径为0.75mm的细砂，突水量减小为40m3/h。第五步注入粒径为0.21mm的粉砂，突水量由40m3/h减小为28m3/h。最后进行注浆加固，最终使涌水量稳定在15m3/h，完成初次封堵，治理效果显著。
为了防止工作面继续推进再次引发突水事故，检验封堵效果，分析突水点和突水量，当突水量大于矿井设计安全涌水量30m3/h时，在主孔12周围施工，设置分支孔13，并下放套管从原有钻孔位置向工作面18推进方向40m处施工一口分支井13，根据突水点和突水量，进行再次封堵，直至突水量小于矿井设计安全涌水量，向突水通道中注入浆液加固或抽放排水治理，完成矿井突水的治理，具体操作为：
当突水点的突水量大于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，；
当突水点突水量大于200m3/h小于等于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，检验封堵效果，分析突水点和突水量；
当突水点突水量大于100m3/h小于等于200m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，检验封堵效果，分析突水点和突水量；
当突水点突水量大于矿井设计安全涌水量小于等于100m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入细砂和粉砂，最后注入浆液加固，检验封堵效果，分析突水点和突水量；
直至突水量小于矿井设计安全涌水量。
经测算，经该方法治理后，治理时间缩短40～50％，共消耗骨料减少50～60％，注浆消耗为原来的50～60％，突水情况明显改善，且节约大量骨料和浆料成本，提高了封堵效率。
实施例3
某煤田在开采某3#煤层时，某工作面在回采500m后突然出现突水事故，水量在六小时内增大至230m3/h后达到稳定。通过资料分析，该工作面上部存在一个未知的断层破碎带，由于煤层开采顶板垮落，揭露了该断层，导通了含水层的水进入工作面造成突水事故。
参见图5，该矿井在抽水注浆无果的情况下，利用本发明提供的矿井突水治理方法，对该突水事故进行治理：
根据现场勘探及相关资料，确定突水水源为煤层17上覆含水层11，突水通道16为煤层顶板15垮落导通断层连接含水层11与煤层17。确定钻井方案为向突水口正对地面往外200m处进行定向水平钻井，主孔12开孔直径为107mm，当钻进至基岩10m后开始造斜，并在进入隔水层14时进行水平钻进，钻孔直径改为97mm，钻进至持续漏浆、卡钻30min时停止钻进，此时已经钻进至突水通道16破碎带位置。向钻孔中下入孔径80mm，壁厚6mm的无缝钢管，并连接注浆设备。
根据突水量为230m3/h，首先向钻孔中注入粒径为10mm的砂砾，突水量由230m3/h减小至170m3/h。第二步注入粒径为3mm的粗砂，突水量快速减小至90m3/h。第三步注入粒径为0.82mm的细砂，突水量由90m3/h减小为60m3/h。第四步注入粒径为0.23mm的粉砂，涌水量减小至31m3/h。最后进行注浆加固，完成初次封堵，最终使涌水量稳定在15m3/h。
为了防止工作面继续推进再次引发突水事故，检验封堵效果，分析突水点和突水量，当突水量大于矿井设计安全涌水量30m3/h时，从造斜段开始距离主孔12的30m处时再次施工两口分支井13，后进行分步填充注浆，具体操作为：
当突水点的突水量大于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固；检验封堵效果，分析突水点和突水量；
当突水点突水量大于200m3/h小于等于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，检验封堵效果，分析突水点和突水量；
当突水点突水量大于100m3/h小于等于200m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，检验封堵效果，分析突水点和突水量；
当突水点突水量大于矿井设计安全涌水量小于等于100m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入细砂和粉砂，最后注入浆液加固，检验封堵效果，分析突水点和突水量；
直至突水量小于矿井设计安全涌水量；向突水通道中注入浆液加固或抽放排水治理，完成矿井突水的治理。
经测算，经该方法治理后，治理时间缩短50～60％，消耗骨料减少40～50％，注浆消耗为原来的50～60％，突水情况明显改善，且节约大量骨料和浆料成本，提高了封堵效率。
综上所述，本发明提供一种矿井突水治理方法，该方法基于晶胞填隙模型和紧密堆积法，采用砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂依次注入的方式对突水通道进行初次封堵，还可使封堵材料达到相对最大密实度，进而实现最佳的突水通道封堵效果，骨料流失少，无需持续增大注入量实现封堵，从而减少骨料和浆料的浪费，避免造成损失的同时，进一步提高对突水通道的治理效果，提高了治理效率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矿井突水治理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据突水水源、突水点、突水量以及突水通道类型及位置，向突水通道水源侧处钻井施工，并下放套管；
S2：根据突水量，向突水通道中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂中的一种或多种，最后注入浆液加固，完成初次封堵；
S3：检验封堵效果，分析突水点和突水量；
S4：将突水量与矿井设计安全涌水量进行比较，当突水量大于矿井设计安全涌水量时，根据突水点和突水量，进行再次封堵，并执行S3，直至突水量小于矿井设计安全涌水量；当突水量小于矿井设计安全涌水量时，向突水通道中注入浆液加固或抽放排水治理，完成矿井突水的治理。
2.根据权利要求1所述的矿井突水治理方法，其特征在于，S1的具体操作为：
根据矿山前期勘察资料和现场情况，确认突水点和突水量，并预测突水水源及突水通道情况；
采用垂直钻井或定向水平钻井的方法向突水通道水源侧钻进，至遇到持续漏浆、塌孔、卡钻情况，停止钻进；并在钻孔内下入注浆套管，连接注浆设备。
3.根据权利要求1所述的矿井突水治理方法，其特征在于，S4中将突水量与矿井设计安全涌水量进行比较，当突水量大于矿井设计安全涌水量时，根据突水点和突水量，进行再次封堵，并执行S3，直至突水量小于矿井设计安全涌水量的具体操作为：
当突水量大于矿井设计安全涌水量时，在主孔周围施工，设置分支孔，并下放套管；
当突水点的突水量大于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砾石、砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
当突水点突水量大于200m3/h小于等于300m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入砂砾、粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
当突水点突水量大于100m3/h小于等于200m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入粗砂、细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
当突水点突水量大于矿井设计安全涌水量小于等于100m3/h时，则通过管套向突水通道中依次注入细砂和粉砂，最后注入浆液加固，执行S3；
直至突水量小于矿井设计安全涌水量。
4.根据权利要求3所述的矿井突水治理方法，其特征在于，所述分支孔和主孔之间的距离为30～50m。
5.根据权利要求1所述的矿井突水治理方法，其特征在于，所述砾石的粒径为38～42mm。
6.根据权利要求1所述的矿井突水治理方法，其特征在于，所述砂砾的粒径为10～11.5mm。
7.根据权利要求1所述的矿井突水治理方法，其特征在于，所述粗砂的粒径为2.74～3.15mm。
8.根据权利要求1所述的矿井突水治理方法，其特征在于，所述细砂的粒径为0.75～0.86mm。
9.根据权利要求1所述的矿井突水治理方法，其特征在于，所述粉砂的粒径为0.21～0.24mm；所述浆液中水泥颗粒的粒径小于等于0.05mm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的矿井突水治理方法，其特征在于，所述矿井设计安全涌水量为30m3/h。
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