煤矿防治水“三区”划分方法及其水害防治意义

为系统性认识矿井各类水害问题,规范化管理矿井防治水工作,国家矿山安全监察局于2022年6月将针对老空水防治的“三区”管理工作推广到顶板水害、底板水害以及构造水害等更多水害类型中。然而各地煤矿在防治水“三区”划分过程中暴露出水害致灾因素和水害治理情况等与划分标准结合不紧密,并且技术上未针对不同煤层和采区进行区别划分,同时划分区域范围和划分结果的规范性和时效性存在不统一。据此,结合防治水“三区”划分的目的,对比了新“三区”划分与老空水“三区”划分的异同,明确了以水文地质条件勘查程度、水害隐患分析、水害治理情况为要素的划分原则,理清了“三区”划分的技术路径;结合我国常见的5种煤矿水害类型特征,提出了不同类型水害的划分方法,即:地表水害应根据井田内地表水体的分布发育特征以及大气降水、滑坡等地质灾害对开采的影响程度等进行划分。顶板水害应根据导水裂隙带范围内是否存在富水性强或者富水性中等静储量丰富含水层、松散含水层等对开采造成威胁进行划分。底板水害应根据煤层带压开采区域底板隔水层厚度与矿压破坏带深度之间的关系以及底板突水系数大小进行划分。老空水害应根据矿井及周边矿井老空积水分布范围、积水量情况进行划分,构造水害应根据井田内断层、陷落柱、溶洞等地质构造和不良地质体的富水性、含水性、与水源导通情况进行划分;总结了划分工作的要点和难点,即:明晰划分时空范围、综合分析划分标准、明确“三区”管理职责、动态转换划分结果等;在此基础上,选择水害类型多样和水文地质条件复杂的典型煤矿井,遵循划分原则,根据划分标准,分煤层、分采区划分了可采区、缓采区、禁采区,并加以详细的解释说明;阐明了开展“三区”划分工作具有提升综合探测水平、强化预测预报能力、找准水害治理方向的水害防治意义,以期指导和规范我国煤矿防治水“三区”划分工作。

我国煤矿水害事故特征、致因与防治对策

水害作为煤矿“五大灾害”之一,在威胁煤矿安全生产和职工生命安全方面,已成为仅次于瓦斯事故的第二大“杀手”。2000—2022年,全国煤矿共发生水害事故1206起、死亡5018人,其中较大以上水害事故103起,死亡2039人。为总结事故教训,探寻事故规律,用事故教训推动水害防治工作,从地理区域、年代、季节、水文地质类型、突水水源和煤矿企业所有制等对水害事故特征进行了不同维度的统计和分析。结果表明,在事故特征方面,矿井水文地质类型复杂程度与水害事故发生频率高度一致;华南地区事故起数和伤亡人数位居首位,且全年内水害事故高发期主要集中在3—5月和7—8月;老空水是水害事故的主要充水水源,具有极强的隐蔽性和危害性,并且主要发生在技术探查及管理能力更弱的乡镇所有制煤矿中。在事故致因方面,客观上开采环境复杂,主观上重视不够,即管理不当和违法违规开采,是事故发生的主要原因;点状的陷落柱和线状断层构造等隐蔽导水内边界以及老空水等未按规定探放,是事故发生的主要技术原因。最后,采用文献计量学可视化分析发现,当前煤矿水害方面聚焦的研究主题可以很好地对应“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的煤矿防治水原则。从破解煤矿水害“风险查不清”“有险断不准”“出险治不了”等困境出发,相应从矿井充水因素和隐蔽致灾地质因素普查、立体充水水文地质条件分析以及分类源头精准防治等3大方面提出相应的对策;并顺应水害防控信息化和智能化发展趋势,提出透明矿山、水害灾变监测预警和应急救援等保障技术措施。

我国煤矿水害事故现状、预测及防治建议

现阶段我国煤炭资源开发格局发生变化,制约煤矿安全生产的水害事故仍时有发生,为探究我国煤矿水害事故的特征规律,科学研判水害事故演变趋势,以2001−2022年全国煤矿水害事故作为统计对象,从水害事故发生年份、发生区域、事故级别以及水害事故的影响因素等方面进行研究,构建长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)模型,同时引入等维新息灰色G(1,1)模型作为基准模型,对2023−2024年全国煤矿水害事故百万吨死亡率进行预测,并根据事故发生特征提出相应的防治措施。结果表明:2001−2022年我国水害事故共1103起,死亡人数为4667人,从2016年开始我国煤矿水害事故起数下降至个位数,事故死亡人数控制在每年50人以内,随着我国煤炭资源开发中心西移以及煤炭资源开采深度加大,煤矿水害事故起数和死亡人数又有上升的趋势;我国煤矿水害事故主要发生在华北、华南和东北水害区,表现出明显的集聚性,近两年发生在西北水害区的煤矿水害事故占近两年总起数的36.36%,死亡人数占比高达74.24%;煤矿水害事故规模整体控制较好,特别重大煤矿水害事故从2011年开始清零,重大水害事故波动下降后在近两年又有反弹,较大和一般水害事故发生起数和伤亡人数明显降低;在目前煤炭资源开发格局下,煤炭产量稳步递增导致不确定性水害致灾风险的提高;LSTM模型的预测精度高于等维新息灰色G(1,1)模型,2种模型未来两年全国煤矿水害事故百万吨死亡率预测值分别为0.0041、0.0022与0.0035、0.0012,预测结果均显示我国煤矿水害事故造成的伤亡人数整体呈现下降趋势,安全形势稳定。

古河道砂岩含水层水资源保护与水害防治方法

鄂尔多斯盆地开采侏罗纪煤层的矿区有24个,原煤产量占全国的45%左右,随着开采深度的增加,煤层顶板直罗组古河道砂岩含水层成为煤矿突水的主要水源。直罗组砂岩含水层富水性相对较弱,但采动条件下释水效应显著,成为长期、持续提供煤矿矿井水的主要突水水源。同时,该区属于生态脆弱区,水资源相对短缺,如何有效利用有限的水资源,无疑是矿区地下水系统保护和生态环境保护的重要基础。以榆神矿区及曹家滩煤矿为例,提出了古河道砂岩含水层研究技术路线、主要研究内容和研究方法。应综合运用沉积学、水文地质学和矿井防治水理论,辅助必要的野外地质调查、典型剖面实测、水文地质及环境地质典型要素专项调查、钻探、物探测井和采样测试、数值模拟等方法,重点开展古河道砂岩含水层沉积演化及物性特征、古河道砂岩含水层地下水系统特征、古河道砂岩含水层与煤层开采互馈机制等3个方面的研究。神府南区研究实践表明,直罗组下段古河道砂体规模巨大且具有良好的孔隙、裂隙结构特征,具有良好的地下水储存和运移性能,总体上以红碱淖—尔林兔—锦界一线为轴线,呈NW-SE向带状展布。延安组第四段、第五段遭受了直罗组古河道冲刷。主河道区域富水性强于分支河道和分流间湾区域,是矿井涌(突)水危险性较大区域,应做好水害防控。

综放工作面老空动水综合防治技术研究

芦沟煤矿21煤柱综采工作面位于21采区中部,水文地质条件较复杂,周边全为已回采过的采空区。掘进时分别在上下副巷进行了多轮次探放老空区水,对21煤柱工作面两翼采空区积水进行了有效疏放。郑州“7·20”暴雨后工作面回风巷东帮出现淋水,且大量增加,严重影响工作面安全生产,对此采取了井下超前探放、利用周边废弃井筒建立排水阵地,对井下排水阵地进行增容改造等方案。经过4个月的综合治理,彻底解决了老空水水害,摸索出一套行之有效的治理技术和方案,具有在相同条件下推广的意义。

基于模糊数学的北京城区地下空间地质适宜性评价

以北京六环以内的核心城区为例,在系统分析研究区地质条件的基础上,综合考虑敏感因素对地下空间开发地质适宜性的影响,从而构建地下空间适宜性评价指标体系,并利用层次分析法确定评价指标权重,最后采用模糊数学综合评判法对研究区地下空间开发适宜性进行了评价。结果表明:研究区地下空间开发适宜性以适宜性好和较好为主,占比60.11%,地质环境条件较好,总体比较适宜地下空间开发,活动断裂、水源地分布和古河道分布3个敏感因素是制约研究区地下空间开发的主要地质因素。

开展水害致灾因素普查 防范煤矿水害事故发生

现阶段我国煤矿水害事故基本得到了有效控制,但水害重大事故仍时有发生,事故影响还有增大趋势,开展水害致灾因素普查治理是加强煤矿防治水工作,有效防范各类水害事故的重要举措。总结了我国煤矿水害发生的主要致灾因素,分析了充水水源、充水通道等各类致灾因素的特点;系统论述了我国在煤矿水害致灾因素探测中物探、钻探和智能探测方面的代表性技术和创新性成果,阐述了“三图法”等顶板水害预测预报理论和方法,以及五图-双系数法和“脆弱性指数法”等底板水害预测预报理论和方法,并介绍了地下水和地表水等因素导致水害事故的典型治理技术。研究发现,在目前煤矿水害致灾因素探查方面,老空水探测程度、深部岩溶含水层防控、西部煤矿区顶板砂岩含水层监测及智能化探测技术仍存在缺陷,关闭矿井的矿井水问题尚未得到重视。提出今后需重点在煤矿水害致灾因素综合精细探查、智能化探测及关闭矿井水害致灾因素探查等方面加强研究的建议。

我国不同类别煤层顶板水害致灾机理与防控路径

我国是世界上成煤和赋存条件最复杂的国家,煤层顶板水文地质条件的多样性和复杂性,采动覆岩裂隙场与渗流场耦合的相互性和时变性以及煤层顶板突水的独特性和危害性,造成顶板水害是我国尤其是西部煤矿区的主要矿井灾害之一。为了更好地认识顶板水害和推广现有技术和探索新技术防控此类矿井灾害,在全面分析近年来我国煤层顶板水害事故规律与顶板充水含水层的赋存条件、突水模式、动力特征、力学行为等基础上,系统划分了顶板水害的类型、特征、主要类别的致灾机理及梳理了现有顶板水害的防治技术,并展望了未来顶板水害防治领域的发展方向。研究发现:①顶板水害主体架构包括巨厚基岩含水层涌(淋)水、薄基岩弱胶结层水-砂耦合溃涌、离层空间蓄水储能突水、天窗补给型突水、围岩烧变增透致突等5种类别,集中分布于秦岭—淮河沿线以北地区,陕、蒙、宁是顶板水害主要聚集地。②采动诱发巨厚基岩含水层下覆岩原生裂隙互馈-贯通发育“Z”型离层空间,导致采场出现大面积涌(淋)水现象;基于复合关键层破断力学条件,阐明了薄基岩弱胶结层水-砂耦合溃涌致灾的动力源;构建了离层失稳突水临界判别准则,将离层突水划分为静载扰动、“动+静”载复合扰动、复合煤层开采重复扰动3种模式;红土隔水层缺失及红土薄弱区采动劣化损伤是产生天窗越流补给的主要根源;围岩烧变增透,孔隙度增大,接受临近水源补水后形成新的含水结构体,在采动诱发下烧变岩水涌入采场发生水害事故。③梳理了当前煤层顶板水害“探-放-治”三位一体的解危防控技术体系,提出了井上下共轭联动、钻-采(掘)高位协同地质勘探系统,以防治水“三区”划分为导向的地质保障工作,“煤-水-生态”多目标齐抓共管的绿色开采和防治水理念,以及数智化、透明化矿山水文地质灾害信息维护系统等未来发展方向。

我国煤层水害基本架构及发展情势

为了解决煤炭资源安全高效开发过程中面临的煤层水害问题,基于近20余年间煤层水害事故的统汇分析,提出了“隐蔽突水致灾因素”萌生、煤层水害“三要素”定型、多要素耦合孕灾、突破临界状态激发灾变和灾变后负效应显现等5个煤层水害的主体构成阶段,依据各阶段独立属性特征,将煤层水害概括为顶板水害、底板水害和老空水害3个主类,以及巨厚基岩含水层高势能涌(淋)水、岩溶陷落柱导升突水、同位水平空间侧向涌水等11个子类,并对不同类型煤层水害的孕灾致灾诱因、发育发展过程机理、灾变显现特征等进行阐述。最后,对我国煤层水害的未来发展情势做了简要展望和分析。

神南矿区水质特征及水环境保护研究

为保护矿区水环境质量,在神南矿区进行水样采集检测,运用描述性统计等方法对研究区水环境现状进行研究并分析其控制因素,以此提出矿区水环境保护措施。研究结果表明,神南矿区水环境总体呈碱性,地表水与地下水化学类型主要为HCO_(3)·SO_(4)-Ca,老空水则以SO_(4)·HCO_(3)-Na·Mg为主;地表水水质较差不宜饮用,地下水水质整体较好,老空水水质极差,大都不宜灌溉;地表水、地下水环境主要遭到生活污水的影响,同时也受农业活动威胁,老空水环境则受到采矿活动的破坏。

孤岛综放工作面底板突水综合治理技术研究

芦沟煤矿21煤柱综放工作面位于21采区中部,沿21采区三条下山布置煤柱工作面,两翼均为已回采过的采空区,该面为孤岛工作面。工作面回采后底板突水,出水量最大290 m 3/h。通过采用井下物探、帷幕注浆、查明出水通道等技术措施,将出水点封堵,将涌水量降至47 m 3/h,通过21煤柱综放工作面动水封堵工程经验,总结出一套行之有效的治理技术,具有在类似条件下推广的价值。

新常态下我国煤矿废弃矿井水污染防治与资源化综合利用

随着我国经济发展进入新常态且供给侧改革不断推进,大量煤矿因资源消耗殆尽、产能过剩进入关闭行列,为有效应对矿山闭坑后因矿井水大量排出和废弃产生资源浪费、环境污染、资源化利用效率低等一系列问题,系统分析了我国关闭矿井时空发展性质和特征。阐述了我国矿井水污染特征、污染模式及晋陕蒙宁甘区、华东区、东北区、华南区、新青区“五大区”矿井水分布性质,针对废弃矿井水引发的地质灾害、造成地表水和地下水污染、土壤重金属积聚和影响植被生长等负面效应,在矿井闭坑前、废弃采空区和串层污染等方面提出了具有针对性的预控治理措施。结合我国废弃矿井水的实际水文地球化学特征,提出了一套关于洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含毒害物矿井水的处理方法及工艺体系。根据煤矿矿井水资源化利用现状,提出了建立地下污水处理中心和抽水蓄能发电站因地制宜的资源化利用途径,同时结合当地经济发展、水资源紧缺状况和生态文明建设等因素,制定了处理后废弃矿井水供井下生产和井上生活、农业、工业和生态等方面资源化综合利用体系。最后,展望了废弃矿井水资源化利用的绿色开发战略和未来发展方向,将积极推动废弃矿井水资源化综合利用,有效缓解我国部分地区水资源紧张的局面,实现煤炭行业的绿色健康发展和矿区生态文明建设,满足经济效益、社会效益和环境效益多方共赢。

集贤井田煤层顶板危险性综合评价与防治对策研究

以集贤井田主采煤层9#煤为例，在收集大量地质资料和水文地质资料的基础上，建立了煤层顶板的水文地质概念模型。运用“三图”理论。将煤层顶板导水裂缝带高度与其顶板含水层覆岩厚度进行比较，确定煤层和煤层顶板充水含水层的导通关系，进而根据导通关系建立冒裂安全性分区图：建立基于GIS与AHP的煤层顶板直接充水含水层的富水性指数模型，生成煤层顶板直接充水含水层富水性分区图：叠加冒裂安全性分区图和富抽}生分区图，建立了煤层顶板直接充水含水层涌（突）水危险性综合分区图。运用基于采掘进程的数值法对矿井涌水量进行预测预报，并提出相应的防治水措施。

基于GIS与AHP耦合技术的承德地区地质灾害危害性评价

为了评价中低山区地质灾害的危害性,以河北承德地区为例,基于层次分析法(AHP)和ArcGIS平台对地质灾害易发性进行评价,根据最新的土地利用现状对承灾体易损性进行评价;通过构建地质灾害危害性判断矩阵,将地质灾害易发性评价图层和承灾体易损性评价图层进行信息融合,完成地质灾害危害性评价。结果表明,承德地区地质灾害高危害区和较高危害区主要集中在宽城县北部、兴隆县东部和平泉市南部等地,中等危害区主要分布在滦平县中南部、兴隆县南部、平泉市中北部、双桥区南部和双滦区南部等地,低危害区和较低危害区主要分布在承德县北部、隆化县、丰宁县和围场满族蒙古族自治县等地。本次研究充分考虑了地质灾害的双重属性,较为准确地评价了地质灾害易发性和承灾体易损性在不同组合状态下的地质灾害危害性,评价结果可有效避免以往以地质灾害易发性为主要依据编制地质灾害防治规划的问题,可为承德地区地质灾害防治规划提供科学依据和技术指导。

《煤矿防治水细则》修订要点解析

为适应煤矿安全开采的新形势,科学防治水害,在《煤矿防治水规定》基础上修订编写了《煤矿防治水细则》。分析了修编《煤矿防治水细则》的背景和原则,针对煤矿防治水工作中存在的问题,探讨了《煤矿防治水细则》的修订要点,并结合典型突水案例进行了剖析,为更好贯彻落实新规程和推动煤矿安全开采提供支撑。

基于钻孔激发极化法的井下超前探水技术研究

为了更好地解决煤矿超前探水预报问题,通过对目前煤矿巷道超前探水技术存在问题的分析研究,提出一种新的煤矿掘进巷道钻孔激发极化超前探水预报技术和方法,克服了巷道干扰因素的影响,同时通过钻孔观测探测把掘进面远距离探测演变成钻孔近距离观测探测方式,并系统分析了该技术的理论和分析方法。经过场地模拟试验和煤矿试验、探测和分析,总结出一套煤矿掘进巷道钻孔激发极化超前探水预报分析技术。

露天煤矿烧变岩黏土基注浆帷幕建造技术

为解决西湾露天煤矿东端帮烧变岩涌水问题,提出了在矿坑外侧烧变岩内建造一道截水帷幕的设想,并设计了截水帷幕的空间位置及结构参数;针对露天矿边帮变形、频繁爆破导致的帷幕墙抗渗性受影响问题,综合考虑技术、经济等因素,结合矿坑实际地质及采剥条件,提出了采用黏土基浆液建造露天矿柔性、抗震截水帷幕的新方法;针对烧变岩吃浆量大的问题,提出了黏土浆、黏土-水泥浆、黏土-水泥-水玻璃浆相互配合的黏土浆注浆新工艺,建造了一道长720m、深80m、有效厚度超过7m的截水帷幕墙;最后通过现场测量法、压水试验法、水位动态法检验了帷幕的质量与减水效果。结果表明帷幕墙透水率达到弱透水级别,帷幕墙外侧地下水位升幅明显,治理范围内涌水量由治理前的698m^(3)/h减少至71m^(3)/h,减水率达89%。

采动覆岩离层注浆减沉成套钻孔施工技术研究

采动覆岩离层注浆是减少地表沉降的重要技术措施,其效果的好坏直接决定了最终的减沉效果,其中注浆钻孔的布置是最终注浆减沉的关键。本文通过工艺原理、工艺流程及关键技术三个方面对减沉注浆的成套钻孔施工技术进行研究,得到了成套的注浆钻孔施工工艺,并应用于范各庄矿铁路桥减沉工程,结果表明:该技术减沉率达到60.99%,该钻孔施工工艺对相关的离层注浆减沉项目的设计和施工具有一定的指导意义。

黄土塬地区地震勘探采集技术研究与应用

为解决黄土塬地区地震勘探资料采集过程中存在的问题,以王家岭煤矿为例,通过总结分析以往地震资料及近年来发展的黄土塬区地震勘探系列新技术方法的有效性,在模拟分析和野外试验的基础上,针对不同的采集技术难点和施工难点提出了相应的解决对策,总结了在规则化三维数据观测条件下的黄土塬地震采集技术的系统集成应用方法,值得在类似区域推广。

双碳背景下“煤-水-热”正效协同共采理论与技术构想

双碳目标下,煤炭企业绿色低碳化发展已成为我国能源革命的迫切需求。煤炭生产在大力发展节能提效技术的基础上,消除水害与热害隐患的负面影响,主动激励伴生资源的潜在正面效应发挥能源替代功能是实现矿山可持续性绿色开采的有效举措。基于我国煤矿资源特点,首先提出了一种集约型煤水热多资源正效协同开采模式,剖析了该模式的内涵与基本协同模式,对全生命周期煤炭开采伴生资源控制-利用-储存形成矿区资源产供储一体产业链。通过阐述顶板水高效精准疏放、季节性含水层储能、低焓热能高效提取与梯级利用、深部地热原位开采和矿井水深部地质封存等关键技术及科学问题,提出了以煤炭开采低碳零碳融合为核心的全生命周期煤水热共采技术体系。针对系统运行优化管理,考虑以碳排放与经济性为双重目标配置优化开采工艺与运行策略的协同度。最后以陕西榆林小纪汗煤矿为分析案例,初步基于遗传算法构建煤水热共采模式下矿区资源多目标配置优化模型,评估了系统运行节能减排效益,结果表明:利用小纪汗矿伴生风/水资源年节能率可达50.2%,减少矿区生产用能总二氧化碳排放量24.2%,节能减排效果显著。通过实现矿业负效应资源的正向转换,拓展伴生资源对矿区综合能源体系的增环补链作用以实现煤水热正效协同共采,对煤炭行业助力实现双碳目标具有参考意义。