煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场-水化学场-微生物场耦合作用与数值模拟

煤矿矿井水的水质形成与演化过程机理复杂,受水动力场、水化学场和微生物场等多场作用影响显著。深入研究并揭示煤矿矿井水水质形成机理与演化趋势、阐明采空区封闭后矿井水的多场耦合作用机制是矿井水污染防控与修复的理论基础。以鄂尔多斯盆地某煤矿采空区为水文地质原型,在前期研究的基础上,进一步建立了煤矿采空区积水水位回升、蓄满后水动力-水化学-微生物场(HCB)多场耦合室内相似模拟和数值模型。采空区水动力场研究结果表明基质-裂隙双孔隙模型能有效模拟采空区水位回升过程,模拟误差为9.9%,其模拟精度远高于理论预测和单孔隙模型。水化学场模拟结果与试验较为吻合,SO_(4)^(2-)、HCO_(3)-和p H模拟相对误差分别为3.0%、21.0%和6.2%,模拟结果较为可靠。模拟结果显示采空区蓄水过程中水岩反应和微生物作用不明显;而蓄满后水动力几乎停滞,但水化学场和微生物场较为活跃,2号煤和3号煤层中黄铁矿的氧化反应使得SO_(4)^(2-)质量浓度提升约24.6%;后期采空区水环境演化为弱酸性、厌氧还原条件,微生物降解作用凸显,将SO_(4)^(2-)有一定的“自净”能力。通过调整微生物代谢速率常数,可将SO_(4)^(2-)降解比例提高到61.6%。实际工程场景中可通过补充碳源、人工建立密闭厌氧环境等强化手段实现这一目标。将多场耦合室内试验和数值模拟技术拓展到煤矿采空区积水水质形成与演化规律研究,研究结论可为煤矿区矿井水污染防治提供指导。

我国闭坑煤矿矿井水水质演化研究进展与展望

随着我国煤矿矿井关闭数量的逐渐增加,闭坑矿井水水质恶化和污染问题日益突出,准确掌握闭坑矿井水水质演化规律及机制,是目前闭坑矿山可持续绿色发展的重大科学难题,也是地下水污染有效防控和水资源合理开发利用的重要前提。在回顾关闭矿井发展历史的基础上,首先阐述了我国关闭矿井的分布情况,之后分别对闭坑矿井水水质特征、水质演化规律及水质演化的多场作用等方面展开综述,最后对我国闭坑矿井水水质研究中存在的关键问题和应用方向进行了展望。研究结果表明:①截至2023年底,我国关闭矿井的数量已经上升到13000多个,主要分布在山西、河南、河北、山东、江苏和安徽北部等地区;②我国部分闭坑矿井水的pH、矿化度、硫酸盐、氟化物和铁锰重金属等水质指标含量超过Ⅲ类水标准,其中酸性矿井水(pH<6.5)主要分布在云贵、鲁西、山西等地区,高矿化度矿井水(TDS>1000 mg/L)主要分布在鲁西、山西、河南、两淮、蒙东、宁东、新疆等地区,硫酸盐矿井水(硫酸盐质量浓度>250 mg/L)主要分布在云贵、鲁西、山西、蒙东、宁东、神东、新疆哈密等地区,氟化物矿井水(F质量浓度>1.0 mg/L)主要分布在两淮、山西、神东等地区,铁锰重金属矿井水(Fe质量浓度>0.3 mg/L、Mn质量浓度>0.1 mg/L)主要分布在云贵、鲁西、山西、蒙东等地区。③在闭坑矿井被完全淹没之前,其水质在空间上会出现明显的分层现象,即浅部的优质水层、中部的过渡水层和深部的劣质水层,这主要与矿井采掘空间分布、地温梯度和盐度等因素有关。④煤矿关闭后,矿井水水质的演变过程大致可分为3个阶段,第Ⅰ阶段为矿井水中典型污染物(硫酸盐和铁离子)质量浓度快速上升达并到峰值阶段,第Ⅱ阶段为污染物浓度快速下降阶段,第Ⅲ阶段为矿井水水质与邻近含水层地下水水质背景值相同并保持相对稳定阶段。⑤系统总结了我国闭坑矿井水动力场、水化学场、微生物场和温度场的研究进展,指出了闭坑矿井多相(水−岩−气−生)多场(水化学场−水动力场−微生物场−温度场)耦合作用机制的研究还不充分。⑥提出了我国闭坑矿井水水质演化问题的研究仍然面临着水质演化规律和水质演化机制不清楚等关键科学问题。

基于断层量化隐伏型煤矿基岩含水层水化学空间演化机制研究

地质构造是控制地下水化学场形成的关键因子,但由于其类型、性质和组合方式存在较大差异,致使定量表征地质构造对含水层水化学空间演化是个难点问题,亟待解决。本文以典型隐伏型煤田——淮北煤田袁店一矿的二叠系主采煤层砂岩裂隙含水层(简称“煤系”)和石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层(简称“太灰”)为研究对象,基于主成分分析和离子比例分析,阐明控制含水层水化学空间演化的关键因素,利用断层复杂系数量化地质构造对地下含水层水-岩作用的影响,揭示袁店一矿水化学空间演化机制。研究结果表明,袁店一矿煤系主要水-岩作用为阳离子交替吸附与脱硫酸,太灰主要水-岩作用为碳酸盐溶解与黄铁矿氧化。袁店一矿东部断层复杂系数平均值为0.56,中部为0.61,西部为0.71。随着断层复杂系数平均值的增加,断层愈发育,煤系在袁店一矿主要水-岩作用阳离子交替吸附与脱硫酸有向非碳酸盐溶解转变的趋势;太灰在袁店一矿主要水-岩作用碳酸盐溶解与黄铁矿氧化有进一步增强的趋势。研究成果为研究华北隐伏型煤田地下水化学演化的构造控制机制提供了新思路,奠定了良好的理论基础。

煤矸石精确产酸潜力评价方法对比研究

为有效避免重大酸性水污染事故,需提高矿山岩石产酸潜力评价的精度。通过全面阐述矸石中常见含硫矿物的产酸潜力计算方法,采用三步连续提取法测定了多个矿石和煤矸石中产酸矿物的硫含量,对比分析了精确产酸潜力和最大产酸潜力。结果表明:煤矸石的产酸潜力值取决于各产酸硫的质量分数和单位硫产酸值;对大部分样品,用产酸硫含量计算的产酸潜力值不同程度地低于用全硫预测的产酸潜力值;样品SC中的硫成分主要为砷黄铁矿硫,相比黄铁矿的单位硫产酸值更高,导致SC样品计算的精确产酸潜力相比全硫预测的产酸潜力更高;三步连续提取法适用于以铁和铜的硫化物为主要含硫矿物的煤矸石;当矿石中其他硫化物成分增多和空白样品混合不均匀都会对结果产生一定干扰。研究结果为准确评价矿区煤矸石精确产酸潜力提供了依据。

水仓防隔水煤柱安全评价及注浆加固治理研究

某煤矿水仓的砌碹巷道在开采的扰动、防隔水煤柱宽度留设不足、砌碹壁后充填不密实等情况下,使得周边采空区水渗漏至水仓,极大影响了水仓的安全稳定。为进一步加强水仓煤柱的稳定性,运用地面钻孔及井下钻孔相结合的方法进行注浆加固。采用地面钻孔注浆充填井下硐室,硐室充填沙子245~328 m^(3)、水泥487~650 t,充填材料体积远远大于硐室体积220 m^(3),有效增加了煤柱厚度;利用井下钻孔在砌碹处进行水泥注浆与水化学注浆,使得砌碹裂缝处涌水量由15 m^(3)/h降至为零,砌碹壁后空隙充填效果良好。通过对煤柱及砌碹壁后空隙的注浆充填,有效提高了水仓防隔水煤柱的稳定性。

内蒙古母杜柴登煤矿3^(-1)煤充水条件及矿井涌水量预测

母杜柴登煤矿矿井涌水量大,且属于高矿化度水,面临着大量疏排矿井涌水和矿井水地面处理的压力。在分析矿区地质及水文地质条件的基础上,认为开采3^(-1)煤层时,矿井水来源于3^(-1)煤顶板─直罗组底界砂岩含水层,包括直罗组底部中、粗粒砂岩含水层和3^(-1)煤顶板延安组三段砂岩含水层。运用大井法和达西定律计算的30209工作面涌水量分别为931m^(3)/h、919m^(3)/h,与实际接近。研究可为工作面侧向注浆封堵(含水层改造)、帷幕截流减量的可行性和减量程度提供依据。

新集二矿承压水上开采底板破坏深度研究

为提高新集二矿1煤回采上限以及为水害防治提供依据,对新集二矿地质资料充分分析,采用UDEC 7.0进行数值模拟试验,模拟工作面推进时底板发育情况,得出工作面推进至120 m,底板达到最大破坏深度19.3 m。采用并行电法对煤层地板岩层破裂过程进行现场监测,通过观察电阻率变化趋势,判断岩体的形变过程,确定煤层采动破坏带深度为19.6 m。结果表明,数值模拟结果与电法测试结果基本一致,底板破坏带以下为底板岩层保护带,保护带以下岩层完整性较好,可以起到一定的隔水作用。研究成果对相似地质条件下的承压水上开采研究具有重要意义。

区域治理注浆材料优选技术研究

区域治理是防治煤矿底板水害的有效手段。本文针对云驾岭矿19101工作面治理过程中大注浆量问题,以不同注浆材料配比制浆、取样、化验,通过浆液结石体与泥岩抗压强度值比对、隔水层阻水系数2个方法确定,水泥与粉煤灰3∶7的配比是可以满足底板水防治要求的。同时,将试验结果推广应用,并跟踪、监测井下钻探、物探以及回采涌水结果均表明治理效果显著。注浆材料优选技术可以为注浆量大的工程项目提供有益借鉴,助力煤矿企业降本增效,提升发展质量。

采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制

随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征,系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。研究结果表明:①随着工作面不断推进,底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通,形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径,并随着冲蚀时间增加,最终发展成为数条优势导水通道,造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。②随着渗流时间增加,断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定3个阶段,冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。③在研究矿区地质条件下,为预防发生断层突水,可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法,超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前,若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。

考虑采动效应的闭坑矿井水硫酸盐污染规律

高硫煤矿闭坑后成为埋藏在地表以下深部的产酸污染场,对相邻含水层和周边环境造成了潜在危害,且因采动效应影响和矿井空间分布复杂导致相邻含水层的污染过程与污染程度评价困难。以某闭坑矿区为研究对象,选取SO_(4)^(2-)作为特征污染物,考虑多煤层采动裂隙对含水层结构的破坏影响,运用数值模拟技术对闭坑矿区酸性矿井水中SO_(4)^(2-)污染迁移特征进行研究,并分析流体扩散系数对含水层污染物运移的影响。结果表明:SO_(4)^(2-)在二叠系童子岩组砂岩含水层中水平迁移面积随时间增大而增大,增大速率逐渐减小,垂向渗透系数扩大10倍,空间变异性增强;闭坑5、10、15a后,最大水平迁移距离分别为215、414、612m,最大垂向迁移距离分别达到50、65、70m;而扩散系数越大,产酸时间越长,SO_(4)^(2-)迁移距离和污染范围将随之增大,相较于水平方向,垂向上SO_(4)^(2-)浓度变化对扩散系数的敏感度更高。基于模拟结果,结合闭坑矿区实际条件,针对性提出了“源头减量-过程阻断-末端治理”的综合防控与治理方案。研究结果将为该闭坑煤矿酸性矿井水污染治理与防控提供理论基础,也为其他同类矿井提供科学借鉴。

疏干排水在露天矿山的应用

地下水是影响露天边坡稳定的重要因素。非洲某矿山水文地质条件复杂,严重影响了露天开采时边坡稳定性。通过分析该矿山地下水赋存情况,涌水量大小,来布置排水钻孔的位置和钻孔深度。采用深井泵的方式对地下水进行疏干,并根据钻孔深度和涌水量大小进行设备选型计算,从而降低露天采坑地下水位标高,使地下水位标高低于露天开采工作面标高,来增加露天边坡稳定性,保证露天开采时边坡安全。

陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术

陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总结区域水文地质结构特征,界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布,论述典型水灾的形成机理及特征,并提出了相应的防控技术。研究表明:(1)陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区,陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害,局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。(2)陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成,导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水,部分区域充水强度较大,在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾,在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害,导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾,当含水层下部隔水层厚度较大时,可能形成离层溃水灾害,当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时,会引发极为严重的底板突水灾害,该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。(3)各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等,底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。

流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩注浆加固特性试验研究

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样开展室试验,观察了灰岩的细观特征,获取了流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩的力学特性及注浆加固特性,通过理论分析得到了灰岩随预制裂隙长度变化时,起裂强度的变化规律,分析了注浆加固机理。结果表明:注浆后岩石的强度、韧性得到明显改善,注浆前的灰岩有明显的脆性特征,注浆后灰岩的脆性降低延性增强;注浆加固体的破坏程度随着裂隙长度的增加越来越剧烈,当裂隙长度较大时伴随有水平方向的裂隙发育;注浆加固体的峰前渗透率的降低程度较小,峰后渗透率有明显的降低,灰岩渗透率最大阶段产生在峰后阶段、而渗透率最小的阶段发生在应力–应变曲线的线弹性阶段,并且裂隙长度越长越容易出现渗透率双峰现象。使用连续介质力学理论推导得到了注浆加固体起裂强度和断裂韧度的计算式,理论证明了注浆加固体的强度大于原岩试样;岩石弹性模量与注浆形成的结合体的弹性模量的差异越大,注浆对岩石强度的影响越弱。

相空间重构后矿井涌水量序列地质学含义及其应用研究

目的为了确定相空间重构矿井涌水量序列的地质学含义并提高涌水量预测精度,方法以王行庄矿为例,在涌水量序列相空间重构后,对重构后相空间列向量与涌水量主控因素进行相关性分析,并在此基础上建立混沌理论与人工神经网络耦合(Chaos-ENN)的涌水量预测模型。结果结果表明:相空间的嵌入维数等于矿井涌水量主控因素个数;相空间的第1,2,4,5,6列向量分别与C_(2)tL_(7-8)含水层水位埋深、O_(2)m+Є_(3)ch含水层水位埋深、采空区面积、C_(2)tL_(1-4)含水层水位埋深、开拓长度具有较高的相关性,第3列与不易量化的其他综合因素有关;构建的Chaos-ENN涌水量预测模型在王兴庄矿的预测精度达到97.91%。结论涌水量序列重构后相空间的列向量具有明确的地质学含义。利用混沌理论可以量化涌水量预测模型中ENN输入层的个数及取值,所以仅需涌水量序列值就可以建立矿井涌水量预测的Chaos-ENN模型,该模型解决了涌水量预测中存在的主控因素难以确定和不易量化的难题,且预测精度高,具有较高的推广价值。

深部煤层开采导水裂隙发育规律研究

导水裂隙发育规律是深部煤层安全开采的一个重要参数,以孔庄煤矿7303工作面为依托,采用相似模拟实验、钻孔注水漏失量探测和钻孔窥视相结合的方法,对工作面导水裂隙发育特征进行研究。结果表明:相似模拟实验表明工作面平均周期来压步距19.5 m,垮落带呈梯形,随着工作面推进,离层裂隙被压实,导水裂隙发育由低速向高速转变,导水裂隙最大发育高度69.8 m,裂采比21.8。通过现场实测得到导水裂隙最大发育高度65.27 m,裂采比18.13,与浅部煤层工作面裂隙发育特征进行对比分析,裂采比与煤层埋深呈正相关。该研究成果对孔庄煤矿防治水害具有重要的指导意义。

采动含水层生态功能修复:概念内涵、理论与技术框架

针对我国保水采煤研究现状及煤矿区采损生态修复的技术需求,提出应开展采动含水层生态功能修复研究,并将其纳入绿色开采技术体系中。在充分阐述采动含水层生态功能修复概念与内涵的基础上,构建了以采动含水层失水流动规律及水径流阻隔关键技术为主的理论与技术框架,分析了当前相关研究进展与未来攻关方向。含水层的损伤失水与生态功能退化本质源于采煤引起的岩层运动与裂隙发育,应在充分掌握含水层失水机制与规律的基础上对其开展生态功能修复理论与技术研究。深入揭示含水层失水路径分布与水流动力耗散规律,将失水流量集中分布的采动影响区作为重点修复的靶区,合理运用“边采边修”、“采后再修”等方式实施水流通道封堵与修复。同时,应充分利用采动岩体裂隙自修复机制及其引起的含水层自恢复效应,开展采动含水层生态功能引导修复研究与实践;基于水-气-岩相互作用产生化学沉淀促进导水裂隙自修复的降渗机理,提出了向含水层下方裂隙岩体中灌注可与地下水产生化学沉淀的修复试剂,以诱导沉淀物在裂隙中吸附-固结并封堵通道的含水层生态功能修复技术路径。在此基础上,阐述了利用铁/钙质化学沉淀进行导水裂隙修复降渗的研究现状,提出未来应重点研究形成利于不同类型导水通道高效封堵的化学沉淀诱导生成对策。研究可望为西北部生态脆弱矿区煤炭开采地下水保护与生态修复提供参考。

特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。

煤矿采动覆岩离层水害致灾因素勘查与预测评价

采动覆岩离层突水在我国各地矿区均较为常见且危害性较大,现有的规范中鲜有针对离层水害的具体工程地质和水文地质勘查方法。探索煤矿离层水害工程地质水文地质勘查与评价方法,能够推动我国矿井水害防治水平进一步提升。首先从煤矿采动覆岩高位离层水害孕灾机制出发,分析了离层水害从孕灾到致灾的工程地质条件,将我国现有的离层水害归纳为3种典型类型:离层动力突水、离层静水压涌突水和离层携泥砂突水。然后,确定了“水源”“通道”“力源”和“物源”为控制离层水害类型与强度的关键隐蔽致灾因素,将位于传统导水裂隙带以上,可发生离层突水的复合层位称为采动覆岩“突水离层带”,并提出了煤矿采动覆岩“突水离层带”的判别流程,划分勘查阶段,指明勘查要点。煤矿离层水害采前勘查应包括2个阶段:①开展覆岩基本工程地质和水文地质条件勘探,评估勘探区离层水害的可能性并确定潜在“突水离层带”的层位;②将“突水离层带”和“物源”层作为勘查目标层,开展离层水害致灾因素专项勘查,评定离层水害类型和强度。回采期间对水动力条件和覆岩裂隙演化进行探查。最后,基于离层水害致灾因素互馈演化致灾机制,建立了适用于采动覆岩离层水害的矿井区域预测综合评价模型,提出了全矿井/采区尺度的区域危险性分区、采前工作面突水位置判定及涌水量预计的煤矿采动覆岩离层水害预测评价方法。

岩溶凹陷式露天矿山大流量涌水治理技术

我国岩溶地质分布广泛,岩溶突涌水已成为石灰石矿山安全生产的巨大灾害与挑战。以广西某岩溶凹陷式露天矿山大流量涌水为研究对象,针对该矿山地质条件复杂、集中涌水量大、流速高等特点,利用岩溶发育特征、资料分析与地球物理探查等方法初步圈定矿山径流带区域;进一步通过钻探、跨孔CT和示踪联通试验等精准查找到矿山Y01特大涌水点岩溶管道的具体位置,在此基础上研究并实施了矿山涌水治理技术与工艺。研究表明:(1)针对复杂岩溶凹陷式露天矿山大流量、高流速的涌水特征,提出并实施了“非连续帷幕截流+关键通道探查与封堵+止浆垫控流降速”的岩溶矿山涌水综合治理体系。依据岩溶发育的不均匀性,提出了非连续帷幕封堵裂隙型涌水区域的思想;对大流量岩溶管道型集中涌水设计采用止浆垫控流装置,通过控流能有效降低关键过水通道内水流速度,为注浆材料的有效留存沉积和工程的成功封堵提供了重要条件。(2)关键孔联合注浆工艺是岩溶管道型涌水成功封堵的保证,关键孔是指直接揭露岩溶涌水管道或与涌水管道联通性极强并对注浆堵水起主要作用的钻孔。针对矿山Y01岩溶管道型特大涌水精准查找到2个关键孔,均在矿坑南部:一个是距涌水点直线距离约50 m的近距离钻孔(以下简称“近孔”),另一个是距涌水点直线距离约150 m的远距离钻孔(以下简称“远孔”)。现场采用近孔、远孔2个关键孔联合注浆工艺:近孔以粗骨料和自主研发的可控凝结新型材料进行注浆,远孔仅注水泥浆液;近孔粗骨料和新型材料既能降低管道内的水流速度为远孔浆液起到更好的留存沉积作用,又能作为封堵材料起到增强的功能,远孔因其离涌水点距离长、辐射范围广、浆液扩散充分而能确保封堵长度和效果。近孔、远孔协同配合同步注浆是封堵管道型大流量涌水的有效组合工艺。(3)涌水口止浆垫控流降速装置的合理有效调控,配合关键孔联合注浆工艺的同步实施,进一步确保了注浆浆液的有效快速留存和沉积,是岩溶地区封堵管道型大流量涌水的创新性技术和方法。项目实施后,彻底封堵矿坑内集中涌水量达7.12万m^(3)/d的Y01特大涌水点,实现总减水量8.43万m3/d(含非连续帷幕注浆封堵),保证了矿山的正常安全开采,大幅降低了抽排水费用,同时保护了周边环境和地下水资源,具有显著的经济效益和社会效益。研究成果可为我国矿山涌水灾害治理提供理论价值和经验借鉴。

综采工作面采动覆岩导水裂隙带发育高度综合研究

针对因煤层开采易导致上覆岩层产生裂隙,贯通地下含水层引发矿井水灾的问题,以盘城岭煤业150105工作面为研究背景,采用理论公式、现场井下仰孔注水测漏法和钻孔电视成像探测法,以及FLAC3D和UDEC数值模拟综合分析导水裂隙带的高度和发育规律。理论计算导水裂隙带的最大高度为81.56 m;通过井下仰孔注水测漏法监测3个钻孔的注水渗透量梯度临界值为12 L/min,通过临界值判定导水裂隙带高度为78.56~79.99 m;通过钻孔电视成像探测法观测钻孔内裂隙分布判定导水裂隙带高度为78.39~79.46 m;利用FLAC3D和UDEC数值模拟,根据覆岩塑性区变化特征,当工作面推进至180 m时,裂隙发生贯通,塑性区最大高度达到76.4 m,并根据覆岩塑性区变化、垂直应力分布、垂直位移云图分析了导水裂隙带发育规律的3个阶段。对不同方法下的导水裂隙带高度进行了相互验证。