井下动水截流施工骨料堆积生长机制研究

灌注骨料形成阻水屏障实现截流降速是井下治水工程的关键所在。为定量描述骨料堆积生长的时空演化机理,提出了将骨料沉降堆积过程切分为具有一定厚度的片状颗粒层堆叠过程的分析计算方法,以及动水环境中骨料灌注后从沉降到堆积全过程关键参量(颗粒水平移距xd,动水休止角ψ,未接顶区流速U,骨料留存临界流速U_(cr))的理论计算公式,在此基础上构建了骨料堆积体生长预测模型。通过CFD-DEM双向耦合算法研究了骨料灌注期间流场分布演化特征和骨料堆积形态差异,并验证了预测模型合理性。研究表明:空间上,依据初始流速U_(s)是否超过骨料起动流速U_(c)或骨料留存临界流速U_(cr),可将截流初期骨料沉积主域的所在位置划分为3个区域,若沉积主域位于③区,则将其视为无效灌注;时间上,骨料堆积体生长过程可归结为3个阶段:高度快速增长阶段、高度长度同步生长阶段、仅水平向伸长阶段;初始流速决定了第1阶段的有无,而灌注条件(骨料粒径、灌注速度)主导着第1阶段所持续的时间;基于泥沙运动力学中推移质输沙率、起动流速等概念,得出了堵孔现象发生及骨料能否留存的临界判据;数值模拟试验结果表明,预测模型能够较好地刻画骨料灌注后的堆积生长规律,骨料堆积稳定后,理论计算值与模拟试验值相对误差小于10%。

煤岩体突水通道骨料灌注运移堆积机制试验

为揭示突水通道中骨料运移堆积的演化规律,开展了动水条件下骨料灌注试验,得到了骨料的初始沉积位置、堆积体形成方向以及堆积体极限堆积高度与水流速、骨料灌注速度等影响因素的内在关联。结果表明:在1.0 m/s高流速动水环境中,骨料堆积体形成方向为先逆水流方向生长至投料孔底后转为顺水流方向生长;在0.3 m/s低流速条件下,采用口径36 mm漏斗投料同口径18 mm相比,骨料灌注总量相同时,其堆积体的极限高度提升了41%。基于数值力学模型——计算流体动力学-离散元方法(computational fluid dynamics and distinct element method,CFD-DEM),研究了骨料灌注期间突水通道内流场的时空分布特征以及骨料堆积体的过水阻力作用对突水通道内静水压力的影响机制。

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。

榆神矿区面临的水文地质问题及其精细勘查

针对榆神矿区在地质勘查阶段水文地质勘探程度不足,难以满足现代化煤矿建设和生产需求的问题,在补充勘探时应做好浅埋煤层的精细勘查。在分析榆神矿区现阶段面临的主要水文地质问题的基础上,明确了水文地质精细勘探的必要性和主要勘查内容,认为需要对萨拉乌苏组、烧变岩、直罗组砂岩、洛河组砂岩等主要含水层进行重点勘探,查明其厚度、分布、岩性、孔隙裂隙发育特征、水文地质参数等,进而查明煤层及其与含水层、隔水层的空间赋存关系,精准确定小煤窑的采空区范围,编制各类等值线图,预测矿井涌水量。通过水文地质的精细勘查,能够为煤矿安全高效生产提供详细数据和资料,进而实现矿井水害防治和地下水资源保护。

转龙湾煤矿高氟地下水水化学特征及成因分析

为了解转龙湾煤矿高氟地下水水化学特征及其形成机制,选取第四系地下水(QGW)、砂岩地下水(SGW)和矿井水(MGW)水样共48个,综合运用统计分析和水化学等方法进行了相关分析。结果表明:转龙湾煤矿地下水整体表现为弱碱性,主要阳离子为Ca^(2+)和Na^(+),阴离子为HCO_(3)^(-)和Cl^(–);地下水中SO_(4)^(2–)、Cl^(–)、TDS、pH、CO_(3)^(2–)质量浓度均值大小关系为MGW>SGW>QGW,而HCO_(3)^(-)和F^(-)则存在着SGW>MGW>QGW的特点;QGW、SGW、MGW中F^(-)质量浓度的均值分别为0.76、4.55、4.35 mg/L,且SGW、MGW中多数水样的F^(-)质量浓度均远超过了标准中的限值(1.0 mg/L);低氟地下水(ρF^(-)<1 mg/L)水化学类型主要为HCO_(3)^(-)Ca·Mg型,而高氟地下水(ρF^(-)>1 mg/L)的水化学类型主要为HCO_(3)^(-)Na(35.42%)和SO_(4)·Cl^(-)Na(45.83%);转龙湾煤矿高氟地下水中F^(-)主要来源为含氟矿物的溶解,此外阳离子交换作用、竞争吸附以及白云石和方解石的溶解沉淀也是高氟地下水形成的重要影响因素。

地下水运移对露天矿山边坡的影响探析与渗流减缓措施研究

地下水渗流劣化岩体力学性能,降低围岩稳定性,容易引发矿山边坡失稳。通过对某露天开采铁矿南帮边坡进行水文地质勘察,明确了地层渗透特性,分析了矿山边坡地下水分布特征和运移规律,并采用“帷幕注浆+降水井疏堵”的方式对地下水进行综合处置。研究表明,短时强降水入渗排土场形成蓄水体,然后以强风化构造裂隙发育岩层为渗流通道,由排土场向矿山采坑渗流,劣化岩体的力学性能,降低了土岩接触界面的抗剪强度,致使矿山边坡滑塌。现场实验表明,“帷幕注浆+降水井疏堵”方式对地下水的综合治理效果良好,有效截断了蓄水体与采坑之间的渗流通道,降低了地下水对矿山边坡的影响,提升了边坡稳定性,可有效解决矿区向下开挖延伸过程中的边坡滑塌隐患。

新疆侏罗系煤层地下“水库”型水害防治实践研究

新疆地区侏罗系含煤地层广泛发育,其水害防治逐渐成为影响煤炭资源勘探开发的关键问题。通过对新疆侏罗系含煤地层赋存特征的总结分析,探讨了煤矿水文地质特点及水害要素,结合火烧区积水和老空区积水防治案例,提出地下“水库”型水害防治方案。研究表明,新疆地区探明矿区主要集中在6个片区,侏罗系煤层开采直接充水含水层主要为顶底板碎屑岩孔裂隙含水层,富水性弱,但在火烧区、老窑和采空区、断层破碎带易形成积水区,造成地下“水库”型水害。通过防治案例发现,采用地面物探和钻探验证确定积水区,利用井上下钻孔疏排的方式可以较好地解决水害威胁,确保煤矿安全生产。

高压水致裂侏罗系巨厚砂岩对工作面顶板水文地质条件的影响研究

为查明东滩煤矿63上06工作面高压水致裂顶板关键层工程对顶板水文地质条件的影响,采用导水裂隙带高度探测、连通试验、物探、钻探和水情监测等手段对比分析了水文地质情况的变化。结果表明:压裂裂缝破坏了侏罗系中部泥岩隔水层,改变了工作面顶板充水模式;压裂裂缝成为充水通道,侏罗系上段、下段砂岩水和压裂水成为顶板充水水源,造成工作面涌水量的增大。压裂水对工作面涌水量增大产生短期影响,侏罗系上段砂岩水对工作面涌水量增大产生长期影响。科学配置排水系统,合理设计压裂钻孔位置、压裂层位和压裂强度,能够有效防控高压水致裂工程引发的顶板次生水害风险。研究成果将对类似受工程扰动工作面的顶板水害防治具有一定的借鉴价值。

煤矿采空区水-岩作用模拟试验研究

采空区积水在我国煤矿中广泛存在。明确在采空区封闭-半封闭环境条件下的水-岩相互作用机理,对实现煤矿区水污染减量以及地下水资源保护具有重要意义。以内蒙古某煤矿采空区积水为研究对象,设计高度还原采空区环境的箱式模拟试验,采用X射线衍射仪(XRD)和X射线荧光光谱仪(XRF)对模拟采空区填充物(煤、垮落岩体)中矿物成分及元素组成进行分析,借助离子色谱仪(IC)和电感耦合等离子体发射光谱分析仪(ICP-OES)等对水中水化学特征进行表征,探究采空区积水水质形成的水-岩相互作用机制。结果表明:水-岩相互作用主要为煤及垮落岩体中的矿物溶解-沉淀作用、阳离子交换作用、煤中黄铁矿氧化作用以及混合作用。矿物溶解作用占主导地位,采空区积水中的Na+、K+主要来源是钠长石、钾长石等硅酸盐矿物的溶解,而Ca2+和Mg2+主要来自于钙长石、方解石、绿泥石等矿物溶解;离子交换作用主要发生在采空区水-岩作用的初期(0~20 d),而后逐渐减弱;采空区底部残煤中黄铁矿氧化作用是积水SO42-浓度升高、还原性增强、pH和DO(溶解氧)降低的主要原因;混合作用在试验中后期(30~150 d)逐渐凸显,使采空区积水的水化学特征趋向于一致。研究结果为煤矿采空区积水污染预测以及防治提供理论参考。

矿井积水与破碎煤岩体水-岩相互作用研究

矿井积水与采空区破碎煤岩体的长期相互作用将会导致水质发生变化,并有可能成为污染地下含水层的直接因素。为探究二者相互作用过程中的水质变化规律,试验分析了不同温度,不同风化程度条件下的离子变化规律与内在机理。结果表明:随着温度以及煤岩体风化程度的增加,Na+与K+的释放总量与速度均会表现为正相关的演化规律;Ca^(2+)浓度变化受到溶蚀与沉淀的综合作用结果,表现为先上升后下降的趋势;水体总碱度变化过程可分为初期溶蚀阶段,中期吸附阶段,后期稳定阶段;水体总硬度变化过程可分为初期溶蚀阶段,中期吸附阶段,后期溶蚀阶段;破碎煤岩体净化水体的过程中存在溶蚀、沉淀与吸附的竞争过程,并且具有明显的时效性,对水质具有重要影响。

巨厚洛河组含水层精细划分研究分析

在彬长矿区多对矿井长期的开采实践中,巨厚洛河组含水层垂向水文地质条件的差异性逐步显现,以往将洛河组视为统一的含水层或简单的进行层位划分已不能满足当前的水害防治工作需要。因此本次通过对洛河组含水层水文地质条件进行精细探查,研究其垂向的富水性差异及内在控制因素,并对其进行层位的精细划分是十分必要的。以地质研究为基础,综合应用钻井、测井、录井、岩芯分析化验资料、区域资料、分层资料等地质资料,对彬长矿区内雅店煤矿洛河组砂岩含水介质进行综合评价、垂向及平面分布特征研究,从而为洛河组精细划分提供依据。

区域注浆扰动下渗流场−化学场演化及耦合作用

在淮北煤田普遍采用地面定向钻高压注浆技术治理煤系底板岩溶水害。注浆后渗流场补径排路径发生变化,且注浆实施中注浆高压以及浆液析水会在一定时期内改变受注目标含水层地下水渗流场和化学场的分布特征。以淮北煤田桃园煤矿为研究对象,利用Feflow软件,构建了区域注浆扰动下目标层渗流场与化学场(简称“双场”)演化模型,探讨了“双场”耦合机制,选择受环境影响较小的Cl−为模拟因子,开展了“双场”耦合作用下溶质运移影响因素分析,在此基础上构建了区域注浆扰动下溶质扩散预测模型。研究结果表明:识别验证后渗流场模型中,模拟水位与实测水位误差小于3 m的点占71.9%,模拟效果较好;识别验证后化学场模型中,Ⅱ4采区溶质运移模拟效果较好,Ⅱ1采区模拟值偏低约14.4 mg/L,误差约为实际值的6.6%,低于10%,总体模拟效果较好。渗透系数相对较大的Ⅱ4采区和Ⅱ2采区Cl−较容易运移扩散;而渗透系数较小的Ⅱ1采区岩石致密,渗透性较差,模型运行50 a期间,其基本以“滞水”状态存在。基于注浆扰动下Ⅱ4采区局部渗流场演化特征,认为溶质运移主要受渗透系数、弥散度、水力梯度、渗透流速、注浆时间、浆液相对密度等参数控制,并发现在注浆结束后18~22 a Cl−质量浓度达到峰值,随后Cl−质量浓度开始降低,约在40 a后达到区域注浆之前的平衡状态。基于多次设参运行获得数据,建立了“双场”耦合作用下溶质扩散的预测模型,误差率小于10%的数据占比达81.4%,说明所建立的溶质扩散预测模型基本可靠。研究可为区域注浆扰动下受注目标含水层水环境演化研究以及煤矿水害预测预警提供科学依据,具有重要的理论和实践意义。

大型露天矿山的水文地质特征及开采条件分析——以马家桥矿山为例

在露天矿山开采前,除了需要对矿山进行地质勘察和储量核定外,还需要对矿山的水文地质特征以及矿山的开采条件进行分析,才能为矿山进一步的开采设计及后续工作提供技术支撑。以湖南株洲地区的大型露天水泥矿山马家桥矿山为研究对象,对该矿山进行水文地质条件以及开采条件分析,结果表明该矿山水文矿床工程地质条件属中等类型,地质环境良好,资源可靠,开采条件较好,该分析将为后续的设计及开采工作提供有力支撑。

物探在煤矿水文地质隐蔽致灾因素普查工作中的应用

为查明煤矿水文地质隐蔽致灾因素,从源头上防范煤矿水害事故发生,保障职工生命安全和健康,按照国家相关文件精神,湖南省自2022年开始开展煤矿隐蔽致灾因素普查工作。为进一步强化普查报告对煤矿实际生产指导的实效性,确保更详尽地掌握这些危险因素,又于2023年开展煤矿隐蔽致灾因素普查报告修编工作,直至2024年6月全省基本完成煤矿隐蔽致灾因素普查工作。煤矿水文地质的隐蔽致灾危险因素普查主要是利用物探等技术手段来查明井下含水体的状况,现对物探方法进行总结并附以实例。

宽沟煤矿地下水化学特征及其指标

地下水水化学特征及其演化规律在煤矿开采和防治水害中占有重要地位,以宽沟煤矿为研究对象,综合使用Piper三线图,Gibbs图和离子比例系数法等方法对宽沟煤矿地表水、地下承压水和矿井水化学特征及来源进行研究,并且以宽沟煤矿各水体的Cl^(-)浓度为度量,定量计算它们之间的水力联系程度。研究表明,地表水化学类型为HCO_(3)-Ca型和SO_(4)-Ca型,矿井水和地下承压水的水化学类型为HCO_(3)-Na型;3种水体水化学成分的形成作用主要受岩石风化控制,还受阳离子交替吸附作用的影响,其中地表水主要离子来源于碳酸盐矿物的溶解,而承压水和矿井水的主要离子来源为硅酸盐矿物的溶解,并且研究区地层中有一定量的硫酸盐矿物;地表水与地下承压水水力联系、地表水与矿井水水力联系分别为0.283和0.276,联系程度中等,而地下承压水和矿井水水力联系为0.0095,可以确定矿井水来源于地下承压水。

红柳林井田风化基岩及其富水性研究

西北地区的侏罗系风化基岩具有结构疏松、孔隙度大、渗透性强和裂隙发育等特点,是天然富水层,也是该地区煤矿井田突水灾害的主要来源之一,科学准确地划分风化基岩区域,分析研究风化区赋水情况对于矿井水防治具有重要意义。NEMV技术以其特有的对于地层应力变化属性特征的探测能力,精确刻画红柳林北二盘区南翼风化基岩的分布区域,结合区域含水性分布特点,探索风化基岩与其富水性之间的关系。结果表明,风化基岩主要分布在中部、西南和东北方向,其中东北部最薄,面积最小,且风化严重;西南部最厚,中部面积最大,其分布范围与富水情况密切相关,为北二盘区工程采掘安全提供科学依据。

承压富水煤层顶底板渗流特性及孔隙结构研究

在山西邓家庄煤矿建设和开采过程中,发现了煤层作为承压裂隙含水层的特殊水文地质现象。为进一步探讨渗透力学性质在承压裂隙含水层中发挥的关键作用,取顶底板岩层岩样进行了岩石全应力-应变渗透试验和孔隙发育结构试验。结果表明,该煤矿煤层为承压裂隙型含水层,煤层裂隙承压水与顶底板总应力-应变渗透率及孔隙结构发育特征密切相关;离煤层越近,地层的水密性和塑性就越强,变形过程中地层的抗破坏能力也就越强,形成宏观导水裂隙的应变就越大;对于未发育裂隙,距离煤层30m以内的顶底板地层有效孔隙度小于2%,特别是距离煤层20 m以内的地层有效孔隙度小于1%,说明该地层具有较好的抗水性。

表皮效应对井筒内地下水流速影响数值模拟研究

通常井内的地下水流速是由单井示踪试验或Aqua Vision流速流向仪测定得来,用以计算含水层中的地下水流速。由于表皮结构的影响,导致井筒附近的地下水流场发生变化,引起井筒内的流速与含水层中的流速存在偏差。为了探究表皮效应对井筒内地下水流速的影响,利用COMSOL Multiphysics软件,建立考虑表皮效应的地下水流数值模型,系统分析表皮厚度以及渗透系数对井筒中地下水流速的影响机制,根据模拟结果进一步评估利用井筒内地下水流速换算含水层地下水达西流速已有经验公式的可靠性。结果表明:(1)井筒附近表皮区域渗透系数越大,井筒内的地下水流速越大,且利用经验公式计算的地下水达西流速相对误差均小于0.23%,具有较高可靠性;(2)表皮区域渗透系数小于含水层渗透系数时,随着表皮厚度增大,井筒内地下水流速越小,经验公式计算结果的相对误差呈现增大趋势;(3)表皮区域渗透系数大于含水层渗透系数时,随着表皮厚度增大,井筒内地下水流速增大,计算结果相对误差总体上呈现减小的趋势,但其误差波动性较大,表明在该条件下经验公式计算的稳定性较差。结果显示表皮结构对井筒内地下水流速影响较大,在实际应用中要关注表皮结构的影响。

新近系保德组沉积薄弱区红土阻水性能及其资源开发意义

关键隔水层沉积薄弱区阻水性能的深入研究对于矿井生产安全和生态水资源保护均具有重要意义。基于区域沉积特征重新优化钻孔数据,研究榆神矿区红土沉积厚度的分布规律,并探讨与红土阻水性能相关的微观工程特性和控制因素。结果表明,红土沉积厚度从西北向东南逐渐增大,并且随着河流的演化,红土分布变得极不均匀,红土缺失区面积达到48.80%。在垂直方向上通过粒径分析和渗透试验表明,红土的阻水性能随着红土沉积深度的增加而增强;在水平方向上通过微观结构和物质组成分析表明,红土的隔水性能与其沉积厚度并非简单的线性关系,随着红土沉积厚度的减小,薄弱区红土的隔水性能急剧下降。基于稳定达西流速概念计算了非完全阻水的红土薄弱区临界厚度,通过多源数据融合,得到榆神矿区红土阻水性能的分区。榆神矿区红土工程特性及阻水性能的系统研究可为红土薄弱区内矿井查清隐蔽致灾地质因素、实现关键隔水层保护及再建以及指导煤水双资源协同共采工程实践等方面提供重要的理论依据。

高强度采矿活动对地下水影响的数值模拟研究

为探究高强度采矿活动对地下水的影响,选取内蒙古神东煤矿区某井田为研究对象,该煤矿为平面上开采面积占比大、空间上开采尺寸大、时间上开采速度快为特点的高强度开采方式。在收集整理相关水文气象、勘测资料的基础上,利用GMS(Groundwater Modeling System)数值模拟软件建立符合研究区水文地质条件的地下水流模型,对研究区未来10年采动影响下的地下水水位及流场进行预测分析,并对地下水水均衡状态进行分析。研究结果表明:高强度采动对直罗组含水层的扰动影响最大,在开采盘区内形成了多个水位降落漏斗,降落漏斗中心水位下降幅度由第1年末的105 m增大到第10年末的351 m,该层地下水整体水位与径流条件均发生改变。高强度采动对志丹群含水层的扰动影响较小,仅在矿井上方局部位置水流场发生改变,10年间,采掘中心处水位由20 m下降至116 m。通过水均衡分析可知,地下水总补给量为357589.74 m^(3)/d,总排泄量为357563.62 m^(3)/d,误差为0.0073%,其中降雨入渗是研究区的主要补给来源,占比51.90%,其次为河流补给,占比45.21%;河流排泄为主要排泄方式,占比达78.24%,其次为潜水蒸发,占比9.82%,矿井排水占比4.52%。志丹群和直罗组含水层补给排泄分别占区域总均衡量的12.0%和5.7%,其中矿井排水量为直罗组含水层的主要排泄方式,占比71.3%。研究结果为保护矿区生产安全与可持续发展提供一定依据。