导水岩溶陷落柱堵水塞建造技术

以东庞矿特大陷落柱突水快速封堵工程为例,分析了陷落柱空间结构特征及突水水文地质条件,提出了对突水陷落柱进行快速截水恢复生产和注浆封堵根治水患两个阶段的治理方案。根据陷落柱的空间特征及工程地质条件,确立了分序分段注浆工艺,并且给出了不同阶段注浆工艺的控制标准;建立了注浆钻孔分序分段注浆的吸水率结束标准;提出了在井下疏放堵水塞之上的陷落柱残留水,计算补给水量,定量评价堵水效果的检验方法;采用先进的螺杆钻具定向、随钻测斜与防斜纠偏钻探工艺,使钻进方向始终处于受控状态,确保钻机按照设计参数施工。

邯邢矿区奥陶系灰岩上部注浆改造技术

注浆改造是华北型煤田下组煤开采的有效防治水技术之一。但是目前该项技术只能解决浅部上组煤问题,随着采深的增大,注浆改造煤层底板薄层灰岩含水层已不能满足安全开采条件。以东庞矿下组9号煤开采为例,分析了奥陶纪峰峰组岩溶含水层富水特征,研究了对奥陶系顶部进行注浆改造的可行性和相关技术问题,得出,对东庞矿奥灰上部进行注浆改造在技术上是可行的,合理的注浆改造厚度为40 m。试验性注浆结果表明,钻孔涌水平均堵水率达到74%,注浆效果良好,并提出了下一步防治水工作建议。

综合注浆法建造阻水墙技术

煤矿发生突水灾害后,在突水构造及其位置不明确的情况下,利用独头过水巷道的有利条件,通过灌注骨料和注浆施工建造阻水墙成为最直接、最快速有效的治理方案。论文以东庞矿2903工作面陷落柱突水灾害为例,系统介绍了综合注浆法建造阻水墙的工艺技术与方法。

钻孔雷达定向测量技术与应用

介绍了钻孔雷达定向测量技术的原理，结合实例说明资料解释方法及探测效果。

RAMAC/GPR探地雷达在机场滑行道探测中的应用

采用RAMAC／GPR探地雷达对机场跑道传力杆进行探测试验，取得了令人满意的效果，为机场工程质量检测提供了一种有效手段。

东庞矿突水陷落柱综合探查技术

东庞煤矿在2903工作面下巷掘进时突水被淹,水害治理一期工程中以封堵突水巷道、排水复矿为主,同时采用了地面钻探、三维地震、瞬变电法等综合手段,为确定突水通道为导水良好的隐伏陷落柱,不同探测手段确定的陷落柱截面积相差10倍以上;在二期陷落柱封堵工程中,在一期探查资料的基础上,以钻探资料为约束,以三维地震精细解释为重点,对陷落柱的边界重新进行了解释定位,确定了陷落柱空间形态,经过大量钻探工程验证,地质探查效果良好。

陷落柱治理注浆工程效果检查技术

对陷落柱治理注浆工程的效果检查尚无规范的技术和统一的标准,导致工程结束后无法进行正确的评价,继而影响了陷落柱周边区域进行开采活动的安全评价。论文结合具体工程实例,提出了包含注浆特征分析方法、物探方法、检查孔方法及放水试验方法在内的陷落柱治理注浆工程效果检查技术。对每种方法进行了技术说明,结合工程实例应用探讨,得出了工程效果检查结果。

雷达探测技术反应用

阐述了雷达探测技术的基本原理、探测方法和应用条件。通过几个应用实例说明了该方法在解决工程地质、水文地质问题及探测其它地质异常体、地质界面中的有效性及应用前景。

大气降水对地下水补给的影响因素分析

本文通过对一实际岩溶地下含水系统中水位动态资料与大气降水动态资料的分析，揭示了大气降水对地下水的补给特点，分析了这些特点产生的根本原因，其分析结果对于正确评价特定水文地质环境下大气降水对地下水的补给机理及补给量具有重要参考价值。

三轴应力状态下单裂隙灾水机理的实验研究

介绍了单裂隙试样在不同三轴应力状态下，其导水性能的变化规律，充填物对裂隙导水性的影响，并得出了突水判据。

煤层底板水害超前区域治理理论框架与关键技术

随着我国华北型煤田浅部煤炭资源开采殆尽,深部煤炭资源受底板灰岩岩溶水害威胁严重,常规井下直孔注浆方式存在施工位置受限、钻遇含水层孔段短、注浆盲区大、目标位置不准确等问题。为此,提出了基于顺层定向钻孔进行注浆改造的超前区域治理技术,系统研究了顺层近水平注浆孔浆液运移规律、底板水害超前注浆模式、注浆参数控制工艺、隐伏导水通道超前判识探查与注浆效果检验与评价等。通过系统研究,构建煤层底板水害超前区域治理理论框架与技术体系,具体包括5方面内容:提出煤矿底板水害超前区域治理模式分类和选择准则,概化形成适用于我国华北型煤田地质及水文地质条件的底板含水层注浆改造模式;形成隐伏导水通道水平定向钻超前判识治理技术;建立超前区域治理关键注浆参数控制工艺体系;提出了注浆全过程的多指标定性、定量效果检验与评价技术。上述研究成果在煤层底板水害超前区域治理工程中成功应用,对底板水害超前区域治理起到重要的理论和技术支撑作用,为我国华北型煤田深部煤炭资源安全开采提供保障。

地质雷达用于探测煤田自燃区的研究

在分析了用地质雷达探测煤田自燃区可行性的基础上， 提出了煤田自燃区的雷达探测方法， 结合宁夏某煤矿的探测实例， 进行了图像分析及解释。结果表明， 用地质雷达进行煤田自燃区探测是可行的。

大采深矿井地面区域治理奥灰水害关键技术研究

为安全开采邯邢矿区深部煤炭资源,提出了"区域超前治理"奥灰岩溶水害理念,开展了华北型煤田大采深高承压水安全开采成套技术研究课题;从理论上研究得出"分带分时段突破"底板突水机理;采用阻水系数法评价试采区底板隔水层承压能力;成功地研究出地面多分支近水平定向钻探关键技术;从岩石力学和水动力学阐述了裂隙含水层中水平孔注浆浆液扩散机理,并给出了孔距计算公式;对于钻遇岩溶或断裂构造状况,研究出了铺底浆液控制技术。地面区域超前治理奥灰水害成套技术在九龙矿成功应用,取得了显著技术经济与环境效果。

裂隙含水层水平孔注浆“三时段”浆液扩散机理研究及应用

邯邢矿区是典型的华北型煤田大水矿区,其深部的大采深高承压水矿井采用地面区域超前治理奥灰水害系列技术,其中多分支近水平定向钻探及注浆是实现区域超前治理水害的关键技术。此前对注浆浆液扩散机理研究很多,但都是以垂向注浆孔及水平裂隙建立水动力学与岩石力学研究模型。地面区域治理奥灰水害是水平注浆孔高压注浆,为此开展了奥灰裂隙岩体高承压水的水平注浆孔浆液扩散机理研究,提出了注浆"三时段"的划分,并给出水动力学表达式;分析了垂向裂隙面上浆液圆环扩散形态;建立了垂向裂隙中浆水分区水动力学模型,推导出浆液扩散半径与注浆压力间关系;在有可注性差的上边界条件下,对浆液扩散形变问题给出数值模拟方法;为水平孔注浆初设及注浆参数优化提供了理论和技术指导,在邯邢矿区应用效果明显。

华北型煤田底板灰岩含水层超前区域治理模式与选择准则

为建立系统的超前区域水害探查治理技术体系,分析概括我国石炭–二叠纪煤田煤层赋存及水文地质条件,从水害治理工程的系统性出发,围绕我国煤层底板水害超前区域治理工程施工过程中钻孔施工条件、层位选取、钻进工艺3个主要因素,概化形成适用于我国华北型煤田地质及水文地质条件的底板含水层注浆改造模式。综合考虑煤层埋深、煤层底板承受水压、底板岩层结构组合等判识指标,确定了各类治理模式的选择准则;结合钻孔布设、注浆材料2项指标,进一步划分出超前区域治理亚类模式。以淮北矿区、韩城矿区2个典型超前区域治理工程实践为例,分析了各区域治理模式的选取原则及工程应用效果。研究成果对指导我国煤层底板含水层超前区域治理工程模式选择与底板注浆工程实施具有重要理论指导作用。

矿井导水构造三维精细模型构建与转换技术

为了解决矿井导水构造精细刻画与三维地质模型灵活继承中存在的陷落柱内部岩石结构刻画不精细、多源数据融合不准确等技术问题,开展了矿井导水构造多源数据融合实体模型构建方法、精细模型构建过程与模型转换系统开发等方面的研究。基于数据融合分布式结构理论,采用地质数据耦合、实体模型耦合和构建模式耦合3个层次的耦合策略,建立一套水文地质勘探多源数据融合为三维地质实体模型的构建方法,通过多源异构地质数据标准化预处理、跟踪与分类、数据配准、关联与融合等4个关键步骤,构建矿井导水构造多源数据融合实体模型。在地质统计学研究的基础上,以陷落柱为例,提出"矿井精细导水构造模型"与"广域概略模型"的基本概念,同时构建了陷落柱广域概念模型与精细模型。根据SURPAC和FLAC3D 2种三维模型的属性与数据结构特点,提出了矿井导水构造SURPAC和FLAC3D模型转换方法,利用JAVA语言和TCL语言研发了SURPAC-FLAC3D模型转换系统,该系统同时支持本地、网络操作与多用户多台机器的远程控制,最终实现了导水构造实体耦合模型转换为FLAC3D计算模型的目标,为矿山地质条件精细勘查与融合构建、矿山水害精准预测与防治提供技术支撑。

基于水化学和氢氧同位素特征的小屯煤矿充水条件研究

充分辨识小屯煤矿充水条件是矿区防排水工作布置的关键。在梳理矿区水文地质结构的基础上,利用水化学和氢氧同位素方法分析了矿区不同含水层地下水的化学类型与水化学组成特征,辨识了不同含水层地下水与矿井水之间的水力联系,探讨矿井可能的充水来源。结果表明:以三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙含水层为代表的地下水主要表现为以HCO_(3)^(-)、Ca^(2+)为主要水化学组成,水化学类型为HCO_(3)-Ca型,且地下水中NO-3浓度偏高、较为富集重同位素,而矿井水表现为高浓度SO_(4)^(2-)、Na^(+)、TDS等水化学组成特征,水化学类型为SO_(4)·HCO_(3)-Na型,且矿井水中NO_(3)^(-)浓度普遍偏低、氢氧同位素组成偏轻,与二叠系长兴-大隆组、龙潭组等裂隙水水化学和氢氧同位素组成近似;小屯煤矿仍主要以二叠系长兴-大隆组、龙潭组等为主要充水含水层,两者之间水力联系密切,而局部通道可能受到上覆三叠系夜郎组玉龙山段岩溶裂隙水的影响。

基于定向水平钻陷落柱综合探查与阻水塞立体建造技术

导水陷落柱导致的底板奥灰突水是同煤集团塔山矿的主要水害威胁,矿井8228工作面巷道掘进过程中曾发生陷落柱突水。为查明此导水陷落柱发育边界及其内部充填破碎体分布特征,并对陷落柱进行针对性注浆治理,在井上下综合物探勘探的基础上,采用分层多分支地面定向水平钻钻速录井、钻井液漏失量、岩屑录井、随钻测井等综合探查技术手段,结合数据统计分析,查明导水陷落柱的发育边界、影响带范围和破碎体胶结情况及其分布特征。结果表明,导水陷落柱的长短轴分别为410、200 m,破碎区主要分布在靠近工作面突水巷道运输巷掘进工作面右前方。利用Surpac软件对陷落柱空间结构和发育特征进行三维地质建模,并根据柱体充填物破碎程度将其刻画分区为主通道区、裂隙区和次生裂隙区。针对陷落柱破碎体不同分区,利用定向水平钻进控制技术和阻水塞立体建造注浆工艺分区控制技术,通过充填、挤密、劈裂等不同注浆工艺,对工作面导水陷落柱进行截源、加固等综合治理,最终实现工作面安全回采。定向水平钻分层多分支陷落柱综合探查与治理技术为其他类似工程提供重要的借鉴意义。

奥灰承压水上采场底板沿工作面倾向破坏特征分析

准确预测承压水上采场底板最大破坏深度是预防煤矿底板突水的一个重要环节。为研究沿工作面倾向底板破坏特征的问题,基于矿山压力与岩层控制理论,考虑了采场底板受采动产生的支承压力、采空区压实后对底板的作用力以及承压水的共同作用,建立承压水上采场底板倾向力学计算模型,采用带有拉伸破坏的Mohr-Coulomb屈服准则对采场底板破坏进行判定。结果表明:周期来压时,采场底板沿工作面倾向破坏形态近似“倒马鞍形”,且最大破坏深度为12 m;工作面两侧底板破坏深度较大,采空区底板破坏深度较小。数值模拟计算结果表明:靠近工作面边缘弹塑性交界处底板最大破坏深度为13 m,破坏形式主要为剪切破坏;位于采空区卸压区段,采场底板破坏深度较小,破坏形式主要为剪切破坏及拉伸破坏。这与通过理论分析得到的承压水上采场底板破坏特征几乎一致。通过现场实测得到董家河煤矿22516工作面底板最大破坏深度为13.52 m,这与理论分析得到的12 m和数值模拟计算得到的13 m相比结果非常接近,验证了理论模型建立的合理性以及数值模拟分析的正确性。研究方法为分析承压水上采场底板破坏特征提供了新参考。

邯邢矿区中奥灰顶部空隙特征显微CT分析

利用X射线三维显微镜(显微CT)技术对邯邢矿区底板区域改造地层中奥陶系灰岩顶部岩样进行扫描分析,得到岩样的三维数据体,直观反映了岩样内部真实的空隙结构,并基于三维可视化处理软件AVIZO对数据进行了处理和分析,定量分析了空隙发育特征和几何参数。研究结果表明:邯邢矿区中奥灰顶部岩芯空隙发育特征垂向差异明显,局部较为发育部分表现出良好的垂向连通性,且面空隙率集中在0.40%~5.12%和6.8%~15.28%,不发育部分稳定在0.10%以下;不同煤矿中奥灰顶部岩芯空隙的峰值宽度差异明显,但稳定范围差异较小;孔隙数量以等效直径在200μm以下的为主,体积占比以等效直径在2000μm以上的为主;裂隙中闭合裂隙和微张裂隙数量占比最大,宽度均值分别稳定在120μm和420μm,且中张裂隙和宽张裂隙数量占比相对较少,但在岩样具有较好延展性。研究结果有利于中奥灰顶部超前区域注浆改造参数和工艺优化。