灰岩防治水的示踪试验方法研究

为探查潘北矿C3Ⅰ组灰岩含水层与奥灰含水层之间的水力联系,以及F1,DF1断层的导、阻水性,用KI为示踪剂,开展示踪试验.结果表明,井田内奥灰水仅与C33下存在局部水力联系,与C13,C23灰岩含水层间无水力联系.在试验范围内,奥灰水通过不同尺度的通道对C33下含水层进行补给;露头灰岩区中F1,DF1均为导水断层,为A组煤层在开采过程中对底板灰岩水防治提供了科学依据.

潘北井田地质构造发育规律分析

通过对潘北井田勘探、建井及采掘生产以来的地质构造资料进行整理、统计分析，井田内构造以断裂为主，大断层对小构造起主导控制作用，表现出明显的方向性、成组性和伴生性等特点，结合区域构造地质研究成果，分析了井田内构造的空间展布形态与形成机制，总结了构造发育规律。

陕北侏罗系砂岩宏观−微观特征及其富水性响应机制

砂岩含水层富水性是矿井防治水的基础,随着陕北侏罗纪煤田煤炭资源逐步开发,侏罗系砂岩含水层富水性研究对保障矿井安全高效开采意义重大,但其非均质性如何影响富水性,即影响机制尚不明确。以大海则煤矿为研究区,通过沉积相划分与38块典型岩样铸体薄片图像分析、压汞、核磁共振等实验室测试,结合钻孔抽水试验成果,研究侏罗系直罗组、延安组沉积相、微观孔隙结构及其与富水性之间的关系,揭示了砂岩微观孔隙结构与富水性的响应机制。研究结果表明:大海则煤矿直罗组下段主要发育河流沉积体系河流砂坝和河漫滩沉积微相,延安组三段主要发育三角洲沉积体系分流河道和分流间湾沉积微相,河流沉积体系普遍较三角洲沉积体系含水层富水性强,以粗砂岩、中砂岩为主的河道砂坝富水性相较以中砂岩、细砂岩为主的河漫滩富水性强,砂岩厚度、砂地比较大的分流河道较砂岩厚度、砂地比较小的分流间湾富水性大;根据砂岩物性、孔隙分布、连通性等将侏罗系砂岩微观孔隙结构划分为大孔粗喉型(Ⅰ类)、中孔−中−细喉型(Ⅱ类)、小孔细喉型(Ⅲ类)、小−微孔−微细喉型(Ⅳ类)4种类型,孔隙结构由Ⅰ类到Ⅳ类依次变差,富水性依次变弱;砂岩宏观沉积相与微观孔隙结构共同表征含水层富水程度。研究结果为砂岩含水层特征研究及其富水性科学预测提供了一种新思路,为矿井防治水提供了理论依据。

基于沉积控压规律的鄂尔多斯盆地中深部矿井冲击危险性分区评价

为解决鄂尔多斯盆地北部深埋煤层开采普遍面临的冲击地压问题,在煤层覆岩沉积地质特征研究基础上,以M煤矿为例,分析了微震事件的平面展布规律及其与沉积地质环境、主关键层厚度、主关键层与煤层间距、煤层厚度、岩心采取率之间的关联性,结果表明沉积地质条件是影响微震事件的重要因素。利用灰色关联度法对影响冲击危险性的5个主控因素进行了影响程度排序,采用层次分析法确定了各因素的权重值,在ArcGIS平台上建立了各主控因素专题图,构建了冲击危险性评价模型,对矿井的冲击危险性进行了分区评价,并与工作面开采过程中微震事件实际观测数据进行了对比验证,结果表明分区评价结果与实际观测结果吻合程度较高,证明了基于沉积地质条件分析的冲击地压危险性评价结果的正确性。研究结果可为矿井冲击地压防治工作提供一种新的参考方法。

基于改进局部变权理论的底板突水脆弱性评价方法研究

为更加科学地解决煤层底板突水预测评价难题,首先系统全面地查阅、比较了以往底板突水危险性评价理论与方法,并深入细致地分析了目前最为先进的基于局部变权理论的底板突水脆弱性评价方法,结果认为该方法在局部状态变权函数的构建、变权区间及调权参数的确定中依据不够充分,存在一定改进的空间;为此,基于现有理论与认识构建出了新型的三区间局部状态变权函数,将常权权重与常权相关系数加入到状态变权函数中,给出了基于主控因素归一值累积频率的变权区间阈值确定新方法,并采用在初步给定经验值的基础上根据评价结果不断调整确定调权参数最终取值的方法;其次,利用新型的三区间变权模型及其参数确定方法对研究区底板奥灰突水脆弱性进行了评价,圈定了相对脆弱区;最后,分析了改进后的变权模型的权重调整规律,并通过灵敏度分析的方法确定了常权相关系数的限定条件,结果表明,加入常权权重与常权相关系数的新型三区间变权模型不仅体现了现有变权模型权重随因素状态值及其组合状态的变化而改变的核心特征,还能够实现权重调整程度与常权权重呈正相关关系,说明本次对变权脆弱性评价模型的改进是科学的、可行的,研究成果对提升底板突水预测评价方法的科学性与实用性具有重要意义。

西湾露天煤矿剥采边帮涌水超前治理技术研究与应用

为有效治理露天煤矿剥采面临的边帮涌水水害问题,以西湾露天煤矿边帮涌水治理为工程背景,通过抽水试验法和瞬变电磁法确定风化基岩和烧变岩地层为受注地层;利用钻孔电视成像仪对治理地层裂隙发育情况进行了探查,根据裂隙发育特征和露天煤矿爆破剥采方式综合确定了帷幕墙设计参数和超前预注浆施工工艺。结果表明:超前注浆治理工程实施后,受注地层透水率降为1.95~6.11 Lu,对应渗透系数小于0.0001 cm/s,矿坑东侧抽排水量基本稳定在10884 m^(3)/d,治理范围内仅1处出水点较前期堵水阶段减水率达92.12%,说明超前预注浆治理技术构建帷幕墙能够大幅增加浆液留存率,可对裂隙进行有效充填,阻隔地下水在边帮涌出。

溃水溃沙多源信息评价与生产布局优化研究

针对我国现阶段煤矿溃水溃沙灾害预测评价方法单一、防治手段被动等问题,以薄基岩、厚松散层矿井为研究对象,从影响溃水溃沙致灾的主控因素出发,提出了以“沙层厚度、基采比、溃沙裂缝带发育高度、基岩风化指数、单位涌水量、饱水沙层厚度、渗透系数、采动影响指数”为指标的溃水溃沙危险性多源信息分区方法,建立了“区域转局部、高位截流接续”的超前生产布局优化模式,研究成果在神东矿区隆德煤矿成功应用,提高了煤矿溃水溃沙预警评价的精准度,为超前主动解决溃水溃沙问题提供了新理念。

矿山地质构造对煤层顶板的影响小议

通过对潘北矿的地质条件和煤层顶板条件分析,得出了影响煤层顶板稳定性的因素及煤巷冒落的原因,阐述了煤矿生产中地质构造对煤层顶板的影响,并针对其情况提出了相关的建议。

基于电位分析的潘北矿-580m水平灰岩含水层连通试验研究

为探查潘北矿-580 m水平C3Ⅰ组灰岩含水层水力联系状况,以及其主要断层DF13的导、阻水性,采用基于电位分析的连通试验方法,通过在地表长观孔投入碘化钾示踪剂,在井下-580 m放水大巷放水孔采集水样,监测水样的电位值随时间变化特征来判断示踪剂接收情况。研究查明了C3Ⅰ组灰岩水的运动特征和运移通道,包括流向、平均流速等。

确定含水层给水度新方法

给水度是矿井水文地质中的重要参数。对影响给水度的因素进行了综合分析,对给水度研究方法予以评价,结合试验研究,提出了一种更适合煤矿的测定含水层在天然状态下给水度的方法。

厚松散薄基岩区开采突水溃沙危险性分析

随着榆神府矿区浅埋煤层开采强度的逐步加大,矿井突水溃沙事故时有发生。突水溃沙灾害的发生往往具有突发性、灾难性的特点,对于突水溃沙的预测预判是防止灾害发生的关键。针对该区域存在的厚松散沙层、薄基岩开采的地质背景,以神东矿区某煤矿为例,在综合考虑突水溃沙内在机理的基础上,从形成突水溃沙灾害必须具备的4个要素出发,对某煤矿东部区开采突水溃沙危险性进行分析。结果表明,该区域存在突水溃沙的可能性,为矿井下一步防治水沙溃涌工作提供依据,以保证矿井安全。

黏土水泥浆水化固结微观特征研究

通过注浆堵水方式来治理陕北地区露天煤矿水害问题,以提高注浆堵水效果,对黏土水泥浆固结体的水化过程和固结机理进行研究。采用X射线衍射试验和扫描电镜试验相结合的方法,探究不同浆液配比与不同养护龄期的水化产物含量和固结体的微观形貌特征。结果表明:浆液的水化产物主要有水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石以及还没完全水化的石英SiO 2,随着水化反应的进行,C-S-H和钙矾石等凝胶物质含量逐渐增加,固结体强度增强;黏土多有利于固结体生成更多的凝胶团,加强结构的抗渗性;水泥加量过少,生成的硅酸钙等胶体微粒不足,大量黏土颗粒不能有效生成凝胶物质参与固化反应,导致固结体强度不足;随着水固比的增加,固结体的孔隙也相应变少变小;在黏土水泥浆水化期间生成了大量黏土-水泥球凝胶团以及C-S-H凝胶,黏土-水泥球凝胶团之间相互吸附、连接成片,同时C-S-H对裂隙进行填充并连接成网。黏土水泥浆液水固比1.5∶1,水泥加量为20%~40%时,浆液固结体的阻水效果优异,可为工程实践提供参考。

华昱矿区矿井水水质评价及零排放资源化利用

针对华昱矿区面临的生产、生活用水匮乏,水资源复用率低,严重制约矿区可持续发展的问题,提出将矿井水资源纳入区域水资源进行统一配置利用是解决该问题的关键。通过对五家沟煤矿、元宝湾煤矿和南阳坡煤矿22组矿井水水样进行水质分析,确定了区内矿井水的水质类型,将总硬度、氟化物、硫酸盐、亚硝酸盐、总铁和矿化度作为评价指标,构建水质评价模糊综合矩阵对区内矿井水水质进行评价。根据区内煤矿自身涌水和生产用水的实际情况,提出了“多井联动调配+井上下协同净化+分质供水+梯级利用+全复用”的水处理新模式。结果表明,区内矿井水为含悬浮物和高矿化度矿井水,矿井水水质级别为Ⅴ级,水质极差水样有20组,该类水样占比为90.90%,经深度处理后产水水质均达到了《地下水质量标准》(GB/T14848—2017)中的Ⅰ类标准,水资源利用新模式实施后,满足了各矿井不同用水的供水需求,实现了煤矿间的多井联动调配和零排放。

动水条件下递增开放式涌水通道高效治理技术

陕西榆神矿区西湾露天煤矿东端帮一条爆破扩张裂隙沟通矿坑外侧烧变岩含水体,形成长度大于65 m的递增开放式涌水通道,水量稳定在400 m^(3)/h左右,流速高达0.36 m/s,导致该矿面临生态、环保、经济、安全等一系列问题。为尽快封堵该涌水通道,化解以上问题,综合考量环保、工期、成本及施工条件等,针对裂隙主通道位置的确定提出逐步加密布置钻孔的快速探查方法,针对动水条件下递增开放式涌水通道常规灌注方案骨料留存率极低的问题,提出新型骨料充填技术。采用上述方法,成功探查出2个与主涌水通道连通的钻孔,明确通道位置;治理时,先在通道外端口布设“骨料拦阻网”,再采用镁渣核和钙质结核搭配,提高骨料留存率,实现通道的快速充填,经双液浆加固,水量剩余6.6 m^(3)/h,仅用6 d即成功封堵该涌水通道。结果表明,本次提出的爆破裂隙探查方法和递增开放式涌水通道封堵方案科学、高效,该成功案例可为类似条件下涌水通道的探查与治理提供参考。

露天煤矿边帮烧变岩含水层黏土基帷幕墙注浆建造技术

为了减少边帮涌水对剥采作业的影响,降低矿坑排水作业对生态环境的损害,提出采用经济环保的黏土-水泥浆构筑黏土基柔性帷幕隔水墙,阻断烧变岩水及地表水进入矿坑的通道。以矿坑剥离的黏土为原料,通过现场试验获得黏土-水泥浆液配比,作为建造帷幕隔水墙的注浆材料。帷幕墙建造完成后,矿坑排水量降幅89.82%,帷幕墙内外侧水位变化明显,矿坑周边植被得以较好恢复,与水泥-粉煤灰浆液方案相比,注浆材料费用节约近88万元。工程实践表明,黏土基帷幕墙阻水性能良好,经济效益突出,生态效益明显,实现了保水开采。

深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术

为解决目前蒙陕矿区深部侏罗系矿井采后采场落地水量大、煤水混杂,以及上部煤层距离强含水层较近,无法安全掘进与回采等一系列问题,提出了深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术。应用沉积控水规律,分析了含(隔)水层在平面与剖面的空间展布规律与含水层富水性分布规律,在此基础上,针对煤层厚度变化较大、顶板含(隔)水层交互成层的特征,通过构建含有沉积环境影响指数、砂岩厚度、岩芯采取率、单位涌水量、渗透系数与导水裂隙带发育高度6个指标在内的评价指标体系,提出了符合深部侏罗系矿井水文地质特征的矿井涌(突)水风险分区评价方法,进而根据“断源截流、集中疏排、源头预防、超前治理”的防治水思路,提出了“上行开采低位截流”、“工作面单侧截流”、“工作面双侧截流”与“工作面方向调整截流”4种地下水截流治理模式,最后以蒙陕矿区的门克庆矿井和母杜柴登矿井进行实例分析。应用结果表明:①直罗组一段砂岩含水层主要为河道相沉积,砂体的空间连续性较好,是深部侏罗系矿井的主要充水含水层;②门克庆矿井首采区3 -1 煤顶板涌(突)水危险区主要分布在研究区的南部,呈东西向条带状展布,与实际情况较为吻合;③根据门克庆矿井首采区涌(突)水危险性分布规律,应用了“工作面单侧截流”与“上行开采低位截流”两种治理模式并分析了其在实际工程中的应用效果。深部侏罗系矿井水害防治作为一个复杂的系统工程,以源头防控为重点的系统防治技术体系仍是深部侏罗系矿井水害防治需要重点攻关的研究方向。

化工固废井下充填对地下水环境的影响研究

为了研究化工固废井下充填污染物对地下水环境的影响问题,以葫芦素矿井为研究对象,利用Modflow软件建立研究区数值模型,并对其进行识别验证,基于数值模型的基础上,耦合溶质运移模型,对化工固废井下充填污染物运移规律进行模拟预测。结果表明:锅炉细灰浸出液污染物仅在2-1煤层有超标现象,且充填区外最大超标距离为14.31 m,不会造成矿井水的二次污染。鉴于安全保证,建议留设30 m保护煤柱进行充填;化工固废井下充填,可以缓解土地占用问题,减少环境的污染,实现废弃物的再利用,节约成本。

纳林河二号煤矿涌水水源判别的PCA-Logistic方法

纳林河二号煤矿作为纳林河矿区的第一对大型矿井,生产初期由于其自身复杂的水文地质条件和采掘的强扰动,导致涌水事件时有发生,给矿井的安全生产造成严重威胁,快速有效地找到涌水水源是防治矿井水害的关键。通过对纳林河二号煤矿主要含水层及采空区水样进行水质分析并绘制Piper三线图,揭示矿区各含水层地下水及采空区水的水化学特征,统计Ca^2+、Mg^2+、Na^++K^+、HCO3^-、Cl^-、SO4^2-、pH和矿化度8个指标作为水源判别的原始数据,经主成分分析法(PCA)处理得到4个主成分F1、F2、F3和F4;将4个主成分的值作为Logistic回归模型的判别指标,建立纳林河矿区涌水水源判别模型;以36组标准水样作为训练样本,发现模型回代准确率为97.22%,再利用建立的模型对4组待判水样进行判别,结果与实际分析相符。研究结果表明:主成分分析和无序多分类Logistic回归方法相结合的涌水水源判别模型能够有效消除样本原始数据间的冗余信息,使涌水水源判别结果更加快速准确,可为矿井防治水工作提供决策和依据。

矿井涌水量预测方法的改进及结果准确性判定

针对当前矿井涌水量(包括正常涌水量、最大涌水量)、疏放水量概念认识模糊、界定不清,涌水量预测结果与实际水量差距较大、难以精细化以及预测结果准确性判定存在歧义的问题,综合当前各类规范以及相关研究成果,提出了矿井涌水量的3重属性特征:统计属性、水文属性和生产属性。在此基础之上,探讨了矿井涌水量的基本定义,将矿井涌水量概化为充水水源与充水通道综合作用的结果,重点结合充水通道的动态变化特征以及含水层与采动空间之间的补给关系,阐述了"大井法"预测过程中的精细水量构成以及计算方法,提出了利用"同频率放大法"改进水文地质比拟法,得到涌水量预测动态曲线的过程;将时间序列分析和水文地质比拟相结合提高预测步长(即预测周期),增强时间序列分析法的适用性。比较了矿井正常涌水量、最大涌水量与预测正常涌水量、最大涌水量在各类规范、文献中的定义与煤矿防治水实践过程中的统计差异,总结了对涌水量预测结果认识存在分歧、忽视了涌水量预测的技术条件是当前矿井涌水量预测结果准确性判定存在的主要问题;论述了矿井涌水量预测结果准确性判定的绝对差值法和相对差值法2类基本判定方法,并以涌水量预测的主要功能为导向,提出了涌水量准确性判定的经济型、安全型、偏离型的分级标准,通过对比分析说明了2类方法的优缺点;提出在矿井涌水量准确性判断的实际应用过程中应当综结合2类方法进行综合判定的技术思路。通过统一技术背景,可实现矿井涌水量的预测、实际涌水量的统计、预测结果准确性判定在技术上的全过程闭环,进一步完善矿井水害防治的技术体系。

基于充水条件比拟的工作面涌水量预计方法

针对蒙陕矿区纳林河二号矿井水文地质条件复杂、防排水系统布设困难等问题,开展了工作面涌水量预计方法研究。在对矿井31121工作面充水水源、充水通道和充水强度深入分析研究的基础上,分别采用大井法、单宽流量法和水文地质综合比拟法对工作面涌水量进行了动态预计,并对各方法和预计结果进行了对比研究。结果表明:水文地质综合比拟法的涌水量预计结果较为准确,可作为该工作面防排水系统建设的依据,以保障工作面安全回采。