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。

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。

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。

TEMPERING RESPONSE OF A DEFORMED LOW CARBON DUAL PHASE STRUCTURE

The low carbon dual phase structure was cold de formed first,then was tempered at 200 to 600℃.The variation in strength and ductility during tempering of the steel was investigated.It was found that a fter the de formed dual phase structure was tempered at 200 to 600℃, with the increase in the tempering temperature the tensile strength decreases rapidly;the lotal elongation remains constant at 200 to 500℃ but began to rise dramatically at a critical temperature between 500 and 600℃.However,when the non-deformed dual phase structure was tempered at the same temperature range,the tensile strength decreases and the total elongation increases continuously with the increase of temperature.It was demonstrated from TEM analysis that precipitating carbides density along the boundaries ofmartensite lath and the recrystallized grains are responsible for the tempering response ofthe de formed dual phase structure.

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。