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。

煤矿老空水防治技术分析与实施

贵州地区煤矿主要灾害就是瓦斯和水害。矿井老空水是造成水害事故的主要因素,具有较强的破坏性。贵平煤矿主要受老空水的威胁,因此老空水的治理成为矿井的首要任务。贵平煤矿为有效防治水害事故的发生,对矿井水害展开了深入研究分析,查明老空水的赋存变化情况,制定针对性的防治技术措施。坚持地表防治,井下治理相结合的防治水原则,采取了一系列的应对措施,有效预防了水害事故的发生,消除了老空水害隐患,保证了矿井的安全生产,为今后老空水治理奠定了基础。

基于微震监测技术的煤矿顶板水害预测

以亭南煤矿307工作面为工程背景,通过模拟分析导水断裂隙带高度来验证微震监测数据实时监测导水断裂带高度的可靠性,并利用数理统计方法分析了微震事件与顶板涌水量的关系。研究结果表明:307工作面在不同推进距离条件下,微震事件集中分布于覆岩破坏严重区,能够反映覆岩破坏情况及导水裂隙带发育高度;工作面回采数值模拟结果与微震监测事件变化规律基本一致,导水裂隙带高度发育特点为“前期增长快,中期增长慢,后期达到平衡”;307工作面微震监测数据事件数与同时间段内的涌水量相关性显著,涌水事件和微震事件的发生具有特定的滞后效应,采用合适的滞后微震数据做预测能更好地提高涌水量预测准确度。

GA-BP和PSO-BP预测模型在九龙矿煤层底板突水预测中的应用研究

目前,煤层开采环境复杂,随着开采深度、开采强度的增加,面临多变的突水因素和复杂的突水机理,且各因素间相互联系的不确定性,使底板突水预测的难度不断增加。对GA-BP与PSO-BP两种组合优化方法进行描述、对比。两种组合优化方法克服了神经网络容易收敛到局部最小值,以及收敛速度慢的缺点,对煤层底板突水都能实现较高精度,具有强大的泛化能力。通过对两种组合优化方法的预测模型做对比,发现GA-BP模型更优于PSO-BP模型,证明GA-BP组合优化方法更适合对底板突水危险性进行预测。

面向不同时空的煤矿工作面底板微震突水预警方法

针对煤矿工作面底板突水灾害的预警难题,提出了1种基于微震监测的不同时空预警方法,解决了传统预警无法全面覆盖工作面不同时空的问题。基于1108工作面的钻孔及微震数据,采用2D-CE(Two-Dimensional Cumulative Energy,二维累积能量)法与核密度分析提升矿井预警精度。结果表明,在超前采动时期,超前支承应力影响低阻区,微震频率高但能量小,微震椭圆倾斜角度增至8.5°,且已穿透L8含水层,但与L2含水层保持距离。该预警方法提高了突水预测的精度,可为类似矿区的水害防治提供借鉴。

基于LC-SSA-BP神经网络模型的煤层导水断裂带高度预测

针对煤层导水断裂带高度预测精度较低、参数优化比较困难的问题,提出了一种基于Logistic混沌映射改进的麻雀搜索算法优化BP神经网络模型(LC-SSA-BP)的煤层导高的预测方法,与传统的BP神经网络模型相比,该方法收敛快、稳定性高;通过对BP神经网络的权值和阈值进行优化,提高了群体的搜索能力从而增加寻优性,使得预测性能达到最优;选择开采深度、开采厚度、覆岩结构、工作面斜长、煤层倾角作为水断裂带高度的主控因素,选取39组训练样本和4组测试样本数据,建立了LC-SSA-BP神经网络预测模型,并与BP神经网络算法进行了对比。结果表明:BP神经网络与LC-SSA-BP神经网络的最大相对误差分别为30.77%和9.05%,LC-SSA-BP神经网络的预测精度更高;应用该模型预测曙光煤矿90301工作面导水断裂带高度预测为51.6 m,与工程验证结果相比的误差值为5.1%。

顶板型老空突水模式及导水通道演化机理研究

煤矿顶板型老空水害具有很强的冲击力和破坏力,研究老空区水体下覆岩突水通道的演化规律对老空水害防治具有重要意义。以山西某矿8446工作面老空突水事故为例,采用相似模拟与数值模拟方法,探究煤层顶板覆岩结构破坏与水力学之间的耦合规律,揭示了突水通道形态演化机理。研究结果表明:顶板老空突水过程经历了初始渗流阶段、裂隙渗流阶段、管道流突水阶段;初始渗流较应力峰值显现时滞后约3 m,水流沿采动裂隙向下运移平均渗流速度为4.056 m/d,滞后性和渗流速度可作为突水事故关键预警信息;通过流固耦合数值模型的模拟,突水通道位于矩形梯台压实区的四周,与现场实际突水位置基本一致。

济源二矿23101孤岛工作面上方水体探测及裂隙预测

23101孤岛工作面的上方和相邻采空区积水量及范围难以确定,为确保23101孤岛工作面顺利开采,避免发生突水事故,采用地面瞬变电磁法对工作面上方和相邻采空区可能积水范围进行勘查,并结合工作面开采前后导水裂隙带发展的理论预测模型,得出主要结论。瞬变电磁结果显示,23101孤岛工作面上方存在7个低阻异常区,其中,低阻异常区1、低阻异常区2、低阻异常区5、低阻异常区7对工作面的回采有直接影响。23101孤岛工作面回采前后导水裂隙带理论预测模型结果表明,导水裂隙带的发育有极大的可能导通低阻异常区,有透水风险,回采前需要对异常区进行钻探验证或超前防水作业,保证工作面的安全回采。

长距离定向钻探技术在采空区积水探放中的应用

以晋圣坡底煤业3106工作面、3107工作面为例,对掘进煤层顶底板特征及含水层富水性展开探查,并应用长距离定向钻探技术对采空区积水情况进行了超前探查,对积水区展开分析,结合钻孔涌水量衰减趋势进行了采空区顶板含水层水力联系的构建与分析。结果表明,长距离定向钻探技术能更为精准地锁定巷道顶板含水层异常富水区、巷道前方的采空积水区,并能准确得出含水层域采空区的水力联系特征,还能有效阻截含水层内地下水持续向巷道渗流的过程,取得了显著的水害防治效果。

基于瞬变电磁法工作面顶板富水区探测及三维成像研究

矿井隐蔽水害源识别是保证矿井防治水工作的重中之重。通过瞬变电磁技术,对某矿工作面顶板进行探测,并利用三维成像技术,对潜在异常区域进行圈定。经过后期揭露进行对比分析,所圈定的异常区域均具有潜在水害危险性,说明利用瞬变电磁法加以有效数据处理,能有效指导工作面防治水工作。

瞬变电磁法与激发极化法探测采空区积水试验

宝欣煤矿对3105工作面采空区进行了瞬变电磁法与激发极化法的联合物探勘查试验。瞬变电磁物探采用V-8多功能电法进行勘查,结果显示2#、3#煤层底板界面拟视电阻率等值线存在明显的下凹趋势,拟视电阻率低于80Ω·m。之后选取了两个测点采用激发极化法进行验证,结果与瞬变电磁法勘探结果吻合。

综采导水裂隙带多因素影响指标研究与高度预计

在分析了导水裂隙带发育高度受多种因素影响的前提下,提出了新的参数指标即硬岩岩性比例系数,代替顶板岩层单轴抗压强度,避免了现行规范中坚硬、中硬、软弱、极软弱顶板类型划分时单轴抗压强度统计不确定问题,以及未反映顶板软硬岩层组合结构问题。以39例综采导水裂隙带实测数据为基础,采用多元回归分析,得到综采导水裂隙带高度与煤层采高、硬岩岩性系数、工作面斜长、采深、开采推进速度多因素之间的非线性统计关系式,并用于淮南谢桥矿首采面的导水裂隙带高度预计。

矿井高压裂隙涌水综合治理方法的现场试验

结合山东菏泽龙固煤矿辅二运输巷道顶板涌水的现场工程条件,提出了高压裂隙涌水的综合治理方法。该方法以深部集中引排、浅部注浆封堵为治理思路,将地质分析、综合探测、现场连通试验和实时监测等技术手段有机地结合为一体。其中地质分析可初步判断地层构造及水源补充,综合物理探测技术可有效寻找含水层及过水通道,通过连通试验分析水源连通情况,优选注浆材料,运用实时监测技术掌握围岩变形、控制注浆参数。将该方法应用于龙固煤矿辅二巷道高压涌水治理的现场试验中,不仅成功封堵了巷道涌水,为矿方每年节约近千万元抽排费用,而且对注浆施工期间的安全控制有显著效果。

可拓识别方法在矿井突水水源判别中的应用

为了快速判别矿井突水水源,进而为防治矿井水害服务,以水质指标为判别因子,应用可拓识别方法,建立了谢桥矿井突水水源判别模型,改进了该方法中经典域的形式,提出以各指标的统计值F来量化各指标的识别能力,并作为确定权重的依据.将结果与模糊综合法、灰色关联度法、Bayes逐步判别分析法分别进行比较,其正确率略高于前两者,与Bayes逐步分析法判别结果相同.

椭圆形陷落柱厚壁筒突水模式力学判据及数值模拟

有效地预测、预防岩溶陷落柱突水,运用复变函数、弹塑性力学,推导了椭圆形截面陷落柱"厚壁筒"力学模型突水模式的临界判据方程,并通过有限元软件验证了陷落柱受到均布力作用时,应力分布的解析解。研究表明:椭圆形截面陷落柱在受到以陷落柱柱体为导水通道的均布力作用下,厚壁椭圆筒的应力从椭圆筒的内壁到外壁逐渐变化,在椭圆筒内壁的长半轴的两个端点处应力取得最大值,在椭圆筒的短半轴处的应力取得最小值。

断层突水机理分析

根据煤层底板的层状结构特征，建立了分析底板突水的关键层（ＫＳ）结构模型．根据断层性质，断层可以划分为张开型断层和闭合型断层．张开型断层的突水机理是断层两盘的关键层在水压作用下产生了过大的张开位移，并且在断层张开的同时，承压水对断层带进行渗透冲刷；闭合型断层的突水机理是断层两盘的关键层或关键层的接触部产生了强度破坏．

薄基岩采动裂缝水砂流运移过程的模拟试验

在分析厚松散层薄基岩下开采水砂突涌工程地质模式的基础上,设计自制了水砂混合流运移及突涌模型。试验以0.05 MPa和0.10 MPa水压力条件下的不同水砂混合物成分、不同通道裂缝宽度为例,揭示了孔隙水压力在裂缝通道中不同位置的变化特征。通过设置的模型试验,定量化地研究水砂混合物运移及涌出的多种地质信息,获得不同模型试验水砂混合流运移通道中不同位置监测的水压力变化曲线,同时分析裂缝通道水砂流速度与通道宽度的关系,观测水砂流通道溢出口出砂量与时间的变化关系。

基于地学信息复合叠置分析对煤层底板突水的预测

分析了影响矿井承压突水的影响因素,介绍了多源地学信息复合叠置法原理,并建立了突水预测流程,以此为基础借助于地理信息系统(GIS)空间分析工具,对地质构造、含水层富水性及渗透性、水压、隔水层厚度等因素进行了科学的量化,利用多因素地学信息空间复合叠置方法,建立了太原东山煤矿矿井承压水的预测模式.在此基础上,利用Spatial analyst工具获得突水指数,获取了东山煤矿15号煤层的突水判别模式,以4个突水主要控制因素为前提得出了突水灾害的分区划分指标,并根据东山煤矿15号煤层底板的各影响因素的实际数据,对其底板承压突水进行了预测预报,获取了有效的突水分区模式图.

顶板导水裂隙高度随采厚的台阶式发育特征

传统导水裂隙发育高度预计方法对顶板岩性进行均化,忽略了具体条件关键层结构差异所造成的影响,认为导水裂隙的发育高度随采厚是呈近线性增大的,有时会导致较大的判别误差。针对该问题,采用理论分析、现场探测等方法,研究了关键层结构影响下顶板导水裂隙发育高度随采厚的变化特征。结果表明,导水裂隙的发育高度同时受到采厚和覆岩关键层结构的影响。在覆岩关键层结构的控制作用下,导水裂隙的发育高度随采厚呈现台阶式突变而非连续的近线性变化。关键层厚度及其所控制的岩层厚度越大,导水裂隙高度随采厚变化时的台阶落差越大,突变越明显。一定关键层结构条件下,如果采高变化范围没有超出导水裂隙高度产生台阶的范围,则采高变化并不导致导水裂隙高度的变化,也就是说此时降低采高并不能减少导水裂隙高度,增加采高也并不会增大导水裂隙高度。研究结果得到了亭南煤矿导水裂隙高度实际探测结果的验证,在二盘区206工作面开采条件下,采厚7.5和9.0 m时对应的导水裂隙高度分别为140.2和148.3 m,均发育至宜君组底界,采厚在一定范围增加并未引起导水裂隙高度的明显变化,该工作面在保证导水裂隙高度不明显增大的前提下,最大采厚理论上可以达到14 m。基于研究成果形成了考虑关键层结构的洛河组砂岩含水层下合理采厚确定方法,指导了亭南煤矿二盘区综放工作面洛河组砂岩水防治实践。根据亭南煤矿207工作面附近钻孔柱状的关键层结构,以导水裂隙高度不直接沟通洛河组为限,提出207工作面在设计采厚7.5 m基础上,可以将顶煤全部放出的方案。工作面实际总采厚平均达9.0 m,多放顶煤1.5 m,多回收煤炭资源约71万t,有效提高了采出率。

多元对应分析法在潘一煤矿地下水化学特征分析中的应用

为分析矿井充水水源水质特征,为判别突水水源提供理论依据,将多元对应分析方法应用于潘一煤矿各含水层水质特征区分以及同一含水层内垂向上水质变化的分析,并将分析结果和Piper图进行比较,结果表明:多元对应分析法可以分析水样样本之间、水质指标之间和样本与水质指标之间的关系,取得了比Piper图更好的分析效果;该方法很好地解释了矿区充水含水层的水质特征以及二叠系煤系砂岩裂隙水受新生界下含水的影响及其水质变化特征;分析结果与矿区水文地质条件相吻合.