Analysis of the Risk of Water Breakout in the Bottom Plate of High-Intensity Mining of Extra-Thick Coal Seams

In order to clarify the danger of water breakout in the bottom plate of extra-thick coal seam mining, 2202 working face of a mine in the west is taken as the research object, and it is proposed to use the on-site monitoring means combining borehole peeping and microseismic monitoring, combined with the theoretical analysis to analyze the danger of water breakout in the bottom plate. The results show that: 1) the theoretically calculated maximum damage depth of the bottom plate is 27.5 m, and its layer is located above the Austrian ash aquifer, which has the danger of water breakout;2) the drill hole peeping at the bottom plate of the working face shows that the depth of the bottom plate fissure development reaches 26 m, and the integrity of the water barrier layer has been damaged, so there is the risk of water breakout;3) for the microseismic monitoring of the anomalous area, the bottom plate of the return air downstream channel occurs in the field with a one-week lag, which shows that microseismic monitoring events may reflect the water breakout of the underground. This shows that the microseismic monitoring events can reflect the changes of the underground flow field, which can provide a reference basis for the early warning of water breakout. The research results can provide reference for the prediction of sudden water hazard.

煤矿防治水“三区”划分方法及其水害防治意义

为系统性认识矿井各类水害问题,规范化管理矿井防治水工作,国家矿山安全监察局于2022年6月将针对老空水防治的“三区”管理工作推广到顶板水害、底板水害以及构造水害等更多水害类型中。然而各地煤矿在防治水“三区”划分过程中暴露出水害致灾因素和水害治理情况等与划分标准结合不紧密,并且技术上未针对不同煤层和采区进行区别划分,同时划分区域范围和划分结果的规范性和时效性存在不统一。据此,结合防治水“三区”划分的目的,对比了新“三区”划分与老空水“三区”划分的异同,明确了以水文地质条件勘查程度、水害隐患分析、水害治理情况为要素的划分原则,理清了“三区”划分的技术路径;结合我国常见的5种煤矿水害类型特征,提出了不同类型水害的划分方法,即:地表水害应根据井田内地表水体的分布发育特征以及大气降水、滑坡等地质灾害对开采的影响程度等进行划分。顶板水害应根据导水裂隙带范围内是否存在富水性强或者富水性中等静储量丰富含水层、松散含水层等对开采造成威胁进行划分。底板水害应根据煤层带压开采区域底板隔水层厚度与矿压破坏带深度之间的关系以及底板突水系数大小进行划分。老空水害应根据矿井及周边矿井老空积水分布范围、积水量情况进行划分,构造水害应根据井田内断层、陷落柱、溶洞等地质构造和不良地质体的富水性、含水性、与水源导通情况进行划分;总结了划分工作的要点和难点,即:明晰划分时空范围、综合分析划分标准、明确“三区”管理职责、动态转换划分结果等;在此基础上,选择水害类型多样和水文地质条件复杂的典型煤矿井,遵循划分原则,根据划分标准,分煤层、分采区划分了可采区、缓采区、禁采区,并加以详细的解释说明;阐明了开展“三区”划分工作具有提升综合探测水平、强化预测预报能力、找准水害治理方向的水害防治意义,以期指导和规范我国煤矿防治水“三区”划分工作。

陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术

陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总结区域水文地质结构特征,界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布,论述典型水灾的形成机理及特征,并提出了相应的防控技术。研究表明:(1)陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区,陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害,局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。(2)陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成,导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水,部分区域充水强度较大,在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾,在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害,导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾,当含水层下部隔水层厚度较大时,可能形成离层溃水灾害,当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时,会引发极为严重的底板突水灾害,该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。(3)各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等,底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。

隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理技术研究

我国西北地区烧变岩分布范围广、孔隙裂隙发育、富水性强,是当地的主要含水层,其中的隐伏火烧区烧变岩地表遗迹不明显、发现难度大,煤矿开采一旦导通烧变岩含水层将导致水害事故,同时会破坏烧变岩含水层水资源。为治理隐伏火烧区烧变岩水害并保护烧变岩含水层水资源,分析我国烧变岩分布特征及烧变岩水对煤矿开采影响,研究隐伏火烧区烧变岩探查和治理技术,开展隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理的示范应用,结合现场监测数据分析评价陕西柠条塔煤矿南翼隐伏火烧区含水层水害治理和水资源保护效果。结果表明:我国烧变岩主要分布于以昆仑山-秦岭-大别山为界的北方地区,隐伏烧变岩主要分布在鄂尔多斯盆地东北部、伊犁盆地南缘,被第四系松散层覆盖;隐伏火烧区烧变岩含水层与风化基岩含水层大多直接接触且连为一体,水力联系密切;烧变岩水害防治措施主要有留设烧变岩含水层防隔水煤柱、疏降烧变岩含水层积水和帷幕截流,其中截水帷幕可有效解放烧变岩含水层压覆的煤炭资源,解除烧变岩水害威胁并保护烧变岩含水层宝贵的地下水资源;通过精确探查出隐伏火烧区范围、布设注浆钻孔,将隐伏火烧区烧变岩含水层隔离为若干个含水体,断绝截水帷幕内外的水力联系,可保障工作面不受烧变岩水威胁,同时实现烧变岩水资源保护;柠条塔煤矿S1232工作面和S1233工作面隐伏火烧区烧变岩含水层治理后,其回采期间涌水量降至20m^(3)/h以内,工作面得以安全回采,截水帷幕内侧水位下降,外侧水位逐渐抬升,烧变岩水资源得到有效保护。

弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制研究

安新煤田主采煤层上覆巨厚弱胶结砂砾岩含水层,富水性弱,但多个工作面回采期间发生突水,查明突水机制是矿井水害防治的关键。通过水文地质特征分析,阐明了砂砾岩含水层厚度分布特征和富水性分区特征。采用岩石单轴抗压强度、三轴声发射、X衍射试验等方法,获得了顶板隔水层岩石物理力学性质。基于关键层理论分析、导水裂隙带与采动富水异常区层位关系及相似模拟试验成果,建立了4种条件下巨厚砂砾岩含水层突水的水文地质结构模型,揭示了砂砾岩含水层不同条件下的突水机制,并明确了研究区突水点的突水机制,提出了隔水保护层失稳导致突水的工程判据。研究结果表明:研究区东部局部区域含水层富水性中等,以往多次突水均发生在弱富水区;砂砾岩含水层下顶板泥岩中黏土矿物含量达到59.6%,亲水性强,具有良好的隔水作用;但在采动作用下顶板隔水层岩体卸压后强度降低,厚度较薄时,受上部岩层载荷和采动富水区静水压力作用易发生破坏,成为良好导水通道;砂砾岩含水层物理力学性质特殊,采动扰动后孔隙裂隙发育,形成了富水变化异常区;弱胶结砂砾岩突水的强度与下部基岩特征、导水裂隙带发育高度、隔水保护层厚度等因素相关;研究区弱胶结砂砾岩发生突水的工程判据为正常区隔水保护层厚度小于30 m,受背斜构造影响区隔水保护层厚度小于60 m。弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制及工程判据对西部矿区水害防治提供了借鉴。

煤矿矿井水害隐蔽致灾因素识别与危险性分析

为进一步探究煤矿矿井中可能存在的水害隐蔽致灾因素,以某煤矿井田为实际案例,首先通过物探方法对其水害隐患因素进行探查,初步判定该煤矿水害隐患致灾因素类别。而后应用事故树分析法,对煤矿矿井水害隐蔽致灾因素的具体细节进行探究,明确不同致灾因素的重要程度。最后根据分析结果,从采空区水害防治、烧变岩水害防治、排水系统优化等多个层面着手,详细探讨了水害隐蔽致灾因素的治理措施,以期为今后的相关工作提供参考借鉴。

动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆新型材料性能试验研究

针对煤矿岩体裂隙与管道动水条件下凝结时间长、留存率低、堵水效果差的问题,通过室内试验,研究一种动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆新型材料及其在动水条件下的材料性能,确定了一种单液浆动水注浆材料,测试了动水注浆材料的凝结时间、流动度、强度和抗冲刷性能,并分析了动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆新型材料成本。研究结果表明:动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆新型材料主要由硫铝酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、石灰石粉、钢渣粉、可分散性乳胶粉、羟丙基甲基纤维素醚、钠基膨润土、醚类聚羧酸高性能减水剂、白木质素纤维和柠檬酸组成;环境温度为20℃时,初凝时间为40~75 min,通过调节柠檬酸的掺量或增大搅拌时间可延长注浆材料的初凝时间;注浆材料流动度保持在20±3 cm的时间段为10~40 min,失去流动度的时间为15~50 min;水流流速为1.2 m/s时,动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆材料抗冲刷留存率在85%以上,流速为0.6 m/s时,抗冲刷留存率在90%以上,流速为0.2 m/s时,抗冲刷留存率在95%以上;水胶比0.5∶1的注浆材料1d强度达到7.1 MPa;动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆材料具有良好的抗动水冲刷性能和低廉的价格,并可根据不同工况调整初凝时间和失去流动度时间,满足煤矿岩体裂隙与管道长距离单液浆注浆堵水需求。

基于地面大口径钻孔抽排的老空水害防治技术

为了安全高效治理矿井老空水害,在井下不具备疏放老空水的条件下,采用了地面大口径钻孔和接力抽排水的方案对老空水害进行治理。选取位于老空积水区最低点的水仓作为地面钻孔的终孔位置,施工三级变径的大口径钻孔。下设的一级套管对钻孔在松散层中进行了固井,二级套管对老空区及采动破坏范围上覆含水层进行了隔离,采用无线随钻测斜和定向钻进技术,保障了大口径钻孔的准确透巷。钻孔中下设潜水泵将老空水抽至地面,然后采用管道增压泵将老空水接力排至矿井水处理厂,实现了老空水抽排过程中不落地。通过对抽排水量和老空水位的观测,验证了基于地面大口径钻孔和接力抽排老空水的效果。结果表明:采用地面大口径钻孔和井下潜水泵联合地面增压泵接力抽排关闭矿井老空水效果较好,具有安全性和可靠性高、排水和水处理费用低等特点。

我国煤层水害基本架构及发展情势

为了解决煤炭资源安全高效开发过程中面临的煤层水害问题,基于近20余年间煤层水害事故的统汇分析,提出了“隐蔽突水致灾因素”萌生、煤层水害“三要素”定型、多要素耦合孕灾、突破临界状态激发灾变和灾变后负效应显现等5个煤层水害的主体构成阶段,依据各阶段独立属性特征,将煤层水害概括为顶板水害、底板水害和老空水害3个主类,以及巨厚基岩含水层高势能涌(淋)水、岩溶陷落柱导升突水、同位水平空间侧向涌水等11个子类,并对不同类型煤层水害的孕灾致灾诱因、发育发展过程机理、灾变显现特征等进行阐述。最后,对我国煤层水害的未来发展情势做了简要展望和分析。

近距离上层老空区水害危险性评价方法——以巩留县塔拉迪煤矿为例

老空水害是新疆地区煤矿防治水的重点和难点,对于煤矿安全生产造成严重威胁。为摸清伊犁巩留县塔拉迪煤矿C8煤层老空水害问题,在矿井水文地质条件研究基础上,对老空区积水充水水源及充水通道进行分析,结合瞬变电磁和钻探成果,对C8煤层老空区进行积水量预测和水害评价。研究表明,C8煤层老空区充水水源主要为西山窑组砂岩孔裂隙含水层,充水通道主要为采动破坏后的导水裂缝带;瞬变电磁物探富水异常区富水性弱,两个富水异常区积水量预测为3188.12 m^(3)和7609.85 m^(3),二采区老空区涌水量为96.45 m^(3)/d;据划分标准,二采区仅在8-2富水异常区采空区范围内为高危险区,可采取主动探放方法进行疏排,保障下部C7煤层的安全开采。

煤矿粉尘危害及防控治理技术研究进展

煤矿粉尘不仅对煤矿工人身体健康造成影响,还在一定程度上影响煤矿开采安全。介绍了煤矿粉尘的分类;分析了煤矿粉尘的危害;综述了煤层注水、喷雾降尘、化学除尘、泡沫抑尘等几种目前使用最为广泛的除尘、降尘技术的研究进展;基于现有技术的不足,在除尘设备智能化、集成化,粉尘防控技术精准化,智慧除尘体系建设三个方面展望了煤矿粉尘防治技术的发展趋势。

煤矿富水规律与水害防控技术研究

为进一步探究煤矿富水规律与水害防控技术措施,以内蒙古A煤矿为例展开研究,结合其涌水量高的实际情况,先通过单位涌水量评价法对矿井区域富水规律进行初步评价,再通过数值模拟分析方法对该矿井区域导水裂隙带发育特征进行分析,并对涌水量进行预测,确定该区域存在的水害问题。最后根据水害问题,采用基于疏放水的水害防控技术模式。从实际应用效果来看,涌水量和水压2项指标均已控制在较低水平,证明本次研究具有一定的实用价值。

马家岩煤矿太原组煤层开采承压水害防治效果评价

马家岩煤矿浅层煤炭资源已基本枯竭,太原组(下煤组)的深部煤层是目前主要的连续开采煤炭资源。但随着开采深度逐年增加,下煤组的开采受到高地应力、高水压、高温和强矿井扰动的影响,突水威胁尤为严重。为对太原组煤层开采承压水害进行有效防治,基于煤矿工作面底板含水层的注浆数据,提出煤层底板突水控制的评价新方法,将测试数据与矿山电测数据在ArcGIS中进行比较。结果表明,基于ArcGIS的水压阈值为注浆改造层水压的2倍时为最优解,研究结果可为马家岩煤矿太原组的突水防治提供参考。

柠条塔煤矿工作面顶板烧变岩水害防治技术应用

陕北侏罗纪煤田内的烧变岩水害严重威胁着矿井安全生产,对该类水害隐患的防治工作刻不容缓。为了探索在神府矿区煤层顶板烧变岩水害防治技术,验证现有技术手段的合理可行性,以柠条塔煤矿为例,采用地面钻探、注浆帷幕、截流分离的方法对S1233工作面2^(-2)煤层顶板1^(-2上)煤层烧变岩含水层水害进行防治。根据地面注浆后在工作面实施检查孔钻探、抽水试验、压水试验及孔间CT探测、水质化验等效果检验,结合注浆前后放水试验成果,分析认为柠条塔S1233工作面烧变岩水害防治技术科学有效,治理工程应用效果良好,可为后期矿井防治此类水害提供依据,也可为区内条件类似矿井的防治水工作提供借鉴。

文家坡煤矿工作面防治水安全技术应用

断层是煤矿回采期间煤层顶板水害的主要涌水通道之一,在煤层回采之前,应查清工作面内构造分布情况,槽波地震勘探成为煤矿采前构造探查的重要技术手段。彬长矿区文家坡煤矿4102工作面位于该煤矿41盘区东侧,为41盘区第2个回采工作面,根据巷道掘进期间实际揭露地质资料显示,该工作面断层比较发育,可能影响工作面的正常回采,断层延伸至工作面内长度目前尚未清楚。故利用槽波透射法探测彬长矿区文家坡煤矿工作面断层的发育情况,结果表明此方法效果良好,查明工作面内发育的4条断层基本延展情况,为煤矿防治水害提供一定的科学依据。

冲积层下煤层顶板水害探测与防治技术研究

冲积层底部含水性严重威胁冲积层下采煤的水害防治安全,在煤层开采前及开采过程中都需要采取相应的防治水措施以杜绝重大水害事故的发生。因此,为保障厚冲积层煤层放顶煤安全、高效开采,文章开展基于并行电法的冲积层下煤层顶板水害探测与防治技术研究,通过数值模拟及现场实测得到顶板局部富水所引起的响应特征。结果表明,对水体高度敏感的并行电法能够精准、高效地识别顶板富水状态,基于此可进一步提出相应的水害防治措施,进而为冲积层下采煤工作面防治水工作提供关键指导依据。

地面与井下瞬变电磁法在煤矿富水区探测中的应用

为查明安源煤矿4218工作面Ⅳ-2号煤层富水情况,避免水害发生,基于瞬变电磁法及井下瞬变电磁法基本原理,在整个工作面开展了地面与井下相结合的瞬变电磁探测工作。根据瞬变电磁法对低阻异常灵敏、施工方便、勘探深度大、可准确反映含水异常范围、井下瞬变电磁法施工效率高、体积效应小、对异常位置确定更为可靠的特点,利用地面瞬变电磁从平面上圈定水害分布范围,再利用井下瞬变电磁超前探测技术对巷道前方富水情况进行精确圈定;结合地质和钻孔资料,分析地面瞬变电磁法视电阻率断面图中各地层与电性层的对应关系,推断煤层顶、底板处的相对低阻区域很可能为砂岩裂隙富水所致,由此在全区圈定出1处中等富水区和6处较弱富水区;4218工作面辅运顺槽Q6点前49 m位置处井下瞬变探测结果显示,在迎头位置顶板30°、顺层、底板45°处有4处低阻异常区,与地面解释异常对比,有3处重合,重合率较高。结果表明:地面与井下瞬变电磁法综合探测可有效提升煤层富水区探测的准确性,为矿井水害防治提供了依据。

2001—2013年中国矿井水害事故相关性因素特征分析

为了进一步认清中国矿井水害事故现状及其相关因素特征,通过统计国家煤矿安全监察局煤矿事故查询系统公布的数据(资料日期:2001年1月1日—2013年12月31日),对2001—2013年我国发生的矿井水害事故的相关信息分层次、分类别统计,对以往公布的陈旧、错误数据进行了修正更新;总结了我国煤矿水害事故的类型;阐明了水害事故发生区域、发生时间、煤矿企业特征以及国家制定的法规政策等相关因素与煤矿水害事故之间的密切关系。根据不同类型水害事故的特点提出有效的技术防治路线,并对目前制约煤矿水害防治技术的关键问题进行了探讨。

中国煤矿水害基本特征及其主要影响因素

分析了中国煤矿水害发生发展的基本规律,研究了中国煤矿水害的基本特征及其产生原因。较为系统地论述了我国煤矿水害防治技术存在的主要问题、技术难关以及生产企业对矿井水害防治技术的基本需求。重点分析了深部煤炭资源开发过程中高承压水底板突出机理及其防治技术和废弃矿井老空水突出机理与防治技术。提出了中国煤矿水害防治技术和矿井水文地质安全保障体系建设的发展趋势。

华北型煤田矿井水文地质类型与水害事故分析

为了查清华北型煤田矿井水文地质类型和水害防治现状,对该区2889个煤矿水文地质类型进行划分,从矿井涌水量及富水系数等方面研究了华北型煤田矿井水文地质特征,分析该地区防治水机构、人员和设备保障情况,剖析了2012-2013年华北型煤田较大以上水害事故发生的主要原因,研究成果可为我国今后煤矿防治水工作奠定重要的基础,为下一步防治水重点监管监察划定靶区。