华北型煤田水文地球化学勘探关键技术研究进展

华北型煤田是我国重要的煤炭基地,水文地球化学勘探是解决煤田开采过程中一系列水文地质问题的重要手段。在概化华北型煤田典型水文地质结构的基础上,分析采动影响下典型水文地质问题,揭示了华北型煤田地下水多场耦合关系与水文地球化学勘探作用机制及其测试分析处理技术;通过回顾水文地球化学理论发展历史,明确华北型煤田水文地球化学勘探技术的可靠性;汇总地下水常用的水文地球化学组分及其测试仪器,并从图解法、数理统计法、物理模拟和数值模拟等方面阐述水文地球化学勘探的技术手段;在此基础上,从地下水资源评价、突水水源动态识别、水文地球化学时空演化、地下水动力异常反演、地质结构异常反演、地下水混合模式构建及水热资源勘察等角度综述了多场耦合下华北型煤田水文地球化学勘探关键技术的应用研究进展,明确了水文地球化学勘探的优越性与可操作性。结合华北型煤田水文地质条件,提出华北型煤田水文地球化学勘探典型技术核心及其存在的问题,指明了水文地球化学勘探技术研究的努力方向。

华北型煤田奥陶系岩溶水水文地球化学特征及其对地热的指示意义

华北型煤田奥陶系岩溶水是集水、热于一体的绿色能源,明确受煤层开采影响其补给来源、热储赋存环境、径流与循环等形成演化特征对于地热资源的勘探与开发具有重要意义。在充分了解典型华北型煤田-淮北煤田地质、水文地质及地热地质条件的基础上,采集区内岩溶地热水样品进行水化学及同位素测试并收集相关成果进行数据补充,揭示了岩溶地热水水化学成分特征及水-岩作用类型,明确了地热水补给来源,评估了岩溶热储温度及地热水循环深度,提出了研究区地热水形成演化模式。结果表明:淮北煤田岩溶地热水主要来源于大气降水补给,北部闸河矿区以直接入渗补给为主,水化学表现为HCO_(3)-Ca型,水-岩作用以溶滤溶解为主,指示该区地热水更新速率较快、循环路径短;南部宿县和临涣矿区仅在部分区域接受大气降水蒸发入渗补给并与古地下水混合明显,水化学类型多样,包括SO_(4)-Ca、SO_(4)-Ca·Mg、HCO_(3)·SO_(4)-Ca·Mg、SO_(4)-Ca·Na、Cl·SO_(4)-Na、Cl-Na等,水-岩作用类型以溶滤溶解及阳离子交替吸附(正反向)为主并伴有脱白云石化作用,指示该区地热水滞留时间久、循环路径长,热储环境更为封闭。选用石英温标及改进的SiO_(2)温标估算该区热储温度范围34.8~69.1℃,地热水循环深度881~2281 m。淮北煤田岩溶地热水形成演化受构造控制明显,地热水循环更新能力、热储温度、循环深度以及水化学环境均存在显著空间差异,岩溶地热资源的开发和利用应综合考虑区域特点。

华北型煤田底板岩溶水害区域治理关键技术研究进展

为了进一步提高底板岩溶水害区域治理技术的有效性,降低底板突水的危险性,解决区域治理过程中治理层位选择、治理模式和安全治理范围的确定等安全技术问题,基于冀中能源多年底板水害区域治理工程实践,通过深入分析邯邢矿区近年来区域治理后工作面出水案例,提出了奥灰区域治理层位选择的基本原则;针对多个复合含水层(段)条件,构建了地面顺层治理与井下穿层治理相结合的底板岩溶水害多层"三维立体"区域综合治理新模式;给出了在几种不同构造条件下工作面安全治理范围的计算方法。并在峰峰矿区梧桐庄矿水文地质条件极复杂182602工作面水害治理中进行应用实践,取得了良好的治理效果,对类似条件下底板岩溶水害区域治理工作具有很好的借鉴意义。

华北型煤田岩溶陷落柱研究70年:成因·机理·防治

系统阐述了华北型煤田陷落柱及其突水的研究历程和取得的成就。20世纪30年代煤田岩溶陷落柱偶然发现于煤炭开采中,因其带来开采及安全影响,研究不断深化。新中国成立伊始,百业待兴,能源先行,陷落柱对煤炭开发的影响逐渐显现,在解决现场技术问题的同时,基础理论得到蓬勃发展,至1984年开滦范各庄矿陷落柱特大突水事故震惊世界,其成功封堵复矿标志着我国治理技术基本成熟,该事件得以成功处理成为划时代的里程碑;其后能源行业从萧条到黄金10年,煤炭开发向深部、西部转移,陷落柱突水威胁日趋严重,新理论新技术的应用,促进相关研究不断向纵深发展,到目前为止,基本理论及治理技术日臻完善。由于其局域性和特殊性,国外仅有岩溶塌陷和采矿垮落的理论可作为研究借鉴。从基本特征、分布规律、成因机制、导水性、突水模式及机理、预测探查和治理等方面全方位进行了总结,归纳了岩溶陷落柱空间形态特征、充填物特点、揭露特征、结构构造特征等,系统梳理了岩溶陷落柱分类及类型;探讨了岩溶陷落柱导水性,建立了岩溶陷落柱预测指标体系及预测模型,分类提出了陷落柱突水模式和机理及力学判据,研讨了陷落柱突水量预测的可行性,规范了陷落柱预测探查及治理的程序,总结了陷落柱治理技术。作者指出了目前陷落柱研究中存在的不足,凝练了岩溶陷落柱成因、导水性、预测、突水机理及突水量预测等方面的待解科学命题,列举了陷落柱精细化探查、突水监测预警、治理装备技术等方面技术难题,指明了未来探索及发展方向。应当指出,尽管现有成果基本成型,但距离技术理论体系的完善、满足保障矿井安全生产还有很长的路要走。

华北型煤田中奥陶统碳酸盐岩古风化壳天然隔水性能评价方法与应用

随着开采深度逐渐加大和下组煤逐步回采,华北型煤田的中奥陶统碳酸盐岩(局部寒武系)底板突水问题和浅部上组煤大批关闭煤矿老空水对下伏岩溶水的越流(串层)污染问题日趋严重。通过对山东兖州煤田中部矿区大量地质勘探资料的系统整理、统计与分析,从中奥陶统灰岩顶部古风化壳厚度、岩性特征、钻孔岩芯采取率、冲洗液消耗量、裂隙发育情况和充填压实程度、构造发育等多方面开展了其隔水性能的综合研究,建立了刻画其隔水性能的指标体系,运用GIS强大的数据管理与空间分析功能和信息融合技术,创建了面向GIS的信息融合型隔水性能评价方法——隔水性指数法,提出了古风化壳隔水性能评价的技术路线和具体工作程序,并进行了示范工程的实际应用。

华北型煤田岩溶陷落柱导水性研究

岩溶陷落柱在华北型煤田广泛发育和分布。本文研究了华北型煤田岩溶陷落柱的导水类型、导水条件及突水规律特点。这对华北型煤田煤矿安全生产有重要意义。

华北型煤田中奥陶系灰岩顶部相对隔水段研究

为了减少和控制煤层带压开采突水灾变的发生,达到安全开采下组煤的目的,通过相关资料分析,对奥灰顶部相对隔水段的成因进行了探讨,提出了在矿区确定其厚度和分布范围的主要方法,即水文地质钻探方法及水文地质试验方法,并给出了对山西潞安矿区的研究结果.

华北型煤田岩溶陷落柱顶底部剪切破坏突水模式

华北型煤田广泛发育有岩溶陷落柱,岩溶陷落柱对煤矿安全生产有较大影响,特别是其突水性对煤矿安全生产威胁较大。从论述华北型煤田岩溶陷落柱顶底部剪切破坏突水模式及判据入手,分析了井下溶陷落柱突水机理。

华北型煤田水文地质电法勘探的深度问题

直流电阻率、瞬变电磁场和可控源音频大地电磁测深是煤田水文地质勘探常用的方法。针对华北型煤田地层电性特点,通过电磁探测原理分析与勘察实例,说明了在此类地区需要更大的极距、更长的观测时间和更低的频率才能达到预期的探测深度。为在华北型煤田水文地质勘探中取得更好的探测效果,采用综合电磁探测方法是必要的。

华北型煤田煤层开采对含水层的破坏模式研究

华北地区岩溶水系统分布广泛、水质好、水量丰富,是城镇工矿企业的重要水源,也是维护生态稳定的重要因素。华北型煤田大部分位于岩溶水系统之中,煤炭开采时水患与缺水并存,煤水矛盾突出。在总结了华北型煤田中煤炭基地的煤层及含水层发育情况的基础上,根据岩溶水系统的补径排条件、煤层分布区与岩溶水补给区的位置关系、地形地貌等因素,将采煤对岩溶含水层破坏类型分为三种类型:直接破坏、间接破坏型和无影响型;按地下水类型划分;将煤层开采对含水层的破坏模式划分为破坏顶板孔隙水、破坏底板岩溶水及破坏岩溶水、裂隙水、孔隙水3类,近而根据含水层性质及埋藏条件,含水层与煤层的位置关系,对煤矿开采对区域含水层破坏的模式划分了亚类。在进行含水层破坏类型和破坏模式划分的同时,也对各类型的特征进行较为详细的说明,为该区的煤炭开采和水资源的保护指明了方向。

华北型煤田岩溶陷落柱侧壁厚壁筒突水模式研究

岩溶陷落柱作为一种特殊地质体,在华北型煤田广泛发育和分布,本文就华北型煤田岩溶陷落柱侧壁厚壁筒突水模式及判据进行了研究,这对华北型煤田煤矿安全生产有着重要意义。

华北型煤田岩溶充水矿床充水模式及特征

通过对大量华北型煤田矿床水文地质条件研究,从岩溶水系统与下组煤关系入手,分析研究了不同岩溶水系统模式的充水条件和同一岩溶水系统模式不同系统位置充水条件,认为华北型煤田充水条件取决于岩溶水系统模式、构造特征及功能位置,据此将华北型煤田岩溶充水矿床充水模式归结为滞流活化型、单斜内部型、单斜边缘型、块断型、向斜内部型、向斜边缘型等6种,并进一步根据充水通道的不同将其分为滞流活化型陷落柱等15种亚型。同时对其特征进行了概略性总结。

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。

华北型煤田煤层底板突水预测信息分析理论、方法及应用

在我国华北煤矿区,回采工作面煤层底板突水问题相当严重,困扰着煤矿经济效益的正常发挥。本文针对回采工作面煤层底板突水的特点,提出采用随机-信息方法解决其突水预报问题,建立了信息判据,并对大量的实例进行了验证,取得了满意的效果。

华北型煤田岩溶区下组煤开采水害防治的水文地质勘查方法

为了满足华北型煤田岩溶区的下组煤开采对煤矿安全生产、防治水及水害治理的要求,以黄河北矿区邱集煤矿11煤层西一采区综合水文地质勘查为例,结合矿井水文地质条件和开采现状,充分利用矿井现有井下生产和排水系统,研究水文地质勘查方法,突出物探先导,井上下钻探结合,井下放水试验为主,井上下同步观测,同时辅以水化学、环境同位素测试及示踪试验等手段方法,查明水文地质条件,为矿井带压开采下组煤、含水层注浆改造及加固的防治水措施提供依据。

基于华北型煤田岩溶充水矿床充水模式的勘查模式

华北型煤田岩溶水充水矿床水文地质勘查手段的选择依据主要是矿井存在的水文地质问题,对于勘查区特别是新的勘查区,确定水文地质条件复杂程度依据现行规范有一定盲目性。通过分析华北型煤田岩溶水矿床充水模式的主要水文地质问题,提出了相应的勘查手段,将其归结为钻探-物探-试验、调查-物探-钻探、物探-钻探-调查、物探-调查-钻探等4种模式,对于指导华北煤田岩溶水煤矿床水勘查具有重大的现实意义。

华北型煤田煤炭开采对岩溶水影响方式探讨

根据岩溶水系统的补径排条件、煤层分布区与岩溶水补给区的位置关系、地形地貌等因素,将华北型煤田采煤对岩溶含水层影响划分为直接影响型、间接影响型和混合影响型三种类型。直接影响型指岩溶地下水流向与地层倾向相一致,煤层分布区位于岩溶水系统补给区下游,煤层开采不会影响岩溶地下水的补给量,但岩溶水水位高于煤层底板,岩溶水通过构造等薄弱地带直接突涌入矿井,即通过增加岩溶水系统的排泄量而减少岩溶水资源量,主要分布在冀中煤炭基地和河南煤炭基地;间接影响型指岩溶地下水流向与地层倾向相反,煤层分布区位于岩溶水系统补给区的上游,煤层开采引起的地面变形使地表径流转入矿井,进而减少河流向岩溶含水层的渗漏补给量,岩溶地下水水位低于煤层底板标高,奥陶系岩溶水不会进入矿井,煤炭开采仅通过减少补给量而减少岩溶地下水资源量,主要分布在晋东煤炭基地二叠系上组煤;混合影响型两种破坏方式均存在,主要分布在晋东煤炭基地二叠系下组煤。分别以黑龙洞泉域的峰峰矿区和辛安泉域的潞安矿区为例,对直接影响型和间接影响方式进行了说明,并分别提出了三种影响类型的岩溶水保护措施。

华北型煤田岩溶陷落柱发育规律及其对煤矿安全影响的研究

岩溶陷落柱作为一种特殊地质体,在华北型煤田中广泛发育和分布。华北型煤田岩溶陷落柱发育分布于井田浅部,具有不均匀性,对煤矿安全的危胁较大,研究分析其发育规律对煤矿安全有重要的理论及现实意义。

华北型煤田“ 三下一上” 煤炭资源现状及开发利用研究

我国华北地区随着煤矿开采年限的增加,浅部煤炭资源越来越少,部分地区存在资源枯竭的现象。资源枯竭型矿井对“三下一上”煤炭资源的开发利用可有效延长矿井服务年限。为了合理利用我国华北经济发达地区的煤炭资源,通过对煤田地质、水文地质资料分析与研究,利用遥感解译技术手段和煤层底板突水系数法基本摸清了山西、河北、山东、河南及安徽等5个省的“三下一上”煤炭资源分布特征。圈定“三下”压覆面积21819.27 km^(2),估算“三下”煤炭资源量约474.15亿t,占资源总量的12.10%。其中,建筑物下煤炭资源量约431.25亿t,铁路下煤炭资源量约12.86亿t,水体下煤炭资源量约30.04亿t。估算“一上”煤炭资源量约954.26亿t,占资源总量的24.35%。其中,埋深600 m以浅约1.69亿t,埋深600~1000 m约311.66亿t,埋深1000~1500 m约640.91亿t。通过“三下一上”煤炭资源开发利用技术研究,认为减沉技术和减害技术是目前“三下一上”煤炭资源开发利用最有效的技术手段。分析了制约“三下一上”煤炭资源开发利用的因素主要有成本、材料、工艺等。最后指出随着新型充填技术和开采技术的应用,大量的“三下一上”煤炭资源可被开发利用。

华北型煤田奥灰顶部利用与改造判别准则及底板破坏深度

随着我国华北型煤田开采深度逐年增加,大部分矿井已面临由上组煤转向深部及下组煤开采阶段,奥陶纪灰岩岩溶水害威胁呈上升趋势,底板突水危险逐年增加,而目前规范和规程中的底板突水系数法虽然应用较广泛,但并未充分考虑到奥灰顶部实际阻水能力,其评价方法存在一定的局限性。在现有奥灰顶部地质及水文地质条件认识的基础上,提出了部分矿区奥灰顶部存在阻水性能较好的风化充填带可作为隔水层利用的理念,将煤系隔水层厚度、风化充填带厚度、注浆改造段厚度和底板扰动破坏深度视为底板突水系数判别式的影响因素,建立了改造奥灰顶部岩层段厚度的判别准则,论述了底板破坏深度在判别准则中的重要性,并以韩城矿区桑树坪煤矿11号煤层3105工作面开采为典型案例,通过构建的17组数值模拟方案,分析得出了煤层开采深度对底板扰动破坏深度影响最大、开采厚度最小、开采宽度则存在尺寸效应等结论;同时将模拟数据与全国相似矿区实测样本结合,给出了采深、采宽和采高3因素影响的预测模型,并对其进行了验算和适用性分析,结果表明新模型拟合方程的误差均值、百分比、方差和均方差均优于统计公式,具有预测精度高、误差小、适用性广等特点,基本满足工程实际需要。其研究成果可用于奥灰顶部含水段的注浆改造实际工程中,对深部下组煤安全带压开采提供有利的技术保障。