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。

邢台矿区奥灰顶部注浆改造可行性分析

通过综合分析邢台矿区奥灰顶部岩溶发育规律及富水情况,结合开采浅部下组煤时采取的注浆改造技术措施,认为奥灰顶部是可以进行注浆改造的,并且变含水层为隔水层,可延深下组煤开采下限,解放受水威胁煤炭资源,是实现邢台矿区可持续发展的有效途径,还对奥灰顶部注浆改造项目实施中需攻克的难题进行了分析,提出了方案实施的技术路线。

肥城矿区奥灰顶部注浆改造技术

近年来,随着肥城矿区煤炭资源开采的纵深化发展,在传承肥城矿区薄层灰岩注浆改造技术基础上,重点针对深部"双高"(高水压、高矿压)条件下,直接受奥灰水威胁的实际,开展了了奥灰顶部注浆改造条件、可行性、工艺等技术研究,取得了显著成效,该技术为防止奥灰突水的有效"治本"措施。

奥灰顶部注浆改造深度计算公式推导及应用

在奥灰顶板注浆可行性分析基础上,从突水系数公式出发,推导出奥灰顶部注浆改造深度公式,并分别分析肥城矿区受水威胁的7、8、9、10煤层,得出7煤主要采取五灰注浆改造和疏水降压开采措施;8、9、10层煤根据标高分3个层次进行注浆改造。通过肥城矿区下组煤奥灰顶部注浆改造实例,证明本公式对奥灰顶板注浆起到了指导性作用。

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。

奥陶系灰岩顶部作为煤层底板隔水层的可利用性研究

为安全开采下组煤,减少煤层带压开采导致突水事故,对奥灰顶部风化充填带地层的形成演化进行探讨,并绘制该层位在华北地区厚度等值线图;对奥陶系顶部灰岩试样与煤系隔水层中粉砂岩和泥岩试样的岩石强度和渗透系数进行室内试验测试对比,并针对华北型煤田典型煤区的奥灰顶部风化充填带进行压水试验。

深部矿井水害特征、评价方法与治水勘探方向

煤矿区深部含水层具有大埋深、高水压等特点,是深部煤层开采水害防范的主要对象。在分析深部矿井水害特征基础上,探讨了深部矿井地应力对裂隙水介质的力学作用机制,阐述了深部矿井裂隙水介质呈现“高承压、弱富水”的力学原因;基于古岩溶成因演化理论,结合水文地质勘探和野外调查,分析探讨了华北型煤田奥陶纪石灰岩顶部“古风化壳”的岩溶充填结构特征,并将奥陶纪石灰岩顶部“古风化壳”划分为“隔水充填带、弱隔(透)水充填带、富(透)水带”3种岩溶充填结构类型,给出了各类型确定的关键指标和阈值,明确了奥陶纪灰岩顶部存在隔水层的理论依据。将深部矿井煤层开采底板突水划分为“完整底板突水模式”和“集中破碎带底板突水模式”,分析了深部煤层开采底板含水层高水压作用下沿用传统的突水系数法( T s 法)评价底板突水危险性的局限性,引入隔水层厚度( M )和含水层钻孔单位涌水量( q )2个指标,结合突水实例分析,提出了“修正的突水系数法”( T s -M-q 法,适用于完整底板突水模式);在实验和实例分析基础上,提出“渗-流转换”突水评价法(适用于集中破碎带底板突水模式)。最后,基于深部矿井水害特征及突水模式,结合深部含水介质赋存、构造发育特征和地应力场方向,阐述了深部矿井水害精准查治一体化勘探关键技术。

永红井田下组煤层有效隔水层及底板突水危险性评价研究

与以往研究的不同之处,在于本研究通过之前钻孔及本次施工钻孔,从下组煤层底板至峰峰组顶面隔水层以及奥灰顶部岩层相对隔水层两个方面来分析计算,综合考虑了永红井田下组煤的有效隔水层。通过分析计算得出了下组煤层底板有效隔水层厚度区间值为45.88~64.32 m,并在此基础之上对下组煤层底板突水危险性进行了评价,得出了永红井田全区突水系数小于0.06 MPa/m,表明其突水威胁性小。