D-InSAR技术在井筒注浆对地表及建筑物变形影响中的应用

【目的】在煤矿工程中,井壁破损对生产设施和矿井安全构成威胁,全面监测井筒注浆工程对工业广场及地表建筑物的变形影响,对保障矿山生产安全至关重要。【方法】以皖北矿区某煤矿为研究对象,选取覆盖该区域的15景Sentinel-1A影像数据,采用D-InSAR技术全面监测井筒注浆修复前后工业广场及地表建筑物沉降,获取地表及建筑物动态变形信息,分析注浆活动对地表及建筑物的影响。【结果和结论】结果表明:(1)与水准监测相比,D-InSAR地表沉降监测平均误差1.70 mm,最大误差2.70 mm,D-InSAR监测地表微小沉降精度可靠,能够满足工业广场地表沉降监测的要求。(2)井筒注浆工程实施前,地表及建筑物呈持续下沉状态,监测期内最大下沉量为21.12 mm;工程实施后,下沉趋势减缓并逐渐趋于稳定;分析井筒应变监测结果和地面沉降变化可知,注浆修复效果显著,在井筒周围形成隔水帷幕。(3)监测结果显示,注浆前后地表经历“连续下沉-微量抬升-轻微沉降-趋于稳定”4个阶段,注浆初期对地表沉降抑制作用明显,注浆中地表略有抬升,工程结束后轻微沉降直至稳定。(4)监测期内主要建筑物变形均小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(2017版)中Ⅰ级损坏标准,处于安全阈值内,注浆工程进一步减缓了建筑物变形,保证建筑物安全。

煤层底板含水层区域注浆改造浆液扩散范围现场示踪试验

近年来,为解放底板高承压灰岩水上煤炭资源,华北煤田普遍采用地面定向钻技术,对太原组薄层灰岩进行区域性注浆加固改造(习称“底板区域治理”),以全面封堵灰岩岩溶裂隙并阻断垂向导水通道。该技术中,与浆液扩散范围(半径)密切相关的“水平分支孔”孔间距设计问题,一直备受学界和业界的广泛关注。皖北矿区底板区域注浆工程量大,特别是深部资源开采,将有数十亿元的注浆工程,有必要查清浆液扩散范围真实数据。为此,以皖北矿区恒源煤矿为研究基地,依托Ⅱ63采区底板区域治理工程,设计并实施浆液扩散范围示踪试验,在中间的水平分支孔(Z8-7)投放荧光剂(示踪剂),在两侧的水平分支孔(Z8-6、Z8-8)以及交叉分支检测孔(Z8JC)取岩屑样鉴别荧光水泥,以获得浆液扩散范围,进而在浆液扩散影响因素分析基础上,构建恒源煤矿底板区域注浆治理浆液扩散范围计算公式。结果表明:①综合岩屑现场及室内鉴别结果分析,获得恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围为38.3~44.0 m,且水泥分布密集区在水平分支孔浆液扩散范围30 m以内,该区域内注浆效果最佳。②通过现场岩屑快速鉴别与室内岩屑精准鉴别,取得的浆液扩散范围基本一致,证明了荧光示踪浆液扩散范围的有效性。③通过对比分析,认为在计算参数、边界约束等符合实际注浆工况条件下,浆液扩散范围理论计算和数值模拟结果,与现场示踪试验实测结果较为接近。④利用示踪试验过程中的压水试验及注浆参数、钻遇构造及水文地质响应等数据,考虑重力、构造、地下水径流等因素影响,借助SPSS非线性拟合软件,得到恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围计算公式。⑤基于恒源煤矿受注层实际地质、水文地质条件,利用拟合的浆液扩散范围计算公式得出Ⅱ63采区Z8场地浆液扩散范围为37.8~42.9 m,与浆液扩散范围示踪试验实测结果相近,计算公式可在类似条件下推广应用。本次煤矿底板区域注浆浆液扩散范围现场示踪工程试验,不仅取得了浆液扩散范围的真实数据,而且阐明了浆液扩散与多种地质、水文地质因素之间的内在联系,揭示了超深、超长定向钻注浆浆液扩散机理,构建了浆液扩散范围计算公式,为类似条件下底板区域治理工程水平分支孔孔间距的合理设计提供了参考依据。

陕北煤矿区采动地裂缝对土壤抗蚀性的影响规律研究

采动地裂缝作为黄河流域中游陕北煤矿区最突出且典型的采动损害问题,引发的水土流失效应已经不容忽视。为了研究采动地裂缝发育对周边土壤抗蚀性的影响,以陕北煤矿区内宽度分别为0~10,10~20,20~30 cm的采动地裂缝为研究对象,采集周边水平距离80 cm以内,垂直深度40 cm以浅的土壤,测定了土壤水稳性团聚体、微团聚体、无机黏粒、有机黏粒、物理性质类等14个国内外学者普遍关注的用于量化表征土壤抗蚀性的指标,采用层次分析法、敏感性分析和因子分析相结合的方法甄选出陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要量化指标,构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型。结果表明:①综合层次分析法、敏感性分析和因子分析,甄选确定>0.25 mm水稳性团聚体含量、平均重量直径、<0.001 mm细黏粒含量、土壤团聚度、土壤有机质含量5个指标作为量化表征陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要指标;②采动地裂缝会降低周围土壤的5个土壤抗蚀性重要指标,其中>0.25 mm水稳性团聚体含量变化最为明显;③根据土壤抗蚀性重要指标,基于因子分析原理构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型;④采动地裂缝会降低周围土壤的抗侵蚀综合能力,且该效应随着裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强,当距采动地裂缝的水平距离超过170 cm时,采动地裂缝对周围土壤抗侵蚀综合能力的负效应基本消失,其可作为陕北采动地裂缝发育区土壤侵蚀防控的关键区域。研究结果可为黄河中游陕北矿区水土流失的精准防控提供科学依据。

巴拉素井田煤层富水性分区及水量预测

针对陕北侏罗纪煤田榆横北区内巴拉素煤矿2号煤层水的特殊赋存运移形式,通过理论分析、计算预测、模拟实验等方法,对其水资源量、富水性分区及矿井涌水量进行研究,探索了研究区内2号煤层水特征;根据影响富水煤层的煤层厚度、煤心采取率、煤层孔隙度、煤层顶板含水层厚度及底板隔水层厚度5项主控指标,结合ArcGIS软件和层次分析法(AHP)对研究区2号煤层进行富水性预测分区,并对不同工况条件的井下掘进(含井筒、巷道)、回采工作面涌水量进行预测。结果表明:估算的研究区2号煤层水静储量约0.665亿m^(3),动态补给水量约362m^(3)/h,煤层水整体呈衰减趋势;2号煤层富水性分为相对强、较强、中等、较弱和弱5类富水区。

鄂北浅覆盖金矿区土壤微细粒分离测量有效性试验研究

土壤微细粒分离测量方法在中国北方覆盖区的找矿勘查中应用效果良好,但南方覆盖区地理、地质条件与北方地区差异较大,需要开展有效性试验研究。在鄂北浅覆盖区的小玉皇顶金矿区及卸甲沟金矿区开展方法试验,探讨该方法在鄂北浅覆盖区的采样要求,并分析其探测隐伏矿的有效性。研究表明,鄂北浅覆盖区土壤微细粒分离测量方法较为适合的采样层位为BC层,采样粒度为-120目,能够在保证结果科学性的前提下兼顾采样的经济性。卸甲沟金矿区隐伏矿脉上方的土壤微细粒分离测量结果中存在Au-Pb-Bi-W综合异常,与该区原生晕异常组合相似,表明其极有可能是隐伏矿体的地表显示,说明土壤微细粒分离测量方法在鄂北浅覆盖区具有一定的有效性。

湖南梅田矿区石子岭北段地质构造及煤层空间分布解析

梅田矿区石子岭北段位于南岭山脉南侧,隶属湖南省宜章县梅田镇。区内地质构造研究是煤炭矿产开发的关键环节。本文在研究梅田矿区石子岭北段成矿地质背景、地层、构造、含煤岩系的基础上,进一步分析地质构造对煤层空间分布的影响,为该地区煤炭生产和勘探提供依据。

神木北部采煤塌陷区土壤与植被损害过程及机理分析

通过对神木北部矿区塌陷1,2,5,10 a和未塌陷区植物群落调查和土壤因子的测试,采用因子分析法评价不同塌陷年限下土壤质量和植被群落结构优劣,同时利用冗余和聚类分析研究植物与土壤之间的相互关系及其演变过程,并基于植被—土壤耦合模型判定不同塌陷年限土壤因子与植物群落耦合协调性。结果表明:1采煤塌陷导致土壤质量与植被群落结构退化,随塌陷时间的推移呈自然恢复趋势,但10 a后植物群落结构和土壤因子仍不能恢复至塌陷前水平;2塌陷区土壤有机质、水分和微生物是决定土壤质量和植物群落特征的关键因素,土壤硬度、速效养分和酶类是影响植物群落生产力和多样性的主要因子,而全效养分影响力相对较小;3塌陷区植物群落和土壤质量大体经过退化、改善和初步恢复3个不同的演化阶段;4植被与土壤的耦合协调性塌陷2 a后逐渐恢复,但至塌陷10 a仍未达到未塌陷地良好的耦合协调水平。神木北部矿区采煤对生态环境损害具有一定延续性,且生态系统自修复能力较弱,因此减少采动损害、实行自然与人工修复相结合应作为该区生态环境保护的指导原则。

基于层次分析法构建巢湖北部矿区环境评价体系

文章以巢湖北部矿区为例,根据层次分析法(AHP法)在环境定量评价中的构建方法,计算因子权重并进行一致性检验,对目标层逐层加权计算出评价值,从而实现定量化,再通过加权计算建立评价等级,制定出了矿山环境评价体系。评价结果表明,巢湖北部矿区地质环境属于中等环境。

陕北高强度采煤对生态环境影响的研究进展

高强度采煤对生态环境影响显著。从高强度采煤对生态环境的影响、生态环境评价、生态补偿和生态恢复4个方面评述了陕北地区煤炭开采对生态环境影响的研究进展,可为陕北地区煤炭资源可持续开发与生态环境协调发展提供参考。

皖北矿区深层岩溶水微量元素主成分分析

在皖北矿区采取了 2 2个深层地下水水样 ,测试Ag、Al、As、Ba等 2 0种微量元素 ,建立了主成分分析模型。根据元素相关性、特征值与累计方差贡献率 ,进行了地下水的微量元素主成分分析和地下水主成分解释。在此基础上建立了皖北矿区主要突水水源 4个主成分的判别表达式 ,从而得出结论 :矿区地下水 ,特别是四含、太灰与奥灰 3个突水含水层微量元素的质量浓度与 4个主成分息息相关 ,可以简单地把第一、二、三、四主成分概括为地下水的溶滤作用、越流作用、河流补给作用、构造裂隙补给作用。

陕北煤矿区采动地裂缝对土壤微生物和酶活性的影响

采动地裂缝作为黄河流域中游煤矿区重要的采动损害类型,影响土壤特性的规律和机理成为当前的研究热点。为了探究采动地裂缝对土壤微生物特性的影响,本试验以陕北煤矿区宽度为20~40 cm的采动地裂缝为研究对象,采集裂缝周围(水平距离60 cm以内、垂直深度60 cm以浅)土壤样品,分别采用绝对定量PCR方法和酶标仪法测定土壤细菌、放线菌、真菌的数量和蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶的活性,剖析土壤微生物和酶的空间变化特征,在此基础上结合土壤主要理化特性指标,解译采动地裂缝在小空间尺度上对土壤微生物和酶的影响规律。结果表明:①采动地裂缝对土壤微生物和酶活性的负效应主要表现为水平差异特征,且随着水平距离的增加而明显减弱,当水平距离分别超过75,79,91,72,82,89,96 cm时,采动地裂缝对土壤细菌、放线菌、真菌、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶的负影响基本消失,土壤微生物特性的损害主要集中在水平距离1 m以内,可作为陕北煤炭开采损害区土壤微生物精准修复的靶向区域;②采动地裂缝周围土壤中有机质、铵态氮、有效磷、有效钾、黏粒、含水率、pH的平均降幅依次为9.51%~28.46%,24.31%~29.31%,12.61%~19.86%,4.11%~6.51%,4.93%~6.46%,2.36%~4.26%,1.98%~3.14%,而土壤有机质、黏粒、铵态氮、有效磷等指标与土壤微生物数量、酶活性在小空间尺度上都存在高度的一致性,相关系数分别超过0.8和0.6,均达到极显著正相关水平(P<0.01),土壤有机质质量分数也应作为陕北煤矿区采动地裂缝影响土壤微生物和酶活性的重要指示性因素。越靠近采动地裂缝,土壤微生物和养分特性的自我恢复潜力越小,修复时应着重考虑人工方式,反之应着重考虑自然方式。

皖北矿区主要突水水源水文地质特征研究

在皖北矿区的临涣、海孜等矿对4个主要突水含水层采取了38个水样,做了放射性同位素氚含量分析,绘制了四含水、太灰水和奥灰水氚含量等值线图.四含水氚含量出现在任楼矿、海孜矿和临涣矿3个高值区,w(T)=10～14Tu;煤系水最大氚含量在任楼矿,为6Tu,其余测定均小于5Tu;太灰水最大氚含量出现在张庄和杨庄矿,以此为中心向四周逐渐减小;奥灰水在二电厂和物探队出现w(T)=16～20Tu的高值区.在此基础上,得出皖北矿区主要突水、含水层的循环特征及其相互间的水力联系.

广东大宝山多金属矿山环境污染问题及启示

大宝山矿是一座大型多金属矿床。目前,在该地区有国家和地方以及个体等多家矿业单位进行开发,由于长期开采对周围水土中释放了大量重金属和酸性废水,从而破坏了自然环境。本文根据该矿床的矿山地质环境和污染现状,认为矿山在进行规划、布局和建设时应充分考虑到自然条件对环境的自然净化作业,即矿山的尾砂坝应建在碳酸盐岩地层区,矿山的废渣、废石、废水尽可能地在上游碳酸盐岩地区多停留,以减少重金属和酸性废水对下游的影响。

神木北部矿区5-2煤层厚度及其底板高程趋势分析

为了查清神木北部矿区5-2煤层赋存特征及成因,选取了该矿区172个典型钻孔数据,用趋势分析法研究了5-2煤层的厚度及其底板高程度变化特征。结果显示:该区煤层厚度总体为南北厚中部薄,东厚西薄;底板高程为南北高中部低,东高西低;煤层厚度和其底板高程间普遍存在正相关关系。在该区构造稳定的背景下,后期改造对煤层厚度及其底板的影响很小,煤层赋存特征主要受沉积与剥蚀的控制。

陕北煤矿区地表水环境评价与水矿捆绑模式研究

为解决陕北煤矿区的经济发展与水环境关系问题,更好地保护矿区生态和环境。通过对陕北主要煤矿区地表水环境的实际监测和对历年水文数据分析,依据国家《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》和内梅罗水质指数法进行了地表水环境安全评价。结果表明:(1)陕北煤矿区的窟野河、窟野河人工湖、秃尾河、榆溪河、中营盘水库和红碱淖的水均为Ⅴ类水质;(2)陕北煤矿区地表水量呈减少趋势,尤其是煤炭工业发展以来地表水量减少速度加快。针对陕北煤矿区的水环境问题,提出了能解决经济发展与水环境关系的"水矿捆绑"发展模式,介绍了其具体实施流程,并对该模式的优势及不足之处进行了评价。

皖北任楼煤矿深层地下水稀土元素地球化学特征

为深入理解深层地下水稀土元素特征及水岩相互作用机制,对皖北任楼煤矿深部3个含水层(四含、煤系和太灰水)的稀土元素组成进行了测试,结果表明:任楼煤矿3个含水层均以轻稀土亏损、重稀土富集为特征,且均具有明显的Eu正异常以及普遍的负Ce异常,但三者在稀土分异、Eu和Ce异常程度上存在区别。其中,Ce异常主要与氧化还原程度有关,正Eu异常除与测试中BaO的干扰有关外,还原环境下Eu2+和Sr2+之间的交换、氧化状态下Eu3+的存在形态可能分别对太灰水和四含水存在影响,但煤系水中最高的正Eu异常可能主要与斜长石的溶解有关。除围岩成分、温度及酸碱度之外,稀土元素无机形态可能对地下水稀土分异程度存在重要影响。含水层之间稀土元素特征的差异为水源识别提供了可行性,但仍需进一步的研究以待证实。

陕北采煤沉陷区黄土坡面形变与土壤侵蚀效应

为研究采煤沉陷区黄土坡面变形规律及水土流失情况,以陕北黄土采煤沉陷区地质条件为基础,地表黄土坡面4种典型自然坡形(直线坡、凹形坡、凸形坡、复合坡)和5种典型自然坡度(5°,15°,25°,35°,45°)为考察变量,采用有限差分数值模拟法,构建20个数值模型,模拟分析了在既定采矿条件下,采煤沉陷对地表黄土坡面形态的影响规律,基于数值模拟结果采用美国通用土壤流失方程计算坡面土壤侵蚀模数并分析其变化规律。结果表明:任意自然坡形和坡度下,采煤沉陷均会导致黄土坡面坡度增大,增幅为12.60%~3.57%,自然坡度为15°~35°时,凹形坡坡度增幅最明显;任意自然坡形和坡度下,采煤沉陷均会导致黄土自然坡面坡长减小,降幅为3.92%~12.11%,自然坡度为5°~35°时,凹形坡坡长降幅最明显;任意自然坡形和坡度下,采煤沉陷均会导致黄土坡面土壤侵蚀模数增大,增幅为2.70%~12.64%;自然坡度小于15°和等于35°的凸形坡、介于15°~25°的凹形坡土壤侵蚀模数对采煤沉陷最敏感。研究成果可为陕北采煤沉陷区水土流失防治提供科学指导。

北天山矿区地应力分布与区域构造关系研究

针对北天山矿区地质构造复杂和地应力分布离散性大的问题,采用区域地质构造分析和现场地应力测量相结合的方法分析北天山矿区地应力分布规律。研究表明四棵树煤矿地应力场类型为σH>σh>σv,水平主应力方向位于北北东向且与区域构造应力场最大主应力方向一致。较高的区域挤压应力和巷道走向与区域主应力方向的不合理是造成矿井采准巷道矿压显现强烈的主要原因,并根据地应力分布特征和矿井开拓情况,建议后续工作面巷道轴线的最佳方位角为北北东16.3°,提高了复杂构造条件下的矿压控制的科学性和可靠性。

陕北黄土沟壑区采煤沉陷对黄土坡面形态的影响及土壤侵蚀效应

如何破解煤炭开采与水土保持之间的矛盾是实现黄河中游生态环境保护与高质量发展的关键科学问题。以陕北黄土沟壑采煤沉陷区为研究对象,针对主采煤层典型地质赋存特征,以地下采厚(9、7、5 m)、地表黄土自然坡面坡形(直线坡、凹形坡、凸形坡、复合坡)及坡度(5°、15°、25°、35°、45°)为变量,共构建了60个数值模型,基于FLAC3D数值模拟软件,研究了黄土自然坡面形态及采厚耦合作用下坡面形态演变过程与规律,基于中国水土流失方程(CSLE模型)和经验模型,计算与分析了沉陷坡面土壤侵蚀效应。研究结果表明:(1)采煤沉陷会导致地表黄土坡面的坡度增大,且采厚越大,坡度增幅越大,大采厚对采煤沉陷导致地表黄土坡面坡度的增大会产生明显的放大效应。凹形坡普遍对沉陷坡面坡度的影响显著,特别是在“采厚5 m、自然坡度>5°”“采厚7 m、任意自然坡度”“采厚9 m、自然坡度≤35°”条件下。无论在何种采厚及自然坡形情况下,≤5°的自然坡度对沉陷坡面坡度增幅的影响均最大。(2)采煤沉陷会导致“年侵蚀降雨”尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M_(1)增大,且采厚越大,M1增幅越大;当采厚从5 m增大到9 m时,M_(1)增幅增大了1倍左右;4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M1的增幅影响最大;≤15°自然坡度对沉陷坡面的M1增幅影响较大,在“采厚9 m,凹形坡”条件下超过了20%。(3)采煤沉陷会导致“典型场次侵蚀降雨”尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M_(2)增大,且采厚越大,M_(2)增幅越大;当采厚从5 m增大到9 m时,M2增幅增大了1倍左右;4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M2的增幅影响最大;≤15°自然坡度对沉陷坡面的M2增幅影响较大,在“采厚9 m,凹形坡”条件下超过了17%。该结果可为陕北矿区乃至黄河流域中游的水土流失精准防控与高质量发展提供科学依据。

皖北矿区深层地下水径流规律的地球化学反演

利用NetpathXL2.14对皖北矿区典型煤矿(朔里矿、张庄矿、杨庄矿和刘二矿)太灰水的地球化学特征进行了模拟,并结合与区域构造有关的地貌特征和水文地质条件对该区深层地下水径流规律、控制因素、地下水子系统划分及煤矿开采过程对深层地下水的影响进行了讨论。模拟结果表明:皖北矿区太灰水径流受不同的地下水子系统控制,其中朔里矿—张庄矿—杨庄矿与刘二矿处于不同的水文地质单元,朔里矿—张庄矿—杨庄矿太灰水径流主要与区内北高南低的地形有关自北东向南西流动的;朔里矿—张庄矿段太灰水的补给和排泄可能受到了矿井人工排泄的影响,但太灰水主体径流方向并未明显改变;对张庄矿—杨庄矿段而言,需要着重考虑区内太灰水的补给和排泄情况,以防止相关突水事故的发生。