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。

蒙陕接壤区典型煤层开采顶板周期性变形破坏及涌水响应特征

【目的】煤矿开采扰动破坏覆岩含/隔水层结构,造成集中涌水,影响矿井安全生产。【方法】以面临典型顶板砂岩水影响的蒙陕接壤区主采煤层3-1煤开采涌水过程为研究对象,采用物理相似材料模拟、数值仿真模拟、现场原位监测3种方法,并通过周边地质和开采条件相似矿井实测数据对比,分析3-1煤典型工作面开采煤体支承压力周期性演变规律、采空区覆岩垂直位移演变规律,定量获取实验室尺度顶板周期来压瞬间微震能量事件变化特征,综合确定顶板导水裂隙带随采发育特征,以及顶板涌水随覆岩周期来压变化趋势。【结果和结论】结果表明:工作面开采覆岩初次来压步距约40 m,周期性来压步距12~28 m,覆岩破断瞬间围岩周期性来压呈现“先增后稳定”的趋势,在推进至第5次周期来压(推进距离约140 m)时,超前支承压力达到最大,覆岩周期性来压、破断瞬间垂直位移峰值随采呈现“之”字型变化特征,同样,位移监测数据、微震事件总能量、事件频次等综合指标指示,在第5次周期来压瞬间,覆岩垂直位移变幅达到最大值,塑性区发育高度基本稳定;导水裂隙带发育最大高度在120 m左右,将直接沟通顶板直罗组砂岩含水层,地下水随采涌入过程呈现两种波动变化趋势,工作面全局尺度上呈现长周期“阶梯式”增长趋势,“阶梯式”增长周期约800 m,局部尺度呈现短周期“振荡”变化趋势,振荡周期16~48 m,并表现出与覆岩来压周期之间的较强关联性。研究结果为工作面涌水量预测以及防排水系统布设提供参考。

陕北典型矿区烧变岩岩石学及地球化学特征

烧变岩的基础研究对烧变岩水害的防治具有至关重要的作用。为了掌握烧变岩的岩石学及地球化学特征,以陕北榆神矿区张家峁井田为例,通过野外调查、钻孔岩心取样及分析测试,对该区烧变岩的主量元素、微量元素及稀土元素进行了详细的测定分析。结果表明:岩体上部、下部、邻近岩层分别属于板状烧烤岩、烧熔岩、层状烧烤岩,不同类型的烧变岩岩性、颜色、孔隙发育等特征随烧烤程度的不同而呈现较大的差异性。岩石地区化学结果表明:烧变岩主要化学成分为SiO_(2),其次为Al_(2)O_(3)。岩样主要为硅铝质,镁铁组分含量相对较少,TFe_(2)O_(3)+MgO质量百分比平均值为4.76%,而原岩与烧变岩差异性小,与烧熔岩样亦相差不大。烧变岩亲石元素Rb、Ba含量高于原岩,Sr含量低,Cs、Eu相对亏损。高场强元素中Zr含量在所有样品中普遍较高,不同类型岩样均具有Y、Zr、Pb富集的特征,高场强元素在烧变作用下变化不显著。样品的稀土元素丰度趋势曲线出现差异化分布,标准沉积岩与上地壳平均值相较球粒陨石相似性更高。研究结果将为研究烧变岩的成因及形成环境提供基础支撑。

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。

榆神矿区隆德煤矿侏罗系岩层微观孔隙结构及分形特征研究

岩层的微观孔隙结构决定其自身的渗透性,并影响着矿井涌水量的大小,提前研究岩层的微观孔隙结构对矿井水害防治具有重要意义。以隆德煤矿侏罗系岩层为研究对象,通过现场采样、X-射线衍射、CT扫描、压汞试验等方法,研究了岩层的微观孔隙结构;基于分形理论、系统聚类分析等方法,划分了孔隙结构类型。结果表明:隆德煤矿侏罗系岩层矿物成分主要包括石英、长石、碳酸盐,含量44.1%~90.9%,构成了主体骨架,胶结物含量6.1%~34.3%;岩层的平均粒径101.80~203.82μm,连通孔隙度3.41%~20.60%,顶部以及底部的孔隙度较大,中间部分的孔隙度小,孔隙结构的复杂程度一般。根据系统聚类法将侏罗系岩层的微观孔隙结构划分为三类,从Ⅰ~Ⅲ类,孔喉半径、孔隙度、渗透率及分选系数依次减小;排驱压力、相对分选系数及中值压力依次增大;储存地下水的能力依次减小,富水性依次减弱。研究成果从微观角度上为矿井疏放水工程施工靶区的圈定提供了理论依据,对矿井水害防治具有积极的指导意义。

SMOGN过采样下导水裂隙带高度的MPSO-BP预测模型

【目的】导水裂隙带高度是顶板(涌)突水、地下水资源流失的重要影响因素之一,是矿井防治水研究的重点。【方法】为了准确地预测煤层顶板导水裂隙带高度,选取开采深度、采高、煤层倾角、工作面斜长、硬岩岩性比例系数和开采方法作为导水裂隙带高度的主要影响因素,搜集200例导水裂隙带高度实测样本作为模型数据集。首先,采用自适应高斯噪声过采样方法(synthetic minority over-sampling technique for regression with Gaussian noise,SMOGN)对原始数据集进行过采样,结合8折交叉验证,将平均绝对误差(EMA)、均方根误差(ERMS)和决定系数(R2)作为回归模型评价指标,确定最优的BP神经网络结构,然后采用变异粒子群优化算法(mutation particle swarm optimization,MPSO),对神经网络的初始权值和阈值进行优化,最后将优化后的预测模型进行工程现场应用。【结果和结论】结果表明:该数据集下,BP神经网络采用Huber loss和Adam一阶优化算法,训练速度和稳定性均得到提升,最优激活函数为Tanh,最优隐藏层节点数为12。当MPSO种群数量为50时,模型性能最好,经过SMOGN过采样和MPSO超参数优化,最终训练集的EMA为0.163,ERMS为0.216,R2为0.948,验证集的EMA为0.260,ERMS为0.341,R2为0.901。在现场应用中模型预测的相对误差均在9%以下。结果表明结合SMOGN技术和MPSO超参数优化技术,显著提高了模型的稳定性和泛化性能,改善了样本分布特征,提高了样本利用效率和模型预测效果,对导水裂隙带高度模型的训练和预测具有重要的借鉴意义。

港口危险货物集装箱堆场应急事故废水量计算方法研究

在港口危险货物集装箱堆场项目环境影响评价、环境风险应急预案和环保工程设计中,存在估算应急事故废水发生量与环境应急收集池有效容积不一致问题。通过参考GBT 50483—2019《化工建设项目环境保护设计标准》等相关研究成果,结合港口危险货物集装箱堆场工程特点和环境风险特征,构建了港口危险货物集装箱堆场的应急事故废水发生量计算方法,建立了计算公式并明确相关计算指标和参数取值,进行了工程案例分析。该计算方法为港口危险货物集装箱堆场的应急事故废水发生量估算提供了一种解决方案,为应急事故废水收集池容积设计提供重要技术参数,对有效控制应急事故废水对周边水环境和土壤环境污染风险具有重要意义。

深部煤层开采矿井水害成因与防治技术

为促进深部煤层开采的安全和可持续发展,对深部煤层开采矿井水防治的关键技术和措施进行探讨。在分析水害成因和矿井水质量控制重要性的基础上,对井下直流电检测法、瞬变电磁检测法和音频电穿透视检测法等矿井水害检测技术的优缺点和适用范围进行论述,并对填充开采、防水闸门、煤层底板加固注浆和奥灰疏水降压等矿井水害防治技术进行介绍。最后,强调了水质监测与分析、水处理技术、水质调控与调节等防治水质量控制措施的重要性。

郭家河煤矿离层水害防治经验探讨

针对永陇矿区顶板离层水害问题,以郭家河煤矿为例,总结了其高位离层水害治理经验与防治技术,主要通过“加大科研攻关+设计施工一体化”的技术服务合作模式,提升了矿井重大灾害治理能力与水平;通过“地面源头抽水+强化井下排水系统+加强预警撤人管理”为核心的三重防治措施,从源头上消除了水害威胁;通过“一面一策+水情日分析制度+防治水工作例会制度+工作面精细管理制度”,构建了煤矿重大灾害防治管控体系,总体实现了超前预防与灾害治理,进而遏制了灾害事故发生;为邻近矿区其他类似矿井的重大灾害治理工作提供了参考与借鉴。

小型河道流域整治工程水土流失危害分析及防治措施评价

针对小型河道流域整治工程的水土流失问题展开研究,首先分析了水土流失的现状和危害,然后对流域进行了水土流失防治分区划分,并提出了相应的水土保持措施和防治措施。通过对民田涌流域的实例分析和评价,提出了一些有效的防治措施,以提高防治效果和生态环境的稳定性。研究表明,采取合适的水土流失防治措施可以有效减少水土流失,改善生态环境,提高流域的可持续发展能力。

矿井离层水致灾机理及防治技术研究进展

针对矿井离层水研究过程中遇到的突水征兆不明显、瞬时水量大、滞后性、周期性突水等问题,从覆岩移动离层水的形成、致灾机理、防治技术、监测预警等方面总结了离层水的研究进展。首先,离层水害是采动影响下采场覆岩运动和地下水运移的耦合结果,通过挖掘突水事故的表现、覆岩结构及运动特征、地下水运移规律及相关研究现状,总结得到离层水形成基本条件和发育的基本规律,分析了突水引发溃泥溃砂、瓦斯涌出、切顶压架等次生灾害的机制。其次,离层垂向和水平位置预测是离层水害防治的关键,在此基础上,介绍了地面直通式泄水孔、离层注浆充填、井下截流孔、井下导流孔和地面抽排水孔5种离层水的防治方法,并结合工程实际,分析了其特点和问题。最后,利用岩层的岩性组合及地质条件评价离层突水危险性,同时结合回采过程中的多物理场监测数据实现了离层水害的预警,并提出了离层水研究过程中亟待解决的问题。

金属矿山地下水防治与协同保护技术研究

为解决金属矿山开采过程中矿山防治水与水资源、水生态保护之间的矛盾,本文开展了金属矿山地下水防治与协同保护技术研究。通过开展堵水帷幕浆液扩散搭接研究,取得如下成果:(1)修正了深孔单级压水试验、给定帷幕钻孔孔间距计算公式;(2)根据矿山防治水高承压、强岩溶、低渗透工况需要,研发室内注浆试验平台,并开展了注浆试验指导施工需要;(3)攻克受限空间帷幕注浆难题,实现钻探分支孔造斜段小于5 m、分支顶角大于37°,将布孔间距提高至36 m;(4)研发“制-注-控”一体化智能注浆系统,实现“1站4机16台套”多通道联动协同;(5)建立矿山防治水注浆技术体系,突破帷幕堵水-基岩回灌交互影响和多层位基岩大流量回灌技术瓶颈,重构矿区尺度内“帷幕-回灌”地下水双流场水力新平衡。本研究提出的金属矿山地下水防治与协同保护技术实现了矿山安全开发与地下水资源、水生态的协同保护,相关技术成果可为大水金属矿山防治水工作提供借鉴。

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。

水溶开采诱发盐矿地面沉降机理分析及防治措施

随着我国国内采用水溶法开采盐矿的普及,地面沉降地质灾害屡屡发生。因盐矿地面沉降一般具有持续周期长、影响规模大、破坏性大、突发性强、反复发生、发生前后通常伴随地面冒卤等特点,总结后发现采空区造成溶腔顶板失稳、岩石节理裂隙或断层发育、溶腔顶板岩体承载力低是水溶开采诱发盐矿地面沉降的3种主要因素。主要从事前预防、事中控制以及事后补救这3个方面提出了相关的地面沉降治理措施建议。

基于压水试验和放水恢复试验的帷幕注浆效果综合评价

帷幕注浆效果评价是烧变岩水害治理工程的重要环节之一。以神南矿区柠条塔煤矿S1232工作面烧变岩水害帷幕注浆工程为背景,分别采用检查孔取心验证、注浆前后压水试验、抽水试验以及井下放水试验恢复试验对治理工程的效果进行综合评价。结果表明:通过取心发现在风化基岩段均见到水泥浆液充填薄层,J5孔在烧变岩烘烤岩层中发现浆液填充。注浆后续孔的渗透系数在1.8×10^(-5)~5.9×10^(-5)cm/s,5个检查孔中的渗透系数为2.2×10^(-5)~3.7×10^(-5)cm/s,注浆后的抽水孔渗透系数在2.7×10^(-5)~4.3×10^(-5)cm/s,均属于弱透水。对比注浆前的渗透系数,注浆后的所有钻孔压水试验获得的地层渗透系数均减少了一个数量级。根据抽水实验结果,注浆前后的渗透系数为190×10^(-6)cm/s和(1.04~2.2)×10^(-6)cm/s,单位涌水量分别为0.045 9L/(s·m)和0.014 1~0.023 1L/(s·m)。注浆后帷幕区域渗透系数远小于注浆前,相差两个数量级,单位涌水量数值也减小了一半。根据注浆前后放水恢复实验结果,注浆后井下关水水位恢复均较注浆前快。F26孔初始水压0.8MPa,注浆前后分别在关水后4h和5.55h后水压恢复至0.6MPa;地面长观孔的水位变化也呈现相同的趋势。以上所有指标均反映了帷幕注浆工程对火烧区改造明显,和南侧烧变岩含水层的水力联系明显降低,帷幕注浆效果明显。研究成果将为类似条件的烧变岩水害治理工程效果评价提供参考。

南阳煤矿防治水分区划分及防治措施研究

以南阳煤矿3号煤层为例,依据其井田水文地质条件及防治水措施实施情况,对矿井水患类型进行分析,将矿井合理划分为可采区、缓采区及禁采区3个区域,针对各区的水害类型制定相应的防治水措施,并明确了矿井“三区”转换条件,提升了矿井防治水工作水平,为保障煤矿安全高效开采提供技术依据。

煤矿工作面水害防治技术及安全性评价

为降低煤矿工作面底板灰岩的水害威胁,实现其安全开采。本文针对物探、钻探发现的5个异常区,采取底板钻探探查和注浆加固相结合的治理措施,施工钻孔48个,完成注浆量49.85 t;顺层加固钻孔14个,共注水泥52.6 t,并通过应用钻探方法,探查验证和治理这5个物探异常区。最后通过分析评价煤层隔水层隔水性能、隔水层厚度、突水系数和水害防治技术,结果表明该工作面可以进行带压安全开采。

不同水文地质单元水害预防及治理研究

大社矿在巷道掘进过程中严格执行超前钻探和超前物探工作,虽然能有效预防水害事故,但存在工程量大、费用高、施工工期长等问题,影响矿井正常衔接。针对这一情况,本文以《煤矿防治水细则》中要求的“一矿一策、一面一策”为基础,根据大社矿矿井未来生产规划及不同水文地质单元的特性,分区制定水害治理措施,保证矿井安全生产的同时,节约生产成本,确保矿井正常生产衔接。

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。

荆州市长江堤防生物隐患防治综合措施研究

荆州市长江堤防生物隐患防治受财力有限、技术手段不足等因素影响,存在蚁患翻挖整治不彻底、人工普查存在盲区等问题。为加强荆州市长江堤防生物隐患防治能力建设,分析和研究荆州市长江堤防白蚁等生物隐患原因、演变规律、危害程度的基础上总结荆州市长江堤防生物隐患防治措施,从运行管理方面提出有关工作建议,对未来长江堤防生物隐患综合治理提供了一定的思路,为堤防工程标准化管理提供安全保障。