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。

煤层采动底板突水物理模拟试验研究进展与展望

【目的】底板突水受特定地质构造、水-岩-应力及采掘扰动等因素叠加作用影响,具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获取灾变各阶段多源数据信息,因而在底板突水研究方面具有独特优势。【结果和结论】对底板突水经典理论、标准规范、模拟试验及工程实践等方面的研究成果进行了回顾,重点梳理了试验加载装置及水压模拟方式、相似材料研制及其特性指标、监测技术及其观测系统设计3个方面的研究进展,其中在模拟水-岩-应力耦合环境下的三维模型底板突水全过程信息捕捉方面有较大突破。面对数智化研究大背景,分析当前底板突水物理模拟试验领域存在的不足,并据此指出未来应重点关注大型三维底板突水综合试验平台研制、基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立、多相多场多维耦合监测预警系统构建、人工智能等数智化技术融合应用研究等发展方向。提出的思考有助于从装置、材料、技术等方面提升未来物理模拟试验水平,从而更好支撑煤矿底板水害数智化防治基础研究工作高质量发展。

基于孔间直流电透视的煤层底板采动破坏电阻率时移变化规律与机理

煤层采动过程中,底板应力状态的改变会产生变形与破坏,而不同煤层采动过程中底板破坏具有一定的规律。目前基于直流电阻率法的煤层底板水害监测主要集中于底板变形与破坏的电阻率响应特征上。为了研究工作面回采过程中煤层底板的电性时移变化特征,采用孔间直流电透视观测系统和时移电阻率反射系数法,通过数值模拟和现场试验揭示了煤层底板采动破坏电阻率时移规律。首先,针对典型地电模型,对比单独反演和时移电阻率变化率的结果,验证了孔间直流电透视时移方法的可靠性。然后,针对煤层底板采动破坏,分析了采动过程中底板承压水导升与底板破坏带的电性响应规律与特征,并讨论了时移电阻率反射系数确定煤层底板破坏深度的可行性,为野外施工提供理论依据。最后,通过现场监测试验,获得工作面回采过程中煤层底板的电性变化特征,并采用时移电阻率反射系数R确定了工作面底板岩层的破坏深度为15 m。结果表明:利用孔间直流电透视法获得的煤层底板采动破坏电阻率时移特征可在一定程度上消除了监测数据中的地层因素和随机噪声影响,且时移电阻率反射系数可用来确定煤层底板破坏深度。该方法将探测目标从单一的研究地质异常转换到对煤层采动过程中工作面底板破坏的全生命周期动态监测,进而实现了工作面底板结构破坏的精细刻画。

大采深高承压水条件下煤层底板突水问题及解决对策

在当前煤矿普遍面临大采深、底板高承压水、高地应力等采掘条件下,正确评价煤层底板承压水突水危险是做好防治水工作的基础。以河南省受底板灰岩承压水突水威胁的大水矿井为例,就底板破坏深度计算、突水系数计算及临界值、脆弱性指数法、不同水文地质单元的“双层水位”效应等问题进行了剖析。分析表明:在大采深和高地应力开采条件下,底板破坏深度较现有用经验公式计算得到的值偏大,一些矿井突水系数虽小于全国临界值,但回采过程中却发生了突水,脆弱性指数法有待于规范化。此外,井田范围内水文地质条件存在着时空变化,甚至会出现“双层水位”等现象。鉴于此,提出了建立大采深和高地应力开采条件下的底板破坏深度计算模型、确定矿区或矿井范围的临界突水系数值、规范脆弱性指数评价方法、查明水文地质条件的时空变化和不同单元的水动力参数、制定同各单元水文地质条件相适应的防治水措施等各项对策。

矿井煤层底板承压水危险性评价及治理方案分析

煤矿地下突水问题不仅会干扰正常的采矿作业和采矿效率,还会增加煤矿安全工程的投入,甚至会导致严重的煤矿透水事故,严重威胁煤矿开采人员的人身安全。文章以我国某煤矿为例,对该矿开采面的突水危险性进行分析和评价,并利用综合探测、疏水降压和注浆加固技术对该煤矿煤层底板承压水问题进行治理,取得了较好的防治效果。

近距离下伏煤层沿空掘巷围岩破坏特征及支护技术研究

近距离煤层群上覆煤层及本煤层邻近工作面开采造成叠加应力扰动,导致下伏煤层下区段工作面回采巷道围岩稳定控制困难。以许疃煤矿72210工作面近距离煤层开采条件为工程背景,模拟分析了上覆7_(1)煤层开采及下伏7_(2)煤层邻近工作面开采后,下伏煤层72210工作面回风巷围岩应力演化及损伤特征;基于近距离煤层沿空掘巷采动损伤岩体锚注一体化长锚强化支护思想,提出了72210工作面回风巷的支护参数并成功进行了工业性试验,实现了该类围岩的稳定控制,可为类似条件巷道支护提供参考。

煤层底板双承压含水层下隐伏断层活化导水特征试验研究

【目的】现有的关于煤层采动揭露底板隐伏断层突水试验研究成果,仅考虑了煤层下伏单一承压含水层条件,需研究煤层底板多承压含水层条件下隐伏断层活化导水特征。【方法】通过室内相似物理模拟方式,对煤层底板双层承压含水层条件下,采动过程隐伏充水通道在不同深度上的应力和孔隙水压力演变规律进行了分析。【结果】结果表明:利用自主设计的煤层底板隐伏断层突水试验系统,可以相对合理地模拟两层承压含水层条件下不同深度上的断层活化导水规律;浅部比深部断层带的应力增量、孔隙水压力增量变化程度相对更高,孔隙水压力变化时间均滞后于应力变化时间;临近开采结束阶段,浅部和深部断层带孔隙水压力增量的上升趋势,表明断层带向采空区卸荷促进了渗流导升,断层带存在滞后突水的可能性,浅部较深部断层带的滞后突水风险相对更高。应力扰动程度整体上随深度增加而衰减,浅部相对深部断层带更易活化,持续不断的扰动将使浅部和深部含水层发生水力联系,深部承压水可通过隐伏断层补给浅部承压水,承压水通过断层带导升过程存在着显著的水头压力损耗。【结论】试验结果可为底板多承压含水层条件下隐伏断层活化导水模式分析提供理论和工程实际参考。

基于组合赋权的TOPSIS-RSR法的煤层底板注浆效果评价体系

区域地面超前注浆是预防底板水害的有效手段,如何利用钻探及注浆施工过程的数据对注浆效果进行客观评价,是目前迫切需要解决的问题。以山东省邱集煤矿1111采区D3,D10,D11和D12地面孔组注浆工程为背景,结合已有研究与现场经验,选取钻井液漏失量、注浆终压、渗透系数以及单位注浆量作为评价指标,建立了注浆效果综合评价体系,提出一种综合改进后的层次分析法与CRITIC客观赋权法的赋权方式,利用算术平均法、几何平均法、特征值法等改进AHP,该方法提高了指标赋权的客观性和科学性;基于组合赋权方式更新了TOPSIS,RSR排序分档的注浆效果综合评价模型,利用相对距离优化了TOPSIS相对贴近度的缺陷,改进了数据处理结果;将评价结果转换为可视化分区图,与注浆后井下钻探揭露涌水量结果进行对比,结果显示该评价方法合理,与工程实际结果较为吻合。

大变幅加卸载下特厚煤层底板断层突水机理模拟研究

特厚煤层采场空间大、扰动范围广,强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法,准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系,得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程;以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则,建立塑性位移与强度劣化关系,建立加卸载韧性断裂本构关系;基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础,结合浸没边界方法,形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学-有限离散元CFD-FDEM耦合程序,模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明:CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形,最深位于断层及其上盘(48.6m),最浅位于断层下盘(23m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力,而后在采空区内大幅卸载,导致该位置出现显著二次破坏,并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。

煤层底板砂岩含水层水文地质特征的分布式放水试验探查研究

为了查明宁东煤田煤层底板宝塔山砂岩含水层的水文地质特征,在国家能源集团宁夏煤业有限责任公司石槽村煤矿2个不同的区域开展了分布式放水试验,2个阶段的放水试验均包括了单孔和多孔放水试验,计算的渗透系数平均值分别为0.219~0.301、0.024~0.029 m/d,单位涌水量平均值分别为0.079、0.012 L/(s·m),影响半径分别约为700、750 m。通过放水试验,查明宝塔山砂岩含水层的厚度约为60 m,岩性为粗砂岩,局部夹薄层砂质泥岩和泥岩;含水层渗透性和富水性均较弱,且存在不均一性,但是由于宝塔山砂岩含水层位于下组煤底板,研究区下组煤承压均在3 MPa以上;含水层地下水水温约为41℃,下组煤采掘活动面临一定的热害影响;宝塔山砂岩含水层具有较好的可疏性,疏水降压是底板砂岩水害防控最佳措施。通过放水试验进一步查明了宝塔山砂岩含水层的水文地质特征,补充了抽水试验未能查明的水文地质条件,其探查结果可以作为煤层底板砂岩水害防控的依据。

综合物探法在煤层底板灰岩含水性的应用研究

以某煤矿第四采区底抽巷为例,根据底抽巷底板岩性特征,合理选取地质雷达法、高密度电法、瞬变电磁法相结合的综合物探法作为煤层底板灰岩含水性测定方法。合理选取综合物探技术设备,提前对综合物探法进行试验分析,确认地质雷达法、高密度电法相结合的综合物探法可满足探测要求,以此实施真实数据采集和处理。根据采集数据实施综合物探数据解释分析,以此获取某煤矿第四采区底抽巷底板灰岩含水性特征。

贵州银堂煤矿水文地质类型划分及突水性分析

为预防银堂煤矿生产中的突水问题,特别是下伏茅口组(P_(2)m)岩溶强含水层的岩溶水对D煤层开采的影响,保证该煤矿第二水平(+700)采煤安全生产的需求。通过在巷道内施工3个水文地质钻孔进行抽水试验,证明茅口组岩溶水的富水性,并结合井田范围内含水层厚度、岩性和富水性,各隔水层厚度、岩性和阻水性能,来划分矿井水文地质类型,预测矿井正常涌水量和矿井最大涌水量。

干河煤矿2-311工作面底板破坏与突水危险性分析

煤层开采造成的底板破坏带会减小煤层底板的有效隔水层厚度,是影响带压开采的关键因素之一。干河煤矿在2-311工作面2-3111巷和2-3112巷施工底板钻孔,在钻孔中放置应变传感器对2^(#)煤层开采后的底板破坏深度进行探测,确定煤层底板破坏深度为16.41~17.49 m,平均16.95 m。可以为干河煤矿2^(#)煤层其他工作面的底板突水危险性评价工作提供参考。

基于CW-VIKOR的底板突水威胁评价

准格尔煤田开采面临突水威胁,传统的评价方法已不能满足实际生产中的需求。为了丰富底板突水威胁评价理论,提出一种基于综合权重和直觉模糊多属性决策法的突水威胁评价方法,以准格尔煤田黄玉川煤矿为例,通过对研究区地质条件的分析,建立含水层、隔水层和地质构造为主要影响因素的评价指标体系,选择层次分析法和CRITIC赋权法分别作为主客观赋权方法,求得各影响因素的综合权重;将直觉模糊多属性决策法作为此次研究的评价模型基础,计算各评价单元的折中评价值后进行排序,折中评价值越小的单元突水威胁越大,利用自然分级法将研究区分为危险、较危险、较安全、安全4个区域,得到研究区突水威胁评价结果图。将评价结果与研究区范围内已有出水位置进行比较发现,突水位置均位于危险区与较危险区中,证明评价结果较为准确。

地面定向钻孔对煤层底板加固注浆改造技术

为解决井下作业环境对工作面底板含水层治理施工的空间限制与安全影响,保证工作面采掘安全,以吕梁山矿3-303工作面为例,分析研究其地质及水文地质条件,提出采用地面施工定向钻孔的方法改造煤层底板隔水层的厚度和隔水性能;设定采区和工作面的治理范围,选取合适的钻孔终孔设计层位,并下设多级套管避免塌孔堵孔后钻孔报废,通过注浆加固,改造隔水层的厚度和隔水性能;改造后的工作面煤层底板隔水层音频电透的视电导率分布较为均匀,底板改造效果良好。

极近距离煤层群不同层间距下回采巷道支护技术研究

针对高家庄煤矿极近距离煤层群采空区下方4201工作面轨道巷掘进过程中,由于层间距不断变化,导致局部顶板破坏严重、裂隙发育等问题,采用理论计算和现场实测方法研究底板最大破坏深度和层间距变化规律,将顶板层间距大小划分小于2.8 m、2.8~3.8 m和大于3.8 m三个支护分区,分别制定了工字钢架棚+锚杆支护、短锚索网支护和长短锚索网支护3种支护方案。现场应用结果表明,4201轨道巷掘进期间顶板完整性提高,围岩变形量小于100 mm,满足使用要求。

基于微震监测技术的煤矿底板突水预警研究

煤矿底板突水是矿山生产中的主要灾害之一,其破坏性极大,因此,研究有效的突水预警技术具有重要意义。以董家河煤矿22517工作面为例,构建了微震监测系统,并对底板进行突水预警。监测数据显示,该煤矿的底板微震事件总共有191个,其中能量超过1000 J的微震事件仅为18个,占全部微震事件的9.63%,同时,该系统检测到的底板破坏深度约为11.01 m,与底板钻孔声波仪测试计算的数据仅相差0.22 m。这些数据可以说明研究所提出的微震监测技术能够有效预测煤矿底板的突水事故,起到了良好的预警作用,为煤矿开采作业的水害风险防范提供了可靠的技术支持。

煤矿井下钻孔雷达技术在煤层顶底板探测中的应用

智能开采工作面地质透明化是实现煤炭资源智能精准开采的前提和保障。介绍了钻孔雷达技术在探测煤层顶底板起伏中的应用,主要分析了钻孔雷达探测煤层顶底板界面的原理以及应用开展情况。在山西A井工煤矿顺煤层钻孔探测煤层顶底板起伏中对钻孔雷达技术进行了应用。结果表明:预测煤层顶底板界面与实际煤层顶底板界面吻合度较高,对工作面的回采具有重要指导意义。

刘庄煤矿11-2煤层底板砂岩富水规律及水化学特征研究

采用水化学测试、统计分析、水文地球化学分析等方法,对刘庄煤矿11-2煤层底板砂岩富水性规律及水化学特征进行系统研究。研究结果表明:井田范围内112煤底板砂岩类型、沉积厚度、裂隙发育、富水性以F25断层为界分区性明显,水质类型为Cl·HCO_(3)—Na或HCO_(3)·Cl—Na型,以采区边界断层为界,主要离子含量存在较大差异性,并分析了水样中阳离子Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)主要来源。研究成果可为查清砂岩裂隙含水层分布规律、富水性和水化学特征提供指导,为制订矿井防治水方案提供重要依据。

中组煤上覆煤层开采冲击荷载扰动下底板破坏深度研究

为研究近距离煤层中上煤层开采冲击荷载扰动下底板破坏发育情况,采用理论计算、数值模拟、现场观测等方法观察近距离煤层开采扰动下底板破坏范围,以半无限平面体理论结合摩尔-库伦破坏准则及屈服条件为基础,分析了顶板垮落冲击动荷载及静载作用下工作面底板下任意一点应力状态,计算得出底板破坏深度17.32m;对近距离煤层开采进行数值模拟,走向方向推进25m后,原位塑性区发育基本稳定,底板塑性区在逐步回采过程中发育呈现以煤壁下方塑性区“先垂直后水平扩散”特点,底板最大破坏深度16.12m;采用钻孔呈像法对工作面采动前后底板破坏进行观测,工作面下方底板破坏深度范围在16.85m附近,分析得出中组煤层61煤层开采扰动对下煤层62煤层、63煤层顶板稳定性造成破坏,验证了冲击荷载理论模型的可靠性,开采62煤层、63煤层需加强顶板支护。研究结果为近距离煤层开采扰动下底板破坏对下煤层影响范围提供参考。