Overburden fracture evolution laws and water-controlling technologies in mining very thick coal seam under water-rich roof

Considering the danger of water inrush in mining very thick coal seam under water-rich roof in Majialiang Coal Mine,the universal discrete element(UDEC)software was used to simulate the overburden fracture evolution laws when mining 4#coal seam.Besides,this study researched on the influence of face advancing length,speed and mining height on the height of the water flowing fractured zones(HWFFZ),and analyzed the correlation of face advancing length and change rules of aquifer water levels and goaf water inflow.Based on those mentioned above,this research proposed the following water-controlling technologies:draining the roof water before mining,draining goaf water,reasonable advancing speed and mining thickness.These water-controlling technologies were successfully used in the feld,thus ensured safely mining the very thick coal seam under water-rich roof.

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。

基于FHH分形理论的隆德煤矿砂岩微观孔隙研究

西部煤炭资源以侏罗纪煤田为主,侏罗系煤系地层普遍受到顶板复合水的影响,因此,顶板砂岩含水层的富水性评价是矿井安全开采的前提。以隆德煤矿为研究对象,通过氮气吸附试验分析了砂岩孔隙结构特征;基于FHH分形模型,分析了分形维数与岩石组成、孔隙结构、埋深等参数的相关性。研究结果表明:隆德煤矿砂岩具有较强的非均质性,分形维数D_(2)>D_(1),表明砂岩内部孔隙结构比表面孔隙复杂;岩石组成成分是主要影响孔隙复杂程度的重要因素,其中黏土矿物与石英是主要影响分形维数的因素;区域内砂岩吸附滞环近似H3和H4型,以狭窄型和平板状裂隙孔为主,孔隙以微-中孔为主;砂岩孔隙具有明显的分阶段分形特征,分形维数与黏土矿物含量、石英、BET比表面积、伊利石含量、水力半径呈正相关关系,与石英、BJH总孔体积呈弱的正相关关系,与造岩矿物含量、钾长石、斜长石、高岭石含量、平均孔径和孔隙度呈负相关关系,与渗透率呈弱的负相关性关系,而与绿泥石含量基本无相关性。

承压富水煤层顶底板渗流特性及孔隙结构研究

在山西邓家庄煤矿建设和开采过程中,发现了煤层作为承压裂隙含水层的特殊水文地质现象。为进一步探讨渗透力学性质在承压裂隙含水层中发挥的关键作用,取顶底板岩层岩样进行了岩石全应力-应变渗透试验和孔隙发育结构试验。结果表明,该煤矿煤层为承压裂隙型含水层,煤层裂隙承压水与顶底板总应力-应变渗透率及孔隙结构发育特征密切相关;离煤层越近,地层的水密性和塑性就越强,变形过程中地层的抗破坏能力也就越强,形成宏观导水裂隙的应变就越大;对于未发育裂隙,距离煤层30m以内的顶底板地层有效孔隙度小于2%,特别是距离煤层20 m以内的地层有效孔隙度小于1%,说明该地层具有较好的抗水性。

茅口组灰岩水对其上覆15^(#)煤层开采影响研究

金沙县龙潭组底部15^(#)煤层平均厚度1.81 m,为全区可采的稳定煤层,但因受其下伏茅口组灰岩水的影响迟迟没有开采。通过研究金沙县茅口组灰岩水富水特征,采用突水系数法,结合15^(#)煤层与茅口组灰岩之间的隔水层情况,分矿区研究了茅口组灰岩水对其上覆15^(#)煤层的影响程度。通过开采实践,例证了研究成果的准确性。

瞬变电磁法和激光雷达扫描微动勘探联合探测煤层富水区的应用

地下水在岩石中流动时,会对岩石产生物理和化学作用,如溶蚀、侵蚀和搬运作用,这些作用会加剧岩石的裂隙化和断层的活动,导致煤层富水区勘探难度增加。而通过瞬变电磁法精确测量地下介质对电磁脉冲的响应,结合激光雷达高精度监测地表高程变化和微小震动,可以实现对深部和复杂地质条件下煤层富水区的精确识别与地表形变预测。以国能榆林能源郭家湾煤矿为例,研究瞬变电磁法和激光传感微动勘探联合探测煤层富水区的应用。根据岩层分布深度在地表搭建电磁信号发射装置,通过介质反射扩散原理来探测视电阻率变化,获取实时感应到的电阻率变化数据。利用激光雷达扫描的数据,得到补充的微动勘探短剖面。结合电阻率的变化和微动勘探短剖面,进行联合分析,以约束电阻率的特征与微动勘探短剖面的分析。根据分析结果,可以精确划定煤层顶板的富水区范围,实现煤层顶板富水区勘探。实验结果表明,这种联合方法能够很好地分析煤层顶板的富水性,对煤层顶板富水区分布勘探结果与实际结果完全一致,勘探精度达到100%。因此,联合勘探方法具有良好的应用效果,实际应用价值较高。

巴拉素井田煤层富水机理与注浆堵水技术

陕北侏罗纪煤田榆横矿区(北区)是我国重要的煤炭生产基地,区内大型矿井分布较多,煤层埋藏相对较深,在采掘过程中发现有富水煤层问题。为研究区内煤层富水机理及采掘过程中的水害问题,以巴拉素煤矿2号富水煤层注浆堵水治理工程为例,通过对水文地质条件和地下含水层之间水力联系情况分析,查明了区内各含水层水文地质特征及类型,确定了2号煤层水为立井井筒过煤层段的主要充水水源,并提出了富水煤层注浆治理保障新技术。通过抽水试验、水化学测试,发现区内地下水含水层主要为第四系松散层潜水含水层、白垩系下统洛河组孔隙-裂隙含水层、侏罗系中统直罗组碎屑岩类裂隙含水层、2号煤顶板延安组碎屑岩类裂隙含水层、2号煤层含水层等。第四系松散潜水含水层和白垩系洛河组孔隙裂隙含水层之间水力联系密切,其他含水层之间均未发现水力联系。根据现场实际及多次实践,确定以“引流注浆、帷幕封堵”为总体思路,运用“井下打钻,地面拌浆,管道输送,高压灌注”的方法,完成2号煤层富水区段的封堵。研究及实践结果表明:通过多种材料结合、钻探注浆等组合工艺实施后,在副立井井筒马头门煤层揭露区段及待掘巷道周围形成了有效的止水帷幕,将掘进巷道与富水煤层隔开,最大程度地减小井筒涌水量,超出预期目标完成注浆堵水任务,副立井井筒总涌水量由最初的150 m 3 /h(最高200 m 3 /h)衰减至竣工时的11 m 3 /h,注浆堵水率约为93%,实现了对富水煤层大量出水有效封堵的目的。

煤层底板强含水层超前疏放分析与应用

为实现对煤系地层中裂隙强含水层的整体高效疏放,以开滦东欢坨煤矿12-2煤层底板强含水层疏放为实例开展研究。从含水层水文地质参数空间分布、地质构造控制作用、含水层揭露部位的涌突水特征与含水层露头补给条件方面,综合分析了含水层特征,得出含水层于-500水平以浅富水且顺层水力联系良好,走向上划分为3个次级富水单元。采用数值模拟方法预测了已揭露出水点在目标期内的疏放水效果与强径流区。以此为依据,确定了3个疏降水中心与钻孔布设方案。通过实施疏放水方案,成功实现了含水层在目标期的整体强烈疏放,保障了首采工作面的安全开采。

大倾角“三软”富含水大采高工作面围岩运动规律

掌握复杂条件下大倾角大采高工作面围岩运动规律是保证安全回采的前提条件。以宁东矿区清水营矿大倾角“三软”富含水大采高工作面为背景，根据现场勘查、室内实验和现场监测成果，建立了基于倾角变化的FLAC^3D数值模型，计算分析了开采扰动过程中大倾角大采高覆岩应力与变形演化的特殊规律，确定了工作面周期来压步距为10～15m左右，为安全开采提供了科学依据。

关于富水煤岩层瓦斯压力测定方法的研究

针对富水煤岩层中由于水压过大而无法直接测定煤层瓦斯压力的问题,通过对伯努利(Bernoulli)方程的研究,得到了通过测定水的流量进而得出瓦斯压力的间接测定方法,并通过模拟实验进行了检验,效果令人满意。

高压脉冲水射流提高松软煤层透气性的研究

提出了利用高压脉冲水射流钻孔、切缝以提高松软煤层透气性和瓦斯抽采率的新思想.基于岩石动态损伤模型,理论分析和数值模拟了高压脉冲水射流瞬时动载荷、柔性撞击作用下煤体的动态损伤特性及裂隙场的变化规律.结果表明,高压脉冲水射流的冲击效应、剥蚀效应以及震动效应等冲击荷载作用可有效破碎煤体,增大煤体裂隙率和裂隙连通率,提高煤层透气性.研发出了低透气性煤层中的高压脉冲水射流瓦斯抽采系统,在重庆某典型高瓦斯低透气性煤矿进行了成功应用,应用结果表明,高压脉冲水射流有效提高了煤层透气性,平均百米钻孔煤层瓦斯抽放量较原工艺提高了7.8倍.

E-E_(x)广域电磁法横向约束反演

针对E-E_(x)广域电磁法反演剖面横向不连续性问题,在原有Occam反演的基础上添加了相邻测点约束项,使得在模型反演过程中不仅仅考虑到了反演模型的纵向光滑性,同时尽可能使横向相邻测点反演剖面具有连续性。当存在测井先验资料时,该约束项可实现对钻井附近测点的纵向约束,其余测点则通过上一测点进行约束,从而改善反演剖面的横向连续性。为了充分利用先验资料及减小剖面反演误差积累,采用测井附近的点或电场值较稳定的测点为剖面分割点,对整条剖面进行分段反演,可减小累积误差。采用一维横向约束反演目标函数,先后通过进退法和黄金分割法求取拉格朗日乘子。一维模型测试结果显示,采用参考点约束的反演收敛速度更快,反演电阻率在中间层更趋近于模型本征电阻率。二维模型测试结果表明:采用横向约束反演得到的剖面电阻率连续性好,电阻率剖面更光滑。基于横向约束的反演对于地层的精细分层和定量解释优于广域视电阻率解释断面。实际数据反演时,可首先对实测数据进行预处理和光滑,计算广域视电阻率,以此作为反演的初始模型,能够快速收敛到真实模型。最后,对山西某处广域电磁法野外实测资料进行了反演,结果表明:一维横向约束反演比广域视电阻率在横向上连续性更好,纵向分层能力强,该结果和实际出水点以及已知采空区吻合较好,与实际地质情况符合,表明该方法能够改善实测资料的反演效果,提高广域电磁法在煤矿水文地质方面的勘探精度。

穿越富水煤层段井巷防治水技术研究

为解决陕北侏罗纪煤田内个别矿井受到的严重煤层水害问题,以榆横北区巴拉素井田为例,对其井巷工程穿越富水煤层段防治水技术进行研究。巴拉素井田2号煤层裂隙发育、沟通联系密切,局部存在高压强富水地段,通过井上下联合的钻探、注浆工程对其巷道通过富水煤层段进行水害超前防治。具体主要采用钻孔探查、帷幕注浆、水化学测试、理论分析、孔中窥视、揭露验证等方法,探究了该类水害条件下的矿井防治水技术。结果表明:井下局部煤层水压可达3.81 MPa,单孔最大涌水量198 m^(3)/h;通过钻孔高压注浆形成局部阻水帷幕,单孔起压至约10 MPa可完成煤层水封堵;治理后的钻孔出水pH值在12.20~12.58,平均约12.32,呈强碱性,水质类型大多为OH·SO_(4)-Ca·Na型,证明其注浆材料已充分进入煤层裂隙中;各钻孔之间存在水力联系,结合一次注浆、二次扫孔后的地面注浆压力、钻孔水量水压等数据变化情况,分析判断其封堵效果良好,计算总水量衰减约97.5%以上;通过钻孔窥视进行直接观察,发现注浆治理后的煤岩层段裂隙基本不再出水;根据施工验证钻孔发现注浆改造区域钻孔涌水量不足1 m^(3)/h,巷道实际揭露时的掘进涌水量为1.2 m^(3)/h,最终实现了掘进巷道通过富水煤层段的煤层水害有效防治。本次研究针对陕北侏罗纪煤田榆横北区的煤层水害隐患,提出了“钻孔探查、地面制浆、井下注浆、测试分析、窥视验证”的综合防治水技术,确保了矿井巷道通过2号富水煤层段的安全掘进,为区内条件类似矿井的煤层水害防治工作提供了实际借鉴依据。

清水营煤矿大倾角煤层赋存特征综合分析

全面了解复杂条件下大倾角煤层赋存特征是实现大采高开采安全开采的前提。清水营煤矿大采高工作面岩体节理与裂隙发育,富含水。基于现场地球物理勘探的基础上,完成了矿区工程地质特征的综合调查,分析了岩层岩性、构造、地震物理特征以及煤岩的物理/力学参数,为大采高安全开采提供了地质保障。

榆横北区富水煤层巷道掘进防治水技术

为解决榆横北区富水煤层巷道掘进过程中的2号煤层水患问题,以巴拉素煤矿为例,结合以往采掘经验,首先进行岩巷内超前钻探工程(短钻+长钻)、水化学分析,而后提出针对于本区特殊的煤层水害巷道掘进的疏放水探查思路。结果表明:前期对2号煤层的钻探工程疏放水效果显著,各钻孔水量、水压衰减明显,说明2号煤层水体补给条件差,总体属于静态水赋存状态。经水质全分析测试发现:2号煤层水的水质类型基本为SO4-Na·(Ca)型水,p H值在7.63~8.04之间,总矿化度在5 820.88~6 202.99 mg/L之间,认为其水体径流、排泄条件有限,长期处于封闭状态,有利于疏放水工作的开展。由此,提出适用于本区2号煤层掘进巷道的疏放水探查思路,具体包括"双层漏斗式"、"超前掩护式"、"下煤引流式"及"双侧羽状式"等钻探技术方案。

基于矿井瞬变电磁法的侏罗系煤层顶板富水性研究

为保证工作面安全回采,采用矿井瞬变电磁法对内蒙古新上海庙矿区某煤矿侏罗系煤层顶板岩层的富水性进行探测,从干扰校正后的视电阻率分布规律及对应地层的物性条件2个方面对低阻异常区进行地质解释,并利用后期疏放水钻孔对探测结果进行了验证。研究表明:矿井瞬变电磁法可以确定煤层顶板岩层富水异常区位置及分布范围.并定性评价其富水程度、为工作面顶板水防治工作提供有效的科学依据。

巴拉素井田富水煤层岩巷揭煤防治水工程技术初探

煤层多为致密沉积物,一般视其为隔水层,近年来,我国陕北侏罗纪煤田榆横北区内发现的富水煤层问题较为突出。为解除榆横北区富水煤层岩巷上山掘进揭露2号煤层的水害隐患,以巴拉素煤矿为例,采用"物探先行、钻探后进"的原则,结合动态监测、水化学分析、钻孔窥视等多种综合手段,在岩层巷道掘进过程中,确保揭露煤层的安全。结果表明:通过物探工程发现了巷道掘进前方2号煤层存在富水异常区,钻探工程疏放水效果显著,应用水化学分析确定了煤层水质类型为SO_(4)^(2-)-Na·(Ca)型水、总矿化度在6 000mg/L左右,结合孔内窥视,发现煤层内部的裂隙发育、水体联通,由此认为本区内2号煤层水体具有赋存范围大、补给条件差、水力联系好、静储量为主的特点,其长期处于封闭状态,有利于矿井疏放水工作的高效开展。结合本次安全揭煤经验,以期为矿井巷道掘进揭煤提供借鉴和思路。

富含水层工作面俯采防治水关键技术

针对浅埋厚松散层赋存状态的主采煤层俯采扰动作用下,覆岩裂隙损伤发育历程及富含水层工作面水灾防治问题,以锦界煤矿31409工作面为工程背景,采取理论计算与现场实测结合的分析方法,得到了覆岩导水裂隙理论高度为30.9~53.9 m。结果表明:开采过程中断裂带只贯穿基岩含水层且未影响松散含水层稳定性,充水模式以基岩裂隙与风化裂隙充水型为主,地下水位变化呈“动态消耗+侧向补给”型特征。利用3DEC软件建立俯采工作面采动覆岩扰动计算模型,阐明覆岩导水裂隙演化历程呈现移动裂隙区、固定裂隙发育区及裂隙发育动态增长区3个分区。基于距煤层近、多层位、厚度大、水头高等含水层水文地质特征,实施了疏放水钻孔布置法、“分区分级”工作面涌水量预测法与建设专用排水措施巷“三位一体”水灾防治技术,有效缓解了富含水层下工作面俯采涌水灾害。

榆横北区富水煤层掘进超前疏放水效果分析

煤层富水现象极为罕见,而近年来,在我国陕北侏罗纪煤田榆横北区内发现的富水煤层水害问题较为突出。为解除榆横北区岩巷上山掘进揭露2号煤层的水害隐患,以巴拉素煤矿为例,采取定向长钻和普通短钻结合的方式进行煤层富水体超前探查,并分析其钻孔疏放水效果。结果表明,区内2号煤层水体具有局部富水性强、层内连通性好、补给条件较差、以静储量为主的特点;本次钻孔疏放水效果良好,验证了“长孔外部隔离拦截、短孔内部加强疏放”这一疏放水思路的正确性。结合矿井实际,做好拦水坝、临时水仓、拦截网,并制定相关专项应急措施,可以为后期矿井巷道掘进揭煤期间的防治水工作提供保障。

立井井筒过富水煤层段防治水安全技术实践

煤层富水现象在煤炭开采史中极为罕见,但近年来,在陕北侏罗纪煤田榆横北区内发现的富水煤层水害问题则较为突出。为解决巴拉素煤矿矿井基建阶段立井井筒穿越2号富水煤层时的水害隐患,采用钻探、注浆等手段开展了超前探疏放水、帷幕注浆等工程实践。实践结果表明,区内2号煤层局部富水性强,裂隙发育、可注性较好;顶板砂岩含水层水以孔隙水为主,可注性较差。通过钻孔疏放,对富水区域水体的水压进行疏降,再以注浆工程形成帷幕墙,可确保井筒掘进安全,该防治水安全技术及工程实践可为后期矿井相关水文地质工作提供借鉴。