我国不同类别煤层顶板水害致灾机理与防控路径

我国是世界上成煤和赋存条件最复杂的国家,煤层顶板水文地质条件的多样性和复杂性,采动覆岩裂隙场与渗流场耦合的相互性和时变性以及煤层顶板突水的独特性和危害性,造成顶板水害是我国尤其是西部煤矿区的主要矿井灾害之一。为了更好地认识顶板水害和推广现有技术和探索新技术防控此类矿井灾害,在全面分析近年来我国煤层顶板水害事故规律与顶板充水含水层的赋存条件、突水模式、动力特征、力学行为等基础上,系统划分了顶板水害的类型、特征、主要类别的致灾机理及梳理了现有顶板水害的防治技术,并展望了未来顶板水害防治领域的发展方向。研究发现:①顶板水害主体架构包括巨厚基岩含水层涌(淋)水、薄基岩弱胶结层水-砂耦合溃涌、离层空间蓄水储能突水、天窗补给型突水、围岩烧变增透致突等5种类别,集中分布于秦岭—淮河沿线以北地区,陕、蒙、宁是顶板水害主要聚集地。②采动诱发巨厚基岩含水层下覆岩原生裂隙互馈-贯通发育“Z”型离层空间,导致采场出现大面积涌(淋)水现象;基于复合关键层破断力学条件,阐明了薄基岩弱胶结层水-砂耦合溃涌致灾的动力源;构建了离层失稳突水临界判别准则,将离层突水划分为静载扰动、“动+静”载复合扰动、复合煤层开采重复扰动3种模式;红土隔水层缺失及红土薄弱区采动劣化损伤是产生天窗越流补给的主要根源;围岩烧变增透,孔隙度增大,接受临近水源补水后形成新的含水结构体,在采动诱发下烧变岩水涌入采场发生水害事故。③梳理了当前煤层顶板水害“探-放-治”三位一体的解危防控技术体系,提出了井上下共轭联动、钻-采(掘)高位协同地质勘探系统,以防治水“三区”划分为导向的地质保障工作,“煤-水-生态”多目标齐抓共管的绿色开采和防治水理念,以及数智化、透明化矿山水文地质灾害信息维护系统等未来发展方向。

基于微震监测技术的煤矿突水灾害预警方法研究

为了减少煤矿突水灾害带来的安全风险,使用微震监测技术设计出1种煤矿突水灾害预警系统,并选用地震检波器作为系统中的传感器。使用该系统对顺勋煤矿进行监测,结果显示,该煤矿在监测期间共发生了193次微震,其中微震释放能量大于1000 J的次数为6次,单次微震释放的最大能量为2455 J,远小于工作面附近出现过的最大微震释放能量,且绝大多数的微震出现在底板下方12 m内的区域。测试结果表明,微震监测技术能有效监测煤矿因突水引发的微震,并提供相应的预警信息。

基于瞬变电磁探测技术的煤矿防治水研究

常规的煤矿防治水方法探测范围有限,探测结果精度较低。为了引入瞬变电磁探测技术,提出基于瞬变电磁探测技术的煤矿防治水研究。利用瞬变电磁探测技术,全方位、多维度地探测煤矿工作面含水异常区,判断煤矿工作面可能的地质异常状况与含水异常区的含水量。计算煤矿工作面涌水量,预测煤矿工作面的地下水渗流情况。开展煤矿工作面防治水设计,提出安全可靠的防治水方案。实验结果表明,布设探测点的突水系数均未超过标准要求0.06 Mpa/m,降低了矿区发生水害的概率,提高了矿井安全性,防治水效果优势显著。

新时期下防沙治沙造林技术的应用探讨

防沙治沙造林技术的应用已经成为解决土地沙漠化和荒漠化问题的重要手段,其作用不只局限于提高土地的利用价值,还能够改善生态环境,促进生态恢复和保护,提高空气质量和水质量等。基于此,主要探讨了防沙治沙造林技术在新时期下的应用和趋势,包括技术创新、生态保护和可持续发展、国际合作与分享等方面,旨在为我国防沙治沙造林技术推广和应用提供参考。

断层对带压开采煤层工作面底板突水影响分析及防治技术

5303综采工作面为带压开采且采面开采范围内断层构造发育,底板发育导水断层会降低底板隔水层有效厚度从而增加底板突水风险。为确保5303综采工作面回采安全,在对断层对底板突水影响分析基础上,提出通过注浆方式增加底板隔水层有效厚度,提高采面生产安全系数、避免底板突水。根据现场条件对注浆加固方案进行设计并进行工程应用,结果表明采面在生产过程中底板始终保持干燥、未出现底板涌水情况,底板防治水工作取得较好应用效果。

沙棘防风治沙作用及栽培管理技术研究

沙棘具有抗风沙和耐旱的特点,对沙土治理具有重要意义。在分析沙棘防风治沙作用的基础上,结合沙棘栽培中的管理技术,探讨了提高沙棘栽培管理技术水平的策略,以期为相关研究提供有价值的参考依据。

水压作用下防砂安全煤岩柱失稳机理及留设方法

针对厚松散含水层、薄基岩等特殊地质条件下楔形区工作面防砂安全煤岩柱失稳溃砂的问题,以赵固一矿11071工作面突水溃砂灾害为例,结合地质钻孔资料,建立了楔形保水压采动溃砂地质模型。通过黏土液塑限试验,风化带岩石干燥饱和吸水率和崩解试验,得出了底黏及风化带泥类岩具有良好的隔水性能,可形成楔形保水压结构。并在此基础上,通过水压作用下风化带泥类岩采动裂隙扩展试验研究了受采动损伤的煤岩柱保护层在水压作用下失稳的内在致灾机理。结果表明:在高水压的作用下,风化带泥类岩采动裂隙扩展为管道,防砂煤岩柱保护层的阻砂性能失效;考虑煤岩柱保护层的损伤厚度,提出了水压作用下防砂安全煤岩柱的留设方法,并在11191工作面进行了工程应用,取得了预期效果。研究成果补充完善了我国防砂安全煤岩柱的留设方法,可减少煤矿溃砂事故。

浅埋煤层采动导水裂隙动态演化规律模拟分析

针对单一关键层浅埋煤层,采用实验室物理模拟揭示了采动导水裂隙动态发育规律。模拟结果表明,采动导水裂隙的演化分为发展期、贯通期和压实闭合期3个阶段;导水裂隙的动态发育受基本顶关键层控制;通过分析得出了防止工作面涌水溃沙的基本原理,能解决西部矿区保水防溃采煤的安全问题。

华北型煤田岩溶陷落柱研究70年:成因·机理·防治

系统阐述了华北型煤田陷落柱及其突水的研究历程和取得的成就。20世纪30年代煤田岩溶陷落柱偶然发现于煤炭开采中,因其带来开采及安全影响,研究不断深化。新中国成立伊始,百业待兴,能源先行,陷落柱对煤炭开发的影响逐渐显现,在解决现场技术问题的同时,基础理论得到蓬勃发展,至1984年开滦范各庄矿陷落柱特大突水事故震惊世界,其成功封堵复矿标志着我国治理技术基本成熟,该事件得以成功处理成为划时代的里程碑;其后能源行业从萧条到黄金10年,煤炭开发向深部、西部转移,陷落柱突水威胁日趋严重,新理论新技术的应用,促进相关研究不断向纵深发展,到目前为止,基本理论及治理技术日臻完善。由于其局域性和特殊性,国外仅有岩溶塌陷和采矿垮落的理论可作为研究借鉴。从基本特征、分布规律、成因机制、导水性、突水模式及机理、预测探查和治理等方面全方位进行了总结,归纳了岩溶陷落柱空间形态特征、充填物特点、揭露特征、结构构造特征等,系统梳理了岩溶陷落柱分类及类型;探讨了岩溶陷落柱导水性,建立了岩溶陷落柱预测指标体系及预测模型,分类提出了陷落柱突水模式和机理及力学判据,研讨了陷落柱突水量预测的可行性,规范了陷落柱预测探查及治理的程序,总结了陷落柱治理技术。作者指出了目前陷落柱研究中存在的不足,凝练了岩溶陷落柱成因、导水性、预测、突水机理及突水量预测等方面的待解科学命题,列举了陷落柱精细化探查、突水监测预警、治理装备技术等方面技术难题,指明了未来探索及发展方向。应当指出,尽管现有成果基本成型,但距离技术理论体系的完善、满足保障矿井安全生产还有很长的路要走。

岩溶区隧道突水灾害防治原则及治理对策

突水已经成为我国岩溶地区隧道修建中最严重、且最常见的地质灾害。本文通过岩溶区隧道施工中突水灾害防治技术现状的调研,结合宜万铁路沿线众多岩溶隧道突水灾害治理的工程实践,总结、概括了我国近一个时期岩溶隧道施工中突水防治的基本原则和治理对策,这对今后类似隧道工程防治水技术有较大的借鉴价值和指导意义。

巷道穿过断层影响破碎带支护技术研究

以刘家窑煤矿带式输送机大巷通过DF16断层影响破碎带为工程背景,研究了巷道穿过断层破碎带时防止突水和围岩稳定性控制技术。采用混凝土止浆墙预注浆治水堵水技术、预应力锚杆锚索和U型钢棚联合支护技术,有效地解决了治水和支护问题,取得了良好的技术经济效果,为后续巷道通过含水断层破碎带及其支护设计提供了良好的借鉴和丰富的经验。

基于三维可视化技术的林南仓矿水害事故分析

为分析矿井突水灾害的发生过程和事故原因,防止其他与此相关的潜在突水事故的发生,并起到对井下工作人员进行安全教育和培训的目的,采用三维可视化技术模拟了开滦林南仓矿F2断层突水事故,根据模拟场景调查了水害事故发生的原因。实践结果表明:使用Multigen Creator建立的模型导入Vega场景并进行优化后,所展现的井下突水场景的真实感较高,利用三维可视化技术模拟矿井突水事故的发生过程,使难以见到和拍摄的井下灾害场景得以再现,从而能更直观地了解引起矿井突水灾害的各方面因素,为更有目的地预防灾害提供技术支持。

富水砂层巷道溃水溃沙因素分析及防治对策

富水砂层巷道掘进,由于砂层胶结力差、强度低,开挖后迎头易发生大跨度变形、失稳破坏。针对2煤回风巷掘进至F26断层时发生联锁性突水动力灾害,采用工程调查、理论分析和现场实践等综合方法,提出了注浆封堵加固、定向疏放水工艺。结果表明:施工钻场对突水区域进行注浆封堵加固,能有效固化该区域岩(煤)体,改善岩(煤)体结构及其力学性能,提高整体稳定性,1号、2号封堵体堵水效果较好;同时为防止泥沙充填裂隙通道,造成二次突水,在带式输送机巷布设钻场(5个定向钻孔、孔径Φ113mm、孔深45m),对漏顶区域及上部含水层进行可控疏放,水位变化曲线观测得出钻孔水位与巷道出水量稳定、突水点处泄水通道畅通,疏放水效果较好。

生态经济型防风治沙体系优化配置技术规程研究

通过对景电灌区农林业生产状况、自然环境条件、以及风沙危害程度的实地调查，应用系统工程学和生态经济学原理，研究提出：景电灌区防风治沙工作应该走系统工程和生态经济相结合的道路，以封沙育林草为主导措施发展沙区自然植被系统，进一步建立和健全工程治沙系统，并营造和发展人工生态经济型林草植被系统。通过这三大子系统的合理搭配和联合交互作用，使新灌区形成新型的生态经济型防风治沙体系。

富水砂卵石地层冻结壁缺口致因及弥合技术研究

针对里必矿副井冻结中冻结壁无法按时交圈的问题,综合测温数据及矿区水文地质情况,判断出冻结壁在砂卵石层冻结孔处的"缺口"位置,并对砂卵石层冻结温度场的演化规律进行了数值计算。通过对比冻结壁轮廓和测温孔数据,判断出该层位地下水流速达9m/d,原方案的冻结壁交圈时间远超预计工期。基于降低地下水流速、减少冷量损失、加强局部冻结的技术原理,提出了"控""注""冻"相结合的冻结壁弥合技术;依据冻结壁发展情况,并考虑地下水流速、流向的影响,确定了注浆孔、加强冻结孔的位置和数量,通过数值计算对冻结壁缺口的弥合过程进行了预测。工程实施结果表明:里必矿副井在完成冻结壁弥合施工21d(预测17d)后,水文孔开始冒水,冻结壁温度场发育恢复正常,确保了井筒施工安全顺利完成。

韩家湾煤矿浅埋煤层富水区下溃砂突水性预测

针对韩家湾煤矿三盘区富水性中等有突水危险的问题,为了安全有效地开采2^(-2)煤层,以地下水动力学为基本原理,建立了以渗透破坏的临界水力坡度为条件的预防突水溃砂发生的临界条件和预计公式,计算得出了该矿预防突水溃砂发生的临界水压的高度,为韩家湾煤矿制定矿井防治水工程方案提供理论依据。

基于结构水文地质学的采掘诱发高势能突水溃砂主动防控

在谷德振先生"水文地质结构"学术思想指引下,本文提出建立结构水文地质学的设想,论述了其基础理论框架。从方法论角度将矿山水害防控分为被动防控和主动防控两种方法。以结构水文地质学指导煤矿高势能突水溃砂防控,分析了被动防控可能产生突水溃砂灾害的机理;提出了主动地质工程防控的原理,包括地质材料性质改造、结构隔水性能重构、赋存水动力环境改造、减轻采掘诱发覆岩破坏等具体方法。抛砖引玉,以期催生符合中国矿山防治水实践需要的创新理论和方法。

我国铁路沙害的防治

从铁路选线、路基本体防(治)沙、路基两侧防(治)沙及保护天然植被几个方面对我国铁路沙害的防治进行总结,并通过总结与思考,对今后铁路沙害防治提出建议与对策。

控水采煤技术原理、关键技术及在砂岩含水层下综放开采实践

针对我国煤矿水文地质及采矿条件千差万别、水体类型错综复杂的现状和水体下压煤开采的工程实践,详细阐述了控水采煤技术的思路、技术原理、技术原则和关键技术,即综合考虑煤矿安全和经济合理等重要因素,针对不同充水能力与补给条件的含水层,通过钻孔预先疏放一定量的含水层静储量,同时采用采动裂缝垂向导水性的差异和滞后压实的特性,实现涌水量大小和形式可控。该技术解决了传统的水体下采煤留设不同类型防水煤岩柱技术而造成煤炭资源的大量损失,或者单一采用含水层疏降技术不仅容易形成人为导水通道,而且过量的钻孔对含水层的疏放增加矿井涌水量及排水费用,同时导致地下水位大幅度下降,使矿区生态环境遭到严重破坏等问题。将控水采煤技术与综放开采工艺特点相结合,应用到内蒙古铁北煤矿半固结砂岩含水层下综放控水开采实践中。研究结果表明:针对铁北煤矿煤层顶板砂岩含水层的赋存状态与富水程度、不同采动覆岩破坏程度、主采煤层与含水层的空间关系,基于控水开采采前预疏与边采边疏相结合的技术原则,利用综放开采采场沿煤层底部布置,放煤厚度灵活调整可控的特点,提出的“顶水开采与疏干或疏降开采相结合、先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、分段控制放顶煤开采厚度与含水层疏降程度相结合”控水采煤的总体方案是可行的,实现了3~8 m阶梯型采厚安全开采,既控制了工作面的涌水量、改善了工作面作业环境,又有效防止了突水溃沙灾害的发生,取得了综放控水安全开采的成功。

垮落带下金属网和双抗网防溃砂机理试验研究

为探究垮落带下金属网和双抗网防溃砂的力学与水动力学机理,文章将模型试验与渗透试验结合,设计50cm×50cm×20cm的模型,支撑金属网和双抗网进行受压试验;对四种粒径砂颗粒进行渗透对比试验。结果发现:金属网和双抗网都能承受较大荷载而不破坏;铺设双抗网对于阻止砂颗粒潜蚀效果明显,阻隔了砂溃入井下的通道;铺设双抗网后,渗透系数降低,小颗粒砂降低更明显,底部比中部铺设渗透系数降低值及降低率大;中部和底部同时铺渗透系数降低值及渗透系数降低比更大。颗粒越小,降低率越大;双抗网和金属网的铺设能使垮落带形成相对稳定的顶板结构,顶板完整性得到增强。