洪崖煤矿煤层顶板灰岩水赋存特征及疏放研究

煤矿水害是矿山建设与生产过程中主要的灾害之一,有效的疏水方案对煤矿安全生产至关重要。通过分析洪崖煤矿的地质及水文地质资料,9号煤层主要充水水源为太原组各灰岩含水层,以K_(2)、K_(3)、K_(4)灰岩为主,主要的水害类型为顶板灰岩水害,充水通道主要为顶板导水裂缝带。太原组灰岩水对9号煤层的开采威胁程度较大,根据水害类型及其威胁程度,制定了针对性的防治水技术设计方案:主要包括巷道掘进顶板灰岩水害的防治方案、工作面回采顶板灰岩水害的防治方案、9号煤层同层老空区水害的防治方案和断层水害的防治方案;并验证了巷道掘进顶板灰岩水害的防治方案、工作面回采顶板灰岩水害的防治方案。统计近三年的矿井涌水量及涌水量构成,表明上述方案的矿井水害防治效果良好。

基于主量元素地球化学的岩屑层位源解析

近年来,岩屑录井在“华北型”煤田底板灰岩层注浆加固工程中发挥了重要作用。然而,现有的岩屑录井仅停留在颜色、颗粒大小及形貌特征等物理指标的识别上,难以精准判层,钻孔设计“顺层率”难以保障,制约着底板灰岩水害区域治理效果。基于石炭纪太原组薄层灰岩及其碎屑岩夹层的元素地球化学差异特点,选取淮北煤田桃园煤矿为研究区,对太原组上段薄层灰岩L_(1)灰~L_(4)灰地层(注浆治理目的层为L_(3)灰)垂直钻孔岩心进行取样,利用X射线荧光光谱仪(XRF)定量测定了薄层灰岩及其夹层的主量元素背景值,通过聚类分析、因子分析等数理统计手段建立薄层灰岩主量元素地球化学识别模式;同时对地面定向钻水平分支孔岩屑同样开展主量元素测试,并基于已建立的地球化学识别模式进行岩屑层位源解析以及识别模式验证。结果显示:高CaO丰度、烧失量(LOI)可以作为注浆加固改造目的层L_(3)灰的特征指标,MgO(0.5%±)、MnO(0.03%±)、P_(2)O_(5)(0.08%±)丰度可作为注浆目的层上覆标志层J3的识别指标;聚类分析识别模式可有效区分太原组一灰~三灰(L_(1)灰~L_(3)灰);以元素因子得分建立的识别模式可以将太原组碎屑岩夹层与薄层灰岩进行有效区分;以岩样地球化学背景值运行判别模型得到的Fisher判别方程对注浆目的层L_(3)灰岩屑来源解析的准确率为100%。基于上述认识,论证了以确保设计“顺层率”为目标的水平分支孔岩屑地球化学源解析方法应用之可行性,进而提出了一种地面定向钻“顺层率”控制技术方案。本研究基于元素地球化学理论,对地面定向钻岩屑携带的特征地球化学信息进行了目的层层位辨识,在现场快速定量测试技术手段的支持下,可为解决华北型煤田底板灰岩水害区域注浆改造顺层难题提供了新的思路。

城郊煤矿薄层灰岩水害治理技术研究与实践

为解决城郊煤矿井下水害常规注浆治理效果不佳的问题,依托地面水平定向钻进技术形成的区域超前治理技术,为治理该煤矿底板灰岩水害提供了新的技术途径。经过研究论证,该煤矿十四辅助采区地面区域治理选择太原组上段L10灰岩为治理目的层,防止底板水害。通过施工三个地面孔组(D1、D2、D3孔)共35个水平分支孔,对治理区太原组上段L_(10)灰岩地质、水文地质及隐伏含(导)水构造等进行探查,并通过高压注浆治理将目的层改造成有效隔水层;施工的井下验证钻孔涌水量均小于10 m^(3)/h,治理效果良好;治理后计算十四辅助采区F21405工作面最大突水系数为0.044 MPa/m,符合突水系数安全值不大于0.06 MPa/m的标准,无突水威胁,可以安全回采。

淮北桃园煤矿北八采区太原组灰岩含水层放水试验与监测成果分析

桃园煤矿北八采区在开拓掘进过程中地温异常,钻孔揭露太原组灰岩含水层水温高、水压高、水质异常。为了判断北八采区太原组灰岩含水层富水性及其补给水源,在采区和矿井内布置了井上、井下观测系统,在井下对太原组灰岩含水层实施放水试验,采用自动监测装置记录放水量与观测孔水位。结果表明:北八采区太原组灰岩含水层水位与奥陶系灰岩含水层水位同步下降,而南部采区太原组灰岩含水层水位基本不变;北八采区太原组灰岩水与奥陶系灰岩水之间存在密切的水力联系,接受奥陶系灰岩水的补给;采区内部存在高水位区;北八采区呈现复杂的水文地质条件。研究成果为该采区太原组灰岩含水层水害的防治提供了可靠的水文地质依据。

区域注浆影响下煤层底板太原组灰岩水水文地球化学演化规律

淮北煤田下组煤开采,主要威胁水源是煤层底板灰岩水(包括石炭系太原组及奥陶系灰岩水),淹井事故时有发生。针对底板灰岩水害治理,目前多采用地面定向钻高压注浆技术,对煤层底板太原组第3层薄层灰岩(简称“三灰”)进行区域性加固改造,以封堵三灰岩溶裂隙并阻断穿过三灰的垂向导水通道。但大规模高压注浆工程的实施,受注含水层地下水流场会受到干扰,在大量浆液析出水的耦合作用下,地下水化学场必然会受到严重扰动。以淮北煤田桃园煤矿太原组灰岩含水层(简称“太灰水”)为研究对象,基于常量组分监测数据统计、Piper图、离子组合比及饱和指数分析,开展了区域注浆前-注浆期间-注浆结束后(即区域注浆前-中-后“三时段”)太灰水水文地球化学演化规律研究。结果表明:(1)三时段太灰水中Na^(+)+K^(+)、HCO_(3)^(-)、Cl^(−)先减小后增大,Ca2+、SO_(4)^(2-)和pH先增大后减小,Mg2+、TDS则整体减小。注浆治理区域Ca2+、SO_(4)^(2-)相对较高,碱度较大,而Na^(+)+K^(+)、HCO_(3)^(-)含量相对较低。注浆前以SO_(4)·Cl^(−)Na和SO_(4)·Cl^(−)Na·Ca(混合型)为主,区域注浆“中-后”时段,太灰水则以SO_(4)·Cl^(−)Na·Ca和SO_(4)·Cl^(−)Na型居多,混合型水占比增大。(2)注浆期间,太灰水中碳酸盐、硫酸盐溶解作用、脱硫酸作用和阳离子交换作用减弱,方解石、白云石的溶解作用增强,同时浆液析出水的混合影响作用明显。注浆结束后,碳酸盐、硫酸盐溶解作用、脱硫酸作用和阳离子交换作用逐渐增强,方解石、白云石的溶解作用逐渐减弱,浆液析出水的混合影响作用减弱。注浆结束1 a后水化学作用逐渐向注浆前状态恢复,但仍未恢复至注浆前状态,可知区域注浆治理对太灰水化学场扰动影响比较明显。(3)太灰水中白云石、方解石饱和指数较大,多呈现沉淀状态;石膏、岩盐饱和指数较小,多以溶蚀状态存在。三时段太灰水中方解石、白云石和石膏3种矿物饱和指数均呈先增加后降低趋势,其中白云石表现较为明显,而岩盐饱和指数变化不明显。多数矿物饱和指数与pH呈较强的正相关性,而石膏饱和指数则与TDS呈较强正相关性。(4)由于高pH的注浆浆液析出水的混扰,原来离子间平衡被打破,从而导致区域注浆以来太灰水常量指标相关性降低,且注浆结束后比注浆期间相关性更低。

华北型煤田底板灰岩含水层超前区域治理模式与选择准则

为建立系统的超前区域水害探查治理技术体系,分析概括我国石炭–二叠纪煤田煤层赋存及水文地质条件,从水害治理工程的系统性出发,围绕我国煤层底板水害超前区域治理工程施工过程中钻孔施工条件、层位选取、钻进工艺3个主要因素,概化形成适用于我国华北型煤田地质及水文地质条件的底板含水层注浆改造模式。综合考虑煤层埋深、煤层底板承受水压、底板岩层结构组合等判识指标,确定了各类治理模式的选择准则;结合钻孔布设、注浆材料2项指标,进一步划分出超前区域治理亚类模式。以淮北矿区、韩城矿区2个典型超前区域治理工程实践为例,分析了各区域治理模式的选取原则及工程应用效果。研究成果对指导我国煤层底板含水层超前区域治理工程模式选择与底板注浆工程实施具有重要理论指导作用。

淮北矿区五沟煤矿太原组上段灰岩岩溶裂隙水富水性及径流特征

五沟煤矿太原组上段灰岩岩溶裂隙水是矿井主采煤层(10煤)的主要充水含水层。通过对矿区水文地质边界条件、地面抽水试验和井下放水试验的分析,认为矿区水文地质边界受制于周边的较大型隔阻水断层,从而形成了较封闭的地下水系统;太原组上段灰岩含水层的富水性在平面上具有不均一性,在垂向具有随着深度的增加,岩溶发育有减弱的趋势,基本上属弱富水含水层,仅在局部构造发育带为中等富水含水层。利用利用surfer软件,绘制出矿区太原组灰岩水位等值线图;从图上可以看出,矿区目前太原组含水层水位标高总体呈北高南低,中间高两边低的态势,并在井田西南部形成以水5孔及J5-1孔为中心的低水位区。该研究对目前矿井防治水工作具有重要的指导意义。

淮北矿区太原组灰岩含水层富水性与埋深和构造的关系研究

分析了淮北矿区太原组灰岩含水层特征以及矿区内的5个水文地质亚单元的太原组灰岩含水层的富水性,经分析表明,太原组灰岩富水性与井田构造密切相关,并且其富水性具有随着埋深的增加而减弱的规律。

深部煤层高承压水底板注浆改造防治水技术的应用

以刘桥一矿Ⅱ666工作面6煤为研究对象,针对矿井断裂构造复杂,与煤层开采关系较大的太原组灰岩岩溶裂隙含水层厚度大、富水性强、水压高、补给源充分、开采深度大、地压高等特点,结合以往相邻采区或工作面深部煤层底板开采时发生多次突水事故的实际,在分析矿井6煤顶底板主要突水点情况的基础上,对Ⅱ666工作面的突水系数进行了计算。结果表明,工作面的最大突水系数超过底板构造破坏带区域突水系数临界值,工作面回采前需采取底板注浆改造措施。根据工作面突水系数、底板隔水层厚度和承受水压大小,把工作面分为2段进行全覆盖注浆改造。运用涌水量对比法、物探探测法和突水系数计算法,对工作面的改造效果进行了评价,结果显示,注浆改造后的钻孔涌水量大幅度减小,甚至为零,物探异常区明显变少,突水系数均<0.06MPa/m,达到了预期要求,为保证深部煤炭资源开采系统的正常运行提供了技术保障。

宿县矿区太原组上段灰岩富水性分析

在收集矿区水文地质资料的基础上,对太原组上段灰岩富水性进行分析。研究表明,宿南向斜太灰富水性最好,宿东向斜太灰富水性次之,宿南背斜西部太灰富水性最差;随着灰岩埋深的增大,太灰富水性有减小的趋势。

贺西矿底抽巷放水试验及矿井防治水技术探讨

为查明贺西矿山西组4#煤层开采受底板高承压太灰含水层的威胁,基于地下水径流理论,对太灰含水层进行了单孔放水试验,得出4#煤底板太灰含水层的富水性和补给排泄条件。结果表明,太灰含水层岩溶发育且存在一定程度的不均一性,富水性差,地下水径流不畅,且地下水交替和循环条件滞缓,但有较高的水位,位于3#、4#煤层之上,有一定的危险性。在此基础上提出了该矿深部开采以疏水降压为主、注浆为辅的底板防治水技术措施,为保障山西组4#煤安全开采提供了合理依据。

底板太灰控水边界演化的动态精细评价与引流疏降治理

随着我国东部矿区开采水平逐步向深部转移,受构造、岩溶发育、底板高承压水等静态因素及已有的底板注浆工程、开采工程等人为动态因素扰动,深部采区的水文地质边界与充水含水层的补、径、排特征已经发生巨大改变,给矿井深部采区的安全生产造成重大威胁。以我国东部矿区的城郊煤矿为例,根据矿井内主要控水的分布特征与导水性、底板灰岩含水层的岩溶发育程度等静态因素,将矿井划分为若干个相对独立的水文地质区块,并针对各个区块的水文地质条件、开采方式和水害特征,结合采掘工程进度、底板注浆改造范围、含水层水位监测和不同时段疏降流场等时空动态演化因素,总结人为边界的形成与演化过程,提出了开采过程中矿井水文地质区块化、精细化划分与主要充水含水层富水性动态评价的模式与方法;综合分析城郊煤矿典型水文地质区块的主要控水构造的实际揭露情况、井下放水试验成果以及25个典型工作面施工的2878个钻孔监测数据,发现了水文地质特征随着开采过程发生巨大改变的演化规律,揭示了矿区受断层边界和人为边界控制的区块化特征及其差异。研究形成了超高承压底板太灰水的“动态引流”疏水降压关键技术,达到了降低水压、平衡水量、消除突水隐患的目的。该技术通过城郊煤矿21304、22006工作面的试采获得了成功验证,取得了显著的经济效益和社会效益。

淮南新集矿区主要充水含水层水化学特征及成因

为探明新集矿区深层地下水离子组成及其演化特征,采集了研究区砂岩水和太灰水等共20个水样,测试分析常规离子和氢氧同位素数据,采用Piper三线图、相关性分析、离子比例系数与饱和指数等方法,探讨了研究区深层地下水水化学特征及其成因。结果表明:(1)研究区砂岩水为高矿化度水,平均矿化度为2743.73mg/L,水化学类型主要为Cl-Na型,太灰水多为中矿化度水,平均矿化度为1468.33mg/L,水化学类型主要为HCO3·Cl-Na型和Cl-Na型;(2)研究区地下水的补给不仅有大气降水和地表水,还有古气候条件下形成的古溶滤-渗入水,且由于矿物质与深层地下水的水岩作用使得氧同位素发生漂移;(3)含水层中主要发生的水岩相互作用有硅酸盐和蒸发盐岩的溶解及阳离子交替吸附作用,盐岩和石膏在研究区地下水中是反应性矿物,白云石和方解石的溶解在矿区地下水中呈过饱和状态。

宿县矿区石炭系太灰地下水化学特征及水岩相互作用

石炭系太原组灰岩(简称“太灰”)地下水是宿县矿区煤层开采主要的充水水源之一,为了研究安徽淮北煤田宿县矿区石炭系太灰地下水化学特征并分析其形成机理,文章综合运用Piper三线图、Gibbs图、相关性分析、主成分分析、离子组合比及饱和指数对矿区的地下水化学特征及水岩相互作用进行分析。结果表明:石炭系太灰地下水主要阳离子为Na^(+)与Ca^(2+),主要阴离子为HCO^(-)_(3)与SO_(4)^(2-);研究区水质类型东部地区主要为HCO_(3)-Ca·Mg型或HCO_(3)-Na型,中部地区主要为SO_(4)-Na·Ca·Mg型或SO_(4)·Cl-Na型,西部地区主要为HCO_(3)-Na型或HCO_(3)·Cl-Na型;石炭系太灰地下水中发生的水岩相互作用主要包括碳酸盐、石膏和黄铁矿氧化的溶滤溶解作用及Ca^(2+)与Na^(+)的阳离子交替吸附作用;受区域地质构造的影响,宿县矿区水岩相互作用存在明显的空间差异性——东部地区以方解石和白云石溶解为主,中部地区以黄铁矿氧化和Ca^(2+)与Na^(+)的阳离子交替吸附作用为主,西部地区以Ca^(2+)与Na^(+)的阳离子交替吸附作用为主。研究结果可为华北地区深部水资源开发和保护提供依据。

车集煤矿29采区底板太灰水疏降可行性研究

为保证29采区安全顺利开采,通过对29采区底板进行疏水降压,揭示和验证了采区作为独立水文地质单元的封闭性特征;获取了底板主要含水层——太灰段的渗透系数等水文地质参数;利用非稳定流理论和井群干扰理论对采区底板的疏降效果进行预测。结果表明,通过合理布置钻孔对底板太灰水压疏降,效果显著,具有现实可行性。同时,对于改进车集煤矿底板防治水技术手段、降低防治水工程成本等均具有重要意义。

太原组灰岩水赋存特征及其对矿井充水影响评价

采用定量与定性相结合的方法,在对石炭系太原组灰岩含水层厚度、富水性、地下水赋存特征分析研究的基础上,评价了太原组灰岩水对矿井目前开采的3号煤层及后续拟开采的15号煤层充水影响程度,对矿井安全生产提供决策依据。

淮南潘北煤矿A组煤层底板灰岩水数值模拟分析

潘北矿位于潘集背斜北翼,区内发育了不同尺度断层和裂隙,且切割了不同深度的灰岩含水层。其中,太原组C2Ⅰ组灰岩含水层,直接影响A组煤层安全开采。通过放水试验,获得大量基础试验数据,分析了水文地质条件,建立了水文地质概念模型及数学模型,并采用总恢复和总放水作为模型的识别和验证阶段,结果表明:井田内太原组C2Ⅰ灰岩含水层为非均质性,边界条件是复杂的,含水层内部的断层具有不同程度导、隔水性等;并验证了在局部地段与奥陶系、寒武系灰岩含水层之间存在水力联系,以及灰岩露头区中F1、DF1均为导水断层等,为下一步A组煤层安全开采,防治灰岩水提供科学依据。

逆冲推覆体下煤系砂岩和太灰含水层水化学特征

为研究阜凤逆冲推覆体下煤系砂岩和太灰含水层水化学特征,对淮南新集矿区(新集一矿、二矿和三矿)进行水样采集、测试及分析,采用Piper三线图、相关性分析及离子比例系数讨论水化学特征及其成因。结果表明:(1)煤系砂岩水和太灰水,阳离子中Na^+占比重最大,来源于岩盐溶解、阳离子交替吸附以及钠长石的溶解,Ca^(2+)次之;阴离子以Cl^-为主,主要来源于岩盐的溶解,HCO_3^-次之,HCO_3^-和Ca^(2+)主要来源于碳酸盐的溶解。煤系砂岩水水化学类型为Cl-Na、Cl·HCO_3-Na型;太灰水的水化学类型为Cl·HCO_3-Na、Cl-Na、Cl·HCO_3-Na·Ca型。(2)受推覆体影响,两个含水层的水动力条件较差;就三个矿井而言,处于推覆体前缘、离推覆体较远的新集三矿水动力条件较一矿和二矿好。

车集井田太原组上段灰岩富水性分析评价

在收集车集井田水文地质资料的基础上,对太原组上段灰岩赋存情况及富水性进行分析评价。研究表明,太原组上段灰岩含水层对井田开采二2煤层有一定影响,在矿井生产过程中必须采取底板注浆加固等相应措施,防止水害事故发生。

两淮矿区主要含水层水化学特征差异性研究

以两淮矿区(潘谢矿区和临涣矿区)为研究对象,分析了煤系砂岩水(以下简称砂岩水)、太灰水样离子的质量浓度组成及水化学类型,采用多元统计分析、因子分析和离子比例系数分析法对结果进行讨论。结果显示,两淮矿区水化学特征和离子来源在空间上均有一定差异性,尤其是砂岩水。两淮矿区太灰水主要发生了石灰岩和白云岩等岩石风化以及水岩相互反应产生的溶解作用,淮南地区SO42-普遍小于淮北地区,但淮北地区的砂岩水矿化度整体低于淮南地区砂岩水。淮南矿区砂岩水主要发生硅铝酸盐矿物、石灰岩和白云岩的盐岩溶解作用,淮北矿区砂岩水主要是硅酸盐岩的溶解释放和脱碳酸作用。