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。

隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理技术研究

我国西北地区烧变岩分布范围广、孔隙裂隙发育、富水性强,是当地的主要含水层,其中的隐伏火烧区烧变岩地表遗迹不明显、发现难度大,煤矿开采一旦导通烧变岩含水层将导致水害事故,同时会破坏烧变岩含水层水资源。为治理隐伏火烧区烧变岩水害并保护烧变岩含水层水资源,分析我国烧变岩分布特征及烧变岩水对煤矿开采影响,研究隐伏火烧区烧变岩探查和治理技术,开展隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理的示范应用,结合现场监测数据分析评价陕西柠条塔煤矿南翼隐伏火烧区含水层水害治理和水资源保护效果。结果表明:我国烧变岩主要分布于以昆仑山-秦岭-大别山为界的北方地区,隐伏烧变岩主要分布在鄂尔多斯盆地东北部、伊犁盆地南缘,被第四系松散层覆盖;隐伏火烧区烧变岩含水层与风化基岩含水层大多直接接触且连为一体,水力联系密切;烧变岩水害防治措施主要有留设烧变岩含水层防隔水煤柱、疏降烧变岩含水层积水和帷幕截流,其中截水帷幕可有效解放烧变岩含水层压覆的煤炭资源,解除烧变岩水害威胁并保护烧变岩含水层宝贵的地下水资源;通过精确探查出隐伏火烧区范围、布设注浆钻孔,将隐伏火烧区烧变岩含水层隔离为若干个含水体,断绝截水帷幕内外的水力联系,可保障工作面不受烧变岩水威胁,同时实现烧变岩水资源保护;柠条塔煤矿S1232工作面和S1233工作面隐伏火烧区烧变岩含水层治理后,其回采期间涌水量降至20m^(3)/h以内,工作面得以安全回采,截水帷幕内侧水位下降,外侧水位逐渐抬升,烧变岩水资源得到有效保护。

我国煤层水害基本架构及发展情势

为了解决煤炭资源安全高效开发过程中面临的煤层水害问题,基于近20余年间煤层水害事故的统汇分析,提出了“隐蔽突水致灾因素”萌生、煤层水害“三要素”定型、多要素耦合孕灾、突破临界状态激发灾变和灾变后负效应显现等5个煤层水害的主体构成阶段,依据各阶段独立属性特征,将煤层水害概括为顶板水害、底板水害和老空水害3个主类,以及巨厚基岩含水层高势能涌(淋)水、岩溶陷落柱导升突水、同位水平空间侧向涌水等11个子类,并对不同类型煤层水害的孕灾致灾诱因、发育发展过程机理、灾变显现特征等进行阐述。最后,对我国煤层水害的未来发展情势做了简要展望和分析。

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。

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。

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。

带压开采工作面综合勘探技术和施工治理的应用研究——以内蒙古不连沟煤矿F6226工作面为例

不连沟煤矿位于准格尔煤田的北部。由于F6226工作面的部分煤层在奥灰水水头以下,需要进行带压开采,必须对潜在的顶板砂岩裂隙水和底板奥陶系灰岩岩溶裂隙水导水构造进行采前探查,并对导水构造实施治理。在探查工作中,利用瞬变电磁法在工作面顶板发现2处低阻异常,均为断裂影响形成岩石破碎,相对富水;经钻孔验证均未出水,预测在回采作业中只会产生局部淋水,不会出现大规模涌(突)水。音频电透视探测发现煤层底板中有4处低阻异常,槽波地震探测共探查出13条断裂和1处地质异常;对异常验证的25个钻孔注浆处理后,最大出水量为0.3 m^(3)/h,并未见到岩层的错乱等异常现象。评价认为,基本可以排除F6226工作面范围内煤层顶板砂岩水和底板奥灰水涌(突)水的可能性。

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。

基于相关系数法的顶板含水层富水性主控因素分析

随着煤炭资源采掘深度的不断加大,矿井顶板水害问题日益严峻,准确评价煤层顶板充水含水层富水性对于煤矿防治水工作至关重要。含水层富水性是由具有不同相关程度的多元水文地质因素共同作用的结果,选取顶板含水层单位涌水量、渗透系数、砂岩厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率、脆塑性岩厚度比这6个主要控制因素,采用Pearson相关系数法对煤层顶板直接充水含水层富水性与各主控因素之间的相关性进行对比分析。通过评价各主控因素的正负相关性与相关程度,结合统计学方法计算Pearson相关系数进行相关程度的量化对比分析,为煤层顶板直接充水含水层的富水性评价提供依据。

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。

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。

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。

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。

矿井构造复杂区水害探查治理技术研究与应用

针对辛安井田部分区域内2^(#)煤开采煤层下伏的薄层灰岩含水层和奥灰含水层存有高承压水及隐伏陷落柱、断层和裂隙等导水构造的威胁,为保证矿井生产安全,对区域实施专项防治水技术研究。地面区域治理工程,共施工2个主孔、16个分支水平孔、2个次级分支孔,完成钻探进尺11778.31 m,累计注水泥14820.45 t,粉煤灰29.15 t。井下钻探工程,共施工野青钻孔1个、山伏青钻孔6个,区域治理效果检验孔16个,完成进尺2994.5 m,累计注水泥82.9 t。经对物探异常范围二次探查,3^(#)、7^(#)异常区均已消除,经过井下钻探验证,钻孔水温、水压与区域内其他钻孔一致,异常排除。通过本次项目实施,新增原煤产量12万t,产生经济效益约9240万元,且保证了矿井的正常生产衔接。

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。

新型聚氨酯注浆材料的研制及其在煤层防治水中的应用

为了降低聚氨酯注浆材料的成本,以纳米改性剂CAG-1为无机填料,将其与聚醚多元醇PTMG、甲苯二异氰酸酯TDI、二苯基甲烷二异氰酸酯MDI、磷酸三(2-氯丙基)酯TCPP和甲基膦酸二甲酯DMMP相结合,以辛酸亚锡为催化剂,柠檬酸为缓凝剂,研制出了一种新型聚氨酯注浆材料,并考察了纳米改性剂CAG-1对新型聚氨酯注浆材料性能的影响。研究结果表明,纳米改性剂CAG-1的质量分数越大,新型聚氨酯注浆材料的密度、黏度和不挥发物含量越大,凝胶时间和包水性越长,发泡率和遇水膨胀率越小,抗压强度则随着CAG-1质量分数的增大先升高后降低,推荐CAG-1的最佳质量分数为5%,此时制备的新型聚氨酯注浆材料综合性能较好。现场应用结果表明,5口矿井采用新型聚氨酯注浆材料进行分流注浆堵水措施后均取得了良好的堵水效果,堵水率均达到90%以上,涌水量显著下降,应用效果较好。

高强度开采条件下安全回采地质保障技术研究

为解决小保当一号煤矿矿井涌水问题及地表生态问题,通过理论分析与现场实测等方法对矿井涌水预测、裂隙发育高度展开研究。研究表明,小保当一号煤矿矿井涌水量整体呈增加趋势,且与地表降水、工作面开采范围及生产能力有关;理论计算得矿井最大涌水量875 m^(3)/h,裂隙发育高度为127.6~162.4 m,与上煤层采空区贯通,存在突水危险。针对该矿井实际情况,提出了针对性的地质保障措施,确保煤矿生产安全。

鄂尔多斯侏罗纪矿区“四控一检”顶板钻孔疏放水技术

鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田矿井普遍受顶板砂岩水水害的威胁,疏放水工程量普遍较大,目前没有一定的布设方式、规范可供参考。在分析母杜柴登矿井30201工作面不同阶段疏放水量变化的基础上,结合研究区域范围内顶板砂岩水水害的特点,对不同属性的补给进行分析,得出顶板砂岩水静储量为前置疏放对象、动态补给为常态,并提出了包含4种连续控制手段、一种检验措施在内的“四控一检”顶板钻孔疏放水技术。首采工作面的实践表明,在保障工作面安全回采的基础上,采用“四控一检”的方法,能够使疏放水钻孔布置更加合理,可有效减少疏放水工程量,做到了降本增效,为顶板砂岩水水害矿井在安全高效生产方面提供了一定的借鉴和参考。

冲积层下煤层顶板水害探测与防治技术研究

冲积层底部含水性严重威胁冲积层下采煤的水害防治安全,在煤层开采前及开采过程中都需要采取相应的防治水措施以杜绝重大水害事故的发生。因此,为保障厚冲积层煤层放顶煤安全、高效开采,文章开展基于并行电法的冲积层下煤层顶板水害探测与防治技术研究,通过数值模拟及现场实测得到顶板局部富水所引起的响应特征。结果表明,对水体高度敏感的并行电法能够精准、高效地识别顶板富水状态,基于此可进一步提出相应的水害防治措施,进而为冲积层下采煤工作面防治水工作提供关键指导依据。