中国煤矿水害综合防治技术与方法研究

本研究对基于充水水源、煤层与含水层相对位置和导水通道等依据进行分类的诸多矿井水害的防治技术与方法进行了分析与探讨。首先,分析阐述了基于充水水源进行分类的大气降水型、地表水源型、地下水源型、采空区水源型、袭夺水源型和离层水源型矿井水害的相应防治技术与方法;其次,分析阐述了基于煤层与充水含水层相对位置关系进行分类的顶板充水型、底板充水型和周边充水型矿井水害的相应防治技术与方法;最后,分析阐述了基于导水通道进行分类的陷落柱通道型、断裂裂隙通道型、窄条状隐伏露头通道型和其他导水通道型矿井水害的相应防治技术与方法。研究成果可为不同类型煤矿水害的精细化防治提供技术支持。

孔巷联合并行电法超前探测技术研究

巷道掘进是矿井生产的重要环节,也是矿井水害预防的最前沿阵地,有效的做到掘进迎头前方地质异常超前预测预报是实现巷道安全掘进的基础。考虑到巷道超前探测方法在各个方面的条件限制,结合矿井钻探与物探的优势,在钻孔和巷道内布设电极测量迎头前方区域地电场响应特征,同时开展孔巷联合并行电法超前探测的有限元三维数值模拟,采用金属球体模拟迎头前方典型低阻异常体,异常区域视电阻率值低于10Ω·m。该方法应用于五沟煤矿1024工作面风巷的实际探测,结果表明:超前探测区域内视电阻率值整体较高,孔底前方30~34m处存在一处明显低阻异常,其视电阻率值低于10Ω·m,后经实际揭露验证,该处较为湿润破碎。

古河道砂岩含水层水资源保护与水害防治方法

鄂尔多斯盆地开采侏罗纪煤层的矿区有24个,原煤产量占全国的45%左右,随着开采深度的增加,煤层顶板直罗组古河道砂岩含水层成为煤矿突水的主要水源。直罗组砂岩含水层富水性相对较弱,但采动条件下释水效应显著,成为长期、持续提供煤矿矿井水的主要突水水源。同时,该区属于生态脆弱区,水资源相对短缺,如何有效利用有限的水资源,无疑是矿区地下水系统保护和生态环境保护的重要基础。以榆神矿区及曹家滩煤矿为例,提出了古河道砂岩含水层研究技术路线、主要研究内容和研究方法。应综合运用沉积学、水文地质学和矿井防治水理论,辅助必要的野外地质调查、典型剖面实测、水文地质及环境地质典型要素专项调查、钻探、物探测井和采样测试、数值模拟等方法,重点开展古河道砂岩含水层沉积演化及物性特征、古河道砂岩含水层地下水系统特征、古河道砂岩含水层与煤层开采互馈机制等3个方面的研究。神府南区研究实践表明,直罗组下段古河道砂体规模巨大且具有良好的孔隙、裂隙结构特征,具有良好的地下水储存和运移性能,总体上以红碱淖—尔林兔—锦界一线为轴线,呈NW-SE向带状展布。延安组第四段、第五段遭受了直罗组古河道冲刷。主河道区域富水性强于分支河道和分流间湾区域,是矿井涌(突)水危险性较大区域,应做好水害防控。

综放工作面老空动水综合防治技术研究

芦沟煤矿21煤柱综采工作面位于21采区中部,水文地质条件较复杂,周边全为已回采过的采空区。掘进时分别在上下副巷进行了多轮次探放老空区水,对21煤柱工作面两翼采空区积水进行了有效疏放。郑州“7·20”暴雨后工作面回风巷东帮出现淋水,且大量增加,严重影响工作面安全生产,对此采取了井下超前探放、利用周边废弃井筒建立排水阵地,对井下排水阵地进行增容改造等方案。经过4个月的综合治理,彻底解决了老空水水害,摸索出一套行之有效的治理技术和方案,具有在相同条件下推广的意义。

我国煤矿水害事故特征、致因与防治对策

水害作为煤矿“五大灾害”之一,在威胁煤矿安全生产和职工生命安全方面,已成为仅次于瓦斯事故的第二大“杀手”。2000—2022年,全国煤矿共发生水害事故1206起、死亡5018人,其中较大以上水害事故103起,死亡2039人。为总结事故教训,探寻事故规律,用事故教训推动水害防治工作,从地理区域、年代、季节、水文地质类型、突水水源和煤矿企业所有制等对水害事故特征进行了不同维度的统计和分析。结果表明,在事故特征方面,矿井水文地质类型复杂程度与水害事故发生频率高度一致;华南地区事故起数和伤亡人数位居首位,且全年内水害事故高发期主要集中在3—5月和7—8月;老空水是水害事故的主要充水水源,具有极强的隐蔽性和危害性,并且主要发生在技术探查及管理能力更弱的乡镇所有制煤矿中。在事故致因方面,客观上开采环境复杂,主观上重视不够,即管理不当和违法违规开采,是事故发生的主要原因;点状的陷落柱和线状断层构造等隐蔽导水内边界以及老空水等未按规定探放,是事故发生的主要技术原因。最后,采用文献计量学可视化分析发现,当前煤矿水害方面聚焦的研究主题可以很好地对应“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的煤矿防治水原则。从破解煤矿水害“风险查不清”“有险断不准”“出险治不了”等困境出发,相应从矿井充水因素和隐蔽致灾地质因素普查、立体充水水文地质条件分析以及分类源头精准防治等3大方面提出相应的对策;并顺应水害防控信息化和智能化发展趋势,提出透明矿山、水害灾变监测预警和应急救援等保障技术措施。

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。

水害风险预警系统在皖北煤电集团的设计研究

为应对皖北煤电集团煤炭开采中日益严峻的水害形势,在充分利用其现有的条件和资源的基础上,设计通过融合水文监测系统、中央泵房自动控制系统、井下钻探监控系统及微震监测系统,并结合物联网、云计算及大数据技术,对地下水及导水通道进行综合分析,实现水害风险的预警及防控。

煤矿水文智能监测系统在底板水害防治中的应用

煤矿带压开采条件下水文监测对于矿井的安全生产意义重大。为解决水文监测实时连续、直观显示等难题,本文基于计算机、通讯及传感器技术,提出并形成了一套适用于井下复杂环境的无人值守煤矿水文监测一体化系统。建立了数据存储、分析平台,实现了水文异常自动报警。并在矿井进行了现场应用研究,取得了良好的监测效果。

我国煤矿水害事故现状、预测及防治建议

现阶段我国煤炭资源开发格局发生变化,制约煤矿安全生产的水害事故仍时有发生,为探究我国煤矿水害事故的特征规律,科学研判水害事故演变趋势,以2001−2022年全国煤矿水害事故作为统计对象,从水害事故发生年份、发生区域、事故级别以及水害事故的影响因素等方面进行研究,构建长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)模型,同时引入等维新息灰色G(1,1)模型作为基准模型,对2023−2024年全国煤矿水害事故百万吨死亡率进行预测,并根据事故发生特征提出相应的防治措施。结果表明:2001−2022年我国水害事故共1103起,死亡人数为4667人,从2016年开始我国煤矿水害事故起数下降至个位数,事故死亡人数控制在每年50人以内,随着我国煤炭资源开发中心西移以及煤炭资源开采深度加大,煤矿水害事故起数和死亡人数又有上升的趋势;我国煤矿水害事故主要发生在华北、华南和东北水害区,表现出明显的集聚性,近两年发生在西北水害区的煤矿水害事故占近两年总起数的36.36%,死亡人数占比高达74.24%;煤矿水害事故规模整体控制较好,特别重大煤矿水害事故从2011年开始清零,重大水害事故波动下降后在近两年又有反弹,较大和一般水害事故发生起数和伤亡人数明显降低;在目前煤炭资源开发格局下,煤炭产量稳步递增导致不确定性水害致灾风险的提高;LSTM模型的预测精度高于等维新息灰色G(1,1)模型,2种模型未来两年全国煤矿水害事故百万吨死亡率预测值分别为0.0041、0.0022与0.0035、0.0012,预测结果均显示我国煤矿水害事故造成的伤亡人数整体呈现下降趋势,安全形势稳定。

大埋深高水压煤矿突水危险性分析及水害监测预警指标构建

针对大埋深高水压煤矿底板突水威胁,本文以恒源煤矿为研究对象,进行致灾机理及多要素监测预警理论研究,形成底板水害风险监测指标体系。利用熵权法及层次分析法,进行客观赋权及主观赋权,在此基础上进行组合赋权,得到各突水要素综合权重。研究方法及成果对水害监测平台的建设以及多元数据的采集,提供技术支撑及设计参考。

麻地梁煤矿水害风险预警与防控系统的设计与应用

麻地梁煤矿水害具有一定的复杂性与难预测性,针对这一情况,采用当下常用且流行的计算机技术、物联网技术、云计算与大数据技术,研究并设计了针对性的水害风险预警与防控系统。介绍了系统设计目标,分析了影响麻地梁煤矿水害发生的主要因素,论述了系统的功能模块设计。实践表明,该系统充分考虑多种因素影响,实现了麻地梁煤的水害风险预警及防控。

神南矿区水质特征及水环境保护研究

为保护矿区水环境质量,在神南矿区进行水样采集检测,运用描述性统计等方法对研究区水环境现状进行研究并分析其控制因素,以此提出矿区水环境保护措施。研究结果表明,神南矿区水环境总体呈碱性,地表水与地下水化学类型主要为HCO_(3)·SO_(4)-Ca,老空水则以SO_(4)·HCO_(3)-Na·Mg为主;地表水水质较差不宜饮用,地下水水质整体较好,老空水水质极差,大都不宜灌溉;地表水、地下水环境主要遭到生活污水的影响,同时也受农业活动威胁,老空水环境则受到采矿活动的破坏。

孤岛综放工作面底板突水综合治理技术研究

芦沟煤矿21煤柱综放工作面位于21采区中部,沿21采区三条下山布置煤柱工作面,两翼均为已回采过的采空区,该面为孤岛工作面。工作面回采后底板突水,出水量最大290 m 3/h。通过采用井下物探、帷幕注浆、查明出水通道等技术措施,将出水点封堵,将涌水量降至47 m 3/h,通过21煤柱综放工作面动水封堵工程经验,总结出一套行之有效的治理技术,具有在类似条件下推广的价值。

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。

工作面槽波地震勘探技术应用

机械化回采过程中常遇到地质构造不明确的问题,在工作面回采前查明其中的断层、陷落柱等地质异常体至关重要。通过环工作面布置地震检波器开展槽波地震勘探,利用炸药作为震源激发震波,接收并分析槽波在煤层中的传播特征。该方法可以精准定位隐伏构造的位置及工作面内煤层变薄的区域,为工作面的安全生产提供技术支撑。

“煤-水”双资源型矿井开采技术方法与工程应用

由于我国东、西部地区煤-水资源呈逆向分布,为解决煤炭资源安全绿色开发、水资源供给、生态环保之间的尖锐矛盾和冲突,实现煤矿区水害防治、水资源保护利用、生态环境改善的多赢目标,在阐述"煤-水"双资源型矿井开采概念与内涵的基础上,提出了根据矿井主采煤层的具体充水水文地质条件优化开采方法和参数工艺、多位一体优化结合、井下洁污水分流分排、水文地质条件人工干预、充填开采等"煤-水"双资源型矿井开采的技术和方法。以蔚县矿区兴源矿为工程背景,提出了松散含水层下薄基岩区房式保水开采方案,建立了煤房"固支梁"力学模型,提出了基于让压理论的煤柱设计方法,修正了屈服煤柱上覆载荷计算公式。结果表明:主关键层的存在和稳定扩大压力拱的形成是屈服煤柱设计的关键,且屈服煤柱具有足够的强度支撑扩大压力拱下方的覆岩重量;采5留4、采5留5、采6留5等方案具有可靠的安全系数。

多层浅埋煤层开采触发岩溶坡体动力崩滑机制研究

因内外动力地质作用活跃和人类工程活动频繁致使我国西南岩溶山区坡体灾害频发,进行该类灾害防控的相关研究必要而迫切。采用原位地质详查、全域块体离散元数值模拟和工程地质力学理论分析,选择贵州纳雍张家湾普洒滑坡为研究对象,系统提出了该类“井工开采诱发型”滑坡的致灾特征、主控触发因素和动力成灾机制。结果表明:(1)该滑坡动力崩滑的影响因素包括高陡坡体微地貌、“上硬下软”岩性组合、斜坡岩体结构和物理化学风化等主导因素和多层浅埋采空区、强降雨和采掘爆破振动等触发因素,其中前者的存在或长期作用较为明显地降低了原始坡体的稳定性,而后者的存在或短期作用急剧地劣化了坡体地质条件并最终触发了坡体的“临界崩滑”;(2)该滑坡在采空区和强降雨作用下形成的“渐进变形”具有明显的“整体下座”和“顺时针旋转”特征,其中“整体下座”为“井工开采诱发型”滑坡的典型特征,其为受区内井工开采引起的地表开采沉陷所致;(3)邻近坡体的采掘爆破振动最终触发该滑坡形成“临界崩滑”后,其后续动力响应可细化为“解体破碎→铲刮滑床→碎屑流动→堆积稳定”4个阶段。最后,基于分析驱动该滑坡各阶段动力响应的力学作用类型及其效应,即:坡体岩溶裂隙渗透压力、竖向和水平爆破振动应力、坡脚处剪切应力、采空区边界卸荷应力和采空区中冒落岩块压实过程产生的侧向膨胀应力等及其岩体破裂效应,系统提出了考虑其崩滑全程力学模式演变的动力崩滑机制。

皖北矿区主要水害问题及其防治对策

为解决皖北矿区的水害,文章介绍了皖北矿区主要水害问题,阐述了皖北矿区应对水害问题所采取的关键技术为:松散强含水层下煤层安全开采成套技术,底板承压灰岩水上治控技术体系,隐伏陷落柱预测与治理技术,水害预测预警及混合水源识别技术,矿井水文地质条件超前精细探查技术,矿井水资源化利用技术。通过上述技术和管理对策保障了矿区持续安全高效生产,取得了显著的经济和社会效益。

集贤井田煤层顶板危险性综合评价与防治对策研究

以集贤井田主采煤层9#煤为例，在收集大量地质资料和水文地质资料的基础上，建立了煤层顶板的水文地质概念模型。运用“三图”理论。将煤层顶板导水裂缝带高度与其顶板含水层覆岩厚度进行比较，确定煤层和煤层顶板充水含水层的导通关系，进而根据导通关系建立冒裂安全性分区图：建立基于GIS与AHP的煤层顶板直接充水含水层的富水性指数模型，生成煤层顶板直接充水含水层富水性分区图：叠加冒裂安全性分区图和富抽}生分区图，建立了煤层顶板直接充水含水层涌（突）水危险性综合分区图。运用基于采掘进程的数值法对矿井涌水量进行预测预报，并提出相应的防治水措施。

深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术

为解决目前蒙陕矿区深部侏罗系矿井采后采场落地水量大、煤水混杂,以及上部煤层距离强含水层较近,无法安全掘进与回采等一系列问题,提出了深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术。应用沉积控水规律,分析了含(隔)水层在平面与剖面的空间展布规律与含水层富水性分布规律,在此基础上,针对煤层厚度变化较大、顶板含(隔)水层交互成层的特征,通过构建含有沉积环境影响指数、砂岩厚度、岩芯采取率、单位涌水量、渗透系数与导水裂隙带发育高度6个指标在内的评价指标体系,提出了符合深部侏罗系矿井水文地质特征的矿井涌(突)水风险分区评价方法,进而根据“断源截流、集中疏排、源头预防、超前治理”的防治水思路,提出了“上行开采低位截流”、“工作面单侧截流”、“工作面双侧截流”与“工作面方向调整截流”4种地下水截流治理模式,最后以蒙陕矿区的门克庆矿井和母杜柴登矿井进行实例分析。应用结果表明:①直罗组一段砂岩含水层主要为河道相沉积,砂体的空间连续性较好,是深部侏罗系矿井的主要充水含水层;②门克庆矿井首采区3 -1 煤顶板涌(突)水危险区主要分布在研究区的南部,呈东西向条带状展布,与实际情况较为吻合;③根据门克庆矿井首采区涌(突)水危险性分布规律,应用了“工作面单侧截流”与“上行开采低位截流”两种治理模式并分析了其在实际工程中的应用效果。深部侏罗系矿井水害防治作为一个复杂的系统工程,以源头防控为重点的系统防治技术体系仍是深部侏罗系矿井水害防治需要重点攻关的研究方向。