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。

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。

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。

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。

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。

开展水害致灾因素普查 防范煤矿水害事故发生

现阶段我国煤矿水害事故基本得到了有效控制,但水害重大事故仍时有发生,事故影响还有增大趋势,开展水害致灾因素普查治理是加强煤矿防治水工作,有效防范各类水害事故的重要举措。总结了我国煤矿水害发生的主要致灾因素,分析了充水水源、充水通道等各类致灾因素的特点;系统论述了我国在煤矿水害致灾因素探测中物探、钻探和智能探测方面的代表性技术和创新性成果,阐述了“三图法”等顶板水害预测预报理论和方法,以及五图-双系数法和“脆弱性指数法”等底板水害预测预报理论和方法,并介绍了地下水和地表水等因素导致水害事故的典型治理技术。研究发现,在目前煤矿水害致灾因素探查方面,老空水探测程度、深部岩溶含水层防控、西部煤矿区顶板砂岩含水层监测及智能化探测技术仍存在缺陷,关闭矿井的矿井水问题尚未得到重视。提出今后需重点在煤矿水害致灾因素综合精细探查、智能化探测及关闭矿井水害致灾因素探查等方面加强研究的建议。

任楼煤矿副井井筒变形破坏机理研究与防治

在分析任楼煤矿副井井筒变形破坏特征的基础上,结合新生界松散层地质和水文地质条件分析,阐述了地面供水和地下采煤引起的松散含水层水位动态变化、地面沉降特征,研究了二者之间的内在联系,得出了松散层地下水水位下降与地面沉降之间的正相关关系。在此基础上建立了副井井壁变形破坏的工程地质模型,解释了该矿副井井壁的变形破坏机理,进而提出并实施了有针对性的修复技术——井圈加固和注浆加固,取得了良好的治理效果。

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。

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。

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。

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。

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。

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,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。同时,在矿井进行了现场应用研究,取得了很好的监测效果。

淮北煤田邹庄煤矿太灰水水化学特征及成因分析

随着煤炭浅部资源逐渐枯竭,淮北煤田邹庄煤矿的煤炭开采正逐步向深部发展,导致深部地下水系统原有平衡被破坏。为保证安全开采,同时确保矿井涌突水发生后能快速识别突水水源,需对太灰水的水文地球化学特征进行系统研究。采用Gibbs图、离子比例系数、主成分分析等方法进行分析,探讨邹庄煤矿深部太灰含水层水文地球化学形成作用。结果表明:太灰水呈弱碱性,TDS变化范围为1520 mg/L~1674 mg/L,属微咸水,水化学类型为Na-HCO 3-Cl型;Gibbs图分析显示太灰水形成主要受岩石风化的影响;离子比例系数和主成分分析得出离子来源受控于溶滤溶解作用和阳离子交替吸附作用。以方解石溶解为主,还包括少量的岩盐溶解、石膏溶解及硫化物氧化溶解。在地下水径流过程中与围岩发生的阳离子交替吸附作用,其类型为地下水中Ca 2+交换围岩中Na+。

安徽恒源卧龙湖煤矿北一采区充水特征与水害防治

卧龙湖煤矿北一采区8煤开采顶板涌水量大且持续时间长,对煤矿安全生产和开采效率造成严重影响。这种涌水特点在淮北-永夏煤田顶板水害防治历史上极为罕见,使煤系顶板砂岩水以静储量为主的"疏干型"观念受到挑战。通过开采过程中的水文动态观测、涌水规律和补给水源分析研究,取得了以下成果:(1)北一采区顶板砂岩水初始涌水量大,随时间的延长虽有衰减,但不致疏干,涌水量仍保持在100 m3/h以上的高水平上;(2)随着新工作面的开采,已采工作面的涌水量逐渐转嫁到新开工作面,但新老工作面涌水量之和基本保持稳定;(3)水动态观测成果显示,北一采区涌水量与K3砂岩水位变化之间具有相关性。在弄清涌水规律的基础上,采取煤水分流、隐患排查和超前截流的防治水技术措施,效果显著,可供类似条件下的其他煤矿防治顶板水害时参考。

“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。

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。

钱营孜煤矿过F22断层超前精细探查及注浆治理工程

钱营孜煤矿F22断层是矿井内一条规模最大的正断层,F22断层的准确位置、破碎带发育情况及导含水性对巷道施工的安全性构成了较大影响。在地面三维地震、瞬变电磁及补充勘探钻孔总体控制的基础上,井下通过采取超前钻探结合孔中直流电法、孔中测震、巷孔瞬变电磁探测等物探方法对F22断层实施了钻探物探一体化超前精细探查,精确查明了F22断层发育条件、破碎带及富导水性,通过针对断层影响带的管棚超前支护与预注浆及锚杆超前预注浆,对F22断层影响带及巷道围岩进行了注浆加固治理,封堵了可能的导水通道,提高了巷道顶板支护强度,保障了巷道安全穿过断层。

基于子域解析元素法的煤矿疏降水量预测研究

为分析子域解析元素法用于煤矿地下水流场模拟的可行性和精度,构建了基于子域解析元素法的煤矿地下水流场模型,并将该模型应用于煤矿疏降水量预测实例中,最后将模拟结果与Feflow模拟结果进行了对比分析,分析结果显示,在各疏降水控制孔位置与疏降水量相同的条件下,子域解析元素法模型与Feflow模型中各带压疏降水孔水位均降至临界安全水位以下所需的时间分别是57d与60d,并且各观测孔在疏降水后的水位均降至临界安全水位以下。研究结果表明,子域解析元素法用于煤矿地下水流场模拟可行且精度可控,是煤矿地下水流场模拟方法的有益补充。