钻探技术在煤矿水害防治工作中的应用

钻探作为煤矿水害防治工作一种重要的技术手段,得到了广泛的应用。煤矿大口径排水井钻进技术、底板多分支水平井地面定向钻进及注浆加固改造技术、井下定向探（疏）放水钻进技术、注浆封堵突水通道钻探技术和矿井突水灾害快速钻进救援技术等煤矿防治水钻探技术,在煤矿水害防治工作中得到了广泛应用,取得了良好效果。加强防治水钻探配套设备的研发和相关钻探工艺技术研究,将有力促进煤矿水害防治工作的发展。     

基于改进型突水系数法治理底板奥灰水害技术

针对渭北煤田下组煤底板超薄隔水层条件下,煤层开采过程中底板奥灰水害防治技术难题,依托渭北煤田韩城矿区桑树坪煤矿奥灰水害治理课题,基于煤矿井下近水平定向钻进技术,提出底板奥灰岩层顶部利用与注浆改造的防治水思路。(1) 考虑底板破坏带失去阻水能力的因素,结合突水系数法确定奥灰顶部利用与注浆改造的临界厚度,采取自工作面两端相向钻进的方式开展定向钻孔探查,依据探查情况,结合压水试验结果,确定钻孔注浆工艺及参数,分析注浆效果。(2) 采用地面三维地震、地面瞬变电磁探查采区低阻异常和构造发育情况,采用直流电法或瞬变电磁探查巷道工作面前方富水区,待巷道系统形成后,采用直流电法测深、音频电透视探查巷道和工作面底板下的富水区,采用无线电波透视探查工作面构造及煤厚变化情况。最后根据物探和定向钻探的探查结果,实施检查技术,综合评价带压开采的可行性。研究表明,奥灰顶部富水性弱,可作为相对隔水层利用,突水系数已降至0.073 MPa/m以下,为今后进一步完善《煤矿防治水细则》突水系数临界值的确定提供坚实的依据,确保了工作面安全回采,形成了修正的突水系数法结合“探查?注浆?检查”的奥灰水害防治技术体系,延伸了矿区安全开采下限。      

邯邢矿区奥陶系灰岩上部注浆改造技术

注浆改造是华北型煤田下组煤开采的有效防治水技术之一。但是目前该项技术只能解决浅部上组煤问题,随着采深的增大,注浆改造煤层底板薄层灰岩含水层已不能满足安全开采条件。以东庞矿下组9号煤开采为例,分析了奥陶纪峰峰组岩溶含水层富水特征,研究了对奥陶系顶部进行注浆改造的可行性和相关技术问题,得出,对东庞矿奥灰上部进行注浆改造在技术上是可行的,合理的注浆改造厚度为40 m。试验性注浆结果表明,钻孔涌水平均堵水率达到74%,注浆效果良好,并提出了下一步防治水工作建议。      

裂隙注浆偏流机理及帷幕体采动效应研究综述与展望

注浆堵水是地下工程和矿山水害防控的常用技术措施,但是,目前浆液扩散机理与采动效应的研究滞后于工程实践的要求,制约了注浆工程科学有效地实施。本文跟踪裂隙岩体中注浆浆液扩散研究,受裂隙地下水“偏流效应”启发,提出了深部矿山裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流效应的命题,包括2个关键科学问题: 裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流机理、偏流形成的“浆-岩”组合体采动变形破坏和渗透性变化机理。结合研究趋势,提出了跨学科综合研究方法。以典型矿山注浆防治水工程为背景,研究深部矿山水文地质结构及其采动时空演化,揭示裂隙岩体动水条件下注浆浆液扩散偏流机理及其影响因素,获得裂隙岩体内帷幕注浆形成的三维异形“浆-岩”组合体形态和力学特性,建立浆液偏流扩散数学模型,构建“浆-岩”组合体渗透性采动效应评价方法,为深部矿山水害防治和安全生产提供科学基础。     

煤层底板超前注浆加固定向孔注浆工艺技术

煤层底板突水是矿山建设与生产过程中的主要灾害之一。底板注浆加固技术是目前我国防治底板突水的重要措施和方法。利用定向孔进行煤层底板超前注浆加固,对注浆的层位与注浆材料选取、注浆工艺制定、注浆方法和浆液配置进行了系统研究;针对定向孔的特点对注浆效果检查与评价进行了完善,并通过赵固一矿11151工作面现场进行了验证。试验表明,所采取的注浆工艺技术很好的保障了注浆和钻进施工,注浆加固效果明显,实现了工作面超前区域注浆加固的目的。      

黄陵一号煤矿井下突水事故治理技术

在黄陵一号煤矿突水事故治理中,进行了突水因素分析、突水特征研究,查明了突水原因.采用地面物探、钻探、数字测井技术,探明了导水通道;采用系统分析理论研究了注浆环境,进行了摸拟试验、注浆生产试验;依照冲击充填理论开发了"自然灌注法";运用混凝土施工理论、采用了基础工程中冲击振动原理,开发了"井下混凝土搅拌技术",重点解决了"强制性一次快速注浆坝体成型(合拢)技术.采用以上技术治理效果达96%,经济效益特别显著.     

黄陵一号煤矿井下突水事故治理技术

在黄陵一号煤矿突水事故治理中,进行了突水因素分析、突水特征研究,查明了突水原因.采用地面物探、钻探、数字测井技术,探明了导水通道;采用系统分析理论研究了注浆环境,进行了摸拟试验、注浆生产试验;依照冲击充填理论开发了"自然灌注法";运用混凝土施工理论、采用了基础工程中冲击振动原理,开发了"井下混凝土搅拌技术",重点解决了"强制性一次快速注浆坝体成型(合拢)技术.采用以上技术治理效果达96%,经济效益特别显著.     

高家堡煤矿煤层顶板水水化学特征及其水害防治技术

地下水化学特征反映了地下水所处的地球化学场。高家堡煤矿主采4煤层顶板充水含水层包括侏罗系砂岩含水层、白垩系洛河组含水层等。这些含水层水的离子比例相近,但矿化度相差较大,且明显随着埋藏深度增大而增大。高家堡煤矿顶板含水层水的同位素数据表明,洛河组含水层受地表水和大气降水补给。根据工作面出水点的矿化度,采用水质混合原理,计算出出水水源及比例构成,建立涌水量与矿化度关系,为制定防治水措施提供依据。确定高家堡煤矿防治水技术措施为减小导水裂隙高度或顶板注浆。研究煤层顶板水水化学特征对高家堡煤矿的防治水工作有重要的指导意义。     

煤层底板水害防治智能决策支持系统框架构建

煤层底板突水是华北型煤田煤矿生产过程中一种常见的水害类型,为解决水害防治工程的科学决策问题,进一步提高防治水工程的可靠性,提出构建智能决策支持系统的技术思路。智能决策支持系统是传统决策支持系统与人工智能技术相互融合的产物,在分析底板水害防治决策支持功能需求的基础上,提出“数据-模型-方案”一体化设计流程,从数据导入、模型驱动、智能决策等3个层次构建底板水害防治智能决策支持系统的基本框架。将模型驱动层进一步细分为方法库、模型库、知识图谱构建3项专业化服务,模型库包括底板突水空间点预测模型、疏水降压数值模拟模型、注浆改造工程可靠性分析模型、隔离工程设计模型及底板水害监测预警模型。系统最终输出的决策方案包括底板突水危险性分区、疏水降压Q-t-s方案、区域注浆改造设计及工程可靠性评价、隔离工程设计、底板突水监测预警警情发布。系统通过注浆过程的反馈-控制、突水监测预警的深度学习、疏水降压方案的动态优化等实现其智能决策。智能决策支持系统将会在煤层底板水害防治可靠性保障方面提供新的技术支撑。      

敏东一矿软岩区地下水注浆治理技术及应用研究

由于敏东一矿南一采区覆岩岩性较软且粘土成分含量较高,造成采空区垮落带的储水空间有限,煤矿面临的矿井水外排压力和地下水保护问题尤为突出。通过对导致地下水涌漏的原因进行分析,认为煤层开采引起的覆岩导水裂隙是造成地下水涌漏的主要根源,而采用地面钻孔、人工注浆封堵方法隔绝地下水泄流通道,实施帷幕注浆加固技术对巷道导水裂隙进行封堵,可以有效封堵覆岩导水裂隙。实践证明,根据矿区的地质和水文条件,按照隧道帷幕注浆工程设计和施工流程,优选注浆孔位置、间距、注浆材料和浆液配比、钻孔结构和注浆施工参数等,采用孔内止浆花管注浆对巷道软围岩进行帷幕灌浆,使巷道软围岩裂隙得到充分充填和加固,是解决矿区矿井水“零排放”难题、实现地下水保护的重要途径。     

鸿图嶂隧道突涌水预测及防治措施

预测复杂地质条件下深埋隧道施工掌子面前方水文特征对保障施工安全有着极为关键的作用。以广东省鸿图嶂隧道预测及防治隧道涌突水为例,将可控源音频大地电磁测深法应用于隧道开挖区域水文特征调查,确定可能发生的涌突水区域,并采用全断面超前帷幕注浆的方式进行防治。研究结果表明:可控源音频大地电磁法探测深度较大、抗干扰能力强、横向分辨率高。应用此方法预测到未来待施工的区段有5处存在较大涌突水可能,开挖结果显示可控源音频大地电磁探测很好地还原了埋深超过700 m的场地实际情况,解决了前期工作中其他技术方法不能很好地对断层的深部空间形态及其富水情况等特征进行准确判断的问题。针对探测结果和开挖情况,采用全断面超前帷幕注浆堵水方案对断层裂隙进行了有效封闭,达到了安全掘进和限量排放水的目的,从而降低了因隧道涌突水造成的不必要损失。这一方法的实践应用为隧道突涌水的预测做了很好的验证,并为相应的灾害防治提供了技术支撑。     

焦作矿区煤层底板注浆加固工作面突水原因与防治

焦作矿区水文地质条件极为复杂,煤层底板受到承压水的严重威胁,为此对工作面煤层底板进行了注浆加固改造。但近几年底板注浆加固工作面仍发生突水事故,严重影响了矿井的正常生产,并构成了安全隐患。通过对焦作矿区近年来8起底板注浆加固工作面突水事故进行调研,详细分析了突水工作面主要充水水源、注浆加固改造情况、突水情况及原因,总结归纳了注浆加固工作面突水影响因素,利用实例计算验证了易突水位置,并进一步提出了水害防治措施。      

介休鑫峪沟煤矿地面2号注浆孔钻探施工技术

山西介休鑫峪沟煤矿2号地面定向水平多分支钻孔,是采用注浆技术封堵奥灰水导水补给通道的注浆钻孔,本孔实际完成总工作量2194.86 m,其中直孔段490.27 m,水平孔段累计1704.59 m。本文详细介绍了该注浆钻孔施工的主要设备、冲洗液及钻探施工技术,并对钻探施工中的难点和经验体会进行了总结,为同类工程施工提供借鉴。     

掘进巷道突水溃砂高压扰动注浆技术与应用

为了对弱胶结地层条件下的掘进巷道突水溃砂进行治理,以宁东煤田麦垛山煤矿2煤大巷掘进期间突水溃砂为研究对象,针对地面治理工程量大、周期长、井下常规治理风险高等问题,采用井下挡水墙建造、高压扰动注浆、钻注一体化和孔口控压保浆技术,完成了突水溃砂点封堵体的构筑。结果表明:通过在巷道内建造挡水墙,可以有效控制注浆期间的水砂淹没范围,经过对挡水墙及其围岩强度的核算,挡水墙能够至少抵抗1.64 MPa的压力,大于顶板含水层1.2 MPa的水压。首先在距离突水溃砂点较远的区域采用高压扰动注浆建造1号封堵体,将水砂淹没范围进一步缩小,然后在距离突水溃砂点较近的区域继续施工2号封堵体,对突水溃砂点周边进行治理;研发钻注一体化技术及钻具,能够避免钻孔在退钻后塌孔,影响后续注浆,实现钻探和注浆一体化作业。发明了孔口控压保浆装置,达到了在20 MPa注浆压力条件下浆液高效利用的目的;对巷道内松散砂体固结形成的封堵体采用取心和压水试验进行质量检验,取心完整,并且封堵体在1.8 MPa水压的作用下不漏水,说明封堵体质量良好。采用高压扰动注浆对掘进巷道内突水溃砂进行治理,具有安全、高效、经济等特点,并且可以有效避免治理期间二次灾害的发生。      

煤层底板注浆加固效果波速探查与评价

底板注浆加固与含水层改造是承压水体上煤层安全开采底板岩溶水害防治的有效方法之一。为了评价煤层底板注浆加固效果,以皖北恒源煤矿Ⅱ615工作面为研究对象,采用钻孔震波检层法,选择正常区域和异常区域,分别对各区域注浆前后底板岩体进行了波速探测,结果表明:注浆前,正常、异常区域波速存在较大差异,注浆后两者基本一致;注浆后底板砂岩段岩层波速增加明显,约为注浆前的1.20倍,而海相泥岩段注浆前后波速变化不大,这与钻孔揭露岩芯的完整性和底板水无上升现象一致,充分说明注浆对裂隙岩体起到了很好的加固作用。     

煤层开采覆岩预裂–注浆改性失水控制方法探讨

陕北榆神矿区煤层开采面临顶板水害防治与水资源协同保护技术需求,根据材料力学、断裂力学相关理论,以及不同覆岩类型的采动裂隙带统计成果,提出基于预裂–注浆改性(P-G)的煤层顶板失水控制技术思路,其基本原理为通过压裂工艺将连续性好的基岩层压裂成非连续性岩层,削弱采动导水裂隙在坚硬岩层中向上扩展的“尖端效应”,抑制导水裂隙发育高度。再采用黏土类软弱注浆材料将岩层改性为相对软弱的岩层,起到抑制导水裂隙带向上发育与降低上覆岩层导水能力的双重作用,从而实现煤层顶板含水层失水控制。本文以陕北能源基地榆神矿区为对象,提出以采煤工作面地质与水文地质条件分析,采煤工作面顶板含水层涌(失)水模式识别,P-G模式、层位与时间确定,顶板岩层水平孔水力压裂与注浆改性为主要思路,对榆神矿区采煤工作面顶板含水层失水控制方法进行了探讨,为我国陕北能源基地榆神矿区顶板水害防治和水资源协同保护技术实践提供一定的借鉴。      

动水大通道突水钻孔控制注浆高效封堵关键技术及装备

为了解决常规突水通道封堵救灾工程中工程量大、施工工期长、易发生次生灾害等技术难题,研制了动水大通道封堵控制注浆专用钻具、保浆袋囊等装备,研发了速凝高强快速封堵注浆材料,设计了钻孔控制注浆封堵施工工艺,提出了采用钻孔控制注浆钻具定点放置保浆袋囊,使用速凝高强注浆材料实现动水条件下过水大通道的快速可控封堵新思路,形成了一套钻孔控制注浆封堵突水通道的新工艺、关键技术及配套设备。通过现场应用,该技术具备快速、可靠、费用低等优点,达到了预期目标。      

高家堡煤矿煤层顶板注浆加固堵水技术探讨

煤层顶板水害是煤矿安全生产隐患之一,对矿井安全生产危害极大。以陕西彬长矿区高家堡煤矿顶板注浆堵水为例,分析了顶板水导水通道,顶板水富集特征,进行了大量注浆试验,最后提出了顶板水治理方案。研究结果表明,采用水平钻孔、水平注浆方法探查的顶板裂隙发育高度已超过210 m,裂隙发育角度达到80°以上;采用充填注浆、间歇式注浆及快速封堵注浆相结合的方式进行封堵,注浆效果较好。研究成果对类似矿区顶板注浆加固技术推广有借鉴价值。     

煤矿底板注浆多分支水平井卡钻事故处理

煤矿底板注浆多分支水平井因其具有效封堵含水层中的导水通道,解决煤矿底板水对工作面的威胁,对环境破坏小等优点被广泛应用于煤矿底板突水防治中,但受地质条件、水文条件、钻井工艺、施工过程等影响,在施工中易发生事故。以淮北煤田某煤矿底板注浆多分支水平井为例,对该井因二开施工过程不规范引起地层坍塌导致的井下卡钻事故进行分析,在采用常规方式处理无效的情况下,借鉴“油田老井侧钻开窗技术”,不仅解决了卡钻事故,而且确保了后期施工安全。这是侧钻开窗技术在该区处理井下事故的首次成功应用,对该区及国内其他地区处理类似事故具有重要的借鉴和指导意义。     

葛泉矿东井9~#煤带压开采研究

以葛泉矿东井水文地质条件为基础,结合突水系数理论和涌水量计算理论,通过实施物探、钻探、水闸门、底板注浆加固、底板突水自动识别系统和突水水源判别系统等一系列工程措施,总结出一整套高承压岩溶含水层上带压开采下组煤的防治水技术,分析得出葛泉矿东井下组煤带压开采的可行性方法.