煤层底板水害超前区域治理理论框架与关键技术

随着我国华北型煤田浅部煤炭资源开采殆尽,深部煤炭资源受底板灰岩岩溶水害威胁严重,常规井下直孔注浆方式存在施工位置受限、钻遇含水层孔段短、注浆盲区大、目标位置不准确等问题。为此,提出了基于顺层定向钻孔进行注浆改造的超前区域治理技术,系统研究了顺层近水平注浆孔浆液运移规律、底板水害超前注浆模式、注浆参数控制工艺、隐伏导水通道超前判识探查与注浆效果检验与评价等。通过系统研究,构建煤层底板水害超前区域治理理论框架与技术体系,具体包括5方面内容:提出煤矿底板水害超前区域治理模式分类和选择准则,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;形成隐伏导水通道水平定向钻超前判识治理技术;建立超前区域治理关键注浆参数控制工艺体系;提出了注浆全过程的多指标定性、定量效果检验与评价技术。上述研究成果在煤层底板水害超前区域治理工程中成功应用,对底板水害超前区域治理起到重要的理论和技术支撑作用,为我国华北型煤田深部煤炭资源安全开采提供保障。     

两淮煤田煤层底板灰岩水害区域超前探查治理技术

煤层底板灰岩水害区域超前探查治理技术是近几年刚刚兴起的一种灰岩水害防治新技术,具有探查治理时间超前、探查治理空间范围大、水害隐患整体消除效果好等特点。分析了两淮煤田煤层底板灰岩水害基本特征,研究了煤层底板不同类型灰岩水害区域超前探查治理的技术方法和工程工艺。提出针对淮北煤田煤层底板存在高压复合强富水薄层灰岩含水层水害威胁的矿井,应采用定向水平井钻探和"高密度低压充填+低密度高压劈裂式注浆"探查治理技术;针对淮南煤田煤层底板发育厚层非完整隔水层的矿井,应采用定向水平井钻探和低密度连续高压劈裂注浆探查治理技术,通过典型矿井的工程示范,取得了良好的水害治理效果。      

煤层底板水害区域超前治理技术优化及其应用

为了进一步提高煤层底板水害区域超前治理技术的治理效果,应优化注浆工艺,扩大技术的应用范围。总结淮北矿区区域底板超前治理工程实践表明,低压扩散和中压加固阶段压力控制对注浆总量起主要控制作用,进而直接影响灰岩含水层改造效果,推导的不同岩溶裂隙发育程度地层的注浆量预计公式,可以有效指导注浆工程设计。此外,提出了工作面区域内、外双(钻)孔组的水平布设方法,优化注浆工艺的同时,提高了钻孔利用率。针对注浆工程中注浆压力控制及浆液选取等关键技术问题,建立了研究区裂隙发育程度的多源信息判识方法和“微压充填—低压扩散—中压加固—高压劈裂”的“阶段型”注浆压力控制模型,细分了不同注浆阶段的注浆浆液类型,推导了注浆压力的分级阈值和设计公式,实现了注浆压力的分区段高效、精准控制,对煤矿底板水害超前区域治理技术的应用与推广具有重要意义。      

煤层底板水害区域注浆治理影响因素分析与高效布孔方式

对于导、含水岩层进行超前区域注浆改造与加固是华北型煤田煤层底板岩溶水害防治的主要技术手段。根据超前区域注浆改造技术应用的矿井水文地质基本原理,结合煤层底板水文地质结构、采动影响、定向钻进成孔与浆液扩散能力,以及受注岩层边界条件等因素,分析了治理煤层底板薄层灰岩与厚层灰岩水害的超前区域注浆改造与加固的一般应用模式。并从受注岩层地质条件、注浆材料、注浆工艺等方面,分析得出受注层的空隙连通性、开启性、粗糙性、孔隙水承压性,注浆材料的粒度、黏滞性、时变性、结石能力,以及注浆压力、钻孔空间布置、注浆方式等,是影响煤层底板岩溶水害超前区域注浆治理效果的主要因素。另外,依据注浆过程中有效注浆压力计算公式,分析得出浆液在钻孔和裂隙中流动时由于受到钻孔和岩层空隙综合阻力的抑制,水平孔中沿程有效注浆压力逐步衰减,易形成“锥形”浆液扩散范围。最后,针对目前常用的超前区域注浆孔水平段分支孔平行布孔模式,由于间距过大和有效注浆压力衰减可能造成的注浆孔间盲区问题,根据注浆孔水平段有效注浆压力与浆液扩散范围的衰减规律,以消除注浆盲区为目标,提出了长距离错位平行分支孔、长距离逆向互补弧形分支孔、短距离羽状分支孔等3类注浆孔高效布孔模式,可为煤层底板水害超前区域高效治理技术科学应用提供依据。      

水平分支孔定向钻探技术及其在煤矿水害防治中的应用——以东庞煤矿ZKxx3孔钻探施工为例

本文以东庞矿北井9400采区2#煤层奥灰含水层区域注浆改造一期工程ZKxx3孔施工为例,详细介绍了水平分支孔定向钻探施工设计、钻探施工工艺、主要技术措施等。实践证明,该定向钻探技术能够探查奥陶灰岩含水层区域中的断层、陷落柱等构造的导水通道和富水层段,超前注浆充填奥陶系灰岩上部溶隙和裂隙,封堵断层等构造薄弱区段,扩大加固面积,实现由井下局部治理向地面区域治理煤层底板奥灰水害。由超前探测向掘前治理转变,在时空上达到了区域超前防治水害的目的,取得了显著的经济及环境效益。     

瞬变电磁技术在煤层底板含水层注浆改造中的应用

煤层底板含水层注浆改造技术可以彻底根治底板水害。利用瞬变电磁技术探测煤层底板含水层的赋水性特征,确定工作面内注浆改造重点区域,指导钻孔布置,并在底板改造后检验注浆改造效果。其在焦作矿区的应用效果明显。      

地面顺层孔探注成套技术在底板高压岩溶水害治理中的应用

我国东部矿井深部采区太原组灰岩含水层具有高承压、强富水、补给充沛、无垂直分带性、存在强径流带和垂向导水通道、与奥灰有水力联系等特点。以淮北矿区朱庄矿Ⅲ63采区底板薄层灰岩水害为例,采用地面顺层水平井钻探手段进行精准探查,结合高效的地面高压注浆控制工艺,对探查到的涌水通道及原生溶隙、构造裂隙等进行注浆治理,完成了整个采区的区域超前治理,并得到有效验证。本技术是国内首次采用地面顺层钻孔对底板灰岩水害进行区域超前治理的成功案例,已形成成套技术规范。对具有类似水害威胁的同类矿井防治水工作借鉴作用重大,对煤矿顶底板水害超前区域治理的技术手段与理论水平的发展与革新具有重大意义。     

九里山矿西部水大原因分析及对策

九里山矿水文地质条件复杂,矿井最高排水量为104．20m^3／min,吨煤排水量为116．87m^8,长期达不到生产能力。分析了矿区的地层、构造和水文地质条件,认为L9灰岩含水层是矿区的主要充水水源,充水通道为断层带及底板底鼓引起的裂隙带。另外,钻孔及注浆过程中的水位变化证实了L2潜伏水头的存在。指出矿区突水水量大的主要原因是：在采掘（工作面回采、巷道掘进）、矿压、水压的作用下,煤层底板的完整性被破坏而产生裂隙,当这种裂隙和L2灰含水层的潜伏水头沟通时,就会产生L2灰含水层的突水。据此提出了目前应对突水的措施是在14101工作面布置钻孔注浆,封堵煤层至O2灰含水层之间的所有含水层。     

底板注浆加固技术在河南汝州煤田朝川矿的应用

朝川矿断裂构造及裂隙发育,水文地质条件复杂。主采煤层二1煤底板隔水层薄、分布不稳定,再加上该区底板灰岩承压含水层富水性强、水头压力高、补给来源丰富,从而给煤层开采带来了一定的风险。针对矿区的水文地质特点,提出在受水害威胁严重且不适宜疏水降压的区域,采用底板注浆加固的方法实现矿井的安全开采,并对该矿在二1煤层井下巷道打钻成功,实现底板注浆加固,从而使含水层变为隔水层的实施过程进行了较为详细的介绍。结果表明,底板加固技术是预防煤矿突水的有效途径,具有极大的优越性和实用性。     

预防底板突水的目的含水层水文地质试验研究——鲁中煤田下组煤水文地质补充勘探方法

针对淄博、济东、肥城等华北型石炭二叠系煤田大水矿区原有煤田水文地质勘探阶段资料程度难以满足下组煤带压开采防治水的情况下,选择了预防底板突水中间指示含水层--处于下组煤层与奥灰之间的徐家庄灰岩进行了的采掘前矿井水文地质勘探.充分利用井下巷道,以井下放水试验（包括示踪试验）为主,井上、下结合同步观测,分块（分片、分区）、分层、分阶段及局部、联合放水试验分步骤逐渐暴露水文地质条件,肥城和济东等矿区的实际勘探效果证明针对中间指示含水层进行综合水文地质勘探可达到事半功倍的效果.     

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。      

Using numerical simulation for the prediction of mine dewatering from a karst water system underlying the coal seam in the Yuxian Basin,Northern China

Water inrush from a karst aquifer threatens mine safety in North China because of the special hydrogeological conditions. This paper systematically analyzes the regional hydrogeological conditions of the Cambrian–Ordovician limestone karst aquifer in the Yuxian Basin. Conceptual and mathematical models of karst water flow system are established, and the karst water flow system is simulated by the finite-difference method. The numerical model is checked using hydraulic head from karst water observation holes, and the sensitivity of hydrogeological parameters is analyzed. Further, the risk of water inrush from the karst aquifer underlying the coal seam in the second mining area of the Beiyangzhuang Mine in the basin is evaluated by the water inrush coefficient method. Based on the critical hydraulic head for mining safety, the rate of mine dewatering is simulated for the three stages of the mining plan with the numerical model. The results show that the risk of water inrush in the second mining area is high. The rate of dewatering in the three stages without grouting is 1300, 1860, and 2050 m³/h, respectively, and with local grouting is 1020, 1550, and 1700 m³/h, respectively. Dewatering combined with grouting not only ensures coal mine safety, but also significantly reduces the rate of dewatering. The prediction method of mine dewatering has practical significance in engineering applications.     

煤层底板承压含水体上带压开采研究

渭北煤田5、10号煤层底板以下的奥陶系灰岩强含水层,水头压力大,对采煤的威胁严重,历史上曾经发生多次底板突水事故,造成重大人员伤亡。以澄合矿区为例,研究了带压开采防治水的技术路线,提出了底板注浆加固的防治水方法,并成功应用于董家河煤矿,不仅安全开采了5号煤层,而且保护了渭北地区岩溶水的统一水位标高,使区内各岩溶大泉流量稳定、黄河湿地生态安全得以保证,促进了生物多样性和工农业用水安全,为渭北及华北型煤田底板承压水体上带压安全采煤找到了技术途径。     

Impacts of karst paleo-sinkholes on mining and environment in northern China

The karst paleo-sinkhole is a special geological structure widely found in the coal measures of northern China. Some paleo-sinkholes have high permeability and connectivity, making them excellent connectors between the karst aquifer and the coal seam. Consequently, during coal extraction disastrous water inrushes take place frequently, which cause severe loss not only in mine submersions and personnel casualties, but also in environmental quality. Locations and the geological and hydrogeological characteristics of paleo-sinkholes in northern China are presented. In-situ drilling and excavation results show that paleo-sinkholes have different hydrogeological behaviors in different regions and in different mines. Based on observed data, mining-induced strata failure in the seam floor is analyzed. The existence of paleo-sinkholes increases the floor strata failure zone. Numerical simulation then is adopted to model coal mining with the effects of both the paleo-sinkholes and the water pressure in the confined aquifer. Analyses of the simulation conclude that the paleo-sinkhole induces the increase in the strata failure and deformation. These make water inrushes more likely to happen.     

徐州矿区奥灰岩溶水突出的原因与防治

徐州矿区开采深度大,水文地质条件复杂,水害严重。主要突出水源为奥陶系含水层。突水原因主要有:底板隐伏陷落柱或断层导水;底(顶)板含水层与奥灰含水层对接;顶板冒落裂隙带导通断层对盘的奥灰含水层;奥灰水通过基岩隐伏露头侧向补给矿井。其防治对策为:引进先进技术手段,探查分析奥灰岩溶水发育规律;分区隔离开采,完善防排水系统;注浆封堵突水通道;排供结合,综合利用。