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\     

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。     

华北型煤田煤层开采对含水层的破坏模式研究

华北地区岩溶水系统分布广泛、水质好、水量丰富,是城镇工矿企业的重要水源,也是维护生态稳定的重要因素。华北型煤田大部分位于岩溶水系统之中,煤炭开采时水患与缺水并存,煤水矛盾突出。在总结了华北型煤田中煤炭基地的煤层及含水层发育情况的基础上,根据岩溶水系统的补径排条件、煤层分布区与岩溶水补给区的位置关系、地形地貌等因素,将采煤对岩溶含水层破坏类型分为三种类型:直接破坏、间接破坏型和无影响型;按地下水类型划分;将煤层开采对含水层的破坏模式划分为破坏顶板孔隙水、破坏底板岩溶水及破坏岩溶水、裂隙水、孔隙水3类,近而根据含水层性质及埋藏条件,含水层与煤层的位置关系,对煤矿开采对区域含水层破坏的模式划分了亚类。在进行含水层破坏类型和破坏模式划分的同时,也对各类型的特征进行较为详细的说明,为该区的煤炭开采和水资源的保护指明了方向。     

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。      

华北东部深部岩溶及煤矿岩溶水害特征

超前区域注浆是煤层底板灰岩水害防治的有效手段,而注浆工程中的劈裂注浆过程是决定注浆效果的关键环节,但由于对受注灰岩地层裂隙起裂机制认识不清,致使劈裂注浆过程中注浆压力、浆液水灰比等参数缺少有效控制,难以保证注浆效果。针对上述问题,利用颗粒元(Particle Flow Code,PFC)数值模拟软件,考虑浆液水灰比、地应力水平、弱面和裂隙的倾角和宽度等因素,开展奥陶系灰岩顶部劈裂注浆数值模拟计算。结果表明：在弱面和裂隙条件下起裂压力均随浆液水灰比(1∶1、2∶1、3∶1)的增大而减小,随最大主应力与最小主应力差值(9、12、15 MPa)的减小而增大,随弱面或裂隙宽度(3、8、15 mm)及其与最大主应力夹角(30°、60°、90°)的增大而减小;起裂裂隙沿平行于最大主应力方向延展;起裂压力值随弱面与基质强度比(0.30、0.03)的减小而减小,当弱面强度较高时,起裂压力大于裂隙条件下的起裂压力,而且沿着基质起裂;当注浆孔置于弱面两端或裂隙中间时,起裂裂隙沿弱面或裂隙的两端起裂,当注浆孔置于弱面中间位置时,起裂裂隙沿中间位置的基质起裂。研究结果有助于底板水害超前区域改造劈裂注浆的有效控制,指导注浆参数的选取,为解放深部煤炭资源提供技术支撑。

     

华北型煤田岩溶陷落柱侧壁厚壁筒突水模式研究

岩溶陷落柱作为一种特殊地质体,在华北型煤田广泛发育和分布,本文就华北型煤田岩溶陷落柱侧壁厚壁筒突水模式及判据进行了研究,这对华北型煤田煤矿安全生产有着重要意义。     

马兰煤矿主斜井底水仓底板加固防治水方法

山西太原古交矿区马兰煤矿主斜井底水仓布置在奥陶系顶部隔水关键层内,其底板为奥陶系峰峰组灰岩,隔水层厚度4.17 m,受到底板奥灰承压含水层的严重威胁。为了消除突水隐患,在水仓底板岩石变形破坏机理模拟研究的基础上,同时考虑到研究区奥灰含水层距离近、水量大的特殊情况,探索出一种新型注浆加固方法对水仓底板进行注浆加固,并取得了良好效果。设计为一钢筋混凝土盖先覆于水仓底板上,同时用加强筋与围岩连接,之后再采用浅孔低压与深孔高压交替注浆充填的方法进行加固。此方法使水仓底板与围岩成为一个整体,对浆液起到封闭作用,使底板更加稳固。     

井下废弃疏供水设施的水闸墙壁后注浆处理方法——以赵各庄矿七水平北水洞为例

针对煤矿井下浅部输供水设施随采深加大而废弃的问题,以赵各庄矿七水平北水洞为例,论述了处理废弃疏供水设施和封堵高压奥灰水的方法及实施步骤。该项工程通过在高压动水条件下对水闸墙墙体进行壁后高压注浆,实现了赵各庄矿废弃七水平北水洞的高效和经济处理,可供类似矿井借鉴。     

华北煤田岩溶陷落柱及其突水研究综述及展望

华北煤田岩溶陷落柱（简称“陷落柱”）是地质历史演化过程中形成的产物。80多年来,在中国华北煤田39个矿区煤矿开采过程中共揭露10 000多个陷落柱,因其导致的重大突水淹井事故20余起,研究岩溶陷落柱对系统认识中国矿山岩溶水文地质条件以及防治岩溶水害具有十分重要的理论与现实意义。文章系统梳理、总结了华北煤田陷落柱的发育特征、成因机理、突水机理、探查与防治方法,归纳出近年来华北南缘陷落柱的研究成果,并结合目前华北煤田生产过程中陷落柱研究与水害防治中存在的问题,从陷落柱形成机理与演化过程、小型隐伏陷落柱精细化探查与解译、陷落柱“动态监测—预测模型—突水机理”模式以及陷落柱水害防治技术体系等方面展望了其今后研究趋势及水害防治的方向。     

保德煤矿奥陶纪灰岩水水化学特征及形成机理

奥陶纪灰岩（简称奥灰）水是保德煤矿煤层开采的主要威胁水源,且为主要供水水源之一。为研究保德煤矿奥灰水水化学特征,并分析其形成机理,对保德煤矿区奥灰水进行系统取样,综合运用相关性分析、离子比例系数、饱和指数反演、氯碱指数等方法进行分析。研究结果表明：奥灰水的水质类型从径流区到滞流区呈HCO₃-Na（Na·Ca）→HCO₃·Cl-Na·Ca（Ca·Mg）→Cl-Na（Na·Ca）的变化趋势,各离子质量浓度与TDS值呈线性关系,除HCO₃^-外,其余离子质量浓度均与TDS值呈正相关;阳离子交替吸附、BSR反应、溶滤沉析作用是控制矿区地下水化学环境的主要作用。根据饱和指数（SI）计算及路径模拟结果证实,径流区方解石、白云石和石膏大量溶解,滞流区出现白云石沉淀,石膏始终处于不饱和状态,趋于发生溶解。该结论可为保德煤矿深部煤炭开采水害防治与矿井水利用提供依据。     

华北东部深部岩溶及煤矿岩溶水害特征

针对我国华北东部煤矿井开采深度迅速增加,矿井岩溶水害日益加重的客观问题,文章分析讨论了深矿井开采的基本概念,通过统计分析,得出中国东部主要煤矿井目前开采深度达到600 m左右且以12 m/a左右的速度向深部延伸的变化趋势。从华北东部地区沉积古地理环境与地壳运动演化史方面分析了该地区厚层奥陶纪灰岩的形成及其后期岩溶发育过程。通过对研究区几个重点矿区揭露的奥陶系灰岩岩溶发育特征在穿层和顺层方向上随深度变化规律的分析,揭示出华北东部主要煤矿区奥陶系灰岩岩溶发育特征在垂向上具有弱-强-弱和顺层方向上随埋深具有由强到弱的变化规律。提出了华北东部煤矿深部开采将面临的岩溶水害问题及其防治水技术思路。     

皖北矿区煤层底板岩溶水水化学特征研究

分析了皖北矿区煤层底板岩溶水常规离子水化学特征,并采用常规离子水质浓度梯度和Ca²⁺水化学平衡两种分析方法,对皖北矿区岩溶系统水循环特征进行了研究,指出岩溶水系统在矿区内TDS和△[Ca²⁺]值由北向南呈逐渐增高的趋势,北部有一个低TDS与△[Ca²⁺]值带,南部有两高TDS与高△[Ca²⁺]值带。     

华北北部山西组煤系粘土岩稀土元素地球化学特征

分别采用电感耦合等离子发射光谱(ICP-AES)和中子活化法(INAA)对采自河北兴隆、天津蓟玉、山西大同和阳泉、内蒙老窝铺以及宁夏石嘴山和石炭井二叠系山西组的11个粘土岩样品进行了稀土元素含量测定。结果表明：研究样品的稀土元素含量变化很大,ΣREE最低49.43 mg/kg,最高478.66 mg/kg,平均165.04 mg/kg,稍低于北美页岩(NASC)的173.21 mg/kg;ΣLREE/ΣHREE介于3.44～21.23之间,平均9.74,与NASC的7.68相近;多为中—重度Eu亏损以及弱—中度Ce负异常。研究样品不具有典型的沉积型泥岩特征,结合薄片鉴定及前人分析结果推论,粘土岩可能分别由中、基性及酸性(偏碱)火山碎屑物质原地蚀变形成,并不同程度地混有陆源沉积物。     

华北煤田岩溶陷落柱分类及其特征

在总结华北煤田多起陷落柱突水事例及对徐淮煤田40多个矿区调研的基础上,依据陷落柱不同发育阶段的水文地质工程地质特征等,将其分为4个发育阶段:前期发育阶段、强烈发育阶段、衰退阶段和死亡阶段。通过分析陷落柱发育的不同层位,将其划分为3类,即奥灰层位之上可溶岩组、奥陶纪可溶岩组及寒武纪可溶岩组。继而,将陷落柱综合划分为12类,并总结分析了各类型陷落柱的地质特征。