蒙陕深埋矿区工作面涌水量全生命周期演化规律

蒙陕深埋矿区属于新开发矿区,煤炭开采扰动下水文地质特征仍不清楚,基建和生产过程中发生了多种类型的水害问题,其中工作面回采过程中和回采结束后的涌水变化特征研究处于空白,给井下排水系统设置和防治水工作开展增加了难度。为查清工作面回采前后的全生命周期涌水量演化规律,开展顶板含水层分布、导水裂隙带发育、涌水量变化等方面的实测研究。结果表明：煤层顶板地层均属于河流/河湖相沉积,空间上呈含隔水层互层状展布,隔水层的主要岩性为泥岩、砂质泥岩;受控于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的单斜构造,含煤地层高程在蒙陕接壤区最低,其顶板侏罗纪煤系含水层属于区域性地下水滞流区。煤层顶板地层在中生代沉积旋回作用下,发育了3层直接充水含水层,其中直罗组七里镇砂岩(Ⅰ号含水层)距离3-1煤层顶板77.4～109.4 m,呈富水强、水压高的特点;导水裂隙带实测高度为103.4 m,裂采比18.8,工作面回采过程中导水裂隙带将发育至Ⅰ号含水层。工作面回采前期,随着导水裂隙带向上发育沟通不同含水层,采空区涌水量呈阶段性增加,工作面回采至300 m左右,采空区涌水出现第一个峰值;工作面回采中后期,导水裂隙带持续周期性发育,导致顶板含水层...     

矿井涌水量动态预测非稳定释水-断面流法

我国北方煤田上覆地下水系统含水层以砂岩为主,是矿井主要充水水源。除浅部、露头区外,上覆砂岩地下水系统总体上构成非径流型蓄水构造,弹性贮存是其地下水主要赋存状态,压力传导、局部渗流为地下水动力学模式,矿井涌水主要为承压含水层弹性释放。非充填开采,煤层上覆地层周期性冒裂形成冒裂二元结构体,其自身释水(弹性、重力)与其外侧含水层断面弹性释水叠加形成矿井涌水。冒裂二元结构体释水随冒裂周期发生,时间短暂。外侧含水层断面释水可用非稳定流定降深沟(渠)流方程描述,进而获得外侧含水层断面释水单宽流量。外侧含水层释水断面随冒裂周期性延展累积,迭代更新,矿井涌水流量随之变化。在研究、刻画外侧含水层释水断面延展、迭代时空规律基础上,给出含水层断面释水流量预测方法、公式,与冒裂二元结构体自身周期性释水流量叠加,获新的矿井涌水量预测方法—非稳定释水-断面流法。     

Mechanism of water inrush driven by grouting and control measures—a case study of Chensilou mine,China

Water inrush into coal mines from aquifers underlying coal seams often causes serious casualties and economic losses. The key to preventing the disaster is to discover a water inrush mechanism suitable for specific geological and hydrogeological conditions and apply reasonable control measures. A case of the Chensilou mine is studied in this paper. Complex geological and hydrogeological conditions, such as 12 aquifers in the floor and small distance between coal seam and aquifer, make the mining face in the synclinal basin have a great risk of water inrush. In addition, as an important way to prevent the disaster, grouting will aggravate the risk of water inrush from the floor. The slurry will drive groundwater in the limestone aquifers L₈, even L₇ and L₆ along the horizontal (fracture zone in L₁₁~L₈) and vertical (Fs1 ~Fd1) water flow channel into the mining face and synclinal basin. A new water inrush mechanism driven by grouting is formed. In order to prevent this disaster, based on statistical law of hole deviation, the relative error of vertical depth and the angle between the borehole and the rock formation are obtained. Finally, an improved grouting method is proposed, which is useful to ensure the safe production of coal mine and reduce the cost of grouting.     

砾石土层中注浆扩散参数的研究

采用注浆模拟试验与数值分析等研究方法,探讨了砾石土层中注浆的注浆量、浆液扩散半径及注浆形成的结石体抗压强度等参数预测计算模型,并设计试验对其进行了验证。试验结果表明,砾石土层中注浆的注浆量、浆液扩散半径及结石体的抗压强度等参数预测计算模型计算的注浆量、浆液扩散半径与注浆结石体抗压强度的理论值与试验实测值间虽分别有10%、5%、10%左右的差异,但均相差不大,因此,可用来预测砾石土层实际注浆工程中的注浆量、浆液扩散半径及注浆形成的结石体的抗压强度等参数。研究成果不仅可为砾石土层实际注浆工程实践提供理论支撑,还可为砾石土诱发的滑坡、泥石流等灾害的防灾减灾提供技术参考。     

露天煤矿开采侧向帷幕控水原理与截水效果数值分析

露天煤矿开采过程中的矿坑疏排水是引起地下水资源流失的重要原因,寻求新的控水方法势在必行。以内蒙古赤峰市元宝山露天煤矿为研究对象,根据研究区水文地质与露天煤矿开发特征,分析了露天开采驱动下帷幕墙体建设对地下水系统控制的基本原理,得出帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大、与补给水体距离越近是帷幕墙减少露天采坑涌水的基本思路。将露天采矿疏排水与地下水系统数值仿真研究结合,对露天煤矿开采与帷幕墙建设对矿坑疏排水强度影响程度进行预测分析,模拟结果显示,采用针对主要涌水段的局部帷幕工程方案,地下水仍然以露天矿采坑为降落漏斗中心,区域流场形态基本未发生重大变化,在未帷幕区段地下水发生了强烈的侧向绕流现象,初期(300 d)矿坑残余涌水量较之现有矿坑排水量最大减幅 37.16%,而残余涌水量随时间增大趋势明显。按准全封闭型帷幕方案建墙后,地下水基本未发生绕流现象,矿井残余涌水量为先减小后增大的趋势,最大减幅达85.79%,且后期涌水量增加幅度不大,可见准封闭型帷幕建设方案较之局部帷幕方案对矿坑整体涌水量的减排作用显著。通过分析露天煤矿开采侧向帷幕控水规律,构建帷幕阻水条件下地下水系统仿真模型,评价帷幕截水减排效果,以期为露天矿区煤–水资源协调开发提供科学依据。      

富水隧道幕墙堵水技术研究

富水隧道的涌水问题是目前隧道施工中要解决的首要问题,尤其是涌水量特别大、水流速度大的隧道。目前针对该问题多采用注浆加固圈的方法,以排为主,后注浆加固。这种方法对于涌水量不大、渗透率低的围岩可行,而对于水压力大、地下水丰富的隧道,其效果差、成本高。针对该问题,文章提出一种幕墙堵水技术。首先分析渗透力与浆液的黏滞系数之间的关系,通过计算得出多孔介质中注浆浆液在渗透力作用下的地下水临界流速,确定幕墙距离隧道的最佳间距为2m,并提出了24种不同尺寸的注浆方案。采用数值模拟方法,分别计算了24种注浆方案的堵水或限排效果。最后在所建的24个模型中得出注浆深度为30.6m,注浆长度为20m的方案为最佳堵水方案,并应用到工程中。结果显示该方案堵水效果明显,洞内积水降低80%,能保证隧道下一步施工。研究表明:通过临界流速分析方法能够经济、快速地确定堵水或限排方案,满足现场施工及注浆堵水限排的要求,研究成果可为类似工程设计提供理论依据。     

纳林河矿区某大型矿井地下水环境影响数值模拟研究

矿井采煤对地下水环境的影响主要为对具有供水意义的含水层水位及水量产生影响,确定采煤引起地下水水位降及漏失量是煤矿地下水环境影响评价的关键。以纳林河矿区某大型矿井为例,运用Visual MODFLOW建立模拟区地下水流数值模型,利用实测流场和长观孔的动态观测资料识别和验证数值模型,利用模型来预测采煤对第四系-白垩系含水层水位及水量的影响。模拟结果显示:前25年采煤引起地下水最大水位降为3.6 m,引起地下水的漏失量最大为141.87万m^3/a,占矿井涌水量的29.88%;利用矿化度法确定的越流量占矿井涌水量的6.39%~34.89%,模拟结果基本合理,可作为矿井采煤对地下水环境影响的研究依据。     

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。      

FLAC3D在青岛地铁渗流场中的应用

首先,基于考虑衬砌和注浆圈的解析解,利用MATLAB软件编制了计算与自动绘图程序,研究水头、隧道半径、围岩渗透特性与衬砌渗透系数和隧道涌水量、外水压力的相互关系;其次,基于FLAC3D软件平台,通过数值解与理论解的对比,验证了数值模拟方法在隧道渗流场中应用的正确性。在此基础上,结合青岛地铁典型区间隧道,分析了隧道开挖阶段以及运营期的渗流场,并研究了在不同注浆圈厚度以及注浆圈渗透系数下隧道注浆圈的涌水量和外水压力。结果表明,在隧道周围施作注浆圈的方法来减少隧道的涌水量是可行的。注浆圈厚度越大,其渗透系数越小,隧道涌水量就越小,而外水压力变化规律与涌水量恰恰相反。研究成果为地铁隧道衬砌的设计和注浆圈范围的初步确定提供了参考依据。     

渗流作用对砂砾石层灌浆的影响试验研究

通过在试验砂槽中进行灌浆试验,研究了渗流作用对砂砾石层灌浆的影响。首先,在选定水泥浆作为灌浆材料的前提下,验证了砂砾石材料的可灌性,确定了灌浆的有关参数,包括浆液水灰比、灌浆时间、灌浆压力、灌浆深度等;其次,在无渗流作用下,研究了灌浆压力、浆液水灰比与浆液扩散范围之间的关系;最后,在有渗流作用下,通过调整上下游水位差,研究了灌浆压力、渗流强度与浆液扩散范围之间的关系。研究结果表明,渗流作用对灌浆压力与浆液扩散范围所呈的线性关系无明显影响,不同灌浆压力条件下,渗流强度与浆液扩散范围之间呈明显的非线性关系     

基于顶板水预疏放的首采工作面涌水规律

为了建立符合蒙陕接壤区煤炭开采防治水技术体系,以纳林河二号矿井首采工作面为例,开展了覆岩破坏规律、水文地质条件、涌水量预计、顶板水预疏放等研究,结果表明:应用钻探取心、钻孔冲洗液漏失量观测和钻孔彩色电视探测手段,实测得到首采工作面导水裂缝带高度为103.23 m,裂高（导水裂缝带高度）采厚比为18.8,导水裂缝带可沟通3段含水层,其中直罗组底部含水层钻孔涌水量92.0~136.0 m3/h、水压4.0~5.6 MPa,呈"水量大、水压高、分布不均"的特点,是威胁工作面回采安全的最主要含水层。回采过程中顶板水主要由静态储存量和动态补给量构成,采用"动静储量结合法"计算得到静态储存量和动态补给量分别为2.596×106 m3和417.6 m3/h。对顶板水开展分段预疏放条件下,整个工作面回采过程中采空区涌水量与推采步距呈正相关关系,随着顶板周期性滞后垮落,导水裂缝带也周期性发育至高点（直罗组底部含水层）,采空区涌水量又呈台阶式增长。最终总预疏放水量4.235×106 m3,采空区总涌水量5.313×106 m3,首采工作面总排水量为622.8 m3/h,与预计排水量596.9 m3/h相差4.2%。涌水量准确预测和顶板水提前预疏放,是实现首采工作面防治水安全的关键,可以为鄂尔多斯盆地北部深埋区提供防治水技术支撑。      

斜井二次涌水原因分析及注浆治理措施

山西潞安集团黑龙煤矿副斜井在经过迎头预注浆后,在预注浆段内掘进时再次发生涌水现象,导致井筒被淹。分析其主要原因为初次注浆形成的软粘土与浆液共同的裂隙充填体稳定性差。对于涌水裂隙采取分流泄压再堵水的总体治理方案,即变不可控涌水为可控水后再注浆处理。涌水点注浆堵水严格控制注浆压力,采用水泥-水玻璃双液浆。通过布设检查孔对注浆效果进行检查分析注浆质量较好,为类似有软粘土充填裂隙岩体的注浆治理提供借鉴。     

基于流固耦合的围岩后注浆对大型水封石油洞库水封性影响分析

基于多孔弹性连续介质流固耦合理论,通过合理选取围岩主要物理力学参数,建立了大型石油储备地下水封洞库全断面开挖后洞室涌水量计算模型,利用大型商业软件Comsol对黄岛国家石油储备地下水封洞库地下水渗流场和位移场进行数值模拟分析。通过不同注浆方案及不同注浆厚度情况下地下水渗流量的比较分析发现,并不是注浆圈的厚度越大对洞室渗水量的控制效果越好,而是存在相对经济合理的阈值。研究表明,最佳的注浆方式是形成全断面闭合注浆圈,最佳注浆厚度为5 m。     

水底隧道饱水地层衬砌作用荷载研究

与山岭隧道所不同,采用矿山法修建水底隧道,二次衬砌将承受很大外水压力,特别是穿越饱水破碎地层时,具有很大的施工风险。以厦门翔安海底隧道为工程背景,针对F4风化深槽地层,研究不同水位条件下,衬砌荷载与排放流量及排放方式之间相关关系。研究得出：当控制排放量为全排条件流量1/3左右时,可卸掉80%外水压力;从环境和经济角度考虑,可将出现拐点折减系数0.2作为水底隧道限量排放的设计基准值;从支护结构体系组成考虑,对于F4强风化深槽破碎围岩,必须施作注浆圈,才可以保证在水压、土压共同作用下衬砌结构安全,结果显示施作注浆圈能够减少衬砌作用荷载30%～40%,提高安全系数几乎一倍;从主体结构受力特征看,水底隧道最不利受力位置在墙脚和仰拱,因此,无论是防水型还是排水型隧道,均应对仰拱形式及支护参数加强设计。     

煤炭坝矿区矿井涌水条件分析及防治水措施

湖南省煤炭坝是闻名全国的大水矿区,其矿井充水的特点是:矿井水主要由地下水集中径流带补给;涌水量大主要是因降落漏斗面积与深度扩大所致。防治水措施应主要采取帷幕截流,减少矿井涌水量;井下埋管控制大突水点,注浆堵塞小突水点;地面防塌堵漏,缩小降落漏斗范围。      

松软地层防渗灌浆帷幕结构性状实验研究

松软地层透水率较大,防渗灌浆工程吃浆量相对较大,浆液扩散极不规则,形成的防渗帷幕,包括防渗幕体厚度、力学性能、防渗效果等结构性状难以准确把握,现有的方法和技术主要采用压水试验、标贯、钻孔取心、物探等方法获取相关信息,但带有极大的不确定性,直接影响到防渗质量的评价。在现场进行多工况灌浆原型试验研究,通过注水试验、孔斜测定、取心测试、全断面开挖等多种方法,真实呈现防渗幕体的性状,包括幕体有效厚度及其影响范围、幕体强度性能和渗透性能。结果表明,在松软地层采用浆体封闭、脉动灌浆控制灌浆工艺,孔距1.5m,两排排距0.8m,并采用适宜的灌浆控制参数灌注可控性黏土水泥浆材,简便高效,孔周挤密区、结石体及胶结体形成的有效幕体均一性好,防渗效果达到5lu以下,灌后28d结石体强度达到3MPa以上。灌浆工艺和参数可直接供类似地层应用。对于不同类型地层在不同灌浆材料、灌浆工艺、灌浆参数情形下的灌浆结构性状,有必要研发物理模型进行大样本室内试验研究。     

底板导水裂隙带中含承压水裂隙的力学特性

华北煤田煤系地层的底部为含水丰富的奥陶系灰岩,该层灰岩与地表水系和煤系地层含水层存在着密切的水力联系。许多大型突水是采掘空间与含水层之间形成突水通道引起的。因此,分析开采工过程中底板岩体中含承压水裂隙的断裂力学特性具有重要意义。本文采用作者提出的数值方法分析了含高压水裂隙在开采过程中的断裂力学特性。假设裂隙面上作用着均匀水压力,考虑地应力的影响,采用断裂力学的叠加原理,分析了采煤工作面推进过程中含承压水裂隙的断裂力学特性,讨论了开采过程中底板承压水导升。结果表明:在工作面推进过程中,位于底板岩层且与含承压水岩层连通的裂隙,会在承压水水压力和扰动应力的共同作用下,产生破坏,导水裂隙带的高度会增加;这就增加了底板突水的危险性。     

鄂尔多斯盆地北部深埋煤层工作面涌水量预测方法

鄂尔多斯盆地北部侏罗纪深埋区中生代地层以河流相沉积为主,呈分阶段的多旋回演化特点,导致煤层顶板含隔水层交替分布;由于地表大部分为毛乌素沙漠,降水入渗补给系数大,第四系松散层储水能力强,充足的补给水源造成煤层顶板直接充水含水层富水性较强,其中最主要的充水含水层为七里镇砂岩,以七里镇砂岩为关键层,将煤层至七里镇砂岩概化为一个直接充水含水层。承压水井大降深抽水时,当井中水位低于含水层顶板,井附近的含水层会出现无压水流区,形成承压–无压水井,采用分段法计算流向井的流量,包括无压水区和承压水区。实际工作面回采过程中,井中水位已降低至煤层底板;传统的承压–无压水井公式假设条件为井径较小(≤m级),而实际工作面回采过程中,随着覆岩导水裂隙带对七里镇砂岩关键充水含水层的破坏,导致整个煤层顶板形成巨大的采空区疏水井(102~103 m级),且该采空区疏水井半径逐渐增大,传统公式适用性不高。基于《地下水动力学》中的承压–无压水井公式,结合鄂尔多斯盆地北部深埋煤炭开采过程中采空区疏水井演化过程,建立适合于深埋区开采扰动下的采空区疏水井承压–无压水公式;以葫芦素煤矿首采工作面为研究对象,利用地质勘探和井下揭露获得的相关水文地质参数,计算葫芦素煤矿首采工作面回采过程中涌水量。结果表明:工作面回采初期,由于导水裂隙带未充分发育,尚未沟通七里镇砂岩,此阶段实际涌水量偏小;中后期导水裂隙带发育至七里镇砂岩,涌水量计算值与实际值较为接近,证明深埋煤层工作面涌水量计算公式可较准确地预测研究区工作面回采过程中的涌水量。本次建立的深埋工作面涌水量计算公式,广泛适用于我国西部侏罗纪煤田区,可为深埋煤田区煤炭资源安全开采提供科学的水害防治依据。      

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。