复合强富水含水层帷幕薄弱带识别方法与靶向加固技术

为了治理复合强富水含水层帷幕薄弱带,以朱仙庄煤矿侏罗系灰岩含水层帷幕为研究对象,分析研究了帷幕薄弱带形成的主要原因与薄弱带识别方法,提出了以钻孔布置原则和靶向注浆技术为核心的帷幕薄弱带治理技术体系。结果表明：含水层各向异性、高速动水条件、地下水冲击或侵蚀作用以及构造条件是薄弱带发育的主要原因|加固钻孔布设在帷幕墙外主径流方向上,距离帷幕0.5～1倍扩散半径,孔间距及钻孔个数由浆液扩散距离和薄弱带长度决定|利用井下疏降产生的水压差形成动水条件,将传统加固方式发展为靶向注浆加固,可以使浆液有针对性地加固帷幕薄弱带。研究成果减少了注浆盲目性,降低了治理成本,实现了复合强富水含水层帷幕截流目标。     

巷道掘进期间富水区域探查定向钻进技术及围岩改造技术应用

充分利用煤矿井下定向钻进工艺技术的优点,在煤矿井下工作面巷道掘进期间超前施工定向钻孔,对巷道掘进区域煤层顶板含水层富水异常区进行探查和注浆治理,形成长距离掩护式定向钻孔探放水及巷道围岩改造技术。对定向钻孔成孔工艺技术、探放水孔封孔工艺技术、注浆孔注浆工艺技术和施工方法进行了介绍,并成功地在麦垛山煤矿进行了现场应用,取得良好的效果。     

鄂尔多斯侏罗纪煤田巨厚顶板砂岩含水层区域治理技术研究

文章以母杜柴登煤矿302盘区侏罗纪3-1煤层开采为背景,在充分分析矿井地质及水文地质条件的基础上,结合长距离定向钻孔技术在我国煤矿瓦斯治理、矿井水防治等方面的应用情况,提出了以工作面外巷钻孔导流、邻面钻孔截流、双侧采空区截流和长距离定向钻孔追踪探放水为核心的巨厚顶板砂岩含水层区域治理技术。应用结果表明：该技术经济、可行,在工作面巷道掘进期间,对巷道掘进施工影响较小|可实现采煤工作面顶板水“分区防控、煤水分离、清浊分流、区域治理”|较好地解决了富水顶板砂岩含水层的水害隐患,在顶板放水孔单孔涌水量超过200m3/h、工作面涌水量超过600m3/h的条件下,实现了厚煤层一次采全高工作面的安全生产和平均超过12000t/d的回采效率。     

地面顺层孔在桃园煤矿煤层底板灰岩含水层治理中的应用

根据桃园煤矿水文地质条件,对比分析后,采用地面定顺层孔对桃园煤矿Ⅱ1027、Ⅱ1029工作面底板太原组第三层灰岩含水层进行注浆改造,结果表明:地面顺层钻孔能够充分揭露三灰含水层的岩溶裂隙及导水构造,通过地面高压注浆对赋水构造的充分加固改造,井下物探钻探验证三灰基本不含水,同时Ⅱ1027工作在回采过程中和回采完毕后未见出水,该技术方法高效可行。     

矿区岩溶裂隙岩体帷幕截流注浆参数确定研究

为使用帷幕注浆手段治理某矿区岩溶裂隙发育地层水害,采用室内试验对不同水灰比水泥浆液性能进行试验研究,得到不同水灰比水泥浆液性能及变化规律;并利用理论分析和数值计算对帷幕注浆压力和水泥浆液扩散半径进行了研究计算;结合帷幕墙体建设区域水文地质条件,综合确定了帷幕墙体建造尺寸、钻孔间距、注浆压力及水泥浆液选取工艺,为帷幕注浆治理工程设计提供了科学依据。最后,利用帷幕墙体内外放水试验检验了帷幕注浆墙体的截流效果,截流效果达到设计目的和要求,因此也验证了帷幕注浆参数选择的合理性。研究结果表明:水泥浆液黏度、结石率和结石体强度随水固的增大而降低,凝结时间随着水灰比的增大而增大,变化速率随水灰比的增大而降低;帷幕墙体厚度为40 m、钻孔间距为20 m和注浆终孔压力为4～6 MPa;利用放水试验对比帷幕墙体内外水位变化历时曲线是帷幕注浆效果检验的最直接手段。     

大红山矿帷幕注浆治水工程及其评价

大红山矿大理岩岩溶发育，由于突水造成井下大量涌水，同时引起地下水位急剧下降，引发了较大范围、较大规模的地面塌陷。通过幕址勘察、帷幕注浆设计及施工，并从钻孔单位注浆量分析、帷幕内外地下水位观测、坑道抽水试验、钻孔电磁波透视和钻检查孔等多个方面，对帷幕注浆治水效果进行评价，确认注浆帷幕堵水效果明显，帷幕注浆质量较好，可发挥显著的截流作用。     

分层开采工作面底板注浆加固条件与效果研究

以我国富水矿区焦作矿区九里山矿14141工作面为工程背景，统计分析大量底板注浆钻孔揭示的地质和水文地质信息与参量，分析了工作面注浆加固条件，得到了评价注浆效果的方法。研究得如下结论：根据注浆钻孔涌水量对工作面底板突水危险区进行划分|得到钻孔涌水量和水压呈现正相关关系|通过分析不同深度出水次数和总的涌水量，表明L8灰岩含水层富水性弱于L2灰岩含水层富水性|指出断层对底板富水性和注浆有着明显的影响。综合分析涌水量、水压、注浆量三者之间的动态关系，并发现随着注浆的持续进行水压呈现整体增大的现象，反映了底板岩层中的裂隙得到有效封堵，含水层局部密闭性增加。低水压、低涌水量和低注浆量为注浆效果良好的标志。     

羊东矿主提升巷道穿越第四系强含水层水害防治技术

为解决羊东矿主井井架锈蚀严重,井架高度不能满足过卷过放要求的安全隐患,针对羊东矿表土层厚、富水条件的松散地层的实际情况,采用地面帷幕注浆截流含水层水源补给、超前长短孔预注浆驱散地层遗留水、滞后注浆提高围岩强度的注浆隔水技术,使主提升巷道顺利穿越第四系强含水层,为邯邢矿区井巷穿越第三、四系松散含水地层注浆堵水工程提供借鉴。     

定向分支技术在浅埋深薄含水层治理中的应用

孙庄矿经过40余年的开采,上部煤层已经枯竭,仅在深部山青煤尚有部分煤炭储量,因受下伏大青灰岩含水层水和奥陶系灰岩含水层水威胁,至今尚未开采。为解决孙庄矿工作面底板水害问题,在地面施工定向水平钻孔,对平均厚度为5.5 m的大青灰岩进行注浆加固,将大青灰岩含水层改造为弱含水层或隔水层,增加661工作面山青煤层底板隔水层厚度,地面钻孔施工完毕后,通过井下钻孔取芯放水验证,大青灰岩含水层水量由治理前的15～138m~3/h转变为注浆治理后的0.6～8.1 m~3/h,说明大青灰岩含水层治理效果明显,为解放受水害威胁的浅埋深、薄含水层加固治理提供了经验和技术支撑。     

石炭二叠系井田立井奥灰水害探查治理技术

为了消除塔山煤矿四盘区副立井掘进过程中底板奥灰突水的潜在威胁，对副立井井底水窝奥灰水害进行探查、注浆改造和加固治理，在井筒周围共设计施工了17个钻孔，其中，16个钻孔终孔位置分别对称均匀布置在井筒外30 m范围和奥灰含水层下30 m。探查结果表明，井筒东南部奥灰含水层富水性大于井筒西北部，裂隙发育东南也较西北强。注浆结果表明，注浆后出水量、吸水率均远小于注浆前，且注浆后吸水率均小于标准值0.01 L/(min·m·m),表明煤层内裂隙已达到充填加固封堵的作用。     

偃龙矿区奥陶系强岩溶含水层底板注浆改造技术

偃龙矿区地处豫西地区,矿井深部开采二1煤层受奥陶系强含水层岩溶裂隙水威胁,奥灰水压不断增高,煤层底板构造发育、隔水层不稳定等突水因素影响了安全回采。通过水文地质资料分析与瞬变电磁技术进行底板富水性探测,建立了底板注浆改造深度精确计算模型,提出了偃龙矿区二1煤层底板注浆改造水害防治技术,并进行了工业性试验。结果表明:12061工作面底板分布有3种类型富水异常区,富水异常区域岩层节理、裂隙较为发育,异常区覆盖工作面底板大部,工作面底板存在突水危险性;菱形钻孔布置有利于减小孔间距,最终确定底板注浆改造深度为65 m、注浆压力为9 MPa与注浆扩散半径为25 m,对太原组下段及奥陶系灰岩含水层注浆变含水层为相对隔水层,切断了底板奥陶系灰岩含水层与二1煤层的水力联系;底板注浆封堵后,检验孔水量不大于10 m3/h,钻孔孔壁光滑,原5个富水异常区消失,注浆改造效果显著。     

大水金属矿山防治水综合技术方法的研究

阐述了国内大水金属矿山防治水技术的现状,论述了疏干排水、地面矿区帷幕注浆和井下近矿体帷幕注浆3种最常用防治水技术方法,并指出帷幕注浆是大水金属矿山防治水的发展方向,近矿体帷幕注浆将得到进一步推广应用。     

复杂水文地质条件下大型帷幕截流工程效果数值仿真分析

朱仙庄煤矿水文地质条件复杂,其8煤开采受到奥灰和太灰强富水含水层的补给影响,严重威胁煤矿的安全开采。提出了建造大型帷幕截流墙、切断它们之间的水力联系、进行疏水降压的水害治理方法。针对前人单点局部检验帷幕效果的不足,为预测大型帷幕墙的整体截流效果,在井下开展了三阶段放水试验,以此为基础,开展了朱仙庄煤矿多层、复杂接触、复合边界的水文地质条件下大型帷幕截流工程数值仿真分析。结果表明:放水试验期间,帷幕墙内"五含"水位呈现"平盘式"下降现象,墙内外水位差明显,放水试验末期墙内外水位差约200 m,"四含"水位变化出现"滞后"现象,判断了它们之间水力联系微弱,确定了"五含"和"四含"的参数分别为4个和2个分区。针对朱仙庄煤矿复杂的水文地质模型,通过将第2和第3层赋值为相同参数概化了"四含"和"五含"的高角度不整合接触关系,奥灰与"四含"的接触带概化为变水头边界,同时将太灰与"四含",奥灰、太灰与"五含"的接触带概化为源汇补给项,建立了420行×260列×3层的大型帷幕截流工程的大型数值模型,运用MODFLOW软件的WHS求解器进行模型计算。由于研究区复杂的地层接触关系,数值模型在计算中容易出现不收敛现象,通过动态调整算法的阻尼系数在0.8～0.5可以很好地控制模型的收敛性。帷幕截流墙的数值仿真分析发现,帷幕截流墙整体渗透性能较差,整体渗透系数为0.6 Lu(折合渗透系数为0.005 m/d)。预测了"五含"水位疏降至安全水头-350 m时的残余水量为91 m~3/h,截流率达95%以上,综合分析帷幕墙截流效果非常明显。本次计算方法和技术可为类似的复杂水文地质条件下大型数值模型的构建、计算及快速收敛提供参考,同时丰富了煤炭精准开采背景下的矿井地质保障技术。     

神府矿区大型水库旁烧变岩保水开采技术研究

神府矿区是我国重要的煤炭生产基地和典型的高强度开采矿区,同时也是我国典型的干旱半干旱生态环境脆弱区,烧变岩水是区内的主要地下水资源之一。为研究区内烧变岩水对采煤的影响和烧变岩水的保护问题,以张家峁井田首采区首采地段5-2煤开采为例,通过对水文地质结构系统和5-2煤顶板导水裂隙带的分析,查明了研究区的水资源类型和特征,确立了5-2煤保水开采对象,划分了5-2煤保水开采分区,提出了烧变岩注浆帷幕截流保水开采新技术。研究结果表明:研究区的水资源类型主要有6类,其中仅有4-2煤烧变岩水具有保水开采意义,5-2煤开采划分为4-2煤烧变岩水无水开采区和保水限采区。5-2煤保水限采区设计的帷幕墙空间形态、帷幕线位置及数量、注浆钻孔排间距及结构合理,制定的钻探和注浆施工工序和工艺科学,实施的双位双向引流注浆、烧变岩全断面分区注浆、防渗截流效果即时检验等注浆帷幕关键技术可行。保水限采区5-2煤工作面采前上覆4-2煤烧变岩水预疏放和采后工作面涌水量实测结果表明,保水限采区内4-2煤烧变岩水静储量约20 000 m3,动态补给量不足5 m3/h,注浆帷幕截流实现了帷幕内外4-2煤烧变岩水的有效隔离,大幅减少了4-2煤烧变岩水及与其有直接水力联系的常家沟水库水的排放,水资源保护性开采效果显著。     

巴拉素井田煤层富水机理与注浆堵水技术

陕北侏罗纪煤田榆横矿区(北区)是我国重要的煤炭生产基地,区内大型矿井分布较多,煤层埋藏相对较深,在采掘过程中发现有富水煤层问题。为研究区内煤层富水机理及采掘过程中的水害问题,以巴拉素煤矿2号富水煤层注浆堵水治理工程为例,通过对水文地质条件和地下含水层之间水力联系情况分析,查明了区内各含水层水文地质特征及类型,确定了2号煤层水为立井井筒过煤层段的主要充水水源,并提出了富水煤层注浆治理保障新技术。通过抽水试验、水化学测试,发现区内地下水含水层主要为第四系松散层潜水含水层、白垩系下统洛河组孔隙-裂隙含水层、侏罗系中统直罗组碎屑岩类裂隙含水层、2号煤顶板延安组碎屑岩类裂隙含水层、2号煤层含水层等。第四系松散潜水含水层和白垩系洛河组孔隙裂隙含水层之间水力联系密切,其他含水层之间均未发现水力联系。根据现场实际及多次实践,确定以"引流注浆、帷幕封堵"为总体思路,运用"井下打钻,地面拌浆,管道输送,高压灌注"的方法,完成2号煤层富水区段的封堵。研究及实践结果表明:通过多种材料结合、钻探注浆等组合工艺实施后,在副立井井筒马头门煤层揭露区段及待掘巷道周围形成了有效的止水帷幕,将掘进巷道与富水煤层隔开,最大程度地减小井筒涌水量,超出预期目标完成注浆堵水任务,副立井井筒总涌水量由最初的150 m~3/h(最高200 m~3/h)衰减至竣工时的11 m~3/h,注浆堵水率约为93%,实现了对富水煤层大量出水有效封堵的目的。     

砾岩含水层帷幕浆液运移规律与改性效果分析

注浆帷幕截流是深部矿井水害治理的主要技术手段之一,针对淮北矿区朱仙庄煤矿8号煤层水害防治问题,采用CT扫描与室内试验测试得到受注砾岩孔裂隙分布及岩石力学特征,利用COMSOL Multiphysics软件建立了受注砾岩层的孔隙介质与孔隙-单裂隙介质2种数值模型,分析了帷幕墙注浆截流效果。研究结果表明:浆液在孔隙介质中的运移范围随注浆时间的增加而增大,浆液运移稳定后的扩散范围为10.12～10.44 m;孔隙-单裂隙介质数值模型中,浆液运移形态沿裂隙方向对称,浆液运移优先进入裂隙通道,随后沿裂隙方向扩散至孔隙介质中,随注浆时间的增加,浆液运移范围逐渐增大并最终趋于稳定,孔隙-单裂隙介质中浆液的纵向扩散范围为10.05～10.23 m,横向扩散范围为16.30～16.98 m;根据数值计算结果,提出了注浆孔间距为20 m、两排注浆孔交错布置、有效宽度约为40 m的帷幕截流方案。最后,通过注浆前后砾岩物理力学性质对比分析与现场放水试验的方法,验证了帷幕墙截流效果良好、注浆孔间距布置合理。     

神府矿区大型水库周边浅埋煤层开采水害防治技术

以神府矿区大型水库常家沟水库为例,运用水文地质勘探、钻孔实测、理论计算、数值模拟等手段,查明了常家沟水库周边水文地质条件,拟合得出导水裂隙带高度计算公式,开展了大型水库周边浅埋煤层开采水害问题防治技术研究。研究结果表明:研究区水库周边煤层开采导水裂隙带预计发育高度约为72.8 m,常家沟水库周边煤层开采存在的水害主要包括烧变岩涌(突)水问题、萨拉乌苏组突水溃沙问题、常家沟水库倒灌水害等问题,针对常家沟水库浅埋煤层开采不同水害问题,提出了留设保护煤柱、帷幕注浆与井下探放水疏放、井下探放水与地面抽排联合疏放、上覆煤层采空区积水探查与疏放、沟道裂缝填埋等水害防治技术。水库周边15207工作面回采时,在留设保护煤柱的基础上,采取帷幕注浆625 m,施工疏放4-2煤烧变岩积水钻孔28个,累计放水量33 523 m3,保障了工作面安全回采。     

基于AHP-熵权法耦合的含水层富水性评价研究

为了对影响徐庄煤矿7煤开采的分界砂岩含水层富水性进行评价,选取了分界砂岩含水层厚度、砂岩粒度特征、岩芯采取率和断裂分维值作为影响分界砂岩含水层富水性的主控因素;选用层次分析法（AHP）确定了各项主控因素的主观权重,利用熵权法确定了各项主控因素的客观权重,通过AHP-熵权法耦合得到了各项主控因素的综合权重;应用ArcGIS建立了基于AHP-熵权法耦合的分界砂岩含水层富水性评价模型,将研究区分界砂岩含水层划分为强富水区、较强富水区、中等富水区、较弱富水区和弱富水区5个级别,研究区东部以强、较强和中等富水区为主,西部以较弱和弱富水区为主,并采用钻孔漏失量数据、已知涌（突）水点的分布,对分界砂岩含水层富水性评价结果进行了验证分析,结果表明该模型的评价结果与实际相符合,为预测含水层富水性、防治顶板水害提供了有益参考。