华北型煤田底板灰岩含水层超前区域治理模式与选择准则

为建立系统的超前区域水害探查治理技术体系，分析概括我国石炭-二叠纪煤田煤层赋存及水文地质条件，从水害治理工程的系统性出发，围绕我国煤层底板水害超前区域治理工程施工过程中钻孔施工条件、层位选取、钻进工艺3个主要因素，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。综合考虑煤层埋深、煤层底板承受水压、底板岩层结构组合等判识指标，确定了各类治理模式的选择准则；结合钻孔布设、注浆材料2项指标，进一步划分出超前区域治理亚类模式。以淮北矿区、韩城矿区2个典型超前区域治理工程实践为例，分析了各区域治理模式的选取原则及工程应用效果。研究成果对指导我国煤层底板含水层超前区域治理工程模式选择与底板注浆工程实施具有重要理论指导作用。      

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。      

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。     

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。      

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。      

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。     

“华北型”煤田岩溶水害及防治现状

“华北型”煤田的开采普遍受到煤层底板岩溶承压水的威胁，近年来，煤田岩溶水害的机理研究取得突破性进展，认为岩溶裂隙水网络是发生突水的物质基础，隔水层的岩石水学性质及厚度是突水的制约因素，断裂构造是突水的关键因素，采矿活动是突水的诱发因素；在水害防治方面，采用疏水降压、注浆改造、帷幕截流等技术方法，取得了明显的技术效果，本文旨在介绍水害现状，分析探讨治理对策，为治理煤田水害提供参考。     

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。      

煤层底板灰岩含水层超前区域注浆改造技术

<正>近年来,中煤科工集团西安研究院有限公司利用井下近水平定向钻探与注浆技术、地面顺层定向钻探与注装技术,将煤层底板薄层灰岩含水层改造成相对隔水层,切断垂向导水通道;将奥陶纪灰岩含水层顶部改造成相对隔水层段,形成了成套超前区域注浆改造技术,分别在陕煤化韩城桑树坪煤矿、淮北朱庄煤矿和桃园煤     

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。      

煤层底板隐伏断层分类及突水防治措施

矿井底板突水系数介于0.06~0.1 MPa/m区域内发育的隐伏断层，是煤矿生产过程中发生突水的关键因素之一，对其进行科学分类有利于制定底板突水防治针对性措施。通过煤层底板隐伏断层特征分析，根据隐伏断层顶界面位置与"下三带"垂向关系，从底板水害防治角度，将煤层底板隐伏断层分为高位、中位及低位3种类型。借助理论与突水案例分析手段，指出存在突水威胁的高位隐伏断层具有全贯通、突发性、水量大及危害程度高等特点；中位隐伏断层具有突水时间难以判断、突水后难以治理的特点。针对高位隐伏断层，提出工作面回采前对煤层底板进行注浆加固等防治措施；针对低位隐伏断层，提出在突水灾害前后采取不同思路的注浆治理措施。研究成果对于煤矿企业应对隐伏断层引起的底板突水灾害提供了重要参考。      

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。      

大采深工作面煤层底板采动破坏深度测试

针对邢东矿大采深的情况,利用现场底板注水试验对2121工作面底板采动破坏深度进行了测试研究,依据单位注水量的动态变化以及注水孔与采线之间的距离关系,确定了底板破坏深度。试验结果表明:该工作面底板破坏深度为32.5~35m,比300m采深以内的工作面实测深度(9.15~12.0m)增加2倍以上,说明随着开采深度的增加,煤层底板采动破坏深度呈明显增大的趋势,因此,在水压和破坏深度二者同时增加的条件下,2121工作面深部煤层开采的突水危险性远远大于浅部煤层。测试结果为邢东矿大采深工作面的防治水方案的制订提供了科学依据。      

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。     

复杂突水条件下矿井注浆堵水技术

以桑树坪矿“8．7”突水堵水工程为例,论述了因小煤矿越界开采本矿深部煤层导致发生特大突水、在不明过水通道下的注浆堵水技术。为了在突水条件不清楚的前提下进行注浆,桑树坪矿先采用了多种探查手段,之后开展动水注浆。工程实践表明,在过水通道位置不清楚的前提下,首先要通过调查了解小煤矿的采掘情况,并结合本矿采掘系统确定截流段的大体位置;其次采用物探手段对该处过水通道进行探查,并根据物探成果使用井下钻探方法精确查明过水巷道的位置;之后展开动水截流,截流成功后再对煤层底板和奥灰岩顶部进行注浆。     

基于matlab的煤层底板突水预测系统

针对当前煤层底板突水预测存在的问题,在突水概率指数法预测预报系统的基础上,用matlab开发出了一套新型煤层底板突水预测系统软件。通过对地质、水文地质等信息数据进行分析处理,从而确定导致煤层底板突水的主控因素及次级影响因素,并分别赋予其相应的权重值,将各因素在底板突水中所起的作用定量化。特别是对于不同矿区不同控制因素的影响,其相应权重值的大小可以灵活改变。建立赋权求和数学模型,绘制出各个主要控制因素的专题图,并根据各个主要控制因素的不同权重值,叠合绘制出底板突水概率指数法突水分区图。同时计算出煤层底板突水概率指数。将系统软件应用于工程实际,预测效果与实际情况相吻合。      

关于突水系数的讨论

煤层底板突水在我国华北型煤田矿井采煤过程中经常发生。带压开采条件下,预测底板突水和评价突水危险程度的主要方法是突水系数法,但是关于突水系数计算、临界突水系数的确定等还存在一些值得讨论和研究的问题。在阐述带压开采和突水系数理论的基础上,给出了突水系数的各种计算公式及公式中有关参数确定方法,详细说明了临界突水系数的由来和应用条件,提出了计算突水系数的新公式。新公式不仅考虑了水压和隔水层厚度,而且考虑了底板破坏深度、导升高度和奥灰顶部隔水段等因素,为计算和统计分析确定突水系数新的临界值奠定了基础。