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顶板水害怎样有效防治？

来源：煤炭学报

采动顶板导水裂隙演化规律及其发育高度的确定是进行煤矿防水煤岩柱留设、保水采煤设计、防治水措施制定、覆岩隔离注浆充填采煤设计的重要基础。

行业视野: 安全
类别; 154个
关键词; 147位
专家; 33篇
论文; 38901IP
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积水采空区地面-钻孔瞬变电磁探测技术

作者(Author)：王鹏, 程建远, 姚伟华, 李明星, 王益

摘要：小煤窑积水采空区威胁煤矿安全生产，为有效识别钻孔旁侧遗漏的积水采空区并确定其空间位置，采用地面发射阶跃磁场、钻孔中接收三分量感应场的观测方式进行地面-钻孔瞬变电磁探测。通过构建积水采空区地电模型，正演分析了异常的响应特征及异常场随异常体电阻率、规模和相对钻孔距离变化的规律。计算结果表明:异常场的3个分量均响应明显，X，Y分量过零点与Z分量极值点对应异常体深度;X，Y分量幅值相对较小，但为纯异常场，便于识别和提取;Z分量幅值相对较强，但异常场为背景场的千分之一，不易识别和提取;由于更接近异常体，地面-钻孔观测方式相比地面瞬变电磁采集到的Z分量异常信号更强;异常响应强度随异常体电阻率降低、规模增大、距离减小而增强。基于等效电流环理论，设计了最小二乘约束反演算法，通过反演拟合异常场能获得异常体的中心坐标、倾角、尺寸等参数，实现异常体的空间定位。在陕西省榆林市某煤矿使用地面-钻孔瞬变电磁法开展积水采空区探测实验，采集的X，Y分量数据在目标层附近表现明显的异常响应特征，通过对1.0 ms和1.3 ms的异常场数据进行反演拟合，发现并推断钻孔北侧存在小煤窑积水采空区，反演结果得到后期钻孔验证，与实际揭露情况吻合。理论分析与现场实验证明:地面钻孔瞬变电磁法能有效探测到钻孔旁侧的积水采空区，实现“一孔多用”并突破“一孔之见”，为小煤窑积水采空区的精细探查提供了一种新的地球物理勘探手段。

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2019年第08期

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611
基于承压水单孔放水实验的底板水害精准注浆防治

作者(Author)：李涛, 高颖, 艾德春, 杨军伟, 冯海, 薛卫锋, 赵国杰

摘要：我国华北型煤田普遍受底板承压水威胁，底板注浆改造是承压水害防治的有效途径。但注浆改造层位多为非均质的灰岩，其注浆地质条件复杂多变，使得注浆工程效率有限。为了提高底板注浆水害防治的效率，开展基于承压水单孔放水实验的底板精准注浆研究。以渭北煤田，特别是澄合矿区董家河煤矿为研究背景。在分析研究区底板水害防治特征的基础上，结合底板精准注浆内涵，针对性研发了单孔放水实验装置及配套使用技术。在开展单孔放水实验的基础上，结合突水优势面理论提出了底板分类注浆技术。研究结果表明:通过设置定流量控制阀，可以实现单孔放水实验，获取承压水的渗透系数K和富水系数q等参数。结合环向非完整井的设计，可以获取承压水水平方向上主要的径流方向。依据单孔放水实验获取的水文参数，结合突水优势面理论，注浆条件类型可以划分为5大类7小类，包括不富水型、Q-S曲线直线Ⅰ型、Q-S曲线直线Ⅱ型、Q-S曲线抛物线Ⅰ型、Q-S曲线抛物线Ⅱ型、Q-S曲线幂函数型、Q-S曲线对数型。依据钻孔注浆条件的重要性，给出了每种类型钻孔的注浆工艺。通过工程实践应用，采用分类注浆技术的注浆工程提高了注浆效率，有效控制了底板水害。研究成果为华北型煤田底板承压水害信息化防治提供了新的技术和设备。

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2019年第08期

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多模型融合评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性

作者(Author)：施龙青, 曲兴玥, 韩进, 邱梅, 高卫富, 秦道霞, 刘海松

摘要：在我国华北型石炭——二叠系煤田中，煤层底板灰岩岩溶突水现象尤为突出。为准确地评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性，防治煤矿水害事故，实现承压水体上煤层安全开采。基于未知测度-集对分析理论，选用含水层厚度、单位涌水量、充水含水层渗透性、水压、断层影响因子、含水层厚度、含水层岩性组合特征以及底板破坏深度8个指标评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性。采用有序二元比较量化法和区间数模糊决策矩阵EA-TOPSIS排序模型分别确定煤层底板灰岩岩溶突水主控因素权重。在此基础之上，基于冲突证据理论将二者进行耦合，得到煤层底板灰岩岩溶突水主控因素组合权重，保证了对动态模型指标相对重要性的有效评价。基于未知测度-集对分析理论，构建单指标直线型未知测度函数及非直线型未知测度函数，并以新汶煤田煤层开采为例，将30个监测点处实测的8个指标值代入，建立多指标综合测度矩阵。引入“置信度”评价准则判定样本数据Xi所属的危险性等级。并通过集对分析，进一步表征新汶煤田煤层开采过程中煤层底板灰岩岩溶突水风险总体态势。研究表明，评价结果与矿山实际情况相吻合。在此基础之上，依据搜集的大量华北煤矿突水案例，以其中典型的15个为例，将建立的模型推广到整个华北煤田底板突水危险性的评价。通过与矿井实际突水情况对比可以发现，模型确定的矿井突水危险性等级与实际相吻合，表明该模型对于评价整个华北煤田底板灰岩岩溶突水危险性具有一定的适宜性。

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巴拉素井田煤层富水机理与注浆堵水技术

作者(Author)：方刚, 梁向阳, 黄浩, 夏玉成, 靳德武, 刘洋

摘要：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 m3/h(最高200 m3/h)衰减至竣工时的11 m3/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。

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2019年第08期

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砾岩含水层帷幕浆液运移规律与改性效果分析

作者(Author)：尚宏波, 靳德武, 赵春虎, 柳昭星, 王皓, 王晓东, 姬亚东, 朱慎刚, 石志远

摘要：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。

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2019年第08期

1374

516
深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术

作者(Author)：王洋, 武强, 丁湘, 高柏, 蒲治国

摘要：为解决目前蒙陕矿区深部侏罗系矿井采后采场落地水量大、煤水混杂，以及上部煤层距离强含水层较近，无法安全掘进与回采等一系列问题，提出了深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术。应用沉积控水规律，分析了含(隔)水层在平面与剖面的空间展布规律与含水层富水性分布规律，在此基础上，针对煤层厚度变化较大、顶板含(隔)水层交互成层的特征，通过构建含有沉积环境影响指数、砂岩厚度、岩芯采取率、单位涌水量、渗透系数与导水裂隙带发育高度6个指标在内的评价指标体系，提出了符合深部侏罗系矿井水文地质特征的矿井涌(突)水风险分区评价方法，进而根据“断源截流、集中疏排、源头预防、超前治理”的防治水思路，提出了“上行开采低位截流”、“工作面单侧截流”、“工作面双侧截流”与“工作面方向调整截流”4种地下水截流治理模式，最后以蒙陕矿区的门克庆矿井和母杜柴登矿井进行实例分析。应用结果表明:① 直罗组一段砂岩含水层主要为河道相沉积，砂体的空间连续性较好，是深部侏罗系矿井的主要充水含水层;② 门克庆矿井首采区3-1煤顶板涌(突)水危险区主要分布在研究区的南部，呈东西向条带状展布，与实际情况较为吻合;③ 根据门克庆矿井首采区涌(突)水危险性分布规律，应用了“工作面单侧截流”与“上行开采低位截流”两种治理模式并分析了其在实际工程中的应用效果。深部侏罗系矿井水害防治作为一个复杂的系统工程，以源头防控为重点的系统防治技术体系仍是深部侏罗系矿井水害防治需要重点攻关的研究方向。

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2019年第08期

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深部矿井水害特征、评价方法与治水勘探方向

作者(Author)：李文平, 乔伟, 李小琴, 孙如华

摘要：煤矿区深部含水层具有大埋深高水压等特点，是深部煤层开采水害防范的主要对象。在分析深部矿井水害特征基础上，探讨了深部矿井地应力对裂隙水价值的力学作用机制，阐述了深部矿井裂隙水介质呈现“高承压、弱富水”的力学原因;基于古岩溶成因演化理论，结合水文地质勘探和野外调查，分析探讨了华北型煤田奥陶纪石灰岩顶部“古风化壳”的岩溶充填结构特征，并将奥陶纪石灰岩顶部“古风化壳”划分为“隔水充填带、弱隔(透)水充填带、富(透)水带”3种岩溶充填结构类型，给出了各类型确定的关键指标和阈值，明确了奥陶纪灰岩顶部存在隔水层的理论依据。将深部矿井煤层开采底板突水划分为“完整底板突水模式”和“集中破碎带底板突水模式”，分析了深部煤层开采底板含水层高水压作用下沿用传统的突水系数法(Ts法)评价底板突水危险性的局限性，引入隔水层厚度(M)和含水层钻孔单位涌水量(q)2个指标，结合突水实例分析，提出了“修正的突水系数法”(Ts-M-q法，适用于完整底板突水模式);在实验和实例分析基础上，提出“渗-流转换”突水评价法(适用于集中破碎带底板突水模式)。最后，基于深部矿井水害特征及突水模式，结合深部含水介质赋存、构造发育特征和地应力场方向，阐述了深部矿井水害精准查治一体化勘探关键技术。

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1239

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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

作者(Author)：刘基, 靳德武, 姬亚东, 郑士田, 石志远

摘要：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 m3/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。

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煤炭学报

2019年第08期

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