《煤田地质与勘探》“矿井水害防治、水资源保护与利用”虚拟专题

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《煤田地质与勘探》“矿井水害防治、水资源保护与利用”虚拟专题

来源：煤田地质与勘探

今天是第33届“世界水日”，在全球聚焦水资源可持续利用的背景下，中国煤科西安研究院作为我国矿井水的专业研究机构，一直在深耕探索，不断创新！让我们一起了解西安研究院如何以创新之钥，打开矿山与生态的共赢之门。

《煤田地质与勘探》编辑部整理出近几年刊发的矿井水害防治、水资源保护与利用相关论文，供大家参考学习交流。

行业视野: 煤田地质与勘探
类别; 77个
关键词; 47位
专家; 16篇
论文; 4144IP
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蒙陕接壤区煤层顶板涌水水源智能判别方法

作者(Author)：王皓, 孙钧青, 曾一凡, 尚宏波, 王甜甜, 乔伟

摘要：蒙陕接壤区煤炭高强度开采诱发的煤层顶板水害问题日益凸显，高效智能地判别煤层顶板涌水水源是顶板水害防治的关键。以蒙陕接壤区3个典型矿井为研究对象，将无机指标K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl−、SO4 2−、HCO3 −、TDS和有机指标UV254、TOC、溶解性有机质(DOM)的荧光光谱作为判别指标，利用主成分分析法(PCA)对80组地下水水样数据进行主成分提取，提出一种人工鱼群算法(AFSA)改进随机森林(RF)的PCA-AFSA-RF顶板涌水水源智能判别方法。首先，建立PCA-RF判别模型，其准确率(Ac)、精确率(Pr)、召回率(Rc)和F-measure指数(f1)分别达到了83.00%、83.17%、80.42%和79.57%；其次，通过AFSA对PCA-RF判别模型中决策树数目、树深和内部节点分裂所需的最小样本数进行寻优，在AFSA中引入遗传机制以避免陷入局部最优，建立基于PCA-AFSA-RF的煤层顶板涌水水源智能判别模型，该模型Ac、Pr、Rc、f1分别达到92.18%、91.11%、87.58%和88.82%，较PCA-RF分别提高9.18%、7.94%、7.16%和9.25%，回代准确率达到97.50%；最后，利用该模型对12个矿井水水样进行判别，结果与现场实际相一致，表明AFSA改进后的PCA-RF模型具有更好的准确性和泛化能力。研究结果可为煤层顶板涌水水源的准确判别提供新方法。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

152

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蒙陕接壤区典型煤层开采顶板周期性变形破坏及涌水响应特征

作者(Author)：周振方, 董书宁, 董阳, 罗生虎, 薛建坤, 王治宙, 王淑璇, 尚宏波, 王甜甜, 王昱同, 王同

摘要：【目的】煤矿开采扰动破坏覆岩含/隔水层结构，造成集中涌水，影响矿井安全生产。【方法】以面临典型顶板砂岩水影响的蒙陕接壤区主采煤层3-1煤开采涌水过程为研究对象，采用物理相似材料模拟、数值仿真模拟、现场原位监测3种方法，并通过周边地质和开采条件相似矿井实测数据对比，分析3-1煤典型工作面开采煤体支承压力周期性演变规律、采空区覆岩垂直位移演变规律，定量获取实验室尺度顶板周期来压瞬间微震能量事件变化特征，综合确定顶板导水裂隙带随采发育特征，以及顶板涌水随覆岩周期来压变化趋势。【结果和结论】结果表明：工作面开采覆岩初次来压步距约40 m，周期性来压步距12~28 m，覆岩破断瞬间围岩周期性来压呈现 “先增后稳定”的趋势，在推进至第5次周期来压(推进距离约140 m)时，超前支承压力达到最大，覆岩周期性来压、破断瞬间垂直位移峰值随采呈现“之”字型变化特征，同样，位移监测数据、微震事件总能量、事件频次等综合指标指示，在第5次周期来压瞬间，覆岩垂直位移变幅达到最大值，塑性区发育高度基本稳定；导水裂隙带发育最大高度在120 m左右，将直接沟通顶板直罗组砂岩含水层，地下水随采涌入过程呈现两种波动变化趋势，工作面全局尺度上呈现长周期“阶梯式”增长趋势，“阶梯式”增长周期约800 m，局部尺度呈现短周期“振荡”变化趋势，振荡周期16~48 m，并表现出与覆岩来压周期之间的较强关联性。研究结果为工作面涌水量预测以及防排水系统布设提供参考。

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煤田地质与勘探

2024年第08期

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隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理技术研究

作者(Author)：王海

摘要：我国西北地区烧变岩分布范围广、孔隙裂隙发育、富水性强，是当地的主要含水层，其中的隐伏火烧区烧变岩地表遗迹不明显、发现难度大，煤矿开采一旦导通烧变岩含水层将导致水害事故，同时会破坏烧变岩含水层水资源。为治理隐伏火烧区烧变岩水害并保护烧变岩含水层水资源，分析我国烧变岩分布特征及烧变岩水对煤矿开采影响，研究隐伏火烧区烧变岩探查和治理技术，开展隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理的示范应用，结合现场监测数据分析评价陕西柠条塔煤矿南翼隐伏火烧区含水层水害治理和水资源保护效果。结果表明：我国烧变岩主要分布于以昆仑山−秦岭−大别山为界的北方地区，隐伏烧变岩主要分布在鄂尔多斯盆地东北部、伊犁盆地南缘，被第四系松散层覆盖；隐伏火烧区烧变岩含水层与风化基岩含水层大多直接接触且连为一体，水力联系密切；烧变岩水害防治措施主要有留设烧变岩含水层防隔水煤柱、疏降烧变岩含水层积水和帷幕截流，其中截水帷幕可有效解放烧变岩含水层压覆的煤炭资源，解除烧变岩水害威胁并保护烧变岩含水层宝贵的地下水资源；通过精确探查出隐伏火烧区范围、布设注浆钻孔，将隐伏火烧区烧变岩含水层隔离为若干个含水体，断绝截水帷幕内外的水力联系，可保障工作面不受烧变岩水威胁，同时实现烧变岩水资源保护；柠条塔煤矿S1232工作面和S1233工作面隐伏火烧区烧变岩含水层治理后，其回采期间涌水量降至20 m3/h以内，工作面得以安全回采，截水帷幕内侧水位下降，外侧水位逐渐抬升，烧变岩水资源得到有效保护。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

102

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大变幅加卸载下特厚煤层底板断层突水机理模拟研究

作者(Author)：李浩, 朱开鹏, 郭国强, 周杨, 康志勤

摘要：特厚煤层采场空间大、扰动范围广，强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法，准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系，得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程；以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则，建立塑性位移与强度劣化关系，建立加卸载韧性断裂本构关系；基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础，结合浸没边界方法，形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学−有限离散元CFD-FDEM耦合程序，模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明：CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化，以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形，最深位于断层及其上盘(48.6 m)，最浅位于断层下盘(23 m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力，而后在采空区内大幅卸载，导致该位置出现显著二次破坏，并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

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煤系铁赋存形态及水–煤/岩作用过程中的溶解释放机制--以东部草原某矿为例

作者(Author)：王甜甜

摘要：矿井水铁超标将腐蚀配水管道、工业设备，损害人体肝脏，威胁人类健康。煤系铁的含量、赋存形态及其在水–煤/岩作用过程中的溶解释放决定了矿井水中铁的富集或贫化。通过采集东部草原某矿区煤及岩石样品18组，利用等离子电感耦合质谱仪、X射线衍射、带能谱的扫描电镜、逐级化学提取，分析煤系铁的含量、赋存形态、赋存载体，开展室内水−煤/岩模拟试验，研究煤/岩中铁的释放机制。结果表明：煤与顶板砂岩中的铁含量均较高，18组煤/岩样中铁的富集因子均大于1；煤与砂岩中铁的赋存形态主要以残渣态为主，有机结合态次之，碳酸盐结合态与可交换态最少。煤中残渣态、碳酸盐结合态、可交换态铁的赋存载体分别为高岭石、菱铁矿、伊利石；砂岩中残渣态、碳酸盐结合态、可交换态铁的赋存载体分别为绿泥石、菱铁矿、伊利石。水–煤/岩相互作用过程中，煤与砂岩中铁的最大释放量分别为1.26、2.75 mg/L，显然砂岩中铁的释放量大于煤中。对比水−煤/岩作用前后煤/岩中铁的赋存形态变化可知，残渣态、有机结合态及铁锰氧化物结合态的铁含量基本不变，可交换态及碳酸盐结合态的铁含量均减小，这2种形态的铁稳定性差，迁移性强，易于释放进入水中，是导致矿井水中铁富集的主要原因，将为高铁矿井水的处理与利用提供基础。

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煤田地质与勘探

2023年第07期

236

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寒旱露天矿区土壤水分运移规律及其生态效应

作者(Author)：王强民, 赵春虎, 王皓, 孙洁, 杨建, 王文科

摘要：为了探究寒旱露天煤矿区土壤水分运移规律及其生态效应，以位于蒙东草原的露天煤矿为研究区，开展了长时间段土壤水分观测原位试验。研究结果表明：非冻结期浅层土壤含水率主要受降水影响，冻结期土壤含水率受土壤温度影响明显；50 cm以上土壤饱和渗透系数大于150 cm/d，50 cm以下土壤饱和渗透系数仅为20 cm/d左右，表现为土壤饱和渗透系数随土壤深度的增加呈减小趋势，降水入渗形成的土壤水主要滞留在50 cm以上的植被根系作用层；区内地下水位埋深(>10 m)远超地下水补给植被的临界埋深(3.52 m)，植被指数与年降水量呈正相关关系，表明土壤水是维持区内植被需水的最关键水源；冻融期土壤含水率可恢复甚至超过非冻结期的含水率水平，同时特殊的土层结构造成植被根系区的土壤持水性较好，以上2个因素对植被生长具有积极意义。研究结果可为寒旱露天煤矿区的生态环境保护与修复提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2023年第06期

228

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保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流机制数值模拟

作者(Author)：杨志斌

摘要：为了更加细微和形象地刻画保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流局部和整体发展过程，按照等流速原理构建了巷道进水口在给定水头边界条件下CFD-DEM流固耦合数学模型，在2 000 m3/h和20 000 m3/h突水水量等流速条件下，分别对有无保浆袋囊工况22 mm粒径骨料灌注堆积阻水体建造过程进行了数值模拟。结果表明：(1) 低流速条件骨料都能堆积接顶，高流速条件骨料都只能堆积至巷高的3/4，主要差异是有袋囊工况阻水体堆积至相同高度所需时长都更短且都具有高阻弱渗阻水性能。(2) 高流速条件阻水体不能局部接顶情况下，单纯增大骨料粒径仍然难以局部接顶，但是单纯增加骨料灌注速度可以局部快速接顶。(3) 分析有无袋囊工况阻水体建造结果差异原因，得到保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流机制其一是袋囊自身快速充填了部分阻水体空间，相当于提前完成了部分骨料铺底和充填阶段；其二是阻水体高阻弱渗的阻水性能，可以减少堵水后期阻水段快速升压阻水体突破再造次数，同时有利于补充注浆阶段浆液快速凝结。

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煤田地质与勘探

2023年第06期

259

91
注浆改造厚含水砂层提高开采上限技术及应用

作者(Author)：邢茂林, 郑士田, 石志远, 赵少磊, 杜博涛, 崔思源

摘要：为了实现在厚松散含水砂层下留设防塌煤(岩)柱以提高开采上限，研究厚含水砂层区域注浆改造技术。以安徽淮北五沟煤矿1010-1工作面第四含水层(简称四含)下提高上限开采为目标，通过理论计算、注浆材料配比实验和原位注浆试验，对改造范围和层位、注浆材料的适用性、不同深度的浆液配比、钻孔布置方式和注浆方法进行分析，并通过取心测试、水文地质试验和井下钻孔验证对注浆效果进行检验。结果表明：五沟煤矿四含改造区域松散含水砂层底部无黏土，且在有含水风化基岩条件下，提高上限开采需同时注浆改造松散砂层和风化基岩；粉煤灰–水泥浆较石膏–水泥浆具有更好的体积稳定性，粉煤灰掺量20%~50%的粉煤灰–水泥浆结石率大于98%，且有较稳定的凝结强度，能够满足砂层劈裂注浆的需求，风化基岩采用纯水泥浆或10%以内掺量的粉煤灰–水泥浆，基岩之上2倍采高的砂层注入10%~20%掺量的粉煤灰–水泥浆改造后充当保护层，上部采用20%~50%掺量的粉煤灰–水泥浆进行充填压密，粉煤灰掺量随注浆深度递减；注浆终压可在最浅部砂层注浆劈裂压力的基础上，按地层压力和孔隙水压力梯度0.3 MPa/10 m增加；泄压诱导注浆可有效控制浆液的劈裂扩散方向，浆液最大扩散距离达到89.5 m；注浆后砂层和风化基岩完整性显著提高，岩(土)体试块强度提高2~5倍，注浆将砂层改造为富水性弱、极微–微透水的隔水层，可实现留设防塌煤(岩)柱提高上限开采。

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煤田地质与勘探

2023年第05期

266

69