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“矿井水害防治”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“矿井水害防治”主题论文。

行业视野: 安全
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基于Bertalanffy时间函数的地表动态沉陷预测模型

作者(Author)：高超, 徐乃忠, 孙万明, 邓伟男, 韩科明

摘要：常规地表沉陷预计是对工作面回采结束、地表沉陷稳定后最终的静态移动变形预计;当涉及建(构)筑物下保护性开采与地面建(构)筑物加固及动态纠偏治理时，需要掌握该地质采矿条件下的地表动态移动变形规律，同时能够解决区域性变采高条件下的地表动态沉陷预计问题。首先对常见Knothe,Logistic,Weibull、分段Knothe、幂函数-Knothe与双曲线等时间函数的曲线形态、各时间段的地表动态下沉、下沉速度与下沉加速度进行了优缺点和适用性分析;其次基于东坡煤矿地表移动变形实测数据，针对特厚煤层综放开采条件下地表移动变形的特殊性，引入Bertalanffy时间函数，并基于此函数改进Bertalanffy三参时间函数;分析了各参数对改进Bertalanffy三参时间函数的影响规律，研究了各参数的物理意义以及与地质采矿条件的内在联系规律;最后将该函数用于平朔井工一矿特厚煤层综放开采条件下的地表动态下沉预计，并进行了拟合优度分析和现场应用效果检验。结果表明:基于改进Bertalanffy三参时间函数的各参数物理意义与地质采矿条件具有内在联系;该地表动态沉陷预计模型可塑性强、有着较好地预测精度和应用广度，能够较好地应用于煤矿地表动态变形的预计工作中;提出基于改进Bertalanffy三参时间函数结合影响函数法，该方法可有效地解决特厚煤层区域性限厚开采，如特厚煤层只采不放、煤层厚度赋存不稳定等区域性变采高条件下的地表动态沉陷预计问题。

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煤炭学报

2020年第08期

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裂隙注浆浆液浓度分布试验研究与机制探讨

作者(Author)：王晓晨, 刘人太, 张春雨, 李修浩

摘要：水泥基注浆材料是煤矿防渗与加固工程中最为常用的注浆材料，其配置而成的水泥单液浆属于悬浊液。对于煤矿裂隙注浆而言，悬浊液自身特性影响着注浆扩散过程，并导致扩散后浆液浓度沿扩散路径上的分布存在一定差异，影响注浆治理效果。为研究裂隙注浆中浆液沿扩散路径上的浓度分布规律，基于自主研发的裂隙注浆模拟试验平台开展了注浆扩散模拟试验，以浆液完全析水沉降后的固相体积占总体积的比例作为浆液在裂隙内浓度的表征，获得了不同裂隙开度与水灰比条件下浆液沿扩散路径上的浓度分布特征。基于非牛顿流体力学理论，探讨了浆液沿扩散路径上的浓度分布形成机制。研究结果表明:各水灰比浆液在裂隙扩散运移后的浆液浓度随着浆液扩散距离的增加而降低，并呈现出流动稀化趋势，靠近注浆孔位置浆液浓度高，浆液扩散运移锋面处浆液浓度最低;相同裂隙开度条件下，低水灰比浆液沿扩散路径上的浓度大于高水灰比浆液沿扩散路径上的浓度;裂隙开度越大，浆液在裂隙扩散后的浆液浓度越高;浆液在裂隙流动扩散中显现的沉降渗滤特性导致了浆液在裂隙扩散后的浓度分布差异。结合上述研究结果，对于裂隙注浆工程而言，可先注入水灰比较高的浆液以保证浆液扩散距离达到设计值，然后，注入水灰比较低的浆液以提升整个浆液扩散区的浓度，保证注浆效果。

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煤炭学报

2020年第08期

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强富水含水层下综放开采水砂灾害防控关键技术

作者(Author)：刘生优, 樊振丽, 尹希文, 贺鑫, 赵会国, 温建忠, 刘海义

摘要：弱胶结煤层覆岩抗采动变形能力差，高强度开采形成的采动裂隙易导通强富水含水层，在近距离强富水含水层下综放开采具有极大的危险性，常发生突水溃砂事故。为了实现强富水含水层下综放开采水砂灾害的安全防控，研究了基于水文地质条件精细探查、覆岩破坏高度的实测与监测、煤层采放高度设计与实时调整的突水溃砂灾害防控关键技术。提出基于网络并行电法和井下加密钻探的精细化探查组合方法以查明工作面开采的水文地质条件;采用经验公式预计、数值模拟计算、钻孔注水法实测以及电-震一体化监测等手段获取动、静态综放开采的覆岩破坏高度特征;通过控制煤层采放高度、优化工作面两巷在煤层中的位置、电-震一体化监测覆岩破坏高度反算煤层采放高度等方法达到及时调控煤层采放高度的目的。以应用工作面为例，采用并行电法、钻探验证，覆岩破坏高度实测以及煤层采放高度的精准控制等方法，基于地质条件探查与分析，动态控制了煤层覆岩的采动破坏范围，实现了工作面在近距离强富水含水层下的综放安全开采。研究表明，物探、钻探探测可有效获取水文地质信息以及综放开采覆岩破坏的关键参数，将采动裂隙场与水文地质条件相结合，控制煤层采放高度，对不同含水层采取疏或保的不同对策，实现了强含水层下综放安全开采。

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煤炭学报

2020年第08期

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煤层覆岩采动裂隙应力-渗流耦合模型及涌水量预测

作者(Author)：程香港, 乔伟, 李路, 江传文, 倪磊

摘要：矿井涌水量的预测是煤矿安全生产、防排水设计的重要依据，以往的矿井涌水量预测方法未考虑采动引起的覆岩裂隙渗透特性变化，预测结果与矿井实测涌水量相比误差较大。以陕西招贤煤矿1307工作面为研究区，基于覆岩采动粗糙裂隙面的渗流特性，对裂隙应力-渗流耦合计算模型进行了修正，提出了修正后的三维采动裂隙应力-渗流网络计算模型;基于覆岩导水裂隙带发育特征以及矿压实时数据开展了不同间距及隙宽组合的正交数值模型实验，结合修正后的裂隙应力-渗流网络计算模型，分析了覆岩采动渗透率的动态变化规律，并根据导水裂隙带发育趋势分段预测了工作面矿井涌水量。研究结果表明:上覆岩层受采动影响，应力场及渗透性发生改变，且渗流场的扰动范围与应力场相比较大，渗透性的变化在不同方向上具有差异性，渗透系数在水平方向上的影响范围小，变化量大。在垂向上的影响范围大，但变化量小。通过模型预计涌水量与实测涌水量对比发现，试验模型分层位间距为l1=10 m，l2=30 m，l3=150 m及隙宽组合b1=0.05 m，b2=0.01 m，b3=0.005 m时，较为符合研究区实际工程情况。最后，基于离散元软件裂隙渗流模型，结合模型间距及隙宽组合形式，对裂隙应力-渗流耦合计算模型的可靠性进行探讨，模拟结果与裂隙应力-渗流耦合模型计算的结果基本一致。

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煤炭学报

2020年第08期

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我国煤矿安全高效开采地质保障系统研究现状及展望

作者(Author)：彭苏萍

摘要：从近40 a来我国煤炭工业的发展进程，分析和总结了我国煤矿安全高效开采地质保障系统建设随着煤炭工业从炮采和普采向机械化开采的转变，经历了从煤田地质学发展到采矿工程地质学和矿井工程物探的发展过程，并逐步构建了煤矿安全高效矿井地质保障系统的基本框架。20世纪90年代中后期，随着煤矿采区高分辨三维地震勘探技术体系研究成果的建立和完善，使煤矿精细地质构造、煤与瓦斯突出、矿井突水通道等灾害隐患的探测精度和预测准确度大大提高，促进了我国煤矿安全高效矿井的迅速发展，煤矿安全高效矿井地质保障系统也走向成熟并在全国煤炭系统推广应用。笔者认为，虽然煤矿地质保障系统在保障开采安全、提高开采效率等方面取得了显著的成效，但随着信息技术的深度融合和煤矿机械化水平的进一步提高，煤炭绿色开采、智能精准开采等对煤矿安全高效开采地质保障系统提出了更高的要求，矿井地质透明化是当前煤矿安全高效矿井地质保障系统发展的努力方向。其重点任务是:① 在统一的数据融合基础上，进一步提高地球物理勘探精度，提高矿井地质的透明化水平，构建煤矿智能开采地质保障平台;② 研发与惯导技术一体的高分辨煤岩辨识仪器装备，实现对工作面前方5 m范围煤岩结构的自动化数据采集与精准识别;③ 以岩层结构为基础，以岩石力学和流体因子为重点，开发和建立智能矿山建设决策与灾害隐患预警系统。

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煤炭学报

2020年第07期

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矿井突（透）水灾过程中涉险人员危险性评价方法与应用

作者(Author)：武强, 姚义, 赵颖旺, 张小燕, 徐华, 郝治朝, 杜志立, 杜沅泽

摘要：矿井突(透)水灾害应急抢险救援的“自救互救”和“他救”效果与成功率如何，很大程度取决于在灾害整个演变过程中对井下涉险人员所处危险性的科学评价与合理预测。针对我国目前在这方面缺乏系统定量评价的难题，构建了涉险人员危险性影响因素的评价指标体系，即个体特征、矿井巷道、水流特征、气体情况和其他物理因素;通过分析矿井水灾演变过程中灾情对涉险人员的危险作用形式，结合矿井水灾影响因素特点，定义了人员的水流危险性、气体危险性和其他危险性，提出了涉险人员危险性定量评价方法与模型，构建了适用于水灾演变过程中涉险人员多种危险性的综合评价计算规则。以典型矿井为例，实现了矿井水灾过程中涉险人员危险性的动态评价，分析了不同特征涉险人员在灾情中危险性的差异，讨论了坡度、地面摩擦因数、水流密度对危险性的敏感性，并给出了降低危险性的相应减灾建议。结果表明:所提出的方法可以科学地解释、评价、量化涉险人员在水灾环境多因素影响下的危险性，提高了涉险人员在矿井水灾演变过程中“知险”的能力，同时为应急抢险救援方案合理制定提供了技术支撑，对保障应急抢险救援过程中的“自救互救”效果和“他救”成功率均具有重要意义和实用价值。

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煤炭学报

2020年第07期

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鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用

作者(Author)：董书宁, 姬亚东, 王皓, 赵宝峰, 曹海东, 刘洋, 刘英锋, 姬中奎

摘要：为了实现鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田受顶板水害威胁的煤炭资源安全开采，基于侏罗纪煤炭资源赋存条件、顶板含水层特征、顶板水害分布范围与防控难题，对离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚层砂岩水害和烧变岩水害4种典型顶板水害的形成机理、判识方法、主控因素和防控技术进行了系统研究。侏罗纪煤田离层水害发生的地质条件为砂泥岩互层，泥岩隔水层厚度是控制离层水害发生的主控因素，研发了离层水体精准定位探放技术，实现了离层水害判别与防控技术的定量化;导水沙裂隙带是薄基岩溃水溃沙的主控因素，构建了基于导水沙裂隙带与基岩厚度对应关系的溃水溃沙危险性评价体系，发明了含水松散沙体高效注浆技术，有效避免了薄基岩溃水溃沙的发生;发现了厚层砂岩含水层在垂向上的非均质特性，揭示了递进渗流充水模式，提出了“适当波及，主动防控”的厚层砂岩水害防控新理念，解放了大量受厚层砂岩水害的煤炭资源;揭示了烧变岩的“边界富水”效应，将烧变岩完整断面分为直接露头区、中部埋藏区和火烧边界区，并构建了烧变岩不同断面注浆材料选择准则，提出了双位双向孔序优选引流注浆帷幕技术，显著减少了烧变岩对工作面的补给水量，同时实现了采煤保水。通过将典型顶板水害防控技术在鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田的推广应用，有效遏制了顶板水害事故的发生。

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鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系地下水系统关键要素与格架模型

作者(Author)：焦养泉, 王双明, 范立民, 吴立群, 荣辉, 张帆

摘要：地下水与含煤岩系矿产资源密切共生，直接制约含煤岩系矿产资源的合理开发和长远规划。鄂尔多斯盆地是我国重要的能源盆地，几十年勘查实践表明侏罗纪含煤岩系除具有5套(组)可采煤层外，还伴生有丰富的砂岩型铀矿、砂岩型高岭土和石英砂等矿产资源。基于已往对鄂尔多斯盆地的认知和经验，认为地下水的补给水源和输导通道是侏罗纪含煤岩系地下水系统结构中的关键要素。其中，潜在的地下水补给水源包含3套地下水储层(直罗组底部含水层、下白垩统洛河组含水层和罗汉洞组含水层)和地表水系;地下水输导通道则包含了区域规模的骨架砂体、不整合界面、断裂系统和人工采动裂隙系统等四大类型。含煤岩系矿产资源开发过程中遇到的“水害”，通常是原有的地下水系统被动揭露或者被破坏的表现，是人为因素连通了地下水水源与人工作业面从而导致地下水的泄漏。聚焦侏罗纪含煤岩系矿产资源的安全开发，一方面需要深入总结地下水系统关键要素的基本特征和分布规律，更进一步则需要揭示地下水系统关键要素与矿产资源的空间配置关系，并在此基础上构建含煤岩系地下水的格架模型，以此为煤系资源开发和矿井水害防治提供沉积学-水文地质学基础。在鄂尔多斯盆地，由于构造背景的差异，在不同地区地下水水源类型、输导通道类型、含煤岩系产状、矿产类型组合等都不尽相同，构成的地下水格架模型也因地而异，因此需要区别对待和深入研究。

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