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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。

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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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煤炭学报

2019年第08期

1255

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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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煤炭学报

2019年第08期

1374

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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

1680

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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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2019年第08期

1239

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采煤工作面底板水视电阻率全方位探测方法

作者(Author)：胡雄武, 孟当当, 张平松, 吴荣新

摘要：深部煤层开采受下伏灰岩水害威胁日益严重，探测采煤工作面底板富水区是保障安全生产的一项重要工作。目前，矿井电法是富水区探测的主要手段之一，但存在对富水区定位不准的问题。为进一步提高对采煤工作面底板岩层富水区的判定精度，在充分分析单巷电法和双巷电透视法优缺点的基础上，通过对视电阻率观测与反演方法的改进，提出视电阻率全方位探测方法。以全空间球状模型为例，给出了球状模型外空间中任意三极装置的视电阻率表达式。针对采煤工作面内侧、巷道和外侧底板不同位置的5个低电阻率模型，分别计算了全方位和双巷透视视电阻率数据，通过三维反演分别获得了采煤工作面底板岩层的电阻率图像，对比可见:① 在平面上，前者的低阻核心区与5个模型位置一致;后者的低阻核心区与工作面内侧及巷道底板的3个模型位置一致，而与工作面外侧底板的2个模型位置存在误差，误差系数分别为1.0和2.0，反映工作面外侧模型距离巷道越远，误差则越大;② 在垂向上，两者对模型深度的判定均存在不同程度的误差，但相比而言，前者定位误差小，对模型深度的判定更准确。分析结果表明在全方位视电阻率反演过程中，单巷测深数据与双巷透视数据之间能够相互约束，促使低电阻率球状模型的准确归位，体现了全方位视电阻率探测方法的优越性。工程实践进一步表明了该方法的准确性和可靠性。

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煤炭学报

2019年第08期

1014

352
矿井瞬变电磁法的时域矢量有限元三维正演

作者(Author)：张永超, 李宏杰, 邱浩, 廉玉广, 李文

摘要：为拓展矿井瞬变电磁正演对复杂地质模型的适用性，开展了基于时域矢量有限元的三维正演研究。首先，基于时间域麦克斯韦方程组和库仑规范推导了磁矢量势的赫姆霍兹方程，在此基础上结合理想导体边界条件采用Galerkin加权余量法推导了相应的弱形式方程，采用模型适用性强的一阶四面体矢量单元对弱形式方程进行了单元分析，并在单元分析时将回线源视为多个电流元克服了源的奇异性，时间离散则采用步长逐渐增大的向后差分法进行，由此实现了复杂地质模型的矿井瞬变电磁法全波形响应计算。对于均匀全空间模型，有限元数值解和解析解的均方相对误差为0.84%，验证了上述算法的正确性。其次，正演了关断效应的影响，结果表明关断效应会使感应电压升高，关断时间相同时，线性关断波形的影响大于指数关断波形，关断波形相同时，关断时间越长，关断效应的影响越向晚期延伸;线性关断时，电流完全关断之前的感应电压主要由发射回线中的电流变化引起。然后，正演了巷道的影响，结果表明关断时间为0时巷道会使早期的感应电压降低，但对晚期的数据影响很小，且发射回线位于巷道中心时的影响大于回线位于掘进工作面时，回线朝向顶底板或侧帮时的影响程度要大于朝向掘进工作面时，但考虑到实际仪器的关断时间，巷道的影响基本可以忽略。最后，对长方体状积水采空区的水平剖面和垂直剖面响应进行了正演，结果表明积水采空区会使感应电压升高，在水平剖面上最强的低阻异常响应出现在发射回线指向采空区中心时，但在垂直剖面上却出现在发射回线指向顶底板时。

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煤炭学报

2019年第08期

1073

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煤层顶板致灾水体井上下双磁源瞬变电磁响应及应用

作者(Author)：于景邨, 苏本玉, 薛国强, 常江浩

摘要：煤层顶板隐蔽致灾水体是矿井水害之一，矿井瞬变电磁法是探测矿井灾害水源的主要方法之一。由于矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置，发射磁距小，其探测深度不能满足大深度矿井对煤层顶板探测的要求。基于此，提出了井上下双磁源对煤层顶板进行立体探测的新方法。利用有限差分数值模拟技术，对井上(地面)激发，井下巷道接收和井上下双磁源激发，井下接收2种装置瞬变电磁响应进行了对比,结果表明:当顶板含有富水体和不含有富水体时，瞬变电磁响应特征均有明显的差异，主要表现为:在感应电位衰减曲线交叉点左侧，顶板存在含水体时曲线幅值相对较小，而在交叉点右侧幅值相对较大，表明该曲线特征与顶板富水性密切相关。分别采用井上下双磁源激发、巷道接收和井下磁源激发、巷道内接收2种工作方式在某矿进行煤层顶板含水体实际探测，探测结果表明:当煤层顶板富水性较强时，井上下双磁源激发、井下接收与井下激发、井下接收的瞬变电磁响应特征与数值模拟结果一致，交叉点左侧井下单磁源激发的视电阻率值明显低于井上下双磁源激发视电阻率值，而在交叉点右侧情况正好相反;当顶板富水性较弱时，2种情况所测的视电阻率曲线趋势基本一致，实际探测结果与钻孔资料吻合良好，对大深度矿井顶板隐蔽致灾水体的探测提供了一种新的有效探测方法。

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煤炭学报

2019年第08期

1021

363
基于电性标志层识别的瞬变电磁精准处理技术

作者(Author)：刘最亮, 王鹤宇, 冯兵, 张继锋

摘要：地面瞬变电磁资料解释精度的进一步提高一直是该方法研究的重点内容。以瞬变电磁烟圈效应扩散理论为依据，通过双倍旅程和平均速度概念建立了时深转换方法，以克服瞬变电磁采用简单经验公式计算实测数据时可能出现的深度翻转问题;以三维地震成果数据获取的9号煤层深度作为电性标志层校正标准，采用视电阻率微分极值点识别该电性标志层，通过比值法计算相应瞬变电磁测点的深度校正系数K值，然后采用内插方法得到测区任意点K值，以校正瞬变电磁在计算探测深度时出现的偏差。通过堡子矿钻孔ZKB1-1和ZK201电阻率测井资料分别建立了正演理论模型，计算了瞬变电磁响应，并和钻孔旁瞬变电磁实测数据的视电阻率微分极值对比，结果表明，两者基本一致，能够准确识别电性分界面。以矿区256线和344测线为例说明了电性标志层识别效果，计算了堡子矿全区深度校正系数，对该区资料进行了精细处理，圈定了工作区奥灰顶低阻异常区，以视电阻率为基本参数，分析评价了该区的地层赋水性强弱。根据奥灰顶视电阻率平面图以及地表径流，结合断层构造的分布特征，确定了导水通道存在及位置。最后通过钻孔验证表明:该方法处理探测深度精度误差小于5%，达到了对地面瞬变电磁资料的精细解释。

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2019年第08期

934

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