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“矿井水防治与资源化利用”专题

来源：煤炭科学技术

专题来自于《煤炭科学技术》2023年07期，共23篇研究成果。

行业视野: 安全
类别; 116个
关键词; 139位
专家; 23篇
论文; 5102IP
点击量; 2525次
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我国大水矿山侧向帷幕截水技术及水资源保护效果研究

作者(Author)：王海, 董书宁, 孙亚军, 王皓

摘要：我国矿山种类多、数量多，涵盖煤炭、冶金、有色金属、化工等，大部分矿山采用疏干排水方式控制地下水，部分大水矿山矿井每天疏排水量数万立方米到数十万立方米，疏干排水引发地下水位下降、水资源枯竭、岩溶塌陷和地面沉降、地表水污染、地下水环境恶化等问题。为解决大水矿山的安全开采和水资源浪费问题，自20世纪60年代开始进行矿山截水帷幕技术研究，经过近60 a的发展，由单一的地面直钻孔注浆发展为地面定向钻孔注浆、井下钻孔注浆、井上下联合钻孔注浆、桩排、连续墙、防渗膜等多种截水帷幕技术，先后在80余座矿山成功应用了半封闭式、封闭式、落底式和悬挂式截水帷幕，截水率大多在60%以上，帷幕外侧水位显著抬升，取得非常好的应用效果，保护了矿山水资源和矿区生态环境。选取金属矿岩溶裂隙水全封闭帷幕、煤矿基岩落底式注浆帷幕、松散层与岩溶地层定向水平孔注浆帷幕、松散层防渗膜落底式帷幕等4种典型截水帷幕案例进行了详细阐述，分析了典型截水帷幕案例的截水技术及水资源保护效果，有效截水率均在75%以上。基于帷幕截水技术发展趋势，提出了大水矿山侧向帷幕截水技术将朝着松散层侧向无接头连续截水帷幕、基岩侧向截水帷幕定向扩散注浆、低渗厚基层侧向截水帷幕等技术方向发展，践行“绿水青山就是金山银山”理念，保护矿山地下水资源，实现矿山保水、保生态、减损、绿色开采。

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煤炭科学技术

2023年第07期

297

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浅埋煤层群上下层位土层与基岩层协同隔水稳定性研究

作者(Author)：杨涛, 闫医慧, 张杰, 林海飞, 何义峰, 张一铭, 高守世

摘要：浅埋煤层顶板突水是由于导水裂隙带贯穿隔水层而引起的，随着煤层群的下行开采，土层与基岩层的协同隔水机理亟待明确。为了分析隔水土层在煤层群下行开采工程背景下的破坏机理，以便准确预测煤矿顶板突水问题，以陕北神府矿区韩家湾煤矿2−2、3−1和4−2煤下行开采为研究背景，通过原位钻孔取心试验得出不同埋深的隔水土层性质的差异；通过建立上层位隔水土层渗透扩展力学模型来描述裂隙发育形态；采用土−岩复合隔水层力学模型，在“给定变形”条件下计算下层位隔水土层处于整体稳定状态时的力学判据。研究表明，隔水土层根据其性质不同可以分为上层位隔水土层和下层位隔水土层；通过比较总载荷与上层位隔水土层抗拉强度的大小，当总载荷小于等于上层位隔水土层抗拉强度时裂隙不再向下发育从而得出裂隙发育长度；在“给定变形”条件下，当下层位隔水土层长边中部位置处产生的拉应力小于或等于拉伸强度阈值时，下层位隔水土层整体结构处于稳定状态，不会产生拉伸破坏；根据韩家湾煤矿地质情况进行数值模拟，模拟结果与理论分析结果相吻合。研究可为相似地质条件下顶板突水预测提供参考。

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煤炭科学技术

2023年第07期

235

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我国煤矿水害事故特征、致因与防治对策

作者(Author)：曾一凡, 武强, 赵苏启, 苗耀武, 张晔, 梅傲霜, 孟世豪, 刘晓秀

摘要：水害作为煤矿“五大灾害”之一，在威胁煤矿安全生产和职工生命安全方面，已成为仅次于瓦斯事故的第二大“杀手”。2000—2022年，全国煤矿共发生水害事故1205起、死亡5018人，其中较大以上水害事故102起，死亡2039人。为总结事故教训，探寻事故规律，用事故教训推动水害防治工作，从地理区域、年代、季节、水文地质类型、突水水源和煤矿企业所有制等对水害事故特征进行了不同维度的统计和分析。结果表明，在事故特征方面，矿井水文地质类型复杂程度与水害事故发生频率高度一致；华南地区事故起数和伤亡人数位居首位，且全年内水害事故高发期主要集中在3—5月和7—8月；老空水是水害事故的主要充水水源，具有极强的隐蔽性和危害性，并且主要发生在技术探查及管理能力更弱的乡镇所有制煤矿中。在事故致因方面，客观上开采环境复杂，主观上重视不够，即管理不当和违法违规开采，是事故发生的主要原因；点状的陷落柱和线状断层构造等隐蔽导水内边界以及老空水等未按规定探放，是事故发生的主要技术原因。最后，采用文献计量学可视化分析发现，当前煤矿水害方面聚焦的研究主题可以很好地对应“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的煤矿防治水原则。从破解煤矿水害“风险查不清”“有险断不准”“出险治不了”等困境出发，相应从矿井充水因素和隐蔽致灾地质因素普查、立体充水水文地质条件分析以及分类源头精准防治等三大方面提出相应的对策；并顺应水害防控信息化和智能化发展趋势，提出透明矿山、水害灾变监测预警和应急救援等保障技术措施。

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煤炭科学技术

2023年第07期

458

284
煤层底板导水通道钻孔超前探查与多元信息识别技术

作者(Author)：董书宁, 李智, 郑士田, 郭小铭, 王宇航

摘要：煤层底板多发育有各类导水通道，严重威胁着矿井的安全生产。为更加科学地建立底板导水通道多元信息识别技术体系，预防底板突水，首先根据导水通道类型多样、位置不明、突水危害大等特征和地面定向钻进区域探查技术的优点，提出了轨迹合理、目标层合理和探查区域最大化的探查原则。其次总结分析了淮北矿区、淮南矿区、邢台矿区、黄河北煤田等区域导水通道探查过程，发现在揭露导水通道时，岩屑、钻时、钻井液漏失量等直观指标和压水试验透水率、注浆参数等验证性指标均与正常地层有明显差别。为此将钻探过程中多源信息判识指标分为定性和定量两大类。根据钻遇导水通道时，岩屑和钻时2项定性指标的变化幅度，给出了对应的标准曲线，进而确定了导水通道类型分类体系；接着综合分析钻井液漏失量和压水试验透水率2项定量指标在钻孔揭露导水通道时的变化，提出了钻井液漏失量30 m3/h、压水试验透水率10 Lu作为导水性分级的界限，据此建立了通道导水性能双因素综合分级体系，将导水性划分为4个等级。最后以华北型煤田某典型矿井为例，根据探查原则实施4个孔组对导水通道进行了超前探查，应用多元信息识别技术成功判识出探查区域内的4条断层、2处岩溶裂隙带和1个陷落柱，并确定了导水通道的导水性等级。研究成果对提升煤层底板导水通道识别和治理具有指导作用和重要意义。

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煤炭科学技术

2023年第07期

272

113
矿井水防治学科基本架构及内涵

作者(Author)：尹尚先, 徐斌, 尹慧超, 曹敏, 丁莹莹, 梁满玉

摘要：我国矿井水防治学科整体经历了20世纪的起步发展期和21世纪的成长成熟期2个大的发展历程，其基本架构及内涵已然成熟。按照系统论，拓展了矿井水广义内涵，规范了矿井水防治术语及科学范畴，提出了矿井水系统，即从水源补给到涌水排泄所涉及范围为边界且内部介质结构时变的高度复杂系统，水源输入和涌水输出齐备，采矿扰动激发而系统及时响应；构建了矿井水防治基本架构，即理论技术体系及技术管理体系等两大核心体系；理论技术体系涵盖理论基础、技术依托及工程支撑，致灾机理、条件评价、预测预报为理论基础，条件探查、预防治理、地质保障为技术依托，探水、防水、堵水、疏水、排水、截水、监水等七类为工程支撑；技术管理体系包括先进理念、总体思路和工作体系，按照“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”十六字总体思路，以源头预防区域治理井上下结合工程治理治保结合先进理念为引导，建设理念先进，基础扎实，勘探清楚，科技攻关，综合治理，效果评价及应急救援“七位一体”水害防治工作体系，实现减少矿井水影响、防止水害事故、减轻环境影响的总体目标。展望未来，水灾变物理机制，数据驱动的灾变规律，或者二者融合，是基础理论突破的重点方向，将带动技术及工程全面突围。

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煤炭科学技术

2023年第07期

268

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蒙陕接壤区典型煤层开采地下水系统扰动的定量表征

作者(Author)：王皓, 周振方, 杨建, 赵春虎, 曹煜, 冯龙飞, 尚宏波, 王甜甜, 王昱同, 薛建坤

摘要：生态脆弱区煤矿高强度开采扰动地下水系统，造成水资源损失。选取黄河流域中段蒙陕接壤区东南—西北走向剖面典型浅部开采和深部开采矿井为研究对象，利用覆岩破坏理论分析、数值模拟、井下实测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，综合确定了浅埋复合煤层开采和深埋单一煤层开采导水裂隙带发育高度，根据导水裂隙带与顶板主要含/隔水层空间位置关系，划分出浅埋煤层开采直罗组−志丹群含水层充水模式和深埋煤层开采直罗组含水层充水模式；通过概化不同含水层充水模式地下水流系统，构建了典型煤层开采地下水三维非稳定流数学模型，并利用Visual Modflow软件建立了2种工况地下水流数值模型，对接续期2023—2024年工作面开采地下水流场和水资源损失量进行了定量预测，并利用涌水量实测数据验证了模型可靠性。结果显示：受扰动的浅埋区志丹群、直罗组含水层，以及深埋区直罗组含水层地下水呈现向采空区汇集现象的同时，流场也伴随采后煤层顶板二次稳定结构的形成而逐步恢复，但围绕采空区附近，充水含水层地下水流场表现出局部高水力梯度现象；另外，2种采煤工况接续期水资源损失量年均分别达到200万m3和730万m3以上。研究结果为区域水资源损失超前精细控制和矿井水资源化利用提供了参考。

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煤炭科学技术

2023年第07期

236

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煤层底板复合岩层微观缝隙结构复杂程度定量辨识

作者(Author)：王心义, 陈博, 田世元, 邹宇, 张波

摘要：采动条件下煤层底板复合岩层微观缝隙结构影响着下伏高水压含水层地下水的导升和渗流，其复杂程度对于煤层底板水害预测预警具有重要意义。以平顶山煤田东部3个相邻矿井提取的57组岩样为对象，基于SEM图像采集和N2吸附试验的综合信息，选取岩层面积缝隙率、等效缝隙直径、缝隙面积分维值、比表面积、缝隙体积及其分维值为主控因子，利用熵权-TOPSIS数学模型定量评价了己16-17煤层至寒武灰岩顶界面之间复合岩层微观缝隙结构的复杂程度。结果表明：己16~17煤层底板复合岩层微观缝隙结构极简单、简单、中等、复杂、极复杂等级占比分别为25.00%、21.43%、39.29%、7.14%、7.14%，研究地段复合岩层的微观缝隙结构相对不复杂；4个岩段相比，岩层微观缝隙结构复杂程度量化均值排序为L1~L2灰岩段>L5~L7灰岩段>砂岩段>铝土质泥岩段，岩层微观缝隙结构复杂程度较好地反映了岩层缝隙发育程度。研究考虑了多因素对复合岩层的耦合影响，实现了复合岩层垂直段微观缝隙结构的定量分级分区判别，对精准刻画煤层底板复合岩层的含隔水层性能和科学指导煤层底板水害防治具有重要的意义。

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煤炭科学技术

2023年第07期

265

99
基于PSO-XGBoost的矿井突水水源快速判识模型

作者(Author)：董东林, 张陇强, 张恩雨, 傅培祺, 陈宇祺, 林新栋, 李慧哲

摘要：矿井突水是煤矿安全生产面临的主要威胁之一，快速分析突水成因和准确判别突水水源是矿井突水灾害治理的关键步骤。为有效防治矿井突水灾害，准确快速地判识矿井突水水源，提出一种基于粒子群优化算法（PSO）结合极限梯度提升回归树（XGBoost）的矿井突水水源识别模型（PSO-XGBoost），通过高效的参数全局搜索模式进一步提高突水水源识别效率与精度，并将该模型成功应用于辽宁抚顺煤田老虎台矿区以验证模型的实用性。基于老虎台矿40组水样光谱数据，首先利用多元散射校正、平滑去噪、标准化及主成分分析对原始光谱数据预处理，依据分层随机抽样按照7∶3比例进行训练集和测试集划分。其次，初始化粒子个体最优值和全局最优值，利用PSO对XGBoost算法的learning_rate、n_estimatiors、max_depth等7项参数进行迭代寻优，构建最优参数组合下的分类识别模型。为进一步研究该模型的优越性，选取平均判识准确率和对数损失值作为评价指标，对比PSO-XGBoost模型与PSO-SVM、PSO-RF模型的分类识别结果，同时通过100次重复交叉验证评价各模型的泛化能力。对比结果表明，XGBoost、PSO-SVM、PSO-RF和PSO-XGBoost模型对测试集数据的平均判识准确率分别为87.76%、87.56%、91.67%和91.67%。对于重复交叉验证，XGBoost、PSO-SVM、PSO-RF和PSO-XGBoost模型的平均准确度分别为87.76%、87.56%、90.63%和93.18%，相应的对数损失平均值分别为0.5453、0.5460、0.5623和0.4534。综合分析评价指标结果得出，PSO-XGBoost模型在矿井突水水源识别方面具有更高的判别精度和更好的泛化能力。

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煤炭科学技术

2023年第07期

235

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