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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; 5203IP
点击量; 2553次
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定向区域注浆三维模拟试验系统研制及应用

作者(Author)：陈军涛, 朱君, 刘磊, 李文昕, 李光强, 张毅, 李昊

摘要：定向区域注浆改造含水层是矿井水害防治的有效途径之一。为研究定向区域注浆浆液扩散规律，自主研制了定向区域注浆三维模拟试验系统。该系统主要由试验台、注浆系统、注水系统及数据监测等子系统组成，可实现定向钻孔注浆模拟、浆液三维扩散模拟、高承压水模拟和区域化注浆模拟等功能。系统可独立控制注浆孔单元，实现多孔、多序次注浆，借助6个注浆孔模拟不同注浆压力、浆液黏度、注浆速率、水灰比等多种参数影响下的浆液流动过程，并可实现动/静（高）水压环境下浆液扩散过程的实时监测。以200、250、300 mm模拟裸孔长度为研究对象，初步探究了定向注浆作用下裸孔注浆浆液扩散的特征及其效果。研究发现：在仅有裸孔长度为变量的情况下，浆液扩散范围不会随裸孔长度的线性增加而同步线性增加；短裸孔的浆液结石体呈现以钻探裸孔为轴心的圆柱状，长裸孔的浆液结石体呈现以钻探裸孔为轴心的圆台状；裸孔增加相同的长度，裸孔越长，浆液在裸孔两端的扩散范围差值越大，同时压力损失越多，浆液扩散的距离越小。将试验所得浆液扩散半径与Maag公式计算所得浆液扩散半径进行对比，发现注浆裸孔长度为200 mm时，两数值仅相差2.8%，试验结果符合Maag球形扩散理论规律，验证了本试验系统的科学性与合理性。

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煤炭科学技术

2023年第07期

151

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新疆伊犁矿区侏罗系含水介质特征与地下水赋存运移规律

作者(Author)：徐智敏, 陈天赐, 刘栓栓, 孙亚军, 任冬冬, 郇博程, 张盼杰

摘要：以新疆伊犁矿区为研究区，结合该区天山雪融水径流强、侏罗系富煤地层渗透性不均一等典型水文地质特征，通过采用现场取样、电镜扫描、压汞实验、X-衍射、抽水试验等方法，系统研究矿区主要含（隔）水层的宏观水文地质条件、微观含水介质特征及地下水赋存规律，揭示其特殊地层地貌条件下的含水层水动力学特征及地下水运移规律。结果表明：研究区侏罗系主采煤层顶底板砂岩含水层有效孔隙率范围为17.1%～29.5%，新近系与侏罗系隔水层有效孔隙率范围为17.6%～29.0%，含（隔）水层均含有较高的黏土矿物，遇水膨胀泥化，特殊的微观结构及矿物成分使含（隔）水层表现出孔隙率高、渗透性较差的含水介质特征；区域上，第四系孔隙含水层与侏罗系主采煤层顶底板砂岩含水层富水性较弱，部分区域表现出中等富水，以静储量为主，具有区块化特征；系统研究了主要含（隔）水层的水动力学特征与运移规律，第四系受山前宏观地貌及含水介质条件影响，形成了以“斜坡过境流”为代表并以孔隙潜水形式高强度流动的水动力学特征，同时受到下部新近系泥岩隔水层阻隔，与煤系顶板砂岩含水层无水力联系，对煤层回采存在影响的主要为5煤底板砂岩含水层，并针对该层施工了“横向截流，侧向掩护”的“厂”字形大范围疏降且疏降效果显著，为井下回采创造了良好的水文地质条件。相关研究成果揭示了研究区侏罗系富煤地层受沉积环境影响所形成的特殊含水介质特征及储水控水规律，可为研究区及西部矿区相似开采条件下矿井防治水工作提供一定的理论及工程依据。

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煤炭科学技术

2023年第07期

175

90
区域注浆扰动下渗流场−化学场演化及耦合作用

作者(Author)：郭艳, 桂和荣, 魏久传, 胡满聪, 郭祥东, 聂锋, 陈永青, 解建, 叶爽, 李俊

摘要：在淮北煤田普遍采用地面定向钻高压注浆技术治理煤系底板岩溶水害。注浆后渗流场补径排路径发生变化，且注浆实施中注浆高压以及浆液析水会在一定时期内改变受注目标含水层地下水渗流场和化学场的分布特征。以淮北煤田桃园煤矿为研究对象，利用Feflow软件，构建了区域注浆扰动下目标层渗流场与化学场（简称“双场”）演化模型，探讨了“双场”耦合机制，选择受环境影响较小的Cl−为模拟因子，开展了“双场”耦合作用下溶质运移影响因素分析，在此基础上构建了区域注浆扰动下溶质扩散预测模型。研究结果表明：识别验证后渗流场模型中，模拟水位与实测水位误差小于3 m的点占71.9%，模拟效果较好；识别验证后化学场模型中，Ⅱ4采区溶质运移模拟效果较好，Ⅱ1采区模拟值偏低约14.4 mg/L，误差约为实际值的6.6%，低于10%，总体模拟效果较好。渗透系数相对较大的Ⅱ4采区和Ⅱ2采区Cl−较容易运移扩散；而渗透系数较小的Ⅱ1采区岩石致密，渗透性较差，模型运行50 a期间，其基本以“滞水”状态存在。基于注浆扰动下Ⅱ4采区局部渗流场演化特征，认为溶质运移主要受渗透系数、弥散度、水力梯度、渗透流速、注浆时间、浆液相对密度等参数控制，并发现在注浆结束后18～22 a Cl−质量浓度达到峰值，随后Cl−质量浓度开始降低，约在40 a后达到区域注浆之前的平衡状态。基于多次设参运行获得数据，建立了“双场”耦合作用下溶质扩散的预测模型，误差率小于10%的数据占比达81.4%，说明所建立的溶质扩散预测模型基本可靠。研究可为区域注浆扰动下受注目标含水层水环境演化研究以及煤矿水害预测预警提供科学依据，具有重要的理论和实践意义。

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煤炭科学技术

2023年第07期

195

88
采动诱发的含原生裂隙覆岩运移及涌（淋）水时空特征分析

作者(Author)：李杨杨, 朱慧聪, 张士川, 黄书翔, 李铭松, 张浩争, 王一同

摘要：陕西彬长矿区上覆巨厚、高承压、中～强富水性的洛河组含水层，且覆岩内裂隙发育，使导水通道更易沟通洛河组含水层和采场，导致采场内涌水量及面积增大。为对采动影响下原生裂隙沟通巨厚洛河组含水层及采动裂隙形成导水通道网络诱发涌水形态特征进行研究，基于覆岩涌水溃砂相似模拟物理试验系统开展固−流耦合相似材料模拟试验。研究结果表明：当工作面推进至140 m时，离层下位岩层受原生裂隙影响发生超前破断，破断点左侧残缺离层空间和右侧悬臂梁支撑形成的三角形空间贯通形成“Z”形离层空间；工作面推进至160 m时，覆岩中发育2个“Z”形离层空间，且均与原生裂隙、采动裂隙互相贯通形成导水通道网络；采场涌（淋）水形态发生“滴水−滴流−流水−多元态”的转变，整体涌（淋）水量呈现先增大后减小的趋势；采场顶板覆岩水压与工作面推进距离呈现先减小后增大的分段式演化特征，最小值区间及分段拐点出现位置均随监测点与开切眼距离的增大而延后，采空区中心区域附近最终水压值大于2个边界监测点。分析结果表明：原生裂隙的存在促进了导水裂隙通道网络的发育，进而加快了水运移进程，诱导采场涌（淋）水现象的形成和发展。研究结果阐明了原生裂隙对覆岩运移破断发育导水通道网络展布特征及采场涌（淋）水形态演化规律的影响方式，解释了巨厚、高承压含水层水向采场涌突的导通机制。

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煤炭科学技术

2023年第07期

163

90
基于等厚度水泥土帷幕的斜井井筒水治理技术研究

作者(Author)：杨志斌, 石银斌, 王海, 李文平, 吕文波, 雷占

摘要：为解决我国西部地区松散层和浅部风化基岩层含水丰富导致的斜井井筒过富水松散层段在井筒施工缝、混凝土接茬、井壁裂缝位置发生渗漏、恶化井下作业环境、降低作业效率、增大井下排水负担和费用、影响煤矿的安全生产的问题，从保护地下水资源和井筒安全运营的角度出发，分析了煤矿斜井井筒渗漏水特征和现有的疏排水、壁后注浆、旋喷桩、帷幕注浆等治理措施，研究了斜井井筒渗漏水层位等厚度水泥土帷幕原理和结构、参数选择依据、帷幕构筑方法，测试分析了地层条件、综合含水率、水泥掺量等因素对水泥土帷幕性能影响，并进行了现场示范应用。研究结果表明：煤矿斜井井筒渗漏水位置大多发生在底板、腰墙和二者接缝处，涌水量数十至数百立方米每小时，有的甚至发生涌水携砂情况，危及井筒安全；等厚度水泥土帷幕通过横向切削、回撤切削搅拌、喷浆搅拌成墙3个步骤将混合均匀的地层材料与水泥浆液在煤矿斜井井筒外侧地层中形成上下厚度均匀、接头数量少、截水率高的等厚度水泥土墙体，有效阻隔斜井井筒与外侧松散层、风化基岩之间的水力联系；等厚度水泥土帷幕的强度与水泥掺量正相关，渗透系数与水泥掺量负相关，黏土地层的水泥土帷幕性能弱于黄土、细砂等地层；示范应用现场的帷幕原状心样抗压强度8.62 MPa，渗透系数2.69×10−8 cm/s，井筒涌水量由16.8 m3/h降至1.6 m3/h左右，较治理前减少90.5%，取得良好应用效果。此方法可解决我国西部富水松散层斜井井筒渗漏水问题，保障斜井井筒安全运营，保护矿山地下水资源。

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煤炭科学技术

2023年第07期

234

98
矿山采掘岩体渗透变形灾变机理及防控Ⅲ：防水闸墙围岩

作者(Author)：隋旺华

摘要：分析了我国矿山防水闸墙（门）发生的渗漏失稳典型案例，划分了渗透失稳类型；综述了防水闸墙围岩渗透失稳判据，推荐了防水闸墙围岩抗渗临界水力坡度的表达式；探讨了需进一步研究的关键科学技术问题。研究表明：防水闸墙渗透失稳可以分为3类，即水压致围岩裂隙和界面渗透失稳、水压致防水闸墙围岩变形破坏失稳、水浸泡致围岩劣化失稳。针对考虑防水闸墙围岩渗流失稳的防水闸墙围岩渗透安全系数进行了参数敏感性分析，发现围岩的岩体完整性系数、导水通道贯穿系数是主要影响因素，在设计和施工中通过增强围岩岩体完整性以及降低围岩导水通道贯穿性是保障其抗渗稳定性的关键。初步建立了防水闸墙和围岩抗渗临界水力坡度的表达式，考虑了岩体完整性、围岩与墙体之间的黏结强度、断层破碎带、赋存的地应力和水压环境、围岩浸水劣化性能等主控因素。参数敏感性分析表明：主控因素均为高敏感性因素，关键参数是岩体遇水浸泡损伤因子和导水通道贯穿系数。因此在确定抗渗临界水力坡度时要着重查明围岩的水理性质、结构面强度和水压等重要的基础资料。防水闸墙围岩组合体多场耦合条件下渗流场演变机理、防水闸墙−围岩交界面及围岩结构面渗流失稳机理及判据是亟待解决的2个关键科学问题。下一步应主要研究防水闸墙−围岩组合体地质模型及其赋存的地质环境演化、高压防水闸墙−围岩组合体渗透机理及失稳判据、全寿命周期安全性及稳定控制方法等。

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煤炭科学技术

2023年第07期

160

79
基岩风化带性质对顶板突水溃砂的影响研究--以赵固一矿为例

作者(Author)：许延春, 马子民, 李小二, 苗葳, 张二蒙, 姜文浩, 卓运亮, 田雨果

摘要：基于赵固一矿上覆巨厚冲积层多含水层（组）薄基岩的特点，冲积层下部砂砾含水层水压达到4.0 MPa，为高水压含水层。为确定基岩性质对顶板突水溃砂的影响，保证多含水层（组）薄基岩区的正常回采，对水文勘察孔所取基岩岩样进行点荷载、干燥饱和吸水率和室内崩解试验，通过分析岩样各项试验指标随深度的变化曲线，确定基岩性质及其对留设防砂煤柱的影响。试验表明：基岩风化深度超过20 m；距离冲积层底界面0～6.5 m垂深范围内的泥类岩干燥饱和吸水率大于15%，遇水崩解多呈泥状、碎岩片和碎块泥，隔水性能良好，可以有效弥合采动裂缝，可以作为防水煤柱的保护层；冲积层底界面下部0～11.4 m的风化泥岩强度低于4.0 MPa的冲积层下部细砾含水层水压力，防砂煤柱的保护层不能全部由风化泥岩构成，提出防砂煤柱保护层厚度需要大于11.4 m；砂岩耐崩解性强，干燥饱和吸水率远小于泥类岩，阻隔水性能较差，防水煤柱保护层不可以全部由风化砂岩构成。风化砂岩强度大于4.0 MPa的冲积层下部砂砾含水层水压，可以有效抵御上覆水头压力。

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煤炭科学技术

2023年第07期

170

106

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