《煤田地质与勘探》 “煤层底板水害防治技术——区域注浆改造”虚拟专题

来源：煤田地质与勘探

煤炭目前仍是我国能源安全的压舱石，主体地位不会改变。但矿井突水灾害对煤矿安全生产带来极大威胁，随着采掘活动逐步向深部延拓，底板水害成为部分矿区尤其是华北型煤田矿区的主要威胁，造成矿井灾害和重大损失，严重影响国民经济发展与职工人身安全。经过科研人员和生产技术工作者多年的探索和试验，底板水害防治技术不断突破，带压开采、常规注浆、区域治理等均成为底板水害防治的有效方法，尤其是近年来形成的区域注浆治理技术体系，更是为煤层底板灰岩重大水患治理提供了高效、精准、有效的“查治验”一体化成套技术。《煤田地质与勘探》刊发了一系列煤层底板水害防治技术——区域注浆改造的成果，特整理如下，供大家学习参考。

行业视野: 安全
类别; 40个
关键词; 33位
专家; 8篇
论文; 2566IP
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煤层底板区域注浆浆液扩散数值模拟及影响因素分析

作者(Author)：郭艳, 桂和荣, 魏久传, 洪荒, 郭祥东, 崔亚利, 叶爽, 李俊

摘要：地面高压超前区域注浆已成为煤矿水害防治的首选工程方法，注浆浆液扩散机理受到普遍关注，且分支孔间距设计多依赖现场经验，具有一定的盲目性，制约着工程效果及效益。基于淮北煤田恒源煤矿注浆现场实际工况，利用COMSOL Multiphysics软件，开展地面定向钻煤层底板区域高压注浆浆液扩散数值模拟研究及浆液扩散影响因素分析，探讨地面高压注浆浆液扩散机理。结果如下：(1) 煤层底板石炭系太原组第三薄层灰岩(简称三灰)裂隙发育，通过模拟发现，8~12 MPa高压注浆时很可能发生劈裂作用，期间渗透系数增大4~5个数量级。(2) 不考虑重力影响时，以分支孔为中心，浆液向周边扩散距离相等，且在分支孔附近，浆液浓度较大，体积分数达20%以上；考虑重力作用时，水平向浆液扩散范围相对增大，垂向上浆液主要向下扩散，表现为“上短下长”。(3) 浆液扩散模拟得出，扩散范围为41.2 m；浆液扩散范围现场实测显示，扩散范围为38.3~44.0 m，浆液扩散现场实测验证了扩散模型的正确性。(4) 浆液扩散范围与浆液相对密度、静水压力、浆液动力黏度、浆液屈服强度及孔隙率呈负相关，与裂隙隙宽、渗透系数呈正相关。其中浆液相对密度越小，其扩散范围响应越明显；随动力黏度增加，扩散范围减小得越来越慢。研究成果可为煤系底板水害区域注浆治理工程合理设计提供参考，具有较好的参考应用价值。

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煤田地质与勘探

2023年第06期

275

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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

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66
煤层底板水害超前区域治理理论框架与关键技术

作者(Author)：董书宁, 刘其声, 王皓, 郭小铭, 柳昭星, 郑士田, 南生辉, 刘建林, 赵兆, 石志远

摘要：随着我国华北型煤田浅部煤炭资源开采殆尽,深部煤炭资源受底板灰岩岩溶水害威胁严重,常规井下直孔注浆方式存在施工位置受限、钻遇含水层孔段短、注浆盲区大、目标位置不准确等问题。为此,提出了基于顺层定向钻孔进行注浆改造的超前区域治理技术,系统研究了顺层近水平注浆孔浆液运移规律、底板水害超前注浆模式、注浆参数控制工艺、隐伏导水通道超前判识探查与注浆效果检验与评价等。通过系统研究,构建煤层底板水害超前区域治理理论框架与技术体系,具体包括5方面内容:提出煤矿底板水害超前区域治理模式分类和选择准则,概化形成适用于我国华北型煤田地质及水文地质条件的底板含水层注浆改造模式;形成隐伏导水通道水平定向钻超前判识治理技术;建立超前区域治理关键注浆参数控制工艺体系;提出了注浆全过程的多指标定性、定量效果检验与评价技术。上述研究成果在煤层底板水害超前区域治理工程中成功应用,对底板水害超前区域治理起到重要的理论和技术支撑作用,为我国华北型煤田深部煤炭资源安全开采提供保障。

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煤田地质与勘探

2023年第01期

195

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煤层底板水害区域注浆治理影响因素分析与高效布孔方式

作者(Author)：虎维岳, 赵春虎, 吕汉江

摘要：对于导、含水岩层进行超前区域注浆改造与加固是华北型煤田煤层底板岩溶水害防治的主要技术手段。根据超前区域注浆改造技术应用的矿井水文地质基本原理，结合煤层底板水文地质结构、采动影响、定向钻进成孔与浆液扩散能力，以及受注岩层边界条件等因素，分析了治理煤层底板薄层灰岩与厚层灰岩水害的超前区域注浆改造与加固的一般应用模式。并从受注岩层地质条件、注浆材料、注浆工艺等方面，分析得出受注层的空隙连通性、开启性、粗糙性、孔隙水承压性，注浆材料的粒度、黏滞性、时变性、结石能力，以及注浆压力、钻孔空间布置、注浆方式等，是影响煤层底板岩溶水害超前区域注浆治理效果的主要因素。另外，依据注浆过程中有效注浆压力计算公式，分析得出浆液在钻孔和裂隙中流动时由于受到钻孔和岩层空隙综合阻力的抑制，水平孔中沿程有效注浆压力逐步衰减，易形成“锥形”浆液扩散范围。最后，针对目前常用的超前区域注浆孔水平段分支孔平行布孔模式，由于间距过大和有效注浆压力衰减可能造成的注浆孔间盲区问题，根据注浆孔水平段有效注浆压力与浆液扩散范围的衰减规律，以消除注浆盲区为目标，提出了长距离错位平行分支孔、长距离逆向互补弧形分支孔、短距离羽状分支孔等3类注浆孔高效布孔模式，可为煤层底板水害超前区域高效治理技术科学应用提供依据。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

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煤层底板水害区域超前治理技术优化及其应用

作者(Author)：郑士田, 马荷雯, 姬亚东

摘要：为了进一步提高煤层底板水害区域超前治理技术的治理效果，应优化注浆工艺，扩大技术的应用范围。总结淮北矿区区域底板超前治理工程实践表明，低压扩散和中压加固阶段压力控制对注浆总量起主要控制作用，进而直接影响灰岩含水层改造效果，推导的不同岩溶裂隙发育程度地层的注浆量预计公式，可以有效指导注浆工程设计。此外，提出了工作面区域内、外双(钻)孔组的水平布设方法，优化注浆工艺的同时，提高了钻孔利用率。针对注浆工程中注浆压力控制及浆液选取等关键技术问题，建立了研究区裂隙发育程度的多源信息判识方法和“微压充填—低压扩散—中压加固—高压劈裂”的“阶段型”注浆压力控制模型，细分了不同注浆阶段的注浆浆液类型，推导了注浆压力的分级阈值和设计公式，实现了注浆压力的分区段高效、精准控制，对煤矿底板水害超前区域治理技术的应用与推广具有重要意义。

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煤田地质与勘探

2021年第05期

403

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华北型煤田底板灰岩含水层超前区域治理模式与选择准则

作者(Author)：董书宁, 郭小铭, 刘其声, 王皓, 南生辉, 郑士田, 王宇航

摘要：为建立系统的超前区域水害探查治理技术体系，分析概括我国石炭–二叠纪煤田煤层赋存及水文地质条件，从水害治理工程的系统性出发，围绕我国煤层底板水害超前区域治理工程施工过程中钻孔施工条件、层位选取、钻进工艺3个主要因素，概化形成适用于我国华北型煤田地质及水文地质条件的底板含水层注浆改造模式。综合考虑煤层埋深、煤层底板承受水压、底板岩层结构组合等判识指标，确定了各类治理模式的选择准则；结合钻孔布设、注浆材料2项指标，进一步划分出超前区域治理亚类模式。以淮北矿区、韩城矿区2个典型超前区域治理工程实践为例，分析了各区域治理模式的选取原则及工程应用效果。研究成果对指导我国煤层底板含水层超前区域治理工程模式选择与底板注浆工程实施具有重要理论指导作用。

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煤田地质与勘探

2020年第04期

820

298
两淮煤田煤层底板灰岩水害区域超前探查治理技术

作者(Author)：郑士田

摘要：煤层底板灰岩水害区域超前探查治理技术是近几年刚刚兴起的一种灰岩水害防治新技术,具有探查治理时间超前、探查治理空间范围大、水害隐患整体消除效果好等特点。分析了两淮煤田煤层底板灰岩水害基本特征,研究了煤层底板不同类型灰岩水害区域超前探查治理的技术方法和工程工艺。提出针对淮北煤田煤层底板存在高压复合强富水薄层灰岩含水层水害威胁的矿井,应采用定向水平井钻探和"高密度低压充填+低密度高压劈裂式注浆"探查治理技术;针对淮南煤田煤层底板发育厚层非完整隔水层的矿井,应采用定向水平井钻探和低密度连续高压劈裂注浆探查治理技术,通过典型矿井的工程示范,取得了良好的水害治理效果。

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煤田地质与勘探

2018年第04期

299

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煤层底板超前注浆加固定向孔注浆工艺技术

作者(Author)：李长青, 方俊, 李泉新, 姜文浩, 张洪健

摘要：煤层底板突水是矿山建设与生产过程中的主要灾害之一。底板注浆加固技术是目前我国防治底板突水的重要措施和方法。利用定向孔进行煤层底板超前注浆加固,对注浆的层位与注浆材料选取、注浆工艺制定、注浆方法和浆液配置进行了系统研究;针对定向孔的特点对注浆效果检查与评价进行了完善,并通过赵固一矿11151工作面现场进行了验证。试验表明,所采取的注浆工艺技术很好的保障了注浆和钻进施工,注浆加固效果明显,实现了工作面超前区域注浆加固的目的。

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煤田地质与勘探

2014年第04期

258

349