西北矿区煤层顶板水害预测及防治技术研究*

针对西北矿区煤层顶板水害特点,提出了煤层顶板含水层富水性探查、煤层顶板水害预测、矿井涌水量预测及其水害防治技术体系,在分析以上方法优缺点的基础上,认为井上下联合探查、钻探与物探并用及“顶板钻探 孔内物探”的思路是顶板含水层富水性探查的方向,基于GIS的煤层顶板水害预测方法的应用是提高其预测准确性的途径之一。     

东胜—神府矿区煤层顶板水害预测及防治

针对东胜—神府矿区煤层顶板水害特点,提出了煤层顶板含水层富水性探查、煤层顶板水害预测、矿井涌水量预测及其水害防治技术体系,在分析以上方法优缺点的基础上,认为井上下联合探查、钻探与物探并用及“顶板钻探+孔内物探”的思路是顶板含水层富水性探查的方向,基于GIS的煤层顶板水害预测方法的应用是提高其预测准确性的途径之一。     

基于集对分析-可变模糊集耦合法的砂岩含水层富水性评价——以宁东矿区金家渠井田侏罗系直罗组含水层为例

我国西北地区的侏罗系煤炭资源开采过程中面临顶板水害威胁,其危害程度与煤层上覆地层的水文地质结构有关,对煤层顶板含水层富水性进行合理有效的预测评价,有利于对顶板水害防治做出科学的决策,从而实现安全开采。以宁东矿区金家渠煤矿为例,基于岩性,选取了砂岩等效厚度,砂岩岩性系数,砂泥互层数3个评价因素,建立了岩性影响指数评价指标;基于构造,针对断层、褶皱,选取了断层交端点密度、断层规模密度、煤层倾角变异系数3个指标作为主采煤层上覆直接充水含水层-直罗组砂岩含水层富水性的评价指标。在此基础上,引入集对分析-可变模糊集耦合评价方法,构建了基于集对分析-可变模糊集耦合评价法的直罗组含水层富水评价模型。利用"联系度"实现了富水评价指标与评价等级间的反映联系,利用"相对隶属度函数"实现了富水评价指标值之间的有机融合。在富水性相对分区的基础上,以研究区钻孔抽(放)水试验的单位涌水量为基准,综合确定了研究区富水性分区,结果表明,研究区整体富水性较弱,具有中等、弱2个等级分区,其中富水性中等区域主要位于研究区中北部,富水性弱区主要位于南部、东部及西部。     

榆横矿区富水煤层井巷开拓期间水害防治技术探讨

为了解决榆横矿区富水煤层井巷开拓期间水害治理难题,借鉴小纪汗、袁大滩、巴拉素等邻近矿井在相同煤系地层中采用地面钻孔疏水、井下超前钻孔降水、煤巷施工疏水等技术解决矿井水害防治问题进行了探索应用,对大海则煤矿以侏罗系中统延安组（J2y）为主富水煤系地层水文地质条件的分析,为大海则矿井以煤层为主含水层防治水技术应用提供了依据,取得了良好的安全经济效益。     

煤层为主含水层矿井水害防治技术研究

煤层为主含水层是一种特殊的地质条件,极易造成突水等水害事故。本文以小纪汗煤矿为例,在分析矿井水文地质条件和煤层富水特征的基础上,研究了煤层为主含水层的地质成因,并建立了矿井水害防治体系。研究表明:顶板砂岩遇水松散且裂隙易于封闭、煤体渗透率高、煤层裂隙发育以及丰富的裂隙水补给是煤层为主含水层的主要地质成因;建立了煤层揭露时"地面疏水,井下排水,注浆封堵"结合、巷道掘进时"拉顶泄压,水仓集水,集中排放"和工作面回采时"提前排水,矿压控制"的综合水害防治技术体系。研究成果在小纪汗煤矿11203工作面进行了工程应用,应用效果良好。     

侏罗纪煤田煤层底板砂岩水害特征与防治技术

为了查明侏罗纪煤田煤层底板砂岩水文地质条件进而避免水害事故的发生,通过抽水试验和放水试验,计算单位涌水量和渗透系数最大值分别为1.070 9 L/(s·m)和2.060 3 m/d,含水层富水性和渗透性较好;底板砂岩含水层在大流量长时间放水条件下具有一定的可疏性;通过水化学分析和三维荧光光谱分析可以有效区分井田内各含水层地下水水质;结合典型水害案例,揭示了底板砂岩水害的形成机理并总结其特征,提出底板砂岩含水层的防治技术。结果表明:侏罗纪煤田底板砂岩含水层水文地质条件较以往认识复杂,部分区域含水层富水性和渗透性强。煤层底板砂岩含水层对下组煤的采掘活动威胁较大,可通过注浆堵水或者疏水降压来对底板砂岩水害进行治理和防控。     

复杂水文地质条件下工作面开采的水害防治

240805面是四采区8煤首采工作面,由于该采区8煤层顶板砂岩局部富水性相对较强,8煤顶板砂岩水将威胁该面的安全回采。通过对240805面地质、水文地质条件进行分析,提出工作面回采的水害防治措施。     

弱胶结顶板复合水害防治技术研究及应用

西部侏罗系煤田顶板岩层受沉积条件的影响表现出明显的弱胶结特征,针对宁东煤田银星一号煤矿存在的弱胶结顶板复合水害问题,在梳理矿井水文地质条件的基础上,分析了矿井的主要充水水源,研究了顶板岩层的弱胶结特征及水害类型,提出了针对性的水害防治技术并进行了成功应用。结果表明,顶板弱胶结覆岩在地下水渗流作用下砂泥化是造成矿井水害防治工作困难的主要影响因素,采掘期间面临地表水、松散层与风氧化带水、砂岩孔隙裂隙含水层水、采空区积水、断层水以及可能的离层水等复合水害的威胁,结合水害特点及防治重点提出的综合运用“探、防、疏、监”等措施进行单种或多种手段相结合的治水方式对于弱胶结顶板复合水害治理是可行的。     

煤矿顶板基岩富水性综合探测及分析

煤矿顶板水害的探测与治理对于保障矿井的安全生产和经济效益、保护生态环境具有重要意义。为此,有必要在采煤工作面回采前,探明顶板含水情况。以郭家湾煤矿51109工作面为例,基于顶板上方的综合物探结果,结合钻孔、水文地质资料及采掘资料综合分析,探测出工作面顶板上方0～100 m富水异常区域范围。通过综合分析可得,1号、2号和3号异常区主要为5-1号煤层顶板裂隙承压砂岩含水层、4-3号煤层顶板裂隙承压砂岩含水层及第四系全新统冲洪积层孔隙含水层相对富水所致。多种手段联合解释结果准确可靠,可为回采工作面防治水提供重要指导。     

榆横南区煤层顶板富水性探查研究及治理评价

煤层顶板水害严重威胁着陕北地区诸多煤矿的安全生产。以榆横南区魏墙煤矿为例进行顶板富水性探查研究,根据矿井及工作面水文地质条件分析,确定其充水水源为侏罗系延安组—直罗组砂岩裂隙含水层水,充水通道为导水裂缝带。结合物探工程和钻探工程,对煤层顶板进行探查,有效疏放顶板水约20 000 m~3,同时对顶板水进行水质特征分析,判断其水质类型为SO4-Na型。根据物探、钻探成果及水质特征分析结果,确定该矿1301工作面顶板富水区域以静储量为主,动储量补给有限,通过钻孔疏放,顶板水对工作面安全生产影响较小,可以进行正常回采。     

冲积层下煤层顶板水害探测与防治技术研究

冲积层底部含水性严重威胁冲积层下采煤的水害防治安全,在煤层开采前及开采过程中都需要采取相应的防治水措施以杜绝重大水害事故的发生。因此,为保障厚冲积层煤层放顶煤安全、高效开采,文章开展基于并行电法的冲积层下煤层顶板水害探测与防治技术研究,通过数值模拟及现场实测得到顶板局部富水所引起的响应特征。结果表明,对水体高度敏感的并行电法能够精准、高效地识别顶板富水状态,基于此可进一步提出相应的水害防治措施,进而为冲积层下采煤工作面防治水工作提供关键指导依据。     

金庄煤矿侏罗系底砾岩富水规律及突水机理

山东滕南煤田侏罗系上统底砾岩含水层充水空间发育较好,而3下煤层顶板砂岩含水层自身富水性较弱,但因受侏罗系底砾岩含水层的直接补给,对3下煤层的开采仍具有较大的威胁性,曾多次发生突水事故。通过对金庄煤矿侏罗系底砾岩富水性的分析,逐步认识矿井的底砾岩富水规律,从而揭示其突水机理,为该地区类似矿井防控底砾岩水害事故提供借鉴,保证矿井的安全生产。     

侏罗纪浅埋煤层开采典型水害模式及分区

陕北煤炭基地侏罗纪浅部煤层开采面临多种水害威胁,传统煤矿水害危险性评价工作未充分结合研究区典型水害特点,在生产实际中的适用性不强。以红柳林煤矿3~(-1)煤层为研究对象,系统分析煤层开采面临的典型水害特征,计算煤层开采的导水断裂带发育高度,并绘制导水裂隙带发育高度等值线图,利用主要含水层(体)与导水断裂带之间的相对距离关系,提出基于煤矿充水含水层(体)特征的水害模式划分方法,并在研究区内针对不同水害模式进行分区。结果表明:按照区域内充水含水层(体)的不同,研究区水害类型可划分为单一含水层水害模式和复合含水层水害模式和古直罗河水害模式3种主要水害模式;按照充水水源不同,单一含水层水害模式可划分为顶板烧变岩水害型、顶板风化基岩水害型;复合含水层水害模式可分为顶板烧变岩直接-松散层间接水害型、顶板风化基岩直接-松散层直接水害型、顶板烧变岩直接-松散层直接水害型以及顶板风化基岩直接-松散层间接水害型;单一含水层水害模式主要分布于导水断裂带波及顶板风化基岩含水层及开采煤层上方存在隐伏烧变岩含水层区域;复合型含水层水害模式分布于导水断裂带突破风化基岩含水层,直接或间接波及松散层含水层区域;古直罗河水害模式分布于古直罗河及古河流阶地发育之处;对不同水害模式下突水风险性进行分析,烧变岩水害型一般不对煤层开采构成较大威胁,突水风险性较小;顶板风化基岩水害型、顶板复合水害模式及古直罗河水害模式在部分区域为强富水性,且可能通过导水断裂带进入井下,均存在一定突水风险。     

多因素复合分析法对直罗组砂岩富水性研究

针对陕北侏罗系煤田顶板直罗组砂岩水害难以防治的问题,以柠条塔井田顶板突水为例,分析了砂岩含水层厚度、砂泥岩组合及风化砂岩层3个因素对直罗组砂岩含水层富水性的影响程度;基于多因素复合分析法,确定了直罗组岩性结构指数、砂泥比系数、砂岩风化率3个指标对砂岩含水层富水性的权重及直罗组砂岩富水性等级范围划分。研究结果表明,岩性结构指数能很好地反映砂岩含水层的孔隙度、渗透性及粒度对富水性的影响;应用多因素复合分析方法确定了3个影响因素的权重系数分别为0.3、0.3、0.4,并根据权重结果将其富水性分区划分为强、中、弱3个等级,其中综合指数为0~1.6为弱富水区、1.6~2.3为中等富水区、2.3~3.0为强富水区,强富水性区域主要位于井田南部、中西部及东北部的局部,富水性中等的区域主要分布于井田中部及北部的大部分区域,井田的南北翼各存在一个相对较弱的富水区。分区预测结果与矿井实际顶板突水区域具有较好的一致性,为陕北侏罗系煤田顶板水害防治提供了一种有效预测途径。     

煤矿井下疏水钻孔涌水时空效应与顶板水害控制疏水模式

针对粗放式疏水治理煤矿顶板水害科学依据不足等问题,一是通过分析井下疏水钻孔的涌水组成及时变效应,提出以钻孔涌水似稳定周期为依据的优化“时间”控制疏水原理。二是根据工作面回采过程中煤层顶板充水含水层为静储水量与动态补给量的叠加涌水特征,提出最大程度地预先疏降(干)导水裂隙影响区内地下水静储量,是降低回采过程中顶板集中涌水的合理手段。三是以采动导水裂隙空间发育规律为依据,以采动导水裂隙带上限为疏水钻孔的终孔层位,以预测的采动裂隙带形成的裂缝角为疏水钻孔仰角,合理施工疏水钻孔。四是综合钻探工程经济性和疏水效率,分析得出单钻场内布置≤3个钻孔、夹角为60°的为优化的布孔施工模式,并根据不同接续回采工作面煤层顶板涌水特征,确定首采型两巷疏水、邻采型单巷疏水的钻孔施工模式。最后,根据煤矿井下疏水钻孔涌水时空效应,从疏水钻孔空间布置和疏水周期识别两个角度提出了采煤工作面顶板水害控制疏水模式,研究成果对我国西部矿区顶板水害科学钻探疏放治理具有指导意义。     

基于层次分析法的煤层顶板砂岩富水性分析

顶板砂岩富水性分析是顶板砂岩突水机理研究与危险性评价的基础。以君安煤矿8#煤层823工作面为研究背景,在研究砂岩含水层水文地质条件的基础上,基于层次分析的多元信息拟合方法,对砂岩富水性进行分析与定量评价。研究表明,顶板砂岩富水性主要受到砂岩厚度、砂泥比、富水异常区与构造发育程度等因素的影响;富水性综合评价值为0.43,823工作面顶板砂岩富水性较弱,突水可能性较小。     

再论煤层顶板涌(突)水危险性预测评价的“三图-双预测法”

针对煤层直接顶板隔水层缺失或沉积较薄、且上覆充水含水层富水性较弱条件下的顶板水害评价预测,在“三图-双预测法”理论与方法指导下,分别从顶板冒裂程度和含水层富水性强度2个方面入手再次讨论了顶板含水层涌(突)水危险性评价方法。顶板冒裂程度以导水裂缝带扰动破坏上覆含水层距离作为评价指标;含水层富水性评价方法则进一步提升,以富水性指数法为依托,一方面充分挖掘地质和水文地质勘查数据中与含水层富水性相关的信息,包括渗透系数、砂岩厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率和脆塑性岩厚度比等,并将其作为主控地质因素,另一方面将数量有限的单位涌水量作为含水层富水性的实测指标对富水性指数法的评价结果进行校正,解决了在水文地质勘查程度较低情况下含水层富水性合理准确评价与分区难题。在此基础上运用Visual Modflow的DRN边界子模块对天然状态下和采取防治水措施状态下工作面的涌水量进行了动态预测。最后以台格庙矿区为例,说明了特殊水文地质结构条件下煤层顶板涌(突)水危险性评价和涌水量预测方法的具体实施步骤。     

加强矿井水害治理 实现矿井安全生产

七矿二水平水文地质条件复杂，采掘工程受煤层底板岩溶水及顶板砂岩裂隙水威胁严重。1984年以来，局、矿各级领导十分重视七矿的水害治理工作，从各方面给予大力支持，把治理水害作为矿井安全的大事来抓。认真组织了矿井水害治理攻关。全面系统地收集、整理、归纳、综合分析研究了七矿地质、水文地质等历史资料。     

煤层露头区域薄基岩工作面顶板水害治理方案

基于对煤层露头薄基岩区域水文地质条件与上覆含水层、隔水层物理力学性质分析基础上,确定该区域煤层顶板含水层富水性的判据。以河南能源集团赵固二矿煤层露头区域薄基岩工作面为背景,通过针对煤层顶板含水层不同的富水性合理留设防隔水煤(岩)柱,并与施工井下顶板探放水钻孔相结合的治理方案,综合治理矿井顶板水害。结果表明,该方案成功治理露头薄基岩区域顶板水害,消除矿井溃水溃砂威胁。     

深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术

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。