摘要：华北型煤田深部开采过程中受底板水害威胁愈发严重,水平孔注浆技术是治理此类水害的主要手段,其中浆液扩散规律的研究对注浆工程设计与施工具有重要意义。现有研究主要针对垂直孔注浆水平裂隙中浆液的扩散问题,当工程中采用水平孔注浆时浆液的扩散规律异于垂直孔。为此开展裂隙岩体水平孔注浆浆液扩散规律研究,将裂隙岩体中的孔裂隙系统等效为开度相同的裂隙,构建了等效裂隙岩体模型。选取等效单裂隙建立了水平孔注浆浆液扩散力学模型,推导了任意倾角的等效单裂隙在考虑浆液自重时浆液扩散区内的压力时空分布方程,进而得到注浆压力与注浆时间及扩散距离的理论关系式。结果表明:采用COMSOL建立水平孔注浆垂直裂隙三维数值计算模型,分别对考虑重力和未考虑重力的2种工况进行计算分析,未考虑重力时浆液的扩散形态呈轴对称圆形扩散,考虑重力时浆液优先沿着重力方向进行扩散。在重力的影响下,浆液扩散过程中地下水对浆液分散与搬运作用更为强烈。重力对水平孔注浆浆液扩散形态、扩散距离及注浆终压影响较大,水平孔注浆工程中不能忽视重力对浆液扩散规律的影响。通过对比理论分析与数值计算结果,两者得到的注浆压力与注浆时间、注浆终压与扩散距离的变化趋势基本一致,理论与数值计算结果的误差控制在10%左右,进一步验证了所建立的水平孔注浆浆液扩散力学模型的正确性。研究成果能够为水平孔注浆工程中注浆终压、注浆方式及扩散距离的设计提供科学依据。

摘要：华北型煤田下组煤资源受奥陶系中统厚层灰岩或太原组薄层灰岩等承压含水层突水威胁严重,现阶段利用水平定向钻对含水层进行超前区域注浆改造是消除底板突水威胁、解放煤炭资源的重要手段。但由于底板岩溶裂隙含水层水平注浆孔浆液扩散规律不清,注浆设计和工程实践中的关键注浆参数确定缺少理论依据,无法有效把控注浆过程、保证注浆效果,因此综合采用室内试验、理论推导、数值分析、对比验证和数值模拟等手段研究构建了倾斜裂隙水平注浆孔牛顿流体和黏时变性流体浆液扩散模型,通过模型试验和数值模拟计算进行了对比验证,计算分析了不同因素下倾斜裂隙浆液扩散迹线和扩散距离变化规律。研究结果:理论计算得到的浆液扩散形态和倾角的影响特征与倾斜裂隙浆液扩散物理模型试验结果和数值模拟计算结果具有一致性;岩溶含水层单裂隙中不同注浆压力、裂隙倾角(不包括0°)、裂隙开度和浆液水灰比下中浆液扩散形态为沿中心垂线对称的近似椭圆形态,上方裂隙中部迹线呈现微凹特征分布,浆液扩散距离最大值和最小值分别出现在方位角180°和0°位置。下方裂隙浆液扩散迹线范围的增加幅度大于上方裂隙;浆液扩散迹线范围在下方裂隙和上方裂隙中随裂隙倾角增加分别增大和减小;相同条件下,水平注浆孔上方裂隙中的浆液扩散距离大于下方裂隙中的,且在宽张裂隙尺度下差距呈现倍数增加特征。

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。

摘要：针对煤层顶板承压含水层涌水模式不清的问题,从煤层回采过程中顶板含水层涌水的时空变化特征入手,提出顶板含水层涌水量由静态储存量和动态补给量构成,认为静态储存量主要受来压步距、顶板垮落和导水裂隙(合称冒裂)影响区含水层厚度、含水层给水度控制,动态补给量主要受冒裂影响区外围含水层厚度、渗透性流场中水力梯度和过水断面面积控制;根据导水裂隙波及含水层情况,将顶板含水层涌水模式划分为井底进水的触及井涌水、井壁及井底进水的非完整井涌水和井壁进水的完整井涌水3种模式,并基于地下水渗流理论给出不同涌水模式下动态补给水量计算公式;针对以往疏放水钻孔数量多及疏放水量大的问题,以实现工作面顶板含水层静态储存量疏放后动态补给量可控为目的,提出冒裂区高度控制钻孔深度、单孔水位影响半径控制钻孔布置间距、钻孔疏放水量稳定时间控制超前疏放时间的疏放水钻孔优化设计理念,对疏放水及疏放钻孔布置进行优化,形成系统的顶板含水层水疏放体系。研究结果丰富了煤层顶板含水层涌水量计算和控制方法,对顶板水害防控具有实际的指导意义。

摘要：煤矿水害严重制约煤炭资源安全高效开发。针对我国煤矿开采面临的典型顶板、底板和老空水害问题,现阶段矿井水害防治主要开展水害危险性评价、涌水量预测、水害监测预警及水害探查与治理等工作,智能化程度不高。为了解决煤矿企业现场水害防治不同阶段研究与决策的智能化需求,通过将煤矿水害防治与“大数据”“数字化矿山”“互联网+”“云服务平台”等新理念、新技术进行融合,设计开发了基于多源数据融合的矿井水害防控远程服务云平台,实现水文地质信息管理、水害风险分析评价、水害防治方案设计、水害监测数据分析与智能预警、水灾事故辅助决策以及随时随地多部门多端协同,构建形成“互联网+水害防治智慧服务”新模式。矿井水害防控远程服务云平台实现了煤矿水害防治方案的科学、快速、精准制定,提高了矿井水害防治技术工作管理水平,为煤矿安全高效开采提供可靠的技术平台支撑。

摘要：为了对陷落柱突水机理及防治技术研究提供实验技术支撑,开发出陷落柱突水三维大型模拟实验系统.通过力学实验和渗透性实验,配制出具有低强度和低渗透隔水层的相似材料,根据实验对象外形尺寸及受力情况,研制出与三维大型模拟实验配套的水压、围压、轴压控制系统和应力传感器.利用水溶性材料,设计出一种在三维密封条件下模拟巷道掘进及工作面回采的有效方法.结果表明：隔水层相似材料合理骨胶质量比为8∶1,胶结剂质量比为6∶1,水溶性材料合理配比为第3组,压力控制系统可提供压力范围为0.002~2.00MPa.以骆驼山煤矿陷落柱突水过程为模拟对象,验证了实验系统的可靠性.

摘要：我国蒙陕接壤深部矿区主采煤层赋存地质与水文地质特征较之浅部矿区差异较大。文章通过系统分析呼吉尔特、台格庙、新街等蒙陕深部矿区主采煤层地质、水文地质特征以及采动导水裂隙等相关研究成果,总结出巨厚白垩系孔隙−裂隙含水层作为矿区保水目标层,在侏罗系安定组砂质泥岩弱隔水关键层间隔保护下,在煤层开采驱动下易形成典型的间接涌(失)水模式。并以研究区案例矿井为分析对象,数值模拟深部煤层开采过程中地下水流场变化规律。结果显示,煤层回采扰动下地下水流场以采掘空间为中心形成降落漏斗,并随着回采进尺的增加,降落漏斗影响范围与工作面总涌水量均增加,上部白垩系含水层越流失水量增加幅度小于总涌水量增加幅度,模拟结果与案例实测结果基本一致。最后,针对深部煤炭资源开采与研究区水源地保护“煤−水矛盾”问题,以保护白垩系含水层地下水水位为目标,提出以白垩系为回灌层、安定组顶部为终孔层位、注水井尽量远离煤矿区为基本原则的白垩系含水层地下水水位钻孔注水帷幕保护思路。并模拟分析案例矿井在正常开采与注水帷幕墙体建设条件下白垩系含水层地下水流场的变化规律,结果显示“钻孔注水帷幕”在低渗透性含水层水位保护具有较好的可行性,对于深部矿区煤层开采顶板水资源保护具有借鉴意义。

摘要：神府矿区是我国重要的煤炭生产基地和典型的高强度开采矿区,同时也是我国典型的干旱半干旱生态环境脆弱区,烧变岩水是区内的主要地下水资源之一。为研究区内烧变岩水对采煤的影响和烧变岩水的保护问题,以张家峁井田首采区首采地段5^(-2)煤开采为例,通过对水文地质结构系统和5^(-2)煤顶板导水裂隙带的分析,查明了研究区的水资源类型和特征,确立了5^(-2)煤保水开采对象,划分了5^(-2)煤保水开采分区,提出了烧变岩注浆帷幕截流保水开采新技术。研究结果表明:研究区的水资源类型主要有6类,其中仅有4^(-2)煤烧变岩水具有保水开采意义,5^(-2)煤开采划分为4^(-2)煤烧变岩水无水开采区和保水限采区。5^(-2)煤保水限采区设计的帷幕墙空间形态、帷幕线位置及数量、注浆钻孔排间距及结构合理,制定的钻探和注浆施工工序和工艺科学,实施的双位双向引流注浆、烧变岩全断面分区注浆、防渗截流效果即时检验等注浆帷幕关键技术可行。保水限采区5^(-2)煤工作面采前上覆4^(-2)煤烧变岩水预疏放和采后工作面涌水量实测结果表明,保水限采区内4^(-2)煤烧变岩水静储量约20 000 m^3,动态补给量不足5 m^3/h,注浆帷幕截流实现了帷幕内外4^(-2)煤烧变岩水的有效隔离,大幅减少了4^(-2)煤烧变岩水及与其有直接水力联系的常家沟水库水的排放,水资源保护性开采效果显著。

摘要：在过水巷道中灌注骨料建造阻水墙是实现突水矿井水害治理的重要手段,阻水墙建造的关键技术问题长期以来缺乏理论技术支撑。从骨料灌注期间的水力学状态、堆积体的“生长-接顶”机制、截流施工参数、墙体受力特征、建造技术综合优化等方面进行了研究和探讨,结果表明:①截流过程可分为4个阶段,即骨料灌注前的施工准备阶段、铺底-充填阶段、骨料接顶阶段、注浆加固阶段,结合固液两相流数值模型验证了截流期间流量在时空上的动态分布效应。②灌注期间骨料运移受流场作用存在筛选效应,堆积形态与流速密切相关,当骨料灌注过程与流速总体匹配时堆积高度和长度可同步增长并向上游逆向接顶直至成功截流,如果水流流速过低则会提前接顶并在孔间留下空腔。③巷道倾角越大骨料向上山方向的起动流速越大,向下山方向越小,且下山中灌注时堆积长度更大、高度更低,不利于成本和工期的控制。④从能量守恒、渗流突破、浆液初凝时效3个角度提出了骨料堆积长度的估算方法,分析了不同预测方法的适用性,指出巷道倾角、分支巷、冲刷效应对骨料灌注量的影响。模拟得出5 MPa上游水压对阻水墙的最大应力影响范围不超过50 m,表明注浆加固重点区域是上游距来水端较近的范围。⑤提出施工前尽量避开不利因素,综合研判设计治水方案,截流过程中结合施工信息动态反馈对技术方案进行实时调整,以最小投入实现最佳堵水效果。

摘要：煤矿突水灾害抢险救援期间,保浆袋囊钻孔控制注浆可以解决常规过水巷道动水截流工程量大、工期长且易发生次生灾害等技术难题。为了进一步研究过水巷道动水快速截流机理并为抢险救援提供实验技术支撑,建立了过水巷道动水截流的水力学模型,结合对保浆袋囊控制注浆动水快速截流成功案例的分析,设计了过水巷道动水快速截流概念模型,开发了过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统。实验系统包括4个功能系统和6个设备系统,其中4个功能系统分别为保浆袋囊和浆液投注系统、动力供水供浆系统、初始条件和边界条件系统、监测系统,6个设备系统分别为大型巷道模拟实验舱、动水模拟系统、控制注浆系统、稳压稳流系统、安全分流系统、图像数据采集与处理系统。通过实验舱强度验算、稳压稳流系统监测实验和抛袋实验,结果表明实验系统能够形成恒定的动水压力和动水流量初始条件、动态变化的动水压差和流量衰减边界条件,满足动水快速截流堵水环境要求,可以用于5 m宽、4 m高、动水流量2000 m^3/h的过水巷道在不同矿井淹没水位、不同突水水源水位条件下的快速截流模拟实验,其中突水水源水位最高可达5 MPa。抛袋实验结果还表明保浆袋囊在未充满浆液的条件下提前脱落至巷道,单个保浆袋囊虽然未发生移动且能大幅减小巷道过水断面面积,但难以减小巷道突水水量,必须通过后期袋外补充注浆进一步封堵,才能实现动水快速截流成功,有待进一步深入研究。