煤矿(床)水文地质学研究的重要进展

煤矿(床)水文地质学研究的重要进展

采矿业的水文地质学是人类在发展煤矿和继续发展地下水等方面形成的，这与可持续和可持续经济发展密切相关。做好矿井水文地质工作,努力实现煤炭工业的安全发展是我国国民经济和社会发展的重要保证。煤炭是我国的主要能源,在一次性能源结构中所占的比例达70%以上,为了实现煤炭工业的可持续发展,煤矿(床)水文地质学对煤矿安全生产的指导作用日益凸显,系统地总结煤矿(床)水文地质学的研究现状并对其未来发展前景做出展望,对于发挥本学科在煤矿安全生产中的指导作用具有重大意义。1增加采煤成本,降低矿井气藏损失矿坑涌(突)水是矿产资源开发过程中的一种常见现象,轻则影响生产、增加采煤成本,重则淹没矿井并造成人身伤亡事故和重大财产损失。掌握煤矿(床)水文地质规律,对矿区地下水进行综合调控是煤矿(床)水文地质学的基本任务,近年来,围绕着这一任务,取得了如下主要研究进展。1.1保水开采技术保水采煤是针对陕北侏罗纪煤田开发过程中第四系萨拉乌苏组地下水向矿井充水及生态环境不断恶化的问题提出来的1.2奥陶纪-石炭-二叠纪地层与含煤地层充填的成岩改造华北型煤田是我国主要的煤炭生产基地,石炭-二叠系含煤地层直接不整合于奥陶纪灰岩之上,属典型的岩溶充水煤矿床,水文地质条件十分复杂1.3煤系地质环境地质过程地质联合机理研究自从1984年6月2日开滦范各庄2171工作面发生岩溶陷落柱特大突水事故以来,陷落柱对煤矿安全生产的危害已经引起广泛关注。陷落柱成因、分布规律、导水性等问题的研究成为热点和难点问题。近年来,针对华北型煤田特殊的水文地质环境,我国学者从围岩结构力学、岩体水力学条件等方面对陷落柱的导水、阻水机理进行了系统地研究。从陷落柱发育的控制因素出发,建立了岩溶陷落柱预测的指标体系,根据某一研究区揭露岩溶陷落柱的基础信息,应用多因素、多层次模糊综合评判和人工神经网络预测模型,推断岩溶陷落柱发育的可能位置、形状及长轴方向等,并开发了预测信息系统,取得了重要的研究成果采用止水塞技术切断奥灰水的补给通道是根治导水陷落柱的有效途径,已成功地应用于皖北任楼矿、邢台东庞矿特大陷落柱治理工程中1.4煤层底板含水层注浆改造实践煤层底板含水层改造技术是解决底板突水威胁的有效途径之一,它能够消除煤矿重大突水隐患,实现矿井安全生产。目前,已成功地应用于肥城、焦作、邢台、峰峰、永城等大水矿区,并且取得了明显的经济效益和社会效益。1984年,煤层底板含水层注浆改造技术首先应用于山东肥城矿务局下辖各矿,经过20多年的工程实践,已经积累了一些成功的经验。2002年12月27日,肥城矿务局国家庄煤矿8101工作面进行底板含水层改造后,回采过程中仍然发生突水,最大突水量16540ma.按照岩性及构造条件,将煤层底板岩体结构划分为8类29型,针对不同的岩体结构类型,在注浆参数、注浆工艺的选择上各有不同;b.单孔单点浆液扩散范围为扁平狭长半椭球体,扩散半径由小到大按照如下方向变化:y(平面垂直裂隙方向)半径<x(平面沿裂隙方向)半径≤z(垂向)半径,即浆液沿纵深裂隙以垂直扩散为主,沿顺层水平扩散为辅,被称为煤层底板垂直改造观;c.新型注浆材料的研发和注浆材料配比优化:以40%掺量的水泥、粉煤灰为基材,加入极少量的三乙醇胺、CaCld.可靠性保障技术措施:包括3个原则和1个过程,即唯象原则(补孔和评价唯象原则)、砂岩裂隙带注浆原则、注浆结束原则以及注浆动态反馈-控制过程。2规模出口能力近年来,我国煤炭工业一直处于持续发展的良好态势,在满足国内日益增加的消费需求的基础上,形成了具有一定规模的出口能力。伴随着煤炭工业的长足发展,煤矿防治水工作中也面临一些新问题,需要在实践中很好的加以解决。2.1由于老空水区引起的事故灾难已尽快解决2005年8月7日,广东兴宁大兴煤矿发生一起特别重大老空透水事故,造成121人死亡2.2非定点探测的应用由于陷落柱水平投影面积相对较小且内部充填物具有似层状结构,电性、密度与围岩的差异不大,难以识别。因此,对陷落柱的地球物理探测尚没有有效的方法,全国尚没有陷落柱非定点探测成功的例子。对于没有直接裸露地表的岩溶陷落柱,在煤炭资源地质勘探阶段难以用钻探手段查明,往往等到煤层开拓和开采时才会发现,如河北邢台东庞矿2903工作面导水陷落柱。至于隐伏于煤层底板以下的陷落柱,即使在煤层开采时,甚至发生了突水,也不易发现。因此,在有岩溶陷落柱存在的矿区采煤时,必须事先采用多种手段尽可能地查明岩溶陷落柱的分布情况。2.3煤矿安全生产阶段和闭坑阶段地下水环境自然过程煤炭资源开发的阶段性特点十分明显,从资源勘探、矿井基建、煤矿生产到闭坑关井的不同阶段始终都要把对煤矿(床)水文地质条件变化的研究放到首位。勘探阶段水文地质条件研究主要是回答煤炭资源开发的技术经济可行性问题;基建和生产阶段矿井水文地质条件的研究直接服务于煤矿安全生产;闭坑阶段水文地质条件的研究则是出于对相邻矿井影响和矿区水环境污染方面考虑。可以看出,矿床开采引起的地下水动态变化是其基本研究内容之一。因此,应当结合煤矿开采阶段性特点,对矿床水文地质类型、矿井涌水量、矿坑充水特点等一系列问题进行跟踪研究,掌握矿坑充水条件随矿床开采的变化规律,并开展必要的调查回访工作,对矿井充水影响因素、矿井涌水量计算中边界条件的确定、水文地质参数的合理性等问题进行深入探讨,进一步指导延伸矿井和新建矿井的水文地质工作。2.4煤窑开采防治矿井水患的对策建议煤矿防治水工作是一项极其复杂的系统工程,断层、褶曲、隐伏导水裂隙带、陷落柱等地质异常体的存在,使得对矿井水文地质条件的准确评价变得十分困难,加之采掘工程矿压作用、小煤窑无序开发使该问题更加复杂。因此,采用井上、下相结合的立体勘探模式,从“宏观”到“微观”,从矿区到采区,从采区到工作面,做好危险源辨识工作是预防煤矿水害发生的首要任务。目前,安全高效煤矿生产对矿井水患评价及治理提出了实时化的更高要求,迫切需要建立矿井水文地质技术保障体系,适时地评价水患对矿井生产的威胁程度。因此,应该利用反馈—控制原理合理调整开采方案和开采布局,减少由于采矿活动对灾害源的扰动作用,同时,在采掘工程很难避免与灾害水源相遇时,提前采取工程应对措施,消除或减轻其危害。3中国煤矿地质经济的战略思考3.1学科对煤矿安全生产的指导思想的确定煤矿(床)水文地质学是安全工程专业的基础理论学科,是做好煤矿防治水工作的技术依据,它以水文地质学为基础,融合技术、工程学科为一体的应用性学科,能够为矿井防治水安全提供一定的保障能力。因此,发展我国煤矿(床)水文地质学的指导思想应确定为:以水文地质学和地球信息探测技术为基本架构,以计算机科学、数理力学为基本手段,集水患探测、预测、监测、治理技术于一体,建立针对我国主要矿井水害类型的煤矿防治水理论、技术和方法体系,形成对煤矿安全生产具有一定保障能力的应用技术平台,促进煤炭工业安全和可持续发展。煤矿(床)水文地质学属软科学范畴,肩负着矿井水文地质条件研究的基本任务,它以解决煤矿生产中遇到的水文地质问题为已任。矿井突水是学术界公认的31种地质灾害之一3.2“三高”问题下的突水机理近年来,深部和下组煤煤炭资源开发是东部工业区煤炭主产地的战略重点,高地应力、高水压、高地温等“三高”问题是其制约因素,在“三高”地质环境中突水机理研究应成为优先支持的重大研究领域之一。我国西部煤炭资源丰富,其资源总量为43134×10综合机械化放顶煤开采技术是厚煤层开采的一种新方法,也是建设高产高效矿井的重要保证。经过20多a的技术实践,综放工作面单产最高水平已达到600×103.3创建煤基人工学研究平台,推动学科创新发展为了实现煤矿(床)水文地质学健康发展,保证学科的创新与发展朝着正确的方向前进,提出如下保障措施:a.始终保持有一定数量的专业研究机构和技术人才、教育培训机构和合格的师资队伍,在煤矿企业设立专门的防治水机构,形成产、学、研相结合的创新团队,为煤矿(床)水文地质学的学科发展提供智力资源保障,并创建煤矿防治水技术研究与试验基地,形成信息交流平台。b.对于行业内部一些带有共性的防治水课题,在国家科技支撑、专项资金层面上立项开展研究。对制约企业安全生产的典型水害问题,通过设立企业科技发展基金的形式与研究机构开展联合攻关,坚持“科技兴煤、安全发展”的可持续发展战略。c.积极鼓励引进和消化吸收先进科学技术,发展高效、可靠的水文地质异常体探测技术。借鉴地质工程学、地球信息探测技术等学科的理论和方法,使煤矿(床)水文地质学在多学科融合中得到发展与创新。4需要开展高校煤炭工业发展的重大研究煤矿(床)水文地质学的基本任务是研究煤炭资源开采所引起的与地下水有关的一系列问题(