大水矿井复合导水构造靶向注浆治理及效果评价研究

发布时间：2020-05-05 17:38

【摘要】：随着我国经济的快速蓬勃发展,包括煤矿工程在内的地下工程建设进入了一个崭新的阶段。煤炭不断增长的需求使得煤矿开采规模不断加大,开采深度不断加深,以及一些矿区下组煤的大规模开发等原因,受水害威胁程度日益增加。煤矿底板突水作为其中一种水害类型亦严重威胁着煤矿的安全生产。引起煤矿底板突水的原因主要有,采掘工程穿过导水断裂构造位置所引起的底板承压水突水事故;采掘过程中受采动产生的压力及矿压会对隔水构造产生扰动损害;完整底板隔水层遭到破坏产生的突水事故。注浆工程可以对底板含水层进行有效的改造,通过注入相应的浆液体,在浆液流体和围岩结构液化-固化相互作用的过程中,使含水层含水性能得到改造、阻断含水层向煤层底板的补给、径流等,同时还可以加固较软弱的隔水岩层,使其隔水性能得到加强,因此注浆是一种很有效的预防突水事故的方法,已广泛的应用到煤矿防治水工作中。峰峰辛安矿井田主体构造为以东部边界F_(55)断层为主干断层呈北部收敛,南部开阔的“帚状”构造,井田呈现多台阶式地堑和地垒,井田内小断裂构造十分发育,断层产状变化大、地层产状扭曲严重、煤岩层也十分破碎,此外,矿区奥灰含水层富水性强、径流条件良好,地质、水文地质条件十分复杂,是大水矿井。由于断层的存在,底板下含水层、隔水层构造裂隙发育,形成了复杂的复合导水构造,对矿井的安全生产造成很大威胁。本文以辛安矿112121工作面注浆工程为实例,在深入分析研究区的自然地理、工程地质、水文地质资料以及前人研究成果的基础上,综合分析了工作面内复杂的水文地质条件;对复合导水构造进行多维度分析;研究了突水水源快速识别的技术有助于导水通道的快速发现;原位粘土多材料混合自适应技术在辛安矿的应用;分段式原位靶向注浆技术在辛安矿的应用研究;构建地理加权回归分析模型以及提出基于模糊数学的注浆效果评价方法。论文取得的主要研究如下:(1)矿区揭露的地层由老至新依次为:奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、新近系、第四系地层,断层非常发育,共有3个规模较小的褶皱,矿区未发现岩浆岩。大气降水和局部地区沟谷河床渗漏是矿区内主要的地下水补给来源。地下水径流整体上受地层产状、地质构造和地形因素控制,仅较小区域受到地下水水动力条件的影响,奥灰水整体流向由西向东。排泄方式主要分为两种,包括自然和人工排泄,人工排泄主要为矿物内工农业用水和排水方式。地表水、老空水、煤系地层各含水层水和奥陶系灰岩水为矿区内主要的充水水源,导水断层破碎带、封闭不良的钻孔、采掘产生的裂隙和小煤窑未探明的井筒等是主要的充水通道。(2)辛安矿112121工作面下伏主要有野青、山伏青、大青三层薄层灰岩含水层和煤系地层基底奥灰强含水层。总结分析物探、钻探、放水试验及水动态监测等资料,112121工作面范围内存在3条断层F_1、F_2、F_5,呈零星分布,均为张扭性正断层。根据物探、钻探资料显示,研究区内有4个富水异常区和2个地质构造异常区,这两个地质构造异常区是因为F_2、F_5断层延伸到工作面内形成的。井下物探成果和现有地质资料表明,局部地段野青灰岩和山伏青灰岩通过垂直发育的原生裂隙发生水力联系,山伏青灰岩含水层缓慢补给野青灰岩,野青灰岩顶部隔水层原生裂隙也有一定程度的发育。同时根据井下钻探成果可知,在野青灰岩的上部1.75~19.1m的范围内见水,同时证明了底板隔水层原生裂隙的发育。(3)利用了新型设备水质自动采集分析器,综合水温和水位法、水化学分析法的优点实现了突水水源的快速、准确的确定。根据112121工作面下伏各含水层改造效果及水文特征采用水位、水温判别法与简易水化学分析的判别方相结合的方法快速确定突水水源,根据突水水源的来源,地表水体、地下和老空水以及大气降水都可以成为突水水源。大气降水通常是矿化度较小、硬度较低的软水,地表水因其存在的方式基本上都含泥沙悬浮物并且有浑浊度,除此之外,大气降水和地表水中均含有大量的有机物和细菌,可作为判断其存在的重要依据。作为矿井突水水源的地下水因其化学成分的复杂性,需要采取多种方法综合评判,老空水多为强酸性的水,突水具有瞬时水量大、破坏性强等特点,通常情况下与其它水源没有联系,突水结束后迅速衰弱。综合钻探、放水试验和水动态监测结果分析,认定导水通道主要集中在F_2断层中段附近。(4)综合分析辛安矿112121工作面的地质条件、浆液材料的性能比选、浆液的凝固机理及材料经济成本等方面的因素,研究提出具有符合矿区特色的注浆浆液选取技术,是原位粘土与多材料混合自适应技术。煤矿原位粘土多材料混合自适应技术是在考虑到就地取材的原则,将矿区内广泛分布的粘土有效利用到与传统水泥和水玻璃等一些材料进行混合配比从而形成的新型浆液。根据注浆区域和层位出水量的情况,选择合理的注浆材料进行分区域、分段式注浆。辛安矿选择粘土水泥浆和水泥-水玻璃为注浆材料。(5)结合医学领域先进的癌细胞治疗方法—靶向治疗法的思想,研究了巷道内分段式靶向注浆的新技术。巷道内分段式靶向注浆是指在平巷和斜巷(井)在进行施工的过程中,不可避免地要穿过水文地质条件复杂的构造带和含水层时,在巷道内运用定向钻进技术进行钻孔,再针对相应注浆层位的岩性特征配制相应的浆液,然后将配好的适应相应地层条件的浆液采用前进式分段压入注浆的方式经过各注浆孔注到地层内的裂隙或孔隙中充填固结,达到堵水的目的,最后再进行巷道的掘进和煤层的回采工作。(6)传统的注浆量、出水量以及煤层底板有效隔水厚度的相关性分析是基于最小二乘法,但是注浆量、出水量以及煤层底板有效隔水厚度回归关系会随观测点地理位置的不同而发生变化。建立注浆量、出水量以及煤层底板有效隔水厚度地理加权回归(GWR)模型,此模型将数据的空间位置嵌入到回归系数之中,故其既能描述注浆量、出水量以及煤层底板有效隔水厚度的关系,又能反映数据的空间变化特征。地理加权回归建模方法操作简便,可以直接、直观的表现空间非平稳性,此外系数的估计结果有清楚的解析表示而且能够直观的显现在地理图形上。模型结果显示了注浆量、煤层底板有效隔水厚度在全局上存在良好的相关性;注浆量和出水量之间存在较强的相关性,并随空间变化,由矿区北部向南部相关性逐渐增加;注浆量和煤层底板有效隔水厚度存在一定的相关关系,相关性上与出水量和注浆量之间的相关性相比较弱,在空间上,由矿区北部向南部相关性逐渐减小;出水量、煤层底板有效隔水厚度相关性随空间变化而变化。(7)模糊数学理论基础是运用精准的数学方法刻画、描述现实世界中普遍发生的模糊概念及模糊现象,进而进行相应的建模计算,从而实现对其进行合适处理的目的。模糊数学是以不确定性的事物为其研究对象的。模糊集合的产生是数学适应分析刻画复杂事物的需求。采用模糊数学层次分析法,建立注浆效果评价指标体系层次结构模型并量化各评价因子,运用模糊综合评价法对二级和一级指标因素进行评价,通过分析评价结果,建立了优良、良好、普通、较差4个反映注浆效果的评价等级标准,进一步构建注浆效果综合评价体系。采用该评价体系及等级标准对辛安矿112121工作面注浆的治理效果进行评价,研究认定注浆加固效果评价等级为良好,注浆加固效果显著,通过注浆工程工作面周围的水文地质条件发生了很大变化,地下水得到了有效控制,注浆效果达到预期。工作面实际注浆后情况与评价结果基本吻合,初步实现了注浆效果评价从定性、经验性向科学化和半定量化的转变,研究成果可在今后类似工程中推广应用。
【图文】：

技术路线图

示意图,示意图

矿区交通位置示意图
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD745

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