在突水機理研究中,先後提出了底板隔水層中的“突水系數”、“等效隔水層”、“原始高度”等概念,認為底板突水機理是含水層富水性、隔水層厚度、天然裂隙、水壓和地壓的綜合結果。在底板突水預測中,模式識別法、隨機信息法、脆弱性指數法等新方法得到了很好的應用(吳強,2006,2007a,2007b,2009;金,1998)。
就降水降壓而言,有地面降水、井下降水、井上井下聯合降水。排水降壓是我國防治礦井水害的主要技術措施。除常規排水外,我國還先後在峰峰礦區和淄博礦區開展了薄灰巖水排水,在邯鄲礦區開展了降壓排水程序和排水勘探方法。
在註漿堵水方面,堵水截流是我國防治礦井水害的重要方法。在靜水和動水條件下註漿封堵突水點和礦區外圍註漿帷幕封堵方面有成熟的方法和經驗。焦作、峰峰、煤壩等礦區都做過這種工作,特別是開灤範各莊礦成功封堵特大突水。
此外,鉆探技術的提高、綜合三維勘探方法的采用、計算機技術的應用以及各種軟件的開發,對定量研究煤礦突水條件發揮了重要作用。
1.地下防水煤(巖)柱設計。
在水下、含水層、承壓含水層或導水斷層附近掘進時,為防止地表水或地下水突入工作場所,需要合理地留有壹定寬度或高度的防水煤(巖)層,不準開采,稱為防水煤(巖)柱或防水煤(巖)柱。其中有斷層防水煤(巖)柱、井田邊界煤柱、上下水平(或相鄰采區)防水煤(巖)柱、水淹區防水煤(巖)柱、地表水防水煤(巖)柱、沖積層防水煤(巖)柱六種類型。
2.地下勘探與排水技術
地下水探排是指查明頂板、底板、邊墻、前方含水構造(包括陷落柱)、含水層、積水老窯等水體的具體位置和產狀。在開采過程中,為有效防治礦井水害做必要的準備(劉洋,2008)。
3.疏水降壓技術
疏幹降壓是指通過疏幹將煤層底板含水層或煤系地層含水層的水壓降低到采煤的安全水壓。排水降壓工程系統包括排水工程、排水設施和排水工程[1]。開灤趙各莊礦通過制定合理的排水降壓開采方案,實現了底板高壓奧灰水威脅下的安全帶壓開采,取得了巨大的經濟效益和社會效益。
4.註漿堵水技術
註漿堵水技術是煤礦防治水的重要手段之壹。主要應用於鑿井前預註漿、成井後墻後註漿、封堵大突水點恢復水淹礦井、切斷水源減少礦井突水、封堵隧道穿越含水層或導水斷層的水。如皖北礦務局任樓礦,3月4日1996發生特大突水,高峰時期湧水量達576m3/min。采用註漿堵水技術,成功地將水封堵在陷落柱內煤層底部的適當層中(趙鐵錘,2007)。
5.壓力下的采礦技術
所謂帶壓開采,就是在不采取某些技術措施或國家經濟技術條件允許的情況下,充分利用煤層底板與承壓含水層之間的水層的性能,實現安全開采的綜合防治水技術。近年來,國內對該技術進行了廣泛而深入的研究,並取得了顯著的成果[11]。
6.防水閘門和水閘墻
防水閘門和閘墻是煤礦防治水的主要安全設施。在水文地質條件復雜或有突發性水患危險的礦井,在井下巷道的設計和布置中,必須建立和完善隔離設施,在適當的地方預留防水閘門和閘墻的位置,在井底車場周圍設置防水閘門;在其他有突水危險的地區,必須在附近設置防水閘門等防水隔離設施,實現分區隔離後,才能進行開采活動(肖等,2007)。
7.礦井防排水技術
在煤礦開采過程中,不可避免地要接近、暴露或破壞含水層。含水層(體)中的水將因失去原有的平衡條件而湧入采掘工作面,從而造成水害。為了保證煤礦的安全生產,必須設置相應的防排水系統。礦井防排水技術主要包括地面防水、井下防水和礦井排水三個方面。比如山東花垣“8·17”水淹井事故,雖然是暴雨造成的,但也暴露出煤礦地面防水存在的突出問題。
8.煤層開采前小構造預測的人工神經網絡技術。
小構造是指斷層距離小於5m的小斷層或壹些小規模的斷裂和溶隙。在礦山生產過程中,這些小構造對采礦和巷道掘進影響很大,對礦井防治水起著重要作用。針對目前巷道掘進過程中小構造預測方法的不足,將人工神經網絡技術引入到煤礦巷道掘進前小構造預測方法中,開發了壹種新的礦井小構造預測方法(吳強,2007c)。
9.含水層重建和含水層加固技術
該技術是80年代中後期發展起來的壹種註漿控水方法。當需要排水降壓實現安全開采,但排水成本過高,浪費地下水資源時,應采用含水層改造和隔水層加固的註漿控水方法。主要是針對煤層底板水害的防治,采取註漿措施改造含水層或加強隔水層,使其成為相對隔水層或進壹步提高其隔水強度(吳強,2005)。該技術是防治底板水害較為有效的實質性措施之壹,在山東省肥城礦區得到成功應用。
10.Visual Modflow與礦井防治水
Visual Modflow是三維地下水流和溶質運移模擬與評價的標準可視化專業軟件系統,風靡全球,得到各國同行的壹致認可。在礦井防治水工作中,可以進行任意水平衡域的平衡研究,幫助用戶直接確定開采煤層的頂部、底部或側向補給源的補給方式、補給規模和水質。此外,還可以預測礦區導水斷層構造可能誘發的突水事故的湧水量,在礦區導水區域內邊界的防治水工作中具有非常重要的實用價值(吳強,2005;董,,2009)。
11.華北煤田三維充水地質構造理論
這個理論最早是由吳強在2000年提出的。由各種類型的水力內部邊界溝通而形成的水力聯系緊密的多層含水組的三維充水地質結構,是華北煤礦床的主要水文地質特征,也是建立該類型煤礦充水水文地質三維概念模型的基礎。內邊界是煤礦三維充水地質構造理論的核心,深入全面地研究內邊界系統是解決華北煤田底板巖溶突水問題的關鍵。根據內邊界空間分布的幾何特征,劃分出四種基本類型和各種組合類型,對於認識煤礦水文地質條件的復雜性,采取科學合理的防治水對策具有重要的理論指導意義和實用價值(吳強,2000)。
參考
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