【摘要】：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速蓬勃發(fā)展,包括煤礦工程在內(nèi)的地下工程建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。煤炭不斷增長(zhǎng)的需求使得煤礦開采規(guī)模不斷加大,開采深度不斷加深,以及一些礦區(qū)下組煤的大規(guī)模開發(fā)等原因,受水害威脅程度日益增加。煤礦底板突水作為其中一種水害類型亦嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。引起煤礦底板突水的原因主要有,采掘工程穿過導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造位置所引起的底板承壓水突水事故;采掘過程中受采動(dòng)產(chǎn)生的壓力及礦壓會(huì)對(duì)隔水構(gòu)造產(chǎn)生擾動(dòng)損害;完整底板隔水層遭到破壞產(chǎn)生的突水事故。注漿工程可以對(duì)底板含水層進(jìn)行有效的改造,通過注入相應(yīng)的漿液體,在漿液流體和圍巖結(jié)構(gòu)液化-固化相互作用的過程中,使含水層含水性能得到改造、阻斷含水層向煤層底板的補(bǔ)給、徑流等,同時(shí)還可以加固較軟弱的隔水巖層,使其隔水性能得到加強(qiáng),因此注漿是一種很有效的預(yù)防突水事故的方法,已廣泛的應(yīng)用到煤礦防治水工作中。峰峰辛安礦井田主體構(gòu)造為以東部邊界F_(55)斷層為主干斷層呈北部收斂,南部開闊的“帚狀”構(gòu)造,井田呈現(xiàn)多臺(tái)階式地塹和地壘,井田內(nèi)小斷裂構(gòu)造十分發(fā)育,斷層產(chǎn)狀變化大、地層產(chǎn)狀扭曲嚴(yán)重、煤巖層也十分破碎,此外,礦區(qū)奧灰含水層富水性強(qiáng)、徑流條件良好,地質(zhì)、水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜,是大水礦井。由于斷層的存在,底板下含水層、隔水層構(gòu)造裂隙發(fā)育,形成了復(fù)雜的復(fù)合導(dǎo)水構(gòu)造,對(duì)礦井的安全生產(chǎn)造成很大威脅。本文以辛安礦112121工作面注漿工程為實(shí)例,在深入分析研究區(qū)的自然地理、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料以及前人研究成果的基礎(chǔ)上,綜合分析了工作面內(nèi)復(fù)雜的水文地質(zhì)條件;對(duì)復(fù)合導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行多維度分析;研究了突水水源快速識(shí)別的技術(shù)有助于導(dǎo)水通道的快速發(fā)現(xiàn);原位粘土多材料混合自適應(yīng)技術(shù)在辛安礦的應(yīng)用;分段式原位靶向注漿技術(shù)在辛安礦的應(yīng)用研究;構(gòu)建地理加權(quán)回歸分析模型以及提出基于模糊數(shù)學(xué)的注漿效果評(píng)價(jià)方法。論文取得的主要研究如下:(1)礦區(qū)揭露的地層由老至新依次為:奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新近系、第四系地層,斷層非常發(fā)育,共有3個(gè)規(guī)模較小的褶皺,礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。大氣降水和局部地區(qū)溝谷河床滲漏是礦區(qū)內(nèi)主要的地下水補(bǔ)給來源。地下水徑流整體上受地層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造和地形因素控制,僅較小區(qū)域受到地下水水動(dòng)力條件的影響,奧灰水整體流向由西向東。排泄方式主要分為兩種,包括自然和人工排泄,人工排泄主要為礦物內(nèi)工農(nóng)業(yè)用水和排水方式。地表水、老空水、煤系地層各含水層水和奧陶系灰?guī)r水為礦區(qū)內(nèi)主要的充水水源,導(dǎo)水?dāng)鄬悠扑閹�、封閉不良的鉆孔、采掘產(chǎn)生的裂隙和小煤窯未探明的井筒等是主要的充水通道。(2)辛安礦112121工作面下伏主要有野青、山伏青、大青三層薄層灰?guī)r含水層和煤系地層基底奧灰強(qiáng)含水層�？偨Y(jié)分析物探、鉆探、放水試驗(yàn)及水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等資料,112121工作面范圍內(nèi)存在3條斷層F_1、F_2、F_5,呈零星分布,均為張扭性正斷層。根據(jù)物探、鉆探資料顯示,研究區(qū)內(nèi)有4個(gè)富水異常區(qū)和2個(gè)地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū),這兩個(gè)地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)是因?yàn)镕_2、F_5斷層延伸到工作面內(nèi)形成的。井下物探成果和現(xiàn)有地質(zhì)資料表明,局部地段野青灰?guī)r和山伏青灰?guī)r通過垂直發(fā)育的原生裂隙發(fā)生水力聯(lián)系,山伏青灰?guī)r含水層緩慢補(bǔ)給野青灰?guī)r,野青灰?guī)r頂部隔水層原生裂隙也有一定程度的發(fā)育。同時(shí)根據(jù)井下鉆探成果可知,在野青灰?guī)r的上部1.75~19.1m的范圍內(nèi)見水,同時(shí)證明了底板隔水層原生裂隙的發(fā)育。(3)利用了新型設(shè)備水質(zhì)自動(dòng)采集分析器,綜合水溫和水位法、水化學(xué)分析法的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了突水水源的快速、準(zhǔn)確的確定。根據(jù)112121工作面下伏各含水層改造效果及水文特征采用水位、水溫判別法與簡(jiǎn)易水化學(xué)分析的判別方相結(jié)合的方法快速確定突水水源,根據(jù)突水水源的來源,地表水體、地下和老空水以及大氣降水都可以成為突水水源。大氣降水通常是礦化度較小、硬度較低的軟水,地表水因其存在的方式基本上都含泥沙懸浮物并且有渾濁度,除此之外,大氣降水和地表水中均含有大量的有機(jī)物和細(xì)菌,可作為判斷其存在的重要依據(jù)。作為礦井突水水源的地下水因其化學(xué)成分的復(fù)雜性,需要采取多種方法綜合評(píng)判,老空水多為強(qiáng)酸性的水,突水具有瞬時(shí)水量大、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn),通常情況下與其它水源沒有聯(lián)系,突水結(jié)束后迅速衰弱。綜合鉆探、放水試驗(yàn)和水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,認(rèn)定導(dǎo)水通道主要集中在F_2斷層中段附近。(4)綜合分析辛安礦112121工作面的地質(zhì)條件、漿液材料的性能比選、漿液的凝固機(jī)理及材料經(jīng)濟(jì)成本等方面的因素,研究提出具有符合礦區(qū)特色的注漿漿液選取技術(shù),是原位粘土與多材料混合自適應(yīng)技術(shù)。煤礦原位粘土多材料混合自適應(yīng)技術(shù)是在考慮到就地取材的原則,將礦區(qū)內(nèi)廣泛分布的粘土有效利用到與傳統(tǒng)水泥和水玻璃等一些材料進(jìn)行混合配比從而形成的新型漿液。根據(jù)注漿區(qū)域和層位出水量的情況,選擇合理的注漿材料進(jìn)行分區(qū)域、分段式注漿。辛安礦選擇粘土水泥漿和水泥-水玻璃為注漿材料。(5)結(jié)合醫(yī)學(xué)領(lǐng)域先進(jìn)的癌細(xì)胞治療方法—靶向治療法的思想,研究了巷道內(nèi)分段式靶向注漿的新技術(shù)。巷道內(nèi)分段式靶向注漿是指在平巷和斜巷(井)在進(jìn)行施工的過程中,不可避免地要穿過水文地質(zhì)條件復(fù)雜的構(gòu)造帶和含水層時(shí),在巷道內(nèi)運(yùn)用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行鉆孔,再針對(duì)相應(yīng)注漿層位的巖性特征配制相應(yīng)的漿液,然后將配好的適應(yīng)相應(yīng)地層條件的漿液采用前進(jìn)式分段壓入注漿的方式經(jīng)過各注漿孔注到地層內(nèi)的裂隙或孔隙中充填固結(jié),達(dá)到堵水的目的,最后再進(jìn)行巷道的掘進(jìn)和煤層的回采工作。(6)傳統(tǒng)的注漿量、出水量以及煤層底板有效隔水厚度的相關(guān)性分析是基于最小二乘法,但是注漿量、出水量以及煤層底板有效隔水厚度回歸關(guān)系會(huì)隨觀測(cè)點(diǎn)地理位置的不同而發(fā)生變化。建立注漿量、出水量以及煤層底板有效隔水厚度地理加權(quán)回歸(GWR)模型,此模型將數(shù)據(jù)的空間位置嵌入到回歸系數(shù)之中,故其既能描述注漿量、出水量以及煤層底板有效隔水厚度的關(guān)系,又能反映數(shù)據(jù)的空間變化特征。地理加權(quán)回歸建模方法操作簡(jiǎn)便,可以直接、直觀的表現(xiàn)空間非平穩(wěn)性,此外系數(shù)的估計(jì)結(jié)果有清楚的解析表示而且能夠直觀的顯現(xiàn)在地理圖形上。模型結(jié)果顯示了注漿量、煤層底板有效隔水厚度在全局上存在良好的相關(guān)性;注漿量和出水量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,并隨空間變化,由礦區(qū)北部向南部相關(guān)性逐漸增加;注漿量和煤層底板有效隔水厚度存在一定的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性上與出水量和注漿量之間的相關(guān)性相比較弱,在空間上,由礦區(qū)北部向南部相關(guān)性逐漸減小;出水量、煤層底板有效隔水厚度相關(guān)性隨空間變化而變化。(7)模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)是運(yùn)用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)方法刻畫、描述現(xiàn)實(shí)世界中普遍發(fā)生的模糊概念及模糊現(xiàn)象,進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的建模計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行合適處理的目的。模糊數(shù)學(xué)是以不確定性的事物為其研究對(duì)象的。模糊集合的產(chǎn)生是數(shù)學(xué)適應(yīng)分析刻畫復(fù)雜事物的需求。采用模糊數(shù)學(xué)層次分析法,建立注漿效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)模型并量化各評(píng)價(jià)因子,運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)二級(jí)和一級(jí)指標(biāo)因素進(jìn)行評(píng)價(jià),通過分析評(píng)價(jià)結(jié)果,建立了優(yōu)良、良好、普通、較差4個(gè)反映注漿效果的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步構(gòu)建注漿效果綜合評(píng)價(jià)體系。采用該評(píng)價(jià)體系及等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)辛安礦112121工作面注漿的治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià),研究認(rèn)定注漿加固效果評(píng)價(jià)等級(jí)為良好,注漿加固效果顯著,通過注漿工程工作面周圍的水文地質(zhì)條件發(fā)生了很大變化,地下水得到了有效控制,注漿效果達(dá)到預(yù)期。工作面實(shí)際注漿后情況與評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合,初步實(shí)現(xiàn)了注漿效果評(píng)價(jià)從定性、經(jīng)驗(yàn)性向科學(xué)化和半定量化的轉(zhuǎn)變,研究成果可在今后類似工程中推廣應(yīng)用。
【圖文】：

技術(shù)路線圖

礦區(qū)交通位置示意圖
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD745

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本文編號(hào)：2650517