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大水礦井復合導水構造靶向注漿治理及效果評價研究隨著我國經(jīng)濟的快速蓬勃發(fā)展,包括煤礦工程在內(nèi)的地下工程建設進入了一個嶄新的階段。煤炭不斷增長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,采掘工程穿過導水斷裂構造位置所引起的底板承壓水突水事故;采掘過程中受采動產(chǎn)生的壓力及礦壓會對隔水構造產(chǎn)生擾動損害;完整底板隔水層遭到破壞產(chǎn)生的突水事故。注漿工程可以對底板含水層進行有效的改造,通過注入相應的漿液體,在漿液流體和圍巖結構液化-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給、徑流等,同時還可以加固較軟弱的隔水巖層,使其隔水性能得到加強,因此注漿是一種很有效的預防突水事故的方法,已廣泛的應用到煤礦防治水工作中。峰峰辛安礦井田主體構造為以東部邊界F<sub>55</sub>斷層為主干斷層呈北部收斂,南部開闊的“帚狀”構造,井田呈現(xiàn)多臺階式地塹和地壘,井田內(nèi)小斷裂構造十分發(fā)育,斷層產(chǎn)狀變化大、地層產(chǎn)狀扭曲嚴重、煤巖層也十分破碎,此外,礦區(qū)奧灰含水層富水性強、徑流條件良好,地質、水文地質條件十分復雜,是大水礦井。由于斷層的存在,底板下含水層、隔水層構造裂隙發(fā)育,形成了復雜的復合導水構造,對礦井的安全生產(chǎn)造成很大威脅。本文以辛安礦112121工作面注漿工程為實例,在深入分析研究區(qū)的自然地理、工程地質、水文地質資料以及前人研究成果的基礎上,綜合分析了工作面內(nèi)復雜的水文地質條件;對復合導水構造進行多維度分析;研究了突水水源快速識別的技術有助于導水通道的快速發(fā)現(xiàn);原位粘土多材料混合自適應技術在辛安礦的應用;分段式原位靶向注漿技術在辛安礦的應用研究;構建地理加權回歸分析模型以及提出基于模糊數(shù)學的注漿效果評價方法。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)主要的地下水補給來源。地下水徑流整體上受地層產(chǎn)狀、地質構造和地形因素控制,僅較小區(qū)域受到地下水水動力條件的影響,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,導水斷層破碎帶、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含水層??偨Y分析物探、鉆探、放水試驗及水動態(tài)監(jiān)測等資料,112121工作面范圍內(nèi)存在3條斷層F<sub>1</sub>、F<sub>2</sub>、F<sub>5</sub>,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個富水異常區(qū)和2個地質構造異常區(qū),這兩個地質構造異常區(qū)是因為F<sub>2</sub>、F<sub>5</sub>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。同時根據(jù)井下鉆探成果可知,在野青灰?guī)r的上部1.75<sup>1</sup>9.1m的范圍內(nèi)見水,同時證明了底板隔水層原生裂隙的發(fā)育。(3)利用了新型設備水質自動采集分析器,綜合水溫和水位法、水化學分析法的優(yōu)點實現(xiàn)了突水水源的快速、準確的確定。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、水溫判別法與簡易水化學分析的判別方相結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物和細菌,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成分的復雜性,需要采取多種方法綜合評判,老空水多為強酸性的水,突水具有瞬時水量大、破壞性強等特點,通常情況下與其它水源沒有聯(lián)系,突水結束后迅速衰弱。綜合鉆探、放水試驗和水動態(tài)監(jiān)測結果分析,認定導水通道主要集中在F<sub>2</sub>斷層中段附近。(4)綜合分析辛安礦112121工作面的地質條件、漿液材料的性能比選、漿液的凝固機理及材料經(jīng)濟成本等方面的因素,研究提出具有符合礦區(qū)特色的注漿漿液選取技術,是原位粘土與多材料混合自適應技術。煤礦原位粘土多材料混合自適應技術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)結合醫(yī)學領域先進的癌細胞治療方法—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。巷道內(nèi)分段式靶向注漿是指在平巷和斜巷(井)在進行施工的過程中,不可避免地要穿過水文地質條件復雜的構造帶和含水層時,在巷道內(nèi)運用定向鉆進技術進行鉆孔,再針對相應注漿層位的巖性特征配制相應的漿液,然后將配好的適應相應地層條件的漿液采用前進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,達到堵水的目的,最后再進行巷道的掘進和煤層的回采工作。(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系會隨觀測點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系,又能反映數(shù)據(jù)的空間變化特征。地理加權回歸建模方法操作簡便,可以直接、直觀的表現(xiàn)空間非平穩(wěn)性,此外系數(shù)的估計結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性;注漿量和出水量之間存在較強的相關性,并隨空間變化,由礦區(qū)北部向南部相關性逐漸增加;注漿量和煤層底板有效隔水厚度存在一定的相關關系,相關性上與出水量和注漿量之間的相關性相比較弱,在空間上,由礦區(qū)北部向南部相關性逐漸減小;出水量、煤層底板有效隔水厚度相關性隨空間變化而變化。(7)模糊數(shù)學理論基礎是運用精準的數(shù)學方法刻畫、描述現(xiàn)實世界中普遍發(fā)生的模糊概念及模糊現(xiàn)象,進而進行相應的建模計算,從而實現(xiàn)對其進行合適處理的目的。模糊數(shù)學是以不確定性的事物為其研究對象的。模糊集合的產(chǎn)生是數(shù)學適應分析刻畫復雜事物的需求。采用模糊數(shù)學層次分析法,建立注漿效果評價指標體系層次結構模型并量化各評價因子,運用模糊綜合評價法對二級和一級指標因素進行評價,通過分析評價結果,建立了優(yōu)良、良好、普通、較差4個反映注漿效果的評價等級標準,進一步構建注漿效果綜合評價體系。采用該評價體系及等級標準對辛安礦112121
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