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煤矿水害隐患探查与防治关键技术及示范——“十二五”国家科技支撑计划课题成果
2017-04-01
我国是矿井水害严重的国家，奥灰岩溶水害和遍及全国煤矿的老空区水害对煤矿安全生产的影响尤为严重。经过几代人的努力，我国煤矿防治水工作积累了丰富的经验，取得了许多研究成果，但现有的理论技术难以满足煤矿生产高速发展的需要，很难遏制水害肆虐的势头。2012年起，中煤科工集团西安研究院牵头，联合华北科技学院、冀中能源集团和陕西煤业化工集团，开展了“十二五”国家科技支撑计划课题“煤矿水害隐患探查与防治关键技术及示范”的科研攻关。
一、主要成果
针对我国煤矿存在的老空水、奥灰水及垂向导水通道等重大水害隐患开展研发，取得了一批创新性科研成果。
（一）基于多GPU的三维三分量采空区数值模拟及波场特征识别
开展了基于弹性波波动方程的地震波数值模拟。采用交错网格高阶有限差分技术，研发了基于多GPU计算平台的三维三分量（3D3C）弹性波正演模拟软件，降低了三维数值模拟计算的存储问题，极大地提高了计算效率，总结了不同类型采空区的地震响应特征。
（二）基于十字交叉排列域的高分辨率地震资料处理流程
开展了十字交叉排列域3DFKK方法的研究，形成了高分辨率地震资料处理流程。现场试验表明，高分辨率处理后的巷道特征比常规处理方法好（图1），且与正演模拟结果相似，高分辨处理解释结果巷道反映明显（图2）。
（三）小窑采掘活动地面被动地震监测系统
自主研发专门用于地震监测的矿用节点式地震仪和数据处理软件（图3，图4），并在划定的采空区内进行了小煤窑地面被动震源监测实验，取得了较好的原始数据。通过对数据进行高精度定位分析，查明了小煤窑井下巷道分布，并已通过钻孔验证。该系统可用于小窑地面长时被动地震监测。
（四）研制出井下三维多功能电法仪
开发了成套井下三维多功能电法仪探测装备(图5)，采用界面切换选择的方式使仪器进入发射机或接收机状态，实现了主机的收发一体化；发射与接收使用具有智能转换电极功能的电极总线，开发了具有自我识别顺序的智能电极转换器，实现了数据的自动采集；配套了数据处理解释软件，实现了数据的自动处理和成像解释。该套仪器自动化程度高、测量误差小、支持多种工作模式，大大提高了煤矿井下的施工效率。
（五）形成了井下三维电磁法正演模拟技术
开发了井下三维电磁法正演程序，可在较宽频率范围内针对不同电性差异以及复杂电性结构等情况进行正演模拟，程序的收敛速度快、计算效率高；通过井下三维电磁法正演模拟技术，可以获得各种复杂垂向导水通道的模拟观测数据，为后续研究工作的展开奠定了基础。
（六）实现了垂向导水通道三维电磁立体成像技术
实现了基于三维电阻率反演的垂向导水构造三维电磁立体成像技术，提出了孔巷联合探测方式以获取垂向观测数据，与纯巷道透视方式相比，孔巷联合透视可清晰识别多个低阻异常体并准确反映各异常体的信息（图6）。建立了陷落柱、断层等典型垂向导水通道模型并进行三维正反演计算，结果表明，井下三维电磁法立体成像技术可以准确反映异常体的空间位置、发育规模和展布形态，能够满足深部煤炭资源开采防治水工作的需求。
（七）奥灰顶部岩溶富水性评价指标体系
构建了奥灰顶部岩溶富水性评价指标体系，概括出3个二级指标作为奥灰水岩溶发育程度的评价目标，分别是岩性、水文地质和构造（或不良地质体）因素，总结出8个三级评价指标：线岩溶率、岩心采取率、单位涌水量、水质中HCO3-含量、压水试验透水率、断层、陷落柱以及褶皱轴。
（八）奥灰顶部注浆层段优选技术
开展了奥灰顶部岩溶发育垂向分带研究，将奥灰顶部风化充填阻水带确定为有效阻水层段，提出了奥灰顶部注浆改造层位选择准则，确定了待改造的目标层段。
在全面分析邢台、韩城、晋城、兖州等六大矿区调研成果的基础上，对华北型煤田奥灰顶部岩溶垂向发育规律有了新的认识，提出了奥灰顶部岩溶层垂向分带特征：风化充填阻水带、垂向导升侵水带、岩溶裂隙富水带。
（九）奥灰顶部注浆改造工艺技术
开发了煤矿地面自动化注浆系统，在东庞矿和桑树坪矿分别建立了多功能注浆站；研发了奥灰顶部高效注浆改造工艺（图8），开展了复合注浆材料配比实验研究。
二、主要创新点
1．研发了大容量、自动记录的节点式矿用地震监测仪，并配套开发了可用于地震监测、矿井采掘活动监测的数据处理软件。
2．提出了基于平行偶极-偶极装置和孔-巷联合透视的井下三维电磁法勘探方法，该方法对异常变化更加敏感，可有效提高工作面底板下方垂向导水通道的探测准确率。
3．建立了奥灰顶部岩溶富水性评价指标体系，提出了奥灰顶部岩溶富水性评价方法，将奥灰顶部划分为风化充填阻水带、垂向导升侵水带及岩溶裂隙富水带。
4．创新提出了奥灰顶部阻水层段及注浆改造层段优选准则，将奥灰顶部风化充填带确定为有效阻水层段，将垂向导升侵水带作为注浆改造的优选层段，并形成了奥灰顶部注浆层段厚度的计算方案。
5．针对奥灰顶部地层水量大、水压高的特点，开发出了强度可靠、结石率高、流动性强、凝结速度适中的注浆材料，建立了地面智能化多功能注浆站，为奥灰顶部注浆改造工程的可靠、高效实施提供了平台保障。
三、推广应用及社会经济效益
研究成果先后在冀中能源集团东庞矿、陕西煤业化工集团桑树坪矿、山西中煤华晋能源王家岭煤矿及崖坪煤矿进行了推广应用，取得了显著的社会效益和经济效益。
研究成果已进入推广使用阶段，直接服务于我国煤矿安全生产，有助于查明老窑采空区的位置，圈定采空区边界和范围，提高采空区和垂向导水通道的探测精度，且能对奥灰顶部岩层进行选择利用与注浆改造。随着技术及配套装备的完善，预计今后一段时期内每年在1～2个矿区推广应用，可创造数千万至数亿元的经济效益。
研究成果实现了煤矿水害隐患探查与防治关键技术的突破，显著提升了我国煤矿水害防治技术水平，为我国受水害威胁的煤炭资源安全高效开采提供了关键技术支撑，具有广阔的推广应用前景。
