地質環境技術研究3篇

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地質環境技術研究1

隨著科學技術的飛速發展，煤礦企業得到了空前的發展，社會發展對煤炭資源的需求量也在不斷增加，對礦井開采效率提出了更高的要求。煤礦企業盡管所處地理位置不同，但幾乎都會遇到地質環境復雜的礦井。在開采這類礦井時，如果不對掘進技術進行升級和調整，那么不僅會拖延礦井正常的生產進度，還會對煤礦企業的經濟效益產生負面影響。因此，為了更好地解決復雜地質礦井的生產問題，推進煤炭行業的全面發展，加強對煤礦掘進支護技術在復雜地質條件下的應用探討具有重要意義。

1礦井掘進區域的地質條件

礦井地質條件對于煤炭開采至關重要。目前來看，中國現存最多的礦井類型是開采歷史較為久遠的老礦區礦井，長久的開采使得地質條件更為復雜，煤層斷層多，礦井壓力較大，礦井掘進區域的地質條件不穩定。

2復雜地質條件下煤礦掘進支護技術的特點

a)掘進支護技術較為復雜，涉及層面較廣。煤礦開采需要大量專業理論知識的鋪墊，在進行礦井現場施工時，更需要嚴謹控制各種參數，放眼于掘進支護技術的整體規劃，綜合各方面進行考量，才能在實際生產中避免由操作不當造成安全事故。b)生產過程危險系數高，生產環境復雜。煤礦開采的整個過程需要多個環節相互協作和配合，涉及的生產設備及人員配比都較為復雜。這大大加劇了生產操作的不可控，對于復雜地質環境的礦井更是難以及時調控出現的問題。問題發展到一定程度時，將威脅礦井開采人員的人身財產安全及煤礦企業的生產安全。此外，煤礦大多都深入地下，開采工作大部分在地下進行，地下開采環境相對復雜，增大了掘進支護技術的應用難度，進而使礦井的開采進度和原煤產量都受到影響。c)掘進支護技術受自然環境影響大。煤礦開采過程并不是單一的生產過程，在實際生產中需對礦井生產相關因素都進行調查和評估，包括礦井周邊的地質、水文、氣候等因素。針對地質、水文、氣候等方面問題若沒有對應的應急措施，一旦發生危險情況，將增大安全事故的處理難度。d)掘進支護技術應用不當的危害性大。煤礦掘進支護技術的應用條件較為嚴格，一旦在應用過程中出現操作不規范等問題，將會直接導致安全事故發生。掘進支護技術在整個礦井生產中有著十分重要的作用。若實際生產中發生安全事故，不僅影響礦井生產進度，事故的后期補救也非常困難。因此，要確保礦井掘進支護技術在應用過程中的嚴謹性，降低使用不當帶來的危害[1-2]。

3復雜地質條件下煤礦掘進支護技術的應用現狀

3.1易開采區向復雜開采區發展隨著社會經濟的進一步發展及市場對各類煤炭產品需求的增加，煤礦開采人員必須重新審視復雜地質條件下的煤礦開采情況，了解煤礦開采活動中存在的細節問題，探討復雜地質條件下的煤礦開采技術。易開采區的掘進支護技術與復雜開采區的掘進支護技術有相當大的差別，專業技術人員需及時采取各種災害的搶險應對措施，全面深入推廣地下掘進支護技術的應用。

3.2掘進支護技術不斷發展掘進支護技術在中國大型煤礦井下開采作業中已有諸多成功的實踐應用經驗，這對于積極推動中國新型煤礦產業技術的創新起到很重要的帶動作用。煤礦企業一線技術人員務必重視礦井掘進支護技術的應用和提升。尤其要進一步做好復雜地質條件下礦井支護材料技術創新的前瞻性探討，了解掘進支護相關技術及材料應用的具體創新，并注意結合中國實際的煤礦情況做好相應工藝的技術研究應用，推進先進的現代煤礦開采施工技術的應用，并努力減少礦井安全隱患，降低煤礦事故發生的概率。但現階段中國大規模煤礦綜合開采中還存在一些細節化的問題，直接制約著大型煤礦開采工程的安全性。

4復雜地質條件下煤礦掘進支護技術的應用要點

4.1科學選擇掘進支護設備掘進支護設備的選擇決定著掘進后期巷道在井下復雜地質條件影響下的狀態。礦井掘進支護措施與配套設備系統設計方案的合理性與科學性會對煤礦開采產生深遠影響，因此要重視對掘進支護設備的科學選擇。礦井掘進支護設備應具備安全高效的特點，目前中國礦井主要依靠2種掘進設備：普通型的巷道掘進機以及綜合性掘進機。綜合性掘進機及其輔助設備能快速而有效地提升整個煤礦系統的開采效率。但在具體的應用中，煤礦巷道掘進設備的配置及選擇方面也要綜合考慮煤炭需求量等情況，由各相關行業礦山技術人員專門負責做好礦山地質情況、外界氣候影響等因素的數據比對，從而切實保證礦井各項采掘工藝設備資源配置的科學性和合理性[3]。

4.2加強截齒的合理選擇煤礦開采工藝中對設備截齒材料的一般要求是采用高強度鋼材并堅硬耐磨，切實降低設備截齒部件的報廢率，進而降低煤礦的最終生產成本。在復雜的地質條件下，截齒需經常面對具有不同地質條件的作業現場，容易發生不同程度的損傷，嚴重的會造成機械損壞，還會導致各種作業及施工設備的運轉停頓。這就需要相關行業的現場作業人員針對實際施工情況進行截齒的科學選擇，保障復雜地質條件下煤礦生產的安全順利進行。

4.3強化臨時支護技術的使用臨時支護技術的使用對于一些復雜地質條件下的露天煤礦開采有很大程度的輔助作用。復雜特殊的圍巖地質環境往往可能與工程前期的勘探分析結果有出入，應做好更全面和細致深入的研究分析，基于煤礦當下現場的地質勘察研究結果進行井下臨時支護技術的液壓系統規劃，保障井下復雜地質條件影響下的巷道掘進支護技術能有效滿足煤礦作業的安全需求，有效推動現代化煤礦工程的全面發展。

4.4有效利用破頂支護技術破頂支護技術是礦山掘進和工作面支護中運用較為成功的新技術，能進一步保障礦山頂板周圍邊坡的穩定性，避免邊坡發生大面積塌方事件，保障礦山工作面邊坡支護等施工的安全有效開展。在井下具體支護作業設計過程中，要重視井下關鍵節點的支護工作，設置和固定好錨網索，結合礦井實際掘進及設備使用情況對斷層進行支護，保障礦井生產安全。在施工前要對復雜的大型煤礦巷道項目進行技術施工圖的詳細設計，利用成熟先進的技術設計好每個具體的項目，提前按照規范設計好相應的技術數據指標。圖1所示為一巷道支護圖。

4.5有效使用U型鋼支護技術在煤礦巷道掘進支護施工過程中極有可能遇到一些較大活動范圍的斷層。面對這種情況，必須要求工作人員根據已掌握的礦井施工方法對礦井進行掘進支護作業，重新計算和確定設備相應參數，同時在巷道具體支護設計及施工過程中必須考慮支撐錨桿的角度問題，對錨桿安裝點存在的角度傾斜錯誤及時進行控制與調整。同時，對整個巷道掘進支護中存在的地質影響因素進行分析，并提出建設性意見，制定巷道的相應支護技術方案及斷面設計圖。如圖2所示，煤礦巷道U型鋼支護結構設計能更經濟高效地應用于中國煤礦巷道工程領域中，保障了煤炭開采工藝手段的實現。在嚴峻復雜地質等特殊礦山背景下通過不斷進行改革工作，生產模式逐步得到優化，有利于提升中國整體礦井生產體系的煤炭開采利用綜合效率，推動中國煤炭行業進一步持續良好發展。

4.6配套系統的建立煤礦掘進支護技術的運用離不開與之相關的輔助設備，因此煤礦企業應設計一套科學完整的配套系統來協調煤礦開采的整個流程，從而更好地解決生產中遇到的各種問題。例如，建立煤礦實時監控系統（見圖3），能對礦井日常的生產數據、運行控制、設備操作等進行實時監控，確保檢測人員能及時了解礦井的整體情況，縮短對突發問題的反應時間，掌握掘進支護設備的運行狀況，極大地增強了礦井開采中各種技術相互協作的能力[4]。5結語在飛速發展的經濟背景下，提升煤炭供需能力是必然的。因此，做好復雜地質環境下礦井的開發與生產也是大勢所趨。從掘進支護技術的特點出發，充分了解了它在煤礦生產中的重要程度。在未來煤炭行業發展過程中，要重視復雜地質條件礦井的發展。因此，煤礦領域專業人士應對煤礦掘進支護技術進行優化，努力提升復雜地質條件礦井開采能力，充分保障市場煤炭儲量，促進煤炭行業不斷向前發展。

作者:韋星光 單位:晉能控股煤業集團四明山煤礦

地質環境技術研究2

生態環境問題越來越受到人們的關注，其中由于煤炭開采導致的環境問題較嚴重，因此，需要構建穩定、全面且高效的環境治理恢復技術[1-2]。但是現有技術的實際治理效果不佳，容易出現關聯污染、資源枯竭等問題[3-4]?；诖?，結合寧夏石嘴山煤礦的實際情況，針對存在的有害物質擴散和生態環境遭到破壞等問題，設計更加全面、系統的環境治理恢復方案，以更加靈活、多元化的形式解決不同區域的煤礦地質問題，降低治理的關聯損害，實現對生態環境的循環治理，營造綠色的可持續發展道路。

1煤礦地質環境問題簡述

寧夏石嘴山煤礦工程是大型的礦產開采工程，其所處位置較為特殊，工程的底部面積為214m2。為了便于開采，在側向兩部分構建兩級削坡，上部的階高度約28m，下部的截面高度為12m，設定的坡比為1:2.3。煤礦開采的深度約為25m，坡腳高度約14m。同時，煤礦開采區域植被覆蓋率高，坡面多種植紫花苜蓿，平臺栽植刺槐、紫穗槐、紫花苜蓿等植物。距離邊坡10m處設有一道天溝，為開采的水源控流基礎設置，采用內空1.2m×0.5m的斷面構建漿砌片關聯墻。在開采的過程中，對煤礦附近的環境造成了極大的消極影響。由于開采設備較大，對地表的壓力增加，造成有害物質不斷移動擴散，地質災害頻發，地表水源循環狀態也逐漸混亂。煤礦開采過程中所產生的煤礦地質環境問題如下。

1.1有害物質移動擴散寧夏石嘴山煤礦開采過程中應用大型、重型設備，設備移動過程中對地表甚至地質造成破壞[5]。煤礦開采過程中產生較多的有害物質，其中最多的是煤矸石，其有害物質密度低，在外力作用下極易擴散或移動。該區域有害物質出現輕微擴散，對周邊的環境已經造成破壞[6]。1.2破壞生態環境寧夏石嘴山煤礦開采區域，由于采礦過程中產生的廢料較多，雖然集中處理，但是處理效果不佳，導致有毒有害物質滲透到土壤中，植被覆蓋面積迅速減少，原生態環境遭到嚴重破壞。1.3地表水資源循環狀態混亂抽排礦井水及巖層縫隙水的移動會給地表同流向的水源較大的壓力。該礦區地表水的流動方向發生巨大變化，初始的循環路徑發生改變，這也造成了煤礦的活動區域地表水流失以及水位下降等問題的出現。煤層自燃以及土體流失加重地表水源循環狀態混亂等問題。

2治理恢復技術

2.1布設監測裝置在寧夏石嘴山煤礦研究區域布設監測裝置[7]，需要劃定治理的區域為可控制區域，根據實際問題，設定對應數量的監測節點。每一個區域的監測節點要進行關聯，并由平臺統一控制，分類監控礦區地面塌陷、裂縫擴大、水位異常等問題。在監控區域設立警示牌，在控制平臺中分類設定標記，由專人負責監管控制[8]。

2.2礦區疏水排導礦區的疏水排導也是治理技術的主要部分。根據礦區的地勢以及覆蓋面積，預估區域內的水源總量，結合回填采空區的填充情況，對礦區的地表水進行處理?？梢越⑴潘疁锨?，計算具體的深度。修建排水溝渠，在溝渠的側向修建隔水層，其作用是分化過量的水資源，避免出現溝渠覆蓋的問題。觀察地下水的排導情況，并對污水作分割排放，完成礦區疏水的排導處理。

2.3削坡卸載雙向治理在完成礦區疏水排導之后，需要采用削坡卸載雙向治理的模式進一步優化完善整體的治理架構。根據寧夏石嘴山煤礦研究區域的實時監測數據信息，制定煤礦區的邊坡處理方案。部分煤礦開采工程處于大型邊坡區域，對環境的恢復治理難度高，因此，采用削坡卸載模式測定煤礦開采區域的地質環境，根據測定的數值。根據劃定比例，對治理恢復的邊坡削定。同時，在實時監測的情況下，在治理區域種植植被，固定周期之后，核定植被覆蓋率，并在塌陷區將土壤與種植的草種混合填充在塌陷位置。延長橫截坡長，采用修建白牛邊坡的形式來搭建漿砌水泥支護，完成削坡卸載的雙向治理。
2.4周期性覆蓋回位實現地質環境治理恢復采用周期性覆蓋回位的方式，實現寧夏石嘴山煤礦研究區域的地質環境治理恢復。部分區域在治理后的效果無法達到預期，同時，植被由于外部因素壞死，影響治理恢復效果。因此，定期排查治理區域問題，在一定的周期之內，重置治理區域進行植被綠化，栽植刺槐、紫穗槐等植物，不斷擴大植被覆蓋面積，高效地實現地質環境治理恢復目標。

3治理效果分析

寧夏石嘴山煤礦研究區域應用本文方法后，采空區等研究區域利用砂質土壤進行填充，并在塌陷區域附近設立警示牌，加強礦山監測，建立關聯墻體，將施工區域與其他區域隔離劃定。隨著工程的實施，塌陷的深度發生變化，根據實際的情況，通過生物植樹、種草，增加植被覆蓋率以及綠化面積，恢復生態環境，降低破壞程度。設定治理時間為6個月，分析區域的綠化比，綠化比值越高，表明本文方法的有效性越高，結果見表1。

4系統操作說明

該浮選加藥控制系統分為手動控制和自動控制兩種方式。自動控制時，加藥系統能自動根據進入煤泥水流段的干煤泥量和濃度的變化來控制浮選藥劑的添加量。當系統出現故障時，則可選擇手動方式來控制浮選生產過程。

4.1計算機操作浮選司機在電腦上操作賬號登錄后，可以完成以下操作：設備流程、工藝參數、參數報表、參數修改、操作幫助、退出系統。

4.2設備流程模擬顯示浮選系統的設備流程畫面，并動態顯示浮選機各分點加藥情況和藥劑泵、浮選機等設備的運行狀態。

4.3工藝參數浮選崗位司機可以隨時在上位機畫面上查看入浮濃度、入浮流量、累計流量、入浮干煤泥量、理論加藥量、實際加藥量、噸煤藥耗等重要參數.4.4參數報表根據需要在時間屬性中選擇起始時間和終止時間，然后從報表菜單中選擇“歷史查詢”，就可以查詢到所需數據。4.5參數修改參考設定參數值并且根據生產時浮選泡沫的情況對重要參數進行調整。

5結語

該浮選藥劑自動添加系統已于2021年11月在山西呂梁中陽桃園鑫隆煤業選煤廠正式投產使用，生產方式由以往的手動擰閥門變成計量泵變頻調整來控制加藥的方式，實現了入浮相關參數實時進行顯示和記錄。該系統設計合理，運行可靠，操作簡單，不僅降低了生產中藥劑的損耗，穩定浮選洗選指標，還減少了浮選崗位工人的數量，減輕崗位工人的勞動強度，得到了鑫隆煤業選煤廠浮選崗位司機的一致好評，為選煤廠帶來直接的經濟效益。

作者:金立濤 單位:中國建筑材料工業地質勘查中心寧夏總隊

地質環境技術研究3

隨著山西省煤層氣抽采規模迅速增加，已建或新建公路越來越多涉及瓦斯抽采影響的問題。國內外學者在煤層氣鉆井工藝、抽采方法等方面做了大量研究工作。牛國斌等［1］從水化學特征、水源補給、井底流壓等方面分析了水文地質條件對U型井排采的影響。李建林等［2］從巖石力學和地質力學兩方面對煤層氣開采后煤層底板突水進行理論分析。翟佳宇等［3］分析了區內煤層氣井產出水化學特征、離子變化規律及其與產能的關系。帥官印等［4］闡述了水力壓裂對含水層結構的破壞。段麗軍等［5］分析了排采煤層水破壞上覆巖層與地下水之間的壓力平衡問題。宋麗平［6］研究了排水采氣從單井排采模式到井網排采模式對地下水水位降深的影響。相興華［7］研究了太原地區汾河階地基坑開挖抽降水過程孔隙水壓力、水位及地面沉降變化趨勢。但是煤層氣生產、排采整個周期內對區域地質條件的改變尤其是對地下水水文地質環境會造成哪些影響的研究卻鮮見發表。鑒于此，本文依托高沁高速公路煤層氣排采井工程，通過數值模擬方法，揭示煤層氣抽采對地下水文地質環境的影響，為抽采井的選取提供參考，可為類似工程提供理論指導。

1工程地質概況

高沁高速位于山西省晉城市所轄高平市及沁水縣境內，高速所經路線走廊帶內地勢總體呈中部高、東西低，地形高差變化大，最高點位于K22+050左650m處的高平市與沁水縣分界的老馬嶺梁頂，高程1267m，最低點位于K40+420左150m處沁水縣端氏鎮古堆村西側固縣河河床，高程599m，相對最大高差668m。其所在的沁水盆地煤層氣開采區塊主力儲層為山西組3號煤層，該煤層構造形態表現為南抬北傾的單斜構造，由于受擠壓作用，區內局部構造表現為南北高、中間低的“隆、洼”相間結構。斷層不發育，合作區內僅發育6條斷層，斷距較小，結構相對簡單。煤層埋藏深度總體趨勢東南淺向西北變深，大部分地區埋深在500~1150m，開發主體埋深600~900m。地層主要以新生界黃土及粉質黏土，中生界三疊系砂巖、泥巖，古生界二疊系、石炭系砂巖、泥巖為主。

2含煤地層及煤層氣可采煤層

區內煤層主要分布在二疊系下統山西組（P1s）和石炭系上統太原組（C3t）。含煤地層總厚153.32m，共含煤15層，自上而下為1、2、3、5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16、17號煤層，其中可采煤層2層，分別為3、15號煤層，平均總厚8.43m。其中山西組3號煤層為區主要可采煤層，煤層氣抽采層位賦存于山西組的下部，層位穩定。煤層厚2.50～6.74m，總厚平均5.25m。上距K8砂巖22.57～48.02m，平均36.35m。頂、底板多為泥巖、砂質泥巖，全區（高沁公路涉及的煤層氣區塊）穩定可采。太原組15號煤層為區主要可采煤層，煤層氣抽采層位位于太原組下部，煤層厚1.05～6.11m，總厚平均3.18m。上距3號煤層78.10m左右，距K2灰巖0～0.60m。直接頂板為泥巖或石灰巖，底板為泥巖、砂質泥巖或炭質泥巖，老頂為K2石灰巖，全區（高沁公路涉及的煤層氣區塊）穩定可采。3、15號煤層及附近巖層參數詳見下表（表1）。

3煤層氣抽采對地下水影響研究

根據煤層氣抽采的實際情況，本次計算選取模型從地面開始即埋深為0m，煤層賦存層位及厚度情況、巖性及巖層結構組合均按實際地質條件建立，抽采井直徑為21.9cm?？紤]到煤層氣井在高沁高速公路兩側分布情況，本次采用在高速公路兩側不同距離抽采的工況建立模型。數值模擬中選用的巖土力學參數，均采取實測值，并按照FLAC建模采用模型，進行一定的換算，模型選取的巖石力學參數見表2。本部分模擬煤層氣抽采井布置在公路單側和兩側兩種工況下，距離公路不同水平距離地下水水頭壓力變化趨勢。水頭按照正常實際條件設置，為承壓水，水頭為煤層頂板200m處。通過數值計算模擬，研究了煤層氣抽采對地層中地下水形成的孔隙水壓力分布特征。

（1）單側模擬分別對抽采井距公路一側水平距離分別為50m、75m、100m、150m、200m的情況進行了地層水壓模擬，初始地層孔隙水壓力2.0MPa條件下不同抽排距離情況的壓力變化趨勢是一致的，均是在抽采井處水壓降低最大，形成地下水由四周向井中心徑流的趨勢。抽采井區的水位降深影響范圍分別為7.9m、7.8m、7.9m、8.1m、8.1m。由于煤層氣的抽采，使得地層中地下水流動形式進行了重新分布，徑流形成以抽采井為中心，其孔隙壓力降低，四周地下水向抽采井流動，孔隙水壓力的變化形成了降水曲線，影響范圍至模型邊界處。這是由于煤層氣抽采時，先對抽采井端的地下水水頭壓力降低影響。

（2）兩側模擬分別對抽采井距公路兩側距離為50m、75m、100m、150m、200m的情況進行了地層水壓模擬，初始地層孔隙水壓力2.0MPa條件下不同抽排距離情況的壓力較單側水頭壓力降低了將近1MPa。這是因為在抽采井端，兩口井同時作用，對地下水有一定的疊加干擾，疊加區出現明顯水位降深，降深漏斗斜率增大，明顯影響范圍分別為6m、8.8m、11.3m、8.15m、10.6m。為了對比煤層氣井單側、雙側抽采孔隙水壓降，以便分析抽采對地下水的影響，以公路帶狀走向為中心做橫斷面，距公路不同水平距離的煤層頂板處做地下水水壓監測，其結果如圖1所示。降低，表現出隨著與抽采井距離增大，降深趨于減小。同一位置處單側抽采水頭壓力降低幅度低于雙側抽采的水頭壓力降低幅度，主要原因是雙側抽采在兩井間存在井間干擾，應力疊加導致。單側模擬、兩側模擬時，抽采井距離公路越遠，對公路正下方地下水分布影響也越小。而且，公路兩側同時抽采，由于應力疊加，對地下水影響較大，孔隙水壓力降低大于單側抽采。

4結論

本文依托高沁高速公路工程，采用數值模擬方法模擬了煤層氣井單側、雙側不同抽采工況下對高速公路地下水水文地質環境的影響，得出以下結論：抽采井距公路距離遠近不同，其變化趨勢是一致的，均是在抽采井處水壓降低最大，形成地下水由四周向井中心徑流的趨勢；公路兩側同時抽采，在兩井間存在井間干擾，由于應力疊加，對地下水影響較大，孔隙水壓力降低大于單側抽采。煤層氣抽采井選用型式應結合公路水文地質情況綜合考慮，當地下水位較高時，優先選取單側井進行煤層氣抽采。

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作者:馬建萍 劉一鳴 宋亞楠 羅斌 杜一波 單位:山西交通控股集團有限公司晉城高速公路分公司 山西能源學院