地质环境技术研究1

随着科学技术的飞速发展，煤矿企业得到了空前的发展，社会发展对煤炭资源的需求量也在不断增加，对矿井开采效率提出了更高的要求。煤矿企业尽管所处地理位置不同，但几乎都会遇到地质环境复杂的矿井。在开采这类矿井时，如果不对掘进技术进行升级和调整，那么不仅会拖延矿井正常的生产进度，还会对煤矿企业的经济效益产生负面影响。因此，为了更好地解决复杂地质矿井的生产问题，推进煤炭行业的全面发展，加强对煤矿掘进支护技术在复杂地质条件下的应用探讨具有重要意义。

1矿井掘进区域的地质条件

矿井地质条件对于煤炭开采至关重要。目前来看，中国现存最多的矿井类型是开采历史较为久远的老矿区矿井，长久的开采使得地质条件更为复杂，煤层断层多，矿井压力较大，矿井掘进区域的地质条件不稳定。

2复杂地质条件下煤矿掘进支护技术的特点

a)掘进支护技术较为复杂，涉及层面较广。煤矿开采需要大量专业理论知识的铺垫，在进行矿井现场施工时，更需要严谨控制各种参数，放眼于掘进支护技术的整体规划，综合各方面进行考量，才能在实际生产中避免由操作不当造成安全事故。b)生产过程危险系数高，生产环境复杂。煤矿开采的整个过程需要多个环节相互协作和配合，涉及的生产设备及人员配比都较为复杂。这大大加剧了生产操作的不可控，对于复杂地质环境的矿井更是难以及时调控出现的问题。问题发展到一定程度时，将威胁矿井开采人员的人身财产安全及煤矿企业的生产安全。此外，煤矿大多都深入地下，开采工作大部分在地下进行，地下开采环境相对复杂，增大了掘进支护技术的应用难度，进而使矿井的开采进度和原煤产量都受到影响。c)掘进支护技术受自然环境影响大。煤矿开采过程并不是单一的生产过程，在实际生产中需对矿井生产相关因素都进行调查和评估，包括矿井周边的地质、水文、气候等因素。针对地质、水文、气候等方面问题若没有对应的应急措施，一旦发生危险情况，将增大安全事故的处理难度。d)掘进支护技术应用不当的危害性大。煤矿掘进支护技术的应用条件较为严格，一旦在应用过程中出现操作不规范等问题，将会直接导致安全事故发生。掘进支护技术在整个矿井生产中有着十分重要的作用。若实际生产中发生安全事故，不仅影响矿井生产进度，事故的后期补救也非常困难。因此，要确保矿井掘进支护技术在应用过程中的严谨性，降低使用不当带来的危害[1-2]。

3复杂地质条件下煤矿掘进支护技术的应用现状

3.1易开采区向复杂开采区发展随着社会经济的进一步发展及市场对各类煤炭产品需求的增加，煤矿开采人员必须重新审视复杂地质条件下的煤矿开采情况，了解煤矿开采活动中存在的细节问题，探讨复杂地质条件下的煤矿开采技术。易开采区的掘进支护技术与复杂开采区的掘进支护技术有相当大的差别，专业技术人员需及时采取各种灾害的抢险应对措施，全面深入推广地下掘进支护技术的应用。

3.2掘进支护技术不断发展掘进支护技术在中国大型煤矿井下开采作业中已有诸多成功的实践应用经验，这对于积极推动中国新型煤矿产业技术的创新起到很重要的带动作用。煤矿企业一线技术人员务必重视矿井掘进支护技术的应用和提升。尤其要进一步做好复杂地质条件下矿井支护材料技术创新的前瞻性探讨，了解掘进支护相关技术及材料应用的具体创新，并注意结合中国实际的煤矿情况做好相应工艺的技术研究应用，推进先进的现代煤矿开采施工技术的应用，并努力减少矿井安全隐患，降低煤矿事故发生的概率。但现阶段中国大规模煤矿综合开采中还存在一些细节化的问题，直接制约着大型煤矿开采工程的安全性。

4复杂地质条件下煤矿掘进支护技术的应用要点

4.1科学选择掘进支护设备掘进支护设备的选择决定着掘进后期巷道在井下复杂地质条件影响下的状态。矿井掘进支护措施与配套设备系统设计方案的合理性与科学性会对煤矿开采产生深远影响，因此要重视对掘进支护设备的科学选择。矿井掘进支护设备应具备安全高效的特点，目前中国矿井主要依靠2种掘进设备：普通型的巷道掘进机以及综合性掘进机。综合性掘进机及其辅助设备能快速而有效地提升整个煤矿系统的开采效率。但在具体的应用中，煤矿巷道掘进设备的配置及选择方面也要综合考虑煤炭需求量等情况，由各相关行业矿山技术人员专门负责做好矿山地质情况、外界气候影响等因素的数据比对，从而切实保证矿井各项采掘工艺设备资源配置的科学性和合理性[3]。

4.2加强截齿的合理选择煤矿开采工艺中对设备截齿材料的一般要求是采用高强度钢材并坚硬耐磨，切实降低设备截齿部件的报废率，进而降低煤矿的最终生产成本。在复杂的地质条件下，截齿需经常面对具有不同地质条件的作业现场，容易发生不同程度的损伤，严重的会造成机械损坏，还会导致各种作业及施工设备的运转停顿。这就需要相关行业的现场作业人员针对实际施工情况进行截齿的科学选择，保障复杂地质条件下煤矿生产的安全顺利进行。

4.3强化临时支护技术的使用临时支护技术的使用对于一些复杂地质条件下的露天煤矿开采有很大程度的辅助作用。复杂特殊的围岩地质环境往往可能与工程前期的勘探分析结果有出入，应做好更全面和细致深入的研究分析，基于煤矿当下现场的地质勘察研究结果进行井下临时支护技术的液压系统规划，保障井下复杂地质条件影响下的巷道掘进支护技术能有效满足煤矿作业的安全需求，有效推动现代化煤矿工程的全面发展。

4.4有效利用破顶支护技术破顶支护技术是矿山掘进和工作面支护中运用较为成功的新技术，能进一步保障矿山顶板周围边坡的稳定性，避免边坡发生大面积塌方事件，保障矿山工作面边坡支护等施工的安全有效开展。在井下具体支护作业设计过程中，要重视井下关键节点的支护工作，设置和固定好锚网索，结合矿井实际掘进及设备使用情况对断层进行支护，保障矿井生产安全。在施工前要对复杂的大型煤矿巷道项目进行技术施工图的详细设计，利用成熟先进的技术设计好每个具体的项目，提前按照规范设计好相应的技术数据指标。图1所示为一巷道支护图。

4.5有效使用U型钢支护技术在煤矿巷道掘进支护施工过程中极有可能遇到一些较大活动范围的断层。面对这种情况，必须要求工作人员根据已掌握的矿井施工方法对矿井进行掘进支护作业，重新计算和确定设备相应参数，同时在巷道具体支护设计及施工过程中必须考虑支撑锚杆的角度问题，对锚杆安装点存在的角度倾斜错误及时进行控制与调整。同时，对整个巷道掘进支护中存在的地质影响因素进行分析，并提出建设性意见，制定巷道的相应支护技术方案及断面设计图。如图2所示，煤矿巷道U型钢支护结构设计能更经济高效地应用于中国煤矿巷道工程领域中，保障了煤炭开采工艺手段的实现。在严峻复杂地质等特殊矿山背景下通过不断进行改革工作，生产模式逐步得到优化，有利于提升中国整体矿井生产体系的煤炭开采利用综合效率，推动中国煤炭行业进一步持续良好发展。

4.6配套系统的建立煤矿掘进支护技术的运用离不开与之相关的辅助设备，因此煤矿企业应设计一套科学完整的配套系统来协调煤矿开采的整个流程，从而更好地解决生产中遇到的各种问题。例如，建立煤矿实时监控系统（见图3），能对矿井日常的生产数据、运行控制、设备操作等进行实时监控，确保检测人员能及时了解矿井的整体情况，缩短对突发问题的反应时间，掌握掘进支护设备的运行状况，极大地增强了矿井开采中各种技术相互协作的能力[4]。5结语在飞速发展的经济背景下，提升煤炭供需能力是必然的。因此，做好复杂地质环境下矿井的开发与生产也是大势所趋。从掘进支护技术的特点出发，充分了解了它在煤矿生产中的重要程度。在未来煤炭行业发展过程中，要重视复杂地质条件矿井的发展。因此，煤矿领域专业人士应对煤矿掘进支护技术进行优化，努力提升复杂地质条件矿井开采能力，充分保障市场煤炭储量，促进煤炭行业不断向前发展。

作者:韦星光 单位:晋能控股煤业集团四明山煤矿

地质环境技术研究2

生态环境问题越来越受到人们的关注，其中由于煤炭开采导致的环境问题较严重，因此，需要构建稳定、全面且高效的环境治理恢复技术[1-2]。但是现有技术的实际治理效果不佳，容易出现关联污染、资源枯竭等问题[3-4]。基于此，结合宁夏石嘴山煤矿的实际情况，针对存在的有害物质扩散和生态环境遭到破坏等问题，设计更加全面、系统的环境治理恢复方案，以更加灵活、多元化的形式解决不同区域的煤矿地质问题，降低治理的关联损害，实现对生态环境的循环治理，营造绿色的可持续发展道路。

1煤矿地质环境问题简述

宁夏石嘴山煤矿工程是大型的矿产开采工程，其所处位置较为特殊，工程的底部面积为214m2。为了便于开采，在侧向两部分构建两级削坡，上部的阶高度约28m，下部的截面高度为12m，设定的坡比为1:2.3。煤矿开采的深度约为25m，坡脚高度约14m。同时，煤矿开采区域植被覆盖率高，坡面多种植紫花苜蓿，平台栽植刺槐、紫穗槐、紫花苜蓿等植物。距离边坡10m处设有一道天沟，为开采的水源控流基础设置，采用内空1.2m×0.5m的断面构建浆砌片关联墙。在开采的过程中，对煤矿附近的环境造成了极大的消极影响。由于开采设备较大，对地表的压力增加，造成有害物质不断移动扩散，地质灾害频发，地表水源循环状态也逐渐混乱。煤矿开采过程中所产生的煤矿地质环境问题如下。

1.1有害物质移动扩散宁夏石嘴山煤矿开采过程中应用大型、重型设备，设备移动过程中对地表甚至地质造成破坏[5]。煤矿开采过程中产生较多的有害物质，其中最多的是煤矸石，其有害物质密度低，在外力作用下极易扩散或移动。该区域有害物质出现轻微扩散，对周边的环境已经造成破坏[6]。1.2破坏生态环境宁夏石嘴山煤矿开采区域，由于采矿过程中产生的废料较多，虽然集中处理，但是处理效果不佳，导致有毒有害物质渗透到土壤中，植被覆盖面积迅速减少，原生态环境遭到严重破坏。1.3地表水资源循环状态混乱抽排矿井水及岩层缝隙水的移动会给地表同流向的水源较大的压力。该矿区地表水的流动方向发生巨大变化，初始的循环路径发生改变，这也造成了煤矿的活动区域地表水流失以及水位下降等问题的出现。煤层自燃以及土体流失加重地表水源循环状态混乱等问题。

2治理恢复技术

2.1布设监测装置在宁夏石嘴山煤矿研究区域布设监测装置[7]，需要划定治理的区域为可控制区域，根据实际问题，设定对应数量的监测节点。每一个区域的监测节点要进行关联，并由平台统一控制，分类监控矿区地面塌陷、裂缝扩大、水位异常等问题。在监控区域设立警示牌，在控制平台中分类设定标记，由专人负责监管控制[8]。

2.2矿区疏水排导矿区的疏水排导也是治理技术的主要部分。根据矿区的地势以及覆盖面积，预估区域内的水源总量，结合回填采空区的填充情况，对矿区的地表水进行处理。可以建立排水沟渠，计算具体的深度。修建排水沟渠，在沟渠的侧向修建隔水层，其作用是分化过量的水资源，避免出现沟渠覆盖的问题。观察地下水的排导情况，并对污水作分割排放，完成矿区疏水的排导处理。

2.3削坡卸载双向治理在完成矿区疏水排导之后，需要采用削坡卸载双向治理的模式进一步优化完善整体的治理架构。根据宁夏石嘴山煤矿研究区域的实时监测数据信息，制定煤矿区的边坡处理方案。部分煤矿开采工程处于大型边坡区域，对环境的恢复治理难度高，因此，采用削坡卸载模式测定煤矿开采区域的地质环境，根据测定的数值。根据划定比例，对治理恢复的边坡削定。同时，在实时监测的情况下，在治理区域种植植被，固定周期之后，核定植被覆盖率，并在塌陷区将土壤与种植的草种混合填充在塌陷位置。延长横截坡长，采用修建白牛边坡的形式来搭建浆砌水泥支护，完成削坡卸载的双向治理。
2.4周期性覆盖回位实现地质环境治理恢复采用周期性覆盖回位的方式，实现宁夏石嘴山煤矿研究区域的地质环境治理恢复。部分区域在治理后的效果无法达到预期，同时，植被由于外部因素坏死，影响治理恢复效果。因此，定期排查治理区域问题，在一定的周期之内，重置治理区域进行植被绿化，栽植刺槐、紫穗槐等植物，不断扩大植被覆盖面积，高效地实现地质环境治理恢复目标。

3治理效果分析

宁夏石嘴山煤矿研究区域应用本文方法后，采空区等研究区域利用砂质土壤进行填充，并在塌陷区域附近设立警示牌，加强矿山监测，建立关联墙体，将施工区域与其他区域隔离划定。随着工程的实施，塌陷的深度发生变化，根据实际的情况，通过生物植树、种草，增加植被覆盖率以及绿化面积，恢复生态环境，降低破坏程度。设定治理时间为6个月，分析区域的绿化比，绿化比值越高，表明本文方法的有效性越高，结果见表1。

4系统操作说明

该浮选加药控制系统分为手动控制和自动控制两种方式。自动控制时，加药系统能自动根据进入煤泥水流段的干煤泥量和浓度的变化来控制浮选药剂的添加量。当系统出现故障时，则可选择手动方式来控制浮选生产过程。

4.1计算机操作浮选司机在电脑上操作账号登录后，可以完成以下操作：设备流程、工艺参数、参数报表、参数修改、操作帮助、退出系统。

4.2设备流程模拟显示浮选系统的设备流程画面，并动态显示浮选机各分点加药情况和药剂泵、浮选机等设备的运行状态。

4.3工艺参数浮选岗位司机可以随时在上位机画面上查看入浮浓度、入浮流量、累计流量、入浮干煤泥量、理论加药量、实际加药量、吨煤药耗等重要参数.4.4参数报表根据需要在时间属性中选择起始时间和终止时间，然后从报表菜单中选择“历史查询”，就可以查询到所需数据。4.5参数修改参考设定参数值并且根据生产时浮选泡沫的情况对重要参数进行调整。

5结语

该浮选药剂自动添加系统已于2021年11月在山西吕梁中阳桃园鑫隆煤业选煤厂正式投产使用，生产方式由以往的手动拧阀门变成计量泵变频调整来控制加药的方式，实现了入浮相关参数实时进行显示和记录。该系统设计合理，运行可靠，操作简单，不仅降低了生产中药剂的损耗，稳定浮选洗选指标，还减少了浮选岗位工人的数量，减轻岗位工人的劳动强度，得到了鑫隆煤业选煤厂浮选岗位司机的一致好评，为选煤厂带来直接的经济效益。

作者:金立涛 单位:中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队

地质环境技术研究3

随着山西省煤层气抽采规模迅速增加，已建或新建公路越来越多涉及瓦斯抽采影响的问题。国内外学者在煤层气钻井工艺、抽采方法等方面做了大量研究工作。牛国斌等［1］从水化学特征、水源补给、井底流压等方面分析了水文地质条件对U型井排采的影响。李建林等［2］从岩石力学和地质力学两方面对煤层气开采后煤层底板突水进行理论分析。翟佳宇等［3］分析了区内煤层气井产出水化学特征、离子变化规律及其与产能的关系。帅官印等［4］阐述了水力压裂对含水层结构的破坏。段丽军等［5］分析了排采煤层水破坏上覆岩层与地下水之间的压力平衡问题。宋丽平［6］研究了排水采气从单井排采模式到井网排采模式对地下水水位降深的影响。相兴华［7］研究了太原地区汾河阶地基坑开挖抽降水过程孔隙水压力、水位及地面沉降变化趋势。但是煤层气生产、排采整个周期内对区域地质条件的改变尤其是对地下水水文地质环境会造成哪些影响的研究却鲜见发表。鉴于此，本文依托高沁高速公路煤层气排采井工程，通过数值模拟方法，揭示煤层气抽采对地下水文地质环境的影响，为抽采井的选取提供参考，可为类似工程提供理论指导。

1工程地质概况

高沁高速位于山西省晋城市所辖高平市及沁水县境内，高速所经路线走廊带内地势总体呈中部高、东西低，地形高差变化大，最高点位于K22+050左650m处的高平市与沁水县分界的老马岭梁顶，高程1267m，最低点位于K40+420左150m处沁水县端氏镇古堆村西侧固县河河床，高程599m，相对最大高差668m。其所在的沁水盆地煤层气开采区块主力储层为山西组3号煤层，该煤层构造形态表现为南抬北倾的单斜构造，由于受挤压作用，区内局部构造表现为南北高、中间低的“隆、洼”相间结构。断层不发育，合作区内仅发育6条断层，断距较小，结构相对简单。煤层埋藏深度总体趋势东南浅向西北变深，大部分地区埋深在500~1150m，开发主体埋深600~900m。地层主要以新生界黄土及粉质黏土，中生界三叠系砂岩、泥岩，古生界二叠系、石炭系砂岩、泥岩为主。

2含煤地层及煤层气可采煤层

区内煤层主要分布在二叠系下统山西组（P1s）和石炭系上统太原组（C3t）。含煤地层总厚153.32m，共含煤15层，自上而下为1、2、3、5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16、17号煤层，其中可采煤层2层，分别为3、15号煤层，平均总厚8.43m。其中山西组3号煤层为区主要可采煤层，煤层气抽采层位赋存于山西组的下部，层位稳定。煤层厚2.50～6.74m，总厚平均5.25m。上距K8砂岩22.57～48.02m，平均36.35m。顶、底板多为泥岩、砂质泥岩，全区（高沁公路涉及的煤层气区块）稳定可采。太原组15号煤层为区主要可采煤层，煤层气抽采层位位于太原组下部，煤层厚1.05～6.11m，总厚平均3.18m。上距3号煤层78.10m左右，距K2灰岩0～0.60m。直接顶板为泥岩或石灰岩，底板为泥岩、砂质泥岩或炭质泥岩，老顶为K2石灰岩，全区（高沁公路涉及的煤层气区块）稳定可采。3、15号煤层及附近岩层参数详见下表（表1）。

3煤层气抽采对地下水影响研究

根据煤层气抽采的实际情况，本次计算选取模型从地面开始即埋深为0m，煤层赋存层位及厚度情况、岩性及岩层结构组合均按实际地质条件建立，抽采井直径为21.9cm。考虑到煤层气井在高沁高速公路两侧分布情况，本次采用在高速公路两侧不同距离抽采的工况建立模型。数值模拟中选用的岩土力学参数，均采取实测值，并按照FLAC建模采用模型，进行一定的换算，模型选取的岩石力学参数见表2。本部分模拟煤层气抽采井布置在公路单侧和两侧两种工况下，距离公路不同水平距离地下水水头压力变化趋势。水头按照正常实际条件设置，为承压水，水头为煤层顶板200m处。通过数值计算模拟，研究了煤层气抽采对地层中地下水形成的孔隙水压力分布特征。

（1）单侧模拟分别对抽采井距公路一侧水平距离分别为50m、75m、100m、150m、200m的情况进行了地层水压模拟，初始地层孔隙水压力2.0MPa条件下不同抽排距离情况的压力变化趋势是一致的，均是在抽采井处水压降低最大，形成地下水由四周向井中心径流的趋势。抽采井区的水位降深影响范围分别为7.9m、7.8m、7.9m、8.1m、8.1m。由于煤层气的抽采，使得地层中地下水流动形式进行了重新分布，径流形成以抽采井为中心，其孔隙压力降低，四周地下水向抽采井流动，孔隙水压力的变化形成了降水曲线，影响范围至模型边界处。这是由于煤层气抽采时，先对抽采井端的地下水水头压力降低影响。

（2）两侧模拟分别对抽采井距公路两侧距离为50m、75m、100m、150m、200m的情况进行了地层水压模拟，初始地层孔隙水压力2.0MPa条件下不同抽排距离情况的压力较单侧水头压力降低了将近1MPa。这是因为在抽采井端，两口井同时作用，对地下水有一定的叠加干扰，叠加区出现明显水位降深，降深漏斗斜率增大，明显影响范围分别为6m、8.8m、11.3m、8.15m、10.6m。为了对比煤层气井单侧、双侧抽采孔隙水压降，以便分析抽采对地下水的影响，以公路带状走向为中心做横断面，距公路不同水平距离的煤层顶板处做地下水水压监测，其结果如图1所示。降低，表现出随着与抽采井距离增大，降深趋于减小。同一位置处单侧抽采水头压力降低幅度低于双侧抽采的水头压力降低幅度，主要原因是双侧抽采在两井间存在井间干扰，应力叠加导致。单侧模拟、两侧模拟时，抽采井距离公路越远，对公路正下方地下水分布影响也越小。而且，公路两侧同时抽采，由于应力叠加，对地下水影响较大，孔隙水压力降低大于单侧抽采。

4结论

本文依托高沁高速公路工程，采用数值模拟方法模拟了煤层气井单侧、双侧不同抽采工况下对高速公路地下水水文地质环境的影响，得出以下结论：抽采井距公路距离远近不同，其变化趋势是一致的，均是在抽采井处水压降低最大，形成地下水由四周向井中心径流的趋势；公路两侧同时抽采，在两井间存在井间干扰，由于应力叠加，对地下水影响较大，孔隙水压力降低大于单侧抽采。煤层气抽采井选用型式应结合公路水文地质情况综合考虑，当地下水位较高时，优先选取单侧井进行煤层气抽采。

【参考文献】

［1］牛国斌，马凯，赵宇星.水文地质条件对煤层气U型井的排采影响分析［J］.中国煤层气，2021，18（4）：39-42.

［2］李建林，赵帅鹏，崔延华.煤层气开采后成庄矿15号煤层底板突水危险性评价［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2021，40（5）：1-7.

［3］翟佳宇，张松航，唐书恒.云南老厂雨旺区块煤层气井产出水化学特征［J］.科学技术与工程，2021，21（13）：5245-5254.

［4］帅官印，张永波，张志祥，等.煤层气开采对地下水环境影响研究现状［C］//.白云.《环境工程》2018年全国学术年会论文集：中册.北京：《工业建筑》杂志社，2018：5-10.

［5］段丽军，尚长生，曹金亮，等.煤层气矿山地质环境问题类型及形成机理：以山西蓝焰煤层气矿山成庄区块为例［J］.山西煤炭，2019，39（2）：14-16.

［6］宋丽平.煤层气井排水采气工艺技术研究［D］.北京：中国石油大学，2011.［7］相兴华.基坑开挖与降水对支护结构受力及地面变形影响的研究［D］.太原：太原理工大学，2013.

作者:马建萍 刘一鸣 宋亚楠 罗斌 杜一波 单位:山西交通控股集团有限公司晋城高速公路分公司 山西能源学院