项目名称

基于水化学特征的矿井突水水源辨识技术研究

推荐单位

河南理工大学

项目简介

1、项目研究主要内容

煤矿在建井和采矿过程中，破坏了地下含水系统与围岩的原始平衡状态。井巷或采掘工作面的围岩薄弱带在有一定水头或承压地下水作用下，经陷落柱、断层、节理、裂隙、破碎带、软弱层，或矿压破坏产生的裂隙系统等过水通道发生突水。研究和处理矿井突水对煤矿生产的危害，一般从矿井突水水源和突水通道两方面来解决。判定矿井突水水源是治理矿井突水的关键，只有找到了突水水源，才能有针对性地解决矿井突水问题。在研究突水的众多方法中，结合当地的水文地质条件，分析突水的水化学特征是一种简单有效的判断矿井突水水源的方法。

由于各主要充水层地下水水化学特征存在明显的差异，利用突水后的水质分析资料，可以达到识别突水来源的目的。故本项目以平顶山矿区为研究对象，依据平顶山矿区已有水文地质区划，分析主要含水层埋藏分布特征和水文地质特征；收集分析已有的充水含水层的水化学资料，并补充收集了平顶山矿区的七矿、九矿、十一矿、六矿、十矿、一矿、十二矿、二矿、十三矿、首一矿、平禹一矿、方山新井、白庙矿、平禹六矿、宁庄矿、长虹矿、庇山矿、张村矿、大庄矿等共计70个水样，进行水质检测；研究各充水含水层的水化学特征及差异，过滤出各充水含水层的典型离子为六大常规离子Na⁺+K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-的离子含量；利用现代数学方法结合计算机技术，基于充水含水层典型离子组份，建立识别各充水含水层的数学模型；依据实测的各充水含水层的离子组份检验所建立的数学模型，通过验证判别准确率达到93.3%，并用于生产实际中充水含水层的判断；将判别模型应用于焦作矿区及新安矿，验证的准确率达到95%以上。

2、主要技术经济指标

（1）分析了平顶山矿区主要含水层埋藏分布特点和水文地质特征；

（2）分析了平顶山矿区主要含水层水化学特征及差异；

（3）过滤出平顶山矿区主要含水层的典型离子；

（4）建立了识别各充水含水层的数学模型，并进行了验证；

（5）用相同的方法分别在焦作矿区及新安矿建立了各自的充水含水层的识别模型，并进行了验证，准确率达到95%以上。

3、推广应用情况及所取得的社会和经济效益

项目研究成果已在焦作矿区和平顶山矿区各主要矿井中使用，并且将项目研究建立矿井突水水源识别模型的方法应用于新安矿区，分别建立了适合于各自矿区的突水水源识别模型，经验证，准确率高。

矿井一旦出现突水安全事故，轻则对煤矿生产造成影响，带来巨大的经济损失，重则可能造成淹井等严重的事故，造成人员伤亡，其社会影响巨大。该项目的研究成果可在突水事故发生后尽快找到突水水源，为下一步制定防治水方案奠定基础，可最大程度的减少经济损失，并为井下救援争取时间，故该项目的研究具有巨大的社会和经济效益。

完成单位及创新推广贡献

河南理工大学、平顶山天安煤业股份有限公司

推广应用情况

矿井突水水源判别是防治水工作重要的基础，正确、快速判断突水水源为采取合理有效的防治水措施(疏干、降压及堵水)提供决策上的依据，为突水事故的处理争取时间，争取了主动，从而最大程度地降低突水事故所带来的损失。该项目从焦作矿区和平顶山矿区主要含水层水化学特征入手，利用主成份分析法分离出主要的判别因子，再利用距离判别法建立了突水水源的识别模型。该方法建模简单，准确率高，操作简便，实施费用低，速度快，具有较好的市场应用前景和广阔的推广价值。目前，项目研究成果已应用于焦作矿区中马村矿和九里山矿及平顶山矿区五矿和十三矿。四个矿井已建立了各自的识别模型和数据库，经涌水水源的识别验证，准确率高。

曾获科技奖励情况

基于水化学特征的矿井突水水源辨识技术研究，2014年获焦作市科学技术进步一等奖；2014年获中国煤炭工业协会科学技术二等奖

主要知识产权目录（不超过10件）

序号

知识产权类别

知识产权具体名称

国家

授权号

授权日期

证书编号

权利人

发明人

1

授权发明专利

一种地下水污染治理修复三维相似模拟实验方法

中国

CN 103353514B

2015.07.15

1726471

河南理工大学

王心义、姬红英、辛亚军

2

授权发明专利

一种地下水污染治理修复三维相似模拟实验装置

中国

CN 103353515B

2015.07.15

1727200

河南理工大学

姬红英、王心义、辛亚军

3

授权发明专利

一种确定地下热水可开采量的开采井优化布局方法

中国

CN 2016510186652.3（申请号）

2015.4.22（申请日）

河南理工大学

王心义、刘小满、王麒、姬红英、杨芳、林学钰、韩鹏飞、廖资生

完成人情况表

姓名、排名、职称、工作单位、完成单位、对本项目技术创造性贡献、曾获国家、省科技奖励情况

排名

姓 名

技术职称

工作单位

对成果创造性

贡献

1

王心义

教授

河南理工大学

研究方案的制定

2

张平卿

高工

平顶山天安煤业股份有限公司地测处

关键因子的分离

3

姚小平

讲师

河南理工大学

关键因子的分离

4

黄 丹

工程师

河南理工大学

水化学特征差异研究

5

王世东

副研究员

河南理工大学

水样的检测与分析

6

陈魁奎

讲师

河南理工大学

矿区水文地质调查

7

邓奇宇

工程师

平顶山天安煤业股份有限公司地测处

矿区水文地质调查

8

杨 建

工程师

河南理工大学

水样的检测与分类

9

夏大平

讲师

河南理工大学

实验数据的整理与分析

10

宋德熹

高工

平顶山天安煤业股份有限公司地测处

实验数据的整理与分析

11

姬红英

工程师

河南理工大学

判别模型的建立

12

赵 丽

副教授

河南理工大学

判别模型的建立

13

高 韬

工程师

平顶山天安煤业股份有限公司地测处

水样的检测与分类

14

冀红兵

工程师

平顶山天安煤业股份有限公司地测处

取样地点选择及水样采集

15

赵彦琦

讲师

河南理工大学

水化学特征差异研究

项目名称

利用烟气脱硫石膏制备快硬早强注浆材料及其制备方法

推荐单位

河南理工大学

项目简介

本项目属于采矿工程井巷工程的领域。我国煤矿开采深度以8m~12m/年的速度增加，随煤炭采掘深度增加，大采高工作面片帮冒顶现象严重，带来极大的安全问题。目前主要采用聚氨酯等高分子类注浆材料注浆加固，效果较好，但存在着成本高，消耗石油资源，污染地下水，操作过程中对人体有毒害作用等问题。

本发明专利发明了一种在功能上可以替代聚氨酯类高分子注浆材料的无机矿物注浆材料。与高分子类注浆材料相比成本降低了80%以上，而且大量利用了电厂大宗工业废弃物烟气脱硫石膏。

其技术内容如下：

从原料组成上，本发明已经进行了详细说明：本发明所制备的快硬早强注浆材料，包括两A、B两种组分，其中A组分由硫铝酸盐水泥熟料、悬浮剂组成；B组分由烟气脱硫石膏、生石灰和悬浮剂组成。A组分中硫铝酸盐水泥熟料占A组分重量的98%～100%，悬浮剂为羟丙基甲基纤维素，占A组分重量的0%～2%。B组分中烟气脱硫石膏占B组分重量的75%～85%，生石灰占B组分重量的10%～20%，悬浮剂为钠基膨润土，占B组分重量的3%～5%。

从制备方法上，本专利进行了详细说明：

A组分的制备方法是将硫铝酸盐水泥熟料与悬浮剂按比例混合，在球磨机中共同粉磨到最大粒度不大于35μm。此过程中悬浮剂羟丙基甲基纤维素起到对硫铝酸盐水泥熟料粉磨的助磨作用，减少制备能耗，同时使其在A组分中分散均匀，改善其悬浮效果。

B组分的制备方法是将烟气脱硫石膏、生石灰和钠基膨润土按比例混合，在球磨机中共同粉磨到最大粒度不大于35μm。此过程中悬浮剂钠基膨润土起到对烟气脱硫石膏、生石灰的助磨作用，降低制备能耗，同时使其在B组分中分散均匀，改善其悬浮效果。

从本发明注浆材料的使用方法上，也进行了说明：使用时，将A组分与B组分分别按1：1的重量比与水混合搅拌均匀，通过注浆泵和混合器按1：1的浆液体积比进行混合注浆。

本发明专利所发明注浆材料的性能指标：

本专利发明了一种快硬早强注浆材料，其在使用过程中12h内具有良好的悬浮性，凝结时间可以在2min-2h范围内调节，2h强度可以达到8MPa以上，渗透性可以和液体注浆材料相比。本专利产品的应用为以上相关企业节约注浆成本2.2亿元以上，提高了采掘进度，煤炭生产效率，间接经济效益10亿元以上。

作为一种注浆材料，按本发明生产的产品也可以在大坝注浆加固、地基注浆加固、地下工程的注浆加固以及快速注浆堵水等领域应用。

完成单位

河南理工大学

推广应用情况

本发明专利获得授权前后与焦作市丁豪科技有限公司进行合作，签订了技术合作协议和专利许可协议。丁豪科技有限公司出资500万元建设生产条件，并配备熟练的技术工人进行生产。在丁豪科技有限公司强大的生产设备和技术支持下，产品性能更加稳定；在销售人员的推销下，按本专利生产的注浆材料已经在更多领域取得了应用实施。本发明专利在专利授权前后，曾在多个地方进行应用实施，取得了良好的社会和经济效益。2009年在山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司用于采煤工作面注浆加固，替代了煤矿上所使用的聚氨酯类注浆材料，不但将注浆成本降低了80%，而且避免了聚氨酯类注浆材料消耗石油资源，造成地下水污染的弊端，并且有效地控制了大采高工作面片帮，保证了采煤安全，提高了采煤效率；在2012年山西南煤集团南庄矿应用于巷道构造区加固，提高了构造区顶板强度，避免了冒顶事故；在2013年山西兰花煤炭实业有限公司伯方矿应用于回采巷道加固，有效控制了巷道煤帮和顶板，提高了回采速度；2013年分别在平顶山天安煤业有限公司一矿和平煤神马建工集团有限公司应用于巷道与井筒注浆堵水，极大降低了渗流量，改善了工作环境，提高了煤矿安全系数。

曾获科技奖励情况

(1)早强超细水泥基注浆材料开发及其应用研究,2012年9月获中国煤炭工业协会科技进步二等奖;

(2)新型矿物基注浆材料及其应用关键技术攻关及其产业化,2013年6月获中国市场协会金桥奖;

(3)利用烟气脱硫石膏制备快硬早强注浆材料及其制备方法,2015年3月获中国煤炭工业协会专利奖二等奖。

主要知识产权目录（不超过10件）

序号

知识产权类别

知识产权具体名称

国家

授权号

授权日期

证书编号

权利人

发明人

1

发明专利

利用烟气脱硫石膏制备快硬早强注浆材料及其制备方法

中国

201010508276.2

2013-06-05

1205317

河南理工大学

管学茂张海波勾密峰张康康

2

实用新型

深浅孔两用注浆管

中国

201020295938.8

2011-03-02

1713652

河南理工大学

管学茂张海波勾密峰

3

实用新型

矿用防爆型超细水泥湿磨机

中国

201120257345.7

2012-07-04

2276363

河南理工大学

管学茂袁海滨方明星张海波

完成人情况表

姓名、排名、职称、工作单位、完成单位、对本项目技术创造性贡献、曾获国家、省科技奖励情况

排名

姓 名

技术职称

工作单位

对成果创造性贡献

1

管学茂

教授

河南理工大学

分析研究了煤矿工作面注浆加固要求，提出了硫铝酸盐与烟气脱硫石膏两主要组分进行快速注浆加固的思路，指导了试验工作的进行。

2

张海波

副教授

河南理工大学

调查了目前烟气脱硫石膏产生过程及处理现状,分析了烟气脱硫石膏处理困难所在,研究了烟气脱硫石膏的主要成分及其与硫铝酸盐反应机理,试验研究了所发明注浆材料的主要成分最佳配比。为本发明专利注浆材料的基础配比范围奠定了基础。研究了专利中悬浮剂对材料助磨作用，提出了悬浮剂与主材共同粉磨来改善注浆材料性能以及降低粉磨能耗的思路。

3

勾密峰

讲师

河南理工大学

主要参与了本发明注浆材料的试验工作和机理研究工作，分析研究了硫铝酸盐熟料的基本组成，水化反应特点，烟气脱硫石膏掺量对注浆材料的性能影响规律等。

4

张康康

工程师

河南理工大学

主要参与了本发明注浆材料的试验工作和外加剂开发工作，分析研究了多种外加剂对所发明注浆材料的性能影响规律。