承压水体上煤层底板下位隐伏断层采动突水机制研究

由于煤层底板隐伏断层分布广、数量多、隐蔽性强且不易探测的特点,使得底板隐伏断层活化突水成为深部开采突水的主要形式之一。根据底板隐伏断层发育规模及空间位置条件,总结提出了底板沟通隐伏性断层突水、上位隐伏性断层突水及下位隐伏性断层突水3种模式。针对承压水体上煤层底板下位隐伏断层底板突水模式,通过力学分析、底板突水相似模拟及FLAC^3D数值拟研究了煤层回采过程中底板空间采动应力变化规律、隐伏断层扩展及突水通道演化过程。研究结果表明：近煤层底板采动岩体随工作面推进,经历压缩-卸荷-恢复过程,形成采动破坏带,底板空间采动应力状态以工作面为分界线呈现水平“S”型分布形态;采动-水压-隐伏断层作用下,隐伏断层将对采动应力随工作面移动起到阻隔作用;隐伏断层顶部受矿压-水压作用的破坏程度时机更早、程度更严重,更易诱发导水裂隙发育,隐伏断层原生裂隙扩展并向逆工作面推进方向上方发育,与采动破坏带沟通形成突水通道;采动承压水导升运移与采动裂隙发育紧密相关,采动承压水导升强度及强渗流区范围随工作面推进渐进发展,底板隐伏断层采动突水先出现隐伏断层上方采空区,突水量随工作面推进渐进增加。在将含...     

深部开采底板突水灾变模式及试验应用

深部采场高地应力、高岩溶水压和强开采扰动条件使得底板突水相比浅部采场形成特定构造、水-岩-应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体水力学问题。基于不同地质构造受采动影响特征及其诱发煤层底板突水机理,将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型,并分析了对应的突水判据。研究认为完整底板裂隙扩展型归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升高度大于有效隔水层厚度,原生通道导通型归结于构造活化引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通,隐伏构造滑剪型归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统探寻了3种突水灾变模式下突水通道的时空演变过程,验证了突水判据的准确性。     

煤层底板岩层采动裂隙扩展及发育规律模拟研究

针对煤炭开采逐渐向深部转移、底板承压水突水事故频发的问题,以断裂力学、损伤力学以及弹塑性力学为基础,采用RFPA建立采动模型,对底板岩层中采动裂隙扩展贯通形成突水通道进行了研究,发现在采动过程中裂隙最早出现在采空区顶底板的中间位置。随着张拉裂隙的不断扩展,底板岩层出现离层裂隙,开切眼附近底板持续产生裂隙并不断扩展,后期工作面煤壁附近裂隙不断扩展,底板裂隙扩展深约16 m。     

基于微震信号突变分析的底板断层突水预测

为了探索承压水上底板采动断层活化破坏特征,预防底板断层活化突水,利用微震监测技术对工作面底板采动断层进行了连续动态监测。结果表明：当工作面推进距断层约60 m时,断层就出现活化迹象,且随着工作面的推进,断层活化程度及破坏范围增大;底板断层活化破坏深度达到30.4 m,接近无断层底板破坏深度的2倍,活化破碎的断层带更容易形成导水通道诱发工作面底板突水。基于承压水上采动断层活化破坏特征信号,利用Origin数据处理软件对微震监测的底板断层活化破坏深度数据进行了4次多项式拟合,应用基于突变理论推导的底板采动岩体失稳突水判据对其进行了突变分析。依据分析预测结果,并结合放水孔水量、水温等信息,及时注浆加固了底板断层活化破坏区域,使工作面顺利推过断层区域,实现承压水上断层区域工作面的安全带压开采。     

深井高承压水工作面底板注浆效果及突水危险性分析

工作面底板注浆加固是防治突水事故的关键技术之一，目前注浆效果评价多采用钻探、物探等方法，往往缺少定量注浆效果评价指标及注浆后底板突水危险性分析。为此，以赵固二矿14030工作面为背景，分析工作面底板含（隔）水层特征展布规律，提出注浆效果评价指标及阈值；基于FLAC3D流固耦合理论分析注浆后采动底板突水危险性。结果表明：注浆后物探低阻异常区范围明显减小/消失，工作面整体注浆效果良好；工作面注浆后钻孔涌水量的评价指标阈值为9.8 m3/h，工作面正常带和断层带钻孔注浆量与注浆前钻孔涌水量之比的评价指标阈值分别为1.81和6.31。流固耦合数值模拟显示注浆后采动底板破坏深度19 m，断层带承压水导升高度7 m大于正常底板5 m；断层影响下底板突水往往通过断层进入底板破坏带所致。     

深部承压水上含隐伏构造煤层底板渗流路径扩展规律

针对邯邢矿区矿井开采深度逐渐加深与采动影响下隐伏构造活化而导致底板奥灰层突水威胁日益加重的问题,研究大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律,以确定矿井底板突水条件及重点治理区域。从开采扰动、隐伏构造、承压水共同作用角度分析,根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析,建立了含隐伏导含水构造的概化力学模型,通过断裂力学理论得出了含水裂隙的起裂条件、抗渗透强度及由主应力表达的裂隙扩展判据,应用弹性力学边界荷载在半无限板内传播的经典求解方法推导得出了采动应力与承压水压力耦合作用下含隐伏构造煤层底板的垂直应力、水平应力和剪切应力表达式,在所得应力分量基础上通过应力张量的不变量求解应力状态方程得到含水裂隙扩展判据中的主应力表达式,以邯邢矿区典型突水矿区地质与开采参数为例进行算例分析,通过编制Matlab计算程序计算得出底板裂隙的扩展路径。进而采用可模拟岩石破裂声发射且裂隙扩展可视化效果较好的RFPA数值软件进行验证分析,再现了底板渗流路径演化过程。理论计算与数值分析结果表明:隐伏构造的局部应力扰动作用影响了渗流路径的扩展方向,使3种类型底板分别呈现出不同的渗流路径,对于完整型底板,渗流裂隙由奥灰承压水层顶界面至采空区两侧边界呈"正八字"形向采空区扩展;对于隐伏陷落柱型底板,渗流裂隙沿陷落柱顶界面呈"倒八字"形向上发散式扩,至底板28 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线分别指向采空区两侧边界展;而对于隐伏断层型底板,渗流裂隙则沿断层延线的反向扩展,至底板30 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线指向工作面后方,在底板含水裂隙自下而上与底板采动裂隙自上而下联合扩展作用下最终贯通形成底板奥灰水至采煤工作面的渗流通道。基于理论计算和数值模拟得出的底板承压水渗流路径扩展规律,在实际工程中可结合微震监测技术来实时动态捕捉煤层底板隐伏导含水构造活化的前兆信息,进而实现底板突水路径的预测预报和快速重点区域治理。     

含隐伏断层的煤层底板破坏深度的数值模拟

针对含隐伏断层煤层底板采动破坏过程及导水通道的形成过程,根据岩-水关系法理论并利用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟,分析了不同水压力下底板破坏深度,研究了在高承压水影响下,随着工作面的推进,底板破坏区域沟通断层导致突水的过程,研究得出随着含水层水压的逐渐增大,底板下方岩层裂隙中水压也呈现逐渐增加的趋势,而岩层中水压的增大会导致工作面与采空区涌水量增加以及底板破坏深度的增加,同时会影响到突水原因的变化,使得突水更具有隐蔽性,更不容易被探测和规避。     

浅析龙门煤矿矿井突水规律及防治对策

通过分析典型突水事故,从顶板采动破坏造成的突水、采动造成的底板破坏、底板岩巷揭露岩溶裂隙突水及断层导水造成的煤层底板岩溶水突水4个方面分析了矿井突水规律,提出了防治对策。     

煤层底板区域治理后断层突水原因及探讨北大核心

以桃园煤矿底板区域改造后Ⅱ1028工作面F28断层突水为背景,阐述了突水过程;根据水位、水质和水温分析了突水水源和通道,通过理论公式计算了断层带的底板破坏深度和承压水导升带高度,阐明了突水的原因;利用地面定向孔灌注骨料和水泥封堵了突水通道,探讨了区域治理钻孔布置、注浆方式和材料配比。结果表明:区域治理虽有效封堵了奥灰导水通道,避免了灾害性突水,但粉煤灰-水泥浆在断层带不凝固、钻孔穿陷落柱且在末端对断层的注浆有效压力低,治理效果差,采动断层活化导致突水;对于将受采掘扰动的断层、破碎带等应注入高强度的水泥单液浆提高强度;注浆沿程压力损失量随孔深先大后小,损失速率随孔深递减,注浆钻孔不宜太长;中途分流“短路”压力会整体降低,孔内无压段长度随分流量增大,注浆钻孔经异常构造、巷道底板应进行试压,避免注浆“短路”现象。     

含隐伏小断层底板采动突水机理数值模拟研究

为得到含隐伏小断层的煤层底板开采中的突水机理,分析底板裂隙演化及渗流突水通道的形成规律。采用RFPA2D-Flow软件分析了含隐伏小断层底板在工作面开采中,底板岩层破坏、突水通道的形成及突水发生的整个动态发展过程,得到了开采过程中底板岩层裂隙的产生和扩展演化、损伤破坏区域的形成过程及渗流场的运移过程。结果表明:底板隐伏小断层活化突水主要分为隐伏小断层活化和活化裂隙区域扩展2个阶段。底板不同位置隐伏小断层的裂隙贯通存在差异,距采空区越近,隐伏小断层越易活化形成突水通道,随着采空区卸压效果的增加,隐伏小断层突水的可能性逐步增大。     

复杂突水条件下矿井注浆堵水技术

以桑树坪矿"8.7"突水堵水工程为例,论述了因小煤矿越界开采本矿深部煤层导致发生特大突水、在不明过水通道下的注浆堵水技术。为了在突水条件不清楚的前提下进行注浆,桑树坪矿先采用了多种探查手段,之后开展动水注浆。工程实践表明,在过水通道位置不清楚的前提下,首先要通过调查了解小煤矿的采掘情况,并结合本矿采掘系统确定截流段的大体位置;其次采用物探手段对该处过水通道进行探查,并根据物探成果使用井下钻探方法精确查明过水巷道的位置;之后展开动水截流,截流成功后再对煤层底板和奥灰岩顶部进行注浆。     

Experimental Simulation of Fault Water Inrush Channel Evolution in a Coal Mine Floor

Mine water inrush is very common in China and can cause hysteresis and severe damage. The entire process of crack formation, concealed fault propagation, and evolution of a water inrush channel with high pressure water directly beneath the mine floor was physically simulated based on fluid–solid coupling mechanics and solid materials research. Activated materials were used to simulate fault damaged rock, including soybeans, sand, Vaseline, and calcium carbonate. The results indicate that water channels are mainly caused by the connection between tectonic rock zones and coal floor cracks, which are the direct cause for water inrush. Furthermore, the lagging water inrush mechanism from the coal floor in a confined water body under both a stress field and a seepage field were revealed. The formation of the water inrush path with temporal and spatial variations was analyzed by interpreting the monitoring data and phenomena. The data showed that the floor stress in front of the working face increased and was affected by the abutment pressure, and that floor stress under the mined-out area began to decrease simultaneously. The stress of the upper wall showed a drastic drop while the stress of the footwall continued to decline and then stabilized after the water inrush. This work provides new approaches and knowledge for research on deep mining water inrush structures.     

神府矿区大型水库周边浅埋煤层开采水害防治技术

以神府矿区大型水库常家沟水库为例,运用水文地质勘探、钻孔实测、理论计算、数值模拟等手段,查明了常家沟水库周边水文地质条件,拟合得出导水裂隙带高度计算公式,开展了大型水库周边浅埋煤层开采水害问题防治技术研究。研究结果表明:研究区水库周边煤层开采导水裂隙带预计发育高度约为72.8 m,常家沟水库周边煤层开采存在的水害主要包括烧变岩涌(突)水问题、萨拉乌苏组突水溃沙问题、常家沟水库倒灌水害等问题,针对常家沟水库浅埋煤层开采不同水害问题,提出了留设保护煤柱、帷幕注浆与井下探放水疏放、井下探放水与地面抽排联合疏放、上覆煤层采空区积水探查与疏放、沟道裂缝填埋等水害防治技术。水库周边15207工作面回采时,在留设保护煤柱的基础上,采取帷幕注浆625 m,施工疏放4-2煤烧变岩积水钻孔28个,累计放水量33 523 m3,保障了工作面安全回采。     

曹窑东井27080工作面非断层大型奥灰突水分析

从突水水源、导水通道、压力条件、采掘条件等方面分析了曹窑东井27080工作面非断层条件下煤层底板大型奥灰突水原因.分析表明:地下水径流条带的存在和底板有效隔水层厚度不足是导致奥灰突水的根本原因.奥陶系岩溶裂隙水是此次突水的水源;高水压为突水提供了动力条件;煤层底板薄弱区在水压与矿压的联合作用下经"撕裂"形成了导水通道;采掘活动是本次突水的诱发因素,也为突水提供了空间.指出随着采深增加,奥灰水压升高,突水危险性增加.提出了避免再次奥灰突水,做好物探查异、钻探查证和突水危险区注浆加固改造等方面的建议措施.     

煤层底板水害预测与超前预治理技术

煤矿水害防治工作是煤矿安全生产工作的重中之重。针对煤层底板水害防治问题,介绍了实际生产过程中针对掘进工作面和回采工作面突水危险性预测的常规方法,对其优缺点进行综合分析,从而进行煤层底板突水危险性的预测评价,进而制定工作面超前预治理的技术方案,主要包括应用煤层底板含水层注浆改造技术对煤层底板突水可能性大的区域进行注浆改造,或利用煤层底板含水层疏水降压技术对危险区域进行疏水降压。上述这些措施的使用,最大限度地避免了水害事故的发生,实现了安全开采。     

偃龙矿区奥陶系强岩溶含水层底板注浆改造技术

偃龙矿区地处豫西地区,矿井深部开采二1 煤层受奥陶系强含水层岩溶裂隙水威胁,奥灰水压不断增高,煤层底板构造发育、隔水层不稳定等突水因素影响了安全回采。通过水文地质资料分析与瞬变电磁技术进行底板富水性探测,建立了底板注浆改造深度精确计算模型,提出了偃龙矿区二1 煤层底板注浆改造水害防治技术,并进行了工业性试验。结果表明:12061 工作面底板分布有 3 种类型富水异常区,富水异常区域岩层节理、裂隙较为发育, 异常区覆盖工作面底板大部,工作面底板存在突水危险性;菱形钻孔布置有利于减小孔间距,最终确定底板注浆改造深度为 65 m、注浆压力为 9 MPa 与注浆扩散半径为 25 m,对太原组下段及奥陶系灰岩含水层注浆变含水层为相对隔水层,切断了底板奥陶系灰岩含水层与二1 煤层的水力联系;底板注浆封堵后,检验孔水量不大于 10 m³ / h,钻孔孔壁光滑,原 5 个富水异常区消失,注浆改造效果显著。     

基于多变量的太灰含水层突水风险性分类判别研究

太灰含水层为华北型煤田的下组煤开采直接充水含水层,下组煤层开采时,在具有强水源补给或接近导水通道的部位,常会发生较大的灾害性突水事故.针对近年太灰含水层突涌水事故,从矿井水文地质条件、突水事故经过、原因、特点等方面进行统计分析,确定突水系数、含水层富水性、补给条件、断裂构造是否导通煤层及层位关系为太灰含水层突水风险分类...     

承压水体上保水采煤注浆材料及技术

针对薄隔水层低承压灰岩含水层涌入工作面造成黄河生态湿地水位下降问题,采用数值模拟、现场实测、数理统计等手段综合剖析采动底板破坏带发育规律,并基于室内实验及注浆工业化试验研究了底板黄土高效注浆关键技术。应用结果显示,在底板破坏深度以下注入改性的黄土基浆液可降低矿井涌水量90%以上,其中,黄土基浆液主要由除砂后黄土加入奥灰水中快速搅拌而制得,高强度开采未造成半干旱地区生态湿地进一步退化,生态效益显著。     

肥城煤田突水资料统计特征

在收集肥城煤田180余件突水案例基础上,总结了该煤田的突水资料统计特征,并根据这些特征对肥城煤田深部开采进行了预测。提出了底板突水类型划分新方案,即将煤矿底板突水划分为:掘进沟通型突水、回采影响断层型突水和回采底板破坏型突水三大类。