预注浆防突水技术研究

当巷道开掘接近或通过有水力联系的松软破碎带、断层裂隙带或直接揭露含水层时,常造成掘前或掘进滞后突水。所以,研究围岩突水的力学机制,采取耦合控制对策,是预防围岩突水的关键技术。根据有效应力原理,分析了动水压力和岩体接触压力间的本构关系,提出了巷道掘进中围岩预注浆防突水控制方案对策,对止水岩柱厚度、布孔、注浆参数、工艺等进行了理论分析和工业性试验,经堵水率、围岩力学参数等对比分析,认为围岩预注浆控制方案有经济、安全可靠等特点,具有重要工程意义。     

巷道围岩预注浆与长期防水控制

根据巷道突水机理和岩土有效应力作用原理,对围岩注浆工艺进行理论分析和现场试验,认为巷道帷幕预注浆过程符合有效应力作用原理,可实现有效应力和孔隙水压力的平衡,达到初次防水,巷道壁后设置动态膨胀密封防水层,具有增强提高有效应力减少孔隙水压力的作用,达到长期防水效果,为出水区域掘巷和防水提供了理论依据。通过理论分析、工程应用和观测结果的验证,巷道掘进预注浆理论和技术为巷道防水提供了有效的途径,便于推广应用。     

围岩注浆封堵井巷突水控制技术的研究

通过对巷道破坏及突水机理分析研究,确定在巷道突水地区采用浅部围岩注浆改性加固提高围岩强度和深孔高压注浆封水相结合的注浆方式,能有效控制围岩变形破坏,实现堵水目的,并取得较好的技术经济效果,已在突水巷道实施应用。     

巷道围岩预注浆防突水技术研究

根据岩土有效应力作用原理, 分析了动水压力和岩体接触压力间的本构关系, 提出了巷道掘进中围岩预注浆防突水控制方案对策。并对止浆岩柱厚度、布孔、注浆参数、工艺等进行了理论分析和工业性试验, 经堵水率、围岩物化特性、力学参数等分析对比, 认为围岩预注浆控制方案具有技术可行、经济合理、安全可靠等特点, 为布孔设计提供了理论和实践依据, 具有实用价值。     

围岩注浆封堵并巷突水控制技术的研究

通过对巷道破坏及突水机理分析研究，确定在巷道突水地区采用浅部图岩注浆改性加固提高围岩强度和深孔高压注浆封水相结合的注浆方式，能有效控制围岩变形破坏，实现堵水目的，并取得较好的技术经济效果，已在突水巷道实施应用。     

井巷预注浆围岩强化防突水技术研究

实践表明，当巷道通过有水力联系的松软破碎带、断层裂隙带或直接揭露含水层时，常造成掘进中或掘进滞后突水，影响矿井生产安全。通过巷道导水及突水机理分析研究，提出井巷预注浆强化围岩防突水为主和掘后封堵小量出水点为辅的方法，优化出预留防水岩柱和人工混凝土岩帽的解析计算及参数确定，实践中能有效控制围岩突水，并取得较好的技术经济效果。     

井巷预注浆围岩强化防突水技术研究

实践表明,当巷道通过有水力联系的松软破碎带、断层裂隙带或直接揭露含水层时,常造成掘进中或掘进滞后突水,影响矿井生产安全。通过巷道导水及突水机理分析研究,提出井巷预注浆强化围岩防突水为主和掘后封堵小量出水点为辅的方法,优化出预留防水岩柱和人工混凝土岩帽的解析计算及参数确定,实践中能有效控制围岩突水,并取得较好的技术经济效果。     

掘进工作面预注浆堵水技术的数值模拟

针对朱村煤矿运输大巷在延伸过程中遇到前方底板有较大突水采用预注浆堵水技术的问题,采用FLAC3D数值模拟软件对巷道掘进过程中围岩力学性质、孔隙水压力及涌水量变化进行了分析研究.结果表明,掘进工作面预注浆堵水技术能够显著改善围岩抵抗变形的能力,降低孔隙水的渗流速度,提高围岩的抗渗能力,大幅度地减少巷道涌水量.     

新型注浆材料及注浆工艺的研究和应用

为了改善巷道围岩特性,增强支护效果,防止巷道透水,针对传统注浆材料强度低、渗透性差及传统注浆工艺不能充分利用围岩特性的缺点。通过材料性能影响因素的分级及巷道围岩特性和劈裂影响因素的研究,开发出一种新型注浆材料及差异注浆工艺。该材料以硫铝酸盐水泥及粉煤灰为主,辅以各种添加剂,具有强度高、渗透性好、抗渗性能强等特点;差异注浆工艺将巷道围岩划分为不同的区域,采用不同的注浆压力、速率及浆液黏度。在河南能源龟兹煤矿进行现场应用,结果表明:该新型材料及注浆工艺可有效改善围岩特性,提高围岩力学性能,增强支护效果,防止巷道突水。     

中空注浆锚杆在高应力软岩巷道中的应用

针对规划区瓦斯治理底板岩巷石门在高应力软岩巷道掘进过程中遇到的支护问题,提出采用中空注浆锚杆支护体系对巷道围岩进行控制。现场应用结果表明,该支护方式可以增加围岩自身承载能力,有效控制围岩变形,取得较好应用效果,为矿井高地应力软岩巷道支护提供有益参考。     

深部承压水上底抽巷围岩破坏特征及合理位置

针对赵固二矿区域瓦斯治理需开掘底抽巷与承压水上开掘底抽巷易引发底板突水之间的矛盾,通过承压水影响下的圆形巷道围岩塑性区边界方程,分析了底抽巷围岩塑性区的分布特征与底板突水危险性之间的关系;采用数值模拟研究了工作面开挖后的底板应力分布状态及底抽巷布置在不同位置时的围岩破坏特征及相应的突水危险性。结果表明:底抽巷围岩塑性区的非均匀分布会显著减小底板隔水层厚度,增加底板突水危险;工作面开挖后底板应力根据其双向应力比值大小及应力加卸载状态可分为4个区域且按对底板突水危险的影响程度可排序为:卸压高应力比值区卸压应力比值稳定区增压低应力比值区原岩应力比值区。据此提出了赵固二矿底抽巷的合理位置为沿待采工作面法向布置,并在规划的煤柱中部下方的L9灰岩上部砂质泥岩层中沿底掘进。     

煤层顶板突水过程模拟分析

为预防煤层开采面临的顶板突水灾害,提高煤层顶板离层水害防治效果。以范各庄煤矿9号煤层突水实例,利用RFPA^2D数值模拟软件,模拟了煤层顶板受采动和围岩应力影响后突水的全过程,分析了范各庄煤矿回采9号煤层时的顶板突水原因。结果表明,范各庄煤矿9号煤层突水是矿山围岩应力、采动影响和含水层水力梯度共同作用的结果,煤层顶板受应力场和渗流场的影响,隔水层中的裂纹逐渐产生、扩展、贯通,直到顶板失稳,并形成导水通道,导致突水灾害发生。     

岩体突水通道形成过程中应力-渗流-损伤多场耦合机制

突水通道形成的渐进性破坏过程是煤矿突(透)水机理研究的关键问题,采动扰动和地下水双重作用下岩体的持续渗流-损伤行为导致破裂通道最终形成.采用可考虑地下水作用下岩体拉剪和压剪双重破坏准则的计算程序,真实再现承压含水层与巷道之间隔水岩体的采动裂隙萌生、扩展、贯通直至破裂通道形成的灾变演化过程,通过对岩体应力场、渗流场和损伤场的耦合演化过程进行分析,实现了对突水通道形成轨迹的准确定位,揭示了突水通道形成过程中岩体应力-渗流-损伤的耦合机制.数值实验结果表明:采动影响下持续的应力-渗流-损伤耦合作用诱发岩体强度降低导致突水通道最终形成,隔水岩体历经了群裂纹萌生、扩展和贯通的渐变过程;通道贯通前,岩体破裂损伤能量激增,通道部位岩体剪应力急剧下降,渗透系数和流量则急剧上升,各物理场均孕育了不同程度的突水前兆信息.     

浅埋煤层高强度开采覆岩(土)破坏演化及溃沙控制技术

随着我国煤炭资源的大规模和高效开采,薄基岩浅埋深的矿区常发生切冒、抽冒、台阶下沉,造成水资源和环境破坏严重。但是,赋存于萨拉乌苏组含水层下伏的连续黏土层的存在,使得基岩及其黏土隔水层组合结构下采动破坏规律不同于传统的基岩岩层,这将为防治矿井突水和实现保水采煤提供了条件。论文采用数值模拟和理论分析的方法,模拟了“黏土隔水层-基岩风化带-基岩”结构特征下不同黏土层与基岩厚度条件下覆岩(土)裂隙发育、顶板破断运动的基本特征,获得了浅埋深条件下采动覆岩(土)的破坏变异规律与发育高度,分析了溃沙的致灾因素和预测判据,并据此提出防治突水溃砂的技术手段。研究结果表明：浅埋煤层“沙土基型”覆岩(土)结构条件下,由于不同基岩与土层厚度的控制作用,使得覆岩(土)破坏发育高度和特征产生变异;水砂源、通道、动力源和空间是近松散含水层溃砂的主要致灾因素,并提出了预测溃沙发生的判据;可通过防止顶板切冒、含水砂层水头压力疏降、局部注浆固沙和合理留设防砂(塌)煤岩柱等技术控制浅埋煤层溃砂灾害发生。     

构筑安全隔水层 防范断层活化突水

首次提出"断层活化突水"的水文概念,分析了断层活化突水模式,丰富了矿井突水理论,并在新桥矿实施了针对性的底板注浆改造,构筑了安全、可靠、有效的安全隔水层,在断层落差较大地段提供了行之有效的防范断层活化突水的技术方法。为防范断层活化突水提供了防治水工程施工范例。     

断层影响下底板突水危险性预测

采动底板断层突水危险性预测与评价是煤矿底板突水灾害防治的基础和依据。针对断层诱发底板突水问题,基于岩体极限平衡理论,综合考虑断层本身性质和矿山压力中应力降低区的作用,得出底板隔水层的极限水压解析式,提出突水力学判据。结合工程背景,基于多物理场软件COMSOL Multiphysics建立数值模型,计算了隔水层中承受的实际水压。基于突水力学判据,该矿底板隔水层所承受的极限水压大于隔水层中承受的实际水压,底板隔水层完整,不发生突水。结果表明:底板断层突水危险性预测结果与实际开采过程中结果相吻合。     

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。     

里必井田承压水带压开采评估

煤层底板承压水突出是发生水害事故的原因之一,要减少该类事故的发生,需对底板突水危险性进行准确评价。为保障里必井田承压水带压开采的安全进行,基于煤层底板突水研究理论分析,采用常规突水系数法和等效厚度突水系数法,分别对里必井田内3#煤和15#煤的奥灰水突水危险性进行了研究。研究发现,奥灰水对于3#煤的开采影响不大,但在局部构造及陷落柱发育地段及采区东北部区域仍存在一定的突水可能性;奥灰水对15#煤开采具有较大威胁,大部分区域具有较大突水危险性。等效岩层厚度法计算的突水系数考虑了不同性质岩层的岩石强度和阻水能力,计算更接近生产实际,结果更可靠;且在对突水系数法进一步优化后,其评价的结果可以更精确。     

水压作用下防砂安全煤岩柱失稳机理及留设方法

针对厚松散含水层、薄基岩等特殊地质条件下楔形区工作面防砂安全煤岩柱失稳溃砂的问题,以赵固一矿11071工作面突水溃砂灾害为例,结合地质钻孔资料,建立了楔形保水压采动溃砂地质模型。通过黏土液塑限试验,风化带岩石干燥饱和吸水率和崩解试验,得出了底黏及风化带泥类岩具有良好的隔水性能,可形成楔形保水压结构。并在此基础上,通过水压作用下风化带泥类岩采动裂隙扩展试验研究了受采动损伤的煤岩柱保护层在水压作用下失稳的内在致灾机理。结果表明：在高水压的作用下,风化带泥类岩采动裂隙扩展为管道,防砂煤岩柱保护层的阻砂性能失效;考虑煤岩柱保护层的损伤厚度,提出了水压作用下防砂安全煤岩柱的留设方法,并在11191工作面进行了工程应用,取得了预期效果。研究成果补充完善了我国防砂安全煤岩柱的留设方法,可减少煤矿溃砂事故。