霍宝干河矿含隔水层特性及对下组煤开采的影响分析

为了研究霍宝干河矿高承压含水层对煤层开采的影响,基于现场实测资料,确定了井田范围内的主要含隔水层特征及其空间分布关系,得出了底板承压含水层为中等富水含水层.针对高承压含水层对下组煤开采可能造成的底板突水,采用FLAC~(3D)数值模拟手段,得出了工作面开采宽度与煤层底板破坏深度的关系及渗流发育的规律.当工作面的开采宽度大于160 m时,煤层底板的破坏深度不再随开采宽度的变换而变化,而是稳定在25 m,加上阻水带厚度13 m,小于底板46 m的隔水层厚度;在应力一渗流耦合的过程中,开切眼处单元孔隙水压力最高上升到2.4 MPa,且变化过程中孔隙水压力始终小于承压含水层的水压,不会发生煤层底板突水事故.     

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...     

带压开采底板破坏因素分析及突水预测研究

为有效防治采动影响导致的底板突水事故,采用塑性理论及经验公式分析总结了底板破坏的影响因素,并将其分为赋存因素与开采设计因素。以上孔煤业15号煤层为研究背景,选取隔水层厚度、底板水压、煤厚及工作面斜长作为主控因素,建立了"赋存-采动"多因素组合模型,利用FLAC3D模拟了不同因素组合下底板垂直应力及塑性区分布规律。结果表明:采动破坏带深度对工作面宽度的变化十分敏感;隔水层厚度及底板水压则对承压水导升带范围起控制作用,且隔水层厚度影响更大;采厚的波动对底板破坏影响微弱。首次提出了等效破坏深度的概念,并将其应用于突水系数法中,预测了15号煤层带压开采突水危险,并建议降低工作面宽度、在煤壁及工作面前方等采场边缘处加强探放水以预防突水。     

含断层构造采动底板岩体突水过程数值模拟

为确保承压水上煤层安全开采,从"下三带"理论入手,以实际工程为背景,基于FLAC3D数值软件,构建断层构造承压水上煤层开采模型,分析断层影响下底板破坏规律及突水路径,结果表明:随着工作面推进,在距断层一定范围内,煤层底板最大破坏深度为10 m,靠近断层时,受断层影响,煤壁前下方破坏深度增大至16m,并与断层破坏带导通形成突水通道;受采动影响,孔隙水压力沿着底板隔水层和断层均发生明显导升,其高度约6~8m不等,且流水矢量方向与底板突水通道路径一致;含30°、45°和60°断层工作面开采突水通道形成时,对应剩余临界水平煤柱长度分别为67m、37m和18 m,说明断层倾角越小,需要留设的保护煤柱越长,即在相同推进距离下,断层倾角越大越不易发生底板突水现象。该研究结果为矿井煤柱留设提供了科学依据,具有重要的实用价值。     

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。     

承压水上采煤底板破坏流固耦合数值模拟

随着开采深度的不断增加,一些深部的矿井正面临高承压水上采煤的现状,针对这一现状结合对底板突水机理的分析,利用FLAC3D软件强大的流固耦合功能,对高承压水上开采工作面进行流固耦合数值模拟,分析和研究煤层底板岩层在采动过程中的位移、应力及孔隙水压力变化规律,并得出了某煤矿9#煤层962工作面底板的破坏深度.结合突水系数法对该工作面带压开采的可行性进行分析,为工作面的正常开采提供理论依据.     

邢东矿深部带压开采底板突水特征及控制技术

针对深部带压开采工作面区域注浆治理后底板突水仍频发的难题,以邯邢矿区邢东矿深部带压开采为工程背景,通过现场调研和理论分析已突水工作面突水过程和开采地质条件,获得了邢东矿深部带压开采底板突水特征和影响因素,确定了邢东矿深部带压开采底板突水主控因素;应用弹塑性力学理论从动静载角度分析了不同来压步距对底板破坏深度和宽度影响规律,进而采用数值模拟研究不同来压步距下底板应力场和塑性区演化规律。研究结果表明:工作面顶板剧烈来压突水是邢东矿深部带压开采底板突水主要特征,顶板难以及时垮落是其关键诱因;随来压步距增大,底板应力集中带和卸荷应力拱逐渐向底板深部岩体传播扩展,顶板垮落易产生强烈来压动载效应,底板采动破坏深度和宽度增大,诱发隐伏导水构造活化及深部岩体破坏,贯通底板隐伏构造带等导水通道诱发底板突水。为此,提出了顶板水力压裂卸压以及底板微震监测、采动应力监测、围岩变形监测和承压水水位监测等多参量监测的防治技术。现场监测表明,试验工作面顶板水力压裂后周期来压步距缩短为9.53 m,相比邻近未压裂工作面减小了61.42%,来压动载系数、应力集中系数和围岩变形速度均较小,奥灰水位相对稳定,未形成底板突水通道,底板突水得到有效控制。     

带压开采工作面底板破坏深度研究及突水危险性预测

为有效防治采动影响导致的底板突水事故,采用塑性理论及经验公式分析计算了带压开采工作面底板破坏深度,并进行了突水危险性预测。根据平煤股份十矿24130工作面己18煤层的埋藏特征,通过大量的现场实测和理论分析,绘制出了工作面底板破坏带的分布形态图,计算出了采动引起的底板最大破坏深度为11.7 m,底板有效隔水层厚度为44.3m,正常地质条件下不会对工作面回采造成影响,但不排除在断裂构造和寒武系灰岩水高水头压力的共同作用下,底板灰岩水可能通过构造破碎带或隔水层相对较薄的地方融入采煤工作面,造成突水事故的发生。提出了区域治理采用疏水降压、局部治理采用物探结合钻探、断裂构造附近采用注浆加固以及回采前完善工作面防排水系统、回采过程中加强水文地质巡查工作等一系列具体的防治水措施,保证了己18煤层的的安全开采。     

底板隔水层破坏的力学模型及破坏判据

煤层底板到含水层之间通常有一层致密、隔水性好的岩层,称之为隔水层。承压水上采煤时,隔水层成为底板阻止含水层中高压水的唯一屏障,突水通道是否形成,决定了底板是否发生突水,而当底板岩层中没有断裂构造存在时,只有隔水层破坏,煤层底板才会产生突水通道发生突水。所以研究隔水层的破坏情况对研究承压水上采煤底板突水机制具有重要意义。     

大埋深高水压裂隙岩体巷道底臌突水试验研究

随着煤炭开采向深部发展,高地压和高水压矿井破碎岩体巷道发生底臌突水灾害越来越多。为进一步研究该类巷道底臌突水机理与特点,笔者运用相似模拟试验和现场巷道底板增压注水试验不同手段综合研究深部巷道底臌突水的临界突变规律。运用相似试验模拟了承压水作用下,巷道底板发生破坏的特征;通过现场注水试验分析巷道底臌量和底板物性变化规律,发现了深部巷道底臌突水的突变性规律。     

深部开采高水压条件下矿井注浆堵水技术

2012年5月26日申家庄煤矿2302工作面回采时在采深约830 m处发生突水,堵水中巷道截流段承受水压高达8.2 MPa。为了完成抢险任务,研究分析了堵水条件,制定了注浆方案,按设计方案进行了施工,复矿排水后截流段安全可靠,堵水效果良好。申家庄煤矿堵水实践表明,在高水压条件下进行注浆堵水,首先要做好巷道截流段的注浆工作,同时要进行突水点采空区注浆和突水通道注浆,在截流段、采空区、突水通道经注浆后连成一个整体的情况下,巷道截流段是安全的。     

深部矿井水害特征、评价方法与治水勘探方向

煤矿区深部含水层具有大埋深、高水压等特点,是深部煤层开采水害防范的主要对象。在分析深部矿井水害特征基础上,探讨了深部矿井地应力对裂隙水介质的力学作用机制,阐述了深部矿井裂隙水介质呈现"高承压、弱富水"的力学原因;基于古岩溶成因演化理论,结合水文地质勘探和野外调查,分析探讨了华北型煤田奥陶纪石灰岩顶部"古风化壳"的岩溶充填结构特征,并将奥陶纪石灰岩顶部"古风化壳"划分为"隔水充填带、弱隔(透)水充填带、富(透)水带"3种岩溶充填结构类型,给出了各类型确定的关键指标和阈值,明确了奥陶纪灰岩顶部存在隔水层的理论依据。将深部矿井煤层开采底板突水划分为"完整底板突水模式"和"集中破碎带底板突水模式",分析了深部煤层开采底板含水层高水压作用下沿用传统的突水系数法(T_s法)评价底板突水危险性的局限性,引入隔水层厚度(M)和含水层钻孔单位涌水量(q)2个指标,结合突水实例分析,提出了"修正的突水系数法"(T_s-M-q法,适用于完整底板突水模式);在实验和实例分析基础上,提出"渗-流转换"突水评价法(适用于集中破碎带底板突水模式)。最后,基于深部矿井水害特征及突水模式,结合深部含水介质赋存、构造发育特征和地应力场方向,阐述了深部矿井水害精准查治一体化勘探关键技术。     

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。     

高承压动水条件下裂隙型突水封堵技术研究

基于邢东矿2228工作面出水封堵项目,研究动水条件下出水通道封堵技术。底板突水是威胁我国煤矿安全生产的主要灾害之一,随着我国进入下组煤的开采以及开采煤层深度的加大,煤矿受奥灰承压水的威胁越来越严重。煤层开采后,在采动应力与水压力共同作用下会引起底板岩体破坏失稳,引发底板裂隙奥灰突水,逐步成为主要的底板突水形式。发生底板突水后,首要问题便是对出水通道的封堵,目前对出水通道的封堵局限在静水条件下实施,需对出水通道在动水条件下进行封堵展开研究。     

煤层底板承压含水层上安全开采技术研究

基于我国华北煤电煤层底板太灰含水层富水性具有明显的差异性,在特定条件下可作为隔水层,为了准确确定底板隔水层厚度,预测底板突水危险性,结合新义煤矿首采区二1煤底板实际情况,运用物探、钻探等手段对其灰岩富水性进行探查分析。结果表明:该矿首采区底板灰岩可作为隔水层,从而将底板隔水层平均厚度增加至54 m左右,运用突水系数法评价得出首采区大部分区域的突水系数均小于正常块段临界突水系数0.1 MPa/m,在前期底板注浆加固基础上可以实现安全带压开采。     

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...     

基于模糊证据理论的煤层底板突水量预测

从信息融合的角度,将煤层底板突水量预测过程看成是一个多源信息融合处理与状态估计过程,提出基于贴近度的模糊证据理论,建立基于模糊证据理论的煤层底板突水状态估计与评价模型。利用15个有代表性的采煤工作面底板突水资料作为训练样本,基于广义三角模糊数生成各焦元基本概率赋值。用所建立的突水预测模型对4个待检验的突水样本进行分析,并与人工神经网络、最小二乘支持向量机、距离判别分析等方法进行比较,所得结果一致或更好,说明基于模糊证据理论的煤层底板突水量估计方法具有良好的实用性和有效性。     

煤层底板突水量的距离判别分析预测方法

为了从理论上对煤层底板突水问题进行分析,选取对底板突水影响最大的有无含水层、水压、隔水层厚度、底板采动破坏深度及断层落差等作为基本判别因子,选取国内15个有代表性的采煤工作面底板突水资料作为训练样本,利用距离判别分析理论,建立了煤层底板突水量预测的距离判别分析模型.用所建立的模型对4个待检验的底板突水案例进行了分析,与实际情况吻合良好,计算结果与最小二乘支持向量机(SVM)、人工神经网络（ANN）等方法所得到的结果一致或更好.