隔水关键层水文地质概念模型的建立与分析

水资源保护性煤炭开采是煤矿绿色开采的重要内容之一,也是目前我国煤炭开采迫切需要解决的重大课题。在分析结构关键层内涵的基础上,提出了广义隔水关键层和保水开采的基本概念;依据地层的含、隔水结构,得出隔水层的2种最基本模式。基于水文地质学和地层结构理论,提出了5种隔水关键层水文地质概念模型;得出了影响煤层顶、底板隔水关键层破坏的主要因素。表明在生态环境脆弱的西部矿区以及我国东部的大水矿区,充分利用隔水关键层的良好的隔水作用,能够实现保水开采。     

基于关键层理论的保水开采技术

随着我国煤炭开采规模越来越大,引起的水资源破坏问题越来越突出,极大的阻碍了环境与社会经济的协调发展。在这种情况下基于关键层理论的保水开采技术的提出为解决这一实际问题提供了可靠的依据,并在实践中取得了很好的效果。本文就相关概念作了介绍,建立了关键层简要模型,并对关键层的影响作了简要分析。     

充填开采隔水关键层渗流稳定性力学模型及分析

分析充填体与隔水关键层耦合作用关系,建立了充填开采隔水关键层非线性渗流稳定性力学分析模型,给出了充填开采隔水关键层非线性渗流失稳判据,研究了隔水关键层非线性渗流失稳与临界充实率的定量关系.研究结果表明:充填采空区垮裂带岩体渗透性具有明显的横向分区与垂直分带特征,其渗透性沿横向由煤壁侧向采空区中部逐渐减小,并趋于定值,沿...     

条带充填保水开采隔水岩组力学模型研究

根据特殊保水开采区典型条件,针对2个等间距充填条带的隔水岩组稳定性进行了物理模拟实验和理论分析,提出了条带充填隔水岩组弹性基础梁力学模型,给出了充填条带压缩量和隔水岩组的挠度计算公式,确定了下行裂隙的位置和发育深度。基于隔水层稳定性判据,提出了合理的充填间隔宽度和充填条带宽度计算方法。结果表明,合理的充填条带宽度和充填间隔宽度主要与充填条带压缩率、隔水岩组厚度与强度及采高有关,充填间隔宽度随隔水岩组厚度、强度和采高的增大而增大,下行裂隙的发育深度随充填条带压缩量的增大而增大。     

承载关键层、隔水关键层和渗流关键层关系初探

在分析岩层变形-渗流耦合系统的复杂性特征的基础上,提出应用复杂系统动力学理论解释突水机制的初步设想.研究表明：在承载关键层破断前,承载关键层同时也是隔水关键层,但一般不是渗流关键层;在承载关键层破断后,承载关键层不再具有隔水作用,隔水作用最强的某一软弱岩层成为隔水关键层和渗流关键层;当渗流参量满足一定的条件,渗流发生Lyapunov意义下的失稳,引发突水;岩层变形-渗流耦合动力学系统是具有非连续性、非均匀性、非线性、控制参量时变和边界时变等特征的复杂系统.只有将承载关键层理论、隔水关键层理论和渗流关键层理论相互融合,并且将复杂系统动力学的思想和方法引入突水防治理论研究,才能从本质上描述突水的过程.     

煤炭绿色保水开采

论述了随着我国煤炭开采规模越来越大,引起的水资源破坏问题越来越突出,极大的阻碍了环境与社会经济的协调发展.指出煤炭绿色保水开采将会在不影响区域水文地质条件情况下采煤,可以很好地预防矿井突水等地质灾害,从而带来巨大的社会效益和潜在经济价值.依靠关键层理论、离层理论、裂隙发育规律、渗流规律、巷道矿压显现规律等基础理论支撑,进行了讨论.     

双煤层错距开采优选及对隔水关键层影响研究

为探索双煤层开采错距最优方案和对覆岩隔水关键层的影响,以榆神矿区某矿地质条件为背景,采用FLAC3D数值模拟手段,从开采错距分别为0,20,40,60,80 m这5种模拟方案中比选出最优方案,并基于Mohr-Coulomb强度准则与数值模拟结果,结合相似材料模拟实验,讨论了不同开采错距对覆岩隔水关键层的影响.研究表明,...     

煤炭绿色保水开采

论述了随着我国煤炭开采规模越来越大,引起的水资源破坏问题越来越突出,极大的阻碍了环境与社会经济的协调发展。指出煤炭绿色保水开采将会在不影响区域水文地质条件情况下采煤,可以很好地预防矿井突水等地质灾害,从而带来巨大的社会效益和潜在经济价值。依靠关键层理论、离层理论、裂隙发育规律、渗流规律、巷道矿压显现规律等基础理论支撑,进行了讨论。     

浅埋煤层保水开采简述

浅埋煤层多见于我国西部,并且西部是缺水地区,脆弱的生态系统势必会给采矿事业带来新的挑战,为了迎接这一挑战,浅埋煤层保水开采应运而生。浅埋煤层保水开采主要针对浅埋煤层中保水关键层的控制,达到保持水体水位的目的。     

采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据

针对承压水上倾斜煤层底板岩层所受载荷的非对称特征,在考虑沿煤层倾斜方向存在一定水压梯度的情况下,依据隔水关键层理论,建立了线性增加水压力作用下的底板倾斜隔水关键层模型。采用弹性薄板理论,分析了倾斜隔水关键层的力学特性,揭示了底板倾斜隔水关键层在其长边中点偏下的位置最容易出现拉伸屈服破坏。最后,采用Griffith和Mohr-Coulomb两种屈服准则,在判断出底板倾斜隔水关键层上最可能发生屈服破坏位置的基础上,推导了基于拉伸和剪切破坏机理的采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据,并应用于现场倾斜煤层底板隔水关键层的稳定性分析。     

复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响

近距离煤层群复合采动影响下,层间岩层中隔水层的稳定性至关重要。若层间岩层中隔水层的稳定性遭受破坏,则上覆采空区中的积水会向下方渗流扩逸,甚至瞬间涌出,威胁下部煤层的安全开采。提出了复合采动影响下层间隔水控制层的基本概念,运用损伤力学的基础理论构建了复合采动影响下层间岩体损伤参量D的计算模型,分别研究了损伤参量D与层间岩体抗压强度及破坏范围之间的关系,分析了不同条件下复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响。研究结果表明:(1)层间隔水控制层是指复合采动影响下层间岩体中不发生破断失稳且能起到阻隔上方采空区积水向下渗流扩逸的控制岩层。(2)损伤参量D可以用来衡量复合采动影响下层间岩体的损伤破坏程度。(3)层间岩体抗压强度R_D与损伤参量D的关系为:随着损伤参量D的增大,层间岩体的抗压强度R_D表现出线性递减的变化趋势,其折减系数为1-D。(4)层间岩体破坏范围与损伤参量D的关系为:层间岩体的最大破坏深度/高度H_(max)及其距工作面端部的距离L_(max)均随着损伤参量D的增大而增加;D越大,H_(max)和L_(max)的增幅也越大。(5)层间隔水控制层的稳定性与复合采动产生的叠加损伤密切相关;通过综合考量上下煤层多重开采后层间岩体的损伤破坏范围与隔水控制层的层位关系,全面分析了6种不同条件下层间隔水控制层的稳定性,并给出了合理有效的控制措施,来减轻上覆采空区积水对下部煤层开采的威胁,并保障安全生产。复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响研究可以为积水采空区下伏煤层的安全开采提供理论指导。     

深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响

通过工程实例和数值模拟实验，就深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响进行了研究，结果表明,对于倾斜煤层而言，开采深度的增大意味着基岩厚度的增加，从而引起深部开采覆岩关键层层数一般多于浅部开采，深部开采覆岩主关键层位置距开采煤层的距离一般大于浅部开采.正是由于受深部开采覆岩主关键层位置的改变和覆岩关键层层数增多的影响，导致了深部与浅部开采地表沉陷特征的差异.     

保水开采相似模拟高精度位移测量方法研究

针对保水开采相似模拟岩层大范围非线性位移特点和大量程高精度测量要求,提出了一种通过布设参考点提高位移测量精度的方法,并通过实验进行了分析验证。研究结果表明:测量精度随参考点个数及位移值的增加而提高;参考点个数增加可以减小系统误差,系统误差随着参考点个数的增加在一定范围内波动,测量值误差的正负决定波动趋势;当参考点个数大于15时,误差均值向有序过渡,大于25时,表现为有序状态;为保证测量精度,至少需要对25个参考点。本方法可为保水开采覆岩移动变形模拟观测提供借鉴。     

煤炭保水开采技术探究

随着我国煤炭开采规模越来越大,引起地下水资源破坏的问题越来越突出,极大的阻碍了环境与社会经济的协调发展。煤炭绿色保水开采是在不影响区域水文地质条件情况下采煤,可以很好地解决开采对地下水资源的破坏等问题。通过分析开采对地下水的影响,总结了保水开采技术的主要影响因素,论述了实现保水开采的途径及方法     

薄基岩厚松散层下充填保水开采安全性分析

为研究薄基岩厚松散层下充填开采安全性,选择五沟煤矿CT101充填工作面为研究对象,通过理论分析、数值模拟和钻孔探测,对CT101充填工作面隔水关键层稳定性进行了分析,揭示薄基岩厚松散层下充填开采覆岩裂隙高度(深度)及其变化规律,并对开采安全性进了分析。结果表明:采高3.5 m,矸石充填率为85%时,关键层未破断,隔水关键层保持完整;下行裂隙多分布在工作面两端,且具有弥合性,随工作面推进周期性增大、减小,实测下行裂隙深5.5 m,上行裂隙高6.41~11.85 m,剩余隔水层组厚度为17.38~23.97 m,工作面可实现安全回采,为类似采矿地质条件下开采安全性分析提供了借鉴。     

西部典型矿区弱胶结地层岩石的物理力学性能特征

西部矿区弱胶结岩层与中东部矿区岩层力学性能之间的差别认识不清是导致西部矿区开采过程中灾害性事故频发的根本原因。通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法,研究了我国煤矿区弱胶结地层地域分布规律,选取新疆矿区大井南一井和苇子沟矿、鄂尔多斯矿区的营盘壕矿、大海则矿、陶忽图矿、高头窑矿等6对典型矿井岩石物理力学数据,分析了密度、孔隙率、含水率、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角、泊松比等参数随埋深变化规律。现场采集了红庆河煤矿的砂质泥岩进行了崩解实验。研究结果表明:弱胶结地层主要分布在我国的新疆地区、鄂尔多斯盆地矿区、蒙东矿区,岩石成岩不充分,岩石强度普遍偏低,具有明显的松、散、弱的特性;西部矿区岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩,胶结物大多为泥质;岩石密度与埋深呈正相关,随埋深增加呈线性递增,岩石孔隙率、含水率与埋深呈负相关;岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力随埋深增加具有一定的线性递增关系;岩石的泊松比、内摩擦角与埋深无明显的相关性;实验发现弱胶结岩石遇水后具有强烈的崩解性,循环次数越多,崩解后的粒径越小越均匀,弱胶结岩石的强崩解性是导致西部矿区采场导水裂隙带高度增大的主要因素;弱胶结岩石强度普遍低于中东部同类岩石强度;建立岩石物理力学性能集合可进一步明确中西部岩石间差别。     

保水采煤的科学内涵

为保护干旱半干旱矿区含水层及生态系统,通过阐述榆神矿区矿床地质、开采条件、岩层移动特征等,从系统论角度提出了保水采煤的概念和科学内涵,并构建了保水采煤研究基本框架。认为保水采煤适用于干旱半干旱缺水矿区,目标是保护含水层结构和河流基流量基本稳定;主要研究地质条件、岩层移动控制技术、水与生态约束条件和保水采煤关键技术;技术途径包括控制岩层移动抑制导水裂隙带发育、隔水层再造和注浆改造隔水层等。低成本充填技术和沙漠区地下水位相对变浅后的环境效应是保水采煤研究面临的挑战。保水采煤研究是我国干旱半干旱矿区煤炭开采与水资源保护的理论基础和依据。