弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制研究

安新煤田主采煤层上覆巨厚弱胶结砂砾岩含水层,富水性弱,但多个工作面回采期间发生突水,查明突水机制是矿井水害防治的关键。通过水文地质特征分析,阐明了砂砾岩含水层厚度分布特征和富水性分区特征。采用岩石单轴抗压强度、三轴声发射、X衍射试验等方法,获得了顶板隔水层岩石物理力学性质。基于关键层理论分析、导水裂隙带与采动富水异常区层位关系及相似模拟试验成果,建立了4种条件下巨厚砂砾岩含水层突水的水文地质结构模型,揭示了砂砾岩含水层不同条件下的突水机制,并明确了研究区突水点的突水机制,提出了隔水保护层失稳导致突水的工程判据。研究结果表明：研究区东部局部区域含水层富水性中等,以往多次突水均发生在弱富水区;砂砾岩含水层下顶板泥岩中黏土矿物含量达到59.6%,亲水性强,具有良好的隔水作用;但在采动作用下顶板隔水层岩体卸压后强度降低,厚度较薄时,受上部岩层载荷和采动富水区静水压力作用易发生破坏,成为良好导水通道;砂砾岩含水层物理力学性质特殊,采动扰动后孔隙裂隙发育,形成了富水变化异常区;弱胶结砂砾岩突水的强度与下部基岩特征、导水裂隙带发育高度、隔水保护层厚度等因素相关;研究区弱胶结砂砾岩发生突水的工程判据为...     

顶板砂岩水下煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度研究

导水裂隙带发育高度是顶板砂岩水下实施安全采煤的重要技术参数之一。以新集矿区某综采工作面为工程背景,针对工作面回采后采动裂隙导通上覆砂岩含水层易发生突水事故的问题,在分析覆岩岩性特征的基础上,采用经验公式估算、基于关键层位置覆岩导水裂隙带高度预测方法、数值模拟及井下仰孔分段注水法对覆岩导水裂隙带发育高度进行研究。结果表明,基于关键层理论导水裂隙带高度预测方法、FLAC3D数值模拟与井下仰孔分段注水试验结果基本一致,而经验公式预测导水裂隙带发育高度数值较小,存在一定的局限性。工作面回采后,导水裂隙带发育高度最大为57.6 m,裂采比为15.2,且发育形态呈“马鞍型”。 研究结果可为工作面顶板水害治理提供地质依据。     

三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析

通过大南湖一矿三软煤层工程地质条件及煤岩物理力学参数的综合分析与测定,开展了对应条件下的物理相似模拟,分析了综放工作面围岩运移及覆岩破坏高度,探索了现场支架实测阻力与覆岩裂隙导水位置、导水量间的关系。综合分析表明:1303综放工作面顶板垮落带高度为20 m,模型表面裂隙延伸高度观测结果与3D钻孔电视合成的钻孔内壁破裂剖面揭示出的裂隙延伸高度均为98 m,与经验公式计算基本一致。工作面超前影响范围随开采范围而增大,最终趋于稳定。1303综放面工作面划分为两个较为明显的压力集中区,工作面裂隙导水量、导水位置与压力集中区中支架压力变化相关,覆岩裂隙导水显现的位置处在工作面中下部顶板压力集中显现区(2区)的位置几率较大。建议1303工作面提前疏放上覆含水层以及老窑积水的同时,加强对两个压力集中区(1区和2区)的监测,尤其是2区,密切关注架后顶板垮落情况与工作面淋水量变化,及时的给出来压预警与导水位置及导水量预测。     

基于关键层位置的敏东一矿导水断裂带高度预测

针对敏东一矿首采盘区顶板富水条件下的水害防治难题,根据收集到的地质钻孔柱状资料数据,采用“基于关键层位置的导水断裂带高度预计方法”,对首采盘区01~04工作面的导水断裂带发育高度进行了预计,结果分别为82.80、83.06、45.65、61.10 m。同时,利用导水裂隙发育的钻孔工程探测对02工作面预计结果进行了验证,证实了理论预计结果的准确性。     

基于钻孔水文监测信息的顶板水害分析

为掌握补连塔煤矿31401工作面顶板突水致灾机理,通过施工井下放水孔、水文观测孔及地面钻孔,分别监测各钻孔的水流量、水位、水位—流量耦合信息,并对上述信息进行挖掘,用于分析顶板渗透性、覆岩变形规律及其与含水层水位变化关系、裂采比与垮采比。分析结果表明:顶板含水层原生裂隙不发育,采前渗透性弱;覆岩破断变形过程经历了张开、闭合过程,并且砂质泥岩遇水泥化、膨胀,填堵导水通道,同时,覆岩变形与含水层水位下降存在必然联系,水位下降滞后周期来压初始时间;采前原生裂隙不发育,采后裂采比为31.93~34.98,垮采比为3.88~4.48。确定该工作面多次出现的周期性顶板突水通道为回采后的导裂带。     

承压含水层下大倾角煤层条带开采参数设计与实践

为了研究新河煤矿承压含水层下大倾角煤层开采导水断裂带发育问题,采用FLAC3D数值模拟软件,对不同条带开采参数时上覆岩层破裂发育演化规律进行研究。结果表明:当工作面宽度为30 m,煤柱留设宽度为30 m时,工作面顶底板变形破坏范围明显减小,导水断裂带发育高度为30 m,与上部含水层距离为22 m。现场实践表明,在钻孔深度为67～96 m范围内钻孔平均漏水量为4 L/min,导水断裂带最大发育高度为32 m,工作面顶板导水断裂带得到了有效控制,确保了新河煤矿承压含水层下大倾角煤层的安全开采,有效防止了突水事故的发生。     

松散承压含水层下采煤突水机理与防治研究

针对祁东煤矿多起采煤工作面突水灾害问题,采用现场测试和模拟实验方法,对松散承压含水层下采煤顶板导水裂隙发育特征与突水机理、突水危险区域预测与突水灾害防治对策等进行了深入研究.结果表明:祁东煤矿采煤工作面每次突水前都伴随有压架现象,说明工作面突水灾害的发生与覆岩破断运动紧密相关.由于松散承压含水层的载荷传递作用,易导致覆岩关键层产生复合破断,引起松散承压含水层下部较大范围岩层的整体破断,使得顶板导水裂隙发育高度异常增大而沟通含水层,这是引发松散承压含水层下采煤发生异常突水灾害的根本原因.提出了松散承压含水层下采煤突水危险区域的预测方法和突水灾害防治对策,指导了祁东煤矿松散承压含水层下采煤突水灾害的防治实践.     

高家堡井田二盘区导水裂隙带高度实测研究

为了查明煤层顶板导水裂隙发育规律,采用地面钻孔分段注水测试和钻孔窥视方法实测了高家堡井田204工作面和205工作面煤层顶板导水裂隙带发育高度。研究结果表明：（1）205工作面DT1钻孔位置煤层顶板导水裂隙带发育高度为327.75 m,裂采比25.81。（2）204工作面DT2钻孔位置煤层顶板导水裂隙带发育高度为197.85 m,裂采比35.33。（3）高家堡井田二盘区导水裂隙带实测结果丰富了黄陇煤田综放采煤覆岩破坏规律。     

洛河组含水层下厚煤层开采导水裂隙带高度探测与分析

以亭南煤矿二盘区巨厚洛河组下开采条件为背景,采用理论和工程探测方法,对不同工作面采厚情况下采动覆岩导水裂隙的发育特征进行了探测和分析。研究结果表明,在204面采高6m条件下,实探导水裂隙带高度为144.0m|206工作面采放总厚度7.5m情况下,实探导水裂隙带高度为140.2m|206工作面采放总厚度9m情况下,实探导高为148.3m,导水裂隙带高度并没有因采高的变化而明显变化,均至宜君组底界附近,同时受控于覆岩中关键层的位置。实测结果也验证了基于关键位置的导高判别方法的正确性及其在亭南煤矿巨厚洛河组覆岩条件下的适用性。研究成果可为亭南煤矿后续盘区合理采放高度设计和顶板水防治提供参考和借鉴。     

漳村煤矿1312工作面顶板突水原因分析

漳村煤矿1312工作面在回采过程中发生间断性涌水,但依据经验公式计算顶板断裂带高度并未发育到含水层。通过分析顶板水文地质条件,运用RFPA数值模拟与现场实际探测研究顶板导水裂隙带发育规律。结果表明： ①经验公式计算得到的顶板导水断裂带最大高度为45～58 m,与RFPA数值模拟得到的95 m相差较大,顶板亚关键层薄以及距3煤顶板距离小于58 m是使得裂隙带发育偏高的主要原因;②现场探测测得顶板裂隙带发育高度约为96 m,与RFPA模拟相符合;③关键层与含水层空间位置及岩层分布规律决定了工作面回采顶板会发生间断性涌水以及滞后涌水。     

哈拉沟煤矿22402工作面初采期溃水溃沙机理及防治技术

结合哈拉沟煤矿22402工作面初采期煤层覆岩结构特征,对该工作面溃水溃沙事故的原因进行了分析,并提出了对应的防治措施。结果表明,22402工作面初采期煤层覆岩属单一关键层结构,关键层破断发生滑落失稳导致其上覆岩层整体断裂下沉,导水裂隙带导通了含水层与工作面,含水层水带动其上部沙粒溃入工作面而发生溃水溃沙事故。据此从开采前、开采期间和事故应急抢救3个方面,提出了工作面溃水溃沙事故的防治技术。     

含水松散层下煤层开采覆岩破坏规律的数值模拟研究

以五沟煤矿1011工作面煤层开采为例,应用ANSYS有限元软件,对煤矿开采引起的煤层顶板覆岩运移规律进行了数值模拟,分析研究了含水松散层下煤层开采覆岩破坏移动规律,确定了导水裂隙带和覆岩冒落带发育高度,利用经验公式和简易水文观测法对模拟计算结果进行了验证,得出了1011工作面覆岩破坏移动规律和"两带"发育高度,为进一步合理留设防水煤柱提供了有效的技术参数。     

神东矿区覆岩破坏类型的探测研究

神东矿区主要开采侏罗系煤层,由于工作面覆岩松散层厚度、基岩厚度和埋深变化的复杂性,加之矿井水文地质条件变化较大,多次发生工作面突水、溃沙事故。采用以钻孔探测工作面覆岩破坏高度的研究方法为主,首次指出矿区存在覆岩破坏"两带"分布、覆岩破坏正常"三带"分布和超高导水裂隙带分布3种覆岩破坏类型。     

海下软覆岩煤层顶板离层水发育规律数值模拟研究

运用离散元软件对某矿海下软弱覆岩2煤顶板离层水空间发育规律进行了数值模拟研究,结果证明:顶板软弱覆岩条件下会发生离层现象,在4.36 m采高和开挖步距为10 m情况下,开挖距离为200 m时会发生3次离层现象,且离层发展一直处于"产生—发展—闭合稳定—产生"的循环过程;根据工作面突水特征、突水水源和突水通道等因素分析,并与数值模拟结果进行对比,得出该矿工作面突水并不是导水断裂带直接导通互层含水层所致,而是由于离层突水所致。     

综采导水裂隙带多因素影响指标研究与高度预计

在分析了导水裂隙带发育高度受多种因素影响的前提下,提出了新的参数指标即硬岩岩性比例系数,代替顶板岩层单轴抗压强度,避免了现行规范中坚硬、中硬、软弱、极软弱顶板类型划分时单轴抗压强度统计不确定问题,以及未反映顶板软硬岩层组合结构问题。以39例综采导水裂隙带实测数据为基础,采用多元回归分析,得到综采导水裂隙带高度与煤层采高、硬岩岩性系数、工作面斜长、采深、开采推进速度多因素之间的非线性统计关系式,并用于淮南谢桥矿首采面的导水裂隙带高度预计。     

18112工作面覆岩导水裂隙发育和渗流规律模拟分析

采用数值模拟分析18112工作面覆岩导水裂隙的发育和渗流规律。根据模拟结果得出,覆岩垮落带和导水裂隙带的发育高度分别为12 m和38 m,且工作面推进至沟谷底部下方时,覆岩裂隙与地表相贯通;工作面推进至沟谷下坡底部(回采120 m)~沟谷上坡段中部(推进250 m)时,存在着较大的突水危险性,需提前采取防治水措施保障安全回采。     

Water and Sand Inrush During Mining Under Thick Unconsolidated Layers and Thin Bedrock in the Zhaogu No. 1 Coal Mine,China

Raising the upper boundary of coal mining under thick Cenozoic unconsolidated layers has brought new challenges to the prediction and prevention of water and sand inrush from overlying sand and gravel aquifers in north China. The mechanism of water and sand inrush was studied based on an incident that occurred at working face 11071 in the Zhaogu No. 1 coal mine, in Henan Province. Geological and hydrogeological investigations in overlying strata indicated that intersections of horizontal confined aquifers and inclined bedrock surfaces, defined as skylight areas, allow water and sand from the aquifers to enter the workings. Geotechnical and physical simulation tests on overlying strata showed that mining-induced fractures in weathered bedrock were gradually enhanced by water and sand flowing under high pressure, leading to inrush incidents at the working faces. The empirical formula for estimating the requisite size of coal and rock pillars were modified by incorporating a term for protective thickness under skylight areas. The modified formula was successfully applied to the extraction of neighboring faces, proving its applicability in coal mines with similar geological and hydrogeological conditions.     

煤层群分组上行开采相似材料模拟和数值模拟

通过理论分析计算,得出上下2组煤开采后的导水裂隙带发育高度以及理论破坏形态预计。通过计算机数值模拟、实验室相似材料模拟,研究分析了上下2组煤开采后覆岩破坏规律及顶底板应力分布规律、覆岩沉降规律,得出导水裂隙带最大值。数值模拟下煤层开采后的覆岩破坏高度,得到模拟的导水裂隙带高度,并与理论值、模拟计算结果对比,综合分析了分组上行开采覆岩破坏与运动规律。     

采煤突水安全敏感性的AHP-熵权法分析

以不同矿区综采导水裂隙带高度的实例数据作为分析样本,利用Mathmatica软件对影响采煤突水安全的地质构造条件、岩石力学强度和开挖扰动等因素进行概化分析建立评估模型,运用AHP-熵权理论对导水裂隙带发育敏感性因素进行综合评估,从而对采煤突水安全性进行评价并提出相应的安全措施。研究表明：地下水位和开采厚度是影响导水裂隙带发育的各因素中所占权重最大的2个因素,其次是硬岩系数。地下水位与裂隙带高度大致呈指数增长关系,采厚与裂隙带高度大致呈二次函数的关系。由此可知,控制采厚和留设防水煤岩柱能大大降低导水裂隙带的高度,且优化采煤工作面有利于进一步减少突水灾害。该研究丰富了矿井顶板水害防范的方法,对水体下深部矿井的安全生产具有实际的指导意义。