冯营矿矿井突水机理分析

针对冯营矿矿井水文地质条件复杂、水害严重的现状,研究了矿井充水水源、充水通道等充水条件,认为石炭系L8灰岩水、顶板砂岩空隙裂隙水和L2灰岩水是主要充水水源,断裂构造是主要的导水通道．研究表明：煤层顶板砂岩含水性相对较弱,太灰和奥灰含水层属中等-强富水性;断裂构造是沟通煤层底板太原组L8,L2灰岩和奥陶系（O2）灰岩的主要通道,也是矿井突水且突水量较大的主要因素之一．井田断层发育且导水良好,形成矿井突水的潜在威胁;对煤层底板采动裂隙影响的计算表明其有效隔水层较薄,加之矿压对底板的破坏,可构成煤层底板导水通道．以上因素导致冯营矿水害频发．     

冯营矿矿井突水机理分析

针对冯营矿矿井水文地质条件复杂、水害严重的现状,研究了矿井充水水源、充水通道等充水条件,认为石炭系L8灰岩水、顶板砂岩空隙裂隙水和L2灰岩水是主要充水水源,断裂构造是主要的导水通道．研究表明：煤层顶板砂岩含水性相对较弱,太灰和奥灰含水层属中等-强富水性;断裂构造是沟通煤层底板太原组L8,L2灰岩和奥陶系（O2）灰岩的主要通道,也是矿井突水且突水量较大的主要因素之一．井田断层发育且导水良好,形成矿井突水的潜在威胁;对煤层底板采动裂隙影响的计算表明其有效隔水层较薄,加之矿压对底板的破坏,可构成煤层底板导水通道．以上因素导致冯营矿水害频发．     

矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用

地下矿床开采引起采场围岩变形破坏产生采动裂隙,采动裂隙是矿山一系列灾害的根源,研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征,提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高分辨率探测,对于防治矿山灾害发生,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径,全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征.主要研究内容、方法、结论及发现点如下： 1）根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征,建立煤层开采前和开采后电性数学模型,利用高精度有限单元法进行电场数值模拟．计算结果表明：采动裂隙引起煤层上覆地层的视电阻率变化,其影响范围较实际破裂范围大得多,基本上是覆岩冒裂带范围的两倍,其视电阻率值最大影响区为冒落带,变化率可达19％;在裂隙发育带,视电阻率的变化率可达10％～12％． 2）通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,实施直流电阻率法的动态数据采集及反演计算,获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征．选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4个关键时段,进行代表性的电场观测和计算分析．物理模拟结果表明：在覆岩变形破坏产生的裂隙带中,电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2～3倍;而在冒落带中,电阻率值增加4～6倍;在弯曲变形带,采动过程中电性特征有一定的变化,主要表现为电阻率值略有增大． 3）利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性波速度场响应特征研究,获得了覆岩采动裂隙的波场响应特征．建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,进行煤层开采之前和开采之后两个不同时段对所模拟的岩层进行声波CT测量,反演计算所模拟岩层的波速场的分布．实验结果表明：在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中,速度场变化表现为正常场值降低约10％～20％;而在冒落带中,采后很难接收到弹性波穿透的有效信号．在受开采影响但未破坏的采空边缘区,波速的升高是主要特征．4）结合含完整采空区的采区三维地震资料,全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响边界的地震波场特征．研究表明：对应采空区的位置,煤层反射波消失或能量变弱,覆岩层中出现波组零乱的反射波,能量弱,连续性差;对应支撑压力区,反射波组能量明显增强;对应采动影响带,包括上倾和下倾方向边界角范围内岩层的反射波能量明显减弱,局部出现反射空白带．根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙”天窗”、采动影响范围,为水体下煤炭资源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术．5）建立煤层开采前以及开采后生成离层（离层充水、离层充气）的波场数学模型,利用有限差分法进行波场数值模拟．结合现场利用地震技术探测离层层位,分析了离层发育的具体位置及注浆充填离层带的效果,理论与实际相结合,并经实际检测．6）结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波CT现场实测试验,研究采动过程中采动裂隙产生过程与弹性波场的响应关系．探讨了动态探测方法的观测方案,确定关键观测时段和观测系统,根据CT反演的速度场特征,全面分析了底板岩体产生采动裂隙的速度场响应特征,在此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度,探测效果明显,为承压水上安全开采底板破坏监测提供了新的技术途径和地质保障．7）综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征,结合现场试验的结论和效果分析,提出了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系．     

全国优秀博士学位论文摘要矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用

地下矿床开采引起采场围岩变形破坏产生采动裂隙,采动裂隙是矿山一系列灾害的根源,研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征,提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高分辨率探测,对于防治矿山灾害发生,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径,全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征.主要研究内容、方法、结论及发现点如下:1)根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征,建立煤层开采前和开采后电性数学模型,利用高精度有限单元法进行电场数值模拟.计算结果表明:采动裂隙引起煤层上覆地层的视电阻率变化,其影响范围较实际破裂范围大得多,基本上是覆岩冒裂带范围的两倍,其视电阻率值最大影响区为冒落带,变化率可达19%;在裂隙发育带,视电阻率的变化率可达10%～12%.2)通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,实施直流电阻率法的动态数据采集及反演计算,获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征.选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4个关键时段,进行代表性的电场观测和计算分析.物理模拟结果表明:在覆岩变形破坏产生的裂隙带中,电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2～3倍;而在冒落带中,电阻率值增加4～6倍;在弯曲变形带,采动过程中电性特征有一定的变化,主要表现为电阻率值略有增大.3)利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性渡速度场响应特征研究,获得了覆岩采动裂隙的波场响应特征.建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,进行煤层开采之前和开采之后两个不同时段时所模拟的岩层进行声波CT测量,反演计算所模拟岩层的波速场的分布.实验结果表明:在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中,速度场变化表现为正常场值降低约10%～20%;而在冒落带中,采后很难接收到弹性波穿透的有效信号.在受开采影响但未破坏的采空边缘区,波速的升高是主要特征.4)结合含完整采空区的采区三维地震资料,全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响边界的地震波场特征.研究表明:对应采空区的位置,煤层反射波消失或能量变弱,覆岩层中出现波组零乱的反射波,能量弱,连续性差;对应支撑压力区,反射波组能量明显增强;对应采动影响带,包括上倾和下倾方向边界角范围内岩层的反射渡能量明显减弱,局部出现反射空白带.根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙"天窗"、采动影响范围,为水体下煤炭资源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术.5)建立煤层开采前以及开采后生成离层(离层充水、离层充气)的波场数学模型,利用有限差分法进行波场数值模拟.结合现场利用地震技术探测离层层位,分析了离层发育的具体位置及注浆充填离层带的效果,理论与实际相结合,并经实际检测.6)结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波CT现场实测试验,研究采动过程中采动裂隙产生过程与弹性波场的响应关系.探讨了动态探测方法的观测方案,确定关键观测时段和观测系统,根据CT反演的速度场特征,全面分析了底极岩体产生采动裂隙的速度场响应特征,在此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度,探测效果明显,为承压水上安全开采底板破坏监测提供了新的技术途径和地质保障.7)综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征,结合现场试验的结论和效果分析,提出了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系.     

非线性科学在矿山开采沉陷中的应用（1）

论述了引进非线性科学对开采沉陷进行研究的重要性和可行性。对损伤岩体的采动沉陷规律、采动岩体裂隙分布规律、采动断层活化的分形界面效应、开采沉陷的协同效应及突变性进行了探索性研究；提出了基于开采沉陷非线性特征的采动损害防治对策。     

平顶山十矿下保护层开采围岩破坏数值模拟及水害防治

为研究平顶山十矿下保护层开采是否达到释放己_(16-17)煤层瓦斯的目的以及是否会诱发底板灰岩承压水突水问题,基于FLAC~(3D)数值模拟软件,以十矿24130首采面为例,模拟采动条件下顶底板围岩的变形破坏过程。结果显示:开采下保护层所引起的顶板冒裂带发育高度能够达到己_(16-17)煤层,满足释放己组煤层瓦斯的裂隙要求;底板采动破坏深度最大为24.5 m,破坏裂隙会成为灰岩承压水进入矿井的导水通道,突水系数超过临界值。为确保24130首采面的安全生产,设计并实施了水害综合探查、疏水降压、完善排水系统、安全带压开采等综合防治水措施。该首采面成为平顶山矿区以开采下保护层释放己组煤层瓦斯和成功防治灰岩承压水的示范性工作面。     

风氧化带内煤层安全开采的试验研究

根据现场观测和工程实践，论述了风氧化带内煤层开采时，覆岩破坏移动特征，风化带岩石属性和风氧化带内煤层安全开采机理的定性、定量分析．提出了风氧化带煤层开采无垮落带；受采动影响后，具阻水和抑制导水裂隙带继续发展的双重作用以及适当加大开采厚度等新观点．对两淮煤田浅部煤层安全开采和老矿挖潜具有重要的参考价值。     

厚煤层采动裂隙发育演化规律及分布形态研究

结合弹塑性和断裂力学相关理论分析厚煤层上覆岩层采动裂隙扩展力学原理,根据覆岩内原生裂隙、次生裂隙和贯通裂隙分布情况将采动裂隙瓦斯流动通道沿工作面倾向分为:孤立区、局部网络区和网络区,运用UDEC数值软件模拟不同倾角和工作面长度条件下覆岩采动裂隙分布规律.结果表明:受采动影响,厚煤层工作面采空区覆岩出现"O"形裂隙圈,其随煤层倾角增大且沿煤层倾向向上发育,由水平煤层的等腰梯形演化为急倾斜煤层的不对称钝角梯形,瓦斯积聚于"O"形圈顶部;煤层倾角不变的情况下,"O"形裂隙圈随工作面长度的增加而增高.     

贵定县峰坡煤炭勘查区水文地质特征分析

在充分调研了贵州省贵定县峰坡煤炭勘查区勘探资料基础上,对勘查区水文地质条件进行了详细的分析和论述,认为峰坡煤炭勘查区属以岩溶充水为主,顶底板同时进水,水文地质条件复杂的岩溶充水矿床.并对未来矿井的充水因素进行了预测分析,指出未来矿井的直接充水水源为来自上覆吴家坪组二段(P3w2)充水含水层和下伏茅口组(P2m)充水含水层中的溶洞水,间接充水水源为地表水和大气降水,充水途径主要是未来矿井采动影响而产生的岩石冒落带、导水裂隙带、底板突破等工程地质现象为主的人为充水通道.     

天然-采动状态下顶板含水层疏降水量预测与评价

以鄂尔多斯市台格庙矿区为例,研究多层含水系统水文地质参数和边界条件特征,运用Visual Modflow软件建立研究区三维地下水数值模型,采用钻孔抽水实验资料及矿区初始流场分布数据完成了模型识别和校正。针对以往疏降水量预测未考虑采动后水文地质条件变化的问题,基于导水裂隙带发育高度与顶板隔水层的侵入关系确定了疏降含水层层位和区域,对矿区7个井田2、3煤层顶板含水层在天然状态和采动状态下的疏降水量进行了预测,结果表明:采动状态下顶板含水层疏降水量明显增大,开采前需要对顶板含水层水位进行疏降,且水位疏降会对当地居民饮用水含水层造成一定的影响。     

Coal and rock fissure evolution and distribution characteristics of multi-seam mining

Henan Pingdingshan No.10 mine is prone to both coal and gas outbursts. The E_9–10 coal seam is the main coal-producing seam but has poor quality ventilation, thus making it relatively difficult for gas extraction. The F₁₅ coal seam, at its lower section, is not prone to coal and gas outbursts. The average seam separation distance of 150 m is greater than the upper limit for underside protective seam mining. Based on borehole imaging technology for field exploration of coal and rock fracture characteristics and discrete element numerical simulation, we have studied the evolution laws and distribution characteristics of the coal and rock fissure field between these two coal seams. By analysis of the influential effect of group F coal mining on the E_9–10 coal seam, we have shown that a number of small fissures also develop in the area some 150 m above the overlying strata. The width and number of the fissures also increase with the extent of mining activity. Most of the fissures develop at a low angle or even parallel to the strata. The results show that the mining of the F₁₅ coal seam has the effect of improving the permeability of the E_9–10 coal seam.     

郭二庄9#煤带压开采底板突水灰色风险评价

针对郭二庄井田下组9#煤带压开采中存在的底板突水风险影响因素的不确定性,采用灰色风险计算模型和方法,结合井田已有突水、出水点水位标高、矿井最大涌水量及单位涌水量等相关信息统计,构建灰色风险计算模型,对井田受采动影响后煤层底板发生突水风险的概率和风险性变异进行评价。计算结果表明郭二庄井田下组9#煤带压开采存在底板突水风险性大,煤层开采前应慎重作出避让和分区隔离开采、探治结合等有效的补救措施,减少突发水害事故的发生。     

承压水上煤层底板采动效应数值模拟研究

针对淮南煤田某矿412采区开采1煤时受承压水的威胁,从采区的水文地质与工程地质条件出发,建立数值计算模型,并利用FLAC数值分析软件对开采过程中煤层底板应力、破坏区及突涌水情况进行分析与评价,为安全开采提出相应建议.     

新集一矿孔隙结构特征研究

为进一步了解新集一矿煤层孔隙结构特征,通过压汞法和低温氮等温吸附法实验手段对新集一矿主采煤层孔隙发育特征进行研究。发现新集一矿主采煤层孔隙度较比两淮矿区其他地区高。其中以8煤层8XJ5号样为代表孔隙分布以小孔最发育,大孔较发育,中孔少见为特征和以13-1煤层13XJ10号样为代表孔隙分布以小孔最发育为特征的基质孔,孔隙之间的连通差,不利于瓦斯的抽排;以11-2煤层11XJ3号样和6-1煤层6XJ15号样为代表中孔发育,孔隙以裂隙性为主,孔隙之间的连通较好,有利于瓦斯的运移。     

郭二庄9~#煤带压开采底板突水灰色风险评价

针对郭二庄井田下组9#煤带压开采中存在的底板突水风险影响因素的不确定性,采用灰色风险计算模型和方法,结合井田已有突水、出水点水位标高、矿井最大涌水量及单位涌水量等相关信息统计,构建灰色风险计算模型,对井田受采动影响后煤层底板发生突水风险的概率和风险性变异进行评价。计算结果表明郭二庄井田下组9#煤带压开采存在底板突水风险性大,煤层开采前应慎重作出避让和分区隔离开采、探治结合等有效的补救措施,减少突发水害事故的发生。     

Analysis of the Harmfulness of Water-Inrush from Coal Seam Floor Based on Seepage Instability Theory

A theory of seepage instability was used to estimate the harmfulness of water-inrush from a coal seam floor in a particular coal mine of the Mining Group, Xuzhou.Based on the stratum column chart in this coal mine, the distribution of stress in mining floors when the long-wall mining was respectively pushed along to 100 m and to 150 m was simulated by using the numerical software (RFPA2D).The permeability parameters of the coal seam floor are described given the relationship between permeability parameters.Strain and the water-inrush-indices were calculated.The water-inrush-index was 67.2% when the working face was pushed to 100 m, showing that water-inrush is possible and it was 1630% when the working face was pushed to 150 m, showing that water-inrush is quite probable.The results show that as long-wall mining is pushed along, the failure zone is enlarged, the strain increased, and fissures developed correspondingly, resulting in the formation of water-inrush channels.Accompanied by the failure of the strata, the permeability increased exponentially.In contrast, the non-Darcy flow β factor and the acceleration coefficient decreased exponentially, while the increase in the water-inrush-index was nearly exponential and the harmfulness of water-inrush in the coal mine increased accordingly.     

厚煤层全煤巷采区巷道布置关键技术研究

在分析煤矿开采过程中大量矸石排放造成矿区土地资源浪费、水资源破坏和大气污染现状的基础上，根据采煤技术发展现状，提出了厚煤层采区全煤巷布置系统，并对厚煤层采区煤层上山(或煤层大巷)的维护、采空区排水和防灭火等关键技术进行了研究，以实现厚煤层矿井的安全、高效、洁净开采。     

Influential factors and control of water inrush in a coal seam as the main aquifer

In this paper, a combination of field measurement, theoretical analysis and numerical simulation were used to study the main control factors of coal mine water inrush in a main aquifer coal seam and its control scheme. On the basis of revealing and analyzing the coal seam as the main aquifer in western coal mine of Xiao Jihan coal mine, the simulation software of PHASE-2D was applied to analyze the water inflow under different influencing factors. The results showed that water inflow increases logarithmically with the coal seam thickness, increases as a power function with the permeability coefficient of the coal seam, and increases linearly with the coal seam burial depth and the head pressure; The evaluation model for the factors of coal seam water inrush was gained by using nonlinear regression analysis with SPSS. The mine water inrush risk evaluation partition within the scope of the mining field was obtained,through the engineering application in Xiao Jihan coal mine. To ensure the safe and efficient production of the mine, we studied the coal mine water disaster prevention and control measures of a main aquifer coal seam in aspects of roadway driving and coal seam mining.     

窄煤柱探放采空区积水技术研究

结合潘集第一煤矿多个工作面探放水工作实践，分析采空区积水规律，研究在窄煤柱下，安全高效探放采空区积水的技术方法，解决矿井水害的安全隐患，提高煤炭资源的采出率，经济效益显著。