浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类

 通过陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测,揭示采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成,采动裂隙带的导通性决定着覆岩隔水层的隔水性。实验分析上行裂隙带发育高度的计算公式,模拟测定下行裂隙带的发育深度。基于采动裂隙发育程度与采高和隔水岩组的关系,提出以隔采比为指标的隔水性判据,由此将保水开采分为自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采3类,为浅埋煤层保水开采提供科学依据。     

奥陶系顶部岩层渗流力学特性及作为隔水关键层应用研究

华北型煤田受岩溶强含水层威胁的煤炭资源含量巨大,特别是下组煤因距离奥陶系太近而不敢开采。近年来,煤矿奥灰突水灾害损失日趋严重,而奥陶系岩溶水又是华北地区重要的地下供水水源,因此,底板保水采煤和煤矿防治水技术急需关键性的突破。本文围绕将奥陶系顶部岩层作为隔水关键层的水文地质环境及其渗流力学特性,开展奥陶系顶部隔水层的形成与演化规律、破碎岩体渗透性测定、奥陶系顶部隔水关键层的构成与力学特征理论分析和数值模拟、断裂活化导水性能、陷落柱渗透性能等方面的研究,取得了如下创新性成果:     

运用RFPA2D数值模拟开采条件下的渗流通道

以煤矿相继地下采动造成阜新矿区八家子自然村民井断水现象为例，在对地下开采条件下水资源流失机理进行水文地质学定性分析的基础上，运用二维岩石破裂渐进过程分析系统，数值模拟了采场覆岩应力场的变化与重新分布规律，数值模拟结果再现了采动区覆岩裂隙萌生、扩展和贯通的过程；这个过程也是地下水渗流场变化与调整、地下水沿新生裂隙通道向地下开采负空间渗流的过程。二维岩石破裂渐进过程分析系统数值模拟结果与水文地质学定性分析结果吻合，证明该系统是一种能预测并预算采动裂隙生成、扩展及其相关危害(如地下水流失等)的可靠的数值定量分析方法。模拟结果表明，即使采空区和受影响区处于不同的水文地质单元，也会因地下采动影响形成畅通的渗流通道而改变地下水的径流方向和方式，为水的流失和向深部采空区渗流汇集创造便利的水文地质条件，使原来不具备渗水条件的采场成为可以接纳很大渗流量的地下水库。     

深井承压开采水文地质条件及防治水技术分析

结合某煤矿矿井下组煤的开采情况,对矿区所在地的主要含水层、隔水层、充水通道等水文地质条件进行了分析,并从设计防排水体系、探放太灰水、疏放采空区积水等方面,提出了针对性的矿井防治水技术措施,以确保矿井生产的安全进行。     

煤层底板岩体采动渗流场–应变场耦合分析

根据五沟煤矿1018工作面地质及水文地质条件,应用三维快速拉格朗日(FLAC3D)流固耦合分析模块,采用变渗透系数方法,对该工作面底板岩体采动渗流应变机制进行数值模拟研究。分析结果表明:采动影响下,围岩渗透系数发生较大的变化,处在采空区正上方的泥岩段最大达到原始渗透系数的1 293倍;根据渗流场分析,工作面采动并没有破坏底板隔水层的阻水性能,采动裂隙没有导通灰岩含水层,灰岩水涌入回采工作面形成水害可能性较小;工作面正下方岩体单元安全度小于1的区域最大深度为30 m。综合渗流场以及隔水底板单元安全度分析结果,10煤底板下灰岩水溃入工作面形成水害可能性较小。     

潞安矿区煤水共采技术研究

 为了水资源的可持续利用和煤矿安全开采,基于绿色开采理念和采动岩体渗流理论,提出区别于疏干开采和排供结合的煤与水共采的观点。以潞安矿区为基地,分析地下水系统特点,发现并利用了奥陶系顶部隔水层,成功实施矿井水资源化利用和煤与水共采。研究结果表明：煤与水共采既适度开发地下水、维持泉组流量处于动态平衡状态,又经济安全地开采了浅部大量受水威胁的煤炭资源。奥陶系顶部隔水层是不需大幅度降低底板奥灰水位就能实现煤水共采的前提和保障,不仅解放了3#煤,而且解放了占矿区总储量1/3的下组煤;煤与煤系地层水共采和矿井水的净化利用为保持矿区乃至整个盆地地下水资源的采补基本平衡做出了重要贡献。煤与水共采是以保水、保安及环境保护为前提的2种资源的合理开采。     

厚松散层及超薄覆岩厚煤层防水煤柱开采试验研究

通过对厚松散层及超薄覆岩的含、隔水层及基岩风氧化带工程岩组性质的分析,采用相似模拟试验与数值模拟等手段研究不同采放比条件下覆岩最大冒高和有效导水高度。研究结果表明:基岩风氧化带内粘土矿物含量高、渗透能力差、再生隔水能力强,具有阻止和抑制导水裂高发展的双重作用,采动后覆岩呈整体弯曲缓慢下沉运动,有效导水裂隙带的发育高度与冒落带高度基本一致。研究结果应用于芦岭矿810#采区,在防水煤柱内进行放顶煤开采,经过两个工作面的成功试采,已安全采出煤炭约40×104t,采出率达86.7%,取得了显著的经济效益。     

覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响

 采用理论分析、模拟实验和工程探测等方法,就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行深入研究。研究结果表明：覆岩主关键层位置会影响顶板导水裂隙带高度,当主关键与开采煤层距离较近并小于某一临界距离时,顶板导水裂隙带将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度明显大于按我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“规程”)中的顶板导水裂隙带高度确定方法得到的结果。对导水裂隙带高度产生影响的主关键层与开采煤层临界距离主要与煤层采高、顶板碎胀压实特性、主关键层破断块度等因素有关,可以粗略按7～10倍煤层采高计算该临界距离。当覆岩主关键层与开采煤层距离小于7～10倍采高时,不能按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度;当覆岩主关键层与开采煤层距离大于7～10倍采高时,仍可按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度。上述结果能很好地解释部分煤矿顶板异常突水灾害的发生机制,并指导神东矿区补连塔煤矿顶板突水灾害防治实践,取得显著的经济效益。     

分形理论研究采动裂隙演化规律

为研究煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的演化规律,通过室内相似材料模拟实验模拟了上覆岩层裂隙演化的全过程。运用分形理论方法,从煤层开采进度、裂隙倾角演化以及区域裂隙分布特征等角度定量分析了采动过程中、采动结束后上覆岩层裂隙的演化规律。研究结果表明:随着工作面的推进,分形维数随采距的推进呈现升维阶段—降维阶段—平稳变维阶段三个阶段的变化特征。根据采动后上覆岩层裂隙场分形维数大小对采煤区域的影响,将采动影响上覆岩层裂隙场定性划分为4个区域:垮落裂隙区、压实裂隙区、垂向裂隙区和离层裂隙区。通过分析裂隙张开程度及分形维数大小得出,垮落裂隙区、垂向裂隙区是主要的导水通道,离层裂隙区以水平流动为主、导水性一般,压实裂隙区导水性最差。     

塞拉利昂南方省枫叶红铁矿水文地质调查研究

为满足塞拉利昂南方省枫叶红铁矿矿山开采要求,采用1∶10000矿区水文地质测绘、河流及泉调查、水文地质钻探及抽水试验等方法,对矿山进行了详细的水文地质调查研究。查明了主要矿体位于当地侵蚀基准面以下,含水层主要为松散岩类孔隙含水层、基岩风化裂隙含水层和基岩构造破碎带含水层3类,矿区所处分水岭地段属地下水的补给区,地下水的补给来源是大气降水及Moa河与Jala湖的侧向补给,矿床主要充水含水层富水性中等,补给条件好,水文地质边界复杂,水文地质条件属于第三型,即水文地质条件复杂的矿床。今后随着矿产的开采应加强水文地质研究工作的投入,为矿山建设及开采提供依据。     

华北型煤矿承压泵井安全评价技术研究——以峰峰矿区薛村煤矿为例

 以峰峰矿区薛村煤矿为例,在水文地质条件分析的基础上,采用压力隧道法、关键层理论法、渗透系数–应变关系法和数值模拟法对潜水泵井的安全性进行评价,各种方法得出同样的结论,即地应力对泵井底板的破坏深度或由于应变造成底板隔水层渗透系数变化带远没有达到奥陶系灰岩含水层,泵井在开凿过程中是安全的。研究结果认为,有关规程定义的突水系数对于泵井的水文地质条件评价不适用,井底对于奥陶系含水层的突水系数虽然超出有关规程定义的值,但不会造成突水。所给出的评价方法对华北型煤矿高承压泵井的水文地质条件评价具有很好的借鉴作用。     

新驿煤田奥灰顶部相对隔水性及底板 突水危险性评价

 为探索华北石炭二叠纪煤炭资源,特别是大量受奥灰水威胁的“下组”煤的安全开采问题,根据“奥陶系顶部存在隔水层并可作为隔水关键层”的观点,通过对新驿煤田奥灰顶部岩性、裂隙岩溶充填情况及钻探漏水、测井出水段等各方面的综合研究措施,论证奥灰顶部相对隔水性。在此基础上,分析并评价煤层底板阻水能力的主要影响因素,并对影响下组煤开采的底板奥灰突水危险性进行分区评价。研究结果为新驿煤矿区下组煤开采的防治水工作提供了参考。将奥陶系顶部相对隔水层作为整个煤层底板隔水层的一部分进行底板突水危险性评价,可以使评价结果更准确。     

承压水体上对拉工作面开采合理错距的确定

承压水体上对拉面开采的错距对底板岩层破坏的影响只是局部的和暂时性的。当工作面开采达到一定规模后，底板岩层破裂最大深度取决于宏观开采技术参数和地质条件。底板岩层现时的和最终的破裂深度不因开采错距的大小（5～30m）而改变，以淮北杨庄矿承压水体上对拉工作面开采为研究背景，通过现场矿山压力观测，数值模拟分析，认为对拉面错距在10m以内为宜。     

采动岩体的力学行为研究与相关工程技术创新进展综述

简要回顾采动岩层结构破断与运动研究的发展过程,指出:采动岩层结构破断与运动不仅控制采场与回采巷道矿压显现,同时还控制采动岩层移动与地表沉陷以及控制采动岩体裂隙演化与渗流。随着对采动岩体特殊力学行为规律研究的深入,利用与控制这些特殊力学行为就形成系列的采矿工程技术创新,在此用工程图例的方式列出一组成果。重点综述在研究岩层移动与地表沉陷规律基础上开发出的综合机械化固体(废弃物)直接充填采煤技术和快速充填大断面沿空留巷技术;在研究采动岩体裂隙演化与渗流规律基础上开发出的煤与瓦斯共采技术和保水采煤技术,包括这4项创新技术的发展过程、最新进展和重要技术参数指标等。     

上行开采层间岩层控制的关键位置判定

 针对历史原因或复杂地质条件等导致曾经遗弃的可采煤层上行开采问题,提出上行开采的关键技术是岩层控制,而岩层控制的突破点在于其关键位置的确定。考虑到上行开采层间岩层关键层的结构最终演化为面接触块体结构,并且该结构中的块体强度高、刚度大,块体间摩擦面近似平面,结构面贯穿块体,结构的失稳源于块体沿着接触面的剪切滑移,故借鉴块体理论的思想,用矢量分析法建立上行开采层间岩层关键层结构中块体的参量矩阵并计算相应的判别矩阵,判定层间岩层关键层结构的可动块体,进而通过虚设切向“净滑动力”的方法探索上行开采层间岩层控制关键位置的具体判定方法,为上行开采层间岩层结构以及上行开采技术体系的进一步深入研究奠定理论基础。     

综放开采预注水弱化顶煤的理论研究及其工程应用

提高顶煤放出率是综放开采的一个重大课题，预注水弱化顶煤是解决这一问题的有效方法之一。从理论上研究了超前开采工作面注入煤体的水在裂隙和孔隙中的渗透运动和水对煤体的弱化机理：从试验上得出了注水压力对煤体变形模量的弱化规律和注水含水率对煤的抗压强度的弱化规律：提出了预注水超前工作面的位置、时间、注水含水率、注水量、注水润湿半径、注水孔间距、注水持续时间、注水压力和注水孔布置等工程参数的确定方法。将理论研究结果应用于潞安王庄矿4309综放开采工作面，取得了显著的技术经济效益和社会效益。     

Coal mining under aquifers in China: a case study

The hydrogeological conditions are very complex in many coal mines in China. Water inrushes from aquifers near mining coal seams occur frequently, and coal mines often suffer from serious water disasters during coal extraction. Therefore, mining safety from groundwater hazards is a common concern of both mine operators and researchers. It is of vital importance to determine mining-induced strata failure and strata hydraulic conductivity variations for predicting and preventing water inrushes in coal mines. This paper summarizes the current situations of coal mining under aquifers in China, and presents a case study for mining under a water-bearing alluvium. The case study consists of field investigations, physical simulation and numerical analyses to evaluate the stress redistribution, strata failure and hydraulic conductivity enhancement resulting from coal extraction in Daliuta Coal Mine, Shaanxi Province, China.     

Coal mining above a confined aquifer

Mining above a confined aquifer involves the risk of a water in-rush to the mining face through broken floor strata. Thus, safe mining should take into account the important factors which influence the fracture behavior in rock strata. From the geological point of view, these factors, on the one hand, include geological structures, mechanical properties and permeability of floor strata, the thickness of waterproof strata separating the coal seam from the confined aquifer, in situ stress state and hydraulic pressure of the confined aquifer. On the other hand, mining parameters factors include length and rate of the mining advance, the length of the mining face in the longwall mining system, and the face interval between the double mining panels if any. Focused on fracture behavior and extent in floor strata with reference to the double face mining above the confined aquifer in Yangzhuang colliery, People's Republic of China, this work includes a systematic and comprehensive study which covers the in situ survey of the geological structure and hydraulic process, laboratory experiments on the mechanical and permeating properties of rocks, and in situ measurement of stress and fluid flow in the floor strata and the pressure distribution in the mining gateways. To gain a better understanding and insight into fracture initiation and development in the floor strata during the mining process, both physical and numerical models were employed.The final fracture depth in the floor strata primarily depends on the geological and hydraulic conditions, while mining parameters are of secondary importance. From a comprehensive analysis of fracture behavior in the floor strata, the importance of an effective in situ survey for geological structures has been emphasized. The adoption of room and pillar or strip and pillar mining system is recommended to avoid a water in-rush catastrophe.     

岩溶泉域煤矿奥灰顶部相对隔水性及水文地质特征研究

 奥灰岩溶水水害是华北型煤田深部开采的关键制约因素,复杂的水文地质环境是灾害频发的主因。运用钻探、水文地质试验及地球物理探测手段对保德井田奥陶系顶部岩性、岩溶裂隙发育特征及相对富水性进行综合研究,论证研究区奥灰顶部相对隔水性。实施单孔抽水试验及群孔抽水试验,查明奥灰含水层渗流场特征;通过岩溶水水化学分析,探讨奥灰含水层水化学场特征及其演化规律：沿径流路径,岩溶水水质类型总体呈HCO3→HCO3•Cl→Cl的演化顺序。依据奥灰含水层水化学特征划分岩溶水径流分区,表明井田奥灰含水层处于弱径流–滞流区。基于井田奥灰含水层水文地质特征,提出奥灰顶部注浆改造的“深度合理,施工便利;物探先行,靶区圈定;优先布网,监控紧跟;上游布孔,引导注浆;成效保障,环保并重”的总体原则,对深部开采奥灰岩溶水水害防控及顶部注浆改造实施具有一定的指导意义。     

上提工作面支架围岩关系及其对矿压显现的影响

 针对淮南矿区提高回采上限工作面易于发生压架事故,采用理论分析和现场实测对上提工作面特殊的覆岩结构及其压架机制进行了研究。建立了不同覆岩结构围岩–支架力学模型,推导出了上覆基岩及松散层作用在关键层上的载荷,确定了支架临界工作阻力,并提出了相应的工作面压架防治措施。研究结果表明：以直接顶充填系数、覆岩关键层结构、基岩面表土层水文地质结构为判据,可将上提工作面覆岩结构分成4大类6种。单一关键层结构上提面压架危险性要比多层关键层结构高。对于单一关键层结构,当工作面临近松散承压含水层时,关键层距离含水层越近,水压越大,则作用在关键层上的载荷越大,关键层“砌体梁”结构越容易发生滑落失稳;当基岩面为厚黏土层时,采动影响下黏土层内部形成自然平衡拱结构,在“拱”结构保护下,“砌体梁”不易发生滑落失稳。