深部底板奥灰薄灰突水机理及全时空防治技术

奥陶系灰岩+厚隔水层夹薄层灰岩+煤层的地层结构模式是我国石炭二叠系煤田带压开采的典型存在形式。尽管隔水层巨厚,由于其中夹有薄层灰岩含水层,导致深部开采时突水灾害仍然频发。由于突水系数的局限性,依据隔水层厚度、底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和、突水系数将底板隔水层类型综合划分为极薄、薄、中、厚及巨厚5种类型,淡化突水系数在极薄、厚及巨厚隔水层中的应用。阐述了薄层灰岩在串连奥灰与煤层形成水害的独特作用,定义了深部底板奥灰及薄灰水害概念及突水模式,总结了其五维度特征,概括为充水水源的总源递进、充水通道的面状分散、充水强度的台阶增长、充水时间的滞后出水、充水水源水质的交换吸附,阐明了奥灰水渗透、扩容、压裂、导升经薄灰中转储运形成面状散流的突水机理,提出了相应的突水危险性评价公式P_03σ_3-σ_1-P_p+R_m。针对巨厚隔水层且传统井下底板加固甚至区域治理仍无法完全控制深部突水的现状,创新了全时域与全空域四维度奥灰及薄灰水害的"全时空"综合防治理念,空域上井上下相结合、奥灰及薄灰多层次区域治理与井下薄灰钻孔探治验相结合的全空间多层次立体网状防控布局,创建了全空域立体交叉网络探查、治理、验证、补充的"全空域"立体防治模式,形成了条件评估、探治验补、检验评价、监测保障的全时域"四位一体"技术质量控制流程,创立了"四位一体"立体网状全时空深部底板奥灰及薄灰水害防治方法。以邯邢矿区梧桐庄井田2603工作面为工程案例,确定奥灰顶面以下40～60 m和20～30 m、薄灰大青和山伏青灰岩为目标实施多层段地面超前区域治理及补充治理,配合野青和山伏青为目标井下补充治理和验证,形成立体网络治理;采用奥灰薄灰水文地质条件评估确定治理目标,用地面区域探查治理、补充探查治理以及传统井下查缺补漏验证前期治理效果,以治理效果检验、底板完整性评价、突水危险性评价、涌水量预测、排水能力评价等全面评估能否回采工作面,回采过程中采取水文监测、微震系统、矿压系统等综合监测手段紧盯薄层灰岩关键层,实现了工作面安全回采。     

深部开采底板厚隔水层突水危险性评价方法研究

突水系数对于深部开采底板厚隔水层突水危险性评价并不完全适用,为了解决深部带压开采底板厚隔水层突水危险性评价问题,据矿井条件建立底板突水主控指标体系,利用区间灰色最优聚类理论,借助GIS强大的空间信息管理和分析功能完成模型的建立、计算以及结果展示;结合层次分析法AHP依据主控因素对突水危险性贡献程度确定其权重系数,采用K-Means聚类算法根据数据分布特征和专家知识及经验划分不同危险性类别所对应区间值,解决了主控因素的复杂性和不确定性问题;按照隶属度的概念改进了经典白化权函数,定义了每个类别的白化权函数不只是与相邻的上、下两个区间存在着关系,而与每个区间的标准值均有关,利用白化权函数将离散的灰数映射到区间灰数上,解决了主控因素物理意义、量纲、量级巨大差异所导致的结果失真问题。以各主控因素在危险性等级下隶属度均为1的确定性判断作为系统特征行为序列,计算评价对象与每个危险性类别的邓氏灰色关联度,形成关联度矩阵。再通过以评价对象与各危险性类别的差异程度为权的加权广义距离描述评价对象与h类别的接近程度,最终建立最优模型。研究结果表明:以邢东矿为例,根据勘探资料和历次突水调查结论,选取了6个主控因素,用AHP确定了权重系数,用K-Means聚类算法确定了安全、较安全、较危险和危险4个等级区间值;再使用灰色最优聚类理论得到了底板突水危险性评价分区图;最终,得到了各危险性等级的分布情况和面积大小等数据,运算结果显示历次突水事故发生的位置都位于危险区域。对比突水系数法的评价结果,由于采用信息量更大,用隶属度关系减弱了临界值的绝对控制作用,使结果更加系统全面,同时克服了基于薄板理论的突水系数法只适用于底板隔水层厚度小于50 m的局限,是深部带压开采底板厚隔水层突水危险性评价有效方法。     

广东大兴煤矿特大突水事故机理分析

通过实地调查、测量以及地质及地球物理勘探，分析认为大兴煤矿“8·7”突水事故的突水机理为：防水煤柱受断层破碎带的影响，在上部水压、采动矿压、煤层自重、地下水的联合动力作用下，破碎的岩体沿垂向固有构造裂隙面向上塌落形成椭圆形柱体，待形成自然平衡拱后塌陷垮落停止，上覆岩层得到暂时稳定；随着采煤工作面的不断扩大，自然平衡拱被再一次打破，椭圆形柱体内的垮落继续向上发展，直至最后的关键层破坏或破碎达到临界突水系数而发生突水.     

化学示踪连通试验在矿井充水条件探查中的应用

为获取地下水流速和渗透系数等水文地质参数、查清含水层水力联系、查明矿井充水条件，在内蒙古某矿设计实施了化学示踪试验。通过对国内外化学示踪试验资料整理、统计分析，总结出化学示踪剂用量与投放距离、含水层性质的经验关系式，并对本次示踪剂用量做出了评价。同时，对试验中监测点水中均未出现Cl-浓度增高现象进行了科学解释，提出类似含Cl-示踪剂中的某些离子可能被地下岩层特定矿物质吸附时，只要化学试剂中的一种离子能达到试验效果，且具有成本低、易获取等特点，即可选择其作为示踪剂的观点。     

《煤矿防治水规定》编制背景与要点

为了更好地理解、贯彻落实《煤矿防治水规定》的主要精神,提升我国煤矿防治水整体技术水平,介绍了《煤矿防治水规定》的编制背景、指导思想和遵循原则,并针对新形势下煤矿水害防治存在的问题,结合典型重特大水害案例剖析,提出了《煤矿防治水规定》的编制要点和关键技术标准与规程。     

承压含水层上采煤突水危险性评估研究

为了评价岩层阻水性能、确定导升带高度,准确评估不同地质和采掘条件下承压含水层突水危险性,实施了井下钻孔水压致裂综合测量,并采用数值模拟方法评估了带压开采突水危险性．实际观测表明,泥岩、粉砂岩、中砂岩、灰岩阻水性能由大到小,导升高度则由小变大;模拟结果显示,当隔水层厚度较大且没有垂向导水构造时,正常地层不会发生奥灰突水;当存在陷落柱时,随着采面推进向陷落柱接近,采矿扰动导致柱体内应力集中及集中范围不断加大,柱体内岩层裂隙活化不断加强,当采动应力集中带与柱体内应力集中带之间煤岩柱不足以抵抗地下水压力时,即发生突水．     

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...     

非达西渗流与采场底板突水防治

用Forcheimer型非Darcy渗流理论,从非线性动力学系统结构失稳的视角揭示了煤矿突水的机理。研究表明:矿井突水与岩层的孔隙率、颗粒直径、雷诺数及水流速度等因素有关;雷诺数Re随孔隙率ε的增大而减小;孔喉比b=0~10,雷诺数受孔喉比影响较大;孔隙率为0.2~0.5,孔喉比受孔隙率的影响较大。     

华北型煤田岩溶陷落柱顶底部剪切破坏突水模式

华北型煤田广泛发育有岩溶陷落柱,岩溶陷落柱对煤矿安全生产有较大影响,特别是其突水性对煤矿安全生产威胁较大。从论述华北型煤田岩溶陷落柱顶底部剪切破坏突水模式及判据入手,分析了井下溶陷落柱突水机理。     

煤层底板强含水层超前疏放分析与应用

为实现对煤系地层中裂隙强含水层的整体高效疏放,以开滦东欢坨煤矿12-2煤层底板强含水层疏放为实例开展研究。从含水层水文地质参数空间分布、地质构造控制作用、含水层揭露部位的涌突水特征与含水层露头补给条件方面,综合分析了含水层特征,得出含水层于-500水平以浅富水且顺层水力联系良好,走向上划分为3个次级富水单元。采用数值模拟方法预测了已揭露出水点在目标期内的疏放水效果与强径流区。以此为依据,确定了3个疏降水中心与钻孔布设方案。通过实施疏放水方案,成功实现了含水层在目标期的整体强烈疏放,保障了首采工作面的安全开采。