巨厚砂砾岩含水层下特厚煤层保水开采分区及实践

以永陇矿区崔木煤矿为研究背景,分析矿区含(隔)水层与煤层的空间组合及覆岩特征,结合导水裂隙带发育高度探查结果,开展巨厚砂砾岩含水层下特厚煤层保水开采分区及实践研究。结果表明:该区导水裂隙带发育高度为煤层采厚的19.93~23.23倍,已波及上覆白垩系含水层。以所确定的保水开采保护层厚度30 m为阈值,将研究区划分为自然保水开采区、可控保水开采区和保水限采区,并提出各分区相应的保水开采途径。实践表明:巨厚砂砾岩含水层下保水开采的有效途径主要包括控制导水裂隙发育高度,选用适当的工作面布局及推进速度,以及隔水层采动破坏后的恢复与再造。     

强富水含水层下综放开采水砂灾害防控关键技术

弱胶结煤层覆岩抗采动变形能力差,高强度开采形成的采动裂隙易导通强富水含水层,在近距离强富水含水层下综放开采具有极大的危险性,常发生突水溃砂事故。为了实现强富水含水层下综放开采水砂灾害的安全防控,研究了基于水文地质条件精细探查、覆岩破坏高度的实测与监测、煤层采放高度设计与实时调整的突水溃砂灾害防控关键技术。提出基于网络并行电法和井下加密钻探的精细化探查组合方法以查明工作面开采的水文地质条件;采用经验公式预计、数值模拟计算、钻孔注水法实测以及电-震一体化监测等手段获取动、静态综放开采的覆岩破坏高度特征;通过控制煤层采放高度、优化工作面两巷在煤层中的位置、电-震一体化监测覆岩破坏高度反算煤层采放高度等方法达到及时调控煤层采放高度的目的。以应用工作面为例,采用并行电法、钻探验证,覆岩破坏高度实测以及煤层采放高度的精准控制等方法,基于地质条件探查与分析,动态控制了煤层覆岩的采动破坏范围,实现了工作面在近距离强富水含水层下的综放安全开采。研究表明,物探、钻探探测可有效获取水文地质信息以及综放开采覆岩破坏的关键参数,将采动裂隙场与水文地质条件相结合,控制煤层采放高度,对不同含水层采取疏或保的不同对策...     

陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析

榆神矿区是我国陕北煤炭基地的重要组成部分,针对榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层涌水规律研究不足等问题,通过系统分析地质与水文地质结构特征,将矿区开采煤层覆岩划分为松散孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4个含水层组,以及主、亚2个隔水保护层组;根据煤层采动导水裂隙与覆岩含(隔)水层组不同组合关系下的含水层涌水特征,提出了浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水,以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水3种含水层涌水模式;并采用数值分析方法,以榆神矿区典型矿井为研究对象,构建了采煤工作面尺度上煤层开采3种模式涌水分析模型,模拟结果显示,浅埋煤层侧向直接涌水型(凉水井井田),主采煤层为4^-2煤层,采动导水裂隙直接发育至松散含水层,工作面顶部含水层被疏干,总涌水量为47 m³/h,地下水流场受采动影响大;深埋煤层侧向涌水与垂向微涌水型(小壕兔1号井田),主采煤层为1^-2煤层,采动导水裂隙发育至基岩含水层,总涌水量为21.87 m³/h,以侧向涌水为主,由于主、亚隔水层复合保护,垂向涌水微弱;中深煤层侧向与垂向复合涌水型(曹家滩井田),主采煤层为2^-2煤层(均厚约为11 m),在分层开采条件下导水裂隙发育至基岩含水层内部,其侧向涌水量为23.17 m³/h,垂向涌水量为12.67 m³/h,地表松散含水层地下水流场变化较小,在一次采全高条件下导水裂隙突破亚隔水层,发育至风化基岩含水层底部,总涌水量增至131 m³/h,对松散含水层影响较大。此外,当导水裂隙带高度小于180 m、不能沟通风化基岩含水层时,随导水裂隙带高度增加涌水量增加幅度不大,当导水裂隙带高度大于180 m、导水裂隙揭露富水性较好的风化基岩含水层时,涌水量增加幅度较大,由此可见,抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系,是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施。     

基于“三图-双预测法”巷道突水机理及防治研究

针对巷道顶板隔水层缺失或采掘扰动作用下导通上覆含水层贯通巷道突水问题,采用现场水文地质调研、理论分析、数值计算,并基于"三图-双预测法"对巷道突水机理进行研究。结果表明:矿区导水带发育裂隙未贯通含水层,巷道顶板冒裂安全区域划分为冒裂危险强、中、弱及安全四大区,当工作面开采至600 m处时,顶板产生塑性破坏(冒裂带)高度达174 m,裂采比13.5∶1。     

煤层开采对顶板含(隔)水层的影响探查

以黄陇侏罗纪煤田崔木煤矿为研究背景,结合矿区含(隔)水层与煤岩层的空间组合及覆岩特征,以及工作面精细探查结果,进行综放工作面煤层开采对顶板含(隔)水层影响分析。结果表明,煤层顶板洛河组砂砾岩含水层和安定组泥岩隔水层采动后岩体结构发生改变,主要表现为孔隙率增大、强度降低和结构松弛;岩体结构受采动变化影响,其富水性明显增强。采后主要含水层和关键隔水层上下导通,形成具有水力联系的复合含水层组。含水层组虽与主要含水层水力联系密切,具有联动效应;但其富水性比主要含水层明显减少,并对煤层开采具有积极意义。     

瞬变电磁技术在顶板砂砾岩富水区探测中的应用

应用瞬变电磁法对跃进煤矿2-5采区富水区进行了探测,根据物探结果圈定了7个富水区域;根据顶板砂砾岩冲洗液漏失量、含水层厚度、区内构造,分析了顶板砂砾岩的赋水规律,确定出顶板砂砾岩4个富水条带。结果表明,这4个富水条带与地面物探结果基本一致,并且已被实际突水资料所证实。     

顶板风化基岩含水层富水特征与涌(突)水危险性预测

为了解决柠条塔煤矿2~(-2)煤层顶部普遍发育的风化基岩含水层突水危险性评价难题,在分析其风化基岩发育特征的基础上,深入挖掘地质及水文地质资料,提出了能够考虑风化程度的富水性评价指标体系,包括风化影响指数、含水层厚度、渗透系数、脆塑岩厚度比、单位涌水量和岩芯采取率,并以此为依托对风化基岩含水层进行了富水性评价。以更加精确地预测顶板导水裂隙带发育高度为目标,将实测数据用于对经验公式的校正中,得出了符合研究区实际情况的导水裂隙带发育高度计算公式。根据导水裂隙带高度计算结果对顶板冒裂安全性进行分区,结合富水性评价结果,对煤层顶板风化基岩裂隙含水层突水危险性进行了预测评价。     

煤层露头区域薄基岩工作面顶板水害治理方案

基于对煤层露头薄基岩区域水文地质条件与上覆含水层、隔水层物理力学性质分析基础上,确定该区域煤层顶板含水层富水性的判据。以河南能源集团赵固二矿煤层露头区域薄基岩工作面为背景,通过针对煤层顶板含水层不同的富水性合理留设防隔水煤(岩)柱,并与施工井下顶板探放水钻孔相结合的治理方案,综合治理矿井顶板水害。结果表明,该方案成功治理露头薄基岩区域顶板水害,消除矿井溃水溃砂威胁。     

新疆大南湖七号煤矿顶板突水危险性评价与防治

为确保大南湖七号矿井安全采掘,基于地质及水文资料、钻孔数据和瞬变电磁勘探成果,对矿井含水层发育特征、富水性、顶板隔水层及导水裂缝带发育特征展开研究,并综合考虑上部含水层及老空水的影响,评价首采区10煤顶板突水危险性,提出相应防范措施。研究表明:10煤开采直接充水含水层为7煤~10煤间含水层,厚度0~62.3 m,自N向S逐渐减小。瞬变电磁勘探划定5处相对富水区,位于首采区西北部及南部边界区域。首采区北部10煤顶板隔水层隔水性能较好,南部较差。10煤开采导水裂缝带高度19.47~29.98 m,自SW向NE逐渐增大。10煤顶板突水危险性评价表明首采区南部受7煤老空水威胁严重,西部及北部局部区域受直接充水含水层的强富水性威胁,需提前开展针对性探水、防水工作。     

开滦范各庄井田12煤层底板突水危险性的地质评价

根据隔水层的岩性和结构特征,提出了评价隔水层隔水性能的岩性-结构评价方法;并在突水系数中考虑隔水层的岩性-结构特征,提出了煤层底板突水危险性评价分类.针对开滦范各庄井田12煤层底板突水地质条件实际,系统分析了12煤层底板砂岩裂隙含水层厚度及其特征、隔水层的岩性及其分布和断裂构造条件,对开滦范各庄井田12煤层底板突水危险性进行了评价.研究表明,煤层底板隔水性能取决于隔水层岩性和断裂构造,随着底板泥岩百分比含量和厚度的增加,隔水层抵抗水压的能力增强,隔水性能变好;随着断裂发育程度的增加,底板隔水层由完整结构、块裂结构到碎裂结构和松散结构,底板隔水性能降低,且完整底板泥岩层的抗水能力明显大于含裂隙的底板泥岩层.开滦范各庄井田12煤层底板发生突水的水源以12～14煤层间砂岩裂隙承压含水层为主,其砂岩裂隙含水层的厚度由井田的浅部向深部增厚;含水层水压随其埋藏深度的增加而增高,呈线性关系,且富水性增强;12煤层底板隔水性能随着煤层埋藏深度的增加而减弱,且突水危险性增强.     

近距离顶板灰岩富水性探测与突水危险性研究

针对某矿1102工作面近距离顶板灰岩含水层是否具有突水危险性,采用瞬变电磁探测和UDEC数值模拟的方法,就顶板灰岩富水性分区及覆岩结构稳定性、导水裂隙发育特征进行了深入研究。研究结果表明:1顶板灰岩含水层有2处含水较强区,1处含水中等区,2处含水中等偏弱区。21煤上覆岩层裂隙发育集中在采空区后方、前方煤壁处及工作面中部离层区。裂隙发育高度随采空区跨度增加而增大,两者呈非线性关系。开挖40~120 m时,裂隙发育高度突增;开挖70 m、裂隙高度为22 m时发展至灰岩含水层。315 m厚砂岩充当了隔水层,工作面突水危险性较小。4采用新型化学注浆堵水材料——改性脲醛树脂,成功进行了工作面防治水试验,效果显著。     

改进的“三图法”在煤矿顶板水害评价中的应用——以东胜煤田台格庙勘查区为例

通过建立台格庙勘查区首采煤层冒裂安全性分区图和煤层顶板含水层富水性分区图,来对煤层顶板的含水层涌(突)水条件进行评价。针对勘查区煤层厚度变化大、顶板无稳定隔水层,顶板含水层富水性较弱的特点,在传统的“三图法”基础上,充分考虑了含水层的富水性和导水裂缝带发育高度这两个因素,选用导水裂缝带高度与含水层厚度的百分比来表示导水裂缝带发育高度对含水层涌(突)水的影响,在此基础上对首采煤层顶板含水层涌(突)水条件进行综合分区评价。四井田中部及二井田北部地区涌(突)水危险性为较危险区,三井田北部、五井田南部及勘查区南部局部地区涌(突)水危险性为过渡区,其他地段为安全区、较安全区。针对顶板充水含水层涌(突)水条件综合分区,提出了疏放水、注浆、监测等防治水措施建议。     

补连塔煤矿四盘区顶板突水机理及防治

采用理论分析与工程测试相结合的方法,对神东矿区补连塔煤矿四盘区31401工作面异常突水机理进行了深入研究.结果表明：31401工作面突水的水源来自基岩（厚120～190 m）上部的砂砾含水层.按传统估算方法确定的顶板导水断裂带最大高度为55 m,达不到砂砾含水层,不应发生周期性的顶板突水.但2个钻孔实测的顶板导水断裂带高度达140.5～154.0 m,达到砂砾含水层,从而引发了工作面顶板突水.覆岩主关键层位置距离开采煤层较近,是导致顶板导水裂隙高度偏高和顶板异常突水的根本原因.根据四盘区所有钻孔柱状覆岩主关键层位置的判别结果,对四盘区后续工作面顶板突水危险区域作出了预测,31401工作面区域的预测结果已得到了生产实践的验证.     

弱富水软岩水-沙混合型突水机制与防治技术——以上海庙矿区为例

近年来我国西北侏罗纪煤田弱富水软岩水-沙混合型间歇式突水事故多发,短时水(沙)量大,缺少有效的防范技术措施,严重威胁矿井安全生产。为揭示其形成机制以便于制定相应的防范措施,以内蒙古上海庙矿业新上海一号煤矿为研究对象,室内测试了岩石力学强度、软化系数等参数,井下实测了围岩松动圈,综合判定为典型的软岩地层;正交偏光镜下显示砂岩成熟度低,黏土质矿物胶结;水理性试验表明砂岩颗粒间泥质胶结物易产生溶蚀现象,能够形成固-液双相混合物,在水动力下具有流沙属性;泥岩极易吸水膨胀、泥化。根据含水层水位和地表岩移长期观测结果,推定低位覆岩内和高位覆岩内均可以产生离层裂隙,且离层裂隙具有汇集水源功能。将111084工作面突水溃沙过程中含水层水位历时曲线与水量历时曲线叠合考察,突水量与突水含水层水位升降变化之间有明显的相关性。初时突水量大、水位下降幅度也大;水量在趋于衰减过程中出现几次跃升,含水层水位在趋于回升过程中出现几次相应的跃降;跃升(跃降)的幅度梯次减小;两次跳跃时间间隔梯次延长。综合以上信息,提出离层裂隙的汇水作用可以强化弱含水层短时突水强度观点,弱胶结砂岩提供了混合突水的沙源;离层水体释放过程中水动力发生强弱变化,随着离层水体释放水动力减弱,大量泥沙封堵突水通道,表现出泥沙自封堵效应。覆岩持续压缩,离层裂隙储水能力逐渐弱化,表现为突水量梯次减小;离层水补给路径逐渐扩展,表现为突水休止期梯次延长。汇水—突水—封堵—再汇水—再突水—再封堵的过程交替进行,揭示了间歇性水-沙混合型突水模式的突水机制。离层水害发生需要具备水源(富水性)、时间、空间、通道、压力等5个必要条件,强调导水裂隙突水通道的重要性。工程应用表明,顶板水预疏干可以改变含水层的富水性条件,预置导流管改变离层空间封闭性和汇水时间条件,突水通道和压力条件,可以有效避免此类事故发生,保障矿井安全生产;同时可实现无顶板淋水、采空区无涌水状态下开采,优化采场作业环境、弱化软岩劣化效应,促进矿井高效生产。     

岩溶水影响下工作面开采突水危险性评价

岩溶水突水发生过程表现为非线性动态特征,且受到多控制因素影响。为了明确大饭铺煤矿61114工作面开采受底板岩溶水的影响程度,基于区域水文地质特征的研究,以岩溶含水层富水性、底板岩层完整性、隔水层厚度、阻水性能、底板采动破坏深度、安全水头、突水系数等多个指标,结合物探综合探测成果,对工作面突水危险性进行评价。综合评价结果显示:矿区虽位于准格尔岩溶水径流区内,工作面带压开采危险性较低,但工作面内部小构造较为发育,物探探测工作面内部存在4处可疑岩溶富水区或导水通道,在回采过程中需提前打钻验证异常区,密切关注隐伏贯穿性导水构造。     

陕北浅埋煤层砂土基型矿区保水开采方法研究

在浅埋煤层砂土基型矿区实现保水开采,关键在于煤层开采后含水层和导水裂隙带之间有达到厚度要求的隔水保护层.采用开采损害学中的地表移动变形和采动岩体内部移动变形预计的方法,考虑覆岩中隔水黏土层的膨胀性计算浅埋煤层砂土基型矿区开采后隔水土层中裂隙的破坏深度,同时借鉴相似模拟实验确定导水裂隙带的发育高度,最后计算采高不同时2种裂隙之间的隔水保护层厚度,如果隔水保护层厚度满足规定要求就可以实现保水开采,从而确定砂土基型矿区保水开采的合理开采方法.以榆树湾煤矿20102上工作面开采为例,计算结果表明:5m分层开采可以实现保水开采,放顶煤一次采全高不能实现保水开采.现场开采实践和相似模拟实验验证了该方法的正确性.     

再论煤层顶板涌(突)水危险性预测评价的“三图-双预测法”

针对煤层直接顶板隔水层缺失或沉积较薄、且上覆充水含水层富水性较弱条件下的顶板水害评价预测,在“三图-双预测法”理论与方法指导下,分别从顶板冒裂程度和含水层富水性强度2个方面入手再次讨论了顶板含水层涌(突)水危险性评价方法。顶板冒裂程度以导水裂缝带扰动破坏上覆含水层距离作为评价指标;含水层富水性评价方法则进一步提升,以富水性指数法为依托,一方面充分挖掘地质和水文地质勘查数据中与含水层富水性相关的信息,包括渗透系数、砂岩厚度、冲洗液消耗量、岩芯采取率和脆塑性岩厚度比等,并将其作为主控地质因素,另一方面将数量有限的单位涌水量作为含水层富水性的实测指标对富水性指数法的评价结果进行校正,解决了在水文地质勘查程度较低情况下含水层富水性合理准确评价与分区难题。在此基础上运用Visual Modflow的DRN边界子模块对天然状态下和采取防治水措施状态下工作面的涌水量进行了动态预测。最后以台格庙矿区为例,说明了特殊水文地质结构条件下煤层顶板涌(突)水危险性评价和涌水量预测方法的具体实施步骤。     

鄂尔多斯盆地北部典型顶板水害特征及其防治技术

为了查明鄂尔多斯盆地北部典型顶板水害的形成机理,并提出有针对性的防治措施,在系统分析区域含水层厚度、赋存特征、分布规律、水文地质参数等矿井水文地质条件的基础上,结合鄂尔多斯盆地北部诸多矿井顶板水害发生的特征,得出鄂尔多斯盆地西缘、东缘和北缘具有不同的顶板水害形成条件和特点,最具典型的水害类型分别为离层水害、薄基岩突水溃沙灾害和巨厚砂砾岩含水层顶板水害。研究了含水层沉积特征和水文地质结构,结合不同类型水害的形成要素和水害发生特征,初步查明了典型顶板水害的形成机理,“束状钻孔,靶向探放”是防治离层水害的有效方法,井上下疏放水和注浆改造是防治薄基岩突水溃沙的有效途径,顶板水超前疏放和加强排水系统是巨厚砂砾岩含水层顶板水害防治的主要方法。大量的工程实践资料验证了对水害条件认识的正确性和水害防治方法的有效性。     

深部开采底板突水灾变模式及试验应用

深部采场高地应力、高岩溶水压和强开采扰动条件使得底板突水相比浅部采场形成特定构造、水-岩-应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体水力学问题。基于不同地质构造受采动影响特征及其诱发煤层底板突水机理,将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型,并分析了对应的突水判据。研究认为完整底板裂隙扩展型归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升高度大于有效隔水层厚度,原生通道导通型归结于构造活化引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通,隐伏构造滑剪型归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统探寻了3种突水灾变模式下突水通道的时空演变过程,验证了突水判据的准确性。     

长治三元晋永泰煤矿水文地质条件分析

针对计划开采的15~#煤层面临的水害问题,采用综合分析法,对长治三元晋煤永泰煤矿含水层富水性、隔水层隔水性及地下水补径关系进行综合分析,认为在上覆3号煤层导水裂隙带影响下,15~#煤的导水裂隙带有导通到地表的可能,15~#煤层顶板水富水性变化大,底板标高高于奥灰水水位标高。计划开采的15~#煤受采掘破坏或影响的含水层有一定的补给水源,但补给条件一般,综合分析矿区水文地质类型为中等型。