采动覆岩高位离层演化特征及涌(突)水前兆信息研究

采用理论分析、物理模拟和数值模拟相结合的方法,重点研究了招贤煤矿工作面的高位离层的时空演化,并将开采期间水位变化、微震监测数据作为高位离层涌(突)水前兆信息,揭示了特厚煤层综放开采覆岩主控裂隙(纵向主导水裂隙和横向离层裂隙)演化特征及离层水害机理。以永陇矿区招贤煤矿为研究对象,黄陇侏罗系煤田永陇矿区煤层覆岩具有弱胶结、泥质含量高和单层厚度大等特点,侏罗系覆岩之上为巨厚高水压白垩系含水层,厚及特厚煤层开采时易在侏罗-白垩系交界上下形成高位离层积水;当导水裂隙与高位离层积水沟通时,形成离层水害。离层水害具有瞬时性、大流量并伴随强烈矿山压力显现等特点。研究结果表明:当工作面达到充分开采时,采空区两帮离层裂隙较为发育,中部处于压实区,最大横向高位离层位于梯形破坏区顶部;工作面上覆亚关键层的周期性破断造成工作面周期性来压、高位离层空间周期性扩张、闭合,导致宜君组水位周期性异常下降;工作面经长时间停采,恢复开采后,重复扰动覆岩诱发覆岩岩体结构失稳,导水裂缝带沟通离层空间,造成离层涌(突)水;水位突降、水位下降速率突增、微震大能量事件可作为1304工作面突水前兆信息;关键层的破断会引起微震能量事件,伴随关键层的快速回转、下沉扩大离层空间,造成宜君组水位异常下降;工作面多次复采造成覆岩自稳能力逐渐劣化严重,加快离层涌(突)水通道形成,离层涌(突)水通道逐步增大;随着出水次数增加,水位提前下降时间减少,微震能量事件能量降低,涌水量增大;采动过程中离层涌(突)水的前兆信息-白垩系含水层的水位变化以及矿井微震监测数据验证了模拟结果是可信的。     

白垩系巨厚砂岩下覆岩离层水涌突机理研究

针对石拉乌素矿南翼首采221_上106A综放开采工作面推进距离550 m时采空区覆岩离层积水异常涌突事件,通过现场实测和理论分析,对此次异常突水事件的机理进行深入研究。研究表明:工作面采动期间距开采煤层310 m的白垩系巨厚砂岩下形成的封闭离层积水是此次异常突水的水源;按照距106A工作面3.0 km的覆岩变形破坏光纤监测孔所确定的裂采比为24.56,计算得导水断裂带发育高度不会沟通白垩系巨厚砂岩下形成的封闭离层。但由于离层积水具有荷载传递作用,导致下部导水断裂带与离层之间的岩层发生破坏,形成下行裂隙,使得导水断裂带沟通积水离层,形成离层突水。     

采动覆岩“突水离层带”岩体结构演化致灾机理及突水预报方法

离层水害是近年来我国东西部矿井较为常见且严重的水害类型，研究采动覆岩结构演化对揭示离层突水机理、灾害预测防治有着重要意义。为分析不同工程地质条件下离层突水演化机理，将可以产生采动覆岩离层涌水的离层水体及其上下位一定范围的岩层统称为“突水离层带”。建立“突水离层带”采动岩体结构力学模型，根据上位岩层和下位隔水层破断规律，分析5种突水类型(采动覆岩离层静水压突水、采动覆岩离层动力突水、多煤层叠加开采离层突水、传统顶板导水裂隙涌水和离层积水不突水)的形成机制和力学条件，研究回采期间导水裂隙带时空演化与离层突水的关系；基于工作面开采条件、覆岩条件、突水离层带发育位置和微震监测，分析了离层突水形成条件，揭示了离层突水演化机理，并对永陇矿区崔木煤矿和招贤煤矿工作面开展了实例分析，提出了工作面离层突水预报方法。研究得出：(1)随着工作面推进，充水离层上位岩层和下位隔水层破断规律的差异是导致出现5种突水类型的根本原因；(2)只有在采高M和充水离层与煤层间距H处于某种特定关系下，才会满足形成“突水离层带”的基本条件，发生离层突水；(3)陕西崔木煤矿21306工作面离层突水主要是由上位岩层破断导致，突水期...     

特厚煤层综放开采覆岩离层水突水机理分析及防治

为了解决特厚煤层综放开采条件下离层水防治技术难题,以郭家河煤矿特厚煤层综放开采工作面开采过程中多次发生离层突水事故为例,采用工作面矿山压力显现观测、覆岩破坏导水裂隙带高度观测、水质化验分析、工作面地质条件分析、覆岩力学模型分析、数值模拟分析等多种手段对离层水突水影响因素及突水机理进行了研究,并提出了离层水防治技术有效措施。研究结果表明:特厚煤层综放开采离层突水为周期来压、向斜构造等多因素综合作用导致,并提出覆岩破坏"两带"高度观测、顶板富水性探测、富水区及离层水疏放3大离层水防治步骤,对褶曲等构造带预先疏放褶曲构造带富水、破坏离层空间密闭性、疏放离层空间积水的等防治措施,形成离层水探测、防治一体化技术体系。     

榆树坡煤矿1201工作面覆岩离层水体治理技术研究

榆树坡煤矿1201工作面为该矿的首采工作面,工作面回采初期顶板发生数次周期性透水事故,严重影响工作面的生产安全。为解决顶板水害的威胁,通过数值模拟及理论计算,对工作面上覆岩层导水裂隙带发育高度、离层空间发育的位置、充水水源等进行系统的分析并判别致灾离层,结果表明:1201工作面顶板倾向导水裂隙带高度为52 m,周期性突水水源为直罗组底部粗粒砂岩含水层(第四层),致灾离层为第三与第四岩层之间的积水离层,据此设计采用离层充水水源疏放及致灾离层充水探放技术防治顶板水害,应用后回采期间工作面涌水量稳定在110～140 m~3/h,实现了工作面的安全开采。     

坚硬覆岩下采动离层水涌突规律及防治技术

基于厚硬覆岩采动破断会引起离层水涌突这一特征,通过分析某煤矿首采区覆岩空间赋存、岩体结构、力学性质等地质工程条件,采用力学计算、数值模拟等方法,对采区首采面及后续工作面开采厚硬岩浆岩岩床破断引起的离层初次闭合及周期闭合的距离,进行了理论计算和数值模拟分析。结果显示,首采面开采离层初次闭合距约300 m,周期闭合约130 m;后续工作面开采时受邻近采空区影响,初次闭合距约260 m,周期闭合约120 m。针对离层闭合规律提出了相应的离层水害防治措施,确保了工作面的开采安全。     

侏罗系特厚煤层综放开采顶板导水裂隙带发育特征研究

以金鸡滩煤矿117综放开采工作面为研究对象,通过光纤监测、采后钻孔冲洗液漏失量观测与拟合计算相结合的方法,研究陕北侏罗系特厚煤层综放开采所诱发顶板覆岩导水裂隙带动态发育规律特征,构建导水裂隙带最大高度预测模型。现场监测显示117工作面综放开采导水裂隙带最大高度220.82～223.75m,平均裂采比20.21,预测模型计算结果与其平均相对误差2.96%。研究结果能够进一步为陕北地区煤矿特厚煤层安全开采防治顶板水害提供科学借鉴。     

煤矿离层水害的成因与防治

中岭煤矿在连续的暴雨之后发生了突水淹面灾害,使得防治水方针无法确定。分析否定了原来的侧方老空水成因,认为3~#煤层顶板以底部为黏土岩,上部厚层为细砂岩的结构在开采导水裂隙带高度小于煤层顶板黏土岩厚度的情况下,顶板上方形成了完整离层空间,强烈的大气降水补给进入离层空间。认为离层带内的积水因底板突然破坏是造成顶板突水淹没工作面根源。为再现离层水害的过程进行相似材料模拟实验,证实分析正确。后采用预疏干技术有效地解决了此类水害的再次发生。     

长壁工作面采动覆岩层理开裂机理及侧向裂隙发育规律

长壁开采煤层覆岩下沉变形过程中,岩层内部形成弯曲应力,并可能沿抗拉和抗剪强度较小的层理开裂形成侧向导水通道。针对相邻采空区积水侧向渗漏引起的工作面突水问题,研究了长壁开采覆岩层理开裂机理,分析了侧向裂隙发育规律。首先基于Winkler弹性地基梁理论建立采动覆岩弯曲下沉挠度方程,考虑煤柱和采空区上覆岩层不同支承压力与破坏程度确定对应的上覆载荷和地基系数,给出各层位岩层的下沉、转角、弯矩和剪力曲线计算公式。在此基础上,将采动覆岩层理裂隙分为张拉离层裂隙和剪切错动裂隙,并根据岩层非同步弯曲下沉特征与组合梁理论计算岩层内部弯曲应力分布情况,提出了张拉离层裂隙和剪切错动裂隙发育判断依据,给出了覆岩任意层理面上侧向裂隙发育位置、长度和隙宽等参数的计算方法。最后以凌志达煤矿15102工作面工程地质条件为依据,计算了上覆各岩层的挠度曲线和弯曲应力分布,分析了采动覆岩层理裂隙发育规律。结果表明,15102工作面在区段煤柱上方发育有超过50 m的剪切错动裂隙,超过了15101和15102工作面之间区段煤柱最大宽度;采空区边界上覆岩层中剪切错动裂隙和张拉离层裂隙共同发育;采空区中部上覆岩层中主要为张拉离层裂...     

济宁二号煤矿覆岩离层积水诱发异常涌水分析

该文针对济宁二号煤矿11305、11306综放工作面采空区覆岩离层积水异常涌水事件,分析了异常涌水特征与水文地质背景,模拟计算了开采覆岩离层形成特征,初步确定了离层异常涌水原因,并针对涌突水特点,提出了顶板离层积水防治措施,对类似条件下水害防治具有借鉴和指导意义。     

煤层顶板次生离层水周期突水致灾过程模拟

为了提高煤层顶板离层水害防治效果,分析了离层水害的动态周期性特征。根据关键层理论,推导出主采煤层覆岩中产生离层的判别式,采用计算机数值模拟手段,模拟了离层形成过程,总结了顶板次生离层水害的周期性特征。研究表明:离层是由于主采煤层的覆岩力学性质差异较大,当煤层开采致使覆岩产生不协调一致的弯曲下沉而产生。随着工作面的推进,离层形成后持续发育至极值,当上方有充水水源时,则形成离层水。此时,若导水裂隙带发育高度凸跃发展导通离层水体时,该离层水将溃入井下造成离层水害。然后离层逐渐压实萎缩,水体流失殆尽。随着煤层顶板周期性破断,离层水害周期性发生。离层动态周期出现的规模各不相同,其中以第1次出现的离层空间规模为最大,对应的离层次生水害亦最大。研究区工作面每推进100 m,离层水害动态发生1次。     

我国煤矿（区）离层水害特征分析

为了全面掌握中国离层水害事故特征及相关因素，详细统计并分析了我国离层水害事故时空分布、地域分布、时间分布及等级分布规律，总结了离层水害的赋存条件、充水水源、导水通道、涌水形式和开采条件。结果表明：白垩系砂岩含水层下近水平厚煤层开采诱发的离层水害分布范围最广、突水次数最多，且事故等级和死亡人数最多；节后复产和气候更迭时期是人为因素造成离层水害事故的高发期；巨厚硬岩含水层和含—隔水层组合岩层是积水离层的赋存形式；（特）厚煤层或缓倾斜（近水平）煤层开采是引发离层水害的主要开采条件。     

曹家滩煤矿导水裂隙带高度确定及水害防治

导水裂隙带发育高度是确定煤体回采后是否与上覆含水层及采空积水沟通的关键参数。特厚煤层回采导致上覆岩体破坏高度较大,导水裂隙带发育沟通采空积水区,将导致采空水经由新生裂缝涌入工作面,影响地下水赋存条件,进而影响矿山安全生产。为确定曹家滩煤矿122108工作面导水裂隙带发育高度,采用理论计算、数值模拟相结合的方法对覆岩层导水裂隙带的发育特征进行分析,并提出相应的水灾预防及应急措施。分析结果表明,随着煤层走向开采距离的增大,导水裂隙带高度逐渐增大,煤层充分采动后导水裂隙带高度趋于稳定,约为207～233 m,裂采比为20.7～23.3,为矿井的水害防治及矿区生态保护提供了科学的决策依据和技术支持。     

老虎台井田离层裂隙发育特征探讨

为了优化老虎台井田工作面布置并制定相应的防治水技术措施,以计算机数值模拟为手段,从煤田特殊的煤岩层-断层空间关系出发,深入研究了工作面重复采动情况下上覆岩层中产生的位移特征、断层面两盘岩层位移特征和离层发育位置及高度等特征,从而科学地揭示了离层裂隙在煤层重复开采时的发育特征。     

深埋特厚煤层综放开采覆岩导水裂缝带发育特征

以大佛寺煤矿为试验矿井,采用钻孔电视系统和钻孔简易水文观测法,探测深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度,并对导水裂缝带演化特征进行相似模拟和数值模拟试验研究。研究分析表明:大佛寺煤矿深埋特厚煤层综放开采顶板导水裂缝带发育高度为170.80~192.12 m;裂缝带区域内,裂隙数量自上而下逐渐增多,近煤层区域裂隙异常发育;钻孔砂岩区域,受拉伸作用,形成了纵横交错的裂隙,裂隙尺寸、角度较大;工作面回采距离与顶板导水缝隙带发育高度曲线呈"台阶"型。     

某矿3021综采面顶板覆岩破坏特征研究

为了研究深井煤层开采顶板覆岩破坏规律,以山西某煤矿3021工作面为研究对象,对顶板覆岩破坏情况进行观测研究。研究表明,2号煤层开采过程中,顶板岩体破坏状态明显,其顶板岩体的裂隙发育成动态变化特征。采空区上方离层的顶板岩体首先发育,离层强度逐渐加大。工作面顶板垂直高度在9～22 m呈冒落状态,在25～30 m时表现为离层裂隙带特征。     

上行开采上覆煤岩变形破坏规律研究

以朱仙庄矿Ⅱ5采区为研究对象,采用相似模拟和数值模拟研究方法,研究了下保护层10#煤开采时上覆岩层变形破坏规律。研究结果表明,覆岩呈梯形破坏演化特征,向前和向上渐进式发展,离层发育高度随工作面推进距离增大呈间断跳跃式增加特征;采空区上方15~60 m横向裂隙较发育,竖向裂隙明显减少,上覆岩层垮落角约为60°。     

准东大井矿区巨厚煤层开采覆岩裂隙分布特征

针对准东巨厚煤层典型赋存特征,选取大井矿区为研究对象,构建了巨厚煤层开采力学模型,模拟研究不同开采方式采场覆岩裂隙分布特征。结果表明:在采场应力的控制下,工作面前方覆岩裂隙由原岩裂隙区依次演化为原岩裂隙闭合区、微裂隙发育区、裂隙快速发育区、破断裂隙发育区、离层裂隙发育区、裂隙逐渐闭合区;覆岩主关键层是覆岩裂隙发育程度高低的分界线,其也会控制覆岩裂隙发育高度;巨厚煤层开采覆岩裂隙主要分布于采空区两侧,且沿岩层破断线呈"八"字形分布,并随工作面推进呈现周期演化,其是覆岩含水层水体向采场渗流的关键通道,对矿井的安全生产至关重要;从保水采煤角度考虑,放顶煤分层开采对覆岩含水层扰动影响较大采高分层开采小。     

强含水层下特厚煤层综放开采导水裂隙带发育高度

导水裂隙带高度是顶板水害防治的关键参数之一,为研究强含水层下特厚煤层综放开采条件下导水裂隙带发育高度,以彬长矿区雅店煤矿ZF1405工作面为背景,采用多元非线性回归建立了导水裂隙带高度预测模型,并采用数值模拟和钻孔实测相结合的方法,对该条件下导水裂隙带高度进行了全面探测。结果表明:考虑的影响因素越多,建立的导水裂隙带高度预测模型越合理,模型预测结果为257.4m,相较于经验公式更精确;数值模拟得到的导水裂隙带最大发育高度为244.2 m,发育规律可分为缓增阶段(工作面推进0～200 m)、突增阶段(工作面推进200～280m)和稳定阶段(工作面推进280m后),其中突增阶段最易发生顶板涌水事故,现场开采时,工作面由开切眼推进至200m后需提前做好预防措施;钻孔钻液消耗量和钻孔窥视探测的导水裂隙带高度分别为247.4,238.4m;数值模拟和钻孔实测结果共同验证了预测模型的可靠性,为安全起见,取4种研究方法的最大值257.4m作为最终结果。研究结果可为类似条件的矿井导水裂隙带高度预测提供参考。     

浅埋厚煤层工作面导水裂隙带发育高度研究

为了确定浅埋厚煤层工作面导水裂隙带的发育规律及高度,以寸草塔二矿31204工作面为工程背景,运用相似模拟试验对导水裂隙带的发育规律和高度进行了预测,运用井下分段注水和钻孔电视相结合的监测方法对导水裂隙带的发育高度进行综合确定。研究结果表明:导水裂隙带的发育随工作面开采呈动态发展,随工作面开采导水裂隙带高度增加,相似模拟试验确定导水裂隙带高度为49.7m,井下分段注水法与钻孔电视法现场监测得到的结果分别为53.0m和48.8m,最终确定导水裂隙带高度在48.8～53.0m之间。