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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

回采工作面上覆软岩离层水防治技术研究

针对工作面上覆软岩离层水害问题,运用离散元软件UDEC对工作面上覆软岩离层水空间发育规律进行了数值模拟分析,通过对比矿井工作面不同采高(一次采全高4.36 m和降低采高3 m)以及提高开采速度(开采步距10、20 m)时顶板离层空间发育规律的变化,结果发现,降低采高和提高开采速度都能有效的减小离层空间,其中降低采高对顶板岩层中离层空间的减少效果更加明显,是离层水防治的最有效方法。     

软弱覆岩综放开采条件下导水裂缝带发育高度研究

导水裂缝带发育高度是预防煤层顶板突水的主要技术参数,与煤层采厚、开采方法、覆岩岩性等采矿、地质因素相关。为探查敏东一矿软弱覆岩综放开采条件下导水裂缝带发育高度,采用钻孔冲洗液漏失量观测方法进行现场实测,实测结果表明:综放采厚为7.7 m时,导水裂缝带发育高度为79.78 m,裂高采厚比为10.36。同时采用数值模拟、相似材料模拟对实测结果进行验证,模拟结果证实实测数据准确。     

煤层顶板破坏与突水实例研究

根据济宁三号煤矿六采区3煤顶板的水文地质条件，应用岩石破裂过程分析系统（RFPA^2D），模拟采动条件下顶板破裂的演化过程，并结合突水实例分析了顶板破坏与突水的关系．数值模拟结果表明，当工作面推进30m时，顶板发生初次来压，此后每推进约22m有1次周期来压，在开采140～150m时覆岩破裂高度达到最大并趋于稳定，模拟结果与现场实测值基本一致．六采区3个工作面出现20次涌水，一般在周期来压或每推进140～150m就产生顶板涌水，具有明显的周期性，表明工作面涌水与覆岩破坏密切相关．     

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。     

Risk Evaluation of Bed-Separation Water Inrush: A Case Study in the Yangliu Coal Mine,China

Water that accumulates in the void space where overburden strata separate can be an inrush source. We established an engineering geology model of bed-separation water inrush, and chose five factors (hard rock thickness, coal seam thickness, aquifuge thickness, aquifer thickness and hydrostatic head) as risk factors. Additionally, based on an analysis of hydrogeological and engineering geological conditions at two areas in the Yangliu coal mine, the comprehensive weight values of these factors were found to be 0.32, 0.24, 0.18, 0.15, and 0.11, respectively, using fuzzy analytic hierarchy process and entropy method. Finally, the data were normalized, and a zoning map for risk evaluation was created using the space superposition function of GIS. This method was further used to evaluate the risk at the Haizi coal mine, and the results were in accordance with an inrush disaster that occurred at the 745 working face at that mine. This validated the model’s practical applications. This provides mines with strategies to prevent and control bed-separation water inrush.     

特厚煤层分层综放开采断层-离层耦合溃水机理

为了研究在复杂条件下断层-离层耦合溃水的机理及制定相应的防治水措施,在分析了老虎台井田地质、水文地质和开采条件的基础上,结合水害事故,采用数值模拟和相似材料模拟两种方法,对特厚煤层分层综放开采工作面“两带”发育高度、断层和离层空间形成特征进行了定量化研究,工作面回采后的冒采比和裂采比分别为4.98~5.42和7.10~7.30;断层空间形态和大小主要受到断层落差和与工作面距离影响;离层空间主要形成于不同岩性接触面附近。基于工作面顶板断层和离层空间形成、充水和溃水过程分析,揭示了断层-离层耦合溃水机理:上分层工作面回采导致覆岩中产生断层和离层空间,在接受含水层的持续补给后形成断层和离层水体,下分层工作面回采产生的垮落带波及至水体后发生溃水事故,与以往断层水害和离层水害相比,具有以下特点:断层和离层同时作为水害事故的充水水源和导水通道;垮落带是导致水害发生的主要因素;水害的孕育和发生分别在不同的工作面。针对水害特点提出了相应的防治水方案,首先对研究区进行水害威胁程度分区,受水害威胁轻及较轻区域的煤炭资源可以正常回采,受水害威胁较重及重区域的煤炭资源必须采取以下措施方可回采:注浆充填已形成的断层和离层空间,疏放已形成的断层和离层水体,减少工作面回采对覆岩中断层和离层水体的扰动。根据典型工作面的安全回采,初步验证了溃水机理的正确性和防治水方案的可靠性,下一步将根据井上、下工程验证,补充和完善防治水措施。     

煤矿突水行为研究系列试验装置研发及应用

随着煤矿开采深度和强度的不断提高,矿井面临底板突水、顶板突水和构造突水等多方面的挑战,针对不同类型突水机理及灾变模式利用现场监测等手段难以进行研究,因此采用实验室物理模拟试验手段成为解决研究此类复杂问题的关键。针对该问题,山东科技大学自主研发了采动煤层底板突水相似模拟试验系统、采动顶板涌水溃砂模拟试验系统、岩石应力渗流耦合真三轴试验系统等一系列试验设备,建立了突水行为研究实验室,利用物理试验实现了对矿井突水问题的探讨。系统实现了模拟高水压和高应力作用下的底板岩体破裂演化过程,获得了底板突水致灾演化规律和内在机制;实现了对水岩耦合作用下采动顶板突水溃砂灾变特征分析,透过试验机清晰地展现了煤层开挖后上覆岩层空间形成的结构形态和水砂突涌通道的分布形态;为模拟提供了深部高应力、高水压的加载环境以及独立伺服控制的三维应力,实现了全数字化的数据采集过程,获得了岩体裂隙扩展演化规律和破裂过程的声发射行为。     

特厚煤层开采顶板突水危险性预测及防治措施

在分析朱仙庄矿水文地质条件的基础上,采用经验公式、数值分析、相似模拟等方法,分析了8105特厚煤层工作面覆岩顶板的裂隙发育过程,考虑采动应力与渗流的耦合作用,研究了随工作面的推进上部含水层的渗流演变规律,进而对顶板突水危险性预测。结果表明:随工作面不断推进,8105回采工作面采空区裂隙发育高度为72m,与经验公式法的计算结果基本一致;通过数值模拟分析得到含水层受采动影响发生渗流现象,孔隙水未进入到回采工作面采空区;对相似模拟、数值模拟所得结果进行综合分析,裂隙最大发育高度与岩层孔隙水之间的距离为15m。为保证8105工作面的正常回采,本文提出了"预先打孔监测钻孔涌水量""留设合理防水煤柱""不良钻孔及时封堵"等防治措施,研究结果对类似工程条件下的煤层开采具有一定的借鉴意义。     

富松散含水层下复合隔水层稳定性分析及渗流规律

针对任楼矿6415工作面富松散含水层下安全采煤这一问题,基于材料力学以及采动渗流理论,采用理论计算与数值模拟的方法,对复合隔水层的结构稳定性、渗流稳定性以及采动覆岩渗流规律进行了研究。结果表明:工作面推进45 m左右时,复合隔水层发生破断,顶板渗流失稳系数为0.948,接近于1,存在顶板突水的可能。采空区后方和工作面前方煤壁处的渗流速度急速增加,导水裂隙主要分布在采空区后方和工作面前方煤岩层中部拉伸断裂处,并且闭合状态随覆岩的运动状态不断发生改变。     

综采工作面覆岩裂隙动态演化特征研究

鉴于采动影响下采场覆岩裂隙空间分布特征对矿井突水灾害防控和瓦斯抽采具有重要意义,以潘二矿18111工作面为具体工程背景,采用相似物理模拟、数值模拟以及理论分析,对综采工作面覆岩裂隙的分布演化规律以及导水裂隙发育高度进行研究。研究表明：随工作面的不断推进,工作面两端存在裂隙聚集带,裂隙发育高度高且多以大角度为主|通过数值模拟对裂隙发育角度进行统计分析,结合相似模拟试验结果,得出覆岩裂隙发育角度呈现区域性分布的特点|采用多种方法来研究裂隙发育高度,通过对所得结果进行综合分析,得出导水裂隙的发育高度为54～60.8m。研究结果对类似工程条件下裂隙演化特征的研究具有一定的借鉴意义。     

顶板砂岩水下煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度研究

导水裂隙带发育高度是顶板砂岩水下实施安全采煤的重要技术参数之一。以新集矿区某综采工作面为工程背景,针对工作面回采后采动裂隙导通上覆砂岩含水层易发生突水事故的问题,在分析覆岩岩性特征的基础上,采用经验公式估算、基于关键层位置覆岩导水裂隙带高度预测方法、数值模拟及井下仰孔分段注水法对覆岩导水裂隙带发育高度进行研究。结果表明,基于关键层理论导水裂隙带高度预测方法、FLAC3D数值模拟与井下仰孔分段注水试验结果基本一致,而经验公式预测导水裂隙带发育高度数值较小,存在一定的局限性。工作面回采后,导水裂隙带发育高度最大为57.6 m,裂采比为15.2,且发育形态呈“马鞍型”。 研究结果可为工作面顶板水害治理提供地质依据。     

“三软”大采高综采工作面覆岩结构及运动规律分析

以潘一煤矿"三软"煤层2141(3)综采工作面开采条件为背景,运用相似材料模拟实验和计算机FLAC3D数值模拟软件,对采高为6m的工作面的覆岩结构及顶底板破坏特征进行观测分析,研究表明:覆岩一般是分层或分组运动,垮落相互叠加;顶板距煤层越远,位移量越小,且具有滞后性;离层出现在应力降低区;垂直应力的峰值位置随着岩层高度的增加向煤壁后方移动,顶板和煤层中的最大垂直应力大于底板中的最大垂直应力;底板的破坏范围最大,并在工作面后方存在拉破坏。