薄基岩近距离煤层开采"水-岩"致灾演变模型及规律研究

为研究薄基岩近距离煤层开采的"水-岩"致灾演变规律,建立了薄基岩覆岩裂隙扩展渐变破坏模型并分析了岩石的3种破坏模式,从平面及空间角度揭示采动覆岩岩体裂隙扩展过程中的渐变失稳破坏发育特征;构建覆岩岩体破坏致灾演变力学模型,从力学角度上解释覆岩破断致含水层突水致灾过程。结合工程实例,采用UDEC及FEFLOW数值模拟软件分别建立数值模型,模拟分析近距离煤层回采覆岩失稳破坏特征及地下水体运移渗流特征,揭示采动条件下地下水体运移致灾演变规律。研究结果表明:开采活动破坏了地下水体原有的渗流规律,近距离煤层的重复采动极大地增加了覆岩岩体内裂隙密度及宽度,裂隙带内的渗透性增加,覆岩裂隙是水的渗流、运移的主要通道,导水通道的拓宽从而导致突水致灾危险性增加。     

浅埋深薄基岩矿井综放工作面导水裂缝带发育规律研究

转龙湾煤矿首采工作面煤层埋深160 m左右,基岩厚度60～120 m,属于浅埋薄基岩开采。本文分析了转龙湾煤矿II-3煤层覆岩特征,井下现场探测了首采试验区的采动覆岩破坏导水裂缝带发育高度,采用有限差分数值仿真方法模拟了薄基岩浅埋煤层综放开采条件下的覆岩运移破坏过程。研究表明,采动覆岩塑性破坏区的形态经历了"马鞍形"—"拱(箱)形"的演化发育过程;随着采动空间的增大,采空区两端超前破坏裂隙扩展速度较中部变慢,最大导水裂缝带发育高度位于采空区中部,裂采比为20。     

特厚煤层分层综放开采覆岩破坏规律数值模拟

 以华亭陈家沟煤矿综放采场实测导水裂隙带发育高度成果数据为基础,应用FLAC3D反演计算模拟分层综放开采引起的煤层覆岩破坏规律,并与实测数据进行了对比分析得出：分层综放开采后覆岩移动破坏形成“拱”式承载结构,拱脚压应力高度集中;导水裂隙带发育形态也近似为“拱形”,与实际探测高度拟合度较好;分析了开采过程中覆岩的位移场、应力场和塑性破坏区分布规律。研究结果可为深入研究分层综放开采覆岩破坏规律提供借鉴。     

基于相似模拟的浅埋深煤层覆岩采动裂隙分析

根据相似模型试验,探讨了运用视电阻率法的物探技术来反演浅埋深覆岩采动裂隙发育演化规律的可行性,分析了采动过程中浅埋深煤层覆岩变形破坏前后电性参数的变化及其与覆岩裂隙发育范围、程度之间的关系。研究发现:视电阻率法可以探测浅埋深煤层覆岩采动裂隙的演化过程,电阻率变化率的等值线图可以体现裂隙发育形态,提出以电阻率变化率作为划分覆岩破坏"三带"的标准。在浅埋深煤层的采动过程中,上覆岩层导水裂缝带的范围持续向上方、前方扩展,但裂隙在水平与垂直方向的发育具有不平衡性,薄基岩层明显阻碍了裂隙向上的发育,水平方向的裂隙发育范围明显大于垂直方向。而一旦裂隙发育突破了基岩层,就会瞬间贯通该基岩层上方的附着岩层或地表。     

水下采煤覆岩裂隙扩展判断方法及其应用

工作面突水是影响水体下煤层安全开采的主要隐患,而上覆岩层导水裂缝带发育是引起工作面突水的基本路径。基于裂隙萌生发育的形态分析,将导水裂隙带划分为两种类型,一是原生裂隙的张开或滑动,二是新生裂隙向完整结构的扩展;而且,在工程荷载作用下卸荷裂隙的萌生和扩展具有优势定向性特征。考虑开采煤层覆岩裂隙的分布特征,基于格里菲斯摩尔-库伦准则建立了裂隙扩展的分析模型和判断方法。借助FISH语言,将扩展模型耦合入离散元软件UDEC中,并用其模拟水体下煤层开采过程,分析在工作面推进过程中上覆岩层内裂隙带萌生演化特征。分析了工作面突涌水机理,得出了水下采煤工作面覆岩导水裂隙带高度的确定方法。并结合导水裂隙带高度现场观测实践进行了工程验证。     

浅埋煤层高强度开采覆岩(土)破坏演化及溃沙控制技术

随着我国煤炭资源的大规模和高效开采,薄基岩浅埋深的矿区常发生切冒、抽冒、台阶下沉,造成水资源和环境破坏严重。但是,赋存于萨拉乌苏组含水层下伏的连续黏土层的存在,使得基岩及其黏土隔水层组合结构下采动破坏规律不同于传统的基岩岩层,这将为防治矿井突水和实现保水采煤提供了条件。论文采用数值模拟和理论分析的方法,模拟了“黏土隔水层-基岩风化带-基岩”结构特征下不同黏土层与基岩厚度条件下覆岩(土)裂隙发育、顶板破断运动的基本特征,获得了浅埋深条件下采动覆岩(土)的破坏变异规律与发育高度,分析了溃沙的致灾因素和预测判据,并据此提出防治突水溃砂的技术手段。研究结果表明：浅埋煤层“沙土基型”覆岩(土)结构条件下,由于不同基岩与土层厚度的控制作用,使得覆岩(土)破坏发育高度和特征产生变异;水砂源、通道、动力源和空间是近松散含水层溃砂的主要致灾因素,并提出了预测溃沙发生的判据;可通过防止顶板切冒、含水砂层水头压力疏降、局部注浆固沙和合理留设防砂(塌)煤岩柱等技术控制浅埋煤层溃砂灾害发生。     

薄基岩厚风积沙浅埋煤层覆岩变形破坏规律研究

为了研究薄基岩厚风积沙浅埋煤层开采时覆岩移动破坏规律,根据某矿工作面开采技术条件和岩石力学参数,采用数值模拟的方法,分析了采场上覆岩层破坏变形规律以及应力分布特征;基于关键层理论,推导了导水裂隙带的发展高度。研究成果为薄基岩厚风积沙浅埋煤层保水开采提供了理论依据。     

浅埋薄基岩含水层下煤层开采突水溃砂相似模拟实验研究

综合考虑含水层赋存、开采地质力学条件及煤岩体结构特征,自主研发了突水溃砂气液联动相似模拟实验装置,该设备包括含水层煤系地层模拟装置、气液联动调控装置和水压水量监测装置,设计最大注水压力80 k Pa,监测水压力精度1.0 k Pa,水位精度1.0 mm。通过神东矿区浅埋薄基岩含水层下煤层开采突水溃砂相似模拟实验,研究了采动煤岩体裂隙发育及突水溃砂导水通道分布特征,结果表明:沿工作面推进方向,突水溃砂通道发育过程划分为裂隙渐次发育阶段、裂隙贯通阶段和突水溃砂通道形成3个阶段;覆岩破断及突水溃砂区域划分为覆岩裂隙渐次发育区、水砂侵入区和水砂侵入阻断区3个区域。     

基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法

在深入研究覆岩关键层对导水裂隙发育高度影响规律的基础上,提出了通过覆岩关键层位置来预计导水裂隙带高度的新方法.工程实测和理论研究结果表明：覆岩关键层位置会影响导水裂隙发育高度,只有当关键层位置距开采煤层小于某一临界高度时,该关键层破断裂缝才会贯通成为导水裂隙,且受该关键层控制而同步破断的上覆岩层破断裂缝也会贯通成为导水裂隙.关键层破断裂缝贯通的临界高度可以粗略按（7～10）M（M为煤层采厚）估算.当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以内时,导水裂隙将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度等于或大于基岩厚度;当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以外时,导水裂隙将发育至临界高度（7～10）M上方最近的关键层底部,导水裂隙带高度等于该关键层距开采煤层的高度.上述基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法能适应不同采厚条件下的导水裂隙带高度预计,同时可以对由于覆岩关键层结构变化引起的导水裂隙带高度异常发育情况作出判别,其可靠性得到了工程实测结果的验证。     

厚松散层薄基岩综采面覆岩破坏高度发育规律

为确保高承压松散含水体下缩小安全煤岩柱开采,合理回采防水煤柱内所留的煤层,在淮南煤田潘集矿区深厚松散层薄基岩条件下的综采工作面,采用地面地质钻孔、井下声波检层CT技术探测等多种现场实测手段,结合离散单元数值模拟,对深厚松散层薄基岩综采工作面覆岩破坏带高度发育的时空分布规律进行研究。研究结果表明：覆岩破坏带随工作面推进动态变化,随着综采工作面向前推进,导水裂缝带高度35.20～45.10 m,垮落带高度7.28～16.24 m;其覆岩破坏由下向上、由后向前逐步发展。     

水压作用下防砂安全煤岩柱失稳机理及留设方法

针对厚松散含水层、薄基岩等特殊地质条件下楔形区工作面防砂安全煤岩柱失稳溃砂的问题,以赵固一矿11071工作面突水溃砂灾害为例,结合地质钻孔资料,建立了楔形保水压采动溃砂地质模型。通过黏土液塑限试验,风化带岩石干燥饱和吸水率和崩解试验,得出了底黏及风化带泥类岩具有良好的隔水性能,可形成楔形保水压结构。并在此基础上,通过水压作用下风化带泥类岩采动裂隙扩展试验研究了受采动损伤的煤岩柱保护层在水压作用下失稳的内在致灾机理。结果表明：在高水压的作用下,风化带泥类岩采动裂隙扩展为管道,防砂煤岩柱保护层的阻砂性能失效;考虑煤岩柱保护层的损伤厚度,提出了水压作用下防砂安全煤岩柱的留设方法,并在11191工作面进行了工程应用,取得了预期效果。研究成果补充完善了我国防砂安全煤岩柱的留设方法,可减少煤矿溃砂事故。     

薄基岩风氧化带附近防水煤岩柱的合理留设

为了合理确定鲁西煤矿的开采上限,依据已有的钻孔资料以及水文地质补充勘探资料,对第四系下部隔水层情况、基岩厚度、基岩岩石力学参数、基岩风氧化带等条件进行综合分析,然后对比鲁西煤矿实测资料、“三下”规程经验公式以及兴隆庄矿薄基岩条件下的经验公式分别得出的导水裂缝带发育高度,确定应用“三下”规程中的经验公式预计3111_II工作面开采后覆岩裂缝带发育高度,选取覆岩岩性为“中硬”,取中误差为0。结果表明：利用该方法确定3煤分叉区只开采下分层,留设防水安全煤岩柱高度为38 m,3煤合并区按照2个分层开采,留设的防水安全煤岩柱高度为49 m。     

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。     

浅埋薄基岩采煤工作面上覆岩层纵向贯通裂隙“张开-闭合”规律

浅埋深薄基岩采煤工作面上覆岩层纵向裂隙贯通是形成溃砂溃水通道的主要因素,为掌握该种裂隙“张开-闭合”规律,采用相似模拟、理论分析、现场实测等综合研究方法,深入分析了该种裂隙的张开闭合过程与形式,结果表明：纵向贯通裂隙的张开始于周期来压来临之前,随着工作面的继续推进,该种裂隙随着水平力、岩块错位量的动态变化而逐渐扩展,当扩展至极限时,纵向贯通裂隙随着关键岩块的切落而迅速闭合,伴随着下次周期来压的出现,之后出现该贯通裂隙的进一步压实,以及下一条纵向贯通裂隙的出现。基于上述研究,从工作面推进速度、液压支架支撑力、采空区的充填程度等易于工程控制的3个方面阐述了其对纵向贯通裂隙张开闭合的影响机制,为浅埋薄基岩工作面溃砂溃水隐患控制提供有效依据。     

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。     

采掘中突水溃砂机理研究现状及展望

从理论研究、室内试验等方面总结了煤矿突水溃砂机理的研究现状,指出上覆松散含水层的水头压力与溃砂通道宽度是建立描述突水溃砂机理的关键。通过对目前生产实践中采取的防治措施及安全评价方法的研究,认为应在综合评价影响采掘溃砂因素的基础上建立预测预警模型。并针对采掘溃砂过程中一些尚未解决的科学问题,诸如溃砂定量预测与计算、试验的可视化、采掘风险评价等。提出了＂以颗粒物质的流动行为来深入认识溃砂产生的机理＂这一观点,并引入了透明土试验技术,在深层次上揭示采掘溃砂过程机制、水砂混合物在岩体裂缝和破碎岩体中的运移规律的基础上,建立煤矿采掘溃砂安全评判模型,为松散含水层下安全开采提供技术支撑。     

哈拉沟煤矿22402工作面初采期溃水溃沙机理及防治技术

结合哈拉沟煤矿22402工作面初采期煤层覆岩结构特征,对该工作面溃水溃沙事故的原因进行了分析,并提出了对应的防治措施。结果表明,22402工作面初采期煤层覆岩属单一关键层结构,关键层破断发生滑落失稳导致其上覆岩层整体断裂下沉,导水裂隙带导通了含水层与工作面,含水层水带动其上部沙粒溃入工作面而发生溃水溃沙事故。据此从开采前、开采期间和事故应急抢救3个方面,提出了工作面溃水溃沙事故的防治技术。     

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。     

海下软覆岩煤层顶板离层水发育规律数值模拟研究

运用离散元软件对某矿海下软弱覆岩2煤顶板离层水空间发育规律进行了数值模拟研究,结果证明:顶板软弱覆岩条件下会发生离层现象,在4.36 m采高和开挖步距为10 m情况下,开挖距离为200 m时会发生3次离层现象,且离层发展一直处于"产生—发展—闭合稳定—产生"的循环过程;根据工作面突水特征、突水水源和突水通道等因素分析,并与数值模拟结果进行对比,得出该矿工作面突水并不是导水断裂带直接导通互层含水层所致,而是由于离层突水所致。