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。     

深部采动响应与灾害防控研究进展

掌握深部采动响应机制与灾害防控技术对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的现实意义。针对深部开采面临高地应力、高地温、高岩溶水压和强开采扰动的复杂环境,探讨了深部采动煤岩体响应特征。阐述了煤炭开采多物理化学场时空动态演化规律和多资源全生命周期动态叠加多相多场耦合致灾机理。最后,基于上述采动响应特征和多场耦合规律及致灾机理,从透明矿山及地质保障关键技术、灾害风险判识与监控预警关键技术和典型动力灾害防控关键技术3个方面讨论了深部采动灾害防控方法。未来应继续加大对深部开采基础研究支持力度,大力支持自主创新重大仪器及科学装置研究,重点开展深部煤炭开采应用基础理论和关键技术研究,依靠科技创新突破制约我国深部煤炭开采的理论与技术瓶颈。加强深部采动多物理化学场耦合灾变机理分析,实现深地资源地质精准勘探和三维地质可视化,建立深部采动灾害风险判识及合理性评价模型,以及开展多参量灾害预警与防控技术和装备研究,实现对灾害的有效预警和精准防控,综合形成深部煤矿灾害防控理论与技术标准体系。同时,在充分认清深部各种灾害特征、治理能力极限和技术经济可行性的基础上,科学确定开采下限。最终有效解决深部煤炭开采面临的科学问题和重大技术难题,促进深部煤炭安全高效开采。     

煤矿采空区失稳灾害防控技术研究现状及展望

针对煤矿采空区失稳灾害,基于灾害类型及危害分析,从煤矿采空区失稳灾害的机理、评价方法和控制技术3个层面系统总结归纳了我国煤矿采空区失稳灾害防控技术研究的现状与进展,并探讨了其存在的主要问题。研究表明:煤矿采空区失稳诱发的灾害类型主要为地面塌陷及其诱发的次生灾害、大面积采空区突然失稳诱发的矿震灾害、井下(顶板或覆岩、气浪等)冲击引起的设备损坏及作业人员危害;煤矿采空区失稳灾害中复杂致灾理论研究比如采空区失稳灾变链式机理、断链减灾的控制理论与方法、灾变期间的监测预警技术等将是今后研究的重点。     

基于LBM-DEM耦合方法的突水溃砂运移规律研究

我国西部矿区因其特殊的地质赋存条件及高强度开采方式易诱发突水溃砂灾害,迫切需要对灾害机理进行研究。为了解突水溃砂下水砂运移规律及致灾的关键原因,借助LBM-DEM耦合模拟方法对单裂隙开口通道模型中水砂两相运移问题进行了初步探究,通过对比截面流量及溃砂速率变化情况,分析了其受不同边界压力、裂隙开口宽度及砂层厚度的影响,基于Bulsara式拟合了不同边界压力时最大单位质量流量数值计算结果。研究结果表明:随边界压力增加,截面流量及最大溃砂速率单调增加,高压力下砂粒更容易在裂隙开口处堆积形成临时性密实结构阻碍水砂运移,截面流量及最大溃砂速率增幅逐渐降低,在Bulsara式基础上给出的修正式能较好的拟合最大单位质量流量曲线;随开口宽度增加,截面流量、最大溃砂速率和砂粒在开口处形成的密实结构体积均单调增加,但增幅逐渐降低,发现灾害的关键影响因素之一为砂粒密实结构体积;随砂层厚度增加,砂粒密实结构持续时间增长造成阻碍效果逐渐增加,截面流量及最大溃砂速率逐渐减小且降幅逐渐降低,灾害发生点由初始水驱动砂快速流出裂隙孔口阶段转变为砂粒密实结构失稳造成砂粒倾泻阶段。     

深部矿井运移灾变机制及其控制研究

矿井灾害包括煤与瓦斯突出、冲击地压、瓦斯(煤尘)爆炸、大面积冒顶和矿井突水淹井等,严重威胁着煤矿安全高效生产和矿山工作人员的生命安全,各种矿井灾害不仅互相联系,而且出现规律具有许多相似之处。从探讨矿井灾害共性问题的角度,通过分析采场大范围岩体系统的物理力学性能、系统结构、地质及技术环境、动态变化过程与能量之间的相互联系和演化机制,探讨了矿井灾害发生的基本模型,阐述了矿井灾害的发生机制;随后,分析了矿井灾害的运移灾变机制,把矿井灾害在深部矿井开采中统分为运移灾害(能量运移灾害、水体运移灾害、气体运移灾害)和固体物理机械灾害;最后,基于运移灾变机制,提出有效辨识和控制运移灾害必须明确的问题及相应的控制思路。     

遥感-岩石力学在矿山应用的试验研究

遥感-岩石力学的试验研究表明,岩石在受力与灾变过程中存在特征性的红外辐射变化,利用红外手段可以监测岩石应力与灾变问题。在过去遥感-岩石力学试验研究的基础上,针对矿山与岩石破裂失稳有关的安全隐患问题,利用红外热像仪对河北省峪耳崖金矿和辽宁省齐大山铁矿进行了现场检测,结果表明,利用热像仪可以检测井下高矿压部位、冒落和片帮等危险性的部位、渗水部位以及露天矿中断层和滑坡危险区,这些区域在热像中呈现不同于周围正常岩石的温度色调。如果结合长时间动态观测,可以对这些矿山灾害进行预测预警。研究结果为矿山安全及防灾减灾提供了新的监测预警手段。     

现场监测与数值模拟相结合的矿山灾害预测预警方法

在矿产资源需求量大,而国内矿产资源储量逐渐减少、易采矿产逐步枯竭的情况下,矿山逐渐转向对深部资源的开采,随着采深的增加,开采诱发的岩爆、冒顶片帮等多种灾害日益凸显,矿山灾害预测预警势在必行。总结了当前基于现场监测和数值模拟方法分别进行矿山灾害预测预警的优缺点,提出了一种现场监测与数值模拟相结合的灾害预测预警方法,以实现矿山灾害的趋势预测与实时预警。分析了该方法的可行性与优势,并以矿山常见的露天边坡稳定性分析为例,阐述了该预测预警方法的实际应用,供相关研究参考。     

露天矿超高边坡灾变影响因素与防控关键技术研究综述

以2015年国家安监总局统计的125个露天矿山基本信息为出发点,分析了我国露天矿山边坡现状与设计高度分布情况,将边坡高度500 m以上划分为超高边坡,未来超高边坡由现在的2%增加到14%。结合国家“十三五”规划相关建议,阐述了进行超高边坡研究的重要性和必要性。以超高边坡灾变机理、安全防控技术以及在线监测预警技术为研究对象,在分析整理国内外相关资料的基础上,从高应力与卸荷作用、高应力与岩体变形破坏、渗透特性与渗流规律、物理模拟与数值仿真、爆破安全控制技术、大吨位深锚索加固技术、在线安全监测及智能预警技术等方面,总结了目前超高边坡灾变过程关键影响因素、防控技术以及监测预警技术现状,结合超高边坡工程特点,指出目前研究存在的问题与技术难点,并分析了超高边坡研究发展的趋势,指出了超高边坡研究面临的挑战,包括：①节理-水-应力等多因素耦合作用下灾变机理及破坏模式;②超高边坡灾变机理大型物理模拟平台建设与数值仿真技术;③微损伤爆破超高边坡安全控制技术;④大吨位预应力深锚索加固超高边坡治理技术;⑤超高边坡滑坡在线安全监测与预警技术。     

厚覆基岩下煤层开采突水溃砂机理研究

为了揭示较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂灾害的形成机理,以照金煤矿突水溃砂事故为例,结合最新补勘地质资料,从导水通道、充水水源、物源、储水空间、动力源和地质构造等多方面对该类型灾害机制进行综合分析。研究结果表明:在采动条件影响下,富水性弱～中等的洛河组含水层也可能发生破坏极大的水害事故;较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂的发生并非单一因素造成,而是由多个因素相互作用最终造成水砂混合流运移和突溃的现象;照金矿202工作面综放开采产生的导水裂隙带导通洛河组含水层,水进入宜君组与直罗组之间的离层空腔,随着积水量增加,渗入煤系含水层和古河床相松散体中形成似泥石流体,并会沿工作面切落形成的集中通道瞬间溃入工作面,导致煤层顶板上覆较厚基岩发生突水溃砂。     

断层影响下岩体采动灾变响应研究现状与展望

针对采动可能引起断层活化进而导致工程灾害,从断层形成机制、断层附近岩体采矿工程响应及致灾、大断层附近安全开采3个方面综述了断层影响下岩体采动灾害响应机制和规律研究现状。对煤矿开采尺度下断层形成的地质力学机制及区域原岩应力分布特征、断层对采动应力阻碍及传导作用机制、采动应力与断层相互作用下致灾机理、近断层煤炭安全开采与灾害防治等4方面的进一步研究提出了展望;将断层形成和运动过程中应力场、能量场与采动相结合,可以更好地研究断层影响下岩体采动灾变响应,利用断层特性可以防治相关矿山灾害,以期为认识断层影响下岩体采动灾变响应及灾害预防提供技术支持。     

厚基岩采场弱胶结岩层动力溃砂机制研究现状与展望

我国西部矿区黄陇、宁东两大煤炭基地发生的采场顸板溃水溃砂与强矿压显现叠加灾害是一种厚基岩采场顶板弱胶结岩层动力溃砂灾害.该灾害类型在表象、物源和动力源上均不同于以往浅埋、近松散层采场的非动力溃水溃砂灾害,是一种新型的采场顶板灾害.由于该类型灾害突发性强、破坏性大、冲击力大,对安全生产带来严重威胁,致使如何有效防控灾害的...     

弱胶结砂层突涌机理及预测研究

第三纪和晚侏罗时期沉积的弱胶结粉细砂层在我国东北，西南地区有广泛的分布。以东北某矿区为例，根据我国矿山存在的井下砂层突涌的现象，利用室内模拟试验，探讨了弱胶结砂层在井下形成突水涌砂的机理，为预测，防止该类事故的发生提供理论依据。     

应城市盐矿区地面塌陷形成机理与防治对策研究

应城市盐矿业长期开采为地方产业经济和社会发展做出了重要贡献,但同时也引发了地面塌陷、地面沉降、水土污染等地质灾害,直接威胁居民生命财产安全,潜在危害较大。为查明盐矿区地面塌陷的形成机制,以久大（应城）盐矿有限责任公司水采矿区作为研究区,通过开展物探、钻探、测试等手段,选取覆盖层砂土厚度比、盐井开采年限、盐井现状、盐井施工工艺、盐井开采层位、盐井井距、井组距、地下水位水质、地质构造发育强度、盐井井管异常、地质灾害影响范围等影响因素进行综合分析,分析研究区地面塌陷的形成机制,并提出防治工程方案建议。水采矿区内防治工程建议主要为搬迁避让、危房拆除及绿化、地质灾害区治理、废弃盐井封堵、监测预警等。     

曹家滩煤矿顶板富水性分析及防治措施研究

为了避免西部高强度开采矿区发生工作面顶板溃水溃沙灾害，以地表生态脆弱的榆神矿区曹家滩矿井的首采工作面为研究背景，分析了首采工作面煤层的地质概况，确定了影响工作面发生水害事故的充水因素，将物理探测和“三图”法相结合对首采工作面煤层顶板富水性特征及分区进行了综合论证分析。结果表明：大气降水和地表水是矿井的间接充水水源，煤层顶板导水裂隙带波及范围内的延安组、直罗组和基岩风化带含水层的水为直接充水水源|导水裂缝带是矿井发生水害事故的主要充水通道|矿井风化基岩含水层富水性较强，延安组为弱含水层。通过FLAC 3D研究了覆岩裂隙运动破坏规律，工作面推进至180m后，导水裂隙带发育速度增加，推进至240m后达到最大值约159m，覆岩的裂采比为26.5。结合上述分析，提出了以完善矿井水害监测系统和建设防排水系统、合理确定回采参数和培训防治水专业人员相结合的防治水技术改进措施。     

煤层注水在矿井深部开采灾害防治中的应用

煤层注水在矿井深部开采灾害的防治中发挥着积极作用,煤层注水能够减少煤尘产生,预防煤与瓦斯突出,防治冲击地压和煤层自然发火,降低工作面温度,提高放顶煤效果,改善井下作业环境。分析了煤层注水的作用机理,通过在千秋煤矿开展煤层注水的工程实例,结合数据分析验证了煤层注水的重要作用。     

上覆含水流砂层下安全采煤技术

含水流砂层下煤炭资源的开采是个工程难题,方法不当就可能引发淹井事故。对白音查干煤矿矿井水文地质特征进行了分析,认为对矿井开采构成威胁的水体为第四系流砂含水层。根据井田的水文地质特征和矿井涌水量预计,建议采取地面和井下联合疏放水措施,以保证煤炭的安全开采。     

多频并行电法在煤层顶板防治水中的应用

煤矿水害是矿井安全生产的重大灾害之一,顶板砂岩、灰岩、泥岩的电阻率差异明显,而富水性对砂岩、灰岩的电阻率影响较大,符合多频并行电法探测的地球物理依据,因此可以采用多频并行电法对工作面顶板富水情况进行探测。多频并行电法是以直流电法理论为基础,现场观测频率域电场信号,信噪比高,对工作面底板异常的平面分辨能力相对较好。通过对15309工作面顶板砂砾岩富水性探测及验证结果可知,多频并行电法是一种便捷有效的井下物探手段,能够为煤矿顶板防治水工作提供技术支撑,为煤矿安全开采提供地质保障,也可为其他煤矿类似水害探测及分析提供借鉴。     

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。     

超大采高工作面过沟回采精准防治水技术

超大采高工作面开采造成上覆岩层剧烈运动，导致覆岩裂隙发育，为地表及含水层水体提供流动通道，成为了矿井安全生产的隐患。以上湾煤矿12402超大采高工作面为背景工程实践，进行离散元数值模拟，揭示了工作面回采过程中上覆岩层导水裂隙带高度发育规律，结果表明导水裂隙带能够贯通地表，沿工作面倾向上覆岩层导水裂隙形态呈现“马鞍形”分布，由于采空区中部区域压实作用，工作面斜巷对应上覆区域成为防治水重点区域|同时该工作面上方为石灰沟，沟内积水量约10万m3，且地表下沉变形量达7.19m，在降雨量较大季节时易造成地面积水，对井下防治水工作提出了挑战。针对此，提出了井上下一体化精准防治水技术，包括地面采用提前疏放和塌陷坑回填措施、设置地面水文观测孔自动监测水位、井下调整工作面开采参数、精准探放水、优化设置排水设施安装地点和管路参数，制定防治水应急预案。工程实践表明，应用上述技术措施，能够有效降低大采高工作面涌水量，确保井下安全生产。     

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。