底板突水危险性评价专家系统及应用研究

 矿井底板突水危险性评价涉及到水文地质、工程地质、开采条件及岩石力学等诸多因素,是一个复杂的理论与技术问题,底板突水危险性评价专家系统正是针对这一难点,将底板突水领域专家经验和理论成果等与计算机人工智能技术相结合,采用突水系数法和突水优势面两条推理途径,提出并运用典型突水案例加权类比的推理策略,初步具备了底板灰岩岩溶发育状况与隐伏断裂构造的预测功能。系统建立内容较为丰富的典型突水案例、专家经验、突水研究理论成果和防治水措施等四类知识库,能够对矿井是否会发生底板突水、突水点位置以及突水类型等做出预测与评价,并具有较强的咨询功能。应用该系统进行实际突水案例的模拟分析,评价结果与实际情况吻合较好。底板突水危险性评价专家系统将对矿井底板水害防治具有一定的实用价值。     

矿井突水形成机理分析与控制因素研究

矿井水害防治反映了一个国家的科技水平和经济能力,这个问题仍然是当今世界地质届的一个难题。本文在已有工作的基础上,结合我国目前对矿井突水的研究现状与成果,对矿井水害的形成机理进行了分析,并对我国矿井突水的控制作用进行了简单的描述。最后,在总结了国内外对矿井突水综合防治方法的基础上对未来的矿井突水综合利用进行了展望。     

矿井底板突水路径的搜索方法

根据统计所得现场岩体节理裂隙参数，应用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法模拟原理，生成了裂隙网络。在此基础上，运用线性规划原理和Ｂａｒｔｏｎ节理面强度公式，建立了矿井底板突水路径的搜索方法，以便更好地为矿井突水的预测和防治提供了帮助。     

基于有效应力概念的矿井临界突水系数修正及应用

 矿井底板突水和水压致裂具有同源的力学机制,都是确定岩石(体)破坏的临界水压(突水系数为单位厚度的临界水压)。从水压致裂理论分析得出,有效应力系数对其作用显著。针对矿井底板破坏突水问题,通过对突水实例模拟分析,从稳态和瞬态两方面深入探讨有效应力系数变化对煤矿底板破断突水过程的影响。基于有效应力概念,推导煤层底板在不同渗透状态下临界突水系数的公式。最后,根据矿井底板不同的渗透特性,提出修正突水系数的计算方法和现场测试使用方法,对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质、突水系数的内涵、指导底板注浆防渗设计,具有重要的理论和实用价值。     

煤层底板突水水量预测及注浆改造技术

 以基岩裂隙水运移的基本理论Chezy定律为基础,建立承压水正常涌水量的数学模型,提出利用Lagrangian法计算涌水量,应用Bernoulli能量方程计算矿井突水量的公式。计算结果表明,计算突水量与实际突水量的相对误差仅1.04%。针对焦作矿区大部分矿井煤层底板发生突水的实际情况,提出采用底板含水层注浆改造,防止底板突水事故。注浆孔位置主要决定于裂隙的发育程度、裂隙的走向,而注浆孔间距取决于浆液的扩散半径。最后,分析注浆压力和注浆量等注浆参数,并研制高压止水器,可解决注浆钻孔提前出水止水的难题。     

矿坑底板突水的突变模型研究

矿坑底板突水是一个典型的突变过程 ,将突变理论首次应用于矿山底板突水的研究之中 ,通过研究煤矿底板系统能量的失稳 ,建立了预测矿坑底板突水的尖点突变模型 (CuspCatastrophicModel) ,导出了系统失稳时受力的临界值及失稳时底板变形和能量释放的表达式 ,为矿山突水预报提供了新的理论方法。     

陷落柱突水模式及理论判据

不论岩体结构如何，地下水总是寻找采掘小区域内的构造软弱带，突破其中的关键部位(层)，而形成突水。大量防治水实践和理论证实，突水通道一般呈横截面积有限、形状各异、类似陷落柱的柱体管道，因此，可以将煤矿突水‘柱体突水通道’设想为力学中的‘厚壁筒’，其顶底板突水类似‘筒盖’破坏失稳，煤柱侧壁突水则与‘筒壁’破坏失稳相似，而突水通道中的地下水压力和围岩地应力即为厚壁筒的内外压力：以‘柱体突水通道’和‘厚壁筒’的完全吻合为基础，将突水通道概化为‘柱体突水通道’统一模式，并建立其‘厚壁筒’力学模型。在利用模型进行突水条件分析时，应用结构分析的剪切破坏理论方法，并对其中的力学条件和推导过程作了适当简化，由地下水压力突破构造软弱带内关键层时的极限平衡状态，得到了简单实用的突水理论判据，可以有效预测突水部位及突水与否，指导防治水工作。范各庄217l综采工作面特大突水模型的建立及突水理论判别的实际计算表明，‘柱体突水通道’突水模式概化准确，‘厚壁筒’力学模型切实可行，突水理论判据正确，且切合实际。     

软土基坑突水判断方法模型试验研究

结合深基坑的突水问题进行室内模型试验研究，通过对比试验前、后的参数，发现突水前后基底土体物理力学性质的变化规律。基坑突水破坏使得基底软土层的黏聚力和压缩模量显著下降，而对内摩擦角的影响较小。根据试验结果，当承压含水层水头压力值与上覆软土层单位面积质量相等时，土体并不破坏。因此认为传统判断基坑突水的“压力平衡法”具有一定缺陷。在对试验结果进行理论分析的基础上，根据试验的结果考虑基底土层抗剪强度的黏聚力分量，量化地提出软土地基基坑突水的判断方法。研究结果表明，与工程实践进行对比，对于软土地基的基坑突水问题，传统的判断方法过于保守。     

断层定量化在突水危险性评价中的应用

良庄井田目前已进入深度开采,以断层为通道的奥灰岩溶水对底板突水问题的影响越来越大。针对该井田11煤层开采底板断层突水问题,在概述良庄井田构造发育特征的基础上,以分形理论为指导,提出采用断层分维值及断层强度指数对良庄井田煤层底板断层进行定量化描述,并融合突水系数和涌水量对井田的突水危险性进行了分区。利用灰度分析Python编程确定断层分维值、强度指数和突水系数的权重,采用Surfer中的插值法将3个参数融合分析突水危险性,根据突水危险性将该区域划分为突水危险区和开采安全区。     

基于动态故障树理论的基坑突水事故研究

对深圳市航海路站地铁站进行深入分析,找到了造成基坑突水事故的主要危险有害因素,并通过将蒙特卡洛方法与动态故障树理论相结合的方式对基坑突水事故进行定性定量分析,使基坑突水事故的预防更加具有科学性。     

地震勘探技术在矿井突水危险性预测评价中的应用

煤炭在我国的经济地位十分重要,同时煤炭安全生产问题十分严重,为保证煤矿生产的顺利进行,减少煤矿突水带来人生、财产损失,本文针对矿井的充水条件、防治水技术进行了分析,认为在煤矿的生产中使用地震勘探技术对矿井地区的涌水通道及老窑水进行准确的测量和勘探,对于其生产的安全具有重要意义。     

王河煤矿煤层发生矿井突水的灰色风险评价

矿井发生突水事故受诸多因素影响,既有自然因素也有人为因素,而其中许多因素存在灰色不确定性特征.王河煤矿位于荥巩矿区中部,单一开采太原组一1煤层,属带压开采,是荥巩矿区矿井水害最为严重的矿井之一.自投产以来累计发生突水事故达50余次,并造成淹井2次.通过对井田及与其处于同一水文地质单元且开采同一煤层的邻近矿井已发生的突水事故情况进行统计分析,采用灰色风险模型对王河煤矿今后开采一1煤层发生矿井突水的可能性进行了评价,计算了灰色风险率和灰色风险度,为王河煤矿制定矿井水害防治规划提供了依据.     

底板突水防治技术

我国大部分煤层赋存的水文地质条件较为复杂,受不同程度的承压水威胁,因而预防底板突水成为采矿过程中所面临的一类重要问题。本文阐述了影响底板突水的因素,总结了矿井底板突水的防治技术。     

煤矿区突(涌)水系统分析模拟及应用

按照系统论、控制论、信息论的思想方法，将开滦范各庄煤矿防治水实践活动所获得的各种信息，采用多源信息采集及关联信息提取处理的二次开发技术，总结出突水系统原岩应力、应变特征及含水介质富水性规律；在此基础上，一方面，围绕揭示突水系统自组织演化过程规律，运用力学分析和数值模拟方法，提取、突出和升华揭示突水机理、概化突水模式的有用信息，提出了柱式通道剪、拉、压复合以剪为主的岩层破坏力学机制，并建立了厚壁简模型及突水理论判据，可以有效预测突水部位及突水与否，指导防治工作；另一方面，为难确模拟预测矿井涌水量，采用广义三重介质渗流模型对范各庄矿井地下水系统进行了模拟预测。总体实现了岩体结构、地下水、地下工程在突(涌)水系统中的交叉和统一。采动影响下巷道及采面的FLAC^3D数值模拟显示，柱式构造的存在使底板的应力、应变分布极不均匀，在采空区煤壁边缘线内外，底板岩层受升、降错动产生的剪应力、上凸弯曲产生的拉应力和压应力的三重作用，当三重复合力学作用超过岩体强度极限时岩体失稳破坏。通过北方煤矿区岩溶陷落柱这种特殊构造形式的深入研究，认为适当的岩溶及地质构造是岩溶陷落柱形成的基本要素。按岩体结构控制论的观点，将煤矿突水划分为陷落柱、断层(或破碎带)、完整结构岩体三种突水模式。突(涌)水条件分析表明，不论岩体结构如何，采动矿压和构造(如陷落柱)存在降低了岩体强度，当承压水压力大于关键层的最小主应力时，承压水的渗水软化和压裂扩容作用，导致地下水突破其中的关键部位(层)，而形成突水。范各庄2171综采工作面特大突水模型的建立及突水判别的实际计算表明，‘柱体通道’突水模式概化准确，‘厚壁简’力学模型切实可行，突水判据正确，且切合实际。多源信息处理同时阐明，原岩应力应变控制了介质的富水性规律，陷落柱、褶皱轴部裂隙带和断裂构造是范各庄矿井地下水系统补、径、排的主要控制因素，是系统的主干裂隙介质，而陷落柱作为含水介质的主干裂隙，其水文地质特征、渗流量计算等均不同于断裂裂隙或褶皱轴部裂隙，概化为另一类主干裂隙介质。范各庄矿井地下水系统以煤层底板砂岩介质为主要目标含水层，F0断层及其伴生构造、井口向斜轴部、塔蛇向斜轴部、13号陷落拄为主干裂隙，其间为等效裂隙岩块，主干裂隙控水且主干裂隙水流服从水流三次方定律，陷落柱等同水流管道，裂隙岩块等效多孔渗流介质，用水量交换耦合组成广义三重介质渗流模型，该模型充分体现了煤系裂隙含水系统流场的空间特征，特别是强径流带和局部非连续渗流特征。流场和模型识别显示，范各庄矿井底板砂岩含水层正常裂隙岩块的渗透性及储水性较差，矿井水主要来源于构造导通的下部灰岩含水层；以不同矿井(突)涌水量为输入，运行系统模型，所得的流场形态分析认为，三水平12～14煤含水层的正常涌水量以10m^3／min较为适当，最大涌水量不超过15m^3／min，矿井正常总涌水量20～25m^3／min，矿井最大总涌水量30m^3／min。此外，应用突变理论研究了突水的充分必要条件、突变特征和底板稳定性影响因素。     

东山煤矿五和七采区15号煤层底板突水脆弱性评价

通过分析五、七采区矿井地质及水文地质条件,采用"脆弱性指数法"对五、七采区15号煤层底板突水进行了评价,将五、七采区划分为底板突水脆弱区、较脆弱区、过渡区、较安全区、相对安全区,可以据此在生产中针对具体情况采取相应防范和治理措施,从而确保安全生产。     

岩溶含水介质空间变异性研究及煤矿潜在突水危险区预测

 博士学位论文摘要　华北型煤矿是我国石炭二迭纪聚煤期形成的重要煤矿, 其煤炭产量占全国原煤总产量的60% 以上, 但在主要矿区, 由于整个煤矿系之下广泛分布着巨厚的奥陶系石灰岩, 其岩溶水补给充足, 储量丰富。论文从华北型煤矿底板岩溶突水演化系统的观点出发, 以预测煤层底板潜在突水危险区为目标, 基于空间变异理论和系统理论, 建立了多源区域化信息协同预测煤矿潜在突水危险区的新的模式。针对岩溶含水介质空间分布变量本质特征及变异现象的数学属性, 研究区域化变量的选择和区域化变量协同性、非平稳性分析及其概化等问题, 为岩溶含水介质空间变异结构分析和空间预测奠定基础;应用区域化变量理论探讨岩溶含水介质空间结构分析模型的性质、功能, 研究变异函数理论模型确定及最优拟合问题。在此基础上, 进行岩溶含水介质空间结构分析指标的选择及其物理意义分析; 根据变异指标定量评价岩溶含水介质场的空间变异程度; 在岩溶水系统理论框架内, 探讨如何将岩溶水势场、介质场、水化学场以及地质构造场研究有机地统一起来, 对岩溶含水介质空间变异性进行空间预测。将突水危险区预测纳入空间变异系统分析理论与方法的应用范畴, 为突水预测研究提供一种新的可行的预测模式。在岩溶含水介质变异现象的数学属性认识基础上, 首先引入区域化变量的概念, 将岩溶含水介质空间分布变量视为具有随机性与确定性双重性质的区域化变量, 该变量是岩溶系统演化过程中空间结构性的一种表征变量。从这种认识观点出发, 将系统思想引入空间变异分析理论, 形成了具有特色与创新的岩溶含水介质空间变异系统分析理论, 为解决岩溶水不均匀性定量评价问题提供新的认识论与方法论。     

浅析煤层突水评价的脆弱性指数法

为解决煤层底板突水评价难题，在煤层突水主控指标体系基础上，以多源信息集成理论为指导，以GIS为操作平台，在煤层突水主控因素分析确定基础上，经过数据采集、分析处理，对煤层突水脆弱性做出科学区划和预测预报评价。     

流固耦合模型用于陷落柱突水的数值模拟研究

采动岩体动力学失稳与渗流突变是发生矿井突水的直接原因.以岩体的损伤演化为主线,考虑岩体的非均质性、渗流与变形的耦合效应,提出流固耦合条件下岩石破坏过程的本构关系,并在COMSOL Multiphysics的编程环境下通过MATLAB编程开发了突水模拟及突水危险性评价的软件系统.结合范各庄矿陷落柱突水的实际,用该数值模拟系统开展陷落柱突水的数值模拟.数值模拟再现了突水发生的整个过程,据此对陷落柱突水危险性进行了评价分析,并探讨了突水发生的机理.     

提高污水流量计准确测量方法的探讨

矿井突水预测预报是目前煤矿建设和生产过程中的一大难题,本文以安徽潘一矿煤层底板突水为研究对象,基于GIS的层次分析法(AHP型)脆弱性指数法对其进行分析研究,建立影响煤层底板突水的主控指标体系,并应用GIS进行数据采集和归一化处理,建立煤层底板突水主控因素的子专题图层,然后应用AHP法确定各因素的权重比例,基于此叠加子专题图层,对潘一矿矿井突水安全性进行评价.结果表明:危险区和较危险区多位于潘一矿东南部和中东部,且突水易发生区域位置分布较集中.     

开滦范各庄井田突水特征及煤层底板 突水地质条件分析

 煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据,以开滦范各庄井田为依托,从促发与阻抗突水2方面系统分析矿井突水特征和12～14煤层间砂岩裂隙含水层厚度及其特征、突水介质条件(岩性、层间距)和突水构造条件,建立煤层底板突水与地质条件之间的相关关系和模型,并探讨控制机制。研究结果表明,本区发生突水的水源以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,呈线性相关关系,且富水性增强。煤层底板隔水性能取决于隔水层厚度及其泥岩百分比含量,底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系,随着底板泥岩厚度的增加,泥岩层抵抗水压的能力增强,隔水性能变好,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。突水与构造密切相关,突水点最大涌水量与断层密度呈正相关关系。断层突水是由于断层对煤岩层的破坏作用导致在断层附近煤岩层裂隙和孔隙增加,力学强度大幅度降低的结果,且受控于区域构造和现代构造应力环境。这些成果为井田12煤层底板突水危险性评价与预测和井下突水防治提供理论依据。