软岩矿区顶板弱含水层高强度携沙突水机理研究

近年来西北侏罗纪煤田由弱含水层引起的顶板高强度携沙突水案例多发,为查明弱含水层出大水的机制和沙源,以便于制定防治措施,从分析软岩特点入手,提出了采后覆岩移动力学结构模型"新四带"观点及实践依据,指出了形成离层水害的4个条件,明确了离层汇水作用强化了弱含水层的突水强度、泥沙自封堵作用决定了间歇式突水模式。通过案例分析,证明了上述观点的正确性,为此类事故防治提供了理论根据。     

弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制研究

安新煤田主采煤层上覆巨厚弱胶结砂砾岩含水层,富水性弱,但多个工作面回采期间发生突水,查明突水机制是矿井水害防治的关键。通过水文地质特征分析,阐明了砂砾岩含水层厚度分布特征和富水性分区特征。采用岩石单轴抗压强度、三轴声发射、X衍射试验等方法,获得了顶板隔水层岩石物理力学性质。基于关键层理论分析、导水裂隙带与采动富水异常区层位关系及相似模拟试验成果,建立了4种条件下巨厚砂砾岩含水层突水的水文地质结构模型,揭示了砂砾岩含水层不同条件下的突水机制,并明确了研究区突水点的突水机制,提出了隔水保护层失稳导致突水的工程判据。研究结果表明：研究区东部局部区域含水层富水性中等,以往多次突水均发生在弱富水区;砂砾岩含水层下顶板泥岩中黏土矿物含量达到59.6%,亲水性强,具有良好的隔水作用;但在采动作用下顶板隔水层岩体卸压后强度降低,厚度较薄时,受上部岩层载荷和采动富水区静水压力作用易发生破坏,成为良好导水通道;砂砾岩含水层物理力学性质特殊,采动扰动后孔隙裂隙发育,形成了富水变化异常区;弱胶结砂砾岩突水的强度与下部基岩特征、导水裂隙带发育高度、隔水保护层厚度等因素相关;研究区弱胶结砂砾岩发生突水的工程判据为...     

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。     

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。     

巨厚低渗含水层下厚煤层顶板水害机理与防治

为得到巨厚低渗含水层下顶板水害形成机理,采用钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔电视观测和物探等勘查及数值模拟方法对其进行研究。结果表明:覆岩存在巨厚低渗砂岩含水层,下伏泥岩隔水层,覆岩裂采比为12.51,波及到该砂岩含水层,这为突水提供了水源和通道等内在条件。通过矿井瞬变电磁法探测及数值模拟研究,确定砂岩和泥岩软硬组合结构在采动条件下,扰动泥岩重塑形成离层储水空间,当离层积水量达到一定程度后,伴随着基本顶的周期来压及大面积垮落,离层水包破裂并瞬间溃入矿井,造成突水灾害。在此基础上,总结了开采过程中对离层水进行有效疏放的方法与经验,为类似水害防治提供了借鉴。     

曹窑东井27080工作面突水成因分析

通过对义煤集团曹窑东井27080工作面水文地质状况、突水水源和导水通道等方面的分析,明确指出了含水层的富水性是发生底板突水的内因,它决定着矿井突水量的大小及突水量的动态变化特征.含水层水压是驱使水流的动力,而构造断裂的存在与采矿裂隙的形成则是地下水得以流动的通道,三者同时存在并突破平衡条件时就必然发生工作面底板突水.基于这一分析,对该矿防治水工作提出了建议,同时也为其他矿井类似情况突水灾害的预测或分析提供了理论参考与经验借鉴.     

煤矿砂岩水文地质特征及含水层突水危险性评价分析

以某煤矿矿区砂岩含水层为例,根据煤矿砂岩补勘资料和放水试验资料,综合分析煤矿砂岩含水层水文地质特征,并分别采用突水系数法和脆弱性指数法对砂岩含水层突水危险性进行评价分析。根据研究结果显示,某煤矿矿区富水性表现为东部强、西部弱的特征,富水性最强分区为第一分区;矿区东南部区域突水危险性最高,西部区域突水危险性较小;18^#煤层含水层正常涌水量和最大涌水量分别为1 200.79、1 860.84 m³/h。     

基于钻孔水文监测信息的顶板水害分析

为掌握补连塔煤矿31401工作面顶板突水致灾机理,通过施工井下放水孔、水文观测孔及地面钻孔,分别监测各钻孔的水流量、水位、水位—流量耦合信息,并对上述信息进行挖掘,用于分析顶板渗透性、覆岩变形规律及其与含水层水位变化关系、裂采比与垮采比。分析结果表明:顶板含水层原生裂隙不发育,采前渗透性弱;覆岩破断变形过程经历了张开、闭合过程,并且砂质泥岩遇水泥化、膨胀,填堵导水通道,同时,覆岩变形与含水层水位下降存在必然联系,水位下降滞后周期来压初始时间;采前原生裂隙不发育,采后裂采比为31.93~34.98,垮采比为3.88~4.48。确定该工作面多次出现的周期性顶板突水通道为回采后的导裂带。     

泄水钻孔防治离层突水技术在煤矿的应用

针对近年来黄陇侏罗纪煤田综采放顶煤工作面上覆岩层离层水突出这一新的煤矿突水类型,通过分析采后覆岩离层水的形成及突水机理,得出离层水形成的垂向位置主要处于白垩系宜君组砾岩(硬岩)与侏罗系安定组泥岩、砂质泥岩(软岩)之间的离层空间,以及巨厚安定组内泥岩与砂泥地层之间的离层空间;离层水补给来源主要有侏罗系含水层的侧向径流补给和白垩系洛河组含水层的垂向越流补给,充水通道主要是煤层顶板导水裂隙。提出了预先在工作面可能出现离层涌水位置施工地面泄水钻孔防治离层水的技术,并优化了钻孔关键技术参数,实现了2个工作面的安全生产,为防治离层水积累了有效的措施和经验。     

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。     

基于颗粒离散元的薄基岩裂隙扩展规律

采动影响下的薄基岩产生导水裂隙通道,贯通厚风积沙层,容易产生突水溃沙灾害。为研究薄基岩导水裂隙通道发育规律,借助于颗粒离散元理论,建立考虑复杂应力作用的薄基岩模型,分析了原生裂隙长度、覆岩压力和水沙两相作用对裂隙在薄基岩平面横向发育规律的影响。研究发现颗粒离散元理论可以较好的揭示薄基岩的破坏机理;扩展裂隙在原生裂隙尖端呈“Y”和“X”型发育,且发育形态与薄基岩受到覆岩压力大小和原生裂隙长度有关。研究了不同原生裂隙长度、覆岩压力和水沙作用下裂隙扩展发育的4个阶段并给出了破坏曲线,分析了不同条件的改变对薄基岩裂隙扩展影响的定量关系。     

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。     

薄基岩采动裂缝水砂流运移过程的模拟试验

在分析厚松散层薄基岩下开采水砂突涌工程地质模式的基础上,设计自制了水砂混合流运移及突涌模型。试验以0.05 MPa和0.10 MPa水压力条件下的不同水砂混合物成分、不同通道裂缝宽度为例,揭示了孔隙水压力在裂缝通道中不同位置的变化特征。通过设置的模型试验,定量化地研究水砂混合物运移及涌出的多种地质信息,获得不同模型试验水砂混合流运移通道中不同位置监测的水压力变化曲线,同时分析裂缝通道水砂流速度与通道宽度的关系,观测水砂流通道溢出口出砂量与时间的变化关系。     

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。     

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。     

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。     

水沙混合物裂隙渗流特性分析

水沙在裂隙或破碎岩石中的渗透特性具有复杂性,研究水沙裂隙渗流特性对于揭示突水溃沙机理具有重要意义。利用自制的水沙裂隙渗流试验仪器,通过改变沙粒径、浓度等因素进行水沙渗透试验,获得水沙在裂隙中流动的滞后性特征。通过水沙裂隙渗流试验,得到了岩石裂隙中水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线,分析了滞环曲线的特征,简单解释了滞后现象的原因。得到其渗透压力梯度与渗流速度在一个循环周期内形成了一条封闭滞后曲线,根据曲线的是否有交叉和往返曲线的距离分为4种变化类型;随沙粒径和沙浓度增大,曲线由Ⅰ型向Ⅳ型转化。滞后性指标用最大滞后量G_p和滞环面积S描述,随沙粒径和浓度增大,这两者均呈增大趋势,但增幅并不同步。进一步,利用ANSYS Fluent软件进行水沙裂隙渗流场的数值模拟,获得了在不同因素影响下渗流场的变化规律。数值模拟结果表明,粗糙裂隙流场物理量随时间波动;粗糙裂隙中水沙流动受壁面约束作用,表现出流场物理量空间分布的随机性。模拟结果显示裂隙中水沙渗流场不稳定,渗流场的压力损失与沙粒径呈反向变化。裂隙横截面上水沙流体时均速度和湍动能分布受沙粒径和沙体积浓度影响很大,表现为极值点的位置偏移。此研究可以为进一步研究浅埋煤层突水提供参考。     

西部生态脆弱矿区矿井突水溃沙危险性分区

以榆神府矿区为例,开展了以多因素融合为基础的突水溃沙评价研究。在突水溃沙机理分析的基础上讨论了突水溃沙灾害形成的影响因子,选取沙层厚度、含水层富水性、有效隔水层厚度和采动空间等作为研究榆神府矿区突水溃沙的关键因素,编制了无量纲图,采用熵权法确定了各因素的权重,在GIS平台下构建了基于多因素融合技术的榆神府矿区突水 溃沙评价模型,以此为基础对榆神府矿区突水溃沙危险性进行综合分区,经验证,评价结果较为合理,说明构建的评价模型适用于榆神府矿区突水溃沙危险性评价。     

薛湖煤矿矿井充水主控因素与矿井涌水量预测研究

河南薛湖煤矿在开采过程中受到了水害的影响,为了确保煤矿安全、高效生产,分析了矿井水文地质条件,研究了矿井冲水的主控因素,并对矿井涌水量进行预测计算。研究结果表明,薛湖煤矿矿区发育六大含水层（组）和三大隔水层（组）,煤系地层的二叠系砂岩裂隙含水层是危害矿井生产的主要含水层,随着生产的进行,顶板砂岩水多被疏干,对生产的安全不会造成很大的影响。二2主采煤层的直接充水水源为二叠系二2煤层顶板砂岩裂隙承压水,间接充水水源为二2煤层底板和奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水,矿井的自身采空区积水是薛湖矿的充水水源之一。二2煤的导水途径主要有裂隙、断层和封闭不良钻孔3种,高角度正断层可能成为导水通道。越往深部开采水压将会越大,构造和裂隙的发育增加了底板水涌入矿井的危险。选取比拟法和稳定流解析法对采区矿井涌水量进行计算,比拟法计算的全矿井正常涌水量656 m 3/h、最大涌水量787 m 3/h比较符合近年来矿井充水的实际情况,可以作为下一步矿井开采的依据。但随着开采水平的不断延深,太灰岩溶水向矿井突水的概率也将大大提高,若出现短期内多点突水情况,将会超过比拟法预算的最大涌水量。     

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。