基于水化学指标的淮南煤田潘谢矿区矿井水源识别研究

快速分析突水成因和准确判别突水水源是矿井突水灾害治理的关键,应用深度神经网络理论,结合矿井含水层的水化学分析资料,选取8种特征离子作为矿井突水水源识别的判别因子,构成深度神经网络的输入状态空间,选取水源类别作为分标签,构成深度神经网络的输出状态空间,从而构建矿井突水水源识别的深度神经网络模型。以2734组采样的水源样品作为学习样本对该模型进行训练,在训练集上可达到95%以上的识别准确率。利用文中方法对淮南矿区的水源进行了识别,结果表明,深度神经网络模型分类性能良好,预测精度高。

联络巷防水密闭墙稳定性评价与位置优化研究

联络巷防水密闭墙受两次采动的影响,其稳定性关系到相邻工作面的安全回采。针对联络巷防水密闭墙稳定性难以确定这一关键问题,以察哈素煤矿联络巷防水密闭墙为例,采用理论分析,计算分析了不受采动影响下防水密闭墙承受的最大安全水头高度,阐明了防水密闭墙与煤岩柱易失稳的结构弱面;采用数值模拟,分析了一次、两次采动和不同水头高度(6.0、9.0、12.0和15.0 m)下防水密闭墙的受力状态、位移情况以及接触面滑移状态。基于结构弱面分析,采用自主研发的井下采空区防水密闭墙应力、位移监测系统,对密闭墙测点进行了合理布设和监测,最终确定了采动和水压作用下防水密闭墙的最大安全水头高度。在此基础上,对3–1工作面开采侧向支承压力分布规律进行了实测,并对防水密闭墙的位置进行了优化。结果表明:不考虑采动影响,防水密闭墙的最大安全水头高度为12.4 m,防水密闭墙体顶底角以及与煤柱相嵌的接触面为结构弱面,易发生破坏;采动对防水密闭墙有一定的损伤,水压作用加剧了密闭墙与煤柱接触面间的滑移;采动和水压作用下防水密闭墙所能承受的最大水头高度为9.0 m,警戒水位线的水头高度为7.2 m;工作面侧向压力峰值区约在10.5~12.5 m处,建议防水密闭墙布置在距离采空区侧大于15.0~20.0 m,以避开支承压力峰值。研究结果可为类似矿井防水密闭墙的稳定性评估与位置优化提供理论基础与应用参考。

水库下采煤安全性评价分析

为了分析水库下采煤对水库及地表的影响,以某煤矿32采区为例,采用理论计算、数值模拟相结合的研究方法,分析了煤层开采后上覆岩层破坏形成的导水裂缝带高度,采用概率积分法和数值模拟得到了某煤矿地表水库地表最大下沉值和水平变形值。结果表明:导水裂缝带最大标高距底部的高差均大于250 m,导水裂缝带不会影响到水库安全,地表水平变形最大值远小于规定允许变形值,在地表水库下进行煤炭开采是安全的。通过32采区工作面的安全开采,验证了分析方法与结果的合理性。

含隐伏断层底板原生缺陷致灾前兆研究

为探究隐伏断层底板复杂构造活化致灾前兆规律,遏制含隐伏断层底板原生裂隙对导水通道的促进作用,运用了FLAC3D数值模拟软件,通过对比分析得到随掘过程中原生缺陷结构辨识方法及致灾前兆规律。研究结果表明:在导水通道的形成前,原生缺陷结构沿采掘反方向长40 m、宽30 m的区域被看作原生缺陷结构的剪应力、压应力异常辨识区域;异常辨识区域内监测点剪应力不断升高,并在工作面过隐伏断层后剪应力呈下降趋势;异常辨识区域内监测点压应力都呈现“降低—升高”趋势,且监测点压应力的升高趋势亦可作为原生缺陷结构辨识信息。为安全绿色开采高承压水上煤炭资源,实现安全过隐伏构造提供科学理论及工程指导。

煤矿采空区积水形成机制与处置技术研究

通过对白云乌素煤矿采空区积水形成机制的研究,得出了矿井地下水系统演化规律及煤层开采对地下水流场的影响,制定了白云乌素煤矿的排水系统改造布置方案,完成了白云乌素煤矿排水系统改造施工设计,评价了排水系统排水能力并制定了相关防治水措施。

电磁法勘探对横沟井田S1煤层顶板的富水导水性预测研究

吴堡矿区横沟井田煤层有埋藏较深,采高大,水文地质条件复杂等特点。同时,横沟井田先期开采地段山西组S1号主采煤层受顶板除岩性影响,存在顶板砂岩含水层富水性整体不强、隔水层分布不稳定、局部缺失、S煤组底板下伏岩溶水和奥灰水补给情况不明等地质问题。为防止在构造导通时将会发生严重突水事故,通过电磁法勘探查明勘探区二叠系山西组S1煤上部K4砂岩裂隙含水层的富含水性。通过地质勘探查明勘探区二叠系山西组S1煤上部K4砂岩裂隙含水层的富含水性和DF9正断层富导水性,研究表明,K4砂岩裂隙含水层的富水异常区较少,分布较零散,在向斜轴和断层附近分布相对集中,DF9正断层具有富水导水性。

黄陵煤矿水文地质特征及水害防治措施

针对黄陵二号煤矿涌水量较大等问题,基于矿井水文地质条件及煤层赋存特征,明确各组的含(隔)水层特征,开展了地面钻探对导水裂隙带高度进行实测,采用地下水动力学的“大井法”和“水文地质比拟法”对最大涌水量进行计算。结果表明,2号煤层导水裂隙带高度为25.84~92.48 m。正常矿坑涌水量122.03 m^(3)/h,最大矿坑涌水量为170.84 m^(3)/h,与黄陵二号煤矿实测平均涌水量为124.77 m^(3)/h较为吻合。提出了黄陵煤矿水害综合防控措施,具体为加强主动探水、提前疏水、构建科学的堵水排水系统、完善水害预防责任制度,此措施对同类型的矿井具有借鉴意义。

鑫臻煤矿15104工作面水害隐患治理

矿井水害是制约煤矿安全高效生产的主要地质灾害,对其进行准确超前探测和疏放具有重要的工程意义。针对鑫臻煤矿15104工作面顶板含水层及上覆采空区积水的问题,采用瞬变电磁及槽波方法对疏水前后进行物探,查明工作面顶板富水异常区及内部地质构造,对物探异常区及采空区积水、含水层进行了验证及探放。结果表明,疏放水前共发现7处低阻异常区,异常区主要为上覆采空区局部积水、相对积水及顶板含水层相对富水所致;探放水钻孔涌水量变化情况表明鑫臻煤矿已疏放完工作面开采影响范围内的采空区积水,探明了工作面开采影响范围内直接充水含水层侧向动态水补给水量,为工作面涌水量预计及相似矿区的疏排水提供了依据;疏水后共发现3处低阻异常区,综合分析推断异常区主要为上覆基岩裂隙含水层局部相对富水所致,本次探放水钻孔揭露砂岩含水层侧向动态补给量及静储量均较小,对工作面防治水安全不构成影响。

浅谈煤矿地测防治水工作及其优化

随着国民经济的不断发展,国家对能源的需求越来越大,煤炭资源作为国家发展重要的能源,其产量需求也就越来越大。因此,地测防治水工作作为煤矿开采的先决工作,其是否能够正常进行,直接影响到煤矿的安全高效开采。但是在实际的煤矿开采中,煤矿地测防治水方面仍存在很多问题,如技术水平较低、人员素质不高以及设备落后等问题,严重影响了煤矿的安全开采。基于此,本文针对目前煤矿地测防治水方面存在的问题进行分析,并提出相应的优化措施,提高煤矿地测防水管理水平,希望促进防治水各项管理体系的不断完善,保障矿井防治水工作的科学化、信息化和有效化。

氮封注浆加固技术在太原西山镇城底矿水害防治中的应用研究

为解决镇城底矿8号煤层28620运输顺槽400 m处发生的强涌水问题,采用理论分析和现场钻孔窥视的方法,对涌水源进行了分析和确定。针对涌水通道特点,采用先对涌水通道进行氮封,再注浆封孔的水害治理方案,并进行了现场实践。结果表明,在氮封注浆封孔新技术的作用下,巷道的涌水量得到了有效控制,氮封注浆封孔方案设计合理,可有效治理巷道水害问题,确保了28620运输顺槽的顺利掘进和施工人员的安全。

奥灰岩渗透特性与断层注浆扩散规律实验研究

传统断层注浆技术中将断层构造简化为单一裂隙模型,导致理论结果与现场施工数据存在较大差异性。针对此问题,以奥灰岩层为背景,采用UDEC软件分析了不同裂隙宽度、水灰比、注浆压力条件下的浆液渗透特性。比较了单一裂隙模型、单一裂隙与断层正交模型的注浆扩散规律,并根据现场注浆压力数据进行阐释验证。结果表明:裂隙宽度与水灰比的增加对于浆液扩散范围的影响分别呈现出指数型与对数型增长的特征。浆液的扩散规律在不同的断层条件下存在3种类型,当断层为单一窄裂隙结构时,表现为急剧增压型;当断层为大尺寸裂隙结构时,表现为缓慢增压型;当断层为连通性较差的多个裂隙的组合结构时,表现为波动增压型。

晋华宫煤矿在煤矿地质防治水中的技术研究

工作面顶板突水和水资源短缺是我国山西地区矿区面临的两大难题,采用现场实测、相似模拟和理论分析相结合的方法,构建了试验矿井上行和下行开采的物理模型,分析了不同开采顺序下顶板突水的动态演化规律和突水机理。结果表明,晋华宫煤矿下向开采后,11号煤层导水裂隙最大发育高度为43.1 m,裂隙采动比为14.4。在采动裂隙与顶板含水层的连接处形成突水通道,煤层的安全开采受到采空区突水的威胁。因此,通过比值检验和“三带”判别方法确定了上行开采的可行性,并对比了上行开采和下倾开采时的突水通道演化,提出采用上行开采控制顶板突水,该研究为晋华宫煤矿顶板突水灾害的防治提供了依据。

采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制

随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征,系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。研究结果表明:①随着工作面不断推进,底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通,形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径,并随着冲蚀时间增加,最终发展成为数条优势导水通道,造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。②随着渗流时间增加,断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定3个阶段,冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。③在研究矿区地质条件下,为预防发生断层突水,可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法,超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前,若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。

特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。

陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术

陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总结区域水文地质结构特征,界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布,论述典型水灾的形成机理及特征,并提出了相应的防控技术。研究表明:(1)陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区,陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害,局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。(2)陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成,导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水,部分区域充水强度较大,在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾,在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害,导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾,当含水层下部隔水层厚度较大时,可能形成离层溃水灾害,当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时,会引发极为严重的底板突水灾害,该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。(3)各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等,底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。

基于RSM的超细水泥注浆材料配比及性能优化模型

注浆堵水技术已成为水害措施防范向工程治理不可缺少的技术之一,超细材料的研究也成为了目前注浆材料发展的新方向。为了解决矿井水害注浆治理工程中注浆材料优选和配比优化问题,采用单因素试验与响应曲面法(RSM)相结合的方法进行超细水泥注浆材料优化配比研究。首先通过单因素试验对不同水灰比、硅灰(SF)掺量及高效聚羧酸减水剂(PCS)掺量条件下浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度进行分析,以确定RSM最佳基准水平,其次构建以浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度为响应目标的二次多项式预测模型,结合方差、残差及响应曲面分析各响应变量对响应目标的影响规律,确定注浆材料最优配比。通过单因素试验结果对比分析,发现最优水灰比、SF掺量及PCS掺量分别为1∶1、35%及0.3%。通过RSM研究发现,浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度不仅受单一因素影响,且存在多因素交互作用。根据建立的二次多项式响应面回归预测模型可知,当水灰比、SF掺量及PCS掺量分别为0.7∶1、38%及0.2%时,注浆材料性能最优,其回归模拟预测浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度分别为210.82 mPa·s、1.0%及12.22 MPa。通过室内试验,其结果与预测模型结果吻合度较高,进一步验证了模型的可靠性,证明了该模型能够用于注浆材料优化配比设计研究。

流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩注浆加固特性试验研究

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样开展室试验,观察了灰岩的细观特征,获取了流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩的力学特性及注浆加固特性,通过理论分析得到了灰岩随预制裂隙长度变化时,起裂强度的变化规律,分析了注浆加固机理。结果表明:注浆后岩石的强度、韧性得到明显改善,注浆前的灰岩有明显的脆性特征,注浆后灰岩的脆性降低延性增强;注浆加固体的破坏程度随着裂隙长度的增加越来越剧烈,当裂隙长度较大时伴随有水平方向的裂隙发育;注浆加固体的峰前渗透率的降低程度较小,峰后渗透率有明显的降低,灰岩渗透率最大阶段产生在峰后阶段、而渗透率最小的阶段发生在应力–应变曲线的线弹性阶段,并且裂隙长度越长越容易出现渗透率双峰现象。使用连续介质力学理论推导得到了注浆加固体起裂强度和断裂韧度的计算式,理论证明了注浆加固体的强度大于原岩试样;岩石弹性模量与注浆形成的结合体的弹性模量的差异越大,注浆对岩石强度的影响越弱。

基于模糊综合评价的导水通道超前探查判识技术

华北型煤田地质条件复杂,煤层底板受构造切割形成大量导水通道,其探查判识一直是水害防治中的重点和难点。以多分支定向长钻孔超前探查为基础,构建了基于流程分析与模糊综合评价相结合的导水通道判识技术。首先在超前探查过程中,选取钻时录井、钻井液消耗量、γ录井、岩屑录井、压水试验、可注性6个评判指标,将施工过程分为16种工况,依此建立综合分析流程图,对样点是否导水进行定性判识;其次采用钻速、钻井液消耗量、γ值、非灰岩占比、单位压注量和注浆量对6个指标进行量化分级,利用超标加权法确定指标权重,基于模糊理论和最大隶属度原则对样点是否导水进行三级定量判识;最后利用该技术对赵固一矿15031工作面13个点位进行综合流程分析和模糊综合评价,其中10个点位导水可能性高,3个点位导水可能性低;在此基础上,结合工程实际成功标定了3条导水通道的具体位置。该技术构建了导水通道的判识指标体系,并对其进行量化分级与综合评估,提高了煤层底板导水通道的判识度。

相空间重构后矿井涌水量序列地质学含义及其应用研究

目的为了确定相空间重构矿井涌水量序列的地质学含义并提高涌水量预测精度,方法以王行庄矿为例,在涌水量序列相空间重构后,对重构后相空间列向量与涌水量主控因素进行相关性分析,并在此基础上建立混沌理论与人工神经网络耦合(Chaos-ENN)的涌水量预测模型。结果结果表明:相空间的嵌入维数等于矿井涌水量主控因素个数;相空间的第1,2,4,5,6列向量分别与C_(2)tL_(7-8)含水层水位埋深、O_(2)m+Є_(3)ch含水层水位埋深、采空区面积、C_(2)tL_(1-4)含水层水位埋深、开拓长度具有较高的相关性,第3列与不易量化的其他综合因素有关;构建的Chaos-ENN涌水量预测模型在王兴庄矿的预测精度达到97.91%。结论涌水量序列重构后相空间的列向量具有明确的地质学含义。利用混沌理论可以量化涌水量预测模型中ENN输入层的个数及取值,所以仅需涌水量序列值就可以建立矿井涌水量预测的Chaos-ENN模型,该模型解决了涌水量预测中存在的主控因素难以确定和不易量化的难题,且预测精度高,具有较高的推广价值。

基于相似模拟试验的顶板导水裂隙带高度及发育形态研究

目的 为研究采动影响下顶板导水裂隙带高度及其发育形态,方法 以司马煤矿三采区1303工作面为研究对象,开展相似模拟试验,并以此为基础,对顶板的岩性组合加以改变,结合数字照相量测系统对不同岩性组合顶板导裂带高度和发育形态进行分析,并进行理论验证。结果 结果表明:(1)工作面推进长度为160 m时,硬岩岩性顶板模型、硬-软岩岩性组合顶板模型以及软岩岩性顶板模型的导水裂隙带最大发育高度分别为69.6,55.6,61.1 m;(2)3种模型的导水裂隙带发育形态分别为底角50°的正梯形、前底角62°后底角60°的近似正梯形、前底角50°后底角60°的梯形;(3)根据模型试验和数据统计结果,给出适用于长治二岗山断褶带以南井田导水裂隙带发育高度预测式;(4)运用材料力学方法分析垮落角形成规律,垮落角与导水裂隙带发育高度呈反正切函数关系,并计算得到3种模型导水裂隙带前底角发育角度,分别为49.24°,61.21°和51.12°。通过导高计算公式得到3种模型导水裂隙带发育高度分别为74.1,51.1,59 m,均与相似模拟试验结果吻合。结论 研究结果对各类岩性顶板煤矿导水裂隙带发育高度预测具有参考意义。