厚松散薄基岩区开采突水溃沙危险性分析

随着榆神府矿区浅埋煤层开采强度的逐步加大,矿井突水溃沙事故时有发生。突水溃沙灾害的发生往往具有突发性、灾难性的特点,对于突水溃沙的预测预判是防止灾害发生的关键。针对该区域存在的厚松散沙层、薄基岩开采的地质背景,以神东矿区某煤矿为例,在综合考虑突水溃沙内在机理的基础上,从形成突水溃沙灾害必须具备的4个要素出发,对某煤矿东部区开采突水溃沙危险性进行分析。结果表明,该区域存在突水溃沙的可能性,为矿井下一步防治水沙溃涌工作提供依据,以保证矿井安全。

西部典型矿区风积沙含水层突水溃沙的起动条件与运移特征

突水溃沙是西部矿井地质灾害的主要类型之一,为研究突水溃沙灾害的临界判据与水沙运移特征,以榆横矿区含水层风积沙为例,采用自主研发的水沙两相高速渗流试验设备,对4种不同粒径范围的风积沙进行了沙粒起动试验和溃沙试验,对混合风积沙进行了水沙两相高速渗流试验。得到了影响突水溃沙的2个临界速度条件:第一临界速度即沙粒起动速度,为0.38~1.26 mm/s;第二临界速度即溃沙临界速度,为2.48~3.54 mm/s。试验结果表明:体积膨胀是沙粒群起动的必要条件,突水溃沙灾害是起动的风积沙由量变逐步积累到质变的物理过程,分为3个阶段:(1)水携沙流动,(2)水沙混合流动,(3)沙携水流动。沙粒起动是水动能转变为沙动能的过程,溃沙时水沙混合流体运动表现为颗粒群浓度波传播的特征,沙粒间通过碰撞的形式传递能量。溃沙速率随初始水力梯度的增大呈指数增长,单位时间内溃沙量随水力梯度的增大而呈线性增加。

西部矿区突水溃沙类型及机理研究

突水溃沙灾害是西部浅埋煤层开采常见问题之一,对矿井安全生产和当地脆弱的生态环境都有着极其不利的影响。在分析西部矿区突水溃沙主要类型的基础上,通过自主研制多孔介质水沙两相渗流试验系统,从多孔介质孔隙度、破碎岩石粒径、沙粒粒径3个方面对突水溃沙的机理进行了研究。结果表明:西部矿区突水溃沙主要类型可以分为切落裂缝型、冒落型、钻孔诱发型3类;孔隙度对发生突水溃沙灾害的影响与破碎岩石粒径有着密切关系,随着破碎岩石粒径增大,孔隙度改变对压力梯度和沙粒流失量的影响程度将降低。沙粒流失量随孔隙度的降低而减少,低孔隙度含水层发生溃沙的可能性将大大降低;同一孔隙度和沙粒粒径条件下,含水层砾石颗粒越小,发生突水溃沙灾害所需的压力梯度就越大,沙粒流失量也越小,越不容易发生突水溃沙灾害;同一孔隙度条件下,0.074~0.25 mm的细砂较之0.25~0.83 mm的中砂或者粗沙更易发生突水溃沙灾害,其所需的启动压力也较小,随着破碎岩石粒径增大,其沙粒流失量呈非线性显著增加。

厚松散含水层煤层开采突水溃沙防治技术

为了有效解决神东矿区薄基岩厚松散含水层煤层开采突水溃沙难题,以哈拉沟煤矿22206工作面为例,分析工作面开采所面临的水害情况,针对地面施工注浆工程存在受地表条件限制大、施工干扰多、工程费用高及对地表生态环境破坏的实际问题,提出了井下疏放水与注浆加固相结合的治理方法,并在此基础上形成了"疏注结合、先疏后注、边治边探、先治后采"的突水溃沙防治技术路线,在哈拉沟煤矿应用结果表明:井下疏水注浆技术实施之后工作面少数支架间有淋水滴沙现象,采空区涌水中携带有少量泥沙,对工作面正常回采无影响,其余地段均未出现流沙现象,该技术达到了最优的治理效果。

突水溃沙通道分区及发育高度研究

根据浅埋煤层不同基岩厚度所面临的突水溃沙灾害威胁程度差异,须对不同溃沙通道类型进行科学划分,并提出突水溃沙灾害配套的专有名词,为制定针对性的灾害防治措施提供可靠的理论依据。鉴于导水裂缝带是从顶板水害防治角度提出的概念,对于新时期条件下的水砂溃涌灾害问题已经无法适用,因此必须寻求一种基于水砂溃涌灾害防治要求的新概念,通过对其发育规律及高度的研究,为揭示顶板突水溃沙机理奠定基础。据此,通过相似模拟分析了浅埋煤层覆岩破坏特征,将浅埋煤层开采后的覆岩发育形态自上而下划分为网络性裂缝带和冒落性裂缝带,自外向内划分为贯通性裂缝区和方向性裂缝区,即竖"两带"、横"两区",并从防治突水溃沙灾害角度出发,提出了导水沙裂缝带的概念;同时依据物理模拟实验结果建立了"导水沙拱"力学模型,运用结构力学、岩体力学和散体力学对导水沙裂缝带高度进行了理论推导,在得出4个解后,将涉及到的各参数取值区间代入到4个解中,最终确定导水沙裂缝带高度计算公式并,该成果为突水溃沙灾害防治体系提供了一定的理论依据,有效指导该类灾害的防治工作。

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。

浅埋煤层矿井突水溃沙灾害研究进展

我国西部煤矿区生态环境脆弱,近松散层浅埋煤层开采时常会遇到突水溃沙灾害的威胁,经过多年研究和发展,在基础研究、工程实践等领域取得了大量成果。就目前的研究而言,突水溃沙研究集中在机理、预测、防治等3个方面,突水溃沙机理的研究主要采取建立沙粒力学结构模型、试验及水动力学等方法;突水溃沙预测主要采用地质条件对比、水力坡度判断及多因素综合分析等方法;突水溃沙的防治以降低采前地下水位为核心,采取不同的工程措施以减轻突水溃沙风险。在在总结相关研究成果的基础上,以保水采煤为宗旨,指出了突水溃沙领域研究的方向。

厚松散沙层下富水顶板采煤突水溃沙危险性分区

为有效解决厚松散沙层下富水顶板采煤突水溃沙难题,以神东矿区某矿为例,通过理论和实测2种手段,对垮落带和断裂带(简称"两带")高度传统经验公式进行修正,得出适合本区的"两带"高度计算公式。从防治水沙溃涌角度,引入导水沙裂缝带概念,得出适合本区的导水沙裂缝带高度计算公式。根据总结出的突水溃沙危险性分区判据,在对研究区基岩展布规律、主要含水层富水性分区和冒裂安全性分区复合叠加的基础上,形成突水溃沙危险性分区预测方法。

基于渗流失稳的突水溃沙进展分析

阐述了突水溃沙的重要性及意义,对于突水溃沙的研究现状进行总结,并分别从突水溃沙、水沙流动及渗流失稳的角度去揭示突水溃沙机理的现状,并进一步提出揭示突水溃沙机理研究方向。

浅埋煤层工作面突水溃沙风险评价及防治技术研究

在突水溃沙灾害发生条件分析的基础上,选取了饱水沙层厚度、有效隔水层厚度以及采厚作为突水溃沙风险评价关键指标,采用AHP法确定了各指标权重,提出基于ArcGIS平台融合的突水溃沙风险评价模型,确定了突水溃沙风险评价4级分区。以神东矿区哈拉沟煤矿22206工作面为例,进行了突水溃沙风险分区,结果显示,突水溃沙高风险区位于三元沟过沟地段,并提出工作面突水溃沙防治思路及关键技术。

照金煤矿突水溃沙事故救援遇到的困难和应对策略

叙述了照金煤矿重大突水溃沙事故救援过程。通过对事故致灾原因的分析判断、救灾方案的逐步形成和落实,总结了救援方案实施过程中遇到的问题和采取的应对措施,确保未发生次生灾害和人员受伤。

隆德煤矿213工作面导裂带发育高度及突水溃沙危险性分析

突水溃沙严重威胁着榆神府矿区的煤炭高效安全生产。利用经验公式、相邻工作面实测对比和数值模拟等对隆德煤矿213工作面开展了回采后顶板导裂带发育高度预测,分析了213工作面的突水溃沙危险性。研究结果表明,213工作面的经验公式和相邻采裂比导水裂隙带发育高度预测结果分别为66.4~90.3 m和67.0~91.2 m;213工作面导裂带发育高度的数值模拟结果为86.5 m;隆德煤矿213工作面导裂带和风积沙层之间存在超过30 m的隔水层,无突水溃沙危险性。

浅埋中厚煤层土层缺失区突水溃沙防控技术

为探究浅埋中厚煤层富水区突水溃沙机理,制定合理的防范措施,现以锦界煤矿31215综采工作面运输巷33~36联巷土层缺失区为研究对象,该区域受风化基岩和松散沙层双层含水层威胁,采用理论分析、现场实践、数值模拟等方法对预防突水溃沙相应的可行性措施进行研究与验证。研究发现:(1)为防止泥沙涌入工作面,必须将顶板水位降至松散沙层标高以下,当工作面推进至距疏放水钻孔80 m时,受采动影响,覆岩中部分孔裂隙闭合,探测到的孔隙水压有上升趋势,因此,在进行安全性评价时以受采动影响前的水压水位进行判别;(2)工作面推进速度越慢,周期来压步距越短,越容易使顶板缓慢下沉破坏,拉开裂隙,让含水层水通过裂隙逐渐释放,让水沙分离;(3)结合现场地质条件和设备参数,适当降低采高可降低垮落带和裂隙带发育高度,并可有效控制架前漏矸,防止周期来压时水沙从架前涌入工作面;(4)过“天窗”区域时,工作面按照2倍最大涌水量设防的基础上,需增加两端头和工作面低洼区域排沙能力,另外,两巷及时进行架前退锚和使用自制的端头架旁破顶装置破坏顶煤和直接顶完整性,防止大面积悬顶突然垮落造成水沙大量涌入工作面,若发现有泥沙涌入时,必须封堵工作面水沙溃涌通道。此次实践可为相似浅埋工作面过“天窗”区域提供技术借鉴。

钻孔导致突水溃沙事故机理及防治对策研究

以隆德煤矿为例,基于颗粒流和液体流2种流体力学理论,提出了预测突水溃沙流量的溃沙漏斗和突水口2种模型,探讨了地质钻孔导致隆德煤矿突水溃沙事故的形成机理和防治对策。主要研究结果包括:1)相比于溃沙漏斗模型,突水口模型预测的突水溃沙流量与现场推测数据更为接近,可以较好地揭示隆德煤矿地质钻孔导致的突水溃沙现象;其中,决定突水溃沙事故流量大小的2个关键因素为含水沙层的厚度和钻孔直径;2)建立了地表动态沉陷模型,地表溃沙漏斗中心点沉降值及影响半径均随时间的增长而增加,但加速度逐渐减小;3)提出了"采掘工程设计前,排查钻孔并封堵"的预防对策,以及"管道流变裂隙流,裂隙流变空隙流,最后注浆封堵"的治理对策。

浅埋煤层突水溃沙形成机理及防控体系研究

针对陕北侏罗纪煤田,浅埋薄基岩松散富水区域工作面突水溃沙问题。通过基础研究、理论分析及现场工业性试验等科技攻关,形成了一套满足浅埋深、薄基岩、富含潜水的厚松散沙层突水溃沙灾害防控体系:①将导水裂缝带从竖向上分为冒落性裂缝带、网络性裂缝带,横向上分为贯穿性裂缝区和方向性裂缝区。并建立导水沙力学拱模型,对导水沙裂缝带高度进行了理论求解;②根据覆岩不同垮落阶段,顶板水涌出特征和水量组成,提出了“动、静态水结合法”预测方法,实现对工作面不同推进地段涌水量预测;③建立了风积沙条件下的溃沙灾害判别公式,提出“条件探查、基本因素确定、突水防控、溃沙防控”这4项控制法灾害防控体系,基于相似材料模拟试验,研究了高压浆液在含水沙体中运移及固结规律,形成了复合式注浆工艺;④提出防水沙煤柱“横三区”理论,将断层煤柱从隔水功能上划分为矿压影响区、有效隔水区和断层区,据此建立了力学模型并推导出计算公式。

中国西部矿区厚松散层的溃沙临界流速与水沙流动特征

以陕北榆横矿区为例,研制全程可视化水沙两相高速流动试验装置,开展颗粒起动试验、溃沙试验和水沙两相流动试验.试验结果表明:细颗粒的流失是溃沙的先决条件,为粗颗粒的运移创造膨胀空间. 0. 3～0. 6 mm风积沙颗粒之间主要以碰撞的形式传递能量,而0. 15～0. 3 mm的风积沙颗粒之间的相互摩擦和挤压作用占优,相比于碰撞作用能量损失较少,相同时间内出沙量随着颗粒粒径的增大呈递减趋势.随着轴向应力的不断增大,风积沙所需要的溃沙临界流速也越来越大.当风积沙粒径d <0. 6 mm时,溃沙时渗流状态为线性层流,临界流速为0. 03～0. 4 cm/s.单位时间内溃沙量与水力梯度成正比,表明含水层水压力是决定溃沙灾害程度的关键因素.

基于隔水土层失稳模型的顶板突水致灾预测研究

为了分析隔水土层在应力场与渗流场共同作用下的失稳规律,采用有效应力原理及椭圆弧拟合下沉曲线对隔水土层稳定性进行了理论分析,求得判别公式;基于平面固液耦合试验平台,采用高精度水量监测和红外成像监测技术,进行浅埋煤层顶板突水致灾演化试验,对理论判别结果进行验证,同时揭示了开采扰动及渗流作用下隔水土层的两种破坏失稳规律。研究表明:在薄基岩情况下,隔水土层失稳与开采参数存在密切联系,导致顶板突水事故发生在两个开采时期,即工作面开切眼时期和工作面经过数次周期来压时期。前者土采比(Tc)较小,隔水土层发生"铆钉式剪切破坏";后者土采比(Tc)较大,隔水土层发生"椭圆弧拉伸破坏"。两种破坏形式的揭示可为进一步研究浅埋煤层顶板突水预测提供参考。

基于格子Boltzmann理论的弱胶结裂隙岩体水沙两相流特性

通过格子Boltzmann方法对裂隙岩体水沙两相流动规律进行理论分析,建立裂隙岩体水沙两相流动的格子Boltzmann模型,推导了水沙两相的基本守恒方程并建立了水沙两相流动系统的控制方程,基于浸入边界法,利用欧拉点和拉格朗日点处理水沙两相界面。通过数值模拟裂隙溃沙情况,分析了沙粒进入裂隙前后的流动形态,研究了颗粒粒径和裂隙宽度对溃沙速度的影响。借助单裂隙下的研究结果,建立上覆厚松散沙层矿井开采模型,分析裂隙发育下突水溃沙情况,发现在初始阶段,沙粒的溃入会堵塞裂隙,抑制裂隙的发育;随着水压的持续施加,大量水沙混合物开始涌入裂隙,岩体孔隙压力增大,导致裂隙迅速发育扩展,甚至会造成顶板垮落,加剧突水溃沙灾害。

破碎岩体水沙两相渗透特性研究进展

为了研究西部矿区浅埋煤层采动破碎岩体诱发的突水溃沙灾害机理,根据两相流相关理论,分析了破碎岩体水沙两相渗流的特征及适用理论模型,提出了破碎岩体水沙两相渗流主要渗透特性参量,研究了破碎岩体水沙两相渗透特性参数的提取方法及不同粒径破碎岩体渗透特性参数变化规律。研究结果表明:(1)破碎岩体水沙两相渗流为典型的非Darcy渗流、非Newton流体,适宜采用双流体连续介质模型;(2)破碎岩体水沙两相渗流特性主要参数为流度、非Darcy流β因子和加速度系数;(3)在沙相压力梯度构造时间序列和渗流速度时间序列基础上,结合数值分析等方法可以有效提取水沙两相渗透特性参数;(4)随着破碎岩体粒径增大,水沙两相非Darcy流β因子和加速度系数随之减小,流度随之增加。

软弱薄基岩裂隙发育特征及抑突(溃)机理

为探究西部地区软弱薄基岩覆盖下的厚煤层在开采时覆岩破坏的裂隙发育规律,以及该区在开采后突水溃沙的规律、机理等,在分析软弱薄基岩厚煤层开采覆岩裂隙发育规律的基础上,结合实际生产经验,对伊犁煤田突水溃沙抑制机理进行了研究。结果表明:工作面推采方向超前80~85m出现弧形地面张性斑裂,主斑裂纹与次斑裂纹的间距分别为10m和2m左右;导水裂隙带在软弱薄基岩下厚煤层开采时发育高度变化差异较小;伊犁煤田开采时涌水量小于30m^3/h,突水溃沙情况受到了抑制,主要由于顶板岩性软弱,无法形成较大的岩块、空隙、空洞,随采随冒且采动裂隙被迅速压实、上覆地层含水层十分松散,裂隙进入之后不能再继续发展、在低水压时涌出物填充裂隙等原因。该研究成果对西部软弱薄基岩厚煤层开采顶板水害防治,以及地表生态环境保护具有意义。