矿井离层水致灾机理及防治技术研究进展

针对矿井离层水研究过程中遇到的突水征兆不明显、瞬时水量大、滞后性、周期性突水等问题,从覆岩移动离层水的形成、致灾机理、防治技术、监测预警等方面总结了离层水的研究进展。首先,离层水害是采动影响下采场覆岩运动和地下水运移的耦合结果,通过挖掘突水事故的表现、覆岩结构及运动特征、地下水运移规律及相关研究现状,总结得到离层水形成基本条件和发育的基本规律,分析了突水引发溃泥溃砂、瓦斯涌出、切顶压架等次生灾害的机制。其次,离层垂向和水平位置预测是离层水害防治的关键,在此基础上,介绍了地面直通式泄水孔、离层注浆充填、井下截流孔、井下导流孔和地面抽排水孔5种离层水的防治方法,并结合工程实际,分析了其特点和问题。最后,利用岩层的岩性组合及地质条件评价离层突水危险性,同时结合回采过程中的多物理场监测数据实现了离层水害的预警,并提出了离层水研究过程中亟待解决的问题。

园子沟煤矿顶板离层突水机制及地面井下联合防治技术

园子沟煤矿隶属黄陇侏罗系煤田永陇矿区,地处鄂尔多斯盆地中南部,主要水害类型为离层突水。采用钻孔冲洗液漏失量和钻孔电视观测方法,通过设计采前和采后对比钻孔,确定了2号煤层综放开采工作面裂采比;为了确保1012102工作面的安全回采,根据采动覆岩破坏实测成果和岩层地质结构特征,基于关键层理论和薄板理论,评价离层发育层位、离层突水及溃泥溃砂的危险性;针对该类离层突水具有滞后性、周期性且伴随溃砂、顶板来压等次生灾害的特点,提出了基于地面直通式泄水孔和井下疏放水孔联合的离层水治理技术。研究结果表明:该地质和采矿条件下裂采比为23.68,在洛河组、宜君组及安定组均具备形成离层的条件,且离层空腔体积大,矿井主要受顶板离层水害的威胁,一旦发生突水将会携带泥沙;通过以地面泄水孔为主,井下泄水孔为辅,结合地面泄水孔风流、水位数据观测及回采过程中地面电法补充探测,实现了对覆岩离层水进行全方位监测,形成了离层水的预控技术体系,保证了矿井的安全回采。

钻孔瞬变电磁法超前探测物理模拟试验研究

钻孔瞬变电磁法采用小型收发线圈在超前探水钻孔中发射脉冲一次场间歇观测感应“二次场”并对其进行数据处理解译,以达到探测钻孔周围含水异常体的目的。基于瞬变电磁基础理论及相似准则搭建了水槽物理模拟试验平台,采用物理模拟试验的方法分析了共轴装置钻孔轴向及径向不同距离异常体、共轴装置钻孔轴向不同角度板状异常体、共面装置钻孔径向多点探测异常体的响应特征,结果表明:当存在异常体时感应电动势升高,异常体距离越近,感应电动势越强,异常特征越明显。板状异常体在早、中期感应电动势升高,柱状、块状异常体全程均出现感应电动势升高现象。板状异常体倾角越小,感应电动势升高越明显,异常特征越明显。共面装置钻孔径向多点探测视电阻率成像结果中异常体的轮廓特征反映明显,物理模拟试验结果充分验证了方法的有效性。

晋城矿区矿井瞬变电磁超前探测特征研究

通过对晋城矿区各个煤矿现有的超前探测成果进行分析,结合晋城矿区的地质情况及相应探测试验,总结了晋城矿区矿井瞬变电磁在巷道超前探测中的特点,分析了不同地质条件及不同干扰因素下矿井瞬变电磁法的数据及成果特征。结果表明:晋城矿区同区域煤层最大视电阻率值比岩层最大视电阻率值高约200Ω·m;大型断层构造区的视电阻率值不仅和断层导水性有关,还受断层构造区岩体破碎程度的影响;向斜轴部区域的煤岩整体性会随着巷道的掘进发生破坏,从而导致视电阻率值的剧烈变化。该研究为晋城矿区巷道超前掘进探测积累了经验,有助于技术人员提高矿井瞬变电磁法成果解译准确率。

工作面内地质异常无线电磁波透视规律研究

为了掌握煤(岩)层及地质异常体对电磁波透视的影响规律,采用三维数值模拟方法,研究全空间条件下环形天线发射电磁波在煤(岩)层中传播时,遇到不同地质异常体(断层、陷落柱)时的传播特征。结果表明:异常体充填空气较多时,电磁波损耗小,磁场强度等值线外凸;若异常体充填水较多时,电磁波能量损耗较大,曲线内凹;充填其他介质时,电磁波损耗介于两者之间,可通过实测场强曲线、等值线变化,判断异常区电性特征。异常体形态和规模不同,磁场强度分布也不相同;异常区为圆形或似圆形时,磁场强度在异常体内产生畸变,远离异常体后逐渐恢复正常分布,识别较为困难;故异常体直径越小,离接收点越远,识别越困难;当异常区为条状断层分布时,断层走向与巷道交角越小,受影响的测点较多,识别较容易;若断层走向与巷道交角变大,受影响的测点变少,则识别较困难,据此可大致判断断层走向。正常情况下,场强曲线呈左右对称的抛物线形态,中间大、两侧递减;异常体所处位置、形态及充填物质不同,曲线形态亦不相同;当异常体规模较大时,曲线呈对称或不对称的“M”形。因此,在数据处理初期,由于场强曲线获取较快,可以通过识别曲线形态初步定性判别异常体的某些特性,但无法准确定位射线上不同区段的异常特征,可进一步结合层析成像分析,得到正确合理的认识。

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正常区隔水保护层厚度小于30 m,受背斜构造影响区隔水保护层厚度小于60 m。弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制及工程判据对西部矿区水害防治提供了借鉴。

基于SIRT算法的坑透纵向分辨率提升数据处理方法

无线电波透视法作为煤矿工作面隐伏构造最常用且有效的探测方法之一,在保障煤矿安全开采中起到了重要的作用。目前,无线电波透视法存在横向分辨率较高,纵向分辨率不足的问题,对于异常构造在纵向分布的具体位置无法有效判断。与代数重建算法(ART)相比,同步迭代重建算法(SIRT)在反演过程中,对于每个网格慢度值的修正都是基于经过该网格的所有射线对其修正值的平均值进行的,考虑到了每条电磁波穿透工作面时,电磁波不同时间段在工作面内部的传播情况以及变化情况,从而提高了坑透法纵向分辨率。以寺河矿某工作面的坑透数据为例,对采集到的原始坑透数据进行筛选与校正后,利用SIRT算法反演实现工作面构造精确成像。证明了基于SIRT算法的坑透数据处理方法电磁波能量收敛效果更好,坑透探测的纵向分辨率得到了极大提升。

近距离煤层开采风化岩体载荷传递效应及失稳特征研究

以库拜煤田近距离煤层开采突水工作面为例,通过岩石力学声发射测试,获得了风化岩石加载变形破坏过程中裂隙扩展演化和声发射特征。建立力学模型分析了近距离煤层开采岩体破断特征及风化岩体的载荷传递效应,并通过数值模拟验证了风化岩体对下部岩层破坏的影响。采用三轴加卸载声发射实验模拟研究重复采动条件下岩石裂隙扩展演化特征,并结合现场观测统计分析了采动裂隙发育特征及风化岩体对采动裂隙发育规律的影响。基于三轴渗流特性测试,研究了水压作用下风化岩石裂隙渗流规律。研究结果表明:风化岩石声发射特征累计统计值呈连续光滑增大,但声发射能量、事件均较弱,受埋深浅、围岩应力小的影响,采动易引起裂隙扩展形成导水通道。风化带使上部岩体载荷传递增大,促进下部岩层的损伤及主关键层的破坏,近距离煤层开采顶板硬岩发生复合破断后,应力-渗流耦合作用岩体裂隙进一步扩展,产生发育的地表地裂缝。近距离煤层开采岩体发生重复扰动破坏,采动裂隙产生叠加破坏,风化带成为上下部裂隙的连接纽带,使导水裂隙带高度增大。风化岩石原始渗透率较大,发生塑性变形至裂隙贯通破坏后渗透率增大2~3倍,水压作用促进风化岩石裂隙扩展,发生强度劣化效应,成为良好的导水通道,导致松散层水和地表水涌入工作面,发生突水事故。