深部矿山高承压应急防水闸门设计计算与数值模拟研究——以滇东北毛坪铅锌矿为例

应急防水闸门及其配套工程在水害发生时,能够在短时间内有效控制水害的影响范围和程度,保障机械设备和人员安全。随着矿山开采深度的逐年增加,应急防水闸门及闸门硐室所需要承受的水压也在不断增加,地质条件更加复杂,施工环境也更加恶劣。本文以滇东北大水矿山毛坪铅锌矿为例,在系统评价其310 m中段局部注浆改造前后突水风险的基础上,分析了深部高承压应急防水闸门设计和建造过程中的多项关键技术问题,主要包括防水闸门设计承压值计算、硐室选址、结构类型、关键结构参数、开挖围岩扰动、围岩与结构的水压响应、闸门选型与远程控制系统等。设计计算结果表明,毛坪铅锌矿310 m中段应采用倒截锥形硐室结构,对开型防水闸门,设计承压6.4 MPa。数值模拟结果表明,防水闸门硐室开挖及浇筑后,竖直和水平方向的压应力和拉应力均增大,围岩塑性破坏的范围约为0.38 m,第1个倒截锥形塞的迎水侧承担了超过80%的总水压。最后,探讨了深部高承压应急防水闸门系统的发展趋势,包括防水闸门及硐室结构长期服役的稳定性监测与评价、深部复杂地质条件下的设计与建造技术、配套智能化的水害信息辨识与预警平台等。研究结果可以为深部矿山设计和建造应急防水闸门系统提供参考和借鉴。

金属矿山深部开采突水致灾危险源辨识与危险性评价——以滇东北毛坪铅锌矿为例

金属矿山进入深部开采后,面临着“三高一扰动”的复杂地质采矿条件,极易诱发突水灾害。本文依托滇东北毛坪铅锌矿,基于水文地质结构研究,对其突水致灾危险源进行了系统辨识和突水危险性评价,确定了深部开采过程中的突水致灾危险源管控措施。根据毛坪铅锌矿的地质、构造与水文地质条件,划分了两类水文地质结构类型,即背斜西翼强富水含水层侧向充水-陡倾型与背斜东翼中等含水岩溶顶底板充水-平缓型。从构造发育、含/隔水层、开采扰动3个方面,对毛坪铅锌矿深部开采的突水危险源进行辨识,建立了层次分析评价模型,获得了主要开采中段的突水危险性分区,划分出了安全区、相对安全区、过渡区、相对危险区、危险区。结果表明,矿区倒三角锥型的疏排水中心为突水危险性较小的区域,即安全区;北部为矿区的二叠系栖霞茅口组灰岩岩溶裂隙强富水含水层是矿区的突水危险性最大的区域,即危险区。从490 m和310 m中段的分区可见,危险区和相对危险区呈北东、北西方向的条带状,和主要的导水构造的发育方向一致。此项研究,为矿山建立“探、防、堵、疏、监”五位一体的综合防治水技术体系提供了科学依据。

斜井穿越风积砂层水砂突涌注浆治理研究

陕西榆林金鸡滩煤矿副斜井井筒表层广泛分布厚层风积砂,由于短时间内载重运输车的重复碾压,导致斜井底板破裂,发生水砂突涌灾害,严重威胁矿井安全。针对金鸡滩煤矿副斜井水砂突涌灾害治理难题,工程前期采用水泥注浆治理,起到了很好的固砂减水效果,但是并未完全封堵涌水通道;后期通过补注化学浆液,成功封堵了残存涌水通道。结合工程实践与模型试验,分析了斜井底板破裂原因、注浆治理效果及不同种类浆液的固砂堵水机理。现场治理效果与模型试验结果表明,水泥浆液主要以树根状劈裂脉固砂为主;化学浆液以劈裂和渗透堵水为主,在封堵残存涌水通道上更具优势,因此两种类型浆液配合使用效果更佳。

基于3D打印透明微细孔隙模型的多孔介质渗流规律

多孔介质渗流规律研究是油、气、水资源开采及水害防治的基础性工作,物理模型试验是开展此研究的重要手段。基于真实砂层试样CT图片,经剪切、二值化处理、矢量边界提取、建模等步骤,构建了二维孔隙模型;采用高精度光固型3D打印机,选用刚性光敏材料,制备了透明微细孔隙试验模型。构建了包括注水系统、压力监测系统、观测系统、孔隙模型及管路的试验系统,开展了12个注水流量梯度、4个不同渗流方向的渗流模型试验,实现了对孔隙渗流过程的可视化观测及注水压力的高密度实时监测,从微观角度研究了多孔介质渗流规律。研究发现:①在多孔介质渗流过程中分流及汇流持续发生,试验模型不同位置孔隙渗流的活跃性差异较大;②随着水力梯度的增大,达西定律计算的渗透系数整体呈下降趋势,在低水力梯度条件下,同一模型平面90°改变注入方向时,渗透系数差异较大;水力梯度越大,水力梯度与渗透系数呈现相关性越强的幂函数关系;③渗流速度与水力梯度呈高度相关的二次函数关系,渗流速度越高相关性越强,符合Forchheimr型非线性渗流公式,同一模型平面90°改变注入方向时,水力梯度差异较大,呈现明显的各向异性特征;④孔隙试验模型渗流为“层流+紊流”的混合流,随着渗流速度的增加,紊流惯性力对水力梯度的贡献占比增大,其主要与孔隙介质中孔隙及喉道结构特征有关。

斜井突水涌砂机理及井壁破裂修复技术研究

针对煤矿斜井井壁破裂修复治理技术难题,以陕西榆林金鸡滩煤矿副斜井井壁破裂导致严重突水涌砂灾害治理工程为例,在充分分析副斜井井壁破裂机理及水砂来源的基础上,采用了临时木垛支撑结合斜井帮部注浆治理的抢险措施,后期采用U型钢棚永久加固结合壁后帷幕注浆的整体修复措施。修复结果表明:抢险治理措施有效控制了井筒涌水量与携砂量,减缓了斜井顶板与底板变形速率,为后期整体修复赢得了时间;整体修复措施使井筒涌水量由72 m^3/h减小至3.8 m^3/h,携砂量维持在0.1%以下,地表塌陷坑不再发育。井筒修复完成后,没有发生其余不良地质现象,修复效果良好,保证了井筒的正常服役,为类似灾害的治理提供了借鉴。

化学注浆固结砂微观孔隙与力学特性研究

化学注浆是预防与治理采掘过程中导水裂隙带沟通上覆厚松散含水层诱发采煤工作面突水溃砂灾害的常用手段。为了研究化学注浆固结砂的微观孔隙、渗透与力学特性的变化规律,采用压汞试验、3D-XRM系统、SLB-1型三轴剪切渗透仪与单轴压缩试验手段,着重分析了化学注浆固结砂的微观孔隙特征、渗透系数、单轴抗压强度、普氏系数的变化规律。试验所选用的化学浆液为改性脲醛树脂,草酸溶液为催化剂,可以调节与控制化学浆液的胶凝时间。研究结果表明:试样的累计进汞曲线为S型,分为4个阶段,分别为缓慢进汞阶段、加速进汞阶段、减速进汞阶段、停滞进汞阶段,退汞率在52.56%-99.46%,半开放孔隙居多,且孔隙间的连通性差;靠近浆液劈裂脉的位置孔隙充填率更高,抗渗性能更好;化学注浆固结砂的平均渗透系数为7.23×10^(-6) cm/s;依据岩石的普氏系数分级方法,化学注浆固砂样可以达到坚固的状态,说明化学注浆后,松散砂样的坚硬程度得到了明显提高,可以达到很好的固砂减渗效果。

金鸡滩煤矿副斜井突水涌砂原因与抢险治理措施

以金鸡滩煤矿副斜井井壁破裂,导致严重突水涌砂灾害的抢险治理工程为背景,分析了造成井壁破裂突水涌砂灾害的原因,与抢险工程措施。副斜井在大吨位车辆循环碾压的过程中造成底板破裂,下覆砂层液化,造成突水涌砂灾害,地表快速发育多个塌陷坑,随时有溃砂淹井的风险。采用临时木垛支撑,有效缓解了井壁变形速率,结合帮部破壁注浆技术,有效封堵了水、砂来源与通道,达到了抢险治理的目的,为井筒的整体修复赢得了宝贵时间。

太阳能交互式智能讲解装置的设计

针对面积较大的旅游景区,移动式讲解装置续航性不足和讲解形式单一的问题,我们提出一种基于太阳能供能的交互式智能讲解方案。该设计由嵌入式计算机系统、语音识别合成系统、游客识别系统以及太阳能供电系统组成。该设计很好的解决了移动式讲解装置的续航性不足和讲解形式单一等问题,并且添加了以太阳能电源,在传统电源上做出改进。该设计为景区营造更好的绿色环境.

基于瞬变电磁法和测氡法的煤矿采空区探查研究

针对煤矿采空区赋存状态复杂、难以精准探查的难题,以斜沟煤矿高家峁一带的地下煤矿采空区地球物理探查工程为背景,分析了瞬变电磁法和测氡法在探查煤矿采空区方面的原理与优势,通过2种方法综合分析,对斜沟煤矿主采8#煤层的采空区及采空积水异常区,8#与13#煤层顶板附近砂岩富水异常区域进行了圈定。结果表明,煤层采空区主要表现为高电阻、高氡值的特征,采空积水区则表现为低电阻、高氡值的特征;并在斜沟煤矿8#及13#煤层顶板圈定了多处视电阻异常区域,为贯彻煤矿“有疑必探”的原则,保证煤矿安全高效开采,提供了十分有价值的参考资料。

柴达木盆地小梁山—大风山区域深层卤水水化学特征及成因分析

柴达木盆地小梁山—大风山区域深层卤水资源丰富,但是目前勘探程度相对较低。为探讨该区域卤水矿产资源情况,在区域地质背景分析的基础上,采用物探测井、地震等手段,对矿区内深层卤水含水层分布进行了解译;对区域水文地质条件进行了研究,包括区域地下水赋存条件与分布规律,地下水类型及含水岩组划分,结果表明矿区内出露一套微胶结的湖泊相地层,内部赋存高矿化度卤水,划分为碎屑岩类裂隙孔隙水、松散岩类孔隙水2种基本类型;对深层卤水矿体及水化学特征进行了分析,自上而下将深层卤水划分为5个矿层,均属硫酸镁亚型卤水。最后,从地形条件、构造特征及气候条件分析了深层卤水钾盐矿资源的沉积演化规律,以期对柴达木盆地的深层卤水资源的深度评价、开发与利用提供基础资料参考。

双尺度正型排布四圆柱绕流特性数值模拟

利用COMSOL有限元数值模拟软件中的层流模型,结合合理的网格划分,对Re=100时正形排布的不等径圆柱在不同来流方向条件下的绕流特性进行了研究,得到了圆柱后方脱落涡形态以及水流速度和压力分布云图,并计算了不同条件下的平均升、阻力系数.结果表明,来流方向会影响脱落涡的形态和脱落周期,不同的来流方向条件下的速度和压力分布亦不相同.升、阻力系数表明当来流方向为0°时,四圆柱之间的尾流干扰现象最强,2号圆柱的合力变化最大,最容易发生疲劳破坏.

近距离煤层重复采动覆岩裂隙时空演化特征研究

采用相似材料模型试验,在上行和下行开采方式下,对近距离煤层重复采动覆岩裂隙的时空演化特征进行了研究。采用数字图像处理技术对覆岩裂隙进行了量化分析,并基于分形理论与信息熵,提出了采用裂隙分形维数、裂隙熵和裂隙率3个特征参数来反映裂隙状态。研究结果表明:随着煤层开采的不断推进,上行开采重复采动覆岩裂隙的裂隙熵和裂隙率具有相同的变化趋势,下行开采重复采动覆岩裂隙的分形维数、裂隙率具有相同的递增趋势,但是裂隙熵在不同开采条件下的变化有较大的差异。在重复采动条件下,上、下行开采覆岩裂隙分形维数在沿开采方向上的变化分别呈“马鞍形”和“梯形”,裂隙率和裂隙熵呈相似的周期性振动变化,但裂隙率的振幅小于裂隙熵。相比于上行重复开采,下行重复开采的覆岩裂隙的产生与扩张作用较强。上行开采重复采动距离煤层底板越远,裂隙熵越小;下行开采重复采动距离煤层底板较远的地方裂隙熵较大,当夹矸岩层全部垮落后,上、下煤层的破坏带连通,导水裂隙带高度持续发育。