浅析煤层顶底板突水成因及影响因素

为防止煤层底板突水事故的发生,保障井下人员生命安全以及维护井下采煤设备,本文对煤层底板突水成因及影响因素进行了分析总结,对从源头上治理煤层底板突水具有重要意义。根据矿井突水的性质,得出矿井突水中以断层突水最为严重,约占突水事故的80%。当矿井突水的发生无可避免时,需要对生产工艺进行优化,同时加强安全管理,最大程度地减轻人员伤亡及财产损失。

深圳市某地铁车站深基坑底部涌水治理技术探析

在灰岩富水岩溶区、褶皱破碎断裂带进行地铁车站深基坑施工,要面临许多施工不确定,尤其是深大基坑开挖至邻近垫层标高坑底涌水是工程施工中的重大事故隐患,迅速、精准查找出涌水通道和涌水原因是处置解决问题的首要任务。以深圳某地铁车站深基坑开挖过程中涌水为背景,全面、系统分析了形成涌水的原因,针对深基坑底部水力劈裂型涌水具体工况,采取了行之有效的应对措施,使得涌水得以治理,保证了基坑后续施工正常进行。

断层突水灾变演化过程划分基础试验研究

断层突水严重威胁煤矿开采,灾害呈滞后性、隐蔽性等特征,掌握断层突水灾变演化机制、过程规律,对开展煤矿防治水工作具有重要理论指导意义。通过构建突水演变分析模型,分析了承压水导升路径和断层带演化特征。采用岩石应力−渗流耦合真三轴试验系统,结合声发射和数字散斑技术,配制含断层破碎带充填物的大尺寸类岩石试样,研究了双轴加载过程中含不同岩性和产状断层充填物的试样失稳破坏特征,获得了声发射事件和试样变形特征,最后采用改造升级的采动底板突水模拟试验系统和应力、水压、并行电法在线监测子系统,室内再现了采动断层突水演变全过程,获得了各监测参数演变特征。研究结果表明:断层带受开采扰动响应更强烈,更容易破坏失稳为承压水导升提供空间;断层充填物的性质决定了断层活化的强度和难易程度,将一定程度上影响断层突水的时空演化过程;断层尖端受流固耦合作用明显,断层带及隔水层产生的裂隙经历萌生—扩展—贯通阶段,断层与工作面的相对位置关系决定了断层演化带和底板破坏带对接的时空位置;根据承压水导升路径,将断层突水过程划分为“断层活化”“贯通导水”“‘双带’(断层演化带与底板破坏带)对接”3个灾变演化阶段,实现了断层突水演化过程的阶段划分。

煤岩体突水通道中骨料沉积运移规律研究

先行灌注骨料后注浆可有效控制煤岩体突水。骨料在煤岩体突水通道中沉积运移规律的研究是确定骨料粒径、骨料灌注量以及骨料灌注孔间距的重要前提,但目前在该方面的理论和试验研究甚少,实际施工主要依赖经验,带有较大的盲目性。鉴于此,基于浆体管道输送理论和泥沙运动力学,结合牛顿第二定律,将骨料从灌注孔进入突水通道的全运移过程划分为:自由落体,类平抛以及滑移3个运动阶段,并分别对其进行受力分析,建立由单颗骨料到骨料颗粒群的沉积运移扩散模型,得出表征骨料颗粒群在水平方向上的沉积运移规律;自行设计煤岩体突水通道骨料沉积运移可视化的模型试验平台,借助该平台开展在不同动水流速、骨料粒径、灌注高度等多因素影响下的骨料沉积运移模型试验,分析骨料在突水通道内的沉积运移规律,得到在不同试验方案下骨料沉积运移区的总长度。试验结果表明:骨料实际运移过程与理论3个运动阶段的假设吻合,骨料沉积运移距离的试验值与理论计算值平均误差为7.34%;在控制投注高度与动水条件一致的前提下,相较细骨料(粒径≤5 mm)而言,理论公式对于粗骨料(粒径>5 mm)更具适用性;在工程中解决煤岩体突水问题时,若骨料粒径>5 mm,利用本文理论公式可计算得到骨料颗粒群在水平方向上的运移距离,从而确定骨料灌注孔的间距,降低实际施工过程中的盲目性。

朱庄煤矿底板钻孔出水水源-通道一体化治理技术与应用

为了有效治理朱庄煤矿Ⅲ638工作面底板验证钻孔出水,分析了出水原因,明确了出水水源为L_(3)灰岩水,导水通道是未充分治理的底板岩溶裂隙发育带和JF_(1)、JF_(2)、JF_(3)等断层;提出利用地面区域治理技术对出水水源和通道进行一体化治理的思路,将治理区域划分为突水危险区、断层影响区以及深部薄弱区,针对不同区域提出“边界锁边+区域治理”的钻孔布设方案并采用梯度增压注浆工艺对底板L_(3)灰岩含水层以及断层带进行改造加固。治理结束后通过指标评价、交叉检验和井下钻探等方法验证了治理效果,工作面顺利恢复掘进;结果表明了基于地面区域治理的水源-通道一体化治理技术对封堵底板出水的优越性。

新型老空底板奥灰突水:成因机制及防控技术

河北峰峰矿区辛安矿2021年“10·25”小煤窑区奥陶系灰岩(简称奥灰)突水,导致矿井生产水平被淹,矿井停产。对事故成因进行了剖析,提出老空区底板奥灰岩溶水突(涌)水概念,总结其区别于采动引发老空透水或底板突水事故的内涵及外延,揭示浅部老空区底板奥灰承压水储能释放动态演化的突水机制。基于区域奥灰岩溶演化史,采用流场分析、数值模拟以及探治工程揭露,确定区域奥灰岩溶强径流带在井田内的展布形态,建立岩溶水动力场模型,应用人工智能及深度学习方法反演辛安矿“10·25”突水时间及空间位置。针对煤矿采空区底板奥灰突水特点及难点,提出流场树靶、探治结合、新旧共治“三位一体”的水害防控技术体系,经过3个阶段治理实践,不仅3个老旧突水点共1080 m^(3)/h涌水量以及新突水点稳定涌水量3600 m^(3)/h得到完全封堵,且矿井原正常涌水量2040 m^(3)/h下降到1020 m^(3)/h,效果超出预期目标。

流固耦合状态下煤矿井壁破损透水机理研究

煤矿井壁破损透水事件时有发生,给地下空间利用和矿产资源开采构成重大威胁。为了弄清井壁破损过程承压地下水存在的影响以及透水通道形成机制,采用相似理论设计模型试验并结合流固耦合数值模拟技术开展研究。结果表明,井壁与压力水直接接触不利于其承载变形能力的发展,具体体现在破坏时屈服点位置提前出现,峰值强度及峰值应变降低,宏观裂纹分布更广,这是由压力水渗入井壁混凝土时诱发的渗流场应力场相互耦合作用引起的。对照模型试验结果开展数值仿真分析,获得一套适用于流固耦合状态下井壁破损数值计算参数。基于此开展0.05、0.10、0.20、0.40 MPa孔隙水压影响下井壁破损透水全过程细观数值分析,发现孔隙水压增大使井壁承受的临界侧向荷载依次降低5.88%、17.65%、23.53%,屈服强度附近试件内部裂纹发展明显加速,裂纹不断扩展、贯通,最终形成沟通井壁内外侧壁的透水通道。0.40 MPa孔隙水压下透水通道率先出现,相对于其他3种孔隙水压提前了2.67、2.53、1.67倍计算步,说明孔隙水压越大裂纹扩展速率越快,裂纹扩展路径先径向后环向。声发射监测表明井壁破损透水前夕,事件数量先逐步增大再持续保持高位,破损后应力得到释放,声发射事件频率及数量骤降,该信号特征可作为现场井壁破损透水监测依据,为井壁突水预防和治理提供依据。

填充颗粒占比对砂岩破碎带突涌水通道形成的影响

隧道修建在穿过导水危险性断层时易发生充填体渗透破坏型突涌水。利用EDEM-Fluent耦合计算方法,探究了填充颗粒和骨架颗粒质量比例不同对突涌水通道形成的影响,考虑了固体颗粒间和流体-颗粒之间的相互作用以及流固耦合过程。研究表明,贯通突涌水通道的形成是由于填充颗粒的大量流失。模型中较高的填充颗粒质量占比使得颗粒平均粒径减小,骨架颗粒间接触数量减少,临界水力梯度提高。但当达到临界水力梯度后,在渗流力作用下填充颗粒更易涌出,颗粒流失速度和流失质量增加,骨架颗粒网络较为稀疏,最终孔隙率较大,形成的突涌水通道相对更为贯通。

小尺寸模型在五峰隧道涌突水判别中的应用

岩溶隧道的涌突水问题对于隧道安全性存在着较大影响。以宜来高速五峰隧道为研究对象,通过现场水文地质调查、钻孔水位与降雨量观测、数值模拟并结合室内小尺寸模型试验对隧道涌突水的风险进行了判别。试验结果显示隧道涌突水风险主要受到岩溶管道与隧道相对空间位置和管道水压的影响,当试验水压为0.2 MPa时,随着隧道上覆土体的厚度增加能够有效地减小渗流作用对隧道的影响,但随着水压的增大,管道水的渗流不单以垂直渗流为主,还包括水平向的渗流,水压的增大使隔水层中的断续裂隙发生扩展,从而使隧道产生涌水破坏;数值模拟结果显示五峰隧道在拱顶和拱肩处剪力最大,在地下水渗流的条件下容易形成沿着拱顶和拱肩处的拉剪破坏,隧道涌突水是剪应力场与渗流场耦合作用下的结果。隧道涌点水破坏的首要因素为水压并与隔水岩盘的厚度息息相关。

侏罗系含水层突水分析研究及应用

为研究侏罗系含水层对开采3上煤层的影响,提高侏罗系水害防治的水平,通过对侏罗系含水层突水导水通道的分析,突水量、水位、水质等参数变化的分析,充分说明水质化验和水位监测是矿井突水水源判断的重要依据,应严格落实好矿井水水质化验规定,做好含水层水文动态监测。同时,断层作为主要导水通道,必须严格按照规定留设断层防隔水煤(岩)柱。

示踪实验在湾潭隧道涌水突泥判别中的应用

以宜来高速湾潭隧道为研究对象,通过现场调查、地下水示踪实验、地下水流量监测,以及采用大气降雨入渗法计算隧道的平均涌水量和丰水期涌水量,同时采用RFPA渗流软件对隧道涌突水的可能性进行判别。现场调查及示踪试验结果显示湾潭隧道岩溶管道为多支,混合型岩溶管道,水文地质条件复杂,丰水期涌水量约为平均隧道涌水量的4.6倍。数值模拟结果表明,隧道涌水突泥破坏要历经裂隙萌生、裂隙扩展、裂隙进一步扩展、贯通破坏阶段。同时当岩溶管道处的过水流量达到初始值(37248m^( 3)/d)约2.7~3.5倍之间时便可出现涌水突泥破坏,也即出水口2流量达到10000~13000m^( 3)/d时,湾潭隧道具有极高的涌水突泥风险。

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。

煤层底板水害超前区域治理理论框架与关键技术

随着我国华北型煤田浅部煤炭资源开采殆尽,深部煤炭资源受底板灰岩岩溶水害威胁严重,常规井下直孔注浆方式存在施工位置受限、钻遇含水层孔段短、注浆盲区大、目标位置不准确等问题。为此,提出了基于顺层定向钻孔进行注浆改造的超前区域治理技术,系统研究了顺层近水平注浆孔浆液运移规律、底板水害超前注浆模式、注浆参数控制工艺、隐伏导水通道超前判识探查与注浆效果检验与评价等。通过系统研究,构建煤层底板水害超前区域治理理论框架与技术体系,具体包括5方面内容:提出煤矿底板水害超前区域治理模式分类和选择准则,概化形成适用于我国华北型煤田地质及水文地质条件的底板含水层注浆改造模式;形成隐伏导水通道水平定向钻超前判识治理技术;建立超前区域治理关键注浆参数控制工艺体系;提出了注浆全过程的多指标定性、定量效果检验与评价技术。上述研究成果在煤层底板水害超前区域治理工程中成功应用,对底板水害超前区域治理起到重要的理论和技术支撑作用,为我国华北型煤田深部煤炭资源安全开采提供保障。

淋水巷道帮壁稳定性分析与治理措施研究

淋水巷道稳定性及有效治理对于矿山地下掘进具有重要的意义。以非洲某铜钴矿为研究背景,分析了矿区水文地质情况与围岩稳定性,分析了巷道帮壁淋水原因和稳定性,给出了巷道帮壁淋水治理措施。结果表明:受区域地质影响,巷道淋水来源于构造承压水、区域性淋水及地质钻孔涌水;巷道帮壁淋水采用注浆加固能有效治理,通过对注浆压力的变化情况进行量化分析,并将注浆划分为微压—扩散—加固—劈裂4个阶段,得出了各阶段注浆孔围岩、浆液变化特征,对现场注浆施工具有重要的指导意义。

全风化花岗岩突水通道扩展的颗粒起动流速研究

突水突泥是富水全强风化花岗岩隧道施工常见的地质灾害,地层颗粒的流失是导致突水通道扩展的关键因素,其中颗粒达到起动流速是其流失的临界条件。考虑水流冲刷和土体黏结作用,对突水通道断面颗粒进行三维受力分析,导出颗粒的临界起动条件,建立了考虑颗粒粒径、颗粒坡面位置、相对暴露度三因素的颗粒起动流速函数,并利用数值方法分析了上述三因素对起动流速的影响规律。计算分析表明:起动流速随粒径增大先减小后增大,通道断面不同坡面位置颗粒起动流速呈明显的对称性,总体上起动流速随相对暴露度的增大呈增大趋势。采用正交试验法研究了三因素对颗粒起动流速的敏感性,发现粒径对起动流速影响最为显著。同时根据断面颗粒起动最小流速标准及相对暴露度的随机性,简化颗粒坡面位置和相对暴露度两因素,导出颗粒起动流速的简化公式,最后利用室内试验和工程实例验证了该公式的合理性。

煤层采动底板突水演变过程可视化试验平台研制与试验研究

物理模拟试验可以直观展现底板突水全过程,并可获取采动底板突水灾变演化的多元化信息,成为研究承压水上开采的有效研究手段。对早期研制的深部采动底板突水模拟试验系统的突水流量监测、覆岩柔性加载、水平分级加载和恒压稳流试验舱等4个模块进行了改造,实现了突水水量区域化定量监测、覆岩柔性均布加载、双侧分区域独立加载、大容量恒压供水和全方位的密封等功能。借助改造后的试验系统和研制的非亲水相似模拟材料,以受底板承压水威胁的山东某矿为工程背景,研究了突水通道形成、流量灾变演化、隔水层应力变化等过程。试验结果表明:依据底板可视裂隙的扩展特征,将底板突水划分为横纵向演化阶段、横向周期演化阶段和灾变突水阶段;在第Ⅰ阶段,承压水顶界面主渗区首先产生于开切眼下方且位置不随煤层开采发生变化,随着开采可视裂隙向承压水含水层方向和工作面推进方向扩展,主渗区范围变大且流量显著提高;在第Ⅱ阶段,随煤层开采煤壁下方产生新的裂隙,上一阶段回采产生的裂隙封闭,裂隙扩展呈现周期性变化特征,主渗区流量呈现降低—升高—降低—升高的周期性变化趋势;在第Ⅱ阶段,突水通道形成后,主渗区成为承压水突水的源头,其他区域流量不再发生突变,可将该阶段初期的流量急剧突变特征作为突水预警信息。试验结果不仅对中东部矿区承压水上开采底板突水溃砂过程中裂隙演化、突水流量特征研究提供实验指导,同时也对矿井安全性评价及灾害预测与防治提供参考。

深部开采巷道滞后突水防治技术

针对深部矿井巷道受承压水威胁在巷道服务期间易产生滞后突水问题.采用理论分析方法,研究了巷道滞后突水防治技术.分析结果表明:随着时间的延续,巷道围岩有效隔水层在矿压及水压长期作用下,围岩破坏范围逐渐扩大,裂隙进一步扩展,有效隔水层受到破坏,裂隙与高承压水连通,形成突水通道;分析了突水时间效应及防突水措施机理,提出了通过优化支护参数达到增强防突潜能的目的.基于悬吊理论和Ansys软件,对巷道支护参数及安装载荷进行了优化.结果表明:断层破碎带附近巷道顶底板最大位移量为132 mm,两帮移近量最大为123 mm,顶板离层量为8～15 mm,巷道围岩得到了有效控制,在服务期间,没有发生淋水等现象.该成果对预防巷道滞后突水有一定指导意义.

含隐伏小断层底板采动突水机理数值模拟研究

为得到含隐伏小断层的煤层底板开采中的突水机理,分析底板裂隙演化及渗流突水通道的形成规律。采用RFPA2D-Flow软件分析了含隐伏小断层底板在工作面开采中,底板岩层破坏、突水通道的形成及突水发生的整个动态发展过程,得到了开采过程中底板岩层裂隙的产生和扩展演化、损伤破坏区域的形成过程及渗流场的运移过程。结果表明:底板隐伏小断层活化突水主要分为隐伏小断层活化和活化裂隙区域扩展2个阶段。底板不同位置隐伏小断层的裂隙贯通存在差异,距采空区越近,隐伏小断层越易活化形成突水通道,随着采空区卸压效果的增加,隐伏小断层突水的可能性逐步增大。

废弃煤矿诱发的透水机理及防治技术

为消除废弃煤矿诱发透水威胁邻近生产煤矿安全,通过调查淮南老矿区内废弃煤矿与地表水体及邻近生产煤矿的开采空间关系和透水条件,分析总结出废弃煤矿存在裂隙带导通地表水透水、洪水倒灌废弃煤矿透水和老窑水冲破煤岩柱透水3种方式,透水原因为废弃煤矿违规开采,破坏邻近生产煤矿安全煤(岩)柱,形成导水通道,产生储水空间,在地表和地下水的水力作用诱发透水。因此,从生产煤矿的安全保护、监控应急、消除水害3个方面,提出"井下隔离、地面堵排、监控调度、应急处置、水害消除"立体防治废弃煤矿水害技术。实践表明:废弃煤矿水害可以预防和治理,淮南矿区自2007年以来杜绝了废弃煤矿水害事故,取得良好的安全效果。

地面钻孔并行三维电法探测煤矿灰岩导水通道

提出利用地面钻孔并行三维电法探测煤矿灰岩导水通道,为煤矿灰岩水害防治提供新的物探手段。该方法在地面需布置3个钻孔,在各孔中置入一条电极电缆,电法测线需控制探测目标地层。将3钻孔电极电缆连成统一观测系统,利用并行电法仪采集AM法数据。将孔中各电极统一编辑坐标,对AM法数据进行三维电阻率层析成像,可得到3钻孔间三维电阻率变化情况。根据富水区与正常岩层间的电性差异情况,分析富水区可能的电阻率表现形式,再结合已有钻孔地层柱状、巷道涌水以及注浆资料等,得到灰岩地层中含水区及导水通道范围。将此方法应用于淮南矿业谢桥矿的探测,结果表明:该方法较准确地查明突水区灰岩地层导水通道,能很好地指导灰岩段注浆堵水工作,使得东风井车场涌水量大大减小,消除灰岩突水威胁。