DEVELOPING LAW OF WATER-CONDUCTING FISSURE ZONE AND STRESS VARIATION

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郯庐断裂转换段新沂地裂缝成生机理及构造意义

新沂地区处于郯庐断裂带转换段的关键部位,自20世纪70年代以来在新沂地区共发现地裂缝灾害点28处。这些地裂缝以群发的形式发育在南马陵山以西、沂河—骆马湖以东的区域内,地裂灾害影响区面积达100 km^(2)。新沂地裂缝与地层结构、地震活动、地下水开采等因素有着千丝万缕的联系,对其研究形成了多种观点。利用实地调查与勘探手段,新近查明了新沂地裂缝的基本特征,它们具有走向一致性、纵向尖灭性、局部群发性等特点,且与邻近断裂(郯庐断裂带次级断裂F3)具有高度一致性,属于区域构造控制型地裂缝。以新沂地区地质构造为原型,构建了逆断层作用下地裂缝成生物理试验模型。试验结果表明,随着逆断层断距加大而依次呈剪裂段、离层段、弯裂段等发展过程。结合新沂地区“地堑地垒地堑”组合结构,新沂地裂缝的成因机制可概括为“跷跷板”构造模型,在构造应力、自重应力、地下水波动等作用下,下沉段受挤压,上升段因抬升而弯裂,从而形成地裂缝。研究新沂地区地裂缝,对揭示郯庐断裂带“北中南”段构造变化和“深浅表”部结构联系具有重要的指示意义。

蹬空开采条件下雨汪煤矿的110工法相似模拟研究

以雨汪煤矿1010201工作面为研究背景,开展蹬空开采110工法相似模拟试验研究,利用应变监测系统和MatchID散斑非接触测量系统,从应力场和位移场2个方向监测不同阶段上覆岩体和巷道围岩的变形特征,探究上覆岩体裂隙带运动规律。研究结果表明,推进40 cm时,非切缝侧直接顶出现部分垮落;推进80 cm时,直接顶完全垮落;推进100 cm时,基本顶大面积垮落,工作面被完全填充,上覆岩体变形趋于稳定。垂直位移监测云图表明,顶板最大垂直位移为34 mm,底板最大垂直位移为16 mm。说明切顶卸压技术和NPR锚索支护补偿力学理论对超载条件下的蹬空开采仍然具有良好的适用性,通过垮落岩体的碎胀效应对工作面充填支撑,使得基本顶范围内岩体和巷道围岩变形得到了良好的控制,一定程度地减小了地表沉降,并且沿空留巷效果显著,为实际工程施工提供了科学依据和理论指导。

板集煤矿导水裂隙带发育高度研究

板集煤矿110504工作面平均煤层厚度6.1m,属于厚煤层开采,上覆平均厚度约1.6m和75m处存在含水层,矿井安全生产受顶板含水层威胁严重,亟需开展导水裂隙带发育高度研究。本文开展数值模拟研究了覆岩裂隙演化规律,通过运用UDEC 7.0软件建立开采模型描述工作面推进过程中的导水裂隙带演化规律,得出工作面推进至50m时直接顶开始垮落,推进至70m时直接顶完全垮落、基本顶部分垮落,推进至140m时形成了明显的垮落带和裂缝带区域,推进至190 m时导水裂隙带高度达到最大值66 m,垮落带高度23 m,裂缝带高度43 m;开展了电法测试,运用网络并行电法在110504工作面轨道顺槽内进行现场实测,得出工作面应力超前影响距最大为58 m,裂缝角为69.62°,导水裂隙带最大高度73 m,垮落带高度27m,裂缝带高度46m。数值模拟结果与电法测试结果基本一致,研究成果对相似地质条件下的导水裂隙带高度研究具有重要意义。

红河断裂对莺歌海盆地地热系统的控制作用

基于莺歌海盆地地热背景,从地热系统的水源、流体通道、热储和盖层4个方面系统地去评价红河断裂对其的控热作用。研究结果表明,通过水样、气样分析,断裂构造在地热水循环中起到重要的控制作用;红河断裂的差异变形显著影响裂隙型热液热储的平面分布范围和纵向发育深度的异质性;莺歌海盆地地热系统是以地幔热物质作为主要热源,红河断裂带和盆地内中央凹陷底辟带为主要通道,裂隙型热液热储和上部大面积水道、海底扇、三角洲等储集体为主要热储,莺歌海组巨厚泥岩为主要盖层。

榆树泉矿煤层开采覆岩破坏物理模拟试验研究

为研究煤层开采覆岩破坏情况,以榆树泉矿为工程背景,采用物理相似模拟试验,分析了煤层开采过程中覆岩的破坏规律,结合经验公式计算,确定了煤层开采覆岩导水裂隙带高度。结果显示,随着煤层开采,覆岩裂隙在纵向上的发育速度减缓,横向裂隙发育速度加快,范围扩大,且近工作面处的裂隙逐步向破碎型裂隙发展。覆岩形态在横向、纵向以及整体上呈现出先扩展延伸而后趋于稳定的特点,覆岩形态最终趋于“马鞍形”。覆岩位移量随着距煤层工作面垂直距离的增加而减小,并且位移量由两侧向中部递减。模拟导水裂隙带的发育最大高度为65 m,与经验公式计算的结果吻合,裂采比约为16。研究结果可为榆树泉矿顶板水害防治提供科学依据。

云冈煤矿充填开采设计与顶板覆岩变形破坏时空演化规律研究

以云冈煤矿8402工作面充填开采为背景,首先制备了5种不同配比的矸石浆,开展了泌水率、凝结时间和单轴抗压强度测试,根据使用要求和成本要求选择了合理的矸石浆配比,并进行了充填液压支架与充填开采工艺设计;考虑岩体力学参数随开采应力的变化,基于HoekBrown模型,采用FLAC3D软件研究分析了有无充填2种条件下8402工作面顶板覆岩的变形破坏时空演化规律。研究结果表明:水泥和粉煤灰用量分别为180 kg/m^(3)和210 kg/m^(3)时,可同时满足云冈煤矿8402工作面充填开采使用和成本要求;无充填条件下8402工作面周期来压步距约18~25 m,裂隙带发育高度约108 m;而85%膏体充填条件下工作面周期来压步距约36~40 m,裂隙带发育高度则约43 m;85%膏体充填下工作面向前推进120 m后,其地表最大沉降和最大倾斜基本保持为165 mm和2.62 mm/m不变,小于规范的规定要求,能够确保地面建筑的安全。

煤矿覆岩裂隙带长钻孔瓦斯抽采技术研究

针对煤矿覆岩裂隙带瓦斯具有危害大,难抽采的特点,为有效治理该类瓦斯,以山西某矿覆岩裂隙带瓦斯赋存工况为背景,基于长钻孔瓦斯抽采理论,研究了长钻孔瓦斯抽采技术在覆岩裂隙带瓦斯治理中的应用,通过应用模拟软件分析了顶板裂隙带发育高度,设计了抽采钻孔参数,监测了瓦斯抽采体积分数,分析了瓦斯抽采效果,发现瓦斯抽采体积分数呈倒“V”形趋势,通过长钻孔抽采,采煤工作面上隅角瓦斯体积分数从0.55%变为了0.35%,出现了显著降低,达到了较好的瓦斯抽采效果,可为类似工况下覆岩裂隙带瓦斯的治理提供参考。

近距离煤层群隔层“探、治”瓦斯技术体系研究及应用

为解决贵州地区近距离复杂群层群采掘过程中邻近煤层瓦斯防治难题,提出了包括邻近煤层瓦斯参数探查技术、保护层开采上覆岩层“三带”范围考察技术和邻近煤层瓦斯抽采防治技术的隔层“探、治”瓦斯技术体系。该技术体系在安顺煤矿的应用结果表明:M9煤层工作面采空区冒落带和裂隙带高度分别约为3.8 m和15.7 m,能够有效增益上覆M8煤层瓦斯治理;临近煤层瓦斯抽采效果受到抽采孔空间位置、长度和工作面推进情况影响,高位钻场、高位巷、高位定向长钻孔和密集穿层高位钻孔抽采方式的抽采纯量分别能达到12、37.7、10.0、40.1 m^(3)/min,高位巷和密集穿层高位钻孔抽采效果更优。研究成果为贵州地区煤层群瓦斯高效治理提供了理论和工程实践基础。

新疆塔什店矿区导水裂隙带发育高度预测

上覆岩层具有含水层的煤层开采有煤层透水的潜在危险性,有效预测导水裂隙带发育高度对预防开采过程中煤层透水具有重要意义。新疆塔什店矿区一号矿井具有7层煤层,亟需开展导水裂隙带发育高度预测,评估上覆含水层对煤层开采的影响程度。本文采用典型有限差分软件FLAC3D,对塔什店矿区一号矿井煤层开采覆岩发育规律进行模拟分析,揭示多层煤层开采时导水裂隙带与上覆含水层的位置关系。结果显示,在煤层推进长度为600 m时,煤层开挖后上覆含水层底板产生较小程度的下沉。导水裂隙带高度扩展至81煤层顶板以上30~40 m,距含水层底板仍有57~67 m距离,煤层开采导水裂隙带难以扩展至该含水层。各煤层开挖后,含水层底板位置的垂直应力与开挖前相差较小。该研究成果可有效指导塔什店矿区一号矿井煤层开采活动。

基于多频无线电坑透技术的煤矿地质综合勘探研究

为提高煤矿安全开采的保障能力,研究基于多频无线电坑透技术的煤矿地质综合勘探方法。构建基于“一发双收”的多频无线电坑透方法,采用0.5 MHz与1.5 MHz两种频率,对焦煤公司下属矿井进行煤矿地质综合勘探。经勘探可知,该矿区1101工作面存在3个异常区域,YC1异常区存在煤层裂隙发育与破碎问题,YC2异常区存在旧采空区,YC3异常区存在以往巷采产生的旧采空区,该勘探结果较为精准,未出现遗漏现象;在勘探1131工作面时,发现存在5条地质异常冲刷带,且能有效分析每一冲刷带的严重程度与煤层冲刷情况。该方法可有效实现不同矿区工作面的综合勘探。

煤矿导水裂隙带发育高度分析-基于模拟和实测相结合方法

综放工作面导水裂隙带发育高度关系到煤矿防水治理、采空区上隅角及回采巷道瓦斯治理、煤气共抽采、水下采煤等工作,为研究综放工作面导水裂隙带的发育高度,以李家窑煤矿82210工作面为研究对象,通过理论计算、数值模拟和现场探测等手段,综合分析了工作面软覆层导水裂隙带的最大高度和发育位置,计算得工作面导水裂隙带高度分别为48.3~60、46、45.54 m和46.4~47.2 m,现场检测和数值模拟的导水裂隙带最大高度在理论计算的取值范围内;而当工作面宽度为80 m时,导水裂隙带的发育高度仅为24 m,与现场观测得到的导水裂隙带最大高度(45.54 m和46.4~47.2 m)相差较大,说明增大工作面尺寸可以改变覆岩的开采程度,从而改变覆岩的结构特征,增加导水裂隙带发育高度。

黄土高原降水入渗方式与引发滑坡研究——以甘肃黄土地区为例

黄土高原是中国滑坡灾害最为发育的地区,降水是引发黄土滑坡的主要因素之一。黄土包气带厚度大,降水入渗方式与引发黄土滑坡的过程和机理问题长期受到广泛关注。以甘肃黄土地区为例,通过实地调查和综合研究认为,黄土高原地区降水入渗方式多样,受地形地貌、气候和降水类型等因素影响,降水入渗方式与引发滑坡特征之间存在地域性差异。在降水量较小的黄土丘陵区,暴雨所产生的地表径流主要通过落水洞和节理裂隙等宏观优势通道点状短期快速入渗,增大黄土含水率,软化黄土体,降低斜坡稳定性,引发黄土滑坡。在降水量较大的黄土塬、黄土台塬和黄土宽梁区,大气降水、灌溉水主要经由黄土包气带中的孔隙呈面状长期缓慢入渗补给黄土潜水,在丰水年连阴雨可引发群发性黄土滑坡。研究结果对黄土高原降水引发滑坡预警阈值的科学设定具有指导意义。

神府南区延安组含水层富水性对矿井涌水量的影响研究

针对榆神府矿区不同井田矿井涌水量差异大的问题,基于所收集区内大量的钻探、抽水试验等资料,从风化剥蚀作用、烧变作用、天窗、砂岩微观孔隙结构等入手,分析了延安组含水层富水性的影响因素。结合导水裂隙带发育高度,探讨了延安组含水层富水性对矿井涌水量的影响。结果表明:风化剥蚀作用使延安组砂岩裂隙发育、破碎严重,增强其渗透性和连通性,随着基岩风化率的增加,富水性增强;烧变作用使延安组砂岩裂隙、孔洞显著增加,随着烧变岩厚度增加,富水性增强;天窗为延安组含水层与其他含水层之间提供了水力联系通道。采煤形成的导水裂隙带导通了延安组风化段和烧变段,使矿井涌水量较大。区域上各影响因素的叠加会导致延安组含水层富水性增强,局部呈现强富水-极强富水性,导水裂隙带导通后矿井涌水量较大,威胁煤矿安全生产。进一步探讨了各涌水量较大井田延安组富水性对矿井涌水量的影响,为榆神府矿区井田安全开采和顶板水害防治提供参考。

平面应变条件下不同裂隙方向原状膨胀土变形破坏性状与剪切带演化特征

富含裂隙是膨胀土的重要特性之一,原生裂隙以及受力过程中的裂隙扩展对土的力学行为影响显著。为了调查裂隙对膨胀土的变形规律与破坏模式的影响,借助改进型真三轴仪,对不同原生裂隙主方向角的原状膨胀土(I型裂隙试样长轴垂直优势裂隙方向、II型裂隙试样长轴45°斜交优势裂隙方向、III型裂隙试样长轴平行优势裂隙方向),开展固结排水平面应变剪切试验,并利用数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)技术分析变形规律,重点研究裂隙影响的变形局部化特征。结果表明:同一围压作用时,II型裂隙试样的峰值应力最小,应力-应变曲线呈应变软化型,其破坏类型为滑动破坏;I型裂隙试样峰值应力最大,且I型裂隙试样与III型裂隙试样的应力-应变曲线呈应变硬化型。I型裂隙试样的破坏类型为压缩剪切破坏,III型裂隙试样的破坏类型随围压不同而存在差异。同一围压作用下,I型裂隙试样产生的剪切带倾角较其他裂隙类型样品小,且基本不随围压变化。II型裂隙试样的剪切带沿原生裂隙面发育形成,其倾角大小随围压变化并无明显规律,围压影响II型裂隙土试样剪切带发育的数量。对于III型裂隙试样,围压影响剪切带发育类型,且随着围压增大,主剪切带倾角减小。利用Roscoe理论得到不同裂隙方向土样的剪切带倾角大小与试样实际破坏时剪切带的倾角较为符合。该试验为研究裂隙性膨胀土力学特征各向异性奠定了基础。

小保当井田2-2煤潜水采动影响分区研究

针对小保当井田在未来开采过程中造成的地下水资源大量漏失的问题,以小保当井田开采的2-2煤层为研究对象对潜水资源受煤层采动影响分区进行研究。采用富水指数法通过AHP-熵值法建立评价模型划定了萨拉乌苏组潜水含水层富水性分区,根据相邻煤矿导水裂隙带现场实测类比确定了井田2-2煤层导水裂隙带发育高度及层位,采用信息融合理论方法综合松散潜水含水层富水性分区和2-2煤层导水裂隙带发育层位划分小保当井田内潜水资源受采动影响分区,得出结论:井田未来开采2-2煤层时对松散潜水含水层的采动影响较小,仅存在一般失水区,位于井田南部且范围较小。由于在研究过程中采用了相邻矿井的资料,因此对相邻矿井未来进行相关研究和煤炭开采有一定的指导意义。

浅部矿体开采覆岩运移及导水裂隙带发育高度分析

为研究浅部矿体开采覆岩运移及导水裂隙带发育特征,以红柳矿I020308工作面为研究对象,采用理论试验、数值模拟、理论研究与现场实测方法,分析采动覆岩运移规律以及导水裂隙带发育高度。结果表明:1)覆岩裂隙呈“采场上方裂隙扩张-采空区上方裂隙闭合”趋势,岩块破断呈“下位岩体垮落-上位岩体咬合-叠层同步下沉”趋势,覆岩下沉量峰值达3.268 m。2)导水裂隙带高度发育过程为极缓慢-逐步扩展-迅速发育-增速递减发育;伴随采动影响,含水层水量间歇性释放,采空区涌水量交替增-减且整体呈下降趋势,直至工作面充分采动后稳定,实测导水裂隙带高度为58 m。3)基于矿物成分及微观结构分析,覆岩内富含亲水性黏土矿物且广泛分布粗颗粒,水-岩反应下将加剧裂隙发育,造成理论与实测导水裂隙高度形成误差。

融合遥感技术在四棵树火区煤火识别中的应用

以准南煤田四棵树火区煤火为研究对象,选取2006—2020年覆盖研究区的Landsat系列影像,采用像元二分法及温度反演算法反演得到该区域的植被覆盖度和地表温度的分布,分析结果表明:低植被覆盖度的区域占比由38.6%降低至13.9%,高植被覆盖度区域占比由15.6%增长至29.0%;高温区域呈东北—西南直线分布,低温区域主要分布在西向山坳及山坳西侧,阈值提取最高温度为48.62℃。选取2014—2019年29景SAR影像进行SBAS-InSAR分析,融合植被覆盖度及地表温度反演,确定火区烟气逸散通道及空气渗入通道位置与数量,分析结果表明:在2014—2019年烟气逸散通道由7个增加至68个,空气渗入通道数量由58个增加至84个;整体裂隙数量呈现增加的趋势,且烟气逸散通道数量增加较快,地下煤火燃烧加剧。

上覆灰岩回采工作面顶板瓦斯高效抽采

为探索灰岩顶板条件下的瓦斯赋存状态及抽采方案,开展了灰岩的X射线衍射实验,研究了灰岩的物理化学特性,分析了灰岩对顶板瓦斯赋存和瓦斯抽采的影响。以山西沁源常信煤矿90107工作面为工程背景,先用经验公式理论计算顶板“两带”高度,再结合3DEC数值模拟软件分析回采过程中顶板破坏形态及裂隙发育特征,根据顶板裂隙发育优势区设计高位定向钻孔瓦斯抽采方案,最后通过现场实测验证。研究表明:随着工作面的推进,顶板初次垮落步距为40 m,周期垮落步距为40 m,垮落带高度为11.4 m,裂隙带发育高度为50 m,裂隙发育优势区为11.4~25.0 m;现场实测发现上隅角和工作面瓦斯超限问题得到有效解决。抽采后,上隅角瓦斯浓度始终保持在0.8%以下,上隅角瓦斯浓度降幅最大可达87.5%。研究结果为相似灰岩地质条件下瓦斯高效抽采提供了参考依据。

神南矿区张家峁煤矿煤层顶板涌(突)水危险性评价

根据对张家峁井田地质及水文地质资料的分析研究,利用GIS多源数据融合方法,采用“三图—双预测法”进行煤层顶板水害危险性预测评价。首先以“富水性结构指数法”对煤层顶板基岩裂隙含水层进行富水性分区评价,然后针对煤矿正在开采的煤层顶板导水裂隙带发育高度进行研究分析,最终将之前得到的富水性分区图与冒落带分区图进行叠加分析,得到顶板含水层突水危险性分区图,进而采取相应的治理措施。研究表明,由于导水裂隙带均发育到其顶板含水层,故涌突水条件主要取决于其含水层的富水性,对于基岩裂隙含水层来说,总体上中部、西南部和西北部突水危险性较高,东部突水危险性较弱,由东至西突水危险性逐渐增大,相关研究在22202工作面涌水量观测结果中得到了验证。