华北型煤田深部开采底板突水机理与区域治理关键技术

通过对华北型煤田邯邢矿区大采深高承压水和下组煤开采条件下9起较典型的煤层底板承压突水实例进行深入系统分析,基于时空4维结构概念,首次提出了"分时段分带突破"的煤层底板突水机理,即从空间上在上组煤2号主采煤层至煤系基底奥灰强含水层之间,以薄层灰岩含水层和因采动影响而产生的各种破坏损伤及原始导升裂隙带等,按阻水能力大小划分11个阻水"分带";从时间上按煤层底板渗水及突水通道形成进程划分4个"时段"。鉴于邯邢矿区矿井深部煤层和下组煤开采受奥灰承压水威胁现状和保水开采需要,提出了奥灰岩溶水上带压开采的"区域超前治理"水害理念、"超前主动、区域治理、全面改造、带压开采"防治水指导原则和底板阻水能力评价方法;相应成功地研发了区域超前治理关键等技术体系,特别是地面多分支水平钻进关键技术研究,取得了很好的安全技术效果,创新了大采深矿井和开采下组煤奥灰水害治理方法与技术,为安全开采受承压水威胁的煤炭资源,保护煤系基底奥灰水环境提供一条新途径。

承压水体上开采底板突水灾害机理的研究

以淮北杨庄煤矿Ⅱ617综采工作面特大突水事故为研究背景,通过对其突水地段地质与水文地质情况、突水水源与导水通道、底板防隔水性能、不同应力场相互作用的研究,认为淮北杨庄矿Ⅱ617综采工作面特大底板突水灾害的发生,是其岩性场、应力场与渗流场耦合作用的结果.最后,提出了杨庄矿在回采过程中应采取的防治水安全技术保障措施.

基于AHP的脆弱性指数法煤层底板突水预测模型与应用

随着煤层开采深度的不断增加,煤矿生产过程中面临复杂的突水机理和多变的突水主控因素,使底板突水预测的难度不断增加。为准确预测底板突水危险性,采用脆弱性指数法求出各子因素的底板突水危险性权重,并利用层次分析法(AHP)划分底板突水危险阈值,从而建立煤层底板突水预测模型。分析整理了河南龙门煤业常村煤矿地质及水文地质资料,从突水水源、突水通道和隔水层3个方面将底板突水影响因素划分为含水层水压、出水量、注浆量、断层相似维、断层倾角、断层走向、断层落差和有效隔水层厚度等8个子因素;将底板突水危险性划分为5个区域:安全区[0.25,0.32)、较安全区[0.32,0.44)、较危险区[0.44,0.56)、危险区[0.56,0.70)、极危险区[0.70,0.85];建立了基于AHP的脆弱性指数法评价模型。与传统的突水系数法相比,基于AHP的脆弱性指数法评价结果具有较好的准确性,且划分更加精细合理,为矿井水害预测预报提供了科学的评价方法和理论依据。

机器学习技术在煤层底板突水预测中的研究现状

为了对煤层底板突水实现更加精准可靠的预测,减少矿井水害的发生。机器学习在煤层底板突水预测得到了广泛应用,对目前煤层底板突水预测的应用效果进行汇总分析,整理出当下煤层底板突水预测所存在的主要问题。底板突水预测技术存在的主要问题在于水文地质条件复杂且突水数据较少;煤层底板突水主控因素的选取对基于机器学习的煤层底板突水预测十分重要;算法模型的选取在泛化能力与过拟合问题起很大作用;深度学习的快速发展为底板突水预测技术提供新的方向,但在训练数据上仍然有较大的影响。对未来煤层底板突水预测技术发展进行了思考,对近些年煤层底板突水预测方法汇总并进行比较,发现目前技术所存在的利弊,对未来精准、高效地煤层底板突水预测进行展望。

基于层间截流封堵技术的矿井滞后突水治理

结合临汾市某矿突水治理实例,在分析构造、底板扰动破坏、隐伏导水通道基础上,进一步研究了残余有效隔水层在底板水压、两侧煤柱以及采空区中部顶板垮落压实综合作用下二次破坏的形式,确定此次突水是在底板扰动破坏和底板隐伏导水构造基础上,残余有效隔水层受底板水压向上牵引应力和煤柱支撑影响发生二次破坏形成导水通道造成的。并据此提出层间截流封堵治理方案,以110 m水平进尺快速揭露导水通道,注浆15500 t,突水量降低94%,水位抬升14.725 m,成功堵水。可为类似矿井水害治理提供有益借鉴。

基于应力-渗流耦合理论的突水力学模型

由于岩石渗透率的突跳现象与底板突水现象的力学机理相同,通过进行实验室三向应力下岩石渗流实验,从力学的角度对底板突水机理进行了合理的解释,并提出了底板突水的实用突水判据.结果表明:底板突水是由于底板应力场与承压水渗流场相互作用形成的,矿山压力导致底板隔水层中的裂隙扩展贯通是底板突水的必要条件,承压水在裂隙面的法向扩张力及切向剪切力大于裂隙面的内力是底板突水的充分条件.只有同时满足充分条件和必要条件时,底板突水事故才会发生,理论分析结果与现场突水规律一致.