弱富水软岩水-沙混合型突水机制与防治技术——以上海庙矿区为例

近年来我国西北侏罗纪煤田弱富水软岩水-沙混合型间歇式突水事故多发,短时水(沙)量大,缺少有效的防范技术措施,严重威胁矿井安全生产。为揭示其形成机制以便于制定相应的防范措施,以内蒙古上海庙矿业新上海一号煤矿为研究对象,室内测试了岩石力学强度、软化系数等参数,井下实测了围岩松动圈,综合判定为典型的软岩地层;正交偏光镜下显示砂岩成熟度低,黏土质矿物胶结;水理性试验表明砂岩颗粒间泥质胶结物易产生溶蚀现象,能够形成固-液双相混合物,在水动力下具有流沙属性;泥岩极易吸水膨胀、泥化。根据含水层水位和地表岩移长期观测结果,推定低位覆岩内和高位覆岩内均可以产生离层裂隙,且离层裂隙具有汇集水源功能。将111084工作面突水溃沙过程中含水层水位历时曲线与水量历时曲线叠合考察,突水量与突水含水层水位升降变化之间有明显的相关性。初时突水量大、水位下降幅度也大;水量在趋于衰减过程中出现几次跃升,含水层水位在趋于回升过程中出现几次相应的跃降;跃升(跃降)的幅度梯次减小;两次跳跃时间间隔梯次延长。综合以上信息,提出离层裂隙的汇水作用可以强化弱含水层短时突水强度观点,弱胶结砂岩提供了混合突水的沙源;离层水体释放过程中水动力发生强弱变化,随着离层水体释放水动力减弱,大量泥沙封堵突水通道,表现出泥沙自封堵效应。覆岩持续压缩,离层裂隙储水能力逐渐弱化,表现为突水量梯次减小;离层水补给路径逐渐扩展,表现为突水休止期梯次延长。汇水—突水—封堵—再汇水—再突水—再封堵的过程交替进行,揭示了间歇性水-沙混合型突水模式的突水机制。离层水害发生需要具备水源(富水性)、时间、空间、通道、压力等5个必要条件,强调导水裂隙突水通道的重要性。工程应用表明,顶板水预疏干可以改变含水层的富水性条件,预置导流管改变离层空间封闭性和汇水时间条件,突水通道和压力条件,可以有效避免此类事故发生,保障矿井安全生产;同时可实现无顶板淋水、采空区无涌水状态下开采,优化采场作业环境、弱化软岩劣化效应,促进矿井高效生产。

弱胶结富水顶板采动巷道全锚索支护技术

为解决弱胶结富水顶板采动巷道支护难题,以色连二矿12307工作面回风巷为工程背景,采用数值模拟、钻孔窥视及现场实测等方法,研究了采动巷道围岩应力分布及顶板岩层破坏特征,分析了巷道围岩变形破坏原因,提出了"钢筋网护顶+横向布置的M钢带组合长短锚索+纵向布置的槽钢梁组合加固锚索"相结合的顶板全锚索支护技术。工程实践表明,采用上述支护方法,不仅可以防止顶板出现撕网及网兜现象,而且还有效控制了顶板下沉及离层,取得了良好的支护效果。

富水弱渗地层立井施工注浆加固技术

采用具有凝固强度高、无毒、阻燃、环保安全、初始粘度低、凝胶时间短的低孔隙溶胶类化学浆液作为注浆材料,制定了浆液扩散范围、注浆压力、注浆结束标准等注浆方案参数,完成了属于富水弱渗地层的文家坡煤矿风井井筒注浆施工,解决了工作面涌水大的技术难题。工程实践表明,针对富水弱渗地层地质条件的立井井筒化学注浆方案设计合理,技术措施可行。研究成果对类似工程有参考价值。

富水弱胶结地层地铁隧道裂隙水涌水量分析

针对复杂地质条件下浅埋地铁隧道裂隙水涌水量预测问题,文章以青岛地铁2号线枣李区间隧道为工程背景,基于等效连续介质模型,利用复变函数理论转换岩土体渗流区域和边界条件,推导了适用于浅埋地铁隧道涌水量的计算公式,确定了合理注浆圈参数;并建立了地铁隧道涌水量计算模型,通过流固耦合分析研究了不同注浆圈厚度条件下地铁隧道涌水量变化规律,验证了工程现场实测数据和数值模拟结果与理论解析值的吻合度。结果表明:隧道涌水量随着注浆圈厚度的增大或渗透系数的减小而降低;考虑到地铁隧道涌水量控制标准、经济合理性等要求,确定注浆圈厚度为4 m、渗透系数为0.009 8作为最优合理注浆圈参数;地铁隧道涌水量计算公式解析值与模拟值、实测值在误差允许范围内基本吻合,验证了计算公式的正确性和适用性。

弱胶结富水顶板留巷围岩变形特征与控制技术

为解决弱胶结富水顶板双巷布置工作面留巷支护难题,以色连二矿12309辅助运输巷为工程背景,开展了弱胶结富水顶板锚杆及锚索锚固性能试验,提出了以提高锚索锚固力为基础的分步支护与加固技术。通过巷道变形观测,分析了留巷围岩的变形特征。结果表明,留巷受本工作面采动影响主要为滞后影响,其中围岩变形剧烈影响区为工作面采后0~300 m区段,当留巷受下一个工作面采动影响时,其影响范围及影响程度较上一个工作面大幅降低,说明以提高锚索锚固力为基础的分步支护与加固技术是比较适合弱胶结富水顶板留巷的支护方式。

胡麻岭隧道富水弱胶结砂岩工程特性和施工方法

以胡麻岭特长铁路隧道为代表,第三系富水弱胶结砂岩地层成岩性差,遇水浸润(泡)易发生塑性流坍、滑移或产生外挤现象,施工难度极大。通过计算表明在大埋深、软流塑地层通过围岩加固和降水疏干采取矿山法施工可行。介绍了该地层暗挖施工工法、辅助工法及参数。施工实践证明技术体系适合,对胡麻岭隧道成功建设起到了重要技术支持作用。

富水弱成岩地层铁路隧道基底软化处治技术

某铁路隧道穿越主要地层为侏罗系砂岩、泥岩,其中砂岩为主要含水层,泥质胶结,成岩作用差,胶结强度低,遇水浸泡极易软化崩解,导致在隧道施工过程中存在拱脚掏空、基底软化等问题,造成施工困难,施工进度缓慢。针对本地层特点主要采取了洞内降水、基底换填、基底排水等一系列措施,保证了隧道安全有序的贯通。

富水弱胶结软岩巷道掘进顶板支护技术

为减少顶板支护位移值,提高支护稳定性,研究富水弱胶结软岩巷道掘进顶板支护技术。确定无偏差顶板巷道支护结构,从源头降低支护位移差值;预留最大富水弱胶结软岩巷道掘进错距,为支护结构提供最大受力形变位置;安装垂直支护固定桩,进一步降低支护结构的位移偏差值,进而实现富水弱胶结软岩巷道掘进顶板支护的稳定施工。施工结果表明,使用设计的支护技术后顶板支护位移偏差值较小,顶板支护效果更加稳定,极具推广价值。

深部矿井水害特征、评价方法与治水勘探方向

煤矿区深部含水层具有大埋深、高水压等特点,是深部煤层开采水害防范的主要对象。在分析深部矿井水害特征基础上,探讨了深部矿井地应力对裂隙水介质的力学作用机制,阐述了深部矿井裂隙水介质呈现“高承压、弱富水”的力学原因;基于古岩溶成因演化理论,结合水文地质勘探和野外调查,分析探讨了华北型煤田奥陶纪石灰岩顶部“古风化壳”的岩溶充填结构特征,并将奥陶纪石灰岩顶部“古风化壳”划分为“隔水充填带、弱隔(透)水充填带、富(透)水带”3种岩溶充填结构类型,给出了各类型确定的关键指标和阈值,明确了奥陶纪灰岩顶部存在隔水层的理论依据。将深部矿井煤层开采底板突水划分为“完整底板突水模式”和“集中破碎带底板突水模式”,分析了深部煤层开采底板含水层高水压作用下沿用传统的突水系数法( T s 法)评价底板突水危险性的局限性,引入隔水层厚度( M )和含水层钻孔单位涌水量( q )2个指标,结合突水实例分析,提出了“修正的突水系数法”( T s -M-q 法,适用于完整底板突水模式);在实验和实例分析基础上,提出“渗-流转换”突水评价法(适用于集中破碎带底板突水模式)。最后,基于深部矿井水害特征及突水模式,结合深部含水介质赋存、构造发育特征和地应力场方向,阐述了深部矿井水害精准查治一体化勘探关键技术。

突水系数理论在桃园矿区的实践

实践中发现淮北桃园矿各工作面按突水系数理论计算得出的突水系数,在参考临界突水系数评价底板突水与否时,常出现一些特殊的情况,如有时计算出的突水系数高于临界突水系数却没有发生突水事故;有时计算得出的突水系数低于临界突水系数却发生了突水事故。通过对桃园矿的地质条件进行分析,并结合突水系数理论的原理解释其存在的合理性。认为从地质条件的实际出发,先进行地质分区再利用突水系数理论评价会有更高的准确性。

富水弱胶结砂岩地层隧道施工稳定性分析

针对富水弱胶结砂岩地层隧道施工,以中兰铁路香山隧道为工程背景,通过数值模拟对不同天然水位线高度下隧道模型的渗流场和位移场进行了分析,研究了水位变化对隧道围岩稳定性的影响。结果表明:不采用降水措施进行隧道施工时,隧道出现临空面,被挖空隧道部位孔隙水压力为0,形成漏斗形渗流场,随着水位的增高,水力梯度会增大,隧道围岩位移场呈非线性增速增涨。新近系弱胶结砂岩在自身胶结性较弱、处在自然水位线下的Ⅲ级弱胶结砂岩等级时,施工需考虑采用其他辅助工法如超前注浆、提前降水等配合施工。

承压水体上开采Ts-q双因素安全评价方法研究

淮北矿区位于华北煤田东南缘,属华北型煤田,临涣、涡阳矿区位于该矿区南西块段。该区开采的二叠系下统山西组10煤层受下伏太原组灰岩水突水威胁。通过研究淮北临涣、涡阳矿区构造地质及太灰水文地质条件,界定了太灰含水层高承压弱富水的水文地质特征。经统计分析淮北、肥城等矿区200多个突水点突水系数与隔水层厚度、含水层钻孔单位涌水量之间的关系,提出了Ts-M、Ts-q承压水体上开采突水系数安全评价方法,解决了煤矿深部承压水体上开采安全评价依据不充分、防治水工程量大等问题。

软岩巷道过断层预注浆加固技术及效果评价

为了预防上海庙矿区掘进巷道遇断层突水,以新上海一号煤矿治理FD5断层破碎带为例,说明了断层和巷道掘进区域顶底板水害问题,提出了“垂向钻孔超前预注浆+连排隔水帷幕”的治理思路,针对胶结疏松的的弱富水软岩岩体结构对注浆改造方案进行比选,择优选择了地表垂向钻孔预注浆方案;根据巷道掘进区域煤层和断层的空间关系布置了3排钻孔形成连排隔水帷幕。参考东部岩溶隔水帷幕经验,变更设计了适合此矿区的钻孔结构等施工工艺和各项注浆参数。注浆结束后采用单位吸水率、注浆终压、抽水试验水位观测、注浆体取芯和注浆量变化等方法对注浆效果进行综合评价。结果表明,对于侏罗系煤田弱富水软岩中断层预注浆,垂向钻进注浆改造方案可以有效保证巷道掘进的安全,减弱涌水强度。

富水弱胶结地层大断面隧道施工方案优化与工程应用研究

在富水弱胶结地层中,隧道施工极易诱发围岩坍塌或支护结构大变形。以兰渝客运专线桃树坪隧道3#斜井工区正洞段为研究背景,提出了一种适用于富水砂岩地层的“底部双导洞超前”施工工法。同时采用真空轻型井点+集水井的联合降水方案进行隧道内超前降水,以降低施工难度;采用数值分析和现场监测的方法对方案的合理性和有效性进行分析与评价。结果表明,隧道在采用“底部双导洞超前”施工工法时,拱顶沉降和净空收敛值分别为50 mm、32 mm;其支护结构上的最大接触压力为135.3 kPa;支护结构的变形和受力均在允许范围之内,隧道结构安全、稳定。“底部双导洞超前”的施工工法已成功应用于桃树坪隧道,可为后续富水弱胶结地层或软弱岩层中的超大断面隧道施工提供参考和借鉴。

杨庄矿6煤底板深部岩溶裂隙水体特征研究

为了防止杨庄矿6煤深部开采时底板灰岩岩溶裂隙水涌入工作面,对杨庄矿6煤底板灰岩水进行了水文地质特征调查研究.运用钻探资料统计分析,并结合放水试验、抽水试验、示踪试验等现场水文地质勘探试验成果研究了石灰岩岩溶发育与岩层和垂深的关系.研究结果表明:薄层太灰岩裂隙随埋藏深度增加呈现出闭合状态,而巨厚层奥灰岩溶不受排泄基准面控制,在垂向上普遍发育;岩溶裂隙垂向发育规律说明当深部煤层开采时,有一类深部矿井水体存在弱富水、高水压的水文地质特征.依据杨庄矿6煤底板深部岩溶裂隙水体特征提出以一灰、二灰为治水关键层的深部岩溶裂隙水害治理方案.