西部典型矿区风积沙含水层突水溃沙的起动条件与运移特征

突水溃沙是西部矿井地质灾害的主要类型之一,为研究突水溃沙灾害的临界判据与水沙运移特征,以榆横矿区含水层风积沙为例,采用自主研发的水沙两相高速渗流试验设备,对4种不同粒径范围的风积沙进行了沙粒起动试验和溃沙试验,对混合风积沙进行了水沙两相高速渗流试验。得到了影响突水溃沙的2个临界速度条件:第一临界速度即沙粒起动速度,为0.38~1.26 mm/s;第二临界速度即溃沙临界速度,为2.48~3.54 mm/s。试验结果表明:体积膨胀是沙粒群起动的必要条件,突水溃沙灾害是起动的风积沙由量变逐步积累到质变的物理过程,分为3个阶段:(1)水携沙流动,(2)水沙混合流动,(3)沙携水流动。沙粒起动是水动能转变为沙动能的过程,溃沙时水沙混合流体运动表现为颗粒群浓度波传播的特征,沙粒间通过碰撞的形式传递能量。溃沙速率随初始水力梯度的增大呈指数增长,单位时间内溃沙量随水力梯度的增大而呈线性增加。

软岩矿区顶板弱含水层高强度携沙突水机理研究

近年来西北侏罗纪煤田由弱含水层引起的顶板高强度携沙突水案例多发,为查明弱含水层出大水的机制和沙源,以便于制定防治措施,从分析软岩特点入手,提出了采后覆岩移动力学结构模型"新四带"观点及实践依据,指出了形成离层水害的4个条件,明确了离层汇水作用强化了弱含水层的突水强度、泥沙自封堵作用决定了间歇式突水模式。通过案例分析,证明了上述观点的正确性,为此类事故防治提供了理论根据。

基于运用“双图”评价技术的突水原因实例分析

以软岩矿区一次顶板突水为案例,提出了富水性指数概念和计算方法以及突水危险性指数概念和计算方法,通过这2个指数分别绘制富水性和突水危险性等值线图(称“双图”),运用此“双图”分析了工作面突水原因;同时探讨了软岩条件下突水溃沙的机理。结果表明:既位于富水区同时又位于突水危险区是矿井突(涌)水的充要条件,离层汇水作用和岩石弱胶结特点共同决定了水中携沙的特殊突水机理。研究结果可为后续资源开采制定相应措施和避免类似事故的发生提供了依据。