浅埋薄基岩顶板采动突水溃砂固流耦合相似模拟试验研究

突水溃砂作为一种新型的矿井地质灾害,具有隐蔽、突发、难监测、破坏强等特点,因此,探究覆岩采动劣化特征及突水溃砂致灾机理对松散层水害防控具有指导意义。首先,通过相似材料配比与测试试验,研究了不同材料配比对材料强度、渗透特性的影响机制,并研制出一种适宜于模拟松软岩层的新型固流耦合相似材料;然后,借助采动煤层顶板涌水溃砂灾害模拟系统,进行了浅埋薄基岩、中厚基岩的单一含水结构盖层以及薄基岩含隔双层结构盖层条件下开采的相似模拟试验,分析了不同地层结构的采动裂缝空间劣化-贯通及水砂起动、运移、涌溃灾变特征,揭示了浅埋薄基岩采动突水溃砂致灾机理。试验结果表明:新型固流耦合相似材料兼具耐水、抗崩解、抗软化、低渗透、低强度、低塑性的特性,且渗透系数随碳酸钙含量的增加呈负指数衰减,单轴抗压强度呈现二次多项式增长的特点;初次来压和第一次周期来压阶段是浅埋薄基岩采动覆岩劣化诱发突水溃砂的高发期,采动裂缝平面呈“OX”分布,随基岩与松散层底部黏土层的厚度增加,覆岩由拉剪破坏逐渐转变为拉张破坏,裂缝形态由“垂向直通形”转变为“倒楔形多层交错叠加组合”,裂缝开度减小,通畅度变差,可降低诱发突水溃砂风险几率与危害程度;通道开度(宽度)与砂体粒径的相对关系(简称“裂粒比”)以及通道通畅度是决定突水溃砂发生与否及致灾程度的关键。

厚松散层底部土层抗渗透破坏突水溃砂研究

为了探究厚松散层底部土层抗渗透破坏特征,以兴隆庄煤矿巨厚松散层薄基岩下开采四采区浅部资源为工程背景,通过对上、下2组土样进行颗粒级配、微观测试、抗渗透试验、安全临界水头高度理论计算等综合分析,探究山西组3煤层上覆含水层发生突水溃砂的临界条件。研究发现:土样的颗粒级配及颜色变化差异较大,粒径小于0.075 mm的细粒土的质量分数,上组的不到30%,而下组的高达70%;上组土样以长石为主,长石质量分数超过90%,结构疏松,SiO_(2)质量分数高,属于典型的砂性土类;下组土样以高岭石为主,质量分数超过70%,结构致密,Al_(2)O_(3)质量分数高,属于典型的黏性土类;确定了不同裂缝宽度下临界水压及临界水力坡度量化取值,随着裂缝宽度不断增加,临界水压和临界水力坡度均呈现逐渐下降的趋势,当裂缝为20 mm时,均出现明显拐点;理论类比计算了安全临界水头高度,初步确定了研究区第四系底部含水层允许安全水头高度为54~70 m,通过与实际水头值对比,分析认为正常开采条件下该区域不会发生突水溃砂渗透破坏事故。

基岩风化带性质对顶板突水溃砂的影响研究——以赵固一矿为例

基于赵固一矿上覆巨厚冲积层多含水层(组)薄基岩的特点,冲积层下部砂砾含水层水压达到4.0 MPa,为高水压含水层。为确定基岩性质对顶板突水溃砂的影响,保证多含水层(组)薄基岩区的正常回采,对水文勘察孔所取基岩岩样进行点荷载、干燥饱和吸水率和室内崩解试验,通过分析岩样各项试验指标随深度的变化曲线,确定基岩性质及其对留设防砂煤柱的影响。试验表明:基岩风化深度超过20 m;距离冲积层底界面0~6.5 m垂深范围内的泥类岩干燥饱和吸水率大于15%,遇水崩解多呈泥状、碎岩片和碎块泥,隔水性能良好,可以有效弥合采动裂缝,可以作为防水煤柱的保护层;冲积层底界面下部0~11.4 m的风化泥岩强度低于4.0 MPa的冲积层下部细砾含水层水压力,防砂煤柱的保护层不能全部由风化泥岩构成,提出防砂煤柱保护层厚度需要大于11.4 m;砂岩耐崩解性强,干燥饱和吸水率远小于泥类岩,阻隔水性能较差,防水煤柱保护层不可以全部由风化砂岩构成。风化砂岩强度大于4.0 MPa的冲积层下部砂砾含水层水压,可以有效抵御上覆水头压力。

冲积层高水压含水体下工作面突水溃砂机理分析

冲积层砂砾含水层导致的工作面的突水溃砂事故,对人员安全和设备有重大威胁。赵固一矿大多数薄基岩工作面在留设防砂安全煤(岩)柱的条件下可实现安全开采,但在特殊水文地质条件下仍有工作面发生突水溃砂事故。在分析归纳多起突水溃砂事故的基础上,总结了防砂煤(岩)柱失稳的主要类型,认识了特殊水文地质条件下事故的形成原因,查明了突水溃砂的形成机理。研究结果表明:工作面出现压架事故,顶板岩层持续抽冒造成超限开采,导水裂缝带波及砂砾高水压“天窗区”是致灾的关键因素。建议采取加强顶板管理,论证支架支承力适用性,适当留设保护煤柱,加强冲积层探测,针对性调整采动影响等预防技术措施。研究结果对我国类似条件的工作面安全开采具有借鉴价值。

含红土层薄基岩工作面突水溃砂机制与影响因素模拟研究

针对煤矿松散含水层下薄基岩工作面顶板发生切落,导致突水溃砂灾害事故,以陕西省郝家梁煤矿30108工作面突水溃砂灾害事故为背景,从理论上分析突水溃砂的发生机理,通过数值模拟方法再现了在基岩厚20 m、红土层厚40 m、开采高度6.5 m、推进20 m左右时工作面发生突水溃砂的过程,并进行了影响因素分析。研究发现,在薄基岩、厚红土层条件下,红土层的自身特性对裂隙带的发育有明显的抑制作用,导水裂隙带发育不完整、不充分,但是在多个相邻工作面连续开采的过程中,红土层强度受采动影响和水的渗透侵蚀作用而逐渐降低,裂隙带高度逐渐发育升高,当红土层强度降低约47%时,后续工作面开采过程中顶板易发生切落导致突水溃砂事故。进一步模拟发现,除红土层自身特性外,影响覆岩破坏导致工作面突水溃砂的主要因素还包括基岩厚度、红土层厚度、开采高度等。因此,系统研究导致矿井发生突水溃砂的机理以及主要影响因素对类似条件矿井预防同类事故发生具有重要的现实意义。

顾北煤矿1542(3)工作面突水溃砂风险分析

为研究突水溃砂风险对煤层工作面开采的影响,以顾北煤矿1542(3)工作面为研究对象,利用经验公式计算煤层开采过程中的垮落带和导水裂隙带高度;并通过FLAC^(3D)软件进行数值模拟,推算出顾北煤矿1542(3)工作面垮落带高度为20m,导水裂隙带高度为35m,均小于由经验公式计算的最高值。再利用经验公式计算该工作面的临界水力坡度值与实际水力坡度值,并将二者进行比较,发现溃砂风险发生的可能性较低,说明该工作面的开采工作是安全可行的。

薄基岩工作面突水溃砂致灾过程模拟研究

为了直观地研究薄基岩工作面突水溃砂致灾过程,以陕西郝家梁煤矿为背景,构建薄基岩煤层开采及水砂体沿裂隙运动的离散元数值模型进行模拟研究。煤层开挖过程中伴随着上覆岩层的应力释放与传递,基岩厚度薄难以形成承载能力较强的铰接结构,覆岩产生的裂隙通道导通含水层与工作面,从而引发突水溃砂灾害事故。进一步对松散颗粒物在有无水压力时其沿裂隙溃入工作面速率进行对比研究,无水压作用时相对稳定,有水压时裂隙开口处溃砂速率可分为“增长-稳定-再增长稳定-衰减”四个阶段。

采掘中突水溃砂机理研究现状及展望

从理论研究、室内试验等方面总结了煤矿突水溃砂机理的研究现状,指出上覆松散含水层的水头压力与溃砂通道宽度是建立描述突水溃砂机理的关键。通过对目前生产实践中采取的防治措施及安全评价方法的研究,认为应在综合评价影响采掘溃砂因素的基础上建立预测预警模型。并针对采掘溃砂过程中一些尚未解决的科学问题,诸如溃砂定量预测与计算、试验的可视化、采掘风险评价等。提出了"以颗粒物质的流动行为来深入认识溃砂产生的机理"这一观点,并引入了透明土试验技术,在深层次上揭示采掘溃砂过程机制、水砂混合物在岩体裂缝和破碎岩体中的运移规律的基础上,建立煤矿采掘溃砂安全评判模型,为松散含水层下安全开采提供技术支撑。

厚覆基岩下煤层开采突水溃砂机理研究

为了揭示较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂灾害的形成机理,以照金煤矿突水溃砂事故为例,结合最新补勘地质资料,从导水通道、充水水源、物源、储水空间、动力源和地质构造等多方面对该类型灾害机制进行综合分析。研究结果表明:在采动条件影响下,富水性弱~中等的洛河组含水层也可能发生破坏极大的水害事故;较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂的发生并非单一因素造成,而是由多个因素相互作用最终造成水砂混合流运移和突溃的现象;照金矿202工作面综放开采产生的导水裂隙带导通洛河组含水层,水进入宜君组与直罗组之间的离层空腔,随着积水量增加,渗入煤系含水层和古河床相松散体中形成似泥石流体,并会沿工作面切落形成的集中通道瞬间溃入工作面,导致煤层顶板上覆较厚基岩发生突水溃砂。

采掘诱发高势能溃砂灾变机理与防控研究与展望

采掘诱发高势能溃砂是威胁矿山生产和矿工生命安全的重大灾害,其发生机理与防控原理不同于矿井突水和浅部流砂,具有突发性强、蓄能高、破坏力大、防控困难等特点,亟需在以往研究基础上,对高势能溃砂灾变机理和防控原理开展研究。结合矿山深部开采和高强度开采实际,以赋存—形成—运移—预测—防控为主线,采用地质勘查与建模、物质成分和结构测试、野外及井下长期观测、监测预警、透明土离心模型试验、渗水力模型试验、理论研究和数值模拟等方法,围绕矿山采掘诱发高势能溃砂启动与灾变机理、高势能水砂混合流在采动覆岩裂隙带和垮落带中的运移规律、高势能溃砂注浆扩散凝固机理、挡砂墙渗透失稳机理等关键科学问题,重点研究高势能溃砂形成的地质背景、启动判据、灾变机理、运移规律、辨识评价和防控原理等内容,建立高势能溃砂的危险源辨识、预测评价、灾变机理、运移规律、预警救援、治理恢复的系统防灾减灾救灾的溃砂防控理论及关键技术体系。研究结果将为解决我国采掘诱发高势能溃砂、突破高势能溃砂灾害防控的技术瓶颈提供理论支撑。由于工程诱发灾变过程和结果的不确定性,将高势能溃砂防控向深层次、多结构、多维度、多决策的综合防灾减灾体系拓展,是今后矿山重大地质灾害防控的重点方向。

哈拉沟煤矿垮落带破碎岩体溃砂的离散元数值模拟研究

采用离散元模拟了垮落带波及到松散砂层时导致的突水溃砂灾害。以神东矿区哈拉沟煤矿22402工作面为原型,采用分形理论分析了垮落带破碎岩体的块度分布特征,并利用离散元方法(DEM)根据破碎岩体的块度分布生成不规则碎石,建立了垮落带破碎岩体溃砂数值模型。模拟结果表明:垮落带破碎岩体间空隙较大且连通性好的通道会形成溃砂优势通道,垮落带残余的空洞空隙可以储存溃落的松散砂;大小不均、堆积混杂的垮落带破碎岩体对溃砂速度具有一定的阻挡作用,松散砂在溃砂通道内流动的速度分布呈纺锤形,通道中间的速度大于壁面的速度。

近松散含水层溃砂机理及判据研究

深厚松散层下煤碳滞压量巨大,提高开采上限是近松散层下安全采煤的重要研究课题。基于海孜煤矿西部井松散层下浅部采区压煤问题,通过相似材料模拟试验及理论分析,从覆岩裂隙破坏发展规律及松散层砂土颗粒性质入手,研究工作面溃砂机理,试验结果和理论分析基本吻合,同时提出工作面溃砂判据,研究结果对合理留设浅部工作面安全保护煤(岩)柱,最大限度提高开采上限具有现实指导意义。

浅埋煤层开采突水溃砂的颗粒流模拟研究

为研究浅埋煤层开采下突水溃砂的覆松散层渗透破坏、水砂耦合流动及突涌规律,指导预防突水溃砂灾害的发生提供依据,采用二维颗粒流软件PFC2D分别对上覆松散层渗透变形破坏、水砂混合流运移过程进行数值模拟研究,建立了浅埋煤层开采突水溃砂的数值模拟模型。结果表明:上覆松散含水层的初始水压力与裂隙通道的宽度对松散层的渗透变形破坏过程有较大影响。当含水层初始水压力增加时,裂隙处流体的流速、颗粒间的接触应力均明显增加,且呈现出非线性增长趋势;水砂混合流的突出时间以及突出速度与裂隙通道的倾角、粗糙度相关。同时根据水砂混合流的Y方向突出速度大小的波动变化规律,预测了2种可能存在的水砂突出类型;含水层的初始水压力影响突水溃砂的发生及运移过程,由此提出了通过疏放松散层水来预防突水溃砂灾害发生的方法。

松软砂岩含水层下煤矿开采溃砂预测

以地下水动力学为基本原理,建立了以渗透破坏的临界水力坡度为条件的预防溃砂发生的临界条件和预计公式.并以铁北煤矿为例,计算得出了该矿预防溃砂发生的水头高度,为矿区制定防止突水溃砂工程方案提供理论依据.

地下松散层内疏放水钻孔溃砂量模拟试验

本文通过室内模型试验研究地下疏放钻孔揭穿松散含水层时影响溃砂量大小的因素,试验模拟了6种不同直径的疏放水钻孔揭露4种不同粒径的含水砂层时,溃砂量与钻孔直径和砂粒径之间的关系。试验表明:砂粒径越小,最终溃砂量越大。对于同一粒径的砂来说,钻孔直径越大,溃砂的速度越快,溃砂量随时间呈直线下降;钻孔直径小于15mm时,溃砂速度比较缓,溃砂量随时间变化的曲线为抛物线。

鄂尔多斯盆地巨厚白垩系下煤层开采突泥溃砂物源及成灾模式

鄂尔多斯盆地是我国煤炭储量最大、煤质优良的富煤区,盆地腹部为厚度达数百米至上千米的巨厚白垩系含水砂岩层覆盖。近年来,随着盆地周边煤炭开采逐渐向腹地延伸,巨厚白垩系覆盖区侏罗系煤炭开采的一些矿井,发生了严重的突泥溃砂事故,给煤炭安全开采造成严重威胁。通过地质理论分析和区域露头地质调查,认为白垩系底部与中侏罗系顶部接触带(K_(1)/J_(2))存在古风化壳,具备突泥溃砂的地质组成条件。进一步测试分析了古风化壳岩体结构、物质组成、粒度组成、水理性质,进行了点荷载强度试验和原位大型剪切试验;表明古风化壳岩性以泥质砂岩、泥岩为主,岩体结构在垂向上具有全风化土壤层、强风化碎石层、中-弱风化裂隙块石层的分带特征,天然状态下粒度组成以角砾为主,浸水后泥砂颗粒含量明显增大,遇水存在不同程度的泥化、崩解、碎裂性质,总体属于含泥砂量较高的软弱破碎岩体,岩体强度较低,整体性质与松散泥质砂性土类似,是区域上白垩系覆盖区煤炭开采突泥溃砂的主要物质来源。分析了K_(1)/J_(2)古风化壳下采动突泥溃砂的综合水文工程地质条件,给出了隐伏古风化壳识别方法,提出了K_(1)/J_(2)古风化壳下采动突泥溃砂灾害评价工程地质模型。

注浆治理冲积层放顶煤综采工作面冒顶溃砂

文章系统分析了在巨厚冲积层下开采防砂、防塌煤柱时 ,顶板发生抽冒流砂事故的原因 ,采取打破以往常规的处理办法 ,采用高压劈裂注浆方法治理顶板冒顶溃砂事故 。

韩家湾煤矿浅埋煤层富水区下溃砂突水性预测

针对韩家湾煤矿三盘区富水性中等有突水危险的问题,为了安全有效地开采2^(-2)煤层,以地下水动力学为基本原理,建立了以渗透破坏的临界水力坡度为条件的预防突水溃砂发生的临界条件和预计公式,计算得出了该矿预防突水溃砂发生的临界水压的高度,为韩家湾煤矿制定矿井防治水工程方案提供理论依据。

基于结构水文地质学的采掘诱发高势能突水溃砂主动防控

在谷德振先生"水文地质结构"学术思想指引下,本文提出建立结构水文地质学的设想,论述了其基础理论框架。从方法论角度将矿山水害防控分为被动防控和主动防控两种方法。以结构水文地质学指导煤矿高势能突水溃砂防控,分析了被动防控可能产生突水溃砂灾害的机理;提出了主动地质工程防控的原理,包括地质材料性质改造、结构隔水性能重构、赋存水动力环境改造、减轻采掘诱发覆岩破坏等具体方法。抛砖引玉,以期催生符合中国矿山防治水实践需要的创新理论和方法。

矿山采掘岩体渗透变形灾变机理及防控Ⅰ:顶板溃水溃砂

矿山采掘诱发顶板溃水溃砂灾害防控正成为制约矿山安全的重要瓶颈。从成灾机制、运动规律和危险性评价等方面综述了顶板溃水溃砂研究的主要进展和趋势。溃水溃砂的成灾工程地质机制分为4类:直接或间接揭露松散含水层、导水裂隙带沟通松散含水层渗透破坏、人为钻孔沟通松散含水层、软弱覆岩遇水劣化(崩解泥化)伴随顶板裂隙水或离层水突出的溃水溃砂成灾模式。溃水溃砂的运动规律研究获得了水砂混合物经出口、单裂隙、交叉裂隙网络和垮落带的运动特征,建立了溃水溃砂定性和定量的评价方法,提出了溃水溃砂主动防控方法等。最后,提出了顶板溃水溃砂机理及防控应该重点解决的关键科学和技术问题,包括建立顶板溃水溃砂工程地质数字孪生模型,揭示溃水溃砂通道形成机理,建立反映溃水溃砂全过程运动方程,加强监测预警技术、实际赋存环境模型试验技术、高效注浆关键设备等关键技术和设备研发等。