隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究

既要防治煤矿突水灾害又要保护矿区水资源,实现保水采煤是绿色开采技术的核心内容之一.通过研究建立了保水采煤的隔水关键层矿压模型,同时提出了可用于指导开发保水采煤技术的隔水关键层原理.隔水关键层模型有3层含意,即软弱层岩性隔水、坚硬层结构隔水和裂隙通道弥合隔水.保水采煤原理可分解为4个步骤,即隔水关键层位置判别、结构稳定性判别与控制、渗流稳定性判别与控制以及渗流突变通道控制.保水采煤的隔水关键层原理在采场顶底板突水灾害防治中得到了成功应用.

基于隔水关键层原理的断层突水机理分析

因煤矿突水中大部分突水是与断层破裂带有关,应用隔水关键层原理分析断层突水机理是非常有必要的.首先根据断层的形成机理及其位置分析了断层突水的原因,探讨了煤层断层的突水条件;然后基于隔水关键层原理建立了含隔水断层的隔水关键层活化力学模型,理论解析了隔水断层在矿压和水压作用下的断层活化滑移条件,最后分析了顶、底板隔水断层的断层活化突水机理,得出了在矿压和水压共同作用下的断层采动活化突水条件.

保水开采隔水关键层的基本概念及力学分析

提出了在控制采场顶底板水运移中隔水关键层的概念,建立了复合隔水关键层的基本力学模型,进而对具有5层岩层组成的复合隔水关键层进行了相关的强度和刚度分析,给出了不同组合的阻隔水能力判定.从岩层运动与水体运移的视角提出了保水开采的矿压控制思路,为开发水资源保护性的煤矿绿色开采技术提供了相关的技术途径.

承载关键层、隔水关键层和渗流关键层关系初探

在分析岩层变形-渗流耦合系统的复杂性特征的基础上,提出应用复杂系统动力学理论解释突水机制的初步设想.研究表明:在承载关键层破断前,承载关键层同时也是隔水关键层,但一般不是渗流关键层;在承载关键层破断后,承载关键层不再具有隔水作用,隔水作用最强的某一软弱岩层成为隔水关键层和渗流关键层;当渗流参量满足一定的条件,渗流发生Lyapunov意义下的失稳,引发突水;岩层变形-渗流耦合动力学系统是具有非连续性、非均匀性、非线性、控制参量时变和边界时变等特征的复杂系统.只有将承载关键层理论、隔水关键层理论和渗流关键层理论相互融合,并且将复杂系统动力学的思想和方法引入突水防治理论研究,才能从本质上描述突水的过程.

深部开采底板隔水关键层受局部高承压水作用破坏理论分析

大量实测地质资料与防治水实践证实,深部煤层开采底板含水层存在大量的局部高承压水区域,在强开采扰动下极易诱发底板突水灾害。基于"下三带"、"关键层"理论,将局部高承压水与底板隔水关键层简化为圆筒力学模型,分析研究隔水关键层在局部高承压水作用下的屈服破坏机制,得到了隔水关键层发生屈服的4个临界水压值公式;对各临界水压值进行区间划分,分析不同区间隔水关键层的屈服状态,确定了局部高承压水致使隔水关键层屈服破坏两个阶段的水压判据平衡方程,得出了奥陶系顶部岩层作为隔水关键层剩余隔水能力的计算表达式,并反演得到了开采深度上限、下限公式。结合九龙矿深部开采实际,对所建力学模型进行了验证与应用,进而提出了防止局部高承压水致灾的相关措施,对实现深部煤层安全带压开采具有重要的理论指导意义。

采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据

针对承压水上倾斜煤层底板岩层所受载荷的非对称特征,在考虑沿煤层倾斜方向存在一定水压梯度的情况下,依据隔水关键层理论,建立了线性增加水压力作用下的底板倾斜隔水关键层模型。采用弹性薄板理论,分析了倾斜隔水关键层的力学特性,揭示了底板倾斜隔水关键层在其长边中点偏下的位置最容易出现拉伸屈服破坏。最后,采用Griffith和Mohr-Coulomb两种屈服准则,在判断出底板倾斜隔水关键层上最可能发生屈服破坏位置的基础上,推导了基于拉伸和剪切破坏机理的采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据,并应用于现场倾斜煤层底板隔水关键层的稳定性分析。

基于隔水关键层水压计算及突水分析

为了对矿井突水问题有更深入的认识,依据隔水关键层理论和弹性力学,对有无断层影响下的临界水压进行了公式推导,分析了断层条件下临界水压随断层倾角的变化情况,并和无断层条件下隔水关键层的临界水压进行了对比,以及分析了底板卸压区长度对临界水压的影响。结果表明,临界水压随着断层倾角的增大经历了先增大、后减小的过程;断层降低了临界水压;卸压区在一定范围内时,即使断层存在,隔水关键层的阻水能力也是很强的;卸压区越长,断层对临界水压的影响越小。

基于隔水关键层突水系数法的海底隧道施工突水危险性分析

突水是海底隧道施工阶段最大的安全风险,而且突水事故多发生在不良地质段.为了更好地控制海底隧道不良地质体施工突水风险,本文对海底隧道的突水模式及其影响因素进行了分析,指出海底隧道突水事故多与隧道开挖引起的围岩变形破坏有关,而未破坏岩层的研究对于突水的控制至关重要.因而,重点对海底隧道不良地质体顶板突水机理进行分析,引入隔水关键层的概念及判别条件,将隔水层关键层突水系数作为海底隧道顶板突水判断标准,以厦门海底隧道左线F1风化槽为例,对隔水关键层突水系数的影响因素进行分析,并将突水系数法应用于F4风化槽突水预测,证实了突水系数法的可行性和适用性.

古交矿区奥陶系顶部隔水关键层厚度研究

文章以古交矿区屯兰矿为例,通过补充钻探、抽水试验、井下物探、岩矿测试等手段,运用有关的理论、技术、方法,分析了屯兰矿奥陶系顶部峰峰组和上马家沟组岩溶发育特征,研究了奥陶系顶部隔水关键层厚度。研究表明,古交矿区屯兰矿峰峰组上段上部近30m厚的古风化裂隙充填带和峰峰组下段约70m厚的第一泥灰岩石膏层可分别作为防峰峰组局部中等富水区和上马家沟组中—上部第二、三含水层组突水的隔水关键层。

水体下采煤隔水关键层的判别与应用

地层的岩性和结构特征是水体下安全开采的重要因素,由岩层控制方面的"关键层"理论引出"隔水关键层"概念。通过分析隔水关键层的作用机理,从结构稳定性和渗流稳定性两方面来分析判断覆岩中是否存在隔水关键层,进而判断开采过程是否存在突水危险。

煤矿顶底板隔水关键层分析与破坏能力评价

为了研究煤矿顶底板隔水关键层及其破坏能力,根据采空区分布平面和主要含水层,分析了煤层顶底板物理力学参数和煤层隔水层结构,采用理论公式计算了煤层顶底板破坏高度和深度,采用数值模拟软件,分析了一采区、二采区和三采区顶底板破坏范围随工作面推进距离的变化规律。研究对实现煤层带压安全开采具有重要的指导意义。

水体下采煤隔水关键层的判别与应用

近年来,我国经济和煤矿事业呈现了协同发展的趋势,从煤矿工程整体工作角度来看,煤矿采煤是非常重要的一个环节,为了确保煤矿采煤的可靠性及安全性,有必要做好煤矿采煤过程中的一些细节工作。尤其是在水体下采煤隔水关键层当中,有必要采取相关技术,做好其关键层的判别及应用等方面的工作。文章重点针对水体下采煤隔水关键层的判别与应用展开探究,希望以此为水体下采煤工作的优化及完善提供一些具有价值的参考建议。

矿井隔水关键层机理与防治水技术

为了提高矿井防治水技术的水平,介绍了隔水关键层的概念、模式、分类、影响因素、隔水关键层机理,针对水害中最常见的两种奥灰水害和采空区水害进行了相关防水技术的讨论。最后,就采煤行业的流程"巷道掘进阶段-工作面回采前-工作面回采过程"整体上论述了如何根据隔水层机理应用防治水技术。

矿井隔水关键层机理与防治水技术探讨

本文以奥陶系灰岩为例分析了煤矿水害的形成机理,概括了煤矿隔水关键层原理。在此基础上,以某地煤矿为例,总结了在巷道掘进和工作面回采等阶段的实践中所采取的几类防治水措施。

隔水关键层原理在保水采煤中的应用初探

重点对隔水关键层的基本工作原理进行了分析,研究了在保水采煤工作中应用隔水关键层的主要技术要点,最后结合实际案例,分析了隔水关键层的主要应用价值,希望能够通过对隔水关键层的合理应用,达到提高保水采煤整体质量的目的。

水-力耦合下隔水关键层渗透性演化特征

隔水关键层对水体及含水层下煤层安全开采影响重大。为了研究隔水关键层渗透性演化规律及采动隔水关键层的隔水性能,以新安煤矿15130工作面水库下采煤为工程背景,开展隔水关键层水-力耦合渗流试验和采动隔水关键层隔水性能数值模拟试验。结果表明:承载压缩下隔水关键层渗透系数-应变曲线可分为4个阶段,且与应力-应变曲线的4个阶段对应,分别为渗透系数骤减阶段、渗透系数缓慢递减阶段、渗透系数缓慢回升阶段、渗透系数骤增阶段;压密阶段围压的变化更容易引起隔水关键层渗透系数的变化,水压与渗透系数在1~2 MPa范围内不成正相关关系;15130工作面上方隔水关键层在采动影响下发生弯曲变形,但整体上看,隔水关键层依然具有良好的隔水性能。研究结果对水体下采煤具有一定的借鉴意义。

漳村矿峰峰组隔水关键层孔隙性实验研究

随着诸多华北石炭二叠系煤田进入下组煤开采，研究奥陶系峰峰组地层岩溶发育规律及能否为下组煤开采提供隔水屏障十分重要．以潞安矿区漳村矿下组煤补充勘查漳54号水文地质孔为取样孔，通过岩石薄片鉴定、X射线荧光光谱分析、岩石微结构分析等综合试验，分析了峰峰组岩性、孔隙结构特征及其垂向分布规律．研究表明：峰峰组上段为泥晶至细砂晶灰岩，下段为石膏与白云岩互层；上段灰岩孔隙类型以晶间孔隙、溶蚀孔隙、缝合线等次生孔隙为主，为泥质、方解石、石膏充填，岩溶不发育，平均孔隙度仅1．15％，体积中值孔径0．0288μm，面积中中值孔径0．0098μm，最大连通孔喉直径约0．02～0．04μm，细小和超毛管微孔隙占总孔隙体积的70％以上，重力和毛细水运动微弱，属于低孔隙低渗透性介质；峰峰组上部和下部存在隔水层，中间为弱含水层岩性组合，峰峰组可利用隔水关键层的厚度为142m．为判断、确定奥陶系顶部隔水关键层提供了岩石学和微结构方面实验依据．

基于隔水关键层理论的倾斜煤层底板突水危险区域分析

依据隔水关键层理论,在建立线性增加水压力作用下底板倾斜隔水关键层力学模型的基础上,分析了底板倾斜隔水关键层的挠度特性、应力分布及其破断失稳特征,确定了倾斜采场底板突水危险区域。结果表明:1)倾斜隔水关键层最大挠曲值随其倾角的增大而减小,且变化比较明显;最大挠曲点偏离工作面中部的位置随其倾角的变化并不敏感,但仍随倾角的增大而向下偏离工作面中部;2)倾斜隔水关键层率先在其长边中央偏下的位置出现拉伸破断,下部边界区域要先于上部边界区域出现拉伸破断,内部形成非对称"X"型破断裂缝;3)倾斜采场来压前采空区后方边缘(开切眼)的中下部区域,以及来压时工作面煤壁中下部区域是底板极易突水的危险区域;而采空区上下端头区域始终是底板极易突水的危险区域,且下端头突水可能性大于上端头。

隔水关键层水文地质概念模型的建立与分析

水资源保护性煤炭开采是煤矿绿色开采的重要内容之一,也是目前我国煤炭开采迫切需要解决的重大课题。在分析结构关键层内涵的基础上,提出了广义隔水关键层和保水开采的基本概念;依据地层的含、隔水结构,得出隔水层的2种最基本模式。基于水文地质学和地层结构理论,提出了5种隔水关键层水文地质概念模型;得出了影响煤层顶、底板隔水关键层破坏的主要因素。表明在生态环境脆弱的西部矿区以及我国东部的大水矿区,充分利用隔水关键层的良好的隔水作用,能够实现保水开采。

充填开采隔水关键层渗流稳定性力学模型及分析

分析充填体与隔水关键层耦合作用关系,建立了充填开采隔水关键层非线性渗流稳定性力学分析模型,给出了充填开采隔水关键层非线性渗流失稳判据,研究了隔水关键层非线性渗流失稳与临界充实率的定量关系。研究结果表明:充填采空区垮裂带岩体渗透性具有明显的横向分区与垂直分带特征,其渗透性沿横向由煤壁侧向采空区中部逐渐减小,并趋于定值,沿纵向由下至上呈对数型逐渐衰减变化规律。现场实测结果表明:充填开采后裂隙损伤发育至复合隔水关键层下部岩层,电阻率监测值为40~50Ω·m左右,工作面未发生水渗流涌水现象,隔水关键层的控制效果较好,实现了含水层下煤炭资源的安全开采。