大采深高承压水条件下煤层底板突水问题及解决对策

在当前煤矿普遍面临大采深、底板高承压水、高地应力等采掘条件下,正确评价煤层底板承压水突水危险是做好防治水工作的基础。以河南省受底板灰岩承压水突水威胁的大水矿井为例,就底板破坏深度计算、突水系数计算及临界值、脆弱性指数法、不同水文地质单元的“双层水位”效应等问题进行了剖析。分析表明:在大采深和高地应力开采条件下,底板破坏深度较现有用经验公式计算得到的值偏大,一些矿井突水系数虽小于全国临界值,但回采过程中却发生了突水,脆弱性指数法有待于规范化。此外,井田范围内水文地质条件存在着时空变化,甚至会出现“双层水位”等现象。鉴于此,提出了建立大采深和高地应力开采条件下的底板破坏深度计算模型、确定矿区或矿井范围的临界突水系数值、规范脆弱性指数评价方法、查明水文地质条件的时空变化和不同单元的水动力参数、制定同各单元水文地质条件相适应的防治水措施等各项对策。

基于微震监测技术的煤矿底板突水预警研究

煤矿底板突水是矿山生产中的主要灾害之一,其破坏性极大,因此,研究有效的突水预警技术具有重要意义。以董家河煤矿22517工作面为例,构建了微震监测系统,并对底板进行突水预警。监测数据显示,该煤矿的底板微震事件总共有191个,其中能量超过1000 J的微震事件仅为18个,占全部微震事件的9.63%,同时,该系统检测到的底板破坏深度约为11.01 m,与底板钻孔声波仪测试计算的数据仅相差0.22 m。这些数据可以说明研究所提出的微震监测技术能够有效预测煤矿底板的突水事故,起到了良好的预警作用,为煤矿开采作业的水害风险防范提供了可靠的技术支持。

矿山采动突水危险源划分与致灾危险性评价研究

为了实现工作面开采过程中对煤层顶底板突水危险性进行动态评价,依据西北型、华北型煤矿区水文地质结构、突水主控因素、突水致灾模式、水害类型的分析,建立了水源、通道和采动三准则来表征煤层顶/底板突水危险源与致灾危险性之间的关联,构建了煤层顶/底板突水危险性的关键危险源的评价指标体系,将指标体系中随着工作面开采具有动态变化的指标因素(含水层水压、应力-应变、导裂带高度/破坏带深度)作为危险源动态特征辨识的目标,建立多场-多参数的工作面突水危险性动态评价概念模型,提出了矿井突水的临界判别准则,依托深度学习/强化学习的海量参数分析计算能力,为煤层顶/底板突水危险性动态评价分区提供理论支撑。

安龙县青龙台板燕煤矿矿区水文地质特征及其涌水量预测

为了查清煤矿的水文地质条件,预测煤炭开采过程中的涌水量,确保煤矿安全生产,在贵州省安龙县青龙台板燕煤矿矿区内已有井田成果资料的基础上,采用地质填图、钻探工程施工揭露为主,同时配合水工环地质调查、各类样品采集及测试、资料综合整理与分析等方法,对该矿区地层岩性、水文地质特征等进行了详细分析,重点对矿井底板突水地带进行了预测,并采用水文地质比拟法和大井法对先期开采地段进行了顶板涌水量预测。结果表明,①矿区是以龙潭组(P_(3)l)含水层直接充水为主,水文地质条件中等的裂隙充水矿床;②K3煤层+740 m标高以下及断层破碎带附近底板突水危险性大;③采用大井法所预测的矿井顶板正常涌水量15618.86 m^(3)/d,可作为预测结果,为后续矿山开采规划提供依据。针对矿井涌水量大的问题,建议在开采前井下实施专门的抽排水措施,并对抽排水进行资源化综合利用。

五沟煤矿F6断层缩小保护煤柱可行性研究

针对具体的地质条件,以五沟煤矿F6断层为研究对象,结合研究区域内断层及底板灰岩水的空间分布关系,采用数值模拟及理论分析相结合的方法,对留设不同宽度煤柱时断层的突水危险性进行分析;利用理论计算确定F6断层未处理之前合理的煤柱留设宽度,同时考虑F6断层的三维地震探查成果及井下实揭资料,理论分析了下部含水层的注浆加固范围;综合理论计算及数值模拟计算结果对F6断层煤柱缩小的可行性进行研究,研究结果对于提高五沟煤矿煤炭资源采出率有着重要的意义。

断层对带压开采煤层工作面底板突水影响分析及防治技术

5303综采工作面为带压开采且采面开采范围内断层构造发育,底板发育导水断层会降低底板隔水层有效厚度从而增加底板突水风险。为确保5303综采工作面回采安全,在对断层对底板突水影响分析基础上,提出通过注浆方式增加底板隔水层有效厚度,提高采面生产安全系数、避免底板突水。根据现场条件对注浆加固方案进行设计并进行工程应用,结果表明采面在生产过程中底板始终保持干燥、未出现底板涌水情况,底板防治水工作取得较好应用效果。

基于五图-双系数三级判别法的煤层底板突水危险性评价

为了更准确地评估北辛窑煤矿6^(#)煤层底板突水的危险性,在充分考虑井田水文地质条件和区域构造位置的基础上,采用五图-双系数三级判别法对6^(#)煤层底板奥灰水突水危险性实行分区评估,以确保带压安全开采,为煤层安全开采提供技术支撑,也便于更深刻地认识煤矿安全生产指导工作的重要性。五图-双系数三级判别法是一种有效的方法,可以用来评估底板突水的危险性。

范各庄矿12煤底板突水过程模拟分析

以范各庄煤矿水文地质条件为基础,建立了承压水上采煤的岩体水力学模型,应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(RFPA2D-Flow)模拟分析了范各庄矿12煤层底板开采扰动下,裂隙形成、扩展到突水通道最终贯通形成突水的全过程。通过对损伤区分布、应力场和渗流场的演化分析,揭示了开采扰动及水压驱动下完整泥岩底板由隔水岩层到突水通道的演化过程,对突水通道进行了模拟定位,并对不同水压条件下含水砂岩层对底板突水的影响进行了分析。结果表明:12煤底板突水问题取决于含水砂岩中的水压力,在假设隔水层厚度不变时,水压力与突水系数呈正相关关系,随着水压的增大突水越易发生。该研究为12煤底板突水预测与防治提供了理论依据。

基于灰色理论的底板突水危险性评价

为了解决底板突水预测预报评价的难题,在建立煤层底板突水主控指标基础上,采用端点三角白化权函数和中心点三角白化权函数灰色评价对矿区某一小块进行评价,并通过比较得出中心点白化权函数灰色评价的结果更可靠。运用中心点白化权函数对古汉山矿底板突水危险性进行灰色评价分析,得出底板突水危险性分布图,同时对底板突水危险性趋势进行了预测。

煤层底板突水水量预测及注浆改造技术

以基岩裂隙水运移的基本理论Chezy定律为基础,建立承压水正常涌水量的数学模型,提出利用Lagrangian法计算涌水量,应用Bernoulli能量方程计算矿井突水量的公式。计算结果表明,计算突水量与实际突水量的相对误差仅1.04%。针对焦作矿区大部分矿井煤层底板发生突水的实际情况,提出采用底板含水层注浆改造,防止底板突水事故。注浆孔位置主要决定于裂隙的发育程度、裂隙的走向,而注浆孔间距取决于浆液的扩散半径。最后,分析注浆压力和注浆量等注浆参数,并研制高压止水器,可解决注浆钻孔提前出水止水的难题。

突变学理论在桃园矿10煤底板突水预测中的应用

10煤是桃园煤矿三大主采煤层之一。距离其较近的太灰含水层,是10煤开采的直接充水含水层。在该含水层外围,以奥陶系为主的隐伏型碳酸盐类裂隙岩溶含水岩组,是其强大的补给来源,这对矿井安全威胁较大。采用突变学方法建立了煤层底板突水预测模型,对桃园煤矿10煤1026-21、041-2和1031工作面底板突水的可能性进行了预测,为桃园煤矿底板突水防治提供了理论依据。

底板突水危险性评价专家系统及应用研究

矿井底板突水危险性评价涉及到水文地质、工程地质、开采条件及岩石力学等诸多因素,是一个复杂的理论与技术问题,底板突水危险性评价专家系统正是针对这一难点,将底板突水领域专家经验和理论成果等与计算机人工智能技术相结合,采用突水系数法和突水优势面两条推理途径,提出并运用典型突水案例加权类比的推理策略,初步具备了底板灰岩岩溶发育状况与隐伏断裂构造的预测功能。系统建立内容较为丰富的典型突水案例、专家经验、突水研究理论成果和防治水措施等四类知识库,能够对矿井是否会发生底板突水、突水点位置以及突水类型等做出预测与评价,并具有较强的咨询功能。应用该系统进行实际突水案例的模拟分析,评价结果与实际情况吻合较好。底板突水危险性评价专家系统将对矿井底板水害防治具有一定的实用价值。

基于流固耦合的深部煤层采动底板突水机理研究

为了研究煤层深部开采底板采动破坏特征及与浅部开采的差异及底板突水机理,以淮北矿区下组煤底板为研究对象,建立了3种不同采深的底板突水模型。基于FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发,对流固耦合条件下不同深度煤层采动底板破坏特征进行了综合分析与对比。研究结果表明:深部条件下煤层采动底板破坏形态与浅部明显不同,深部高地应力及高承压水耦合作用下,含水层顶部发育原位张裂带,且在采动影响下,会进一步出现递进导升现象,而浅部开采时无此现象;当采动破坏带与深部递进导升带沟通时,发生底板突水事故,揭示了矿井深部煤层底板原位张裂隙产生—与承压含水层导通—原位导升带发育—采动破坏带与递进导升带沟通这一突水机理。

京府八尺沟矿8^(-2)煤层底板突水危险性分析

通过对京府八尺沟煤矿水文地质条件的分析及对突水系数理论的数值计算,得出该矿施工至奥陶系的5个钻孔对应的突水系数。根据全国各矿区突水资料的统计分析及八尺沟煤矿隔水层的地质条件,得出该矿临界突水系数为0.1 MPa/m,该矿8-2煤层在开采过程中存在底板突水的危险。根据5个钻孔对应的突水系数,对该矿8-2煤层开采底板突水危险性进行了判定及分区,+780 m水平以上的煤层为带压开采安全区,+730^+780 m水平的煤层为带压开采过渡区,+730m水平以下的煤层为带压开采危险区。

关于突水系数的讨论

煤层底板突水在我国华北型煤田矿井采煤过程中经常发生。带压开采条件下,预测底板突水和评价突水危险程度的主要方法是突水系数法,但是关于突水系数计算、临界突水系数的确定等还存在一些值得讨论和研究的问题。在阐述带压开采和突水系数理论的基础上,给出了突水系数的各种计算公式及公式中有关参数确定方法,详细说明了临界突水系数的由来和应用条件,提出了计算突水系数的新公式。新公式不仅考虑了水压和隔水层厚度,而且考虑了底板破坏深度、导升高度和奥灰顶部隔水段等因素,为计算和统计分析确定突水系数新的临界值奠定了基础。

五阳煤矿3煤层底板突水危险性评价

为了对五阳煤矿3煤层底板进行突水危险性评价,保障五阳煤矿在承压水威胁条件下进行安全开采,在详细分析五阳煤矿水文地质条件和矿井揭露特征的基础上,从主要含水层、隔水层、水压、地质构造及采掘活动等方面对五阳煤矿3煤层底板突水危险性进行评价,通过在突水系数中考虑隔水层岩性—结构特征和开采活动的影响,建立了3煤层底板突水危险性评价体系。研究表明,五阳煤矿3煤层底板奥陶纪灰岩岩溶水突水危险性极大,随着开采深度的增加,底板受采动影响破裂越严重,发生突水的危险性进一步增加。

采动诱发充填断层活化滞后突水机制研究

构造致灾突水一直是煤矿安全开采的焦点问题,现有研究缺少对于断层带缓冲作用的考虑以及构造内部特征对于构造本身演化影响的考虑,为了解决这一问题,从构造内因入手,基于岩体极限平衡理论对底板隔水层极限水压进行推导,建立了断层影响下采动应力力学模型,获得了采动影响下断层活化力学判据;依据断层活化的力学判据,获得了承压水作用下断层内部裂隙扩展演化形成突水通道的演化特征,初步提出了由于断层充填物的不均匀性导致断层内部受力不均衡导致突水通道的连通滞后进而引发底板滞后突水的观点。利用RFPA_(2D)-FLOW二维数值模拟软件对底板断层活化以及最终形成滞后突水的过程进行了模拟。基于理论分析和数值模拟对采动诱发底板断层活化及滞后突水的特征进行了深入的研究,获得了采动影响下诱发断层活化及滞后突水机制。结果表明:当工作面回采过断层后,当断层附近围岩体应力极限平衡状态被打破,极易促使断层活化诱发底板突水灾害发生,同时由于断层充填物的不均匀性及其缓冲作用使得突水滞后。该突水机制为目前存在断层活化及底板滞后突水事故风险的工作面的水害防治提供了参考。

带压开采煤层底板破坏特征与突水风险分析

为弄清采动条件下底板破坏特征,以辛置煤矿10409工作面为研究对象,采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法,详细研究采动过程中底板应力场分布特征和底板岩层破坏损伤演化特征,结合现场压水试验验证结果,得出采动条件下煤层底板岩层中支承压力分布规律和底板岩层破坏范围,并分析评价矿井10号煤层带压开采风险。结果表明:采动影响下煤层底板呈现拉张破坏-压实-拉张破坏的周期性破坏,影响底板破坏深度的工作面长度临界值约为160 m;底板岩层最大破坏深度可达9.50 m,底板突水最大风险点滞后工作面2.6 m左右。

深部下组煤首采工作面周邻区段底板突水危险性预测评价

以济北矿区某煤矿高承压水体上下组煤首采工作面周邻区段采掘为工程背景,为预测底板太原组主要灰岩含水层的突水危险性,运用突水系数法对正常块段十三灰的突水危险性进行预测评价,结果表明,完整地段10个钻孔的突水系数值均大于《煤矿防治水规定》中的临界突水系数0.1 MPa/m,带压开采危险性较大。与此同时,结合钻孔和伺服渗透资料,分别计算了这些钻孔底板岩层的综合阻水强度,并将这10个钻孔的实际水压值与其相应的综合阻水强度值的比值进行分区研究。两种方法对比分析表明,突水系数大的区段一般对应的比值也较大,两者之间具有一定的关联性,比较符合实际情况。这为济北矿区及地质条件相似矿井煤炭资源向深部带压开采所引起的底板水防治提供了新的研究方法。

断层构造对煤层底板突水的影响分析

在原岩应力、地质构造、地下水等因素基础上,从应力场和渗流场共同作用的角度出发,研究含底板岩体在内的采场岩体系统的变形与破坏。研究结果表明,随着工作面向前推进,底板岩层的破坏深度和范围逐渐增加,底板岩层中水平应力低于承压水压力的深度也逐步增大。随着开挖接近断层,断层对应力分布情况的影响越来越明显,最终在断层处造成突水。为了预防底板突水的发生,合理留设防水煤岩柱是必要的工程措施。