煤层采动底板突水物理模拟试验研究进展与展望

【目的】底板突水受特定地质构造、水-岩-应力及采掘扰动等因素叠加作用影响,具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获取灾变各阶段多源数据信息,因而在底板突水研究方面具有独特优势。【结果和结论】对底板突水经典理论、标准规范、模拟试验及工程实践等方面的研究成果进行了回顾,重点梳理了试验加载装置及水压模拟方式、相似材料研制及其特性指标、监测技术及其观测系统设计3个方面的研究进展,其中在模拟水-岩-应力耦合环境下的三维模型底板突水全过程信息捕捉方面有较大突破。面对数智化研究大背景,分析当前底板突水物理模拟试验领域存在的不足,并据此指出未来应重点关注大型三维底板突水综合试验平台研制、基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立、多相多场多维耦合监测预警系统构建、人工智能等数智化技术融合应用研究等发展方向。提出的思考有助于从装置、材料、技术等方面提升未来物理模拟试验水平,从而更好支撑煤矿底板水害数智化防治基础研究工作高质量发展。

基于孔间直流电透视的煤层底板采动破坏电阻率时移变化规律与机理

煤层采动过程中,底板应力状态的改变会产生变形与破坏,而不同煤层采动过程中底板破坏具有一定的规律。目前基于直流电阻率法的煤层底板水害监测主要集中于底板变形与破坏的电阻率响应特征上。为了研究工作面回采过程中煤层底板的电性时移变化特征,采用孔间直流电透视观测系统和时移电阻率反射系数法,通过数值模拟和现场试验揭示了煤层底板采动破坏电阻率时移规律。首先,针对典型地电模型,对比单独反演和时移电阻率变化率的结果,验证了孔间直流电透视时移方法的可靠性。然后,针对煤层底板采动破坏,分析了采动过程中底板承压水导升与底板破坏带的电性响应规律与特征,并讨论了时移电阻率反射系数确定煤层底板破坏深度的可行性,为野外施工提供理论依据。最后,通过现场监测试验,获得工作面回采过程中煤层底板的电性变化特征,并采用时移电阻率反射系数R确定了工作面底板岩层的破坏深度为15 m。结果表明:利用孔间直流电透视法获得的煤层底板采动破坏电阻率时移特征可在一定程度上消除了监测数据中的地层因素和随机噪声影响,且时移电阻率反射系数可用来确定煤层底板破坏深度。该方法将探测目标从单一的研究地质异常转换到对煤层采动过程中工作面底板破坏的全生命周期动态监测,进而实现了工作面底板结构破坏的精细刻画。

煤层底板含水层区域注浆改造浆液扩散范围现场示踪试验

近年来,为解放底板高承压灰岩水上煤炭资源,华北煤田普遍采用地面定向钻技术,对太原组薄层灰岩进行区域性注浆加固改造(习称“底板区域治理”),以全面封堵灰岩岩溶裂隙并阻断垂向导水通道。该技术中,与浆液扩散范围(半径)密切相关的“水平分支孔”孔间距设计问题,一直备受学界和业界的广泛关注。皖北矿区底板区域注浆工程量大,特别是深部资源开采,将有数十亿元的注浆工程,有必要查清浆液扩散范围真实数据。为此,以皖北矿区恒源煤矿为研究基地,依托Ⅱ63采区底板区域治理工程,设计并实施浆液扩散范围示踪试验,在中间的水平分支孔(Z8-7)投放荧光剂(示踪剂),在两侧的水平分支孔(Z8-6、Z8-8)以及交叉分支检测孔(Z8JC)取岩屑样鉴别荧光水泥,以获得浆液扩散范围,进而在浆液扩散影响因素分析基础上,构建恒源煤矿底板区域注浆治理浆液扩散范围计算公式。结果表明:①综合岩屑现场及室内鉴别结果分析,获得恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围为38.3~44.0 m,且水泥分布密集区在水平分支孔浆液扩散范围30 m以内,该区域内注浆效果最佳。②通过现场岩屑快速鉴别与室内岩屑精准鉴别,取得的浆液扩散范围基本一致,证明了荧光示踪浆液扩散范围的有效性。③通过对比分析,认为在计算参数、边界约束等符合实际注浆工况条件下,浆液扩散范围理论计算和数值模拟结果,与现场示踪试验实测结果较为接近。④利用示踪试验过程中的压水试验及注浆参数、钻遇构造及水文地质响应等数据,考虑重力、构造、地下水径流等因素影响,借助SPSS非线性拟合软件,得到恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围计算公式。⑤基于恒源煤矿受注层实际地质、水文地质条件,利用拟合的浆液扩散范围计算公式得出Ⅱ63采区Z8场地浆液扩散范围为37.8~42.9 m,与浆液扩散范围示踪试验实测结果相近,计算公式可在类似条件下推广应用。本次煤矿底板区域注浆浆液扩散范围现场示踪工程试验,不仅取得了浆液扩散范围的真实数据,而且阐明了浆液扩散与多种地质、水文地质因素之间的内在联系,揭示了超深、超长定向钻注浆浆液扩散机理,构建了浆液扩散范围计算公式,为类似条件下底板区域治理工程水平分支孔孔间距的合理设计提供了参考依据。

新集矿区深部1煤层底板奥灰岩溶突水危险性评价

奥灰岩溶裂隙含水层是影响华北型煤矿深部开采的重要水害,在水-岩相互作用下奥灰含水层易导致煤层底板突水。为进一步认识奥灰岩溶突水问题,文章以新集矿区深部1煤层开采为例,利用矿区近些年最新积累的奥灰钻孔资料,选取断层强度指数、断层交叉点与尖灭点、含水层水压、富水性、隔水层等效厚度、脆塑比7个因素作为奥灰岩溶突水的主控因素,并结合层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)确定各主控因素影响权重。运用地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析功能建立各主控因素专题图,通过对专题栅格图归一化处理,将各主控因素按照权重进行空间复合叠加,最终获得1煤层底板奥灰岩溶突水危险性评价分区结果。将评价结果与突水系数法计算结果对比分析可知,基于GIS的煤层底板突水危险性评价方法更符合矿区实际地质情况,可以为矿区深部煤层开采与水害防治工作提供参考依据。

近距离煤层底板应力分布规律及巷道布置研究

为探究上煤层遗留煤柱对底板的应力影响及下煤层回采巷道的合理布置,以唐山沟煤矿为研究对象,运用理论分析和数值模拟等方法并综合多种影响因素构建了上煤层遗留煤柱与铰接岩块的协同承载结构模型和底板应力传递计算模型,对上煤层遗留煤柱下底板应力及影响因素展开研究。结果表明:上煤层遗留煤柱对底板的应力影响以垂直应力为主,影响程度随底板深度的增加而降低;遗留煤柱下底板应力增高区呈椭球形,对底板应力增高区的影响因素展开分析,得到了不同因素对应力增高区范围影响的量化关系,其中煤柱峰值应力对底板应力增高区分布起决定性作用;根据底板应力分布特征并结合理论计算及数值模拟结果,确定唐山沟煤矿8煤遗留煤柱与11^(-1)煤回采巷道合理错距值应为20~25 m。该研究揭示了上煤层遗留煤柱下底板应力传递机理,明确了底板应力增高区的分布及影响因素,并得到了巷道-煤柱合理错距值的确定方法,可为下煤层回采巷道的合理布置提供理论依据。

特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。

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。

底板突水危险性评价研究进展

回顾了煤层底板突水危险性评价的发展历程,提出其危险性评价的体系:指标(指标体系的建立)—方法(评价方法的选取)—工具(处理工具的革新),并对3个环节进行总结。指出指标体系的发展不再是因素集的扩充,而是因素与因素之间非线性关系的处理以及对以开采条件及地质条件为两大基本要素集的化繁为简;将现有方法依据处理数据的逻辑分为3类:以数据的基础信息为基准,将原始数据对评价对象所产生的大小、高低、优劣性影响进行考量、排序及综合形成评价结果的第一类方法;对数据列进行人工评判、加工分析、拓展和延伸,挖掘数据的潜在信息,并形成最终评价结果的第2类方法;整理具有相同指标的数据集,通过数据信息处理技术发现数据间的共有信息,从而获得最终评价结果的第3类方法。指出未来评价方法的发展方向一方面是对突水系数法的传承,修正其在厚、巨厚、极薄隔水层的不良表现,另一方面是对机器学习新型方法的创新,对其本身及组合模型进行开发与应用。提出了处理工具所需实现的三大目标:矿井立体化模型的建立、评价结果的动态化演示、“定位、定量、定概率”三定指标的实现。分别探讨了三者面临的问题并阐述具体解决手段。在上述基础上,总体阐明了煤层底板突水危险性评价体系各环节的研究展望。

基于ZOA CNN GRU模型的煤层底板突水等级预测

针对传统循环神经网络煤层底板突水等级预测模型存在预测精度低、模型参数过多造成模型训练速率下降和出现过拟合现象等问题,引入斑马优化算法对卷积神经网络和门控循环单元神经网络的组合模型进行优化,建立ZOA CNN GRU神经网络煤层底板突水等级预测模型。为验证模型的可行性,采用九龙矿区煤层底板突水数据对模型进行训练,并将所建模型和CNN GRU神经网络以及GRU神经网络进行对比分析。研究结果表明:与CNN GRU神经网络和GRU神经网络模型相比,ZOA CNN GRU神经网络模型预测准确率最高,达到98%,且ZOA CNN GRU神经网络模型稳定性、泛化能力均优于对比模型。

静动载作用下巷道底板突水过程及关键致灾因素模拟

针对静动载联合作用下巷道底板突水问题,结合工程实例采用数值模拟软件FLAC^(3D)构建模型,从应力场、位移场及破坏区共同耦合作用角度出发,分析了动静载叠加作用下的底板突水通道形成过程及作用机制,探讨了关键致灾因素对巷道底板突水的作用程度。研究结果表明:静载与动载应力场叠加,导致底板应力集中程度和范围在深度方向扩大;巷道底板受动载作用后破坏深度和范围加大,有效隔水层厚度减少,底板突水的风险性增加;巷道底板突水通道的形成主要与动载幅值、持时及承压水水压有关,其中动载幅值对突水作用程度较大,当动载幅值超过临界值时,巷道底板破坏深度显著增加;持时的增大使得动载作用的时间特征减弱,更加接近于静载作用,巷道底板发生拉伸破坏的可能性降低;承压水水压的增大,使得作用在巷道底板下岩层的有效应力减小,岩体强度降低,底板破坏深度增加。采用单因素分析法对比发现,各致灾因素对底板突水的影响程度依次为:动载幅值>动载持时>承压水水压。

断层影响下深井工作面底板破坏深度预测

底板破坏深度的预测是底板突水防治研究中的重要一环。为研究断层影响下深井工作面底板采动破坏深度,基于现场实测数据,运用多元线性回归分析方法,构建了断层影响下深井工作面底板破坏深度预测模型,并检验了模型的准确性。通过现场监测方法,验证了预测模型的合理性。结果表明,与传统的统计公式相比,提出的预测模型相对误差平均值至少降低了25.49%,采用新预测模型预测含断层的工作面底板破坏深度为44.96 m,现场监测底板破坏深度为45.7 m,新预测模型预测值与现场监测基本一致。该预测模型对预测断层影响下深井底板破坏深度和防治底板突水具有一定的实用价值。

基于博弈论组合赋权-TOPSIS法的煤层底板突水危险性评价

为合理定量化评价煤层底板突水危险性,探索可行的煤层底板突水评价方法进行安全预警,减少突水事故造成人员伤亡及设备损害。以回归煤矿21201工作面为例,分析影响煤层底板突水风险因素,在此基础上选取17项煤层底板突水影响因素构建危险性评价指标体系,建立煤层底板突水危险性预测组合赋权-TOPSIS评价模型,通过博弈论将层次分析法确定的各评价指标主观权重与熵权法确定的客观权重进行优化组合得到综合权重,将综合权重与TOPSIS法结合分析突水危险性等级;运用数值模拟分析工作面开采后底板卸压及塑性破坏区发育情况,并通过工程实测验证突水危险性。结果表明:博弈论组合赋权-TOPSIS评价模型评价结果为“较安全”,数值模拟得出底板卸压效果良好,底板塑性破坏区最大深度为20.6 m,结果与现场实测底板最大破坏深度22.8 m基本吻合,研究区无突水危险性。

浆液套管增强沿空掘进煤柱稳定性数值模拟研究

为解决采动作用下沿空掘进巷道一侧窄煤柱变形等问题,现场采取浆液充填套管加固煤柱底板以改善煤柱的稳定性。采用数值模拟分析浆液充填套管对底板岩体变形的控制作用机制。数值计算结果显示,在横断面方向煤柱两侧测点变形高、中间测点变形低,近采空侧的测点变形大于近巷道侧测点变形。煤柱基底变形不一致会导致煤柱受力不均,顶板荷载作用下煤柱变形形态更加复杂。施加浆液充填套管后,煤柱基底测点的变形量减小。巷道侧煤柱底板测点变形减少20.5%,大于采空区一侧的改善效果19.2%。采动作用下随着深度增加底板岩层变形逐渐减小,施加浆液充填套管后底板岩层变形减小。对类似矿井的沿空掘进巷道一侧煤柱变形研究有指导意义。

矿井煤层底板承压水危险性评价及治理方案分析

煤矿地下突水问题不仅会干扰正常的采矿作业和采矿效率,还会增加煤矿安全工程的投入,甚至会导致严重的煤矿透水事故,严重威胁煤矿开采人员的人身安全。文章以我国某煤矿为例,对该矿开采面的突水危险性进行分析和评价,并利用综合探测、疏水降压和注浆加固技术对该煤矿煤层底板承压水问题进行治理,取得了较好的防治效果。

层次分析法在煤层底板突水评价中的应用研究

煤层底板突水对煤矿安全生产造成了严重的影响。为了评价高阳煤矿9#煤层在生产过程中底板突水的危险性,以层次分析法为计算模型,选取含水层压力、有效水层等效厚度、隔水层岩层位置及厚度、断层分布、陷落柱分布作为影响因子的评价指标,并计算其权重值,借助地理信息系统(GIS)对影响因子进行制图,对不同区域的突水情况进行评价。结合突水点及钻孔区域水文地质条件,证实了层次分析法评价结果的准确性。

近距离下伏煤层沿空掘巷围岩破坏特征及支护技术研究

近距离煤层群上覆煤层及本煤层邻近工作面开采造成叠加应力扰动,导致下伏煤层下区段工作面回采巷道围岩稳定控制困难。以许疃煤矿72210工作面近距离煤层开采条件为工程背景,模拟分析了上覆7_(1)煤层开采及下伏7_(2)煤层邻近工作面开采后,下伏煤层72210工作面回风巷围岩应力演化及损伤特征;基于近距离煤层沿空掘巷采动损伤岩体锚注一体化长锚强化支护思想,提出了72210工作面回风巷的支护参数并成功进行了工业性试验,实现了该类围岩的稳定控制,可为类似条件巷道支护提供参考。

煤层底板双承压含水层下隐伏断层活化导水特征试验研究

【目的】现有的关于煤层采动揭露底板隐伏断层突水试验研究成果,仅考虑了煤层下伏单一承压含水层条件,需研究煤层底板多承压含水层条件下隐伏断层活化导水特征。【方法】通过室内相似物理模拟方式,对煤层底板双层承压含水层条件下,采动过程隐伏充水通道在不同深度上的应力和孔隙水压力演变规律进行了分析。【结果】结果表明:利用自主设计的煤层底板隐伏断层突水试验系统,可以相对合理地模拟两层承压含水层条件下不同深度上的断层活化导水规律;浅部比深部断层带的应力增量、孔隙水压力增量变化程度相对更高,孔隙水压力变化时间均滞后于应力变化时间;临近开采结束阶段,浅部和深部断层带孔隙水压力增量的上升趋势,表明断层带向采空区卸荷促进了渗流导升,断层带存在滞后突水的可能性,浅部较深部断层带的滞后突水风险相对更高。应力扰动程度整体上随深度增加而衰减,浅部相对深部断层带更易活化,持续不断的扰动将使浅部和深部含水层发生水力联系,深部承压水可通过隐伏断层补给浅部承压水,承压水通过断层带导升过程存在着显著的水头压力损耗。【结论】试验结果可为底板多承压含水层条件下隐伏断层活化导水模式分析提供理论和工程实际参考。

基于组合赋权的TOPSIS-RSR法的煤层底板注浆效果评价体系

区域地面超前注浆是预防底板水害的有效手段,如何利用钻探及注浆施工过程的数据对注浆效果进行客观评价,是目前迫切需要解决的问题。以山东省邱集煤矿1111采区D3,D10,D11和D12地面孔组注浆工程为背景,结合已有研究与现场经验,选取钻井液漏失量、注浆终压、渗透系数以及单位注浆量作为评价指标,建立了注浆效果综合评价体系,提出一种综合改进后的层次分析法与CRITIC客观赋权法的赋权方式,利用算术平均法、几何平均法、特征值法等改进AHP,该方法提高了指标赋权的客观性和科学性;基于组合赋权方式更新了TOPSIS,RSR排序分档的注浆效果综合评价模型,利用相对距离优化了TOPSIS相对贴近度的缺陷,改进了数据处理结果;将评价结果转换为可视化分区图,与注浆后井下钻探揭露涌水量结果进行对比,结果显示该评价方法合理,与工程实际结果较为吻合。

大变幅加卸载下特厚煤层底板断层突水机理模拟研究

特厚煤层采场空间大、扰动范围广,强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法,准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系,得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程;以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则,建立塑性位移与强度劣化关系,建立加卸载韧性断裂本构关系;基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础,结合浸没边界方法,形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学-有限离散元CFD-FDEM耦合程序,模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明:CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形,最深位于断层及其上盘(48.6m),最浅位于断层下盘(23m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力,而后在采空区内大幅卸载,导致该位置出现显著二次破坏,并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。