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。

冲击地压与矿井突水复合灾害一体化防控技术研究

针对冲击地压与矿井突水复合灾害的问题,以宽沟煤矿I010203工作面为工程背景,对其发生冲击地压和矿井突水灾害的危险性进行了评价,结果表明,I010203工作面具有中等冲击地压和矿井突水的危险。提出了一种顶板预裂爆破的冲击地压与突水复合灾害一体化防控技术,工程实践表明,提出的防控措施有效可行,可有效降低矿井水害与冲击地压灾害发生的危险性。

照金煤矿泥砂溃涌灾害形成及防治

针对煤层顶板溃水溃砂灾害,其形成条件多为浅埋薄基岩煤层赋存,当冒落带波及到基岩上覆含水的第四系松散砂层含水层时,在高水压动力条件下水砂一起溃入井下开采空间。根据照金煤矿“4·25”事故发生条件与对普遍认识的“溃水溃砂”灾害完全不同,该事故发生在煤层深埋条件下,溃入井下的物质以泥岩类为主,总体涌水量有限。根据区域及矿井水文地质条件分析,煤层直接顶地层富水性极弱,天然状态下不存在发生该类型灾害性事故的水动力条件。综合现有研究成果,尚未有专门针对深埋煤层综放开采顶板泥砂溃涌灾害形成机理的研究。内蒙古、东北少数矿井曾发生深埋条件下的溃水溃砂事故,但其溃出物质仍以松散流砂为主,是由胶结不良地质体造成,与本次表象和机理均不相同,相应的防治措施则不同。

软弱薄基岩裂隙发育特征及抑突(溃)机理

为探究西部地区软弱薄基岩覆盖下的厚煤层在开采时覆岩破坏的裂隙发育规律,以及该区在开采后突水溃沙的规律、机理等,在分析软弱薄基岩厚煤层开采覆岩裂隙发育规律的基础上,结合实际生产经验,对伊犁煤田突水溃沙抑制机理进行了研究。结果表明:工作面推采方向超前80~85m出现弧形地面张性斑裂,主斑裂纹与次斑裂纹的间距分别为10m和2m左右;导水裂隙带在软弱薄基岩下厚煤层开采时发育高度变化差异较小;伊犁煤田开采时涌水量小于30m^3/h,突水溃沙情况受到了抑制,主要由于顶板岩性软弱,无法形成较大的岩块、空隙、空洞,随采随冒且采动裂隙被迅速压实、上覆地层含水层十分松散,裂隙进入之后不能再继续发展、在低水压时涌出物填充裂隙等原因。该研究成果对西部软弱薄基岩厚煤层开采顶板水害防治,以及地表生态环境保护具有意义。

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。

基于声音识别的煤矿重特大事故报警方法研究

煤矿瓦斯与煤尘爆炸会产生爆炸声,煤与瓦斯突出会产生煤炮声、支架发出的嘎嘎声和破裂折断声等,冲击地压会产生巨大的岩石破碎声响和震动等,煤矿透水会发出“嘶嘶”的水叫声、大量透水会产生水流声等,煤矿顶板冒落会发出顶板断裂声、煤岩落地撞击声、支护损毁声等。针对煤矿重特大事故声音特点,提出了煤矿井下瓦斯与煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、冲击地压、水灾、顶板冒落等事故报警方法:各事故声音的时域和频域特征与其他声音不同,可通过矿用防爆拾音设备和系统实时监测声音,通过声音智能分析和声音频率、幅度、短时能量等特征参数分析感知事故并报警;通过监测和分析不同监测地点声音强度特征、声音发生的先后关系和防爆拾音设备损坏的先后关系等判定事故发生地点;根据各事故特点提出了多信息融合分析的灾害识别方法,减小工作面落煤、爆破作业、采煤设备、掘进设备、运输提升设备、供电设备、乳化液泵、水泵和局部通风机工作等产生的声音干扰。论述了不同拾音设备的优缺点,矿用拾音设备宜采用麦克风阵列;研究了适用于煤矿重特大事故的声音识别分类器。

薄基岩浅埋煤层开采覆岩移动演化规律分析

针对薄基岩浅埋煤层过沟谷地形开采时工作面易引发动压灾害的问题,通过理论分析并结合数值模拟,对神东矿区哈拉沟煤矿22206工作面过沟谷开采过程中覆岩移动演化规律及引发的突水溃沙现象进行了研究,结果表明:22206工作面初次来压步距为60 m,初次来压时动压现象明显;工作面至沟谷地形上坡段矿压显现最为剧烈。分析了采动过程中节理的发育特征及塑性区分布情况,提出工作面开采突水溃沙治理应以切眼处呈75°破断角位置对应的切落垮落带范围为重点治理区域。

平煤八矿己15-13030工作面煤层顶板突水溃砂可能性评价

煤矿突水溃砂灾害的发生与煤层上履含水层性质、岩性特征及破坏程度等诸多因素有关。通过研究己15煤层顶板基岩与第四系底部的含、隔水性能及顶板覆岩岩性组合特征,计算出一次全部开采3.6m煤层时,其导水裂缝带最小发育高度为38.46m,最大为47.95m,确定了采煤活动导致的上覆顶板含水层发生水力联系的范围,认为己15-13030工作面煤层开采时发生顶板突水的可能性不大;计算一次全部开采3.6m煤层时,防砂安全垂高最大为23.5m,防塌安全煤岩柱最大垂高为12.5m,结合煤层顶板基岩及第四系底部岩层的水文地质特征,认为工作面回采时顶板溃砂的可能性也不大。强调在生产过程中,要加强顶板涌水的观测,同时增加现有排水系统的排水能力,从而为工作面安全回采提供支持。

薄基岩顶板工作面突水溃砂及切顶灾害试验研究

煤层一次采出厚度变大,导致直接顶冒落高度增加,并且在薄基岩条件下,顶板破断后不容易形成稳定的结构。顶板破断容易导致工作面突水溃砂灾害的发生,严重影响工作面的生产。为了揭示薄基岩、厚松散岩层在高强度开采条件下突水溃砂和顶板切落并发灾害机理,利用自主研发的顶板动压与突水溃砂试验平台进行了相似模拟试验,以锦界煤矿31406综采工作面为工程背景,试验采用平面应变模型,选取几何相似比为100∶1,结合辅助红外成像仪和超声波探测器等获取了顶板破断时能量的聚集与耗散特征以及裂隙的发育特征。试验结果表明:顶板发生超前破断时,同一岩层产生竖直贯通裂隙,在层理处因岩层强度和厚度不同容易产生“错动”裂隙;突水溃砂和顶板切落并发时产生了明显的动载冲击现象,支架工作阻力会有明显增加,引起压架和工作面发生突水溃砂事故;基于滚动摩擦基本原理建立了滚动摩擦力学模型,揭示了水砂涌入裂隙后导致块体产生滑落失稳的力学机理;水砂体由贯通裂隙进入顶板结构,原有滑动摩擦向滚动摩擦转化,显著降低块体间摩擦力,使顶板产生滑落失稳。结合试验和理论分析得到及时移架,增加支架初撑力,加快工作面推进速度等可以降低突水溃砂和顶板切落灾害发生的概率。

断层影响下顶板突水定量化评价

为了对断层影响下的煤层开采顶板突水危险程度进行定量化评价,以AHP模型为基础,在采用构造发育程度、含水层厚度、砂泥比3个指标对岩层富水进行定量化评价的同时,依据断层规模、断层围岩岩性、断层力学性质3个指标对研究区内断层的导水性进行定量化评价,然后综合地层富水性和断层导水性建立顶板突水危险性评价模型,得出顶板突水指数,并依据顶板突水指数大小对顶板突水危险性进行分区。

西部煤炭高强度开采下地质灾害防治理论与方法研究进展

基于国家重点基础研究发展计划(973)项目:西部煤炭高强度开采下地质灾害防治理论与环境保护基础研究,从地质环境条件、地质灾害形成机理、预测评价方法和灾害防治理论等4个方面,开展了西部煤炭高强度开采下地质灾害防治的总体研究思路和相关研究。通过西部富煤区域侏罗-白垩系构造地质及水文地质的研究,揭示了富煤区域地层结构及水沙动力学特征;基于采动岩体力学行为研究,揭示了大面积顶板切落、突水溃沙等地质灾害的发生机理,形成了防治重大地质灾害与环境损伤的采煤理论和方法。该研究将地质灾害防治和生态环境保护进行有机的结合,从源头解决制约我国西部煤炭开采的关键问题,可为我国西部煤炭资源长期大规模安全高效绿色开采奠定理论基础。

厚松散沙层下富水顶板采煤突水溃沙危险性分区

为有效解决厚松散沙层下富水顶板采煤突水溃沙难题,以神东矿区某矿为例,通过理论和实测2种手段,对垮落带和断裂带(简称"两带")高度传统经验公式进行修正,得出适合本区的"两带"高度计算公式。从防治水沙溃涌角度,引入导水沙裂缝带概念,得出适合本区的导水沙裂缝带高度计算公式。根据总结出的突水溃沙危险性分区判据,在对研究区基岩展布规律、主要含水层富水性分区和冒裂安全性分区复合叠加的基础上,形成突水溃沙危险性分区预测方法。

水泥–水玻璃双液浆在工作面顶板突水溃砂治理中的应用

煤矿顶板突水溃砂威胁矿井安全。基于煤层顶板突水溃砂区"人工假顶"再造的思路,提出了水泥–水玻璃混合液速凝封堵突水溃砂通道的技术。以鄂尔多斯盆地西缘某侏罗系煤矿上组煤开采发生的一次顶板突水溃砂事件为研究对象,提出了通过双浆并列管进行水泥和水玻璃孔口注浆、孔底混合的地面治理方案;利用三维地质模型构建技术,呈现了类"马鞍型"溃砂区空间形状特征,以及溃砂区中部向四周边缘变薄、且局部"孤峰"凸起的浆液–溃砂混合体空间形状特征;充水含水层水头动态特征、地下水流场变化特征以及瞬变电磁电阻率特征指标,综合指示突水溃砂通道实现了完全封堵。形成的堵水及评价技术在类似工程应用中具有一定的借鉴意义。

内蒙古上海庙榆树井煤矿5号煤层顶板涌(突)水危险性评价

通过内蒙古上海庙榆树井煤矿钻探成果及相关资料的分析,根据其5号煤层导水裂缝带沟通范围内的直接充水含水层厚度、统一口径单位涌水量、渗透系数及脆塑岩性比等若干地学信息,结合该煤层顶板标高和其开采引发的导水裂缝带发育特征,对其顶板静涌水量进行了涌(突)水条件综合评价,并与煤矿5号煤层先期开采地段涌(突)水情况进行了对比,总结出了有效地评价煤层顶板水害危险性,符合实际地预测、圈定煤层顶板水害重点防控“靶区”或“疑区”的方法,对矿井安全生产具有极其重要的理论指导意义和实用价值。

瑞隆矿17065工作面水患危险性分析与防治

通过对瑞隆矿17065工作面的开采条件及水文地质特征的定性分析,提出该工作面回采时顶板突水危险因素为：工作面上方5号煤层存在的采空区积水,可作为突（涌）水水源;顶板上腹岩层为裂隙发育的弱~中等富水性含水层;底板下腹为强富水性奥陶系承压含水层,属于带压开采。利用模糊数学方法和突水系数法,分别对顶底板突水危险性进行了理论分析和定量计算,并针对分析结果,提出了综合防突水措施并取得了了预期效果。

矿井地质灾害特征及预测措施研究

对矿井地质灾害类型进行研究,分析了矿井顶板灾害、突水灾害、煤与瓦斯突出灾害、冲击地压灾害的特征,并对矿井常见灾害提出了预测方法,及时了解矿井的灾害,制定好防治措施,保证矿井的安全生产。

成功穿越榆林煤矿斜井流砂层的创新工艺和实施方案

榆林煤矿在井筒施工工程中遇到流砂层,且砂层涌水量大,造成各井筒涌水溃沙,给井筒施工带来很大困难,多次发生井筒冒顶和淹井情况,本文通过对施工困难的全面分析,提出了合理可行的解决方案,并且成功穿越了流砂层,为国内建井穿越流砂层开辟了新的途径。

霍洛湾煤矿22206工作面水体下安全开采技术

霍洛湾煤矿22206工作面赋存条件为浅埋深薄基岩煤层,地表与覆岩均富水,研究水体下安全开采技术对工作面安全开采具有重要意义。通过理论分析方法确定了工作面导水断裂带高度,分析了工作面水害特征,提出了地表水采用截导水技术、地下含水层水采用井下疏放水工程和留设防水煤岩柱防水技术的水害分源防治技术思路。开采实践表明:地表截导水工程成功截断了呼和乌素沟,将呼和乌素沟河水导出到研究区外,降低了呼和乌素沟水体对井下开采的威胁性;22206工作面涌水量随时间逐渐增长,增长幅度平稳,没有出现涌水量大幅增长的现象,后期工作面涌水量开始随时间逐渐减少。

新上海一号煤矿15煤顶板涌(突)水危险性评价

新上海一号煤矿15煤冒落裂隙带发育、充水含水层富水性强,回采过程中很容易造成顶板水害问题。结合地理信息系统GIS和层次分析法AHP综合分析了15煤顶板涌(突)水条件,得出15煤煤层顶板涌(突)水危险性评价分区,根据评价结果提出了针对性的防治水措施。