煤岩体突水通道骨料灌注运移堆积机制试验

为揭示突水通道中骨料运移堆积的演化规律,开展了动水条件下骨料灌注试验,得到了骨料的初始沉积位置、堆积体形成方向以及堆积体极限堆积高度与水流速、骨料灌注速度等影响因素的内在关联。结果表明:在1.0 m/s高流速动水环境中,骨料堆积体形成方向为先逆水流方向生长至投料孔底后转为顺水流方向生长;在0.3 m/s低流速条件下,采用口径36 mm漏斗投料同口径18 mm相比,骨料灌注总量相同时,其堆积体的极限高度提升了41%。基于数值力学模型——计算流体动力学-离散元方法(computational fluid dynamics and distinct element method,CFD-DEM),研究了骨料灌注期间突水通道内流场的时空分布特征以及骨料堆积体的过水阻力作用对突水通道内静水压力的影响机制。

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。

上行重复采动底板采空区突水及开采稳定性理论分析

下煤层积水采空区上采用“上垮-下柱”方式复采上煤层带来严重的安全稳定性与底板采空区突水问题。将下煤层煤柱群与承压性空区积水联合支撑的蹬空覆岩简化为半无限平面体,建立合理的力学模型,通过弹性力学求解,得到蹬空覆岩的应力场分布。引入Mohr-Coulomb准则,极值求解得到顶板覆岩最大破坏高度,再结合上煤层开采底板破坏深度,分析重复采动层间岩层稳定性状态,并提出了相应的判别指标。考虑层间隔水控制层与水头损耗,提出不同层间岩层稳定性状态下的突水判据,并揭示水平构造应力对重复开采稳定性的作用。兼顾重复采动稳定性、底板采空区突水、煤柱承载稳定性,给出不同工况条件下的评价方法与防治措施,包括合理的疏水降压措施与煤柱“柱旁充填”指标。研究结果表明:顶板应力场与采深、水平地应力、煤柱宽度、单个空区跨度、空区水压有关,采空区顶板破坏形态大致为“波浪形”;当安全系数T≥1,重复开采稳定性较差,未采取措施不易在上煤层采用长壁式垮落法开采;水压越大,可减轻煤柱承载,并使煤柱处于高围压条件下,煤柱稳定性较高,但高水压又易发生底板采空区突水;煤柱宽度越大,承担的平均支撑力越小,σ_(y)应力峰值越低,层向分布波动越小,σ_(x)应力同样越小,顶板与煤柱越不易发生破坏;侧压力系数大于1且越大,可有效提高上行重复开采的可行性;疏水降压后的水压值p_(1)需同时满足可规避突水与煤柱失稳的条件,即p_(m)<p_(1)<max(p_(f),h_(d)/100+p_(max)),否则需对积水完全疏放,后按照“柱旁充填”尺寸指标W_(m0)对空区进行柱旁充填。研究可为积水采空区上采用“上垮-下柱”安全复采上煤层、防止底板采空区突水、提高资源采出率及减少资源浪费提供有益指导。

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。

覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响

采用理论分析、模拟实验和工程探测等方法,就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行深入研究。研究结果表明:覆岩主关键层位置会影响顶板导水裂隙带高度,当主关键与开采煤层距离较近并小于某一临界距离时,顶板导水裂隙带将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度明显大于按我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称"规程")中的顶板导水裂隙带高度确定方法得到的结果。对导水裂隙带高度产生影响的主关键层与开采煤层临界距离主要与煤层采高、顶板碎胀压实特性、主关键层破断块度等因素有关,可以粗略按7～10倍煤层采高计算该临界距离。当覆岩主关键层与开采煤层距离小于7～10倍采高时,不能按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度;当覆岩主关键层与开采煤层距离大于7～10倍采高时,仍可按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度。上述结果能很好地解释部分煤矿顶板异常突水灾害的发生机制,并指导神东矿区补连塔煤矿顶板突水灾害防治实践,取得显著的经济效益。

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。

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。

顶板突水对冲击地压的影响

在分析4煤层开采顶板突水水源的基础上,揭示了矿山压力、冲击地压同顶板突水之间的关系,探讨了煤层开采过程中顶板突水对促进冲击地压形成的影响作用机理;基于物理流变学和断裂力学理论,提出了砾岩粒间隙中的水流失导致砾岩粒界面附近多层次应力局部集中,造成砾岩产生新的断裂,形成多层次冲击地压,促进顶板斑裂线扩展的机制,阐明了冲击地压和顶板突水互为影响的因果关系,从理论研究和现场监测2个方面得出了华丰煤矿4煤层开采深度大于520 m时容易形成冲击地压的结论.

良庄井田后组煤的安全开采评价

在对区域和良庄井田水文地质特征分析的基础上,探讨了开采煤层底板徐家庄灰岩和奥陶系灰岩水文地质特征,得出了徐家庄灰岩和奥陶系灰岩岩溶裂隙的发育及其富水性受断裂构造控制的结论。通过对煤层底板岩层的组合特征、厚度变化及含水层水位分布规律的研究,利用突水系数法评价了井田内后组煤开采的安全性,得出了徐灰水、奥灰水对11煤的开采影响不大,对13煤的开采有一定的影响,对15煤的开采威胁大的结论。

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。

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。

峰峰矿区深部煤层开采水害问题及防治对策

为了解决峰峰矿区深部煤层开采奥灰突水问题,分析峰峰矿区深部煤层开采的地质和水文地质条件及面临的水害问题,指出深部煤层开采奥灰突水的途径和特点及目前防治水技术存在的不足之处;对深部煤层开采奥灰突水机理进行了研究;提出全面探查、区域治理、煤层底板注浆加固、分区隔离开采、增加矿井排水能力等深部煤层开采防治水技术途径。实践证明:煤层底板构造全面探查、区域治理是最有效的防治深部煤层开采奥灰突水的技术。

陷落柱突水机制的数值模拟研究

在理论分析基础上,将固流耦合方程转化为热分析问题,利用有限元软件ANSYS模拟,系统研究陷落柱突水的力学机制及突水规律,并以潞安矿务局五阳煤矿地质为背景,通过对工作面远离陷落柱、接近陷落柱时底板应力、应变与水压分布规律的对比分析,结果显示:围岩的应力、位移及渗流场在工作面远离陷落柱时,互不影响;而随工作面推进至接近陷落柱时,围岩的应力-应变曲线形态发生改变,含水构造带渗流场水头压力亦发生改变,其界线约50m。应力在工作面远离陷落柱时变化幅度较慢,接近陷落柱时应力集中程度变化稳定,但分布范围扩大,并迅速扩散到陷落柱。渗流突水的最大水头位于工作面后方15～20m,表明隐伏陷落柱突水多为滞后突水。

国家庄煤矿井下突水突出物特征研究

通常，岩溶类煤矿床突水过程中都会带出一定数量突出物．迄今为止，未见有人对突出物进行过深入细致的研究．本文以山东肥城矿务局国家庄煤矿特大突水为例，详细研究了突出物宏观展布特征，并采用薄片鉴定、显微组分鉴定、镜质组反射率测量、颗粒分析、Ｘ射线衍射、差热分析、扫描电镜分析等手段，对突出物微观特征进行深入研究．最后，根据测试成果，对与突水有关的问题进行了阐述与探讨．

郭二庄9#煤带压开采底板突水灰色风险评价

针对郭二庄井田下组9#煤带压开采中存在的底板突水风险影响因素的不确定性,采用灰色风险计算模型和方法,结合井田已有突水、出水点水位标高、矿井最大涌水量及单位涌水量等相关信息统计,构建灰色风险计算模型,对井田受采动影响后煤层底板发生突水风险的概率和风险性变异进行评价。计算结果表明郭二庄井田下组9#煤带压开采存在底板突水风险性大,煤层开采前应慎重作出避让和分区隔离开采、探治结合等有效的补救措施,减少突发水害事故的发生。

水沙混合物裂隙渗流特性分析

水沙在裂隙或破碎岩石中的渗透特性具有复杂性,研究水沙裂隙渗流特性对于揭示突水溃沙机理具有重要意义。利用自制的水沙裂隙渗流试验仪器,通过改变沙粒径、浓度等因素进行水沙渗透试验,获得水沙在裂隙中流动的滞后性特征。通过水沙裂隙渗流试验,得到了岩石裂隙中水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线,分析了滞环曲线的特征,简单解释了滞后现象的原因。得到其渗透压力梯度与渗流速度在一个循环周期内形成了一条封闭滞后曲线,根据曲线的是否有交叉和往返曲线的距离分为4种变化类型;随沙粒径和沙浓度增大,曲线由Ⅰ型向Ⅳ型转化。滞后性指标用最大滞后量G_p和滞环面积S描述,随沙粒径和浓度增大,这两者均呈增大趋势,但增幅并不同步。进一步,利用ANSYS Fluent软件进行水沙裂隙渗流场的数值模拟,获得了在不同因素影响下渗流场的变化规律。数值模拟结果表明,粗糙裂隙流场物理量随时间波动;粗糙裂隙中水沙流动受壁面约束作用,表现出流场物理量空间分布的随机性。模拟结果显示裂隙中水沙渗流场不稳定,渗流场的压力损失与沙粒径呈反向变化。裂隙横截面上水沙流体时均速度和湍动能分布受沙粒径和沙体积浓度影响很大,表现为极值点的位置偏移。此研究可以为进一步研究浅埋煤层突水提供参考。

基于HMM的煤矿底板突水短时预测模型

为解决煤矿底板突水预测在实际应用中工作量大、数据不足等问题,结合突水系数法及其衍生方法,对其进行以突水系数阈值回归分析处理为主的方法改进,并基于隐马尔科夫模型分别构建以单位涌水量为观测对象的突水系数阈值预测模型和实际突水系数预测模型。结合两种模型,通过应用基于条件概率的相关算法,实现了基于单位涌水量的煤矿底板突水短时预测,该模型可用于煤矿底板突水预警工作中监测数据有限条件下的模糊预警。