煤矿采动覆岩离层水害致灾因素勘查与预测评价

采动覆岩离层突水在我国各地矿区均较为常见且危害性较大,现有的规范中鲜有针对离层水害的具体工程地质和水文地质勘查方法。探索煤矿离层水害工程地质水文地质勘查与评价方法,能够推动我国矿井水害防治水平进一步提升。首先从煤矿采动覆岩高位离层水害孕灾机制出发,分析了离层水害从孕灾到致灾的工程地质条件,将我国现有的离层水害归纳为3种典型类型:离层动力突水、离层静水压涌突水和离层携泥砂突水。然后,确定了“水源”“通道”“力源”和“物源”为控制离层水害类型与强度的关键隐蔽致灾因素,将位于传统导水裂隙带以上,可发生离层突水的复合层位称为采动覆岩“突水离层带”,并提出了煤矿采动覆岩“突水离层带”的判别流程,划分勘查阶段,指明勘查要点。煤矿离层水害采前勘查应包括2个阶段:①开展覆岩基本工程地质和水文地质条件勘探,评估勘探区离层水害的可能性并确定潜在“突水离层带”的层位;②将“突水离层带”和“物源”层作为勘查目标层,开展离层水害致灾因素专项勘查,评定离层水害类型和强度。回采期间对水动力条件和覆岩裂隙演化进行探查。最后,基于离层水害致灾因素互馈演化致灾机制,建立了适用于采动覆岩离层水害的矿井区域预测综合评价模型,提出了全矿井/采区尺度的区域危险性分区、采前工作面突水位置判定及涌水量预计的煤矿采动覆岩离层水害预测评价方法。

基于灰色关联分析的断层突水阶段化感知方法

为提升煤矿断层水害感知水平,提出一种以断层活化演变机制和关键控制因素识别的断层突水阶段化感知方法,通过断层突水演化过程相似模拟试验研究工作面底板与断层破坏的演化特征,以底板破坏带应力、断层裂隙带应力、导水通道内水压等为阶段监测参数,揭示各监测参数与涌水量变化的阶段特征;结合灰色关联性分析法,判定断层突水阶段转化的关键控制因素,进而根据断层突水分析与研究过程,提出断层突水阶段化感知方法。结果表明:底板破坏带、断层裂隙带的应力,导水通道内的水压等监测参数的数值变化特征在断层活化突水过程中呈现出明显的阶段特征,控制因素与涌水量的灰色关联度排序为:底板破坏带应力>断层裂隙带应力>导水通道水压,通过对关键控制因素的识别,可实现断层突水阶段的感知,揭示基于灰色关联分析的感知方法在原理上具备可行性。

浅析煤层顶底板突水成因及影响因素

为防止煤层底板突水事故的发生,保障井下人员生命安全以及维护井下采煤设备,本文对煤层底板突水成因及影响因素进行了分析总结,对从源头上治理煤层底板突水具有重要意义。根据矿井突水的性质,得出矿井突水中以断层突水最为严重,约占突水事故的80%。当矿井突水的发生无可避免时,需要对生产工艺进行优化,同时加强安全管理,最大程度地减轻人员伤亡及财产损失。

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。

黄陵一号煤矿814工作面充水性因素与涌水量预测

为实现煤矿综采工作面安全高效开采,通过对黄陵矿业一号煤矿814工作面充水水源、充水通道、充水强度展开分析,得出814工作面充水因素,并通过“动、静态水结合法”对814工作面涌水量进行预测。结果表明,直罗组下段裂隙水为工作面直接充水水源,对工作面回采充水影响较大,回采前有必要对工作面上覆延安组中部砂岩含水层和直罗组下段砂岩裂隙含水层进行疏放,消除上覆直接充水水源对814工作面的水害隐患;工作面回采期间,正常涌水量为60.4 m^(3)/h,最大涌水量为84.7 m^(3)/h。

AHP法确定煤层底板突水主控因素权重及系统研发

为有效防治煤层底板水害,揭示多因素影响下煤层底板突水的非线性动力特征,应用具有多目标多准则决策分析的AHP法,定量分析了各主控因素控制底板突水的权重比例。以三河尖矿为例,在确定影响17号煤层底板奥灰突水的7大主控因素基础上,建立了层次结构模型;通过构建判断矩阵,进行了层次单排序和总排序及对应的一致性检验;最终确定了7大主控因素控制17号煤层底板奥灰突水的权重;以此为基础进行的17号煤层底板奥灰突水脆弱性评价结果与实际吻合效果好。进一步应用基于矩阵运算的Matlab软件,研发了AHP法权重计算系统,其操作简单,实用性强,为AHP法的推广应用提供了基础平台。

基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估

为控制岩溶隧道突水突泥风险,通过统计与理论分析相结合的方法,研究了相关工程实例,并基于层次分析法研究了岩溶隧道突水突泥控制因素与因素权值,提出了岩溶隧道突水突泥风险3阶段评估与控制方法。权值分析结果表明,不良地质、超前地质预报、地层岩性、地下水位是突水突泥风险的主控因素;其次为宏观前兆、监控量测、可溶岩与非可溶岩接触带、地形地貌、开挖支护;最后为微观前兆、岩层产状、层面与层间裂隙、围岩级别。3阶段评估包括初步评估、二次评估与动态评估,其中,初步评估是在施工方案制定前,为估计风险,对孕险环境(岩溶水文地质与工程地质条件)的评估;二次评估是在施工前,为评估施工组织设计合理性,综合考虑孕险环境与致险因子(施工因素)而进行的评估;动态评估是在施工期,为了动态评估与控制风险,综合考虑孕险环境、致险因子与风险控制反馈信息的评估。3阶段评估与控制方法可实时、有效、准确地控制岩溶隧道施工风险,实现风险的动态修正与管理。研究成果在翻坝高速鸡公岭隧道取得了成功应用,对类似工程具有一定的借鉴意义。

距离判别法在相似矿区突水水源识别中的应用

为了进行矿井突水水源预测,选用6种常规离子作为判别因子,并结合河南焦作矿区实测数据,建立了煤矿突水水源预测的距离判别分析模型;同时针对该模型自身检验的不足,采用灰色系统关联度法检验距离判别分析模型的准确性;将距离判别分析模型和灰色系统关联度法检验应用于华北型煤田水文地质条件相似的新安矿区,开展关联度分析。结果表明:选用6种常规离子浓度作为判别因子,可解决单位不一致的问题;选用灰色关联度法检验距离判别分析模型的正确性,保证了所选样品的充分使用,能很好地弥补两种方法的不足;距离判别分析模型排除了一般方法评分时存在的人为因素影响;各水样对参考序列的关联度在0.8左右,两矿区石炭系含水层水源具有较强的关联度。

龙固煤矿采场底板突水因数与突水危害性分析

利用煤矿底板突水因数表述了层状岩体渗流失稳条件。根据龙固煤矿的岩层柱状图,运用RFPA2D软件计算了采场推进到25 m和50 m时底板岩层的应变分布,并利用渗透特性与应变之间的关系,计算了相应的底板突水因数。研究表明:岩层的破坏造成渗透率的增大、非Darcy流β因子和加速度系数的减小,从而使突水因数增大,突水发生的危险性增大;随着工作面的推进,底板的破坏范围扩大,变形也相应地增大,突水因数增大;当推进到25 m时,底板突水因数为95.1%;当推进到50 m时,底板突水因数为619%。

煤层底板渗流关键层存在性及其作用初探

建立了一种面向RFPA的煤层底板渗流模型,计算了采场推进150 m时底板的位移和渗透特性及突水因数.对渗流关键层的存在性及其作用进行了初步探讨,提出了渗流关键层的判定条件.通过算例,讨论了承载关键层、隔水关键层和渗流关键层之间的关系.研究表明,如果某一岩层的渗透率远远小于其他岩层,则该岩层对底板渗流的稳定性起决定性作用,为渗流关键层;在算例中,当采场推进150 m时,渗流关键层存在,并且与隔水关键层为同一岩层;渗流关键层对突水因数有较大的影响.

基于流态转捩的非线性渗流模型及在陷落柱突水机理分析中的应用

岩溶陷落柱突水是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于陷落柱突水过程中流体流态转捩(含水层层流到巷道紊流)的渗流本质,建立了三流场(Darcy层流、Forchheimer流和N-S紊流)耦合非线性渗流模型,并应用于骆驼山煤矿"3·1"底板陷落柱突水数值模拟分析。结果表明:随着突水流体流速不断增大,陷落柱Forchheimer流由黏滞阻力为主,到黏滞阻力和惯性阻力共同作用,最后到惯性阻力为主发生了质的变化,陷落柱突水是流体渗流从渐变到突变的动态过程。进一步表明采用Forchheimer方程描述陷落柱内高速非线性层流,能够较好地反映水流从含水层达西层流到巷道紊流的中间状态,可以定量揭示陷落柱突水三种流态转捩的渗流本质。

华北型煤田矿坑突水因素的信息分析

矿坑突水以其突发性的特点易于酿成事故，危及矿工生命和矿井安全，因此在查清煤矿床充水条件的基础上，进行矿坑交水预报特别重要。这就首先需要解决突水因素（子）的组合优化问题，以往多是从定性分析的角度进行决策分析，影响矿坑交水预测的精度，并且因人而异，操作起来特别困难。本文运用信息分析的原理和方法，借助信息分析手段，使各类交水因素对突水岩体的作用大小通过信息量这一信息单位来度量，为突水因素分析提供了一种定量分析的手段，从而解决了各类突水因素的优化和配置问题。

冯营矿矿井突水机理分析

针对冯营矿矿井水文地质条件复杂、水害严重的现状,研究了矿井充水水源、充水通道等充水条件,认为石炭系L8灰岩水、顶板砂岩空隙裂隙水和L2灰岩水是主要充水水源,断裂构造是主要的导水通道.研究表明:煤层顶板砂岩含水性相对较弱,太灰和奥灰含水层属中等—强富水性;断裂构造是沟通煤层底板太原组L8,L2灰岩和奥陶系(O2)灰岩的主要通道,也是矿井突水且突水量较大的主要因素之一.井田断层发育且导水良好,形成矿井突水的潜在威胁;对煤层底板采动裂隙影响的计算表明其有效隔水层较薄,加之矿压对底板的破坏,可构成煤层底板导水通道.以上因素导致冯营矿水害频发.

五图-双系数法在煤矿突水评价中的应用

为安全开采受承压水威胁的一1煤层,分析了郑州矿区大平煤矿主要底板突水因素,并用单一突水系数公式对底板突水进行了预测分区.研究表明,用单一的突水系数公式来预测突水事故并不准确.在突水系数法的基础上,把含水层奥灰岩富水区、矿山压力、大中型断层、小断层密集带等主要突水因素考虑进去,对突水系数法进行修正,用五图-双系数法对大平矿底板突水进行预测分区,其预测结果可以指导煤矿安全开采.

基于注浆钻孔数据集的注浆工作面底板突水危险性评价体系

为了探究注浆加固工作面底板突水机理和注浆治理效果的评价方法,以焦作矿区5个大型矿井为工程背景,以包含13个工作面2245个注浆钻孔的3类工程信息为依托,建立了基于注浆钻孔数据集的注浆工作面底板突水危险性评价体系。该评价体系从注浆加固工作面突水实例和矿井突水点资料入手,综合考虑研究区地质构造、含水层水头压力、底板导水性、钻孔注浆量等因素,统计注浆加固前后底板钻孔信息与水文地质信息的变化量,提出了在采动影响基本相同的条件下,注浆加固工作面突水主要受底板注浆条件和注浆加固效果的2类影响;确定了4个注浆条件类影响因子,包括工作面突水危险区因子、沿工作面走向出水水源显示因子、工作面底板导水性因子以及工作面严重危险区底板导水性因子和3个注浆效果类影响因子,包括工作面正常带与断层带注浆量差异因子、注浆孔水压与累计注浆量叠加因子以及注浆孔水压、涌水量及注浆量次序变化因子,提出了每个影响因子的等级划分标准、效果评价标准,并归纳了影响因子的8种解析图型;通过对比工作面突水与不突水事例影响因子中指标的差异性,进行显性、一般和隐性的3类显隐性划分;最后提出了一种注浆钻孔的水量、水压、注浆量的动态“三参量”评价方法。以期为分析注浆加固工作面底板突水危险性,评价注浆治理效果提供新研究方式和科技支撑。

汾源井田主采煤层底板突水危险性分析

奥灰水是汾源井田5号煤层开采的主要水害威胁。采用突水系数法对汾源井田5号煤层底板奥灰突水危险性进行研究。分析了5号煤层底板奥灰水压、开采对底板的扰动破坏,隔水层阻水能力、承压水导升高度、奥灰顶部相对隔水层厚度等因素。结合井田钻孔资料,计算了突水系数,绘制了奥灰突水系数等值线图,划分了井田带压开采安全区、相对安全区、相对危险区和危险区。井田带压开采危安区的划分可为汾源矿井带压开采区采掘方案和矿井防治水工作方案的制定提供参考依据。

矿井突水水源识别的QGA-LSSVM模型

为快速、有效地判别矿井突水水源,根据水化学特征,选取Ca2+,Mg2+,K++Na+,HCO-3,SO2-4,Cl-和总硬度等7个指标的质量浓度(mg/L)作为主要判别依据,并将其作为识别的变量。利用因子分析模型对数据进行属性约简,提取公共因子,减少判别指标之间信息交互,并利用量子遗传算法(QGA)对最小二乘支持向量机(LSSVM)的参数寻优,建立QGA-LSSVM水源识别模型。选取从新庄孜煤矿实测的33组数据作为训练数据,进行模型训练;另用12组数据作为测试数据,用该模型进行预测,并将结果与其他预测模型的结果进行对比。研究表明:利用因子分析模型提取的公共因子包含原变量因素中绝大部分信息,能减少信息冗余,利用QGA优化的LSSVM模型能使结果避免陷入极值,用该模型可有效地预测矿井突水水源类型,其错误预测率为0。

范各庄矿区北翼12煤层突水灾害分析

煤矿井下突水是威胁范各庄煤矿安全开采的重要隐患,查明突水的原因具有重要的实际意义。在研究矿区水文地质条件的基础上,分析了范各庄矿区内12煤层的充水条件、充水通道及充水强度等,结果显示:研究区具有涌水量大与突水频繁等特征,但矿井涌水量无季节性变化;裂缝为最主要的通水通道,其次为陷落柱和断层;从统计数据来看研究区涌水量自1989年以来具有下降—稳定—再下降的阶段性变化特征。

王家岭煤矿2号煤层顶底板突水危险性分析

根据王家岭井田地质、水文地质条件,提出了井田内上马家沟组岩溶含水层应属富水性中等-强含水层。采用关键层理论及突水系数法,研究了王家岭煤矿开采2号煤层时的充水因素及顶底板突水危险性。通过对煤层顶板的基岩风化裂隙水及采空积水的分析,对2号煤层底板太原组和上马家沟组灰岩岩溶水突水系数进行了计算。结果表明:井田南部2号煤层,雨季时基岩风化裂隙水对煤层开采有较大影响;201、202、204、206采区南部为采空积水透水危险区;201、202采区为太灰突水危险区和奥灰突水相对危险区,其他采区为相对安全区或安全区。

因子分析法在矿井涌水来源判别中的应用

结合恒源煤矿六八采区实例,采用因子分析方法研究矿井涌水水源。取各充水含水层样品与采区涌水样品的主要离子含量指标为分析对象,经过系列处理得到正交因子载荷矩阵。用因子1和因子2分别代表太灰水和煤系砂岩水,在因子载荷坐标系中,六八采区涌水水样则分布在因子1和因子2之间,并同时具有很高的共同度,充分证明了六八采区涌水属于太灰水与煤系砂岩裂隙水之间的过渡类型。