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。

Influential factors and control of water inrush in a coal seam as the main aquifer

In this paper, a combination of field measurement, theoretical analysis and numerical simulation were used to study the main control factors of coal mine water inrush in a main aquifer coal seam and its control scheme. On the basis of revealing and analyzing the coal seam as the main aquifer in western coal mine of Xiao Jihan coal mine, the simulation software of PHASE-2D was applied to analyze the water inflow under different influencing factors. The results showed that water inflow increases logarithmically with the coal seam thickness, increases as a power function with the permeability coefficient of the coal seam, and increases linearly with the coal seam burial depth and the head pressure; The evaluation model for the factors of coal seam water inrush was gained by using nonlinear regression analysis with SPSS. The mine water inrush risk evaluation partition within the scope of the mining field was obtained,through the engineering application in Xiao Jihan coal mine. To ensure the safe and efficient production of the mine, we studied the coal mine water disaster prevention and control measures of a main aquifer coal seam in aspects of roadway driving and coal seam mining.

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。

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。

煤层底板富水承压溶洞突水力学模型构建及突水判据研究

西南地区是我国南方重要的煤炭生产基地,由于喀斯特地貌分布广泛,岩溶发育强烈,该地区主采的二叠系煤层底板茅口组灰岩中常见充水性溶洞,煤矿开采过程中一旦遇到隐伏富水承压溶洞,在采动和承压水双重作用下,极易导致煤层底板隔水岩体失稳破坏产生突水灾害,对煤矿的安全开采造成严重威胁。为研究煤层底板富水承压溶洞突水灾害发生时的地质控制因素及隔水岩体失稳破坏的力学行为,有效保障煤矿安全开采,基于西南岩溶地区溶洞的形态特点、隔水岩体的受力特征,将溶洞顶板简化为圆形断面,将溶洞与煤层之间的隔水岩体简化为由无数积分薄圆板构成的圆锥台体,建立了煤层底板富水承压溶洞突水力学模型。运用突变理论中的尖点突变模型对力学模型进行解析,结合弹性力学理论,得出了系统变形失稳的标准势函数表达式,进而研究了系统的临界稳定状态,推导了煤层底板富水承压溶洞突水的力学判据。研究表明:隔水岩体失稳破坏进而引发富水承压溶洞突水的地质因素主要由隔水岩体的厚度、弹性模量、泊松比及溶洞的尺寸和水压等控制,且当隔水岩体厚度、弹性模量和泊松比越小,溶洞尺寸和水压越大时,越容易发生突水灾害。研究成果可以为煤层底板溶洞突水现象的解释和防治提供科学依据。

邯邢矿区大采深高承压水矿井防治水难点及对策

近年来针对邯邢矿区的一些突水事故,对底板奥灰突水特征进行了系统分析。结合突水实例,对大采深高承压水矿井底板奥灰突水致灾关键因素进行了深入剖析,系统地阐述了深部煤层开采底板奥灰水防治所面临的难题,针对性地提出了地面奥灰区域超前治理的防治水对策,变一面一治理为一个采区或一个水平进行治理;将治理目标层由薄层灰岩变为奥灰含水层顶部;变采前治理为掘前治理,目的在于从突水根源上消除奥灰岩顶部存在的地质缺陷,达到深部矿井安全开采的防治水目的,对大采深高承压水矿井防治奥灰水害具有重要的指导意义。

煤层底板导升突水机理研究

为了进一步认识底板突水破坏机理,将底板隔水层简化为弹性梁,在考虑承压水作用的情况下,运用材料力学理论计算得出采场隔水层底界面由压缩区向卸压膨胀区过渡的岩体最易发生损伤破坏。在此基础上,运用损伤力学理论分析给出了临界损伤变量Dc。运用断裂力学理论建立断裂力学模型,并给出采场隔水层承压水导升裂纹端部应力集中系数的计算公式。最后,从损伤断裂能量角度对裂纹扩展进行了分析,通过简化参数,建立了形成初始宏观裂纹损伤断裂能量释放率计算公式,并分析了初始裂纹损伤断裂能量释放率与其各影响参数的关系,可为底板突水预测预报研究提供理论依据。

宝鼎矿区水害发生机理

为了掌握宝鼎矿区水害的发生机理,根据宝鼎矿区矿井的充水因素,重点分析了矿区煤层顶板透水机理,建立上覆岩体渗流失稳判据的FLAC数学模型,并以透水因子作为判定保护煤柱是否发生透水的判定准则,结合室内渗流试验的数据,总结出宝鼎矿区煤层透水发生机理,用以指导安全生产。

深部开采底板厚隔水层突水危险性评价方法研究

突水系数对于深部开采底板厚隔水层突水危险性评价并不完全适用,为了解决深部带压开采底板厚隔水层突水危险性评价问题,据矿井条件建立底板突水主控指标体系,利用区间灰色最优聚类理论,借助GIS强大的空间信息管理和分析功能完成模型的建立、计算以及结果展示;结合层次分析法AHP依据主控因素对突水危险性贡献程度确定其权重系数,采用K-Means聚类算法根据数据分布特征和专家知识及经验划分不同危险性类别所对应区间值,解决了主控因素的复杂性和不确定性问题;按照隶属度的概念改进了经典白化权函数,定义了每个类别的白化权函数不只是与相邻的上、下两个区间存在着关系,而与每个区间的标准值均有关,利用白化权函数将离散的灰数映射到区间灰数上,解决了主控因素物理意义、量纲、量级巨大差异所导致的结果失真问题。以各主控因素在危险性等级下隶属度均为1的确定性判断作为系统特征行为序列,计算评价对象与每个危险性类别的邓氏灰色关联度,形成关联度矩阵。再通过以评价对象与各危险性类别的差异程度为权的加权广义距离描述评价对象与h类别的接近程度,最终建立最优模型。研究结果表明:以邢东矿为例,根据勘探资料和历次突水调查结论,选取了6个主控因素,用AHP确定了权重系数,用K-Means聚类算法确定了安全、较安全、较危险和危险4个等级区间值;再使用灰色最优聚类理论得到了底板突水危险性评价分区图;最终,得到了各危险性等级的分布情况和面积大小等数据,运算结果显示历次突水事故发生的位置都位于危险区域。对比突水系数法的评价结果,由于采用信息量更大,用隶属度关系减弱了临界值的绝对控制作用,使结果更加系统全面,同时克服了基于薄板理论的突水系数法只适用于底板隔水层厚度小于50 m的局限,是深部带压开采底板厚隔水层突水危险性评价有效方法。

基于综合赋权的煤层底板突水危险性评价

针对现有煤层底板突水危险性评价模型针对含复杂地质构造工作面泛化能力不强且准确性较低的问题,提出一种基于层次分析法(AHP)和改进熵权法(IEW)综合赋权的煤层底板突水危险性评价模型。基于单指标未确知测度,采用AHP−IEW综合赋权法给出影响煤层底板突水各评价指标的综合权重;建立煤层底板突水危险性综合评价模型,运用该模型计算各评价指标的未确知测度值,再根据置信度识别准则进行等级判定,得出评价结果。以盘道煤业有限公司1305工作面为研究对象验证该模型的可行性:①根据该煤矿的实际情况,选取影响底板突水风险的开采深度、煤层厚度、煤层倾角、含水层水压、有效隔水层厚度、底板脆性岩厚度、断层分形维数、底板完整性作为评价指标,并建立了底板突水危险性分级标准;②构建单指标测度函数,得到各评价指标的测度值;③采用AHP−IEW综合赋权法得到各评价指标的综合权重;④结合综合权重和评价指标的未确知测度矩阵确定综合测度评价向量;⑤根据综合测度评价向量对该煤矿研究区域内的调查点进行危险等级划分,并与现场调查结果进行对比分析。验证结果表明:与IEW评价结果相比,基于AHP−IEW综合赋权的煤层底板突水危险性评价模型的预测结果更准确,评价结果与工作面开采过程中的实际调查情况相符。

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。

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%。

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。

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。

地面注浆封堵突水点技术在圣达煤矿的应用

针对圣达煤矿22081泄水巷突水点长期大量排水造成周围地下水位下降、增加矿井排水费用、且被压覆的煤炭资源无法进行安全回采的现状,在对矿井水文地质条件、断层及其破碎带发育特征、准确位置、产状及导富水性,突水因素、突水水源、水量及其变化规律、封堵可行性及效果分析研究的基础上,运用钻探注浆技术的理论与方法,通过合理进行钻孔布局、钻孔结构设计、钻孔施工顺序、施工工艺及选择注浆材料、调节浆液黏稠度、浆液压力及引流注浆、间歇注浆及添加骨料等注浆技术,成功实现了良好的注浆堵水效果(堵水率达100%),且使钻探工程量大幅度减少,节约了大量的注浆材料,取得了良好的经济与社会效益。

多元统计分析在滨海矿区水源识别中的应用——以三山岛金矿为例

海底矿山突水是矿山开采亟待解决的问题,通过对矿山巷道水的研究,能够划分出矿山突水水源类型,进而对突水可能性作出预测。以山东三山岛金矿西山矿区地下水系统为例,对其31个水样的水化学资料进行多元统计分析研究。利用因子分析法对存在相关关系的变量进行空间降维处理,找出能够反映大于90%将研究区地下水划分为典型的2类,然后建立矿区水源的Bayes线性模型,并对其进行验证。通过因子分析法和系统聚类分析法得出,-375 m中段涌水水源划分为2种类型,并得出2种具体的判别函数。结果表明:多元统计方法判别水源具有快速、准确且经济的特点。