不同有效应力下矿山渗滤液对土工合成黏土衬垫渗透特性影响的试验研究

以模拟矿山渗滤液作为渗透溶液,使用柔性壁渗透仪,在不同有效应力条件下测定土工合成黏土衬垫(geosynthetic clay liner,GCL)的渗透系数。试验结果表明:矿山渗滤液作用下GCL渗透系数升高的幅度与其所受有效应力的大小紧密相关;当有效应力为24 kPa时,矿山渗滤液的渗透使GCL的渗透系数升高至1.52810-′m/s,比控制样(自来水渗透)的渗透系数高340倍,不能满足《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制规范》对防渗层渗透系数的要求(k≤1.0910-′m/s)。而当有效应力为93、162、231和438 kPa时,矿山渗滤液的持续作用使GCL的渗透系数只分别升高了26、21、14和10倍,且全部满足规范要求。研究结果表明,在对矿山废弃物处置场中GCL的防渗性能进行评估时,必须考虑GCL试样在场地中的受力状态。

利用膨润土的膨胀和稠度特性对GCL渗透系数进行预测的试验研究

以土工合成粘土衬垫(Geosynthetic Clay Liner,GCL)在尾矿库防渗层中的应用为背景,研究不同浓度重金属离子(Cu和Zn)作用下,膨润土的自由膨胀量、液限及GCL渗透系数的变化规律,并分析它们之间的对应关系。试验结果显示,当重金属离子浓度在0.01mol/L到0.1mol/L之间递增时,膨润土的自由膨胀量和液限会随着重金属离子浓度的增大而大幅度减小,但当重金属离子浓度从0.1mol/L增加到0.5mol/L时,膨润土的自由膨胀量和液限则只有微小变化。在渗透试验中,当渗透溶液中重金属离子浓度小于0.01mol/L时,GCL的渗透系数能够保持稳定;但当重金属离子浓度大于0.02mol/L后,GCL的渗透系数会随着渗透溶液中重金属离子的浓度增加而不断升高。研究结果表明,当尾矿库渗滤液中重金属离子浓度大于0.02mol/L时,GCL的渗透系数与膨润土的自由膨胀量和液限之间具有良好的数学对应关系,可以利用自由膨胀量和液限对渗透系数进行预测。

薄层灰岩带压开采防治水技术研究

为了实现西坡矿5111工作面安全带压开采,减小底板薄层灰岩含水层对回采工作面的安全威胁,通过水文地质条件分析、采后底板破坏深度预计、突水系数法评价等多种手段评价该面带压开采突水危险性,认为工作面最大突水系数为0.084 MPa/m,大于安全带压开采临界值0.06 MPa/m,发生底板突水的可能性较大。采用矿井直流电法超前探查、井下钻探工程跟进验证、疏水降压工程治理相结合的综合防治水技术手段,探查工作面底板薄层灰岩含水层及隔水层富水异常区,验证并疏放薄层灰岩含水层水,有效降低了工作面底板隔水层带压值,最终实现工作面安全带压开采。结果表明5111工作面底板薄层灰岩含水层富水性不均一,局部存在富水异常区,且具有可疏放性,经过10 d疏水降压,薄层灰岩含水层水位下降36 m,底板隔水层带压值和突水系数均降低至安全带压开采临界值以下,从而实现了工作面安全带压开采,为西坡矿5#煤层安全开采提供了技术支撑,也为该地区条件相似工作面的开采奠定了基础,完善了底板水害防治技术体系。

煤矿工作面推采采空区涌水双指数动态衰减动力学研究

基于系统动力学理论,提出了煤矿工作面推采采空区涌水双指数衰减动力学模型,选取宁东煤田鸳鸯湖矿区典型工作面推采顶板涌水过程为研究对象,进行了双指数动力衰减模型拟合,利用麦克劳林公式等方法确定了具有物理意义的模型参数的近似解,以及工作面推采过程采空区峰值水量及发生位置,动态平衡水量及发生位置,探讨了主要参数的影响因素。结果指示:以动、静两种形态涌入采空区的水量共同作用,控制采空区涌水变化特征,但动态补给量是主控因素;在顶板含水层特征类似,构造影响可忽略条件下,推采速度决定了峰值水量和动态平衡水量发生位置,峰值水量和动态平衡水量受采厚、顶板岩性特征、含水层特征等条件共同影响。研究结果为形成趋势合理、精度较高的工作面涌水量预测方法提供了新思路。

地堑状断层组影响下采动主应力偏转规律研究

为研究地堑状断层组影响下采动诱发应力场偏转规律,以淮南矿区刘庄煤矿地堑状F19断层组为研究对象,模拟分析了地堑状断层组附近采动主应力方向偏转情况,研究了主应力方向与断层面剪应力及剪应力增量的分布规律。研究表明工作面回采时采场围岩内的主应力方向发生偏转,偏转方向趋向垂直断层面;断层面内主应力与断层上盘、下盘主应力偏转相比,断层面内主应力方向偏转角度相对较大,最大偏转角度达到27°25′35″;当主应力方向与断层面交角在45°左右时,断层所受的剪应力增量最小,剪应力相对较大;地堑状F19断层组附近主应力偏转方向趋向垂直断层面,断层面所受剪应力和剪应力增量逐渐减少。

桌子山煤田构造控水机理研究

查明地质构造对桌子山煤田岩溶地下水的控制规律和矿井突水的影响,基于大量地质原始资料和矿井突水资料,进行理论分析和现场实测。研究表明:桌子山煤田以近南北向的压扭性主构造和东西向的张性次级构造构成立体网格导水体系,地质构造不仅控制着岩溶地下水系统的边界,而且直接影响水动力条件。地质构造越复杂,岩溶裂隙越发育,富水性也越强,西北地区第一例岩溶陷落柱即在此体系内形成。断裂构造与突水点位置联系紧密,中小型突水点多位于东西向小断层附近,中型以上突水点多位于东西向和南北向断层交汇处的地下水强径流带。

邱集煤矿11煤顶、底板薄层灰岩水害防治技术研究

为保证邱集煤矿正常生产接续,实现下组煤11煤层安全开采,分析了11煤层顶底板灰岩水害基本特征,研究了其水害防治方案,通过采用地面定向顺层钻探与高压注浆相结合的探查治理技术,注浆加固改造含水层为隔水层。该技术在邱集矿的初步应用已取得良好的效果,为黄河北煤田其他矿井下组煤开采提供了方法借鉴。

浅埋开采工作面水沙溃涌灾害预测及防治对策

将水沙溃涌作为渗透破坏的一种形式,将被导水裂缝贯穿的潜水含水层转换成圆形截面,运用完整井理论建立了覆岩破坏涌水裂隙通道的水力坡度表达式,并由Kusaki公式计算得出了影响半径,利用Zamarin式求解求得水力坡度的临界值,同时结合覆岩顶板实际破断情况,将"悬臂"岩梁分为不回转(θ=0°)和回转(θ≠0°)2种情况分别给出了是否发生水沙溃涌的判别式,进而为导水裂隙带(网络性)影响范围内的含水砂岩层疏干降排提供了科学的参考依据和理论基础;另外,针对冒落性裂缝带、网络性裂缝带所引发的水沙溃涌灾害的特征和类型,提出了相应的配套防治对策,确保了开采工作面不发生灾难性水沙溃涌威胁。

基于抛物线型强度准则的巷道煤柱塑性区宽度确定

巷道煤柱塑性区宽度的合理留设是采掘工作的重点,亦为采煤设计提供重要参数。为确定该值,以极限平衡理论为基础,选用抛物线型作为煤岩体破坏强度准则,建立了塑性区极限平衡力学模型,同时以煤岩体达到塑性流变强度作为应力求解的条件,推导得出了煤岩抗拉压强度、煤柱高度、侧向压力系数等条件下的塑性区宽度解析解,讨论分析了塑性区宽度影响因素。结果表明:煤岩体强度、拉压比、侧向压力系数对塑性区极限宽高比影响显著。现场塑性区超声探测结果与理论计算值相吻合,这说明煤柱塑性区模型构建科学合理,为类似煤柱宽度合理留设提供了参考依据。

富水松散沙层下开采安全水头高度研究

现有水沙溃涌灾害预测理论由于预测对象发生改变,大大降低其实用性和可靠性,据此将水沙溃涌作为渗透破坏的一种,以沙体颗粒起动的临界水力坡度为判别条件,将厚度较小的潜水含水层涌水通道视为完整井,运用稳定流的完整井流理论,在求解出涌水通道内的水力坡度公式的基础上,以库萨金公式计算影响半径,利用扎马林公式确定临界水力坡度,将悬伸岩梁分为回转、不回转情况,得出了水沙溃涌判别公式,为网络裂缝带波及的含水沙层水头疏降提供了理论依据,确保开采工作面不发生灾难性水沙溃涌威胁。

试验条件对GCL渗透系数测定结果的影响

利用柔性壁渗透仪对土工合成黏土衬垫(Geosynthetic Clay Liner,GCL)的渗透系数进行测定时,试验条件的设置会对测定结果产生重要的影响。文章阐述了有效应力、渗透溶液特性、预水化、水力梯度以及试验终止标准等试验条件对GCL渗透系数的影响机理,介绍了过去20年GCL渗透系数测定技术的发展历程,重点分析了目前GCL渗透系数测定过程中尚存在的问题。本研究有助于正确认识已有数据和结论,同时对后续试验的开展也具有一定的指导意义。

高地应力下巷道底板拱结构分析及其应用

为解决高地应力条件下煤矿巷道底板易发生底鼓且难以支护的技术问题,以巷道底板隐形拱为研究对象,构建了巷道底板隐形拱结构力学模型,理论分析了高地应力条件下巷道底鼓机理,提出了底板支护方案和支护参数确定方法,并通过工程实例验证了该方法的支护效果。结果表明:巷道底板变形破坏实质为底板隐形拱结构逐步向深部发育的过程,底板隐形拱的形态与底板岩层所受水平侧压力和两帮支承压力相关,具体表现为竖直方向椭圆、圆及水平方向椭圆3种不同形态。在巷道底板中布置注浆锚索(杆)可以形成一定厚度的挤密加固拱结构,能有效阻止巷道底板拱结构向深部发育,从而改善巷道底板稳定性;以陕西彬长矿区某矿回风大巷底板修复为例,运用上述理论对该巷道底板支护方案及其参数进行优化设计,现场监测结果表明,巷道底板变形控制效果良好,保证了工作面的安全高效回采。研究成果可为高地应力条件下巷道底板支护参数确定提供理论依据。

基于高掺量粉煤灰防渗墙的露天矿水资源保护技术

蒙东某露天矿矿坑涌水量高达100000 m^3/d,补给源主要为海拉尔河,河水经深厚砂卵石层沿煤层隐伏露头渗入煤层,进而涌入矿坑,采用疏干井疏排矿坑涌水,造成水资源的巨大浪费和环境严重破坏,并增加露天矿生产成本。为截断补给通道、减小矿坑涌水量、保护水资源和矿区生态环境,通过试验、理论分析研究了高掺量粉煤灰防渗墙材料的强度、抗渗性能、黏度、粉煤灰激发剂效果,并针对露天矿煤层厚、补给范围广的特点,进行了现场帷幕截水试验。研究结果显示,水固比0.7∶1.0时,防渗墙材料的抗压强度和抗渗性能与水泥掺量呈正相关关系,粉煤灰掺量为80%的充填材料前期强度增长缓慢,后期强度增大较快,60,90 d抗压强度分别为28 d的1.90倍、3.25倍;CaCl2和NaCl可加快粉煤灰活性发挥、促进水化反应、减小颗粒间孔隙,显著提高充填材料的早期强度和抗渗性能,具有良好的激发效果;防渗墙材料的黏度随着剪切速率的增大具有明显的剪切变稀现象,剪切速率为30 s^-1时出现拐点,呈现剪切增稠现象;膨润土可增加充填材料的黏度,消除其剪切增稠现象,并提高材料的抗渗性能。通过露天矿北侧补给区域进行高掺量粉煤灰防渗墙截水试验,矿坑涌水量减少24000 m^3/d,截水效果显著,水资源得到保护;防渗墙内外水位差逐渐增大,墙外水位逐渐恢复,水位埋深达到-6^-7 m,水位恢复到植被所需的生态水位,生态水位得到保障。在露天矿采用高掺量粉煤灰防渗墙可截断渗水通道、减少矿坑涌水量、保护生态环境,实现露天矿绿色、保水开采。

西部浅埋煤层开采顶板含水层水量损失动力学过程特征

受保护含水层水量损失的定量计算是"保水采煤"理论发展目前面临的瓶颈问题。利用覆岩破坏数值模拟方法,将陕北榆神矿区典型覆岩结构下煤层开采顶板水量损失过程划分成单一风化基岩失水和萨拉乌苏组、风化基岩复合失水模式;基于系统动力学理论,构建了2种水量损失模式动力系统模型,建立了实际疏放与无疏放状态水量损失过程之间的数学关系,求解了水量损失动力系统模型参数,确定了水量损失峰值及发生位置、水量损失动态平衡值及发生位置;通过开采扰动区水流数值模拟,计算了2种模式单位走向长度水量损失强度。结果表明:覆岩组合特征控制着煤层采动含水层动、静储量叠加释放过程,决定了工作面采动顶板水量损失模式; 2种水量损失模式相比,复合模式下水量损失峰值和动态平衡值均较大;钻孔疏放水显著削减了推采过程水量损失峰值强度,改变了水量损失方式和时机,但采动过程水量损失动态平衡值及顶板水资源损失总量并未发生变化;两种模式下工作面采动,水资源损失总量以及水资源损失强度中松散层和风化基岩水占比计算结果,揭示了古近系黏土隔水层对于萨拉乌苏组潜水保护的重要意义。研究结果为"保水采煤"理论在工作面尺度含水层水量损失及保护的定量计算提供了新思路。

受采动影响底板隐伏断层滞后突水分析

为研究底板隐伏断层滞后突水,基于矿山压力与岩层控制理论,针对底板隐伏断层与回采工作面的不同空间位置关系,分析了采动引起的矿山压力对断层水压力的影响,得出断层水压增高的规律及断层水压力计算公式,分析了导致断层水压力变化的影响因素。分析结果表明:断层水压力随着断层倾角的增加而减小,受采动影响断层水压力随着最小主应力和支承压力的增加而呈线性增大的趋势。基于断层与回采工作面的不同空间位置关系,分析了受采动影响导致底板隐伏断层突水的力学原因,可为底板隐伏断层突水灾害防治提供理论依据。

水压致裂地应力测试法在煤矿底板突水预测中的应用

榆树坡煤矿5#煤层属于带压开采,存在底板突水危险。为评价该煤层底板带压开采危险性,对榆树坡煤矿5#煤层底板岩层进行水压致裂地应力测试,通过岩水应力关系理论计算突水临界指数。通过现场测试、结果计算及分析,榆树坡煤矿5#煤层底板突水临界指数均低于1,底板隔水层性能良好。

防水隔离煤柱结构分区及合理宽度确定

在现有煤柱合理结构分区的基础上,将其结构分为塑性区、弹性核区、水压破坏区。为求得各区宽度,首先,应用极限平衡理论和抛物线型强度理论,采用分离变量法确定了塑性区宽度;考虑矿压、水压作用,选用统一强度理论,采用半逆解法,确定了弹性核区宽度;考虑水的浸润软化作用,确定了水压破坏区宽度。之后,通过与以往经典模型各分区计算公式对比,验证了模型的合理性。最后,通过超声波探测技术,测量了煤柱内部的物理形态分布,验证了模型的正确性,并将研究成果应用于董家河煤矿防水隔离煤柱设计中,为煤矿安全高效生产提供了理论依据。

陷落柱突水三维大型模拟实验系统研制及应用

为了对陷落柱突水机理及防治技术研究提供实验技术支撑,开发出陷落柱突水三维大型模拟实验系统.通过力学实验和渗透性实验,配制出具有低强度和低渗透隔水层的相似材料,根据实验对象外形尺寸及受力情况,研制出与三维大型模拟实验配套的水压、围压、轴压控制系统和应力传感器.利用水溶性材料,设计出一种在三维密封条件下模拟巷道掘进及工作面回采的有效方法.结果表明：隔水层相似材料合理骨胶质量比为8∶1,胶结剂质量比为6∶1,水溶性材料合理配比为第3组,压力控制系统可提供压力范围为0.002~2.00MPa.以骆驼山煤矿陷落柱突水过程为模拟对象,验证了实验系统的可靠性.

阶梯状断层防水煤岩柱体塑性区宽度

煤系地层中断层带常以阶梯、地堑状等形式出现,为研究阶梯状断层组防水煤岩柱体塑性区宽度,以邯邢矿区邢东煤矿阶梯状断层组为研究对象,基于工作面导水裂隙带发育规律,创新性地提出阶梯状断层梯形防水煤岩柱体稳定性结构力学模型,根据梯形煤岩柱体内局部岩体受力情况及其几何特征,推导出阶梯状断层防水煤岩柱塑性区破坏宽度计算公式,并针对邢东煤矿内F23断层与SF27断层组成的阶梯状断层组,通过理论分析和数值模拟,计算了阶梯状断层防水煤岩柱塑性区宽度,进一步验证了理论分析的正确性.