开滦矿区地应力场特征及其研究意义

地应力是影响矿井突水的重要因素之一,是存在于地壳中的重要能量场条件。采用现场应力解除法对开滦矿区多个矿井进行了地应力测试,分析了研究区现今地应力分布规律,在此基础上,建立了煤层底板突水危险性与岩石力学性质及地应力之间的相关关系和模型,对范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板突水危险性进行了评价。研究结果表明,本区地壳浅部现代地应力作用较强,整体处于近东西向挤压应力场中,在挤压应力作用下,煤岩层应力状态主要表现为水平主应力大于垂直主应力,原岩应力主要由构造应力和自重应力场构成。煤层底板突水危险性受岩石力学条件和地应力所控制,当岩石破裂压力大于水压（Pf〉Pw）,则不产生突水;若岩石破裂压力小于水压时,则有可能突水。当承压水的水压（Pw）小于最小水平主应力（σhmin）时,不会产生突水。只有当承压水的水压（Pw）大于最小水平主应力（σhmin）时,存在突水危险性。范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板破裂压力（Pf）和最小主应力（σhmin）均大于其底板岩体承受的水压（Pw）,本区在无构造破坏卸压条件下是不会发生底板突水的。     

深部开采隐伏构造扩展活化及突水试验研究

深部开采突水具有突发性、滞后性和强致灾性等特点,研究突水通道成因、演变规律和致灾机制成为控制深部开采底板突水的关键。大量的防治水实践和理论证实,构造突水通道一般发生在构造与岩层接触面处,为此建立隐伏构造条块体突水判据模型,应用剪切破坏理论方法得到突水理论判据;借助深部承压水上底板断层扩展活化及导水通道演化物理模拟试验,研制了固-流耦合相似材料,选取模拟断层破坏活化的材料并进行了模拟材料的可行性分析;试验直观地展现了含隐伏断层底板在采动应力扰动和高承压水共同作用下底板裂隙形成、隐伏断层扩展、突水通道贯通的全过程。通过对试验监测数据和现象的解读,揭示了应力场-渗流场耦合作用下承压水体上采煤底板滞后突水的机制,并对突水路径形成的时空规律进行了分析探讨,为研究深部开采构造突水提供了新的方法和认识。     

断层破裂带附近采场采动效应的流固耦合分析

矿井底板突水是一个复杂的多物理场耦合问题,结合含断层破裂带条件下采场开采的工程背景,通过离散元流固耦合分析,研究了采场工作面推进过程中断层带的变形与受力情况以及底板支承压力、渗流矢量和渗流速度的动态发展规律和分布特征。相关模拟结果表明,采场中煤层的开采与断层破裂带之间是相互影响的,以支承压力为代表的采动应力是底板破坏形成导水裂隙带及断层“活化”突水的一个主要诱因,而断层的存在也使得工作面与断层带范围内的围岩应力更加集中,增大了底板破坏突水的危险性。采动过程中,底板破坏所形成的导水裂隙带主要集中在工作面前方及下方围岩中,这些区域渗流速度较大,是形成突水的主要通道。     

淄博煤田石谷井田底板水害分析及防治水对策探讨

石谷井田位于淄博向斜东翼中段深部,整体上呈单斜构造,开采煤层为太原组底部9、10号煤层。通过对井田水文地质条件的分析认为：本溪组徐上砂岩、徐灰及奥陶系石灰岩承压水是矿井的主要充水含水层;影响井田含水层富水性的主要因素是地形地貌、含水岩组与可采煤层之间的岩性组合、厚度变化及断裂构造;井田底板突水形式主要是裂隙扩大型和裂隙渗流型。对井田的底板突水规律进行了分析研究,提出了以查明底板水文地质条件为前提,以准确分析判断可能发生的底板突水类型为基础,做好探查探测、实时监控、分析评价、预测预报、疏放降压、条带开采、合理留设煤柱的综合预防及治理措施。     

底板导水裂隙带中含承压水裂隙的力学特性

华北煤田煤系地层的底部为含水丰富的奥陶系灰岩,该层灰岩与地表水系和煤系地层含水层存在着密切的水力联系。许多大型突水是采掘空间与含水层之间形成突水通道引起的。因此,分析开采工过程中底板岩体中含承压水裂隙的断裂力学特性具有重要意义。本文采用作者提出的数值方法分析了含高压水裂隙在开采过程中的断裂力学特性。假设裂隙面上作用着均匀水压力,考虑地应力的影响,采用断裂力学的叠加原理,分析了采煤工作面推进过程中含承压水裂隙的断裂力学特性,讨论了开采过程中底板承压水导升。结果表明:在工作面推进过程中,位于底板岩层且与含承压水岩层连通的裂隙,会在承压水水压力和扰动应力的共同作用下,产生破坏,导水裂隙带的高度会增加;这就增加了底板突水的危险性。     

采场底板突水条件及位置分析

分析采场突水条件和位置是突水预测的基础,根据采场支撑压力发展规律和底板应力分布特征,进行了突水条件突水位置的研究,底板突水的条件矿压对底板的破坏使其有效隔水层厚度降为零和水压不小于卸压区的侧向压力,在采场的内外应力场形成之前,突水位置在采空区;内外应力场形成之后,突水位置在煤壁附近。     

承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程模型试验

岩溶隧址区强致灾性承压隐伏溶洞较为发育,为研究隧道开挖诱发隔水岩体破裂突水致灾机制,以利川至万州高速公路齐岳山隧道为工程背景,研制了流固耦合相似材料,提出了承压溶洞制备新工艺,自主研发了大型隧道突水灾变演化模拟试验系统。针对隧道开挖方式与溶洞发育尺寸,开展了多种工况下隐伏溶洞突水灾变演化过程模拟试验,研究结果表明：隧道施工过程突水灾害是爆破施工扰动与承压含水溶洞渗透破坏双重作用的结果;受爆破开挖扰动影响,隔水岩体内部裂隙发育密集,重点监测区域累计位移高出人工钻凿开挖27%,应力释放率达23.5%,稳定渗透压力仅为初始压力的36.7%,外加水压加载至40 kPa约15 min后最先突水;相同水压加载条件下,溶洞尺寸越大对隔水岩体渗流场、位移场、应力场的影响越大,位移释放率越大、渗透压力整体水平越低,最终在应力和渗流作用下优势导水通道形成并扩展率先发生突水;承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程经历了群裂隙的萌生扩展、优势导水通道的形成、隔水岩体破裂失稳3个阶段。试验结果对隧道突水机制的研究和灾害防治具有一定的指导意义。     

采动影响下的煤层底板岩层破坏特征——以团柏煤矿为例

研究采动影响对底板岩层的破坏范围,掌握矿压和水压对底板岩层作用的关系是煤矿防治底板水害的关键。团柏煤矿开采10煤和11煤,受到底板奥灰岩溶水的威胁,因此,以10煤为研究对象,采用煤层开采过程中底板监测钻孔的压水实验,研究采动影响范围和底板岩层的破坏深度。研究结果表明,10煤开采对底板岩层的破坏范围为10~12 m,横向影响范围40 m,峰值点位于6~20 m。该成果可为煤矿开采深部煤炭资源时进行底板突水预测预报提供技术支持。      

煤层底板破坏流固耦合数值模拟

根据煤层底板含水层具有不均一性的特点,建立了底板含水层非均布水压力学模型和流固耦合模型,并根据"下三带"理论和弹塑性理论求得了底板保护带突水极限压力的弹性解和塑性解。利用FLAC3D软件对工作面采动底板进行了流固耦合数值模拟,并对煤层采动底板的应力破坏特征以及渗流特征进行了研究。综合采用理论计算和数值模拟的方法对煤层底板进行了突水预测。研究表明:非均布水压模型更符合工程实际,数值模拟方法可以快捷、准确的对煤层底板突水进行预测,对水害防治具有重要意义。      

煤层底板破坏流固耦合数值模拟

根据煤层底板含水层具有不均一性的特点,建立了底板含水层非均布水压力学模型和流固耦合模型,并根据"下三带"理论和弹塑性理论求得了底板保护带突水极限压力的弹性解和塑性解。利用FLAC3D软件对工作面采动底板进行了流固耦合数值模拟,并对煤层采动底板的应力破坏特征以及渗流特征进行了研究。综合采用理论计算和数值模拟的方法对煤层底板进行了突水预测。研究表明:非均布水压模型更符合工程实际,数值模拟方法可以快捷、准确的对煤层底板突水进行预测,对水害防治具有重要意义。     

赵官井田10煤层底板突水危险性评价

从地质构造、含水层、隔水层、开采条件等方面详细分析了赵官井田10煤层底板突水的影响因素,确定了断层强度指数、褶皱分维值、"底板充水含水层组"水压、"底板充水含水层组"富水性、奥灰富水性、隔水层厚度、泥岩比率、底板破坏深度8个主控因素作为10煤层底板突水危险性评价的决策指标,并建立了各主控因素专题图;运用层次分析法(AHP)确定了各主控因素的权重系数,建立了基于"脆弱性指数法"的底板突水危险性评价模型,对10煤层底板突水危险性进行了定量评价,结果表明:在井田的南部煤层露头处脆弱性指数小,突水可能性较小;在井田的北部,特别是在井田东北部,脆弱性指数大,突水危险性较大。      

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。      

原岩应力与煤层底板隔水层阻水能力的关系

介绍了水力压裂应力测量的原理和现场测量结果,论述了煤层底板隔水层带的阻水机理和承压水沿煤层上升的机理,以及原岩应力、水压与裂隙扩展的关系。指出对于厚底板隔水层,原岩应力起着阻止底板承压水上升和突出的作用,对于薄底板隔水层,原岩应力起着破坏底板、导致承压水突出的作用。      

基于岩体阻水能力测试的煤层底板突水评价方法

以金牛能源股份有限公司邢台矿9号煤开采为例,对底板岩体质量及阻水性能进行了评价。首先分析了开采煤层的底板岩体地质结构,获取了岩石力学参数;进行了地应力测试,掌握了该区域地应力性质;进行了矿山压力显现规律研究,获取了工作面的初次垮落步距、周期来压步距和来压强度;在综放和综采工作面进行了底板破坏深度测试,得到了不同开采条件下煤层底板破坏深度;采用三维非线性固-液耦合岩石水力学计算方法,以非线性数值模拟软件ANSYS为手段,建立了三维数值仿真模型,根据矿井水文地质、工程地质特征和开采技术条件,分4种工况,对不同开采阶段、不同深度煤层底板应力分布、破坏状态的影响进行了分析研究。数值模拟结果表明,从突水的必要条件(底板破裂带贯通)和充分条件(水平应力小于承压水压力)来考察,在本次计算采用的工作面开采条件和正常的地质条件下,突水的可能性由大到小依此为:工况Ⅳ >工况Ⅲ >工况Ⅱ >工况Ⅰ,由此为该矿首个9号煤工作面开采选择提供了依据。      

邢台煤矿下组煤开采水文地质条件评价及突水危险性预测

为安全开采下组煤,详细分析了矿区奥灰水文地质条件,以研究煤层底板突水因素、突不机理为切入点,利用地理信息系统技术,对下组煤开采之前奥灰突水的危险性进行了预测,即可分为３个区（安全区、可能突水区、突水区）,同时提出下组煤先期开采的范围为－２１０ｍ水平以上范围。     

基于LSTM神经网络的煤矿突水预测

针对煤层底板突水预测问题,在总结现有突水预测方法和理论的基础上,通过特征选择实验得出水压、距工作面距离、砂岩段厚度、煤层厚度、煤层倾角、断层落差、裂隙带、开采面积、采高、走向长度是影响突水发生的主要因素,这些因素具有复杂、非线性的特点。提出基于长短时记忆（LSTM）神经网络构建的突水预测模型,将煤矿突水实例的数据作为样本数据对模型进行训练。最后,将LSTM神经网络模型与遗传算法-反向传播（GA-BP）神经网络模型和反向传播（BP）神经网络模型进行对比实验。实验结果表明,LSTM神经网络模型在测试集上的预测正确率更高,稳定性更好,更适用于煤层底板突水预测。      

煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用

梁北煤矿已发生5 次寒武系灰岩底板突水事故,造成重大经济损失。根据矿井的水文地质条件,建立了煤层开采的FLAC 数值模型,利用岩石力学及渗流力学理论,分别模拟了无断层和有断层条件下煤层底板采动破坏带的演化规律,重点讨论了断裂深度及断层空间位置对底板破坏深度的影响。结果表明,断层的存在可使底板采动破坏深度增加20%~33%,断层是突水重点防范区域,遇断层前10 m 直到过断层15 m 须加强防治水工作。根据模拟结果设计了梁北矿11041, 11151,11111 三个工作面底板的注浆加固工程,重点注浆层位分别为底板破坏范围和寒武系顶部裂隙发育带,注浆工程增强了底板的阻水能力,实现了工作面的安全回采。     

Application on Floor Water Inrush Evaluation Based on AHP Variation Coefficient Method with GIS

The prediction and prevention of floor water inrush is directly related to the safety of the coal mine production. The previous evaluation method of floor water inrush was more one-sided and lacked main control factors related to mining conditions. In order to evaluate the floor water inrush more accurately, under the project background of geological data of Wanglou coal mine, stope width, mining depth, fault scale index, water pressure, water abundance and thickness of aquifer were selected as main controlling factors of floor water inrush. Combined with the subjective weight analytical hierarchy process and the objective weight variation coefficient method, the weight coefficients corresponding to the main controlling factors were obtained respectively. The thematic map of the risk assessment of coal seam floor water inrush was drawn by combining the constructed comprehensive weight vulnerability index model and geographic information system. The results show that: ① according to the actual geological data of mine, two fault related factors were removed. And stope width and mining depth were increased as the main controlling factors to evaluate floor water inrush. It is easier to compare and calculate the weight of evaluation factors. ② The constructed comprehensive weight vulnerability index model can comprehensively evaluate the risk of floor water inrush. And the results of the evaluation are more accurate. ③ The related thematic maps can directly reflect the risk of floor water inrush, which is of guiding significance for the prediction and prevention of coal seam floor water inrush.     

高盐矿井水深部转移存储介质特征与水动力演化规律

高盐矿井水处理及排放是近几年影响煤炭高效开采的重要因素之一,选择开采煤层底板下深部适当的含水层,将高盐矿井水进行异位转移存储是一种值得探索的矿井水排放减量方法。以鄂尔多斯盆地X矿为例,分析认为开采煤层以下宝塔山砂岩和深层刘家沟组砂岩地层具备转移存储空间。采取压汞实验和岩石力学分析研究2组地层介质特征;采用水位自然恢复试验、压水试验和数值模拟等手段研究水文地质参数和水动力场特征。结果表明:宝塔山砂岩孔隙率为6.57%~19.89%,储水潜力大但距离开采煤层过近,转移存储矿井水可能引起底板突水威胁,现今开采阶段不考虑作为转移存储目的层;刘家沟组孔隙率为4.18%~7.49%,原始状态下渗透系数为5.31×10-6 m/d,注水压裂后为0.008 14~0.015 27 m/d,渗透能力大幅提升并可保持稳定;MODFLOW模拟结果表明,刘家沟组含水层在长期转移存储矿井水方面具备较好前景。