东胜煤田乌拉素矿区水文地质特征及充水因素研究

近年不断发生的突水事故,给煤矿安全生产带来严重威胁,研究矿区水文地质特征,分析矿井充水因素有重要现实意义。根据东胜煤田乌拉素矿区地质勘探和水文地质资料,对煤层开采导水裂隙带高度进行计算,结果表明:直罗组底部、含煤系地层的裂隙承压水含水层和上部煤层采空区内的积水,是煤层开采时矿井涌水的主要充水水源,矿井充水通道有断层裂隙带、封闭不良钻孔、采动导水裂隙带;其中导水裂隙带会将上部煤层采空区积水导通,使充水强度增大,矿坑涌水量增加。建议开采过程中要做到边探边采,探采结合,预防突水问题。     

废弃采空区裂隙带高度预测模型及应用

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程。因地表下沉滞后于煤炭开采,对于废弃采空区,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低。基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化过程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程。着眼于压实作用对裂隙带高度的影响,根据煤层采厚、垮落带和裂隙带岩层变形量及地表下沉值之间的定量关系,建立了第2阶段裂隙带高度预测模型,并结合太平煤矿实测结果进行验证,采用控制变量法分析了单一因素影响下废弃采空区裂隙带高度的演化特征。结果表明：废弃采空区裂隙带高度受控于垮落带块体强度、垮落带初始碎胀系数、采动期间裂隙带高度最大值及对应的垮落带高度、煤层埋深、地表最终下沉量等因素,太平煤矿采后15 a的裂隙带高度实测值11.36～13.00 m与理论预测值12.75 m吻合度较高,模型的可靠性得到验证。最后,应用此预测模型对武安煤矿（关停矿井）2002－2003年采空区裂隙带高度开展理论计算,结合地空瞬变电磁探测确定了地面瓦斯抽采钻孔理想的终孔位置并成功开展了地面钻孔瓦斯抽采试验。     

地面防治水钻探技术在双系煤层 上覆采空区积水治理中的应用

针对双系煤层上覆采空区积水对下部煤层开采构成的威胁,提出在地面布置钻孔,穿越上部多层采空区,施工探放水孔与大直径抽水井的防治水钻探技术。采用该技术在大同矿区上覆侏罗系采空区的积水治理实践表明,地面探放水孔能够实现采空积水区与下部石炭系开采煤层巷道的贯通式放水,大直径抽水井可实现超大流量的采空区积水抽放,施工的9个地面探放水累计疏放采空区积水398.1万m3,5个大直径抽水井累计抽排采空区积水200余万立方米,取得了较好的贯通式放水和抽排效果。介绍了地面探放水孔与大直径抽水井钻探技术在同煤集团同忻矿上覆侏罗系采空区积水治理中的应用,可为其它类似开采条件的矿井上覆采空区积水治理提供参考。     

浅析多层采空区的塌陷机理及发展因素

首先对多层采空区的塌陷机理进行了分析,然后分别研究了煤层采出厚度、埋藏深度、覆岩岩性、时间因素及重复采动等因素对多层采空区塌陷的影响。结果表明：冒裂带高度与煤层采出厚度成正比;但是对于多分层开采的特厚煤层或近距离煤层群来讲,其下各分层开采的影响已显著减弱。地表的塌陷影响是随着开采煤层埋藏深度的增加而递减;但是对于开采下部煤层或同一煤层开采下一工作面时,岩层及地袁移动过程比初次采动剧烈,地表移动范围扩大。硕板岩层愈硬,导水破裂带高度愈高;随着开采层数的增加,煤层开采累积厚度也随之增加,但对冒落带高度的影响则愈来愈小。     

煤层采动后甲烷运移与聚集形态分析

富含甲烷厚煤层经综采放顶煤方法开采后,甲烷运移通道和聚集空间随采场上覆岩层活动特征及导气裂隙带空间分布形态而不同。本文分析了煤层采动后采场覆岩关键层活动特征对导气裂隙带分布形态的影响,提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成椭抛带分布,阐述了卸压甲烷在椭抛带的升浮—扩散运移理论,为实现煤层与甲烷的安全共采提供了科学依据。      

深部条带开采覆岩“三带”探测及量化评判

为研究深部条带开采覆岩裂隙发育高度这一采空塌陷区治理中的关键技术问题，综合运用工程地质钻探、钻孔电视与煤田测井3种方法对济宁煤田某煤矿覆岩采动裂隙进行探测与分析。结果表明:缓倾斜（煤层平均倾角6°）、深埋（平均埋深538 m）、采留比1:2（采50 m留100 m）的条带式采动下，覆岩“三带”特征显著，空间整体呈“波浪式”破坏形态，地下采空区无明显空洞；垮落带发育高度为8.45 m，为采高的3.0倍，断裂带发育高度为57.55 m，为采高的20.6倍；覆岩“三带”发育高度判别的8个量化指标中，钻孔电视法比工程地质钻探法、煤田测井法精确度高。探测结果较为准确可靠，为深部条带采空塌陷区治理方案的选择提供依据。      

陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采技术研究

浅埋煤层上覆采空区水威胁着陕北地区诸多煤矿的安全生产。以陕北地区某煤矿为例,针对该类水害问题进行分析,通过经验公式、数值模拟等方法计算,开采3-1号煤层产生的覆岩导水裂缝带高度至少为66 m,运用类比法及经验公式预计,矿井正常涌水量为163 m3/h,最大涌水量203 m3/h,3-1号煤层上覆采空区积水量约为2.6×106 m3。根据各计算结果,提出"物探先行、钻探验排、先治后采、有掘必探"的安全开采技术方案和思路,为矿井后期制定合理有效的煤层顶板采空区水综合防治措施打好基础。      

黄河流域陕北煤炭开采区厚砂岩对覆岩采动裂隙发育的影响及采煤保水建议

煤炭开采活动导致的煤层顶板覆岩地质条件变化及采动裂隙发育是损害地下关键含水层的直接原因,也是造成矿区生态环境退化的根源。煤层顶板覆岩结构中发育的厚砂岩作为一种典型的地质条件,其对覆岩采动裂隙的发育规律具有重要的影响。为此,在分析研究区主采煤层赋存地质条件及其分布规律的基础上,选择陕北煤炭开采区曹家滩煤矿主采2?2煤层顶板覆岩为地质原型,采用FLAC3D数值模拟平台模拟分析了厚砂岩不同厚度和位置对覆岩采动裂隙发育形态和发育高度的影响,并以此提出了相应的“采煤保水”建议。结果表明:研究区2?2煤层顶板覆岩中厚砂岩平均厚度25 m,距2?2煤层平均间距76 m;厚砂岩距煤层30 m时,覆岩采动裂隙表现为“矩形—L形—马鞍形”的动态变化特征,距煤层70 m时表现为“L形—倒梯形—马鞍形”变化特征,距煤层大于95 m时全程表现为“马鞍形”特征;覆岩采动裂隙最大发育高度随厚砂岩层位的升高而先减小后增大;厚砂岩厚度H≥30 m、距煤层间距L>95 m,或H≥60 m、L>60 m时,可有效阻挡采动裂隙向上发育贯穿厚砂岩;在充分考虑厚砂岩对覆岩采动裂隙发育规律的影响,选择合适的空间位置和开采阶段进行合理的覆岩减损和保水防治,实现“边采边治、边采边护”的绿色开采模式。该研究成果可为黄河流域中游陕北煤矿区煤炭开采与生态环境保护协调发展提供理论指导。      

浅埋采空区大采高条件下覆岩破坏规律

浅埋采空区下远距离煤层开采覆岩破坏直接影响本煤层工作面安全开采和上覆采空区稳定性。针对神东矿区大柳塔煤矿开采实际,采用相似模拟试验、数值计算和现场实测方法研究了2-2煤采空区下伏的5-2煤层开采覆岩运动及裂隙发育规律。研究结果表明,大柳塔煤矿5-2煤层一次采全高开采,覆岩裂隙带贯穿层间岩层导通2-2煤采空区,层间岩层的破断会诱发上覆岩层大面积垮落,工作面出现强烈的矿压显现,同时加剧了上覆采空区围岩结构失稳及地表沉陷。现场实测也表明大柳塔煤矿5-2煤层大采高开采覆岩破坏高度137. 32 m,裂采比20. 2,与模拟结果一致。这些成果可以为大柳塔矿5-2煤层工作面安全开采提供理论依据。     

带压开采煤层底板破坏深度理论分析及数值模拟——以陕西澄合矿区董家河煤矿5号煤层为例

随着煤矿开采深度的不断增加,带压开采已经成为深部矿井普遍应用的一种采煤方法,而带压水上采煤的关键问题之一是确定采动引起的底板破坏深度。针对董家河煤矿5号煤层开采引起的底板采动破坏深度开展相关研究,以该矿的507综采工作面开采为工程背景,采用理论分析和数值模拟相结合的办法,动态再现了整个底板岩层渐进破坏过程,并得出底板岩层的最大破坏深度为10~11 m,该结果与现场实测结果一致;同时给出了该矿底板岩层破坏深度与工作面斜长和埋深关系的经验公式。该结论为董家河煤矿带压开采工作面煤层底板突水预测与防治提供了科学依据。      

多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙发育规律的实验研究

采空区残余裂隙的发育情况是采空区充填注浆设计需要考虑的重要因素。本文采用相似材料模拟实验的方法,探讨多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙的分布规律和发育程度。研究结果表明:开采结束后采空区残余裂隙在剖面上具有明显的分区性,从采空区两侧到中间可划分为残余裂隙发育区、裂隙压密区和地表张拉裂隙区; 残余裂隙发育区的残余裂隙率一般介于19.54％～45.27％之间,裂隙压密区的残余裂隙率介于9.28％～19.33％之间; 离层裂隙发育高度是受采宽和累计采厚综合影响的结果。研究成果对于老采空区建筑地基的稳定性评价、采空区处治工程范围与深度的确定、注浆孔的合理布置、单孔注浆量的合理计算等都具有重要的理论研究价值和实际指导意义。     

淮北煤田矿井充水因素与防治水措施研究

淮北矿区矿井突水的主要充水水源是老窑积水、新生界松散层底部含水层（组）水、煤层顶、底板砂岩裂隙水、太原组与奥陶系灰岩水。矿井众多重大突水事故表明，加强太原组、奥陶系石灰岩含水层和断层破碎带的探测与疏放工作，是降低煤矿突水风险的必要条件。     

双系煤层开采相互影响下的覆岩运动与破坏规律分析

以大同矿区同忻煤矿为例,利用关键层理论、物理探测技术和数值模拟,分析双系煤层开采形成的覆岩运动与破坏规律。研究结果表明：（1）石炭二叠系煤层工作面推进至193 m时,覆岩裂隙带发育高度达到最大为174.7 m;（2）物理探测得到3-5^#煤层开采引起的覆岩垮裂带高度约为180 m,综合理论计算与现场实测,确定覆岩裂隙带发育高度与采厚之比为11.7-12.0;（3）侏罗系煤层开采引起的底板破坏及双系间覆岩软弱夹层的缺失为双系煤层采空区联通进一步提供了条件;（4）侏罗系煤层的开采影响石炭二叠系煤层工作面超前支承压力的分布规律,当石炭系煤层工作面位于侏罗系煤层遗留煤柱下方时,超前支撑压力较无采空区时增大12.4%;（5）研究成果揭示了双系开采相互影响关系,为采取安全开采措施、减弱双系开采相互影响程度提供了科学依据。     

煤层顶底板采动破坏同步动态监测电性特征分析

随着煤炭开采深度的增加,深部复杂条件下开采的水害问题日益严重。复杂条件下煤层回采过程顶底板破坏动态监测对于工作面突水预测、采煤方法改进等具有重要意义。本文基于并行电法监测技术,结合双模式电极数据采集方式,同时在采煤工作面进行煤层顶、底板全空间地电场特征监测研究,获得了煤层围岩顶底板采动前后电阻率及自然电位同步响应特征。研究表明:顶底板跨孔电阻率监测动态变化可以显示孔间电阻率随采煤工作面逐步推进的动态变化情况,可有效表征顶底板破坏带发育范围,同时顶板垮落造成的电阻率变化程度大于底板破裂引起的电阻率变化程度;自然电位数据可分辨顶、底板岩层及裂隙张合形态、以及破裂程度,研究区域内顶板自然电位值明显高于底板自然电位值,且顶板的破裂引起的自电位变化强度明显大于底板破裂引起的自电位变化。采用多参数对煤层顶底板采动破坏进行同步动态监测,对保障采动工作面安全回采具有现实应用价值。     

沿空留巷采煤对底板扰动破坏深度影响

以韩城矿区桑树坪煤矿下组煤3105工作面开采实际情况为背景,采用现场声波测试和数值模拟方法,对沿空留巷开采条件下煤层底板扰动破坏规律进行了研究。声波测试成果表明工作面底板扰动破坏深度为13.2~14.6 m,数值模拟成果显示工作面底板破坏深度为13.0~14.5 m,两种方法结果较为一致。通过与正常开采条件下底板破坏深度进行对比,结果表明,采用无煤柱式的沿空留巷开采技术不会对底板破坏深度造成较大影响。研究成果为国内底板带压工作面采用沿空留巷技术开采过程中底板扰动破坏规律的确定提供依据。      

平煤八矿己15-13030工作面煤层顶板突水溃砂可能性评价

煤矿突水溃砂灾害的发生与煤层上履含水层性质、岩性特征及破坏程度等诸多因素有关。通过研究己15煤层顶板基岩与第四系底部的含、隔水性能及顶板覆岩岩性组合特征,计算出一次全部开采3．6m煤层时,其导水裂缝带最小发育高度为38．46m,最大为47．95m,确定了采煤活动导致的上覆顶板含水层发生水力联系的范围,认为己15—13030工作面煤层开采时发生顶板突水的可能性不大;计算一次全部开采3．6m煤层时,防砂安全垂高最大为23．5m．防塌安全煤岩柱最大垂高为12．5m,结合煤层顶板基岩及第四系底部岩层的水文地质特征,认为工作面回采时顶板溃砂的可能性也不大。强调在生产过程中,要加强顶板涌水的观测,同时增加现有排水系统的排水能力,从而为工作面安全回采提供支持。     

The Hazard Analysis of Water Inrush of Mining of Thick Coal Seam Under Reservoir Based on Entropy Weight Evaluation Method

The water inrush of roof induced by mining was related to the height of water flowing fractured zone under large-scale water bodies. Based on the drilling revealed stratum, the thickness of different overlying layers was obtained within the scope of Santaizi reservoir. The height of water flowing fractured zone of different workface on the outside of reservoir under the condition of fully mechanized level mining area was the prediction sample, the generalized analysis of sensitive factors that affected the development of water flowing fractured zone was carried on. The mining depth, dip angle of coal seam, mudstone ratio, compressive strength, mining thickness and the inclined length of the goaf were selected as the influence factors to predict the height of water flowing fractured zone. The height of water flowing fractured zone of unmined working face within the scope of Santaizi reservoir was obtained by objective entropy method. The index weight value of each influence factor was determined. The thickness of the different overlying rock layers above water flowing fractured zone was obtained. And the safety evaluation of water-inrush of unmined working face within the scope of Santaizi reservoir was studied. The important parameter and technical support were provided for the rational design and mining of the working faces under the reservoir.     

灵新煤矿导水裂隙带发育高度数值模拟研究

煤矿的开采利用给国民经济发展带来巨大的收益,但也引发了许多环境地质问题,特别在煤层开采过程中,煤层上覆基岩变形破坏形成的裂隙通道极易发生矿井涌（突）水事故,时刻威胁着井下工人的生命安全。本文以灵新煤矿051505工作面为研究对象,利用Flac3D数值模拟软件,对14号主采煤层上覆基岩导水裂隙带高度进行了模拟研究。模拟结果表明：当煤层开采厚度为2.5 m时,导水裂隙带发育最大高度为59.5 m。同时选取经验公式法对导水裂隙带高度进行了计算。最终通过钻孔实测法得到的结果与前两种方法对比分析,数值模拟结果与钻孔实测结果基本吻合,认为数值模拟方法能够高效、简单、合理达到预测导水裂隙带高度的目的,也为同类矿井安全、绿色生产提供一定的借鉴。     

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。