“下三带”理论与底板突水机理

本文根据多种现场实测资料及室内相似材料模拟和数学模拟,搞清了煤层采动以后底板以下所形成的”下三带”(直接破坏带、完整岩层带、导升带)情况,并在分析底板突水机理的基础上探讨了利用完整岩层带预测底板突水的方法。     

突水预测的采动煤层底板相似模拟方法研究

以淮北朱庄矿Ⅲ616综采工作面为原型建立了相似模型,模拟工作面回采过程中的应力和位移变化。模拟结果表明由切眼向前开挖至45～50 m,老顶岩层初次断裂失稳,底板岩层压张应力差最大,采动造成的底板变形破坏深度在16 m以上,为突水危险地段;与数值模拟方法相拟合,计算采动造成的底板应力变化,选取Drucker-prager屈服条件作为判断岩石是否破坏为突水判据,由煤层底板塑性区分布图反映,当开挖至49 m左右时,底部导升区和上部采动破坏带基本贯通,可能发生突水。据此对工作面进行了布置,并采取了相应防范措施,取得了良好的应用结果。     

采动诱发断层活化导水试验研究

华北地区深部开采矿井,高地应力作用下煤层采动诱发断层活化引起的承压水突涌是矿井水害的主要形式之一,借助相似材料模拟试验台,通过自主设计的试验装置和试验方法,以五沟煤矿F13断层为工程背景,研究承压水上煤层开采的覆岩运动破坏形态、底板裂隙发育扩展特征、断层带应力和结构演化规律,再现断层活化导水全过程。以工作面距断层带的距离为时间参照,采动诱发断层活化导水存在4个明显阶段:断层带应力超限屈服、断层带拉裂延展、两盘错动滑移、承压水导升。以承压水沿断层带的导升高度为基准,寻找承压水导升高度的相关性因素:工作面距断层带的距离与导升高度近似呈负线性关系;水压力、断层带宽度与导升高度具有正相关性,试验过程中水压力与导升高度的相关性呈现强-弱-强的变化趋势;根据试验结果和规律设计断层防水煤柱宽度为40 m,现场观察未出现明显突漏水现象、效果良好。研究成果对于揭示断层活化突水机制、指导矿井防治水具有一定的意义。     

孔中瞬变电磁法在综放工作面底板破坏深度探测中的应用研究

鄂尔多斯盆地准格尔东部煤田石炭?二叠系 6 煤层为巨厚煤层,煤层底板面临奥陶纪灰岩含水层威胁尤为突出,由于采动效应的影响会形成底板采动破坏带,可能会形成新的导水通道引起突水灾害。针对底板采动破坏带测试问题,提出采用动源动接收的孔中瞬变电磁法,在采前和采后工作面底板钻孔中获取岩层电阻率特征数据的方法。首先通过数值模拟对比孔中瞬变电磁法在完整和二层岩层模型中呈现的电阻率差异性,验证该方法对二层岩层模型具有较好分辨率;然后在准格尔煤田酸刺沟煤矿6119巨厚煤层综放工作面进行试验,通过探查底板电性差异层得到底板破坏深度,经过验证结果准确可靠。研究表明:孔中瞬变电磁法探测技术与测试钻孔相结合,通过对比采前与采后结果获取了较为准确底板破坏深度,对类似条件下的工作面破坏深度测试提供了一种新的方法。      

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。     

软硬相间岩层底板变形研究

引入损伤变量ω理论,分析水平状软硬相间岩层在竖向应力下的应力-应变关系：再引用弹性模量E和岩层厚度L两个变形参数建立软硬相间岩层底板变形参数方程,得出竖向应力随着底板深度的增加而减小的规律：运用数值模拟软件,建立煤层开采模型,模拟软硬相间岩层底板在采动作用下的变形过程。通过数值分析底板在采动作用下的应力-应变关系和位移特征,发现竖向应力作用下软岩受到的水平应力比硬岩大,竖向应变也比硬岩大,而竖向应力和水平应变变化不大,认为在采动影响下软硬相间岩层底板中的软岩具有吸收更多的应变能来保护软岩下硬岩的变形特点。     

软硬互层岩体采场底板的应力分布及破坏特征研究

考虑底板岩体分层特性,将采场底板视为弹性层状半无限平面体,采用传递矩阵法建立层状底板的应力计算模型。用Matlab编制了相应的计算程序,求解得到不同分层深度处的底板应力分布,根据Mohr-Coulomb准则判断底板塑性区分布。新建模型考虑了不同底板岩性及其组合条件,理论计算得到的底板破坏深度比传统方法更符合实际,建立不同的软硬互层采场底板模型,分析了岩体的软硬性质对采场底板应力分布和破坏特征的影响。研究结果表明,硬岩底板对支承压力具有降低和扩散作用,降低作用减小了底板深处应力,有效地抑制了采场底板破坏深度;扩散作用加大了下卧岩层的应力影响范围,导致下卧岩层破坏范围增加,软岩底板由于其承载能力弱,会加剧底板应力的集中程度,导致底板岩层的破坏深度和范围都大大增加。     

“双端封堵侧漏技术”在探测大采深工作面煤层底板裂隙中的应用

我国浅部煤层的储量在近几年内大量减少,为满足工业生产,人民生活的需要,开采深部煤层成为势在必行的发展趋势,但是,深部采区条件较为复杂,尤其是在华北石炭-二叠型煤田内,底板奥灰水,溶岩水一直都限制着煤层的开采,底板突水占整个煤矿事故中90%以上的比例。大采深工作面受底板承压水的威胁较大,采动造成的裂隙一旦与导升带相连通,形成一导水通道,则会造成底板突水。双端封堵侧漏技术通过将整个钻孔细分为若干单位段,通过测试每一单位段前后两次漏水的差异,从而确定受回采影响下底板的裂隙发育情况和最大发育深度。     

循环荷载下完整底板导水通道演化过程研究

采动影响下完整底板防治水的重点是研究岩层由隔水层到导水通道的演化过程。煤层开采引起底板岩体承受压–拉–压循环荷载,并导致弹性模量变化。以弹性模量为损伤变量,采用双标量型D-P弹塑性损伤本构模型,根据成庄矿条件建立数值模型,分析采动底板导水通道演化规律。结果表明,(1)上一计算步煤壁处底板压缩破坏深度随顶板悬露面积增大而再次加深,工作面煤壁位置处底板压缩损伤深度的增长速率在充填体影响下迅速减小(顶板初次垮落),并最终达到稳定(顶板周期垮落);(2)采动底板中同时存在压、拉损伤破裂带,二者相互连通,决定了导水通道的位置;(3)充填体的弹性模量对底板破坏深度有很大影响,其值过低会导致破坏深度持续快速增加。由注水试验所得监测结果与数值模拟成果基本吻合。     

基于损伤变量的煤层底板采动破坏深度计算

传统采动破坏深度计算中认为底板结构完整,未考虑实际岩体损伤。以淮南潘北矿11113工作面A组煤开采为背景,利用FLAC3D对完整与损伤底板采动应力变化特征进行了分析,推导并计算了底板岩层损伤变量与底板破坏深度。此外,为验证该方法的有效性,对比分析了计算结果与测量结果。结果表明:采动应力的最大值出现在煤壁前后方,底板完整时为14.8 MPa,底板损伤时为17.5 MPa;底板岩层损伤变量D为0.574,基于损伤变量计算得出的底板最大破坏深度为16.15 m,对比并行电法探测结果16.00 m,该方法的计算准确率高。研究结果为快速准确确定底板采动破坏深度提供了一个新思路。      

煤层底板隔水层阻抗高压水侵入机理及其控制因素

通过专门设计的物理模型,模拟了不同水文地质与工程地质性质的阻水岩层对其底板高压水侵入过程的阻抗能力,以及不同水压条件下高压水侵入导升过程中的水头损耗。得出了高压水在侵入导升带内的水头损耗分布特点及数量特征;研究了高压水在其上覆阻水岩层中的侵入高度及其最终驻点的残余水头压力;重新评价和改进了突水系数的计算方法。结果表明:隔水层的原始导高带对含水层水头具有较大的消减作用,作用于有效隔水层的实际水头压力远小于含水层的水头压力。      

宁阳-汶上煤田鲁西井田岩浆岩特征及其对煤层煤质的影响

宁阳-汶上煤田鲁西井田内的岩浆顺煤层或煤层顶底板侵入,对煤层和煤质都有严重影响。该文分析研究了岩浆岩的侵入层位、层数、厚度、岩性及其矿物成分,初步探讨了岩浆岩的来源、地质时代及其对煤层、煤质的影响。     

Development Status of the Detection Technology for Coal-seam Stope Floor Damage

The exhaustion of coal resources in the shallow part has made deep mining enter into the implementation stage, however the geological environment of deep coal seam is relatively complex; the mining process is threatened by confined water in the basal limestone while the key point of solving water inrush is to check the fracture mechanism of floor strata. A large number of scholars both at home and abroad have explored this issue and the geophysical method has achieved a good effect in probing floor strata. Based on research status analysis of stope floor strata fracture, this paper stated the technological principles of electrical method, electromagnetic method, seismic wave method and new technology-Brillouin Optic Time-Domain Reflectometer (BOTDR) and their application status in probing basal deformation and fracture, and analyzed technical features of different probing methods. It revealed the influencing factors and deficiencies in their application, proposed the idea of total space, multiple parameters, real-time monitoring of stope floor, developed integrated dynamic monitoring alarming system of basal stratum and looked into the development direction of rock water detection technology during the process of coal mining floor strata deformation and fracture.     

华北煤层底板突水的随机—信息模拟及预测

在我国华北煤矿田,回采工作面煤层底板突水问题严重困扰着煤矿经济效益的正常发挥。针对回采工作面煤层底板突水的特点,提出了采用随机－信息方法解决突水预报问题,为此建立了信息判据,并对大量的实例进行了验证,取得了满意的效果。     

山东济宁何岗煤矿下组煤水文地质条件研究

对济宁何岗煤矿16上、17煤水文地质条件进行补充勘探。研究认为济宁何岗煤矿井田内主要含水层有第四纪砂砾层,山西组3上、3下煤层顶底板砂岩、太原组三灰、十下灰、十三灰及奥陶纪灰岩。16上、17煤的主要水害是太原组下部灰岩水和奥灰水,16上、17煤水文地质条件属中等局部复杂类型,开采时的矿井最大涌水量为816m3／h。断层和裂隙是诱发突水的主要因素,生产中必须采取有效的安全防水措施。     

水压在底板突水中的力学作用

分析了水与水压在底板突水中的力学作用，即水对岩石的软化作用；水压对裂隙介质岩体的力学作用；水压在断层中的水楔作用；突水过程中水流的冲刷扩径作用和水压对突水的动力作用。     

地震勘探方法在赵官井田岩浆岩解释中的应用

赵官井田位于山东省的西北部,该区岩浆岩较发育,有三层岩浆岩呈岩床状侵入到煤系地层中。下层岩浆岩一般位于10煤以下,但在井田局部区域,也会上冲至10煤层,甚至达到7煤层,造成冲断条带两侧煤层底板形态发生剧烈变化,10煤或7煤直接吞蚀。依据赵官井田岩浆岩的发育规律及煤岩性特征,利用三维地震勘探方法查明了井田内三层岩浆岩的赋存状态,尤其对下层岩浆侵入形态以及对煤层的影响进行了解释,否定了以往地质资料中因岩浆侵入煤层而误解释为多条逆断层的存在。赵官庄井田三维地震勘探实例表明,岩浆岩冲断煤层在时间剖面上具有典型的响应特征,并指出下层岩浆岩的上冲的影响井田浅部煤层开采的一个重要地质因素。     

山西新阳矿太原组下组煤层底板岩溶水突水安全性评价

新阳矿9-10-11号煤层底板低于奥灰岩溶水位,承受水压较高,存在带压开采问题。依据矿区水文地质勘查资料,通过对9-10-11号煤层底板隔水岩层隔水性能、奥灰岩溶水富水程度、底板断裂构造发育情况、煤层底板承压大小以及采煤扰动底板破坏深度等突水因素分析,表明井田西南部断裂构造发育地段为突水危险区。分别采用突水系数法和突水危险度法对全井田9-10-11号煤层底板突水危险性进行评价,评价结果显示井田南部及断裂构造发育地段为突水危险区。理论分析与定量评价结果基本一致。针对9-10-11号煤层底板突水安全评价结果,提出了相应的防突水对策。     

合山煤田矿井水害防治措施探讨

合山煤田是典型的岩溶充水矿床．矿井开采水害严重。煤层的直接顶、底板为碳酸盐岩类,岩溶极为发育,为矿井的直接充水含水层;煤层底部的茅口组为强岩溶含水层,与煤系地层的联系密切,为间接充水含水层;位于煤田两侧的红河水是矿井充水最主要的补给水源。断裂、节理和破碎带等通道是矿井充水的主要通道。通过分析井下突水点的发育特征,认为强岩溶导水带是矿井突水的关键部位,防治矿井水害的重点是切断岩溶导水带,对强导水带进行封堵,防止红水河的侧向补给,对四煤底板灰岩进行加固。总结出地面防治的主要方法为帷幕式、截堵式、堵水点式和地面铺盖式。对井下防治水,提出了有疑必探,先探后掘,设置防水闸门、防水墙,实行分层、分区开采,加强井下排水等防治措施。     

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。