深部带压开采:传承与创新

回顾了带压开采的传承与创新发展历程。阐述带压开采的概念及充要条件,以带压开采的内涵为基础,定义侵蚀基准面为浅部和深部带压开采的分界线（面）,明确承压水上采煤为带压开采,而含水层“下”采煤不属于带压开采范畴,纠正《煤矿安全规程》中有关“顶、底板带压”的不妥表述。梳理了直接为带压开采服务的理论和技术,探（探查）、治（防治）、保（保障）3项技术,机理（致灾机理）、评价（危险性评价）、预测（灾变预测）3项理论,即构成带压开采理论技术体系;华北煤田奥陶系岩溶随深度增加发育减弱,由此推断,空间上深部岩溶径流带多形成在古岩溶系统中,而现代岩溶径流带则发育于现代岩溶中。深部隔水层损伤裂隙增多,为采后承压水导升奠定物质基础。总结对比了浅部和深部底板岩溶水害特征,阐明深部奥陶纪灰岩（简称奥灰）水突水机理,沿裂隙渗透、扩容、压裂,薄层灰岩中转,不断向上导升,形成大面积散流突水。从理论上说明突水系数已不适用隔水层厚度超出80 m的情形,提出厚、巨厚隔水层带压开采评价方法:p₀ > 3σ₃-σ₁-p_p+s_T;依据隔水层厚度、底板破坏带、奥灰导升带、突水系数等因素将底板类型划分为5类隔水层,提出相应5级带压开采条件以及5种治理模式;针对深部带压开采复杂条件,倡导应用“全时空”水害综合防治思想理念及技术。面向未来,地质体+水流的本构模型仍是学术界需攻克的最大难题,现实的“卡脖子”难题,如深部岩溶发育规律、精细探查技术、水害机理及评价预测、综合治理技术等,是实现安全带压开采的关键。      

数值模拟在回坡底煤矿底板突水防治中的应用

随着煤矿开采深度的不断增加,将面临高承压水的严重威胁,带压开采已成为深部煤炭资源开采的主要方式。应用RFPA2D-Flow系统对煤层底板破坏深度进行了数值模拟,得出了回坡底煤矿采煤工作面煤层底板岩层的破坏深度约为12 m;同时,当回采到110 m处时,自切眼向掘进方向50～80 m处出现漏斗状底板破坏区,该破坏区将可能导通底部奥灰水,使煤层底板发生突水。     

太原西峪煤矿9号煤层带压开采问题的研究

根据本矿区的地质、水文地质及工程地质资料,确定了矿区9号煤层底板的有效隔水层厚度,并以此计算了9号煤层带压开采的突水系数,对开采受承压水威胁9号煤层的安全区与危险区进行了划分,为西峪煤矿开采提供了资料,对于指导该矿安全生产具有一定的意义.     

深部开采底板隔水关键层受局部高承压水作用破坏理论分析

大量实测地质资料与防治水实践证实,深部煤层开采底板含水层存在大量的局部高承压水区域,在强开采扰动下极易诱发底板突水灾害。基于“下三带”、“关键层”理论,将局部高承压水与底板隔水关键层简化为圆筒力学模型,分析研究隔水关键层在局部高承压水作用下的屈服破坏机制,得到了隔水关键层发生屈服的4个临界水压值公式;对各临界水压值进行区间划分,分析不同区间隔水关键层的屈服状态,确定了局部高承压水致使隔水关键层屈服破坏两个阶段的水压判据平衡方程,得出了奥陶系顶部岩层作为隔水关键层剩余隔水能力的计算表达式,并反演得到了开采深度上限、下限公式。结合九龙矿深部开采实际,对所建力学模型进行了验证与应用,进而提出了防止局部高承压水致灾的相关措施,对实现深部煤层安全带压开采具有重要的理论指导意义。     

井陉矿区煤层底板突水综合分析

井陉煤矿开采80多年来,深受煤系底板岩溶承压水突水之害。其突水规律的探讨将有益于今后矿井安全生产和对突水问题的深入研究。实践证明,这种底板突水是一种多因素的随机矿井水文地质现象。本文拟从综合分析实际资料入手,采用经验统计方法提取有效信息,进而揭示其内在规律,探索突水预测的可能途径,以促进在综合防治条件下,利用隔水层“带压”开采深部煤层的顺利开展。      

赵各庄煤矿深部带压开采可行性研究

赵各庄矿14水平的提升高度为-1 200 m,而奥灰水头压力为11.76 MPa.通过研究赵各庄矿底板隔水层厚度及其阻隔水能力,讨论了充分利用有效隔水层,采用局部实施疏水降压开采等防治水技术的可能性;采用突水系数法及弹塑性力学分析法,论证了赵各庄矿深部带压开采煤炭资源的可行性.     

深部煤层高承压水底板注浆改造防治水技术的应用

以刘桥一矿Ⅱ666工作面6煤为研究对象,针对矿井断裂构造复杂,与煤层开采关系较大的太原组灰岩岩溶裂隙含水层厚度大、富水性强、水压高、补给源充分、开采深度大、地压高等特点,结合以往相邻采区或工作面深部煤层底板开采时发生多次突水事故的实际,在分析矿井6煤顶底板主要突水点情况的基础上,对Ⅱ666工作面的突水系数进行了计算。结果表明,工作面的最大突水系数超过底板构造破坏带区域突水系数临界值,工作面回采前需采取底板注浆改造措施。根据工作面突水系数、底板隔水层厚度和承受水压大小,把工作面分为2段进行全覆盖注浆改造。运用涌水量对比法、物探探测法和突水系数计算法,对工作面的改造效果进行了评价,结果显示,注浆改造后的钻孔涌水量大幅度减小,甚至为零,物探异常区明显变少,突水系数均0.06MPa/m,达到了预期要求,为保证深部煤炭资源开采系统的正常运行提供了技术保障。     

煤层底板承压水导升带影响因素正交模拟试验

承压水导升带是煤层带压开采安全评价的重要因素。为了综合研究其影响因素的作用,基于流-固耦合理论,建立了煤层底板突水的水文地质物理概念模型和数值模型,采用FLAC3D数值模拟软件开展了工作面宽度（A）、隔水层厚度（B）、承压水压力（C）、煤层埋深（D）、隔水层渗透系数（E）5个因素5水平的有空列正交模拟试验。结果表明:煤层底板承压水导升高度与底板含水层水压和隔水层渗透性关系密切;各因素对试验结果的影响程度强弱顺序是E>C>D>B>A,其中因素E和C对实验结果影响显著;初始水头压力越大,水头衰减速率就越大,并随着导升高度的增加而加快。改变影响因素而导致承压水压力的变化揭示了煤层开采过程中承压水导升带高度的变化规律,为带压煤层的安全开采提供理论依据。      

基于“五图-双系数法”的带压开采煤层底板突水危险性评价

在概述五图-双系数法基本原理的基础上,对山东泰安煤矿最下部带压开采的13号煤层进行了突水危险性评价。评价以"带压系数"为主要评价指标,结合"突水系数",并配合"三级判别",进行带压等级分区,评价结果显示:13号煤层带压开采区底板突水危险性主要划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级区,其中以Ⅱ、Ⅲ级区范围较大,Ⅰ级区仅分布在断层周围。说明13号煤层带压开采区底板突水危险性较小,安全性较高,但在带压区开采13号煤层时应加强断层或隐伏构造探查与防治。     

肥城矿区地下水综合防治

煤层底板受岩溶承压水的威胁,影响安全生产,在华北类型的煤层开采中是普遍存在的问题。近年来,我局在深入了解本矿区矿床水文地质条件的基础上,实行留煤柱、底板加固,“双降”（即人工放顶提前释放矿山压力、疏水降压）带压开采底板受岩溶承压水威胁的煤层,使突水量和突水次数大大减少,保证了安全生产。现将我们的做法和粗浅认识介绍于下。