基于TSP203~(plus)的隧道综合超前地质预报技术应用

为了对隧道不良地质体施工提供安全保障,开展以地震波反射法为主要手段的综合超前地质预报。结合工程地质调查和掌子面地质素描,采用TSP203~(plus)进行长距离预报,同时运用超前水平钻探进行更为精确的短距离预报和加深炮孔对大范围不良地质体进行跟踪预报。该预报方法应用于金瓶岩隧道软弱破碎带和富水带,取得良好效果,有效指导了隧道安全施工,可为同类工程提供借鉴。     

矿山采空区空天地一体化精确探测系统

<正>矿山采空区空天地一体化精确探测系统是中国安全生产科学研究院(矿山采空区灾害防治应急管理部重点实验室)针对"采空区"灾害防治,综合卫星遥感、地表和井下无人机三维激光扫描与倾斜摄影、隐伏空区地表电磁地震波高精度探测和井下危险源超前探测等技术,全面系统建成的采空区灾害精确探测技术体系。十五以来,中国安科院通过自主研发和引进,形成一系列成套采空区灾害防治设备,其中,三     

采空区瓦斯涌出源位置对瓦斯浓度及自燃带分布的影响

利用Fluent软件,对采空区瓦斯为采空区整个区域涌出和上、下临近层及底板遗煤处同时涌出两种情况下的流场进行了数值模拟,并分析了采空区瓦斯体积分数及自燃带分布规律。结果表明:当采空区整个区域瓦斯涌出时,采空区瓦斯体积分数由底板到顶板垂直方向上呈逐渐升高的趋势;当上、下临近层及底板遗煤处瓦斯同时涌出时,采空区瓦斯体积分数在靠近底板和顶板位置处较高,中间区域处较低。与采空区整个区域瓦斯涌出相比,当上、下临近层及底板遗煤处瓦斯同时涌出时,在采空区底板处,自燃带更靠近工作面;在采空区底板和顶板中间位置处,自燃带远离工作面;在采空区顶板处,自燃带位置几乎没有变化。     

无线电波透视技术在资源整合矿井采空区探测中的应用

为了探测资源整合矿井采空区的分布情况,采用无线电波透视技术探测了山西乡宁焦煤集团通合煤矿2101工作面中存在的小窑和老窑开采形成的采空区。在对比无线电波透视技术中常用的定点法与同步法后,选用定点法,探测频率选用88 k Hz,该频率穿透距离相对较大且具有较高精度。在研究无线电波透视探测原理和数据分析数学模型的基础上,应用SIRT算法对探测结果进行了反演,圈定了2101工作面8处较为集中的异常区。一号异常区为煤层夹矸或破碎区,二号和三号异常区为小断层或煤层采空导致的破碎带,四号、五号、六号和八号异常区是煤层采空导致的破碎带,七号异常区为小窑采空破坏区。根据各处异常区相对周围区域的能量衰减程度,YC1～YC3三处异常区地质解释的可靠性一般,YC6、YC8两处异常区地质解释的可靠性中等,YC4、YC5、YC7三处异常区地质解释的可靠性较高。对2101工作面运输、回风巷揭露采空情况进行了统计,运输巷和回风巷掘进揭露的采空区情况验证了无线电波透视结果,表明应用无线电波透视技术探测资源整合矿井采空区是可行的。     

煤层底板采动应力效应及其力学作用机制研究

煤层底板突水的实质是采动应力诱发底板岩体变形破坏,引发煤层底板突水.掌握底板岩层的破坏规律是承压水体上安全开采的首要问题.根据开采过程中回采工作面前后方支承压力分布规律,利用弹性力学理论,建立了煤层底板应力计算模型,分析了随着回采工作面推进煤层底板沿深度方向的最大主应力和最小主应力分布规律与底板剪切破坏形式.运用工程中常用的莫尔库伦准则,提出了煤层底板岩体的破坏判据.煤层底板的破坏易从回采工作面附近开始,向回采工作面后方采空区由浅而深发展,破断面呈抛物状弧面.应用直流电阻率法CT技术,在淮北孙瞳煤矿1028工作面风巷中煤层底板位置施工2个钻孔,在孔中埋置一定数量电极,形成孔间探测剖面,对煤层底板采动裂隙演化过程中的岩层电阻率响应特征和1028工作面底板破坏深度进行了动态综合探测.探测结果表明:1028工作面煤层底板在支承压力和底板承压水水压共同作用下,煤层底板的破坏范围在0～17m;在此范围内煤层底板岩层中垂向裂隙和层向裂隙发育明显,超过17m后底板岩层受采动影响较小,底板最大破坏深度约17m.通过直流电阻率法CT技术现场实测验证了理论分析是正确的和可行的.     

基于采空区底板应力分布规律划分自燃“三带”的方法与实践*

针对目前采空区自燃三带实测方法的不便性和局限性,为准确合理地划分采空区自燃三带的范围,构建采空区底板应力分布和自燃危险区域的相互关系,提出以采空区底板应力分布规律直接划分采空区自燃三带的方法并结合实例进行实践验证。以实际工作面为背景,通过运用FLAC3D数值模拟、现场埋管实测和理论分析等方法分析采空区底板应力分布演化规律和自燃危险区域分布特征,得到二者之间的定量关系以及空隙率变化规律。结果表明:采空区底板应力场先后经历应力降低区、应力升高区和应力稳定区,根据走向、倾向应力峰值曲线初步判断采空区自燃三带的范围为:散热带0~89 m,氧化升温带89~190 m,窒息带190 m以外;模拟结果与现场实测划分得到的散热带0~86.4 m,氧化升温带86.4~187 m,窒息带187 m以外有较好的一致性,从而验证了该方法的准确性。     

采空区上覆岩层“三带”划分数值模拟

采空区"竖三带"的确定,是合理设计高抽巷布置层位和确定高位钻孔终孔位置的前提。依据王庄矿提供的地质资料,结合实验室测得的煤层顶底板岩石力学参数,采用岩石质量评分法,计算得到各岩层合理的节理间距及岩体力学参数,并将其应用于CDEM软件中,对王庄矿8101工作面采动岩层进行数值模拟,分析了煤层开采过程中上覆岩层破断与冒落规律,并得出采空区"竖三带"的分布范围:采空区冒落带范围为0~25 m,裂隙带范围为25~65 m。将数值模拟结果与经验公式的计算结果、现场高位钻孔考察结果进行比较,结果表明:3种方法得到的冒落带范围基本一致,为0~25 m;经验公式计算得到的裂隙带高度较另外两种方法得到的结果小;数值模拟得到的"竖三带"高度更符合实际情况。同时也验证了CDEM软件在采空区上覆岩层运动的适用性。     

高突危险水体上煤层开采下限及带压开采分区研究

确定开采下限,对高突危险水体上煤层的安全开采具有十分重要的意义。本文基于肥城矿区地质条件,用FLAC3D软件,对开采煤层下伏岩层移动变形规律进行了深入研究,对煤层底板三带范围进行了初步确定;同时,从不同方面对煤层底板开采破坏深度进行了理论计算。根据突水系数、导水带深度、导升带高度和经验数据,确定出正常条件下带压开采的下限(-720m)以及安全措施条件下(底板预注浆处理等)的带压开采下限(-850m)。依据开采下限,对带压开采条件进行了分析,初步形成了高突危险水体上煤层带压开采的分区分类,划分了"开采相对安全区(安全开采区、次安全开采区、条件安全开采区)、深部突水危险区、构造突水危险区",为确定安全开采技术与工艺奠定了理论基础。     

特厚煤层不同开采阶段"弱-弱"结构覆岩破坏高度研究

为了确定老虎台矿特厚煤层不同开采阶段"弱-弱"结构覆岩破坏高度,以63005工作面所在区域为研究对象,构建FLAC3D数值计算模型,对研究区域水砂充填开采阶段和综采放顶煤开采阶段覆岩破坏高度进行分析,确定了覆岩破坏高度与采出厚度的关系.分别采用微震监测、EH-4探测法对研究结果进行了验证.结果表明:无论水砂充填开采阶段还是综采放顶煤开采阶段,老虎台矿"弱-弱"结构覆岩最大破坏高度均约为等效采高的8.5倍;63005工作面开采前后,覆岩破裂最大高度与油母页岩和绿色页岩的分界面密切相关,均被控制在分界面之下;覆岩破坏高度受到F18断层的影响,被约束在断层破碎带沿走向范围内;63005工作面开采后,绿色页岩层中F18断层的下盘出现离层破坏,且破坏范围呈逐步扩大的趋势.     

复杂地质条件下多含水层底板突水防治

为研究解决复杂地质条件下多含水层底板突水问题,预防水害事故的发生,以河南地区某煤矿煤层底板L8灰岩、L2灰岩及O2灰岩主要含水层为研究对象,采用直流电法和井下坑透探测技术,研究分析工作面出水原因和解决办法。结果表明:通过直流电法等物探技术探测底板岩层富水带和岩溶发育带,确定含水岩层低阻区,指导注浆孔合理布置、有针对性地对煤层底板进行加固注浆,能够很好地解决复杂地质条件下多含水层底板突水问题。     

煤矿采空塌陷对地下水的影响

在煤炭开采过程中,煤炭被采出后其所在地下煤层会形成一定区域的采空区,并使煤层上方的顶板岩层失去支撑,由于顶板岩层的抗拉强度比较有限,因此在其顶板岩层自身重力与上覆岩层压力的影响下,很容易因顶板断裂、破碎而出现采空塌陷问题,这不仅会影响煤矿所在区域的生态安全,同时还会使地下水受到较大的负面影响。为此,本文结合煤矿采空塌陷的特点,围绕采空塌陷对地下水的影响展开了分析,并在此基础上提出了一些较为可行的采空塌陷区域地下水治理保护建议。     

高位钻孔与采空区埋管瓦斯抽放技术对比研究

为了采取合理的瓦斯抽采技术,实现矿井安全高效开采,对朱集煤矿13—1煤层实行高位钻孔以及上隅角采空区埋管作为抽采瓦斯实验方案。通过对现场工程实践以及实测数据进行对比分析,得出了实验结果。结果表明：应用高位钻孔瓦斯抽采技术的抽采效果十分明显,且工程施工费用较低,易于生产管理,该抽采技术适用于朱集煤矿采空区瓦斯抽放。     

综合物探技术在矿井工作面底板含水构造探测中的应用

为了查明汾源煤业文明矿5-101首采工作面底板岩层赋水情况和煤层地质异常体情况,并对其进行突水危险性区域划分及评价,采用瞬变电磁法、直流电法和无线电波透视法三种物探方法综合勘探,综合分析三种物探方法探查结果,并结合揭露情况和钻孔验证。结果表明:位于切眼往外(0~250)m范围内,工作面底板相对破碎、裂隙岩溶发育或富水性强,导高大,且煤层内部较不均匀,存在多条5m以上落差含水断裂破碎带,此区域突水危险性最大;切眼往外(300~380)m范围内存在局部富水区域,导高较小,但不存在构造破碎带,突水可能性较小;工作面其他区域都较安全。综合物探比单一物探更具有准确性和可靠性,更符合工程实际情况,为采取针对性的治理措施从而实现安全回采提供了参考依据。     

采空区隐蔽火源探测及声学法煤温感知新技术探讨*

为精准判定采空区等地下隐蔽火区高温点的位置和范围,综述现有采空区煤自燃温度探测技术,重点总结和分析红外探测法、分布式光纤测温法、指标气体探测法、热电偶测温技术以及同位素测氡法等煤层测温手段的研究进展与技术瓶颈,着重研究声学法测温的技术原理及实现方式;结合分层建模和插值建模的优点,探讨声学测温技术在采空区松散煤体煤温反演探测应用中的可行性。结果表明:受限于煤层赋存及开采方式等煤矿现场的实际情况,准确反演和精确定位采空区等隐蔽火源高温点和位置的探测方法和装备技术有待进一步发展;声学法探测松散煤体自燃温度的基本原理、传播衰减规律、温度场重构模型及其关键特征参量需进一步准确获取;综合考量声学测温技术原理和实现过程,该技术适用于采空区松散煤体自燃火区的环境特征,有望成为采空区隐蔽火源位置精准探测发展前景良好的探测方法。     

巨厚砾岩作用下底板冲击地压诱发机理及过程

以千秋煤矿21141工作面下巷冲击地压发生的地质和采掘情况为基础,建立煤层巷道底板冲击地压诱发机理模型。水平应力的大小是影响巷道底板岩层稳定性的最主要因素,并确定最大水平应力的计算方法。采场上覆巨厚砾岩层断裂所产生的动载扰动能使巷道底板水平应力瞬间积聚升高。数值模拟分析得出,随着动载应力和加载时间的增加,巷道底板变形量、变形速度和加速度都明显的大幅度增加;同时巷道围岩塑性区也逐渐扩大。研究表明采场上覆巨厚砾岩层断裂、垮落对煤层巷道所产生的动载扰动会诱发规模较大的冲击地压,巷道底板由于缺少有效支护会成为冲击破坏的突破口。     

集于AutoCAD的采空区风火瓦斯耦合软件开发研究

为便于矿山管理人员操作使用,清晰了解采空区内空气流动的状态及各气体组分的浓度分布,防火防瓦斯耦合措施效果,同时考虑到基于绘图功能强大的AutoCAD及CFD技术开发了适合采空区的风火瓦斯耦合模拟软件,提供了采空区绘制、通风、注氮、闭墙、瓦斯钻孔、漏风源汇等图元,可对采空区流场进行数值模拟分析,优化通风参数,降低采空区自然发火的可能,并能优化矿山防瓦斯防灭火方案,对矿山的安全管理采空区具有指导意义。     

煤田采空区对地面地震动的影响

研究了煤田采空区对地面地震动的影响以及采空巷道的动应力分布。采空巷道用地表下圆孔来近似模拟,入射波场为造成较大震害的SH波。该问题采用镜像法求解,利用波函数展开和内域型Graf加法公式将解答归结为一组无穷代数方程组的求解,截断该无穷代数方程组可求得该问题的数值结果。最后,通过算例考虑了圆孔的动应力集中和地表动位移。结果表明,圆孔的动应力集中和地表的位移取决于入射波频率、角度和圆孔半径、埋深。该研究结果为煤田采空区的地震安全工作提供有益的参考。     

倾斜特厚煤层采空区孔隙率分布规律研究*

为了研究倾斜特厚煤层综放开采采空区孔隙率分布规律，确定采空区高位钻孔位置，有效治理采空区瓦斯灾害，以硫磺沟煤矿9-15（06）工作面为例，采用UDEC数值模拟软件研究采空区覆岩垮落和裂隙演化规律，根据采空区覆岩下沉量，计算得到采空区孔隙率三维分布规律。研究结果表明:倾斜特厚煤层采空区覆岩位移云图在垂直方向呈3段分布，以距离工作面底板23 m和80 m为分界线，位移矢量密度显著降低，冒落带高度为23 m，与经验公式25 m基本一致，大于薄、中厚和厚煤层；受倾角影响，垮落矸石滑移、充填采空区下端，覆岩下沉量呈非对称椭圆形，中上部下沉量最大；冒落带孔隙率在上、下隅角处最大，中上部最小，随着覆岩高度增加，采空区边缘处和深部孔隙率差值逐渐减小。研究结果为倾斜特厚煤层采空区瓦斯抽采高位钻孔的布置提供了理论基础。     

基于因子交互作用矩阵的采空区危险度评价研究

基于因子交互作用影响矩阵及采空区危险度影响因子分析,选取12个采空区危险度主要影响因子,建立采空区危 险度多因子交互作用矩阵模型。通过专家打分法,确定各影响因子相互作用权值,得到影响矩阵对单一因子的影响值及 单一因子对矩阵系统的影响值,从而得出采空区危险度因子影响权重表。分析影响权重表,得到对采空区影响最大的因 子为矿柱尺寸及分布和岩体断裂及破损带。采用差值法,对采空区危险度进行等级划分,最后得到采空区危险度分级图 。经过实例验证,影响矩阵法分析评价结果与实际吻合,表明采用影响矩阵法评价采空区危险度是可行的,具有实际应用 意义,可在实际矿山工程中应用推广。