奥灰岩溶水上带压开采区域超前治理防治水技术

针对邯邢矿区煤层开采受奥灰承压水威胁现状及保水开采的现状,提出了区域超前治理防治水技术,以超前主动、区域治理、全面改造、带压开采的指导原则,该技术在邯邢奥灰含水层顶部区域超前注浆改造中进行应用,以孔口终压1.0 MPa、稳定30 min以上和单孔吸浆量小于50 L/min作为注浆结束标准。试验过程中采用地面多分支水平钻进关键技术,最终达到注浆和加固煤层地板含水层及奥灰顶部改造含水层目的,大幅降低煤层底板突水可能性,安全开采出受承压水威胁的煤炭资源。     

吕梁矿区薄层灰岩突水判别研究

吕梁矿区某矿山西组煤层受奥陶系灰岩含水层和太原组灰岩含水层高承压水威胁,工作面回采时发生了底板突水.为了快速、准确判别突水水源类型,分析突水原因并制定合理的治理措施,采用灰色关联度法分析水质关联度,利用弹塑性理论计算了煤层采动后底板最大破坏深度,分析了隔水层厚度及岩性组合的隔水性能.分析结果表明,煤层底板隔水层厚度平均26m,且软岩所占比例达到62.18％,灰色关联度分析突水水源接近太原组灰岩水,底板最大破坏深度26.7m,距离煤壁22.4m,与实际突水点吻合,判断突水水源为太原组灰岩水.     

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。     

煤层底板隐伏陷落柱突水预测及采前注浆加固评价

华北型煤矿开采受底板岩溶强含水层威胁，通过对淮南张集矿1613A工作面底板隐伏岩溶陷落柱突水危险性分析，采用FLAC3D方法模拟采动条件下岩溶陷落柱活化过程。模拟结果显示:陷落柱上方的煤层底板岩体发生塑性变形，导致陷落柱附近岩体失稳，陷落柱筒壁产生局部剪切破坏，剪切破坏位置易导致奥灰强含水层发生陷落柱突水。采前采用注浆方法改造岩溶陷落柱，对改造后的陷落柱进行数值模拟分析，其内部注浆岩体对陷落柱筒壁具有良好的支撑作用，抑制了筒壁位置剪切破坏的发生，使有效隔水层厚度增大，降低了陷落柱突水的危险性。     

断层带和底板注浆模拟及其防水分析

考虑回采过程断层与工作面底板沟通裂隙对工作面采场底板突水的影响,对矿井9603工作面底板及断层采取注浆防水措施.为了准确分析注浆技术的效果,运用弹塑性本构模型、Drucker-Prager准则和ANSYS数值软件,分析了9603工作面在注浆前后不同推进距离下沿工作面走向的应变区域分布.结果表明,岩层应变总体规律为随工作面推进应变范围逐渐扩大,断层与底板之间裂隙沟通程度加强,且分布于开挖煤层两侧及断层带.注浆前,底板斜交及垂直裂隙与断层先存裂隙初步沟通发生于工作面推进80 m的位置,完全沟通发生在工作面推进100 m的位置;注浆后,由于岩层在凝固浆液的影响下,弹性模量大大降低,抗张拉强度得到加强,底板斜交及垂直裂隙与断层先存裂隙的初步沟通和完全沟通分别延至工作面推进120 m的位置和150m的位置.     

底板突水煤层的突变学特征

对建立在力学分析基础上的突水条件进行适当变换，得到煤层底板突水势函数，它符合尖点突变模型。进一步分析，发现煤层底板突水具有突变、缓慢两条路径，并在突水临界点附近具有发散性和４ 模态软化等性质。根据这些特性，可通过调控煤层底板突水条件使之不突水，从而达到煤层底板突水治理并防患于未然的目的。     

基于渗流-损伤耦合分析的煤层底板突水过程的数值模拟

根据杨村煤矿17煤的水文地质条件,应用岩石破裂过程渗流与损伤耦合作用分析系统(F-RFPA2D),建立了薄煤层底板采动破坏的数值模型,模拟了采动条件下底板的破断失稳、裂隙扩展和突水过程,探讨了底板突水的机理,并对底板的易发生突水部位进行了预测.结果表明,当回采工作面推进到26.8 m时,在隔水层的两个约束端产生拉剪破坏区.该破坏区和12灰贯通形成突水通道.突水后通道处的位移、流量都发生突变增加,并形成连锁反应,使12灰到13灰及其之间的隔水层依次发生破坏,最大破坏深度达13 m,但未勾通和14灰、奥灰之间的水力联系,在底板没有断层的地段不会发生突水.两个工作面采前和采后压水试验结果表明,采动后底板破坏深度在9.96～12.35 m,同数值模拟结果相吻合.     

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。     

基于未确知测度理论的煤层底板突水危险性评价

运用未确知测度理论,建立煤矿奥灰岩岩溶水类底板突水评价模型。选取煤层底板的地质构造(断裂构造密度、褶皱、断层导水性、岩体的裂隙发育情况)、水文地质条件(水压、含水性、岩溶含水层发育情况、强水源补给情况)、底板隔水层条件(隔水层厚度、岩石力学强度以及隔水岩层的完整性)、开采条件(采厚和采深)4个一级指标、13项二级指标作为未确知测度模型的判别指标;根据指标值的类型采用定量或定性的方法对其进行分级和赋值,建立评判集,进而构建单指标测度函数。将13个突水评价指标值代入单指标测度函数计算得到单指标测度评价矩阵。利用信息熵理论获得各判别指标的权重,依照置信度识别准则进行等级判定,最后得出煤层底板突水危险性评价结果。利用该方法对肥城矿区14个地质块段的煤层底板突水危险性进行评价,结果表明,该评价结果与矿山实际情况相符。     

基于小波神经网络的煤层底板突水非线性预测方法研究

针对煤层底板突水系统为一非线性动力学系统的特性,并在考察目前煤层底板突水预测方法的基础上,给出利用小波神经网络对煤层底板突水进行预测的可行性和优越性;阐述了小波神经网络的基本原理;提出和分析了基于小波神经网络的煤层底板突水预测模型及算法;并通过实例证明,应用小波神经网络解决煤层底板突水预测的可行性和优越性。研究及实践表明:小波神经网络的预测精度更高、更准确。     

采动与承压水耦合作用下煤层底板的 力学效应及破坏机理分析

应用三维弹性中厚板理论,分析了采动与承压水耦合作用下煤层底板的力学效应及破坏机理。基于Hamilton原理推导了采空区底板在采动和水压耦合作用下的变形和应力表达式,分析了其变形和应力的分布特征。最后,推导了在采动与承压水耦合作用下煤层底板破坏极限载荷PS,讨论了影响煤层底板破坏极限载荷PS的因素。研究成果对揭示回采工作面开采时煤层底板隔水层变形破坏,预防煤层底板突水提供了理论依据。     

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。     

基于PCA_Fuzzy_RF模型的煤层底板突水预测

针对煤层底板突水问题,提出了基于主成分分析、模糊数学和随机森林的一种新预测模型。首先通过主成分分析将6个影响因素(水压、采高、隔水层厚度、断层落差、煤层倾角、断层距工作面距离)进行降维,提取4个主成分因子,其次对主成分因子进行模糊化,作为随机森林模型的输入变量,建立基于PCA_Fuzzy_RF的煤层底板突水预测模型。利用华北矿区实测资料的50组数据作为PCA_Fuzzy_RF模型的训练数据,10组数据作为测试数据,并将预测结果与BP神经网络及Fisher模型进行对比分析,结果表明,PCA_Fuzzy_RF模型的误判率为0,适用于解决煤层底板突水问题。     

煤层底板卸荷扰动断裂机制宏细观研究

基于断裂力学和重整化群理论,采用综合研究方法,从宏细观角度对开采扰动底板损伤岩层动态失稳机理进行了研究。结果表明,煤层回采后,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,最大主应力大小决定裂纹的起裂与扩展,裂纹的生长路径受控于最大主应力的方向。采场高支承压力引起岩层原始裂纹起裂,宏观上表现为底板岩层的预先剪切随机破坏;近场区域最大主应力场部分偏转,引起底板岩层中垂直应力显著降低、浅部水平应力急剧增加和斜向采空区方向产生高剪应力,迫使裂隙在原有扩展长度基础上进一步生长;工作面继续推进,采空区内底板岩层水平方向上压缩和竖向膨胀引起岩层拉破坏,当底板岩层损伤发展到临近损伤值时,极小范围的扰动被强烈放大,底板岩层由随机破坏转为"雪崩"式宏观断裂。     

大断层采动“活化”导水特性研究

煤层回采引起的断层“活化”导水是矿井突水的一种重要形式,具有很高的危险性和隐敝性。依托具体的工程背景,建立简化的力学模型和数值模型,根据弹塑性力学和裂隙介质水动力学理论分析不同推进距离时断层面上的主应力和法向应力变化情况,并通过模拟计算得出回采过程中应力变化与塑性破坏特征。研究结果表明,新集矿区F10大型断层在煤层推进至距断层20 m位置时开始有“活化”趋势,断层带岩体位移值陡增到005 m,距10 m时断层面主应力急剧增大,峰值应力向浅部转移,断层带发生明显位移,孔裂隙扩张。为保证生产安全,需预设30 m防水煤柱,避免煤岩体突水通道沟通主干断层及承压含水层,该研究成果可为矿井生产提供一定的参考价值。     

高突矿井大采高工作面瓦斯抽采技术及实践

为解决大采高厚煤层工作面回采期间瓦斯超限难题,应用顶板走向长钻孔中位钻孔和下临近层底板定向长钻孔等瓦斯抽采措施,对回采面瓦斯进行了多源头治理。通过对顶板走向长钻孔的抽采效果考察,确定其垂直层位为40±5 m范围、水平层位为50±10 m范围为最佳瓦斯抽采区域;中位钻孔合理的垂直层位为20 m左右,水平层位为45~50 m范围抽采效果最佳;下临近层底板定向长钻孔是拦截下部5#煤和7#煤向上部采掘空间涌出瓦斯的有效手段,其最佳的水平层位为距巷道轮廓线20 m范围,垂直层位为钻孔布置在下临近层煤层中。通过对3种不同瓦斯治理措施的综合评价考察,确定顶板走向长钻孔是治理回采面最为有效的措施,其抽采量占工作面回采期间总抽采量的79.6%,中位钻孔抽采和下临近层底板定向长钻孔抽采是回采面回采期间的辅助性措施。措施使用后,工作面上隅角瓦斯浓度保持在0.4%~0.6%之间,有效保证了工作面的安全高效回采。     

煤层底板采动导水破坏深度计算的神经网络方法

在综合分析影响煤层底板采动导水破坏深度因素的基础上 ,应用人工神经网络方法 ,建立了底板破坏深度的计算模型。该模型利用现场观测资料作为学习训练样本和测试样本 ,对模型的测算结果、理论计算值和实测值进行了对比分析。结果表明 :用神经网络方法计算底板破坏深度考虑的因素更加全面 ,结果更接近于实际。笔者研究的计算模型和测算方法 ,为承压水上安全采煤决策提供了科学依据。