鄂尔多斯盆地北部典型顶板水害特征及其防治技术

为了查明鄂尔多斯盆地北部典型顶板水害的形成机理,并提出有针对性的防治措施,在系统分析区域含水层厚度、赋存特征、分布规律、水文地质参数等矿井水文地质条件的基础上,结合鄂尔多斯盆地北部诸多矿井顶板水害发生的特征,得出鄂尔多斯盆地西缘、东缘和北缘具有不同的顶板水害形成条件和特点,最具典型的水害类型分别为离层水害、薄基岩突水溃沙灾害和巨厚砂砾岩含水层顶板水害。研究了含水层沉积特征和水文地质结构,结合不同类型水害的形成要素和水害发生特征,初步查明了典型顶板水害的形成机理,“束状钻孔,靶向探放”是防治离层水害的有效方法,井上下疏放水和注浆改造是防治薄基岩突水溃沙的有效途径,顶板水超前疏放和加强排水系统是巨厚砂砾岩含水层顶板水害防治的主要方法。大量的工程实践资料验证了对水害条件认识的正确性和水害防治方法的有效性。     

侏罗纪浅埋煤层开采典型水害模式及分区

陕北煤炭基地侏罗纪浅部煤层开采面临多种水害威胁,传统煤矿水害危险性评价工作未充分结合研究区典型水害特点,在生产实际中的适用性不强。以红柳林煤矿3~(-1)煤层为研究对象,系统分析煤层开采面临的典型水害特征,计算煤层开采的导水断裂带发育高度,并绘制导水裂隙带发育高度等值线图,利用主要含水层(体)与导水断裂带之间的相对距离关系,提出基于煤矿充水含水层(体)特征的水害模式划分方法,并在研究区内针对不同水害模式进行分区。结果表明:按照区域内充水含水层(体)的不同,研究区水害类型可划分为单一含水层水害模式和复合含水层水害模式和古直罗河水害模式3种主要水害模式;按照充水水源不同,单一含水层水害模式可划分为顶板烧变岩水害型、顶板风化基岩水害型;复合含水层水害模式可分为顶板烧变岩直接-松散层间接水害型、顶板风化基岩直接-松散层直接水害型、顶板烧变岩直接-松散层直接水害型以及顶板风化基岩直接-松散层间接水害型;单一含水层水害模式主要分布于导水断裂带波及顶板风化基岩含水层及开采煤层上方存在隐伏烧变岩含水层区域;复合型含水层水害模式分布于导水断裂带突破风化基岩含水层,直接或间接波及松散层含水层区域;古直罗河水害模式分布于古直罗河及古河流阶地发育之处;对不同水害模式下突水风险性进行分析,烧变岩水害型一般不对煤层开采构成较大威胁,突水风险性较小;顶板风化基岩水害型、顶板复合水害模式及古直罗河水害模式在部分区域为强富水性,且可能通过导水断裂带进入井下,均存在一定突水风险。     

煤矿顶板离层水害形成机制、致灾机理及防治技术

顶板离层水害对煤炭生产的威胁日益增大,近年来成为矿井水害防治的研究热点。系统整理和归纳了国内外关于煤矿离层水害的研究进展,从煤矿离层水的形成机制、致灾机理、水害预测预警及关键防治技术4个方面,对煤层覆岩离层水害问题进行阐述。综述了采动覆岩离层研究及覆岩离层水形成机理,将煤层覆岩离层水的形成归纳为3个基本条件:可积水离层、离层周边存在补给水源、离层空间持续时间足够长。根据开采条件、覆岩的工程地质条件、导水通道形成原因与突水特点,从多煤层叠加开采下的重复扰动突水、多煤层叠加开采下动力突水、单煤层开采下的静水压涌突水及侏罗系煤田离层水害形成机制4个方面阐述离层水害致灾机理;重点分析了侏罗系煤田3种典型的离层突水形成机制:崔木、招贤煤矿高位离层水害形成机制、新上海一号煤矿间歇式离层突水形成机制、携泥砂型离层水害;根据能量源和表现特征将离层水害归为三大类:离层动力突水、离层静水压涌突水以及离层携泥砂井下泥石流。从可积水离层位置预判、离层突水周期性预测及离层涌突水水量预测3个方面总结了覆岩离层水害预测方面的研究进展。分析介绍了目前主要的离层水害防治方法,结合目前离层水害较为严重的鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田,分析了鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田离层水害防治的难点:高位离层突水出现的强矿压问题以及离层水害引发的溃砂问题。提出离层水害防治未来的发展与研究方向:开展离层水害采前精准预测分区研究;发展钻探、地球物理探测等勘察技术使覆岩破坏从"灰箱"变为"白箱";发展离层水害综合防控技术体系。     

软岩矿区顶板弱含水层高强度携沙突水机理研究

近年来西北侏罗纪煤田由弱含水层引起的顶板高强度携沙突水案例多发,为查明弱含水层出大水的机制和沙源,以便于制定防治措施,从分析软岩特点入手,提出了采后覆岩移动力学结构模型"新四带"观点及实践依据,指出了形成离层水害的4个条件,明确了离层汇水作用强化了弱含水层的突水强度、泥沙自封堵作用决定了间歇式突水模式。通过案例分析,证明了上述观点的正确性,为此类事故防治提供了理论根据。     

榆神矿区浅埋煤层多重水体下大采高综采水害影响评价

榆神矿区3煤顶板多重水体并存,对区内浅埋深厚煤层开采构成了水害威胁。以榆神矿区某矿为例,煤层顶板赋存有3类共6重水体,通过分析覆岩水体的赋存条件,确定了不同水体的富水性特征。基于3煤覆岩结构和类似条件矿井开采实践,预计了薄基岩厚土层条件下3煤7m大采高综采的覆岩破坏高度,计算了不同类型安全煤岩柱的尺寸。根据覆岩水体的富水性特征和空间分布,分析了不同水体对3煤大采高综采的水害影响程度,得出基岩风化带含水层、顶板基岩含水层和烧变岩含水层对3煤开采构成直接充水影响;黄土孔隙裂隙含水层对3煤开采构成溃砂影响;萨拉乌苏组含水层、地表十八墩河对3煤开采不构成直接充水影响。为确保安全,在3煤开采前须对基岩风化带含水层局部富水性较好的区域提前疏放,对烧变岩含水层留设20m的侧向防隔水煤岩柱。     

永陇矿区松软富水顶板灾变机理与防控研究

针对黄陇侏罗纪煤田采场出水压架灾害频发的现状,以永陇矿区4个综放工作面为工程背景,围绕松软富水地层覆岩破断与顶板来压特征、离层水致灾机理及灾害预警防控开展了现场跟班实测与理论研究。研究结果表明:覆岩关键层运移破断与采场矿压及离层水害存在因果关系。由于破断步距大、控制岩层组厚度大,复合关键层破断导致采场大周期来压显现异常强烈;所控岩层组断裂下沉后在洛河组含水层底部产生离层空间。受到离层水压和含水层持续补给等双重作用,离层积水越层下泄引发采场出水。基于以上认识,在实践中探索并完善了离层水害防控对策,构建了以"大周期来压、支架阻力高位预警、水位降速、宏观矿压显现异常"为主的出水压架预警机制;建立了以危险区域划分、采放工艺优化及工作面日常管控为主的防控体系。研究成果已成功指导了多个工作面的顶板水害防控,对类似地层条件的矿井具有良好的示范效应。     

浅埋煤层高强度开采覆岩(土)破坏演化及溃沙控制技术

随着我国煤炭资源的大规模和高效开采,薄基岩浅埋深的矿区常发生切冒、抽冒、台阶下沉,造成水资源和环境破坏严重。但是,赋存于萨拉乌苏组含水层下伏的连续黏土层的存在,使得基岩及其黏土隔水层组合结构下采动破坏规律不同于传统的基岩岩层,这将为防治矿井突水和实现保水采煤提供了条件。论文采用数值模拟和理论分析的方法,模拟了“黏土隔水层-基岩风化带-基岩”结构特征下不同黏土层与基岩厚度条件下覆岩(土)裂隙发育、顶板破断运动的基本特征,获得了浅埋深条件下采动覆岩(土)的破坏变异规律与发育高度,分析了溃沙的致灾因素和预测判据,并据此提出防治突水溃砂的技术手段。研究结果表明：浅埋煤层“沙土基型”覆岩(土)结构条件下,由于不同基岩与土层厚度的控制作用,使得覆岩(土)破坏发育高度和特征产生变异;水砂源、通道、动力源和空间是近松散含水层溃砂的主要致灾因素,并提出了预测溃沙发生的判据;可通过防止顶板切冒、含水砂层水头压力疏降、局部注浆固沙和合理留设防砂(塌)煤岩柱等技术控制浅埋煤层溃砂灾害发生。     

薄基岩工作面顶板精细化探查技术研究

煤层顶板溃水溃砂严重威胁煤矿安全回采。以赵固一矿为例进行工作面顶板薄基岩区的精细化探查,钻探结果表明冲积层岩性均为黏土,能够有效阻隔冲积层与顶板砂岩含水层之间的水力联系,结合钻探工程、矿井水文地质资料、工作面试采情况对工作面内部断层破碎带和顶板薄基岩区进行注浆加固治理以及煤岩柱的留设。探查和治理结果保证工作面安全回采,形成一整套顶板探查技术,同时为相似地质条件的矿井提供可靠的技术参考。     

特厚煤层分层综放开采断层-离层耦合溃水机理

为了研究在复杂条件下断层-离层耦合溃水的机理及制定相应的防治水措施,在分析了老虎台井田地质、水文地质和开采条件的基础上,结合水害事故,采用数值模拟和相似材料模拟两种方法,对特厚煤层分层综放开采工作面“两带”发育高度、断层和离层空间形成特征进行了定量化研究,工作面回采后的冒采比和裂采比分别为4.98~5.42和7.10~7.30;断层空间形态和大小主要受到断层落差和与工作面距离影响;离层空间主要形成于不同岩性接触面附近。基于工作面顶板断层和离层空间形成、充水和溃水过程分析,揭示了断层-离层耦合溃水机理:上分层工作面回采导致覆岩中产生断层和离层空间,在接受含水层的持续补给后形成断层和离层水体,下分层工作面回采产生的垮落带波及至水体后发生溃水事故,与以往断层水害和离层水害相比,具有以下特点:断层和离层同时作为水害事故的充水水源和导水通道;垮落带是导致水害发生的主要因素;水害的孕育和发生分别在不同的工作面。针对水害特点提出了相应的防治水方案,首先对研究区进行水害威胁程度分区,受水害威胁轻及较轻区域的煤炭资源可以正常回采,受水害威胁较重及重区域的煤炭资源必须采取以下措施方可回采:注浆充填已形成的断层和离层空间,疏放已形成的断层和离层水体,减少工作面回采对覆岩中断层和离层水体的扰动。根据典型工作面的安全回采,初步验证了溃水机理的正确性和防治水方案的可靠性,下一步将根据井上、下工程验证,补充和完善防治水措施。     

济宁煤田巨厚覆岩离层突水机理初探

华北煤田开采通常受煤层底板水害的严重威胁,顶板砂岩水危害不大,随开采技术的不断发展,水文地质条件发生较大变化,水害成因复杂,顶板水害事故不断发生。鲁西南地区济宁煤田首次发生工作面巨厚覆岩突水事件,分析了济宁二号煤矿11305综放工作面采空区滞后突水因素与机理,总结了巨厚覆岩离层发育特征,对水文地质条件类似矿井防治水工作具有借鉴意义。     

巨厚低渗含水层下厚煤层顶板水害机理与防治

为得到巨厚低渗含水层下顶板水害形成机理,采用钻孔冲洗液漏失量观测、钻孔电视观测和物探等勘查及数值模拟方法对其进行研究。结果表明:覆岩存在巨厚低渗砂岩含水层,下伏泥岩隔水层,覆岩裂采比为12.51,波及到该砂岩含水层,这为突水提供了水源和通道等内在条件。通过矿井瞬变电磁法探测及数值模拟研究,确定砂岩和泥岩软硬组合结构在采动条件下,扰动泥岩重塑形成离层储水空间,当离层积水量达到一定程度后,伴随着基本顶的周期来压及大面积垮落,离层水包破裂并瞬间溃入矿井,造成突水灾害。在此基础上,总结了开采过程中对离层水进行有效疏放的方法与经验,为类似水害防治提供了借鉴。     

煤矿离层水害的成因与防治

中岭煤矿在连续的暴雨之后发生了突水淹面灾害,使得防治水方针无法确定。分析否定了原来的侧方老空水成因,认为3~#煤层顶板以底部为黏土岩,上部厚层为细砂岩的结构在开采导水裂隙带高度小于煤层顶板黏土岩厚度的情况下,顶板上方形成了完整离层空间,强烈的大气降水补给进入离层空间。认为离层带内的积水因底板突然破坏是造成顶板突水淹没工作面根源。为再现离层水害的过程进行相似材料模拟实验,证实分析正确。后采用预疏干技术有效地解决了此类水害的再次发生。     

弱富水软岩水-沙混合型突水机制与防治技术——以上海庙矿区为例

近年来我国西北侏罗纪煤田弱富水软岩水-沙混合型间歇式突水事故多发,短时水(沙)量大,缺少有效的防范技术措施,严重威胁矿井安全生产。为揭示其形成机制以便于制定相应的防范措施,以内蒙古上海庙矿业新上海一号煤矿为研究对象,室内测试了岩石力学强度、软化系数等参数,井下实测了围岩松动圈,综合判定为典型的软岩地层;正交偏光镜下显示砂岩成熟度低,黏土质矿物胶结;水理性试验表明砂岩颗粒间泥质胶结物易产生溶蚀现象,能够形成固-液双相混合物,在水动力下具有流沙属性;泥岩极易吸水膨胀、泥化。根据含水层水位和地表岩移长期观测结果,推定低位覆岩内和高位覆岩内均可以产生离层裂隙,且离层裂隙具有汇集水源功能。将111084工作面突水溃沙过程中含水层水位历时曲线与水量历时曲线叠合考察,突水量与突水含水层水位升降变化之间有明显的相关性。初时突水量大、水位下降幅度也大;水量在趋于衰减过程中出现几次跃升,含水层水位在趋于回升过程中出现几次相应的跃降;跃升(跃降)的幅度梯次减小;两次跳跃时间间隔梯次延长。综合以上信息,提出离层裂隙的汇水作用可以强化弱含水层短时突水强度观点,弱胶结砂岩提供了混合突水的沙源;离层水体释放过程中水动力发生强弱变化,随着离层水体释放水动力减弱,大量泥沙封堵突水通道,表现出泥沙自封堵效应。覆岩持续压缩,离层裂隙储水能力逐渐弱化,表现为突水量梯次减小;离层水补给路径逐渐扩展,表现为突水休止期梯次延长。汇水—突水—封堵—再汇水—再突水—再封堵的过程交替进行,揭示了间歇性水-沙混合型突水模式的突水机制。离层水害发生需要具备水源(富水性)、时间、空间、通道、压力等5个必要条件,强调导水裂隙突水通道的重要性。工程应用表明,顶板水预疏干可以改变含水层的富水性条件,预置导流管改变离层空间封闭性和汇水时间条件,突水通道和压力条件,可以有效避免此类事故发生,保障矿井安全生产;同时可实现无顶板淋水、采空区无涌水状态下开采,优化采场作业环境、弱化软岩劣化效应,促进矿井高效生产。     

司马煤矿薄基岩导裂带高度主控因素研究

我国薄基岩区分布广泛,司马煤矿一采区属于薄基岩区,3#煤层采动易导致煤层和第四系含水层联通而引发顶板水害,其顶板黏土层是导水裂隙带发育高度的主控因素。因此通过室内压汞实验、土工实验测试顶板黏土的渗透率和塑性指数,利用RFPA数值软件分析顶板导水裂隙带发育高度。研究结果表明:黏土层是顶板水害防治的双重保障,一方面,司马煤矿黏土层在弯曲下沉带存在低渗透率区域,可以有效防止第四系水进入工作面;另一方面,黏土层具有良好的重塑性和再生性,是顶板水害防治的天然屏障。     

倾斜大采高工作面顶板注浆加固技术应用

针对某矿区205工作面薄基岩的特点,在充分调研分析顶板控制方法的基础上,采用顶板注浆加固技术,消除了回采时的突水溃砂危险,为厚风积沙薄基岩区综采顶板控制提供了技术保障。     

基于颗粒离散元的薄基岩裂隙扩展规律

采动影响下的薄基岩产生导水裂隙通道,贯通厚风积沙层,容易产生突水溃沙灾害。为研究薄基岩导水裂隙通道发育规律,借助于颗粒离散元理论,建立考虑复杂应力作用的薄基岩模型,分析了原生裂隙长度、覆岩压力和水沙两相作用对裂隙在薄基岩平面横向发育规律的影响。研究发现颗粒离散元理论可以较好的揭示薄基岩的破坏机理;扩展裂隙在原生裂隙尖端呈“Y”和“X”型发育,且发育形态与薄基岩受到覆岩压力大小和原生裂隙长度有关。研究了不同原生裂隙长度、覆岩压力和水沙作用下裂隙扩展发育的4个阶段并给出了破坏曲线,分析了不同条件的改变对薄基岩裂隙扩展影响的定量关系。     

弱胶结顶板复合水害防治技术研究及应用

西部侏罗系煤田顶板岩层受沉积条件的影响表现出明显的弱胶结特征,针对宁东煤田银星一号煤矿存在的弱胶结顶板复合水害问题,在梳理矿井水文地质条件的基础上,分析了矿井的主要充水水源,研究了顶板岩层的弱胶结特征及水害类型,提出了针对性的水害防治技术并进行了成功应用。结果表明,顶板弱胶结覆岩在地下水渗流作用下砂泥化是造成矿井水害防治工作困难的主要影响因素,采掘期间面临地表水、松散层与风氧化带水、砂岩孔隙裂隙含水层水、采空区积水、断层水以及可能的离层水等复合水害的威胁,结合水害特点及防治重点提出的综合运用“探、防、疏、监”等措施进行单种或多种手段相结合的治水方式对于弱胶结顶板复合水害治理是可行的。     

巷道掘进顶板突水危险性预测研究

煤层顶板水害是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一,近年来陕北浅埋煤层矿井巷道掘进时顶板突水事故常有发生,其主要原因是侏罗系风化基岩含水层相对松软,富水性较强,在煤层上覆相对隔水层厚度较薄区域,巷道掘进时围岩扰动沟通了风化基岩含水层,或直接揭露风化基岩含水层而引发掘进面突水,甚至突水溃沙(泥)。因此巷道掘进顶板突水危险区的预测十分必要。以红柳林井田4^-2煤开采为例,选择风化基岩含水层厚度、风化程度、岩性组合、砂岩层数及古地形标高等5个主控因素,采用随机森林(RF)算法对风化基岩含水层富水性进行了分区预测,编制了富水性分区预测图。同时分析了巷道围岩岩性特征,并结合松动圈厚度实测数据构建了松动圈厚度的多元线性与指数函数回归预测数学模型,得到了围岩松动圈厚度预测结果,以巷道顶板正常基岩厚度与松动圈厚度的差值为主要指标进行了巷道掘进顶板安全性分区预测,编制了巷道掘进顶板安全性分区预测图。在此基础上,利用GIS软件将风化基岩含水层富水性分区预测结果与巷道掘进顶板安全性分区预测结果进行了空间叠加分析,得到了巷道掘进顶板突水危险性分区预测图。结果表明：4^-2煤层...     

立井井筒过富水煤层段防治水安全技术实践

煤层富水现象在煤炭开采史中极为罕见,但近年来,在陕北侏罗纪煤田榆横北区内发现的富水煤层水害问题则较为突出.为解决巴拉素煤矿矿井基建阶段立井井筒穿越2号富水煤层时的水害隐患,采用钻探、注浆等手段开展了超前探疏放水、帷幕注浆等工程实践.实践结果表明,区内2号煤层局部富水性强,裂隙发育、可注性较好;顶板砂岩含水层水以孔隙水为...     

柠条塔煤矿水文地质结构特征与水害治理模式研究

随着西部煤炭资源的持续高强度开采,矿山所面临的工程与水文地质条件越来越复杂,极易诱发采掘突水溃砂事故,而水文地质结构特征的研究是水害评价和治理的重要基础性工作。本文以陕北榆神府矿区的柠条塔煤矿为例,在对其地质条件和构造发育情况进行系统分析的基础上,从矿区的补给、径流、排泄条件,主要充水水源,矿体与含水层的空间结构关系三个方面对矿山的水文地质结构特征进行了研究。研究发现,地表浅部松散层主要接受大气降水补给,基岩风化带含水层主要接受侧向径流补给。矿井充水水源包括大气降水、地表水、含水层水、老空水和烧变岩水五种,不同煤层根据其埋深、开采厚度、冒裂带发育高度等的不同具有不同的充水水源。基于对矿山水文地质结构特征的分析,认为火烧区下部2-2煤层回采工作面可能存在突水溃砂风险,并设计了两排帷幕注浆孔。注浆治理工程完成后的放水试验结果表明,烧变岩含水层补给量大幅度减小,治理效果显著,可以保障煤层的安全开采,研究成果对榆神府矿区的矿井水害防治及水资源保护具有一定的理论意义和实践意义。