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我国不同类别煤层底板水害致灾机理与防控远景导向 被引量：10
1
作者 曾一凡 朱慧聪 +9 位作者 武强 王厚柱 傅先杰 王铁记 王玺瑞 樊九林 胡荣杰 才向军 阚雪冬 高生保 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期1073-1099,共27页
我国成煤条件苛刻,赋煤环境复杂多变,资源呈全域性跨多地质类型、点散式分布,导致回采共(伴)生地质灾害频现。同时,伴随煤炭资源开发布局优化调控,煤层底板水害负面导向性越趋显著,高承压水水力驱动及强敏感性缺陷构造活化的协同作用导... 我国成煤条件苛刻,赋煤环境复杂多变,资源呈全域性跨多地质类型、点散式分布,导致回采共(伴)生地质灾害频现。同时,伴随煤炭资源开发布局优化调控,煤层底板水害负面导向性越趋显著,高承压水水力驱动及强敏感性缺陷构造活化的协同作用导致煤层底板水害宏观动力学表象威胁性显著提升,成为我国煤炭资源高质量转型发展的内生阻力。为全方位掌握我国煤层底板水害发展形势,探讨未来基于新技术开展防控作业的重点攻关方向,从时间、空间、突水量等多维视角下全方位展示了近年来我国煤层底板水害动态演变趋势,对类型进行了“总−分”式细划,并通过建立地质力学模型探讨了我国煤层底板水害力学互馈响应机制,基于灾害宏观表象等揭示了其内生致灾机理,指出了防控技术理念的新发展路径和远景导向。研究发现:统计分析了我国煤层底板水害多维视角下的演变规律和特征,探讨建立了我国煤层底板水害主体架构,依据事故核心致因体系及宏观致灾表象等将煤层底板水害划分为岩溶陷落柱突水、断层活化突水及裂隙导升(复合)灰岩水突涌3大类,进一步细化为全路径贯通增量导升型突水(岩溶陷落柱)、贯穿煤层型突水(断层)、单层随采卸荷直接型突水(裂隙)等12个子类,并针对性的独立分析了3个大类煤层底板水害地理空间分布规律;分析了地应力和承压水水压对岩溶陷落柱突水过程承压水导升路径异化发育作用机制,提出了覆岩顶板动/静载扰动诱发底板岩溶陷落柱突水模式,阐明了其力学启动条件及致灾机理;建立了煤层底板断层宏细观地质力学构造概化模型,基于诱发断层活化突水的核心致灾诱因识别并建立了不同类别煤层底板断层活化突水力学判据;以裂隙为基础单元,“由1至n”式建立了单一层位和复合层位承压含水层诱发裂隙型导升(复合)灰岩水突涌的临界判别条件,揭示了该类型底板水害全过程致灾机理;在总结现行煤层底板水害探查、预测及控制技术理念基础上,结合前沿发展方向,指出并建议在煤层底板本底地质基因的全生命周期采动诱变特征三维动态重构、适用于时空分异动态地质环境的煤层底板突水预测预报理念升级、低扰动强干预的随采随治保/控水互馈注浆治理技术应用、修复后地质生态系统长效监控诊断诊疗平台建立等方面展开攻关,构建煤层底板水害全时空防控大体系,紧跟新质生产力大背景下全煤行业新业态发展步伐。 展开更多
关键词 矿井水防治 底板水害 岩溶陷落柱 断层 致灾机理
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我国煤矿区矿井水水质空间分布特征及矿井水处理技术思路 被引量：9
2
作者 孙亚军 郭娟 +6 位作者 徐智敏 张莉 陈歌 熊小锋 华景帆 穆林杰 吴文轩 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期584-599,共16页
矿井水是一种重要的非常规水资源,我国煤矿矿井涌水量巨大,不同类型矿井水的处理是国家与煤矿企业重点关注的科学问题。基于314座煤矿矿井水水化学数据调研与统计分析,阐明了矿井水水质空间分布特征及成因机制:矿井水水质主要以高TDS、... 矿井水是一种重要的非常规水资源,我国煤矿矿井涌水量巨大,不同类型矿井水的处理是国家与煤矿企业重点关注的科学问题。基于314座煤矿矿井水水化学数据调研与统计分析,阐明了矿井水水质空间分布特征及成因机制:矿井水水质主要以高TDS、高悬浮物、高硫酸盐、高Na+为主要特征,酸性矿井水和重金属主要集中于云贵等部分矿区;水质成因与煤矿区所处地域特征密切相关,如干旱与半干旱气候条件、充水地下含水层水质、煤层硫分含量、围岩岩性、微生物作用、岩浆活动等因素等,采矿活动对矿井水质形成及演化影响的权重较大。全国煤矿矿井水水化学类型以SO_(4)-Na型、SO_(4)-Ca·Mg型、SO_(4)-Na·Ca型、HCO_(3)-Na型和HCO_(3)-Ca·Mg型为主。基于全国矿井水水质特征,阐述了现有矿井水地面处理技术与瓶颈,论述了现有井下矿井水处理工艺,并以“阻断、减量、保护”为主要污染防控思路,提出一种煤矿废弃采掘空间矿井水自然修复技术,通过过程减量,实现矿井水低成本井下处理与回用。然后,基于采空区位置选择、采空区储水空间计算、储水安全性评价、减量修复效果评价、减量过程水动力场-水化学场-微生物场演化特征和次生危害解决方案等问题构建了矿井水自然修复技术框架,并基于煤矿实例采空水水化学组分和微生物群落结构演化规律验证了矿井水修复技术的可行性,具有较高的推广应用价值。煤矿废弃采掘空间矿井水自然修复技术的构建能够降低矿井水处理成本,助力煤-水协调绿色开采,实现矿井水修复与资源化利用。 展开更多
关键词 矿井水水质 井下矿井水处理 废弃采掘空间 自然修复 微生物群落结构
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废弃采空区边界煤柱浸水结构演化与损伤劣化机理的模拟试验 被引量：3
3
作者 徐智敏 熊世杰 +4 位作者 袁慧卿 孙亚军 韩宇航 陈天赐 卢伟宁 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期1100-1114,共15页
在煤矿生产过程中,为防止老空水害而留设的各类防隔水煤柱在废弃采空区蓄积的具有侵蚀性的矿井水长期带压浸水作用下,其宏观、细观结构不断发生变化并出现损伤劣化现象,导致煤柱的物理力学强度减小、稳定性降低,进而诱发煤柱失稳和突水... 在煤矿生产过程中,为防止老空水害而留设的各类防隔水煤柱在废弃采空区蓄积的具有侵蚀性的矿井水长期带压浸水作用下,其宏观、细观结构不断发生变化并出现损伤劣化现象,导致煤柱的物理力学强度减小、稳定性降低,进而诱发煤柱失稳和突水事故的发生。论文通过自主设计的高压矿井水−煤耦合作用试验装置,开展了煤柱试样在不同水压、模拟矿井水、原样矿井水等条件下的长期浸泡模拟试验,并采用计算机断层扫描(CT)、X射线衍射(XRD)以及高压伺服压缩试验加载系统等手段,分析并研究了煤样长期浸水条件下的结构演化与力学损伤劣化过程和作用机理。研究结果表明:煤样结构在侵蚀性矿井水长期浸泡条件下表现为不规则孔隙−裂隙显著发育、孔隙率由0.25%增大到1.2%、孔隙发育的离散性随浸泡时间逐步降低;煤样在侵蚀溶液长期浸泡条件下的力学损伤劣化效应明显,受浸泡时间和浸泡溶液的pH值影响最为明显;煤样与矿井水在浸泡过程中产生相互作用,具体体现为初期的吸水膨胀作用与后期的溶解消耗作用。根据上述研究成果,论文阐明了废弃矿井及采空区各类边界煤柱在高渗透压、侵蚀性矿井水长期作用下结构演化与损伤劣化的物理−化学耦合作用机理,揭示了废弃采空区边界煤柱带压浸水作用下的动态响应过程与关键阶段:第一阶段以物理吸水膨胀作用为主,表现为抗压强度整体减小而抗拉强度先降低后回升再降低的现象;第二阶段以物理−化学联合作用为主,表现为黏土类矿物部分溶解、消耗导致孔隙率增大,进而诱发物理力学损伤劣化;最后,在“软化系数”的基础上提出了浸水煤柱“损伤系数”的定义和计算公式,并确定了浸水煤柱“损伤系数”的经验数值。研究结果对各类废弃矿井或采空区边界煤柱的稳定性评价和水害的防控具有重要的理论意义和工程实践价值。 展开更多
关键词 废弃矿井 煤柱浸水损伤 CT扫描 结构演化 损伤机理 模拟试验
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基于疏水降压法井筒渗水模拟试验与应用研究 被引量：1
4
作者 李昂 杨钧皓 +4 位作者 张文忠 李远谋 薛智轩 范六一 田胜祺 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期301-313,共13页
随着我国煤炭资源不断向深部开发,复杂的岩层赋存条件对井筒的建设和使用带来很大挑战。深部立井经常穿越多层含水层,顶板承压水造成的井壁渗水问题尤为严重,不仅威胁到矿井安全,还给传统的注浆治理方法带来挑战,如成本高、施工难度大... 随着我国煤炭资源不断向深部开发,复杂的岩层赋存条件对井筒的建设和使用带来很大挑战。深部立井经常穿越多层含水层,顶板承压水造成的井壁渗水问题尤为严重,不仅威胁到矿井安全,还给传统的注浆治理方法带来挑战,如成本高、施工难度大和渗漏重复等问题。为此基于疏水降压理论建立了一套可视化相似模拟试验平台,模拟了不同岩层、不同放水孔数条件下的井壁水压、放水孔流量变化,分析了放水孔流速与渗流规律、地下水降落漏斗形态发育规律以及渗流水压和井壁压力变化规律,并以彬长文家坡煤矿为例开展了现场疏放水试验。结果表明:出水口流速随管道通径增大而增大;双孔涌水流量相比单孔增幅较大,三孔涌水量增幅较小;距井越近水位降深越大,降落漏斗影响范围随放水孔数增加而增大,单层放水试验降落漏斗形状与降水孔保持对称状,漏斗底端呈现锥形。放水初期水压下降快,后期趋于稳定;将模拟试验结果应用于现场,通过在文家坡煤矿主副井之间打疏放水孔,进行单孔和双孔放水试验,单孔稳定涌水量为75 m^(3)/h、双孔稳定涌水量为175 m^(3)/h,试验显著降低了地下水位,并形成了最大降深达40 m的降落漏斗,现场实测与相似模拟试验结果较为吻合,验证了疏水降压治理方法的科学性和实际效果。研究成果有助于推动深部顶板承压含水层影响下井筒渗水防治技术的进步。 展开更多
关键词 含水层 井筒水害 相似模拟 降落漏斗 疏水降压法
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基于A-Star算法的深部煤层开采含断层底板突水路径智能识别研究 被引量：1
5
作者 孙文斌 孙志辉 +1 位作者 刘红强 褚怡心 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第3期101-114,共14页
为更精准预测深部煤层开采条件下底板突水风险,采用理论分析、相似材料等研究方法,针对深部煤层开采过程中底板突水路径的智能识别问题开展系统研究。研究结果表明:基于工作面开采过程中的水压-应力监测数据,绘制了底板突水预测图;依据... 为更精准预测深部煤层开采条件下底板突水风险,采用理论分析、相似材料等研究方法,针对深部煤层开采过程中底板突水路径的智能识别问题开展系统研究。研究结果表明:基于工作面开采过程中的水压-应力监测数据,绘制了底板突水预测图;依据各监测节点的水压与应力数据,量化计算了各节点位置的突水概率指数,得出其数值越大突水风险越高;将突水概率指数空间分布作为约束条件,运用A-Star路径规划算法实现了导水裂隙空间路径的有效识别,在此研究基础上,开发出突水路径智能识别系统。最后,通过相似材料模拟试验进行了证实,所提方法规划的路径特征与模型实际导水裂隙演化轨迹高度吻合,且与电法监测结果高度一致,验证了A-Star算法在突水路径识别中的有效性。研究成果为深部开采条件下底板突水灾害的实时监测预警与智慧矿山安全保障提供了新的技术途径,具有明确的应用价值和工程参考意义。 展开更多
关键词 防治水 A-STAR算法 底板突水 综合权重 突水概率指数
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浅埋薄基岩煤层过沟开采溃水危险性预测
6
作者 牛超 罗钰韬 +6 位作者 刘宁 肖乐乐 孙强 张伟伟 薛喜成 曾大宝 白杨 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第10期172-181,共10页
【目的】浅埋薄基岩条件下煤层的过沟开采活动易导致覆岩导水裂隙带与地表水体连通,显著增加矿井突水、溃水等水害风险。陕西山东煤矿部分工作面分布于沙界沟流域下方,地表暴雨径流极易通过采动裂隙通道溃入井下,威胁矿井安全运行,急需... 【目的】浅埋薄基岩条件下煤层的过沟开采活动易导致覆岩导水裂隙带与地表水体连通,显著增加矿井突水、溃水等水害风险。陕西山东煤矿部分工作面分布于沙界沟流域下方,地表暴雨径流极易通过采动裂隙通道溃入井下,威胁矿井安全运行,急需开展溃水危险性识别与评价研究。【方法】以山东煤矿3煤层及其过沟开采工作面为研究对象,综合实测采高与钻孔揭示资料,绘制3煤层导水裂隙带发育高度等值线图;并将导水裂隙带高度与煤层埋深的差值作为判据,划分高危险区、一般危险区与安全区。在此基础上,结合地表采动裂隙结构特征与沟道暴雨径流过程,构建地表采动裂隙溃水量预测模型,模拟评估3108、3109工作面在5、10及20a一遇暴雨条件下的地表采动裂隙溃水量,并叠加垮裂安全性等级,构建双因子6级溃水危险性分级体系。为提升其工程适用性,提出简化的3级溃水危险性划分方案,开展工作面危险性再识别。【结果】研究确定-20m为3煤层埋深与导水裂隙带高度差的最优临界值,能够有效识别沙界沟下方及周边区域的高溃水危险区。模型预测结果显示,在不同重现期条件下,3109工作面的溃水量始终高于3108工作面,最大值达0.335m^(3)/s(1205.169m^(3)/h)。依据6级溃水危险性分级体系,3109工作面分别划分为极高(20、10a一遇)和高(5a一遇)危险区,3108工作面则为高、中、中危险区;而在简化的3级溃水危险性划分标准下,两工作面在各暴雨重现期条件下均为高危险区。【结论】基于地表采动裂隙结构与沟道暴雨径流过程,建立了适用于浅埋薄基岩煤层过沟开采条件下的地表采动裂隙溃水量预测模型,并构建融合溃水量等级与垮裂安全性分区的溃水危险性综合评价体系。研究结果可为类似地质条件下工作面溃水风险识别与治理设计提供理论支撑和工程依据,具有重要的工程实用价值。 展开更多
关键词 浅埋煤层 过沟开采 暴雨径流 溃水量预测模型 溃水危险性预测
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两淮煤田深部岩溶构造发育特征及水害地面区域探查治理模式
7
作者 张海涛 谢治刚 +6 位作者 孙贵 许光泉 杨洋 刘星 李旭 贺江辉 许成成 《煤炭工程》 北大核心 2025年第4期56-64,共9页
针对华北隐伏型煤田深部岩溶水害防治难题,以两淮煤田为典型研究对象,分析了深部岩溶及构造发育特征,通过结合多年岩溶水害探查治理工程应用,构建了深部岩溶水害地面区域探查治理模式。研究结果表明:①两淮煤田奥陶系灰岩厚度大、富水... 针对华北隐伏型煤田深部岩溶水害防治难题,以两淮煤田为典型研究对象,分析了深部岩溶及构造发育特征,通过结合多年岩溶水害探查治理工程应用,构建了深部岩溶水害地面区域探查治理模式。研究结果表明:①两淮煤田奥陶系灰岩厚度大、富水性相对较强、岩溶裂隙发育,是深部岩溶水害防治的重点对象;岩溶裂隙、岩溶陷落柱和导水断层是岩溶突水的重要导水通道,也是深部岩溶水害探查治理的重点。②石炭系太原组是深部岩溶水害防治的关键层,基于两淮煤田岩溶地质条件和岩溶水害特点差异,淮北煤田一般选择太原组C_(3)^(3)层灰岩作为注浆治理目的层位,而淮南煤田一般选择太原组C_(3)^(5)、C^(3)_(7)、C_(3)^(9)层灰岩作为注浆治理目的层位。③依据治理对象及思路的不同,两淮煤田地面区域探查治理工程可分为3种典型模式,分别为岩溶裂隙探查治理模式、导水断层探查治理模式和岩溶陷落柱探查治理模式。其中,岩溶裂隙探查治理模式是一种面状探查治理模式,主要治理对象是岩溶裂隙;导水断层探查治理模式是一种线状探查治理模式,主要治理对象是断层(带);岩溶陷落柱探查治理模式是一种点状探查治理模式,主要治理对象是岩溶陷落柱。 展开更多
关键词 深部岩溶水害 地面区域探查治理 探查治理模式 治理层位 两淮煤田
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巨厚白垩系含水层采动渗透性演化及高位离层积水模型
8
作者 乔伟 孟祥胜 +6 位作者 杨眷 李连刚 梁启敬 刘梦楠 陶志和 韩昌民 孔维滕 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期1047-1061,共15页
离层水作为一种采动突涌水水源,其突水具有瞬时量大、周期性和突水征兆不明显等特点,危害极大,防控难度极高。以陕西省黄陇煤田永陇矿区招贤煤矿为研究区,针对白垩系含水层开展了长期群孔抽水试验,采用基于同步连续线性估计算法(SimSLE... 离层水作为一种采动突涌水水源,其突水具有瞬时量大、周期性和突水征兆不明显等特点,危害极大,防控难度极高。以陕西省黄陇煤田永陇矿区招贤煤矿为研究区,针对白垩系含水层开展了长期群孔抽水试验,采用基于同步连续线性估计算法(SimSLE)的水力层析反演技术,分析了工作面采动过程中含水层渗透性演化规律,最后通过地下水动力学和数值模拟的方法,建立了考虑真空负压作用的采动覆岩渗透性演化–离层积水模型。结果表明:①采动覆岩巨厚白垩系含水层的渗透性整体呈现先增大后减小的趋势,采空区范围内白垩系含水层渗透系数增长为天然状态下含水层渗透系数的23~392倍,采动影响范围内渗透系数增长为天然状态下含水层渗透系数的1~67倍,在平面上,随着工作面的持续推进,工作面前方的渗透性是依次序逐步演化增大的;②以半无限含水层空间汇点概化模型为基础,推导了真空负压状态下的离层积水理论模型,通过COMSOL数值软件建立了经典稳态问题中的“圆岛模型”,数值计算结果与理论模型偏差较小,说明通过COMSOL数值软件建立的离层积水模型是合理的;③区块渗透性逐一发生演化时,离层积水速率仅有小幅度的提升,直至所有区块渗透性均发生演化后,离层空间的积水速率从14.09 m^(3)/h提升到了98.95 m^(3)/h,提升幅度达84.86 m^(3)/h,同时绝对真空状态下相较于标准大气压进水速率高2.5 m^(3)/h。论文提出的含水层采动渗透性演化–离层积水模型可以为高位离层积水速率的预测和演化提供研究思路。 展开更多
关键词 离层水害 水力层析 渗透性演化 地下水动力学 离层积水模型
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冲击荷载下倾斜煤层沿空留巷底板破坏机理与控制方法
9
作者 刘学生 赵志鹏 +3 位作者 范德源 李学斌 宋世琳 杨生龙 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第9期213-227,共15页
受倾斜煤层基本顶侧向回转下沉产生的冲击荷载影响,沿空留巷围岩变形破坏严重,底鼓问题尤为显著。以某矿1301S工作面沿空留巷底板大变形控制为工程背景,首先,基于基本顶“O-X”破断运动特征,根据达朗贝尔原理及朗肯土压力理论,建立基本... 受倾斜煤层基本顶侧向回转下沉产生的冲击荷载影响,沿空留巷围岩变形破坏严重,底鼓问题尤为显著。以某矿1301S工作面沿空留巷底板大变形控制为工程背景,首先,基于基本顶“O-X”破断运动特征,根据达朗贝尔原理及朗肯土压力理论,建立基本顶侧向回转下沉动力学模型,分析倾斜煤层支承压力作用下巷道底板受力情况,揭示冲击荷载影响下巷道底板破坏机理,定义巷道底板失稳力学判据η。然后,通过数值模拟对比分析冲击荷载扰动前后底板的破坏特征,探究不同因素影响下底板破坏特征。最后,从荷载源控制及承载体强度2个方面进行综合考虑,提出底鼓控制方法,并在1301S工作面沿空留巷开展现场应用。结果表明:基本顶侧向回转下沉产生远超自重的冲击荷载与支承压力间接作用至巷道底板的挤压荷载相互叠加,共同导致巷道发生底鼓大变形。冲击荷载强度与基本顶断裂长度、高度、容重及采高呈正相关,将现场实测数据代入巷道底板失稳力学判据得η=1.06>1,巷道底板发生压曲失稳,与现场巷道底鼓大变形现象相符。动载扰动后,巷道底鼓量及底板破坏深度大幅增加;随冲击荷载强度的减小及底板抗弯刚度增大,巷道最大底鼓量及底板破坏深度减小;巷道底板破坏过程依次经历缓慢变形到突变变形再到变形稳定3个阶段。提出以爆破切顶为主、底板分层注浆为辅的底鼓联合控制方法,现场监测结果显示,沿空留巷底鼓得到有效控制,最大底鼓量降低了73.4%,围岩整体稳定性好。 展开更多
关键词 倾斜煤层 冲击荷载 动力学 压曲失稳 底鼓联合控制
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动水条件下裂隙粗糙度对浆液扩散影响研究
10
作者 刘伟韬 鲍传瑶 +2 位作者 孟祥喜 孙易达 徐传亮 《山东科技大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第4期1-12,共12页
裂隙的产状和特性对于矿井注浆效果影响较大,且矿井动水条件的影响使浆液扩散机理更为复杂。本研究利用COMSOL Multiphysics软件中的两相流数值计算方法,采用节理粗糙度系数(JRC)表征裂隙粗糙度,研究了不同JRC对浆液扩散形态、压力、流... 裂隙的产状和特性对于矿井注浆效果影响较大,且矿井动水条件的影响使浆液扩散机理更为复杂。本研究利用COMSOL Multiphysics软件中的两相流数值计算方法,采用节理粗糙度系数(JRC)表征裂隙粗糙度,研究了不同JRC对浆液扩散形态、压力、流速、截面流量及封堵率等参数的影响。研究结果表明:JRC的增加会使浆液沿水流方向的扩散距离缩短,浆液压力升高,但对横向扩散方向和远离注浆孔区域的浆液压力影响较小;同时JRC增加会降低浆液流速,浆液堆积会使两侧水流通道变窄导致动水流速增加;JRC减小可以提高注浆效率,降低出口出水流量,提升堵水效果,JRC为18~20时达到最大封堵率所用时间是JRC为14~16时的1.18倍,是JRC为8~10时的1.43倍。采用相似试验对浆液在不同粗糙程度裂隙内的扩散形态和封堵率进行了验证,试验结果与数值模拟结果基本吻合,进一步验证了数值模拟试验的可行性,研究结果可为裂隙动水注浆理论和工程实践提供参考。 展开更多
关键词 动水注浆 裂隙粗糙度 浆液扩散 节理粗糙度系数
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承压积水作用下临空损伤煤柱宏观破坏特征与渗流规律
11
作者 刘伟韬 陈东祺 +2 位作者 刘玉本 杜衍辉 赵吉园 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第8期140-153,共14页
【背景】小煤柱护巷的方式在我国得到广泛应用,临空煤柱的稳定性影响着矿井的安全生产,受多种扰动作用影响的煤柱内往往会产生不同类型的损伤裂隙,积水采空区的承压水环境可能会造成临空损伤煤柱的失稳破坏。【方法】为研究损伤裂隙结... 【背景】小煤柱护巷的方式在我国得到广泛应用,临空煤柱的稳定性影响着矿井的安全生产,受多种扰动作用影响的煤柱内往往会产生不同类型的损伤裂隙,积水采空区的承压水环境可能会造成临空损伤煤柱的失稳破坏。【方法】为研究损伤裂隙结构对煤体稳定性的影响,引入相对稳定的初始损伤裂隙概念,基于损伤力学理论建立临空煤体的“流–应力–损伤”(HMD)耦合力学模型,采用COMSOL有限元分析临空损伤煤柱受单侧压力水影响下渗流破坏过程。【结果和结论】初始损伤裂隙的力学参数会显著影响煤体产生二次损伤的时间,两者之间存在临界阈值;损伤裂隙的存在会显著影响临空煤柱的稳定性,在单侧水压的作用下呈现出非对称的破坏形态,局部突水处的流速相比损伤前提高了2个数量级;裂隙结构会影响煤体失稳过程,随着裂隙角度从30°增加到60°,煤体的失稳时间从7.0 h缩减至4.1 h,而0°裂隙模型由于应力方向的特殊性失稳时间最短,仅为3.9 h;从损伤发育的宏观过程来看,不同模型均经历了从初始损伤裂隙尖端二次发育→损伤破坏贯通边界→大面积损伤区域扩展→边界局部突水通道形成的4个阶段;从模型损伤单元数量的演化特征来看,呈现损伤发育和快速扩展2个阶段,裂隙结构对发育速度的影响主要作用在损伤发育阶段,而不同模型快速扩展阶段的时间差异并不明显。研究结果可以为采空区隔水煤体的稳定性判断与失稳过程识别提供参考。 展开更多
关键词 临空煤柱 采空区积水 初始损伤裂隙 流–应力–损伤耦合模型 失稳前兆
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动力扰动下底板突水前兆特征及危险性评价
12
作者 王俊光 杨松 +2 位作者 马峥 辛天宇 韦忠跟 《力学学报》 北大核心 2025年第7期1671-1687,共17页
为深入研究动力扰动作用下底板突水灾变机制,设计了一种可施加动力扰动的巷道突水突泥试验系统,结合多场信息监测系统和动力扰动机械装置,开展了不同扰动频率和扰动幅值的底板突水相似模拟试验.试验结果表明,底板突水是开挖扰动、动力... 为深入研究动力扰动作用下底板突水灾变机制,设计了一种可施加动力扰动的巷道突水突泥试验系统,结合多场信息监测系统和动力扰动机械装置,开展了不同扰动频率和扰动幅值的底板突水相似模拟试验.试验结果表明,底板突水是开挖扰动、动力扰动和承压水渗流共同作用的结果,突水前兆特征为土压力下降、水压力急剧上升和声发射事件大量产生.随着扰动幅值和频率增大,突水压力逐渐下降、突水时土压力逐渐增大、突水时间逐渐提前,三者对扰动幅值敏感程度更高.基于Hoek-Brown强度破坏准则,引入岩体扰动系数,建立了动力扰动作用下底板突水点的P-M临界方程,该方程在矿井底板突水危险性预测评价时综合准确度达87.6%,适用性良好.通过动力扰动下P-M临界曲线对唐家会矿井钻孔结果预测,发现矿井南部部分钻孔P-M结果高于临界曲线,结合矿区实际情况,判定矿场北部安全度最高,中部(主采区)较低,南部和西南部突水风险最高.研究成果为巷道底板突水预测预防提供了理论指导,对保障煤矿安全生产具有重要意义. 展开更多
关键词 底板突水 相似模拟试验 动力扰动 前兆特征 危险性评价
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深部高承压水多层结构底板破坏机理及应用
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作者 李昂 杨钧皓 +4 位作者 王峰 马政和 赵磊 黄刚 吕光辉 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第9期418-434,共17页
澄合矿区在高强度开采条件下矿井进入薄隔水层、带压系数高、构造复杂的深部采区,深部采区接续上一采空区布置工作面势必会加大底板破坏深度,破坏裂隙一旦导通含水层K2灰岩含水层与奥陶系灰岩水直接构成补给通道,将影响工作面的安全开... 澄合矿区在高强度开采条件下矿井进入薄隔水层、带压系数高、构造复杂的深部采区,深部采区接续上一采空区布置工作面势必会加大底板破坏深度,破坏裂隙一旦导通含水层K2灰岩含水层与奥陶系灰岩水直接构成补给通道,将影响工作面的安全开采。为此,首先基于岩层地质结构特征,构建了4层结构底板塑性破坏力学模型,并进行了4种工况下的理论分析;然后模拟分析了工作面在重复采动影响下底板岩体位移场、应力场分布规律及塑性区发育特征;最后使用钻孔应变监测和压水试验方法在董家河煤矿23502工作面和23503采空区进行了底板破坏深度现场测试。结果表明:运用4层结构底板塑性滑移线场理论,按主动极限区深度划分23502工作面属于第3种工况,计算出最大破坏深度为18.32m,23503工作面属于第2种工况,计算出最大破坏深度为15.83m;数值模拟显示了在双面开采影响下底板的破坏深度显著增加,尤其是在临近煤柱区域下方,破坏深度最大可达18.5m,高于单工作面15.8m的破坏深度。面间煤柱受多重采动应力场影响,内部的弹性核区由单面开采的23m减少到约14m,煤柱两侧下方支承压力峰值始终处于高位,峰值系数最大高于单面开采的1.35倍。压水实测数据显示23503采空区底板最大破坏深度为15.85m;钻孔应变监测数据显示23502工作面底板最大破坏深度为18.3m。理论计算与数值模拟及现场实测结果较相一致,研究结果可为澄合矿区及其他相似矿区承压水体上开采煤层提供一定的指导意见。 展开更多
关键词 多层结构底板 塑性滑移线场 底板水害 数值模拟 奥陶系灰岩
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含水层下伏近距离工作面安全回采控制技术及应用
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作者 史文豹 苗壮 +3 位作者 袁本庆 许庆钊 刘鹏 闫澳运 《中国煤炭》 北大核心 2025年第4期36-45,共10页
针对松散含水层下伏近距离工作面回采面临的突水风险问题,以五沟煤矿“四含水”层下伏10101工作面为工程背景,通过数值模拟、理论分析和工程类比的方法预测下伏工作面裂缝带发育高度。基于10101工作面上覆基岩的赋存特征,现场采用注浆... 针对松散含水层下伏近距离工作面回采面临的突水风险问题,以五沟煤矿“四含水”层下伏10101工作面为工程背景,通过数值模拟、理论分析和工程类比的方法预测下伏工作面裂缝带发育高度。基于10101工作面上覆基岩的赋存特征,现场采用注浆改造技术对“四含水”层进行水体驱替,实现含水层“无水”改造,确保工作面安全回采。研究结果表明,10101工作面裂缝带发育高度为46.52~63.07 m;注浆改造技术显著降低了工作面回采初期的淋水现象,顶板淋水量控制在1 m^(3)/h以下,经系统排水后,工作面淋水对回采基本无影响;同时该技术的应用提高了工作面回采的安全性,成功实现了10101工作面的安全回采,回采时初次来压步距约为34.65 m,“四含水”层覆盖区周期来压步距约为7.84 m,非“四含水”层覆盖区周期来压步距约为10.45 m,“四含水”层覆盖区矿压显现更加明显。 展开更多
关键词 含水层 下伏近距离工作面 导水裂缝带 注浆改造技术 矿压显现
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基于图结构的深部矿井突水逃生路径规划系统设计与实现
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作者 陈玉华 孙帮涛 +5 位作者 徐明飞 李东立 胡钰乾 徐超 崔云昊 袁世冲 《中国矿业》 北大核心 2025年第4期126-136,共11页
深部矿井高承压水引发的突水灾害具有突发性强、致灾路径复杂等特点,现有基于二维平面静态拓扑的逃生模型存在水流动态响应滞后、空间属性耦合不足等突出问题。为提升深部高承压水引发的突水灾害防治的时效性,本文研究通过简化井下巷道... 深部矿井高承压水引发的突水灾害具有突发性强、致灾路径复杂等特点,现有基于二维平面静态拓扑的逃生模型存在水流动态响应滞后、空间属性耦合不足等突出问题。为提升深部高承压水引发的突水灾害防治的时效性,本文研究通过简化井下巷道,形成图结构模型,利用图算法快速实现逃生方案的自动生成,以提升矿工在突水灾害环境中的生存概率。利用巷道中线点云三维坐标数据,依托矿井巷道空间拓扑关系,建立巷道空间形态图G=(V,E),以描述井下巷道三维结构。为应对巷道实际计算需要,三维巷道结构中增加了工程属性数据,包括容积、截面等。为考虑水流因素对逃生过程的影响,增加了巷道图中边的权值,形成了新的图结构G=(V,E,W),该网络具有动态计算权重的能力,可以量化不同时空环境中的逃生速度。为利用新图结构,计算人员逃生能力,改进了Dijkstra算法的时间维度处理流程,提出基于时变加权网络的路径规划方法,解决了传统Dijkstra算法无法处理时变权重的问题。为实现巷道网络三维可视化与动态路径规划功能,本文构建了动态逃生路径规划系统,系统利用VTK渲染引擎开发了多层架构系统,通过赋值网络权重,快速生成最优逃生路线。结合云南彝良毛坪铅锌矿实际工程数据,利用该软件系统,验证了突水淹没过程及在巷道网络中的逃生路线的有效性。本文研究利用图理论快速生成了突水情景下的逃生路径,为矿山相关人员提供科学的安全保障工具,提升了我国深部矿业安全生产水平。 展开更多
关键词 矿井突水 图结构 逃生路径 三维模拟 软件开发
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孤岛工作面底板含水体综合物探技术研究
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作者 史志红 姜鹏 《煤炭工程》 北大核心 2025年第5期56-63,共8页
为确保王坪煤矿8306孤岛工作面带压开采的安全性,分析奥灰水对该工作面回采的影响程度,采用矿井瞬变电磁法、音频电透视法和无线电波透视法,对工作面底板构造与富水性进行综合物探,查明了工作面底板富水和构造发育状况,再结合物探成果... 为确保王坪煤矿8306孤岛工作面带压开采的安全性,分析奥灰水对该工作面回采的影响程度,采用矿井瞬变电磁法、音频电透视法和无线电波透视法,对工作面底板构造与富水性进行综合物探,查明了工作面底板富水和构造发育状况,再结合物探成果分析了8306工作面带压开采的安全性。结果表明:8306工作面煤层顺层存在1处基本不含水的岩浆岩侵入体灰绿岩墙;在底板40 m范围内的隔水层存在几处富水性“一般~较弱”的裂隙水或低阻岩体,其中东南部区域有1处由断层导通奥灰水的含水体;底板40 m以下的奥灰含水层富水性推断为“较强~一般”的奥灰水。8306工作面正常带压开采时通常不会发生突水情况,但如果区段存在隐伏贯穿性导水构造,特别是矿井物探圈定的含水体与构造重叠区域,煤层底板可能面临奥灰突水危险,此时应做好钻探、水文监测预警等防治水工作。 展开更多
关键词 底板水害 矿井瞬变电磁法 音频电透视法 无线电波透视法 奥灰水
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脉状裂隙导水型岩溶陷落柱高压注浆机理及应用
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作者 钱自卫 鹿存金 +2 位作者 巩起立 吴现帅 王炳柱 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第8期292-303,共12页
岩溶陷落柱在我国华北煤田广泛发育,已引发多起矿井严重突水事故,开展陷落柱导水特征及注浆机理研究,对于保证煤炭资源安全开采具有现实意义。本研究根据陷落柱导水通道特征、陷落柱柱体结构形式及探查钻孔出水特征,结合典型陷落柱探查... 岩溶陷落柱在我国华北煤田广泛发育,已引发多起矿井严重突水事故,开展陷落柱导水特征及注浆机理研究,对于保证煤炭资源安全开采具有现实意义。本研究根据陷落柱导水通道特征、陷落柱柱体结构形式及探查钻孔出水特征,结合典型陷落柱探查及治理案例,在传统的松散间隙导水、微细孔裂隙渗透导水模式基础上,总结提出了陷落柱脉状裂隙导水的新模式,给出了此类陷落柱的水害致灾形式。研究发现此类陷落柱柱体一般较为密实,软硬碎石组合不均匀分布,碎岩部分间隙未被破碎泥化物、砂、矿物结晶所充填,残存不规则扁平裂隙状或近似圆孔集中导水通道;初步分析认为柱体的不均匀性致使空隙渗流及结晶的差异是此类陷落柱形成的主要原因。开展了脉状裂隙导水型陷落柱透明可视化注浆模型试验,直观观测了单孔高压注浆对多个导水通道的治理过程,并结合相关理论,提出了涉及孔道渗流注浆、劈裂注浆及裂隙挤密闭合等复合形式的脉状裂隙导水型陷落柱高压注浆机理,以实现单注浆孔对多条脉状裂隙导水通道的综合控制。研究成果在埋深超过600m、奥灰水压7.67MPa、平面面积达到5200m^(2)的鹤煤九矿9–6导水陷落柱的注浆治理中应用。依据相关标准设计了注浆控制段跨度,通过巷道揭露及钻孔出水情况可表征陷落柱的脉状裂隙导水特征,设计采用井下对抄布孔、分层布孔、分段注浆等实现了对注浆区域的全覆盖,分析注浆压力响应曲线可指示浆液的渗流、劈裂、挤密等过程,通过串浆情况、物探及微震监测、注水试验分析综合评判了陷落柱的治理效果,目前受陷落柱影响工作面已安全回采。研究成果为脉状裂隙导水型陷落柱的治理提供了理论及技术支撑。 展开更多
关键词 岩溶陷落柱 脉状导水通道 高压注浆 复合注浆机理
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偏最小二乘回归分析法的突水水源判别模型
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作者 李昂 程迅 +5 位作者 吕璐娜 丁学松 景长生 刘军亮 高喆森 范六一 《西安科技大学学报》 北大核心 2025年第4期771-783,共13页
为弥补现有判别方法与矿区实际水源数据库结合不足等问题,提出一种基于Piper三线图、箱型图和聚类分析的突水水源判别方法,构建平煤五矿水源常量离子库,并结合偏最小二乘回归分析法(PLS-DA)预测矿井突水来源;通过MATLAB软件研发一套矿... 为弥补现有判别方法与矿区实际水源数据库结合不足等问题,提出一种基于Piper三线图、箱型图和聚类分析的突水水源判别方法,构建平煤五矿水源常量离子库,并结合偏最小二乘回归分析法(PLS-DA)预测矿井突水来源;通过MATLAB软件研发一套矿井水源判别软件系统,快速、准确地判别煤矿井下突水水源,将矿区地下水层常量离子库中34个水样作为训练样本,其中6个水样作为测试样本进行训练测试,并在平煤五矿工作面中应用。结果表明:模型的累积解释力R^(2)X(cum)达到99.96%,交叉验证累积预测力Q^(2)(cum)为73.7%,模型对砂岩水、太灰水和寒灰水的分类预测准确,该方法判别出的采空区水源与实际情况相符。研究为井下注浆支护和回采设计提供了理论支持,并为矿井突水的快速识别提供了一种新的定量分析方法。 展开更多
关键词 突水水源判别 水源数据库 PLS-DA算法 训练样本
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基于透明水文地质模型的工作面顶板水害预警研究 被引量：4
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作者 连会青 晏涛 +4 位作者 尹尚先 徐斌 康佳 周旺 闫国成 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第1期259-271,共13页
我国西部矿区因地质条件复杂,煤层顶板水害问题日渐突出,传统水害预警手段难以有效应对这一挑战。为解决水害预警中指标选取、预警方法及标准构建等核心问题,系统开展了顶板水害预警的基础理论研究、关键技术分析及智能化平台建设工作... 我国西部矿区因地质条件复杂,煤层顶板水害问题日渐突出,传统水害预警手段难以有效应对这一挑战。为解决水害预警中指标选取、预警方法及标准构建等核心问题,系统开展了顶板水害预警的基础理论研究、关键技术分析及智能化平台建设工作。首先,在传统透明地质模型基础上提出了透明水文地质模型的概念,引入动态更新功能并明确其设计实现思路;其次,基于顶板水害发育“3阶段”机理分析,提出指标选择应遵循约束性、独立性和持续性“3原则”,确定了地表水特征、含水层结构及性质、隔水层结构及性质、采动影响围岩运移特征及水文要素动态变化特性5大类主要影响因素,共从中提取出14项可量化指标构成顶板水害预警指标体系;根据已有事故案例、现场水文观测数据变化规律和相关标准规范,提出由4个预警指标参与的智能水害预警方法,划分出4个等级的预警级别、标准和应对措施;以透明水文地质模型为逻辑底层,内嵌预警指标、方法、标准和多态接口,集成开发了具备3个层级、6个核心功能的顶板水害智能化预警平台,该平台通过触发器和轮询的混合预警机制,实现了多指标综合评价与预警;最后,平台在西部某煤矿进行了为期1 a的示范应用,期间成功发出15次预警信息,其中10次为监测设备异常预警,5次为水害信息预警,所有预警均提前采取了有效应对措施。结果表明:该平台的应用验证了预警指标、方法、标准和平台的有效性与适用性。未来的研究可进一步优化预警模型和数据分析方法,以提升平台的预警精度和响应速度。 展开更多
关键词 透明水文地质模型 顶板水害 预警指标体系 预警方法 智能化预警平台
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突水系数60年:面临困境及发展方向 被引量：2
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作者 尹尚先 姚辉 +6 位作者 梁满玉 吴威 连会青 侯恩科 赵鹏 张义安 王雄 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期600-609,共10页
自1964年突水系数诞生以来,60年里尽管历经多次改良变化,但其主体一直是我国预测和评价底板突水危险性的主要方法,在保障带压开采生产安全及推动带压开采理论发展方面发挥了重要作用。回顾了突水系数法的传承与发展历程,总结突水系数法... 自1964年突水系数诞生以来,60年里尽管历经多次改良变化,但其主体一直是我国预测和评价底板突水危险性的主要方法,在保障带压开采生产安全及推动带压开采理论发展方面发挥了重要作用。回顾了突水系数法的传承与发展历程,总结突水系数法发展历史,认为突水系数法演变主要围绕“有效隔水层厚度”这一概念展开,临界突水系数无法确定限制了其他版本突水系数法的应用。从充水水源、强度、通道、时间、水质5个维度阐释了浅部与深部水害特征及异同,指出了深部开采条件下突水系数法局限所在;总结改良版本,指明深部条件下突水系数法改良方向:围绕针对性不强、隔水层厚度影响、考虑因素单一等进行改良。剖析学科概念,回归突水危险性评价命题本身,危险性评价应回答突水的可能性及突水的危害程度两部分内容;梳理突水危险性影响因素,指出突水系数法缺陷:对地质构造、含水层富水性等重要影响因素考虑不全面。展望未来,探讨了突水系数法发展方向,包括与其他理论及方法形成组合模型、选用大数据评价方法。随着信息化技术的进步及煤矿智能化建设进程的稳步推进,深度学习、机器学习以及配套方法等将成为主流评价方法,特别是物理机制约束下的大数据评价方法是未来攻关热点。 展开更多
关键词 带压开采 深部开采 突水危险性评价 突水系数法
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