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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

顶板水害怎样有效防治?

来源:煤炭学报

采动顶板导水裂隙演化规律及其发育高度的确定是进行煤矿防水煤岩柱留设、保水采煤设计、防治水措施制定、覆岩隔离注浆充填采煤设计的重要基础。

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安全

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  • 作者(Author): 王晓振, 许家林, 韩红凯, 鞠金峰, 李全生, 邢延团, 曹志国

    摘要:传统导水裂隙发育高度预计方法对顶板岩性进行均化,忽略了具体条件关键层结构差异所造成的影响,认为导水裂隙的发育高度随采厚是呈线性增大的,有时会导致较大的判别误差。针对该问题,采用理论分析、现场探测等方法,研究了关键层结构影响下顶板导水裂隙发育高度随采厚的变化特征。结果表明,导水裂隙的发育高度同时受到采厚和覆岩关键层结构的影响。在覆岩关键层结构的控制作用下,导水裂隙的发育高度随采厚呈现台阶式突变而非连续的近线性变化。关键层厚度及其所控制的岩层厚度越大,导水裂隙高度随采厚变化时的台阶落差越大,突变越明显。一定关键层结构条件下,如果采高变化范围没有超出导水裂隙高度产生台阶的范围,则采高变化并不导致导水裂隙高度的变化,也就是说此时降低采高并不能减少导水裂隙高度,增加采高也并不会增大导水裂隙高度。研究结果得到了亭南煤矿导水裂隙高度实际探测结果的验证,在二盘区206工作面开采条件下,采厚7.5和9.0 m时对应的导水裂隙高度分别为140.2和148.3 m,均发育至宜君组底界,采厚在一定范围增加并未引起导水裂隙高度的明显变化,该工作面在保证导水裂隙高度不明显增大的前提下,最大采厚理论上可以达到14 m。基于研究成果形成了考虑关键层结构的洛河组砂岩含水层下合理采厚确定方法,指导了亭南煤矿二盘区综放工作面洛河组砂岩水防治实践。根据亭南煤矿207工作面附近钻孔柱状的关键层结构,以导水裂隙高度不直接沟通洛河组为限,提出207工作面在设计采厚7.5 m基础上,可以将顶煤全部放出的方案。工作面实际总采厚平均达9.0 m,多放顶煤1.5 m,顺利多回收煤炭资源约71万t,有效提高了采出率。
  • 作者(Author): 曹玉超, 范伟强

    摘要:煤炭是我国的主要能源,煤矿行业为高危行业,水灾是煤矿重特大事故防治的关键灾害之一。现有水灾监测报警方法存在着适应性差、误报和漏报率高等问题,难以满足煤矿安全生产需求。及时发现水灾,并合理堵水、排水为防治水灾的有效措施。矿井水位可以通过水位标尺图像进行监测。采用深度残差神经网络识别图像时,图像的识别效果与深度学习网络的深度密切相关,本文基于不同深度识别算法对矿井水位标尺刻度识别性能进行了分析与研究。采集工作面和巷道水位标尺图像,并对图像进行标记,建立图像数据库。将标尺图像刻度中心位置参数,形状大小参数,刻度分类提取为特征向量,通过残差神经网络进行训练。当网络训练稳定后,将待检测图像进行相同的操作得到特征向量,将特征向量解析为图像目标的关键信息,实现水位标尺的刻度目标检测。针对不同网络深度进行了实验,比较了不同深度下训练阶段的损失值下降速率和稳定性,平均识别率,f1值,PR曲线,ROC曲线,训练耗时,测试耗时;当训练图片数量固定时,算法拥有最佳深度,过深网络会导致训练不充分,过浅网络会导致过拟合。分析了置信度阈值对平均识别率的影响,置信度在0.4时,平均识别率最高;并对其他常见算法进行了识别率和耗时比较。本文算法训练平均耗时625 ms,测试平均耗时47 ms,对矿井水位标尺刻度目标识别率大于97%。
  • 作者(Author): 柳昭星, 董书宁, 靳德武, 郭小铭, 刘英峰, 杨建, 郭康, 尚宏波

    摘要:随着西部黄陇煤田煤炭资源的大规模开发与利用,该地区出现了一种危害严重的新型顶板灾害:采场压架切顶诱致井下泥石流灾害。由于事故采场埋深大、基岩厚,导致其与西北浅埋煤层和华北近松散层煤层采场遇到的压架切顶和突水溃沙(砂)灾害,以及金属矿井下泥石流和煤矿断层、采空区泥石流灾害在物源和动力源上均有所不同。为防止该类型灾害再次发生,采用理论分析、数值计算和室内试验等手段,从灾害形成的物源、动力源及其影响因素等角度,分析研究了采场覆岩破坏特征、支架合理工作阻力、工作面节理裂隙发育产状、临近工作面倾斜支承压力叠加影响、含水层水力梯度条件和弱胶结地层物理力学特征及其矿物成分等,揭示了事故采场压架切顶和井下泥石流灾害的形成条件和2者的内在联系。研究结果表明:该类型灾害形成包括客观必要条件和诱发因素,客观必要条件为包含大量亲水矿物的弱胶结直罗组泥岩类顶板地层(物源)和复合关键层滑落失稳(动力源),诱发因素为支架工作阻力过小、临近工作面倾向支承压力叠加影响、工作面推进速度缓慢、顶板含水层较大的水力梯度和工作面顶板节理裂隙产状特征,即在客观必要条件存在的情况下,多个灾害诱发因素叠加导致客观必要条件灾变。因此,针对该灾害类型形成了“查清客观必要条件、控制和避免诱发因素”的防控技术路线。
  • 作者(Author): 杨达明, 郭文兵, 赵高博, 谭毅, 杨伟强

    摘要:导水裂隙带高度是实施保水采煤技术措施的一个重要参数,为获取厚松散层软弱覆岩下综放开采工作面导水裂隙带高度,以某矿11915工作面为例,综合运用井下钻孔注水漏失量观测、钻孔电视和数值模拟3种技术手段,对采空区上覆岩层导水裂隙带高度进行了探测。通过对井下施工的3个钻孔进行注水漏失量观测确定了开采前后的钻孔漏失量变化规律,结合钻孔电视观测的孔壁裂隙特征最终确定了导水裂隙带高度,并采用数值模拟分析了导水裂隙带发育规律。结果表明:厚煤层(6.65 m),软弱覆岩、厚松散层(102 m)条件下综放开采的导水裂隙带高度为45.7~46.7 m,垮落带高度为16.1 m;裂采比为6.87~7.02,垮采比为2.42;数值模拟得到的导水裂隙带发育高度与现场实测结果一致,导水裂隙带发育经历发育、缓增、突增及稳定4个阶段,覆岩裂隙带以离层的形式向上发育,以铰接形式存在。钻孔电视能直接清晰的获取覆岩裂隙发育特征,是钻孔法探测导水裂隙带高度的最佳方法;井下钻孔漏失量法用于导水裂隙带高度观测是可靠的,但需要观测设备需要满足一定的封孔压力,封孔胶囊具有足够长度,并且需要改善胶囊与孔壁之间的接触状态。总体来讲,钻孔法观测导水裂隙带高度是目前最可靠的方法,但施工量大,成本较高;目前物探法应提高对覆岩完整性变化的探测敏感度,并多配合钻孔法的使用进行结果对照分析,获得物探结果最佳解释方法后再进行推广应用,降低导水裂隙带高度的探测成本。
  • 作者(Author): 侯恩科, 纪卓辰, 车晓阳, 王建文, 高利军, 田世雄, 杨帆

    摘要:我国西北地区侏罗系风化基岩含水层是矿井充水的主要含水层,多次煤矿顶板突水事件均与该含水层有关。侏罗系风化基岩具有结构疏松、孔隙度大、岩层渗透性强和裂隙发育的特点,导致了其富水性在空间上极不均一,如何科学的评价预测侏罗系风化基岩富水性成为矿井防治水工作中急需解决的难题。以柠条塔井田南翼为例,分析了风化基岩富水性的控制因素,选取风化基岩顶面标高级别指数、岩性组合指数、风化指数和岩芯采取率指数4个指标作为风化基岩富水性预测的主要指标。针对AHP在确定权重时重专家经验而对指标实测数据特征考虑不够和熵权法在确定权重时重客观数据而未顾及专家经验的不足,提出了将改进AHP和熵权法通过最小二乘法耦合起来计算富水性预测指标权重的方法。利用柠条塔井田南翼172个钻孔地质资料和其中41个风化基岩抽水试验资料,进行了基于改进AHP、熵权法和改进AHP与熵权法耦合的柠条塔井田南翼富水性分区预测及结果比较分析。结果表明,基于改进AHP权重确定方法、熵权法权重确定方法和耦合两者的权重确定方法预测的富水性类别和41个抽水钻孔的富水性吻合度分别为68.29%,70.73%和92.68%,即就是基于改进AHP和熵权法耦合确定预测指标权重的风化基岩富水性预测方法效果最好。该研究成果为含水层富水性评价预测提供了一种新方法。
  • 作者(Author): 吕玉广, 肖庆华, 程久龙

    摘要: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、弱化软岩效应,促进矿井高效生产。
  • 作者(Author): 王甜甜, 靳德武, 刘基, 杨建, 王心义, 赵 伟

    摘要:矿井突水是煤矿生产的主要威胁之一,准确判定矿井突水水源是突水灾害防控的重要环节。 为进行矿井突水水源识别,基于动态权和集对分析理论,针对葫芦素井田 5 种不同含水层中所 提取的 53 组水样,选取 K+ +Na+ ,Ca2+ ,Mg2+ ,Cl- ,SO2-4 及 HCO-3 六项水化学指标作为识别因子,确立 了其水源识别区间,构建了矿井突水水源识别的数学模型。然后利用 10 组已知矿井水样验证水源 识别模型,最后使用该模型对 2015-04-26 葫芦素井田 21102 工作面突水进行水源识别。 结果表 明:动态权重综合考虑主客观权重,既削弱了人为因素的影响,又考虑了识别指标的实际情况,权重 赋值合理。利用动态权计算的 6 项识别因子中,SO2-4 ,Cl- ,K+ +Na+的权重值分别为 0.38,0.25 及 0.20,远大于其他 3 项指标且其权重之和占总权重的 83% ,在突水水源识别中起决定性作用。利用 10 组已知矿井水样验证动态权-集对分析水源识别模型,9 组识别结果与实际情况完全吻合,仅有 1 组第四系水样识别结果与实际不符,为建模时第四系样本数据少,待测水样超出识别区间所 致。 使用已建模型识别葫芦素井田 21102 工作面突水水源,判别结果与实际完全一致,因 21102 工作面突水几乎均来自直罗组与白垩系,而直罗组与白垩系建模样本量大,所建识别区间合适。 大量 的水质数据及准确的识别区间是动态权-集对分析模型进行准确突水水源识别的基础与保障。
  • 作者(Author): 张庆辉, 田忠斌, 林君, 黎东升, 嵇艳鞠, 马玉龙, 贾伟

    摘要:为实现山区复杂地形条件下,对沁水盆地东南地区煤炭采空区及采空积水区的快速、精确勘查,采用时域电性源地空电磁法对上述区域进行地球物理勘查。时域地空电磁法采用地面发射空中接收的方式,在地面布设接地长导线源,利用大功率发射机向地下发射时域方波信号,在空中利用无人机搭载接收系统沿平行于发射源的预定航线进行飞行探测获取电磁信号和测点坐标信息,发射与接收的电磁数据通过GPS时钟进行同步。利用时域电性源地空电磁探测系统,采集到了信噪比高的电磁数据,同时开展了地空电磁基线校正方法、地空电磁噪声抑制方法及视电阻率成像方法的研究,进一步提升电磁数据的质量和成像分辨率。通过对时域电性源地空电磁数据和空间坐标信息进行处理获得反应测区地电信息时间的电性源地空电磁法视电阻率,结合已知地质信息进行解释,推断解释了煤炭采空区和采空积水区的空间分布特征。时域电性源地空电磁法在极大减少地面工作量的同时,兼顾了勘探深度,因此兼具航空电磁法快速高效和地面电磁法勘探深度大的特征。本次勘查表明:利用该系统开展地空电磁勘查,可以实现工作效率4~5倍的提升,且勘探效果与已知地质信息基本吻合,表明时域电性源地空电磁探测系统可以实现对煤炭采空区的快速、精确勘查。针对本次勘查的效果,可以预期时域电性源地空电磁探测系统将在复杂地形条件下的深部资源探测、环境、工程、灾害地质调查中发挥重要的作用。
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