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“矿井水害防治”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“矿井水害防治”主题论文。

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浅埋薄基岩工作面水砂溃涌通道形成机理

作者(Author)：杨俊哲, 张彬, 付兴玉, 吴作启, 季文博

摘要：神东矿区首层煤炭资源赋存浅、煤层厚、开采强度大，厚松散含水层和薄基岩共存的地质条件导致工作面溃水溃砂事故多次发生。为了研究浅埋薄基岩工作面溃水溃砂致灾原因，采用现场实测、理论分析、相似模拟等方法研究了工作面切顶压架导致基岩裂隙导通工作面与含水松散层的发生机理。建立了覆岩组合承载结构模型，论证了“主控层-软弱层”组合承载结构模型在神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩破断过程中的适用性与合理性，通过组合承载结构模型对神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩组合结构稳定性进行了分析并推导了覆岩组合结构滑落失稳判据，揭示了冲击荷载形成条件并给出了最大冲击荷载计算方法。利用相似材料模拟实验开展了基载比分别为0.625，0.750，0.875，1.125四种工况的相似模拟实验，研究不同“基载比”条件下覆岩结构破坏规律，实验结果表明基载比对主控岩层破断步距的影响方面:初次来压前4类工况中直接顶均发生初次破断冒落，当基载比为0.875~1.150时，直接顶初垮步距及冒落厚度增幅减小;当基载比为0.750~1.125时，初次来压步距呈现增大趋势，直接顶冒落厚度呈现减小趋势;当基载比由0.625增加至1.125过程中周期来压步距呈现明显整体增大的趋势，周期来压相对于初次来压冒落岩层厚度明显减小。基载比对覆岩结构形态的影响方面:当基载比＜0.625时，初次破断期间覆岩将发生贯通至地表的切落;基载比＞0.75时中上位岩层断裂岩块块度为i=0.09~0.50，部分岩层可形成稳定简支结构，覆岩表现为下位冒落、中上位“简支梁-简支梁”组合承载结构，基载比由0.625增加至1.125过程中，对于块度i>0.50的中位岩层断裂岩块，将形成单回转岩块结构，该层位岩块架后切落始终存在，对于块度0.25<i<0.50的上位岩层断裂岩块，将形成简支梁结构，整体覆岩形成协同运动的承载结构，覆岩表现为下位冒落、中上位“单回转岩块-简支梁”组合承载结构，模拟实验结果与理论模型相符。22402工作面初采区域支架实测阻力平均介于5 000~6 000 kN，且来压期间呈现明显的动压显现，支架类型为最大支撑阻力5 500 kN型支架，由于支架性能未能满足实际来压需要导致切顶，基岩裂隙导通工作面与含水松散层，发生溃水溃砂，因此通过适当增加支架阻力可有效防止溃水溃砂事故的发生。

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煤炭学报

2020年第12期

1044

876
浅埋煤层地表沟道采动裂缝溃水量预测方法

作者(Author)：侯恩科, 车晓阳, 龙天文, 叶桢妮, 文强

摘要：浅埋煤层地区煤炭资源开发受多种水患因素影响，在地表剥蚀严重的沟谷区，更是受采动地表裂缝溃水水患的严重威胁。但现实中矿井地表沟道裂缝溃水数据较难获取，数据量较少，难以形成对沟道裂缝溃水及各主要影响因素较为准确和系统的认识。为了研究浅埋煤层矿井地表沟道裂缝溃水规律及各主要控制因子的影响程度，根据地表沟道裂缝溃水的主要控制因素，自行设计建造了地表沟道裂缝溃水实验平台。该实验平台能够对影响矿井地表沟道溃水的几项主要影响因子进行控制调节，观察不同控制因素对溃水量的影响程度，可解决实际溃水数据量较少难以进行溃水规律研究的问题。根据裂缝溃水实验数据结果分析了影响地表沟道裂缝溃水的水流流量、裂缝缝宽、坡降等影响因素与沟道裂缝溃水量之间各自的二元关系，发现沟道裂缝溃水水量与裂缝宽度成线性正相关关系，与沟道水流流量呈1/2幂指数关系，与沟道坡降的倒数呈对数关系。在此基础上，建立了单宽渠道单条裂缝溃水量与裂缝宽度、水流流量及沟道坡降之间的数学模型，推导出了实际地表沟道采动裂缝溃水量计算公式。实际应用证明，所推导的公式能够比较准确的进行矿井地表沟道裂缝溃水量预测。

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煤炭学报

2020年第12期

907

648
侏罗纪巨厚基岩下采煤突水溃沙典型案例分析

作者(Author)：吕玉广 , 赵仁乐 , 彭涛 , 赵宝相 , 管彦太 , 张勇 , 魏永强

摘要：国内学者对浅埋煤层开采引起的上部松散含水沙层溃入采场的研究十分深入，泥沙来源于第四系松散层已成为共识。近年来西北侏罗纪巨厚基岩下采煤引起的水-砂混合突涌事故日益增多，成为一种新的危害性较大的地质灾害，目前国内学者对此鲜有研究。为揭示基岩突水溃沙的孕灾机理，制定科学的防范措施，以陕西黄陇煤田某矿采煤工作面突水溃沙事故为例，首先对前人做出的事故原因分析和认定提出技术商榷和探讨;依据补充勘探成果，结合突水溃沙过程，提出该起事故具有离层水害特征:离层空间汇集水源功能将砂岩裂隙水转化为“自由”水体，引起短时高强度突水，进而提出离层水害需要同时具备5个条件，即岩石力学条件、富水性(水源)条件、汇水时间条件、离层空间条件、导水通道条件等。其次，根据大量的岩石物理力学试验数据，判断4-2煤层上覆岩层具备离层产生的物质基础;根据离层水害时间、空间条件，借用“经验公式”推断引起该起事故的离层空间应该位于4-2煤顶板上30.54～77.10 m的地层内，并将这个高度范围内的地层作为富水性评价的目标层段;选取砂岩层厚度、脆塑性比值、构造分维等3种地学信息，采用新型复合叠加方法，绘制了富水性综合指数等值线图，事故点位于相对富水区内，证明离层空间所处的围岩具备离层水害的富水性(水源)条件;室内对现场采集的砂岩做了吸水崩解性试验，试验表明4-2煤层上覆砂岩遇水极易崩解，在水动力下具有显著的流沙属性，结合历次勘探没有发现到古河床(或称松散地质体)这一事实，分析该起事故的泥沙来源于含水基岩。最后，依据离层水害发生必须具备的5个基本条件，提出改变地层富水性条件或破坏离层空间封闭性条件(或汇水时间条件)等源头治理的技术措施。通过对本起典型案例的研究，揭示了西北侏罗纪煤田基岩下突水溃沙的孕灾机理，强调事故偶发性，对西部条件类似矿区煤炭资源安全开采具有一定的借鉴作用。

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煤炭学报

2020年第11期

1189

668
采动裂隙突水溃砂过程物理参量变化特征试验研究

作者(Author)：张士川, 李杨杨, 李金平, 杨维弘, 王桂利, 文志杰

摘要：采动破断裂缝沟通上部浅埋松软岩层导致水砂混合物溃入井下，对矿井生产及相关工程设施的安全造成严重的影响，因此，研究浅埋松软岩层采动裂隙突水溃砂机制对认清突水溃砂灾害本质具有指导意义。首先，通过创建的裂隙内砂体突涌力学模型，分析了裂隙突水溃砂发生的极限平衡条件。其次，利用突水溃砂试验系统，借助流量传感器和孔隙水压传感器进行了不同初始水压条件下人工模拟裂隙内水砂溃涌试验，获得了流量、孔隙水压等参数变化特征，定量化分析了裂隙突水溃砂各阶段内水砂运移特征及各物理参量关联性变化特征。试验结果表明:裂隙内水砂溃涌全过程可以划分为4个阶段，即溃砂启动阶段、持续溃出阶段、淤积堵塞阶段和溃出平衡阶段。在第1阶段，流量瞬间增大，各监测点孔隙水压瞬间降低;在第2阶段，水砂逐渐充满通道内径，孔隙水压及流量基本保持不变;在第3阶段，通道内砂体发生部分淤积，造成流量逐渐降低，孔隙水压逐渐增大;在第4阶段可分为2种情况，一是当本阶段水压低于极限水压时突水溃砂停止，二是当高于极限水压时水砂突涌持续并稳定。一定初始压力下，发生运移的砂体具有一定的空间范围，距裂隙较远处孔隙水压的变化具有滞后性;随着初始压力的增大，裂隙通道砂体淤积堵塞所需时间降低，导致砂体持续溃出时间降低;初始水压达到阙值后，裂隙内水砂溃出体积率达到峰值且水压稳定。裂隙突水溃砂结束后，随着初始水压的增大砂体中部形成“塌陷坑”的空间分布范围存在增大的趋势。

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煤炭学报

2020年第10期

981

547
深井工作面顶板疏水区高强度开采诱冲机制及防治

作者(Author)：王博, 姜福兴, 朱斯陶, 张修峰, 尚晓光, 顾颖诗, 吴震

摘要：陕蒙矿区深井工作面普遍具有顶板富水、高强度开采等特点，且工作面开采过顶板疏水区域时已存在明显冲击地压显现，根据事故现场勘查及监测数据分析，发现该类冲击地压与工作面顶板疏水及开采强度有密切关系。通过建立疏水后工作面支承压力估算力学模型，研究了富水区疏水前后应力演化规律;同时，建立了高强度开采支承压力分布模型，研究了推采速度对工作面超前支承压力的影响。综合分析了疏水及高强度开采对工作面应力分布规律的影响，揭示了深井工作面顶板疏水区高强度开采下冲击地压发生机理。得到如下结论:疏水引起的应力集中程度在工作面开采时已趋于稳定，形成增压区与卸压区，是煤层及其顶板的静应力源;同一推采时间下推采速度越快，基本顶悬顶距越长，断裂前积聚的弹性能越多，超前支承压力峰值距煤壁越近，峰值越大，相应位置巷道围岩变形速率越快;当工作面快速推采经过疏水形成的增压区时，应力叠加易超过发生冲击地压的临界值，能量释放促使工作面煤壁发生冲击。将研究成果应用于深井富水工作面开采期间冲击地压防治，提出了疏水区域前后推采速度动态调控的防冲方法，根据微震监测及理论计算制定了工作面的临界推采速度，保证了工作面的安全回采。研究成果可为陕蒙矿区深井富水工作面开采期间冲击地压的防治及推采速度的确定提供参考。

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煤炭学报

2020年第09期

1322

748
河流下浅埋砂泥岩互层超前预注浆时变模型及工程应用

作者(Author)：李基, 吴鑫, 赵红霞, 李国辉, 王雪梅

摘要：注浆是一种有效的地基加固及防渗处理技术，浆液扩散范围预测则是注浆技术的重点和难点之一，而层状岩体由于物理力学性质的各向异性使得浆液的扩散更加复杂。新维矿3条斜井均近距离下穿镇舟河底部，斜井顶板至河床强风化层最近距离仅约10 m，为消除施工过程中的涌水威胁，采用了超前预注浆防渗技术，掘进工作面循环作业，钻爆法开挖，超前支护，现浇钢筋砼拱，再进行防水处理;其次，结合现场近水平分布砂泥岩互层特征，并考虑浆液黏度的时变性，建立了砂泥岩互层时变性注浆模型，并对不同工况下的注浆扩散范围进行了模拟;结合模拟结果与现场条件，选用水泥单液浆为主，水泥-水玻璃双液浆作为补充材料，在掘进工作面布置注浆孔16个，注浆压力6 MPa，采用分段下行式注浆，每个预注浆循环的长30 m，从后往前一段一段地钻注至终深，单个注浆段长5 m，反复注浆，反复扫孔。注浆时利用P-q-t曲线对单孔注浆效果进行检验，以注浆压力达到预设值且注浆流量持续减小作为停注条件;此外钻孔取心试验发现浆液与裂隙岩体形成了渗透率较低而强度较高的结石体，且浆液在水平方向的扩散明显占优，远大于垂直方向的渗透距离，浆液扩散范围近似呈椭球形分布。此外，通过注浆前后围岩渗透性对比发现，注浆后按巴布金公式得到的渗透系数在3 mm/d左右，与注浆前压水试验得到的岩体渗透系数(0.239和0.204 m/d)相比降低了近2个数量级。实践表明，该超前预注浆技术及时变性注浆扩散模型在砂泥岩地层防渗中得到成功应用，保障了河流下矿井安全高效施工。

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煤炭学报

2020年第09期

891

378
过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统研制

作者(Author)：董书宁, 杨志斌, 朱明诚, 张文忠, 石磊, 牟林

摘要：煤矿突水灾害抢险救援期间，保浆袋囊钻孔控制注浆可以解决常规过水巷道动水截流工程量大、工期长且易发生次生灾害等技术难题。为了进一步研究过水巷道动水快速截流机理并为抢险救援提供实验技术支撑，建立了过水巷道动水截流的水力学模型，结合对保浆袋囊控制注浆动水快速截流成功案例的分析，设计了过水巷道动水快速截流概念模型，开发了过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统。实验系统包括4个功能系统和6个设备系统，其中4个功能系统分别为保浆袋囊和浆液投注系统、动力供水供浆系统、初始条件和边界条件系统、监测系统，6个设备系统分别为大型巷道模拟实验舱、动水模拟系统、控制注浆系统、稳压稳流系统、安全分流系统、图像数据采集与处理系统。通过实验舱强度验算、稳压稳流系统监测实验和抛袋实验，结果表明实验系统能够形成恒定的动水压力和动水流量初始条件、动态变化的动水压差和流量衰减边界条件，满足动水快速截流堵水环境要求，可以用于5 m宽、4 m高、动水流量2 000m3/h的过水巷道在不同矿井淹没水位、不同突水水源水位条件下的快速截流模拟实验，其中突水水源水位最高可达5 MPa。抛袋实验结果还表明保浆袋囊在未充满浆液的条件下提前脱落至巷道，单个保浆袋囊虽然未发生移动且能大幅减小巷道过水断面面积，但难以减小巷道突水水量，必须通过后期袋外补充注浆进一步封堵，才能实现动水快速截流成功，有待进一步深入研究。

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煤炭学报

2020年第09期

803

438
砂岩微观孔隙结构类型及其对含水层富水性的影响

作者(Author)：王苏健, 冯洁, 侯恩科, 黄克军, 薛卫峰, 段会军

摘要：砂岩的微观孔隙结构特征决定了砂岩含水层的富水性、渗透性，砂岩含水层富水性预测是矿井防治水必须首先研究与解决的重要问题。以陕北侏罗纪煤田柠条塔煤矿为例，分别采集直罗组3块、延安组4块不同岩性典型砂岩样品，通过运用普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振等实验测试技术，结合Matlab图像分析功能，研究了不同时代地层、不同岩性砂岩微观孔隙特征，联合高压压汞与核磁共振法获得孔喉半径分布，综合砂岩微观孔隙结构测试结果，将孔隙结构按照孔喉大小、分布及连通性的好坏依次划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3种类型，对比钻孔抽水试验成果的钻孔单位涌水量，分析了砂岩微观孔隙结构与富水性之间存在的关系。研究结果表明:Ⅰ类孔隙结构较Ⅱ，Ⅲ类孔隙结构的粗粒与中粒砂岩比例高、排驱压力小、T2谱主峰的位置靠后;高压压汞与核磁共振所得孔隙半径分布基本一致;相同地层时代相同岩性条件下，风化程度越强，富水性越强;相同地层时代不同岩性条件下，粗、中粒砂岩较粉砂岩富水性强;不同地层时代相同岩性条件下，直罗组微观孔隙结构较好的Ⅰ类孔隙结构富水性强于延安组微观孔隙结构较差的Ⅱ类孔隙结构。

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煤炭学报

2020年第09期

978

476