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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。

行业视野: 安全
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采煤工作面底板水视电阻率全方位探测方法

作者(Author)：胡雄武, 孟当当, 张平松, 吴荣新

摘要：深部煤层开采受下伏灰岩水害威胁日益严重，探测采煤工作面底板富水区是保障安全生产的一项重要工作。目前，矿井电法是富水区探测的主要手段之一，但存在对富水区定位不准的问题。为进一步提高对采煤工作面底板岩层富水区的判定精度，在充分分析单巷电法和双巷电透视法优缺点的基础上，通过对视电阻率观测与反演方法的改进，提出视电阻率全方位探测方法。以全空间球状模型为例，给出了球状模型外空间中任意三极装置的视电阻率表达式。针对采煤工作面内侧、巷道和外侧底板不同位置的5个低电阻率模型，分别计算了全方位和双巷透视视电阻率数据，通过三维反演分别获得了采煤工作面底板岩层的电阻率图像，对比可见:① 在平面上，前者的低阻核心区与5个模型位置一致;后者的低阻核心区与工作面内侧及巷道底板的3个模型位置一致，而与工作面外侧底板的2个模型位置存在误差，误差系数分别为1.0和2.0，反映工作面外侧模型距离巷道越远，误差则越大;② 在垂向上，两者对模型深度的判定均存在不同程度的误差，但相比而言，前者定位误差小，对模型深度的判定更准确。分析结果表明在全方位视电阻率反演过程中，单巷测深数据与双巷透视数据之间能够相互约束，促使低电阻率球状模型的准确归位，体现了全方位视电阻率探测方法的优越性。工程实践进一步表明了该方法的准确性和可靠性。

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煤炭学报

2019年第08期

1015

352
煤层顶板致灾水体井上下双磁源瞬变电磁响应及应用

作者(Author)：于景邨, 苏本玉, 薛国强, 常江浩

摘要：煤层顶板隐蔽致灾水体是矿井水害之一，矿井瞬变电磁法是探测矿井灾害水源的主要方法之一。由于矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置，发射磁距小，其探测深度不能满足大深度矿井对煤层顶板探测的要求。基于此，提出了井上下双磁源对煤层顶板进行立体探测的新方法。利用有限差分数值模拟技术，对井上(地面)激发，井下巷道接收和井上下双磁源激发，井下接收2种装置瞬变电磁响应进行了对比,结果表明:当顶板含有富水体和不含有富水体时，瞬变电磁响应特征均有明显的差异，主要表现为:在感应电位衰减曲线交叉点左侧，顶板存在含水体时曲线幅值相对较小，而在交叉点右侧幅值相对较大，表明该曲线特征与顶板富水性密切相关。分别采用井上下双磁源激发、巷道接收和井下磁源激发、巷道内接收2种工作方式在某矿进行煤层顶板含水体实际探测，探测结果表明:当煤层顶板富水性较强时，井上下双磁源激发、井下接收与井下激发、井下接收的瞬变电磁响应特征与数值模拟结果一致，交叉点左侧井下单磁源激发的视电阻率值明显低于井上下双磁源激发视电阻率值，而在交叉点右侧情况正好相反;当顶板富水性较弱时，2种情况所测的视电阻率曲线趋势基本一致，实际探测结果与钻孔资料吻合良好，对大深度矿井顶板隐蔽致灾水体的探测提供了一种新的有效探测方法。

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煤炭学报

2019年第08期

1022

363
华北型煤田奥灰顶部利用与改造判别准则及底板破坏深度

作者(Author)：董书宁, 王皓, 张文忠

摘要：随着我国华北型煤田开采深度逐年增加，大部分矿井已面临由上组煤转向深部及下组煤开采阶段，奥陶纪灰岩岩溶水害威胁呈上升趋势，底板突水危险逐年增加，而目前规范和规程中的底板突水系数法虽然应用较广泛，但并未充分考虑到奥灰顶部实际阻水能力，其评价方法存在一定的局限性。在现有奥灰顶部地质及水文地质条件认识的基础上，提出了部分矿区奥灰顶部存在阻水性能较好的风化充填带可作为隔水层利用的理念，将煤系隔水层厚度、风化充填带厚度、注浆改造段厚度和底板扰动破坏深度视为底板突水系数判别式的影响因素，建立了改造奥灰顶部岩层段厚度的判别准则，论述了底板破坏深度在判别准则中的重要性，并以韩城矿区桑树坪煤矿11号煤层3105工作面开采为典型案例，通过构建的17组数值模拟方案，分析得出了煤层开采深度对底板扰动破坏深度影响最大、开采厚度最小、开采宽度则存在尺寸效应等结论;同时将模拟数据与全国相似矿区实测样本结合，给出了采深、采宽和采高3因素影响的预测模型，并对其进行了验算和适用性分析，结果表明新模型拟合方程的误差均值、百分比、方差和均方差均优于统计公式，具有预测精度高、误差小、适用性广等特点，基本满足工程实际需要。其研究成果可用于奥灰顶部含水段的注浆改造实际工程中，对深部下组煤安全带压开采提供有利的技术保障。

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煤炭学报

2019年第07期

1387

429
基于微震监测的董家河煤矿底板突水通道孕育机制

作者(Author)：原富珍, 马克, 庄端阳, 王振伟, 孙兴业

摘要：针对董家河煤矿工作面断层突水问题，通过构建工作面微震监测系统，对断层区域底板岩体微破裂信息进行分析，再现了过断层前后底板岩体微破裂萌生演化过程。同时将微破裂信息和岩石破裂过程分析系统RFPA2D结合，研究底板断层围岩导水裂隙带发育过程中应力场的变化规律。结果表明:① 根据微震事件分布结果分析，工作面位于断层前方85 m时，底板断层开始发生微破裂。过断层前断层附近底板微破坏深度达到25 m，底板具有分段局部破坏特征;过断层后，最大微破坏深度为35 m，微破裂逐渐贯通。② 基于微震能量密度分布结果分析，过断层前高能量密度集中区走向长度约15 m，位于煤层下方5~25 m，而紧邻煤层的5 m范围内的断层仍处于稳定状态。过断层后高能量密度区向上盘采空区及深部扩展，沿工作面走向扩展至上盘采空区约80 m范围内，深度方向扩展至煤层下方约35 m。③ 基于微震监测和数值模拟结果分析底板岩体破坏过程，将底板突水通道扩展过程分为过断层前和过断层后两个阶段，过断层前煤层下方25 m附近断层围岩首先发生微破裂，并沿断层向上扩展，煤层下方5~25 m发生局部微破裂但并未形成贯通;过断层后微破裂自上而下扩展并逐渐贯通，形成突水通道。④ 基于数值模拟断层应力演化规律分析，过断层前，断层剪应力为负值且逐渐减小，断层上盘有向下滑移趋势，深度越大剪应力越快达到最大，围岩自下而上发生压剪破坏。工作面位于断层附近时，剪应力方向迅速反转并达到最大，断层上盘在承压水作用下有上升趋势，围岩自上而下发生拉破坏且逐渐贯通形成导水通道。

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煤炭学报

2019年第06期

1623

624
深部承压水上含隐伏构造煤层底板渗流路径扩展规律

作者(Author)：赵家巍, 周宏伟, 薛东杰, 苏腾, 邓慧琳, 杨洪增

摘要：针对邯邢矿区矿井开采深度逐渐加深与采动影响下隐伏构造活化而导致底板奥灰层突水威胁日益加重的问题，研究大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律，以确定矿井底板突水条件及重点治理区域。从开采扰动、隐伏构造、承压水共同作用角度分析，根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析，建立了含隐伏导含水构造的概化力学模型，通过断裂力学理论得出了含水裂隙的起裂条件、抗渗透强度及由主应力表达的裂隙扩展判据，应用弹性力学边界荷载在半无限板内传播的经典求解方法推导得出了采动应力与承压水压力耦合作用下含隐伏构造煤层底板的垂直应力、水平应力和剪切应力表达式，在所得应力分量基础上通过应力张量的不变量求解应力状态方程得到含水裂隙扩展判据中的主应力表达式，以邯邢矿区典型突水矿区地质与开采参数为例进行算例分析，通过编制Matlab计算程序计算得出底板裂隙的扩展路径。进而采用可模拟岩石破裂声发射且裂隙扩展可视化效果较好的RFPA数值软件进行验证分析，再现了底板渗流路径演化过程。理论计算与数值分析结果表明:隐伏构造的局部应力扰动作用影响了渗流路径的扩展方向，使3种类型底板分别呈现出不同的渗流路径，对于完整型底板，渗流裂隙由奥灰承压水层顶界面至采空区两侧边界呈“正八字”形向采空区扩展;对于隐伏陷落柱型底板，渗流裂隙沿陷落柱顶界面呈“倒八字”形向上发散式扩，至底板28 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展，其延线分别指向采空区两侧边界展;而对于隐伏断层型底板，渗流裂隙则沿断层延线的反向扩展，至底板30 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展，其延线指向工作面后方，在底板含水裂隙自下而上与底板采动裂隙自上而下联合扩展作用下最终贯通形成底板奥灰水至采煤工作面的渗流通道。基于理论计算和数值模拟得出的底板承压水渗流路径扩展规律，在实际工程中可结合微震监测技术来实时动态捕捉煤层底板隐伏导含水构造活化的前兆信息，进而实现底板突水路径的预测预报和快速重点区域治理。

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煤炭学报

2019年第06期

1372

419
三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律研究

作者(Author)：尚宏波, 靳德武, 张天军, 李树刚, 王治宙, 赵春虎, 周振方, 柳昭星

摘要：深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态，其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能，采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统，并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案，进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验，得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:① 三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47.58，渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;② 三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关，各级轴向位移下，两者服从对数函数关系;③ 随着有效应力的增大，各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小，破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合，表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④ 各级轴向位移下，破碎煤样的渗透率随围压增大而减小，不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=menσ3公式表示，颗粒粒径越大，破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤ 颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能，不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小，渗透率整体减小，非Darcy流β因子呈增大趋势，其中渗透率的量级为10-14~10-10m2，非Darcy流β因子的量级为107~1011 m-1。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。

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煤炭学报

2019年第04期

1273

334
干燥-饱和循环作用下砂质泥岩抗剪性能劣化试验研究

作者(Author)：汤传金, 姚强岭, 王伟男, 王烜辉

摘要：西部生态脆弱矿区煤炭开采过程中的地下水资源保护与利用是实现该区域煤炭绿色开采的前提和必要条件。其中，保水开采与地下水库技术的广泛应用为解决煤水共采问题提供可能。本文以煤矿地下水库煤岩边界在水反复浸入条件下稳定性变化为研究背景，以神东矿区乌兰木伦矿3-1号煤层顶板砂质泥岩为研究对象，通过无损浸水试验获得试样的自然吸水性规律，获得试样含水率到达饱和状态的浸水时间。根据浸水时间，对试样进行干燥-饱和反复浸水，得到不同循环浸水试样含水率随浸水次数呈指数增加关系，而试样抗剪强度和浸水次数呈指数降低关系。黏聚力随浸水次数的增加呈下降趋势，而内摩擦角先增加后减小，表明材料的均一性以及破裂面的形态及裂隙发育的形态、尺寸、方向变化造成了内摩擦角增加,而后期循环浸水占主导因素，表现为内摩擦角减小。根据黏聚力、内摩擦角与干燥-饱和循环次数的关系，建立了基于干燥-饱和循环次数的Mohr-Coulomb准则。声发射计数曲线与剪应力曲线有较强的对应性，在试样破坏时刻声发射事件明显增加，对应声发射累计计数曲线的明显上升阶段。试样在破坏过程中以低RA值为主，破坏时刻对应高RA值，即试样破坏过程中的基础裂隙类型是张拉裂隙，破坏时刻对应明显的剪切裂隙。研究结果表明，地下水库边界煤岩柱在地下水库蓄水-抽水过程中，在浸水-失水作用下其强度发生显著变化，建议在构建地下水库时应考虑水作用引起的边界煤岩柱强度弱化作用。

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煤炭学报

2019年第03期

1198

410
水沙混合物裂隙渗流特性分析

作者(Author)：刘玉, 韩雨, 张强, 李猛, 王志飞

摘要：水沙在裂隙或破碎岩石中的渗透特性具有复杂性，研究水沙裂隙渗流特性对于揭示突水溃沙机理具有重要意义。利用自制的水沙裂隙渗流试验仪器，通过改变沙粒径、浓度等因素进行水沙渗透试验，获得水沙在裂隙中流动的滞后性特征。通过水沙裂隙渗流试验，得到了岩石裂隙中水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线，分析了滞环曲线的特征，简单解释了滞后现象的原因。得到其渗透压力梯度与渗流速度在一个循环周期内形成了一条封闭滞后曲线，根据曲线的是否有交叉和往返曲线的距离分为4种变化类型;随沙粒径和沙浓度增大，曲线由I型向IV型转化。滞后性指标用最大滞后量Gp和滞环面积S描述，随沙粒径和浓度增大，这两者均呈增大趋势，但增幅并不同步。进一步，利用ANSYS Fluent软件进行水沙裂隙渗流场的数值模拟，获得了在不同因素影响下渗流场的变化规律。数值模拟结果表明，粗糙裂隙流场物理量随时间波动;粗糙裂隙中水沙流动受壁面约束作用，表现出流场物理量空间分布的随机性。模拟结果显示裂隙中水沙渗流场不稳定，渗流场的压力损失与沙粒径呈反向变化。裂隙横截面上水沙流体时均速度和湍动能分布受沙粒径和沙体积浓度影响很大，表现为极值点的位置偏移。此研究可以为进一步研究浅埋煤层突水提供参考。

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煤炭学报

2019年第03期

1413

303