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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。

行业视野: 安全
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矿井并行电法技术体系与新进展

作者(Author)：刘盛东, 刘静, 戚俊, 曹煜, 吕荣其

摘要：并行电法(Parallel Electrical Method，PEM)是集阵列式、全电极、全波形3种电场(自然电场、激励电场和感应电场)的同步采集和处理于一体的地电场勘探方法，它以时空域地电场的并行测试与并行处理为核心思想:通过每个电极1个ADC及开关装置的集成，实现全部电极的并行激励与采集，获得包括AM法和ABM法两种形式的地电场数据体;按照电极的空间组合与时序关系，解编出激励电流序列和对应的自然电场(零次场)、激励电场(一次场)和感应电场(二次场)的电位响应序列，再根据电位响应与电流激励的传递原理解析出探测介质的电阻抗属性(包括自然电位、电阻率和极化率等参数)，由此实现3种电场信息的并行解析。矿井并行电法(Mine-PEM)充分利用了巷道空间、钻孔空间及其组合形式，进而实现了对煤层顶底板充水水源、导(含)水断层、岩溶陷落柱及注浆改造效果的有效探查，对采动围岩破坏特征及富水异常区的动态检测，以及对地下水渗流演化的实时远程监测及水害超前预警等，这些技术于过去15 a间在全国煤矿防治水领域得到推广应用，发展、形成了矿井并行电法技术体系。矿井物联网技术的普及，使网络并行电法的智能特色得以发挥，实现了矿井地电场定时激励采集与实时动态监测的在线远程控制;双模式电极测试技术(Double-mode Electrode Testing Technique)的引入与应用，解决了常规地电场测试技术(如高密度电法)中激发、接收共用同一电极而导致自然电场、感应电场数据误差大甚或失效的问题，保证了3种电场并行测试数据的有效性;由此，并行电法技术实现了对主动源电法勘探与被动源地电场监测的有效融合，这对矿井灾害源动态、精细探测尤其是水害预警来说意义重大，形成的并行电法国家能源行业标准已得到实施。并行电法不仅可为智能矿山、透明矿山的建设提供技术保障，而且在工程与环境物探领域以及城市地下空间精细探查中也已得到推广。当前，地电场多参数的并行解析与联合反演是其重点研究内容，通过对介质电阻抗成像理论的深入研究，有望为岩土体多相介质多场耦合作用及其演化特征的探查提供有效手段。

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煤炭学报

2019年第08期

1198

313
榆神矿区中深煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水模型构建

作者(Author)：赵春虎, 靳德武, 王皓, 王强民, 王世东, 刘洋

摘要：煤层开采覆岩变形损伤是含水层失水主要原因，针对榆神矿区中深煤层开采影响下含水层失水规律研究程度不高问题，根据矿区主采煤层覆岩的地质与水文地质结构特征，总结提出中深煤层开采覆岩损伤变形影响下含水层“侧向直接与垂向渗漏”复合失水模式，以COMSOL多物理场耦合数值分析软件为平台，提出了中深煤层开采覆岩变形损伤与含水层失水数值分析模型的构建方法:①利用岩石力学模块，通过建立煤层开采条件下覆岩采动应力、孔隙率与渗透率耦合关系，模拟输出弯曲带覆岩各剖分节点的位移变形量，计算采动渗透系数变化;利用Mohr-Coulomb塑性破坏准则识别出采掘扰动下导水裂隙带的发育范围;②利用COMSOL软件平台中大变形几何体自动重新剖分计算模块，重新进行网格剖分，形成采动变形二次剖分网格;③在达西渗流模块中，根据含水层与导水裂隙带间的地下水运动状态的转化特征，把采动导水裂隙范围数值处理成达西渗流边界，重新输入采动渗透系数参数，以建立含水层地下水失水分析模型。最后以榆神矿区曹家滩煤矿为分析案例，建立工作面尺度上煤层开采覆岩损伤变形与含水层失水分析模型，模拟得出工作面2-2煤层分层开采(5m采高)条件下导水裂隙最大高度为128m，发育至直罗与延安组基岩含水层内部，含水层失水总量35.84m3/h，其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为23.17,12.67m3/h，煤层开采对近地表松散含水层影响小;一次采全高(10m采高)条件下导水裂隙最大高度为202m，发育至富水性好的风化基岩含水层内部，失水总量增加至130.31m3/h，其中侧向直接与垂向渗漏失水量分别为92.65,37.66 m3/h，煤层开采对松散含水层影响较大。

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煤炭学报

2019年第07期

1507

525
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

1386

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

1371

419
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
西部典型矿区弱胶结地层岩石的物理力学性能特征

作者(Author)：孙利辉, 纪洪广, 杨本生

摘要：西部矿区弱胶结岩层与中东部矿区岩层力学性能之间的差别认识不清是导致西部矿区开采过程中灾害性事故频发的根本原因。通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法，研究了我国煤矿区弱胶结地层地域分布规律，选取新疆矿区大井南一井和苇子沟矿、鄂尔多斯矿区的营盘壕矿、大海则矿、陶忽图矿、高头窑矿等6对典型矿井岩石物理力学数据，分析了密度、孔隙率、含水率、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角、泊松比等参数随埋深变化规律。现场采集了红庆河煤矿的砂质泥岩进行了崩解实验。研究结果表明:弱胶结地层主要分布在我国的新疆地区、鄂尔多斯盆地矿区、蒙东矿区，岩石成岩不充分，岩石强度普遍偏低，具有明显的松、散、弱的特性;西部矿区岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩，胶结物大多为泥质;岩石密度与埋深呈正相关，随埋深增加呈线性递增，岩石孔隙率、含水率与埋深呈负相关;岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力随埋深增加具有一定的线性递增关系;岩石的泊松比、内摩擦角与埋深无明显的相关性;实验发现弱胶结岩石遇水后具有强烈的崩解性，循环次数越多，崩解后的粒径越小越均匀，弱胶结岩石的强崩解性是导致西部矿区采场导水裂隙带高度增大的主要因素;弱胶结岩石强度普遍低于中东部同类岩石强度;建立岩石物理力学性能集合可进一步明确中西部岩石间差别。

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煤炭学报

2019年第03期

1350

580
侏罗系弱胶结砂岩孔隙介质特征及其保水采煤意义

作者(Author)：刘钦, 孙亚军, 徐智敏, 等

摘要：我国新疆哈密矿区降雨量少、蒸发强烈，属于严重干旱地区，研究区高强度的煤炭资源开采对主要储水含水层的保护极为重要。由于特殊的成岩环境及地下水赋存运移条件，侏罗系弱胶结砂岩为复杂的非常规含水岩系，给研究区煤矿防治水带来了诸多水文地质问题。本文以新疆哈密矿区侏罗系弱胶结砂岩为研究对象，通过渗流实验、实验室测试、理论分析研究弱胶结砂岩微观孔隙结构演变规律。研究表明，弱胶结砂岩属高孔隙度岩石，具有大孔孔喉及中孔孔喉分布频率高的结构特征和强富水性，渗流实验过程中有大量乳白色悬浮物渗出。水相渗流作用下的弱胶结砂岩样出现渗透性突变增大的现象，其孔隙度有明显增大的趋势。通过水质分析及岩矿鉴定分析手段得出可溶盐溶出对渗流实验前后的孔隙度增加贡献率为45.80%～82.28%，悬浮物渗出量计算对孔隙度增大贡献率为14.78%～54.20%，可溶盐及高岭石的溶(渗)出是砂岩渗透性增强的主要因素。鉴于此，提出了有关孔隙结构储水空间变异性以及渗透突变性的保水采煤理念，弱胶结砂岩含水层水体下保水采煤应当遵循“保护性开采、避免大规模扰动”的思路。研究成果对西部地区弱胶结砂岩含水层的开发利用与保护有重要意义，同时可为西部地区受侏罗系弱胶结砂岩水害影响的矿井保水采煤技术的研究提供借鉴。

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煤炭学报

2019年第03期

1608

406