“深部矿山安全地质”专题（《工程地质学报》）

来源：工程地质学报

矿山安全地质学是地球科学与矿业科学与工程、安全科学与工程的交叉学科。《工程地质学报》2021年第4期策划的“深部矿山安全地质”专题针对深部矿产资源开发与地质环境相互作用机制，安全地质问题产生的机制与防控，特别是深部矿产资源开发诱发的突水溃砂、冲击地压、煤和瓦斯突出等灾害防控的地质基础、防控原理、监测预警等最新进展和成果进行征文，旨在为预防遏制和治理矿山重大地质灾害提供途径和方案，探讨深部矿山工程地质、水文地质和安全地质方向亟待研究的关键科学和技术问题。

行业视野: 地质
类别; 98个
关键词; 97位
专家; 21篇
论文; 6109IP
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金川矿区深部巷道开挖损伤数值模拟研究

作者(Author)：孙琪皓, 马凤山, 万洋, 郭捷, 李光

摘要：在地下深处开挖巷道会诱发应力的急剧调整，无疑会使围岩产生不同程度的损伤。开挖的动态作用虽然持续时间较短，但造成的损伤为后续时效变形和工程扰动影响下的失稳破坏提供了基础条件。为了能够得到开挖作用引起的金川矿区深部巷道损伤区演化规律，从而对巷道损伤破坏进行针对性的防治，本文基于矿区的实际巷道埋深和岩体结构种类，采用等效开挖模拟方法和非均质模型进行了巷道开挖损伤问题的数值模拟研究。模拟结果揭示了在不同水平和岩体结构条件组合情况下开挖损伤区的演化过程和规律。根据研究区巷道的损伤破坏规律，本文提出了深部巷道开挖损伤演化的5种模式，并揭示了各种模式的诱发条件、表现特征、力学机制及发展趋势。相关认识和结论期望为理论和工程实践提供一定的借鉴和参考。

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双重采动影响下复采煤层巷道稳定性分析与维护方案设计

作者(Author)：张大明, 孙贵洋, 李刚

摘要：为了解决薛虎沟煤矿复采煤层回采巷道受双重采动影响下的支护问题，经现场观测，部分巷道顶板存在上部空巷与煤体并存现象，增加了支护难度。通过理论分析和数值模拟的方法对2-106A2巷道在双重采动影响下围岩稳定进行了受力状态分析，并对原支护方案进行了校验，结果表明原支护方案不能满足此条件下的巷道稳定，需要对巷道顶板和右帮(2-106B工作面侧)采取补强支护。利用数值模拟的方法对2-106A2巷道采取补强支护方案后的围岩稳定性进行了分析，模拟结果表明所设计的补强方案合理。另外，在现场采用十字布点法对2-106A2巷道受双重采动影响230 m这段巷道进行了围岩变形量观测，巷道顶板下沉最大量195 mm，左、右两帮移近量分别为124 mm、265 mm，巷道顶板破碎区变形得到了很好的控制，实现了工作面的安全高效回采。

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淮北青东煤矿深层地热水的水文地球化学特征与水源识别

作者(Author)：许继影, 桂和荣, 葛春贵, 倪建明, 郭艳, 庞迎春, 胡杰, 聂锋

摘要：深层地热水是矿井地质灾害的警示因素，探究其水文地球化学特征及来源，对矿井水害和热害防治具有现实意义。本文以淮北煤田青东煤矿深层地热水为研究对象，采集同水平（-585 m）的13个地热水样和11个非地热水样，对比分析两类水体离子特征差异，探讨地热水水化学成分形成作用及控制因素，同时收集矿井各突水含水层水样共31个，基于Fisher突水识别模型对地热水水源展开识别，结合地下水循环及构造条件，分析地热水成因。结果表明，地热水的TDS、Ca2+、Cl-指标高于非地热水，水化学类型以SO4·Cl-Ca·Mg为主，呈弱碱性;两类水水化学差异是不同地下水化学成分的综合反映，地热水的水化学成分主要受水岩作用和离子交替作用共同控制，其中水岩作用以硅酸盐溶解、含煤地层黄铁矿氧化、蒸发盐溶解最为显著，地热水的水岩作用和离子交替作用程度相比非地热水强;地热水由深部奥灰水补给，经断裂导水通道至太原组石灰岩含水层混合而成，且奥陶系石灰岩含水层水混合比例高。研究结果对矿井防治水工作提供了指导。

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考虑覆岩结构影响的近松散层开采导水裂隙带发育高度预测模型研究——以淮北煤田为例

作者(Author)：陈陆望, 王迎新, 欧庆华, 彭智宏, 陈逸飞, 李蕊瑞

摘要：近松散层开采覆岩导水裂隙带沟通上覆含水层导致了顶板水害事故的发生。在其他开采因素相似时，工作面顶板覆岩结构的不同会致使导水裂隙带发育高度出现较大差异。为此，通过收集淮北煤田17例近松散层开采覆岩导水裂隙带发育高度实测数据作为训练样本，利用一行两列向量对近松散层工作面顶板覆岩结构进行量化，并联合煤层采厚、煤层倾角、工作面斜长、开采深度、松散层厚度共计6个影响因素作为输入数据，实测导水裂隙带发育高度作为输出数据，依据径向基函数神经网络建立了考虑覆岩结构影响的近松散层开采导水裂隙带发育高度预测模型。并将该预测模型应用于淮北煤田中的青东煤矿，经钻孔冲洗液漏失量与钻孔彩色电视观测验证，获得预测结果相对误差为3.3%，低于《"三下"开采规范》中经验公式计算误差19.2%。该方法为近松散层开采导水裂隙带发育高度的合理确定提供了理论支持。

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我国煤矿离层涌突水致灾机理及其防控关键技术研究进展

作者(Author)：张培森, 朱慧聪, 吴玉华, 段中稳, 牛辉, 李复兴

摘要：离层水害严重影响煤矿安全，明确其突水致灾机理及防控技术的研究现状对促进煤矿安全生产具有重要作用。本文系统地总结论述了离层动态发育机制、突水致灾机理和突水预测预控技术3个方面的研究进展。离层随工作面推进过程呈现动态发育的特征，当某一层位离层具备密闭可持续的离层空间、补水通道、稳定的补给水源、突水通道这4个条件后即存在突水致灾的可能。进而，当离层存在上位高强度岩层破断产生的强冲击、离层积水产生的静水压、采场持续性回采活动的强扰动3个动力源中的一个(及以上)时，离层即发生涌突水。对离层水害的治理可从预防和预控两个角度入手，预防手段包括基于实用矿山压力理论、关键层理论构建离层发育层位预判模型及通过调整工作面推进速度和采高、运用绿色开采技术等减缓覆岩的运移和沉降，预控手段包括超前疏放水、钻孔截流、地面排水等。最后，指出了当前离层水害的研究过程中亟待攻克的难题，如积水探测技术不够精准、超前疏放水技术体系不够完善等，并展望了光纤探测技术、"地面+井下"抽疏(截)联动预控方法、一种无损采矿方法等防治离层水害的新方向。

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巨厚松散层下煤层开采的抗渗透性破坏和煤柱安全性研究——以口孜东矿为例

作者(Author)：丁甲, 董东林, 胡志强, 张陇强, 张百伟

摘要：随着深部煤炭资源的枯竭，浅部煤层上巨厚松散层水体成为淮南矿区不可忽视的安全隐患，预留煤柱的安全性评价显得尤为重要。本文以口孜东井田为例，通过全面系统地收集整理口孜东矿近年来井上、下补充探查、矿井水动态长期观测、井下采掘工程揭露的地质和水文地质资料，通过数值模拟和理论分析方法得出以下几点认识。（1）以矿区经典块段的钻孔柱状图为依据，建立基于FLAC3D的力学模型，按步长模拟工作面回采，通过观察分析位移云图、最大主应力图、塑性破坏图来认识开采覆岩破坏规律并分析导水裂隙带高度约为56.6 m，导水裂隙带无法发育至含水层高度；（2）根据口孜东矿的水文地质资料，建立基于GMS（Groundwater Modeling System）的水文地质模型，采动引起的覆岩弯曲变形导致了其垂向渗透系数和水力梯度发生变化，将FLAC3D中采动对模型产生的应力影响作为依据，将应力大小转化为弯曲带的垂向渗透系数作为变量在GMS模型中体现出来，校核模型准确性并观察开采前后的渗流场变化，发现渗流场产生的变化非常微小，也保证了留设煤柱的安全性；（3）分析涌水溃砂的控制因素，结合矿区抽水试验数据，利用计算机建立迭代计算程序，计算四含与红层的临界水力梯度分别为Jcr四含=1.66、Jcr红层=1.62，得出各个点位的临界水头高度取值范围在10～25 m之间，远低于实际水头值，从抗渗透性破坏方面评价了煤柱的安全性。目前在含水层下开采煤层时防水煤柱的留设依据主要是采高、煤层倾角、顶板岩性及其力学性质等因素，而未考虑含水层的水理性质及其在渗流场发生变化后的改变，亦未考虑基岩风化层的上述性质，本文通过对巨厚松散层下开采的覆岩破坏规律、含水层渗流场变化及抗渗透性破坏的联合研究，为评价煤柱的安全性提供了科学的方法和依据。

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西部侏罗系矿区充水含水层水文地球化学特征及矿井水来源综合识别

作者(Author)：王强民, 王皓, 杨建, 张溪彧, 董兴玲

摘要：本文以水文地球化学理论为指导，基于研究区水文地质条件及矿山水害研究基础，构建了不同充水含水层水化学和氢、氧同位素基础特征值，结合不同煤层埋深煤矿含隔水层组合特征和导水裂隙带发育高度，综合识别了浅埋、中深埋和深埋多个煤矿的矿井水来源。研究结果显示，受水岩作用和水动力条件等因素影响，煤层上覆不同充水含水层地下水水化学类型和氢、氧同位素值差异明显;随着煤层埋深的增大，矿井水的矿化度呈显著增加趋势，氢、氧同位素整体呈减小趋势;在此基础上，综合采用水化学和环境同位素的方法对研究区不同煤层埋深煤矿的矿井涌水进行识别，认为浅埋煤矿矿井水为第四系松散含水层地下水和侏罗系砂岩含水层地下水的混合水，深埋和中深埋煤矿矿井水主要为侏罗系砂岩含水层地下水。

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矿山垮落大体积松散体中水泥-水玻璃浆液可控灌注原理及其应用

作者(Author)：于世波, 王志修, 原野, 王贺

摘要：松散体是采矿、隧道、地下空间等工程中一种常见的岩体结构，具有强度低、稳定性差等特点，注浆改造重构其完整性和强度是现场处理该类问题的重要技术手段之一。为满足河北杏山铁矿大垮塌主溜井满井状态下封堵工程的特殊需求，提出了大体积松散体中水泥-水玻璃浆液可控灌注的理念。通过大体积松散体中水泥-水玻璃浆液灌注试验研究，将灌注历程分为大空隙竖向优势渗流、大空隙周边渗流、上向渗流结石、第1层劈裂与渗流和第n层劈裂与渗流5个阶段。根据浆液扩散的时空演化，将可控灌注问题分解为浆液一维竖向优势渗流和单段灌注浆的周向时空扩散，并揭示了其发生机理，认为松散体中水泥-水玻璃浆液一维竖向优势渗流的扩散距离与时间呈以自然常数e为底的指数函数关系。以此为基础，将松散体中水泥-水玻璃浆液可控灌注应用于杏山铁矿大垮塌主溜井满井状态下的封堵工程中，取得了良好的工程效果。

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