郑纲[1]2004年在《煤矿底板突水机理与底板突水实时监测技术研究》文中研究表明华北石炭二迭系煤田是我国重要的产煤区之一，其下组煤位于含水丰富的奥灰含水层或太原群灰岩含水层以上，中间隔水层厚约30～100米，经常发生底板灰岩突水。 由于煤矿底板突水是在矿井开发中一种严重的地质灾害现象，因而受到国内外的广泛重视，通过研究人们认识到突水是可以预测预报的，因为发生突水的物质基础和物理基础是可以被认识的。鉴于突水直接影响到煤矿的生产安全对底板突水机理的研究及突水预测预报技术研究成为承压水上采煤的关键技术。本文分两大部分对底板突水的机理、突水预测预报的理论基础、具体的突水预测预报技术进行理论和应用研究。文中第一部分根据底板突水的机理设计了岩体水力学实验，对岩体裂隙的叁轴应力渗透规律进行了研究，指出岩体裂隙突水时，岩体裂隙的渗透系数与裂隙正应力不是负指数关系，渗透系数有突然增大的现象。并利用岩石断裂力学理论对此现象进行了解释，指出在岩体应力和水压力的作用下，岩体裂隙发生拉-张型扩展(K_Ⅰ型)是裂隙渗透系数突然增大的关键原因。沿裂隙发生剪切(K_Ⅱ型)扩展，使充填物微观结构破坏而增强空隙度和渗透性，则对突水的贡献是次要的。由此推论，煤层底板突水主要是由于底板裂隙发生拉-张型扩展，继而在水压力的作用下沿裂隙发生管涌现象而造成的。在分析煤矿底板突水地质背景的基础上，指出利用线弹性断裂力学对底板突水进行分析是合适的，通过研究确定了底板突水的断裂力学标准。具体分析了构造应力场、工程应力、地下水等对底板裂隙应力强度因子的影响，从断裂力学的角度分析各种因素对底板突水的影响。 利用裂隙的亚临界扩展理论对底板滞后突水现象进行了分析。裂隙中的粘土充填物在地下水物理、化学的作用下，力学性能不断弱化，使岩体裂隙的临界应力强度因子不断降低，裂隙扩展具有时间效应，导致底板裂隙的滞后突水。 在对水压致裂技术进行断裂力学分析的基础上，推导了计算岩体裂隙临界应力强度因子的计算公式，确定了用水压致裂技术测定临界应力强度因子的方法，为利用岩石断裂力学标准进行突水判别奠定了理论和实验基础。 文中介绍了板壳断裂力学理论Kirchhoff及Reissner弯曲断裂理论。板壳承受横向载荷，除了有面内位移外，还存在面外位移。板壳内的应力应变场沿厚度方向变化。Rei Ssner弯曲断裂理论考虑了板壳的横向剪切变形和板的厚度效应，更适合于采煤工作面底板的模拟。介绍了Rei ssner裂纹应力强度因子的计算方法，并通过简单模型计算分析了板边长、板厚度、水压对应力强度因子的影响，证明板厚度、水压对应力强度因子的影响巨大。 应用板壳断裂力学的方法分析工作面底板岩体在工程荷载的作用下引起裂隙扩展而导致的突水问题，为分析底板岩体的突水问题提供了一条新的途径。 论文第二部分结合东庞矿9103工作面的带压开采，研究了底板工作面斜长的确定方法;利用水压致裂技术求得了底板临界应力强度因子，结合工作面的实际水文地质工程地质条件研究了底板突水前兆实时监测技术，监测的项目包括应力、应变水压、水温，对9103工作面进行了21天的监测，利用第一部分的研究成果对监测数据处理，计算了底板裂隙应力强度因子，运用断裂力学突水判别标准，判断9103工作面不会突水，9103工作面实际回采结果与此相符。
李海龙[2]2016年在《采动动载作用下底板岩层损伤破裂机理及突水防治技术研究》文中研究表明我国浅部煤炭资源逐渐枯竭,矿井进入深部开采阶段,现场实测发现的顶板周期性垮落动载作用下底板破坏深度滞后加深现象严重威胁薄隔水层、高水压、高动载扰动条件下的深部煤层开采,对此本文从现场探测、理论分析、相似模拟实验、数值模拟、现场水害防治方法等方面对采动动载作用下底板岩层损伤破裂机理及突水防治技术进行了系统研究,取得如下创新性成果:(1)发现并论证了底板采动裂隙滞后煤壁破坏加深的规律。通过对底板破坏规律进行注水试验、岩层应变探测及微震监测,实时发现了底板采动裂隙滞后煤壁15-20m有破坏加深的规律,并从底板岩层的损伤演化及破裂机理、力学响应特征、破裂突水演化过程及防控采动裂隙实践方法等方面做了进一步研究,指出这种规律是底板岩层受顶板周期性垮落动载冲击作用后,底板岩层破裂、岩层原有缺陷(小裂隙、断层、陷落柱等)活化再扩展的结果。(2)理论分析了动载作用下采空区底板岩层损伤演化及破裂机理。推导出了集中型与均布型动载作用下底板应力分布的解析表达式、考虑动载应变率效应的岩石损伤演化方程;结合Bingham与Generalized boydin模型优势及试验数据验证,建立并论证了新的动载作用下煤系岩石的本构模型(B-G模型)及相应的损伤本构模型;结合双剪统一强度理论与B-G损伤本构模型,建立了动载作用下煤系岩石的双剪统一强度损伤屈服准则,并提出了采动动载作用下底板岩层的破裂判据。(3)提出了采动底板岩层经历了采前应力集中、采后膨胀卸压、采动动载冲击、采空区压实平衡四个阶段的观点。结合现场测试与理论分析结果,采用相似模拟手段,从采动过程中底板岩层位移与应力变化特征进行了论证,指出底板岩层裂隙的萌生、扩展、再加深主要发生在1~2与2~3的转变过程之间。(4)研究了采动动载作用下底板薄弱(含裂隙)部位的滞后破坏规律。模拟了含裂隙底板受动载作用后的导水通道形成过程,从模型的应力、位移、塑性破坏区、裂隙渗流速度、孔隙水压导升高度、动载作用强度、含水层水压力等方面进行了分析,总结出了采动动载作用下底板薄弱部位的破裂突水机理。(5)论证了防治底板岩层滞后破坏突水灾害的技术方法。在系统分析了底板滞后破坏突水灾害发生机理的基础上,抓住动载作用下含缺陷底板岩层破坏深度明显加大的特征,提出了注浆加固底板岩层建立自然-人工关键隔水层的防治方法,并通过物探、钻探、注水试验、岩层抗渗性测试、岩石全应力-应变渗透性试验、岩石孔隙结构测试和现场开采实践证明了注浆加固对控制底板采动导水裂隙发育及滞后加深,提高底板抗突水能力等方面所起到的关键作用。研究成果丰富了现有的采动底板破坏理论,也为预防采空区底板滞后突水、解放和安全开采深部承压煤层提供了理论与实践依据。
段宏飞[3]2012年在《煤矿底板采动变形及带压开采突水评判方法研究》文中进行了进一步梳理煤矿底板采动变形问题的研究，不仅对于承压水上带压安全开采具有科学价值，而且可为采区巷道围岩变形控制维护提供关键依据。本文对采动底板应力分布特征、底板应力及其塑性区分布以及底板破坏深度等变形破坏规律进行了系统研究，研究发现：在前人对支承压力分布规律研究的基础上构建的采场完整支承压力作用下的底板应力分布模型能够得到底板内任一位置的应力分布解析解，通过杨村煤矿4602工作面的底板应力解析计算说明解析得出的底板下的应力分布规律具有实用性；从底板采动变形的角度厘定了底板破坏深度的概念，并采用FLAC3D数值模拟软件开展了底板破坏深度斜长、顶底板岩性组合、采深、采高、倾角的六因素五水平正交数值模拟试验，构建了首次考虑顶板岩性组合这一因素的斜长-顶底板岩性组合-采深-采高-倾角的底板破坏深度预测模型，通过10个煤矿相应的工作面底板破坏深度实测实例进行分析验证了该预测模型精度较高，可以满足工程使用。通过现场底板变形破坏综合实测深刻揭示了底板矿压显现过程及其分区特点、底板破坏深度分区特征以及底板变形与矿压显现的关联规律，具体表现为：采动矿压对底板的影响具有较远距离的采前“超前”显现和采后“滞后”延续的特点，且这种“超前”“滞后”影响具有分区特征；从采动底板变形与采动矿压的关联效应角度将底板所受采动矿压的扰动作用分为“超前聚压扰动”和“采后卸压扰动”两种类型，为合理解释底板采动变形破坏的力学机制提供了力学依据；底板破坏经历超前聚压破坏和采后卸压破坏两个过程，其破坏机制均为剪切破坏，前期为受压状态下的剪切破坏，后期为受拉状态下的剪切破坏，二者具有累进关系，即在采前聚压破坏基础上采后卸压破坏可导致破坏程度进一步加剧，但对于采动破坏深度不具有延伸效果。在70组底板破坏深度实测资料统计的基础上，探索了底板破坏深度与其影响因素的规律，构建了底板破坏深度预测的遗传-改进遗传算法优化BP神经网络模型（BP-GA、BP-GA-MOD）和PSO优化SVM模型（PSO-SVM）。基于MATLAB软件平台，编制了底板破坏深度非线性预测模型系统，能够实现底板破坏深度快速准确的预测。最后，首次明确建立了煤矿底板突水的叁级评判模型，以此实现对煤矿底板突水由粗到细、由经验判别到力学分析的多级分布筛选递进评价预测。叁级评判分别包括：煤矿底板突水初判、煤矿底板突水详判与煤矿底板突水精判。底板突水初判判据为P=0.0025M2-0.0865M-16.8534/M+2.2440临界方程，该方程是通过对华北七个矿区以及湖南涟邵矿区354个工作面突水点、202个巷道突水点以及318个安全回采工作面的调查分析，应用数学统计回归的方法所得。该临界方程形式与考虑动水压力作用下的底板均质裂隙弱板模型P-M临界方程形式一致；煤矿底板突水的详判，是在初判的基础上对可能发生突水的区域进行的进一步突水判别，综合指标法考虑了影响底板突水的诸多因素，以此判别将更为全面，考虑模型的简化，构建了基于膨胀界限抗渗强度的底板突水评判模型。煤矿底板突水精判，需要对底板岩体特性、含水层特性以及所赋存的地质条件进行更为详细的勘查，掌握突水评判区域非常精细准确的第一手资料，在此基础上，对底板进行力学稳定性分析，确定底板在采动矿压、水压作用下的潜在稳定性。
徐智敏[4]2010年在《深部开采底板破坏及高承压突水模式、前兆与防治》文中提出在深部开采防治水实践中,煤层底板不同结构的隔水层和作用在隔水层的水压力是决定能否突水的一对基本矛盾,深入研究和认识不同结构底板隔水层的采动破坏规律、突水模式及前兆信息,对于有效防止突水事故的发生极为重要。本论文以深部开采底板承压超过5MPa的特殊条件为研究对象,围绕复杂结构底板隔水层采动破坏及其诱发高承压突水这一核心问题,以大量突水资料为背景,分析了底板突水的形成及影响因素、水岩相互作用、时空分布及规律,总结了底板突水的两类基本模式,即完整型底板突水模式和断裂构造型底板突水模式;采用现场实测、数值模拟及物理模拟等手段,揭示了深部开采条件下底板隔水层的采动破坏规律,即在底板承压超过5MPa条件下,工作面底板隔水层受超前应力破坏明显,深度一般在25m左右;在相同底板隔水层结构和开采条件下,随着水压的升高,底板破坏深度及范围不断增大;工作面底板不同位置的破坏范围具有差异性,从工作面正下方往采空区方向由“倒马鞍形”逐步过渡到“倒梯形”;利用高承压矿井突水模拟试验系统,设计并完成了单一结构、多层组合结构以及断裂结构底板隔水层条件的底板高承压突水模拟试验;揭示了不同底板结构模型突水的压力及孔隙水压力变化特征;试验结果表明采动引起的底板压力及孔隙水压力呈周期性波动,与工作面推进距离有关;突水通道形成过程中,各参数均表现为较大幅度升高并剧烈波动;通道一旦形成并发生突水时,压力和孔隙水压力均急剧下降,并稳定在某一范围;试验结果表明,底板压力和孔隙水压力信息是较为理想的底板突水监测预报信息源;以典型底板隔水层条件为基础,建立了深部高承压厚隔水层条件下安全开采评价方法以及薄隔水层条件下“底板富水性探查-注浆改造-物探钻探验证-安全开采评价-回采”的决策及实践范例;发现了豫中矿区寒武系石灰岩上段20～30m层段岩溶不发育,具有良好的隔水性,分析了该层段隔水性的地质成因,将寒武系石灰岩上段岩溶不发育段作为隔水层考虑,并成功应用于马陵山井田井巷工程布置,实现了-350m上车场进入寒武系石灰岩上段垂深55.5m,合计320m长度巷道的安全施工并投入使用2年。本文的研究成果对深部高承压水上安全开采以及矿井突水的监测与临突预测预报等具有重要的理论意义和实践价值。
陆银龙[5]2013年在《渗流—应力耦合作用下岩石损伤破裂演化模型与煤层底板突水机理研究》文中研究表明工程扰动作用诱发的岩体内部损伤和破裂及其造成的岩体渗流场改变是导致大规模岩体工程失稳和地质灾害的重要原因之一。在采矿工程中，采动矿压和煤层底板承压水压联合作用引发的底板突水灾害一直是威胁我国煤矿安全生产的重大问题之一。本文以煤层底板突水灾害为研究背景，综合运用理论分析、数值模拟和现场微震监测相结合的方法，对渗流-应力耦合作用下岩石损伤破裂演化过程以及煤层底板突水机理进行了深入、系统地研究，取得了如下创新性成果：(1)克服了经典的Biot孔隙弹性理论无法描述岩石介质内部结构损伤演化的局限，将微裂纹损伤张量引入到Biot孔隙弹性理论中，构建了基于微裂纹演化的岩石渗流-应力-损伤耦合模型，导出了应力诱导的微裂纹瞬时扩展和时间相关的微裂纹亚临界扩展的演化方程，建立了微裂纹损伤演化与岩石宏观弹性刚度张量、渗透张量、Biot有效应力系数张量、Biot模量以及声发射特征参数之间的联系。结合单个岩石REV分别承受渗流-应力耦合短期和长期作用的两个算例，验证了耦合模型在描述细观损伤引起的岩石宏观各向异性、峰前非线性强化、体积膨胀、声发射活动、渗透率演化以及蠕变行为方面的普适性和有效性。(2)提出了以细观单元组合和嵌在其中的随机分布微裂纹群来表征真实岩石介质的双尺度概念模型，据此将已建立的岩石渗流-应力-损伤耦合模型与宏观有限元模型有机结合，同时引入岩石介质的细观非均匀性、细观单元破裂准则以及破裂细观单元的刚度退化表征方法，建立了渗流-应力耦合作用下岩石损伤破裂演化的宏-细观双尺度数值模型，从根本上克服了传统岩石破裂过程数值分析模型中采用唯象估计方法的固有缺陷。将该模型应用于岩石双轴压缩-渗流耦合、岩石蠕变-渗流耦合以及岩石水力压裂等数值试验中，结果表明该模型能够以一种物理真实、可视化的方式有效地模拟出渗流-应力耦合作用下岩石从细观损伤演化至宏观破裂的全过程以及渗流动态演化规律。(3)基于建立的宏-细观数值模型，系统研究了承压水体上完整煤层底板和含陷落柱煤层底板的破坏突水过程，分析了工作面推进过程、顶板破断垮落压实作用、底板岩体非均质性、底板承压含水层水压力、时间效应等因素对底板隔水层损伤破裂和渗透性演化以及底板陷落柱损伤活化规律的影响，深入揭示了采动应力和承压水压力联合作用下底板“突水通道”形成与渗流突变机理，为我国承压水体上煤炭安全开采和煤层底板突水防治提供了参考依据。(4)采用高精度微震监测技术对某带压开采工作面回采过程中底板破裂的微震事件与微震能量强度进行了连续、动态地监测，并结合建立的宏-细观数值模型对该工作面煤层底板的破裂演化过程进行了数值模拟，准确地查明了底板采动破坏带的具体位置与参数，成功地指导了该带压开采工作面的安全高效生产；据此提出了将高性能微震监测技术和本文开发的岩石破裂过程数值模拟技术有机结合来实现煤层底板突水灾害监测预警的新方法，具有良好的工程应用前景。
史先锋[6]2016年在《复杂条件下特厚煤层动力灾害防治研究》文中研究表明复杂条件下特厚煤层动力灾害(冲击地压、矿震、矿井突水、煤与瓦斯突出以及复合动力灾害)是近年来矿井安全生产的巨大威胁。本文以鹤岗矿区峻德煤矿、富力煤矿和巨野矿区郭屯煤矿发生的叁起典型的分别由上层煤煤柱、断层构造和坚硬顶板运动与突水互为诱因的复杂条件下特厚煤层动力灾害为工程背景,通过现场实测、案例分析、理论研究、实验室测试和事故后复产实践等方法和手段,研究了复杂条件下(上层煤煤柱、断层构造、坚硬顶板与强含水地层复合)特厚煤层动力灾害发生机理和防治技术,取得以下主要结论：(1)提出了多煤层采动围岩空间应力传递范围内,存在以应力为判据的“冲击危险区域”,并建立了该危险区内应力估算的模型和冲击危险性判据。该模型包含上层煤煤柱应力传递的走向和倾向计算模型,以及根据应力与煤体单轴抗压强度的比值Ic和冲击倾向性作为冲击危险性判据的“冲击危险区域”边界确定方法。(2)建立了特厚煤层分层工作面冲击地压发生过程的“B-S-B”动态模型,揭示了特厚煤层底煤屈曲破坏后发生滑移冲击的机理。在水平应力作用下底煤发生屈曲破坏(Buckling failure),当屈曲破坏规模较大时,可能发生第一次底煤冲击(屈曲冲击),随后深部底煤在水平应力和垂直应力共同作用下发生塑性滑移,当滑移范围达到底煤结构失稳的规模时,即发生底煤第二次冲击(滑移冲击,Sliding Burst)。特厚煤层冲击地压发生过程的“B-S-B”动态模型为特厚煤层分层与综放开采工艺冲击危险性对比与工艺选择、煤巷冲击地压防治、工作面超前支护设计等工程决策提供了理论依据。(3)揭示了“构造型孤岛工作面”冲击地压发生机理。提出了工作面煤壁与断层面之间相距数百米时即发生动力现象的根本原因在于：断层层面倾向煤壁方向且与煤壁上方覆岩破断线相交,在覆岩中形成“空间孤岛”,造成工作面与断层构造之间煤体应力高度集中,从而引起构造型孤岛工作面冲击地压。并建立了工作面与断层面之间煤体平均应力的估算公式和冲击危险性判据。(4)提出了“冲击与突水”复合动力灾害的发生机理。研究得到了坚硬顶板规律性断裂前后引起煤壁附近顶板和底板内应力突然增加导致破裂范围增加,从而引发“顶板运动诱发突水”的复合动力灾害；大水工作面疏放水(相当于小型开采)引起应力向局部转移和集中,从而引发“疏放水诱发冲击”的复合动力灾害。这类复合动力灾害因特厚煤层“高弹性强释能、低强度易破坏、大采高深破裂”的原因,在特厚煤层矿井显现更加明显。(5)提出了特厚煤层分层工作面冲击事故后安全复产的技术体系。为了防止事故后复产时再次发生冲击事故,研究提出了特厚煤层分层工作面冲击地压事故后复产必须满足的安全技术标准和相应的复产技术体系。该技术体系在峻德煤矿3·15事故工作面得到了成功应用和检验,为类似冲击事故工作面复产提供了经验。本论文的研究成果已应用于鹤岗矿区峻德煤矿、富力煤矿和巨野矿区郭屯煤矿,取得了良好的经济效益和社会效益。
程爱平[7]2014年在《底板采动破坏深度微震实时获取与动态预测及应用研究》文中提出随着我国煤炭开采深度的增大,煤层回采后工作面底板破断、突水灾害正呈逐年递增的趋势。煤层底板采动破坏后不但易出现底臌变形,而且因其承载强度急剧降低而易发生机架下陷,增加了移架难度。此外,带压开采条件下,底板采动破坏减小了煤层底板的隔水层厚度,导致底板阻水能力降低,增大了底板突水的危险性。因此,动态实时获取和预测煤层底板采动破坏深度对于研究煤层底板阻水能力发挥着重要的作用。本文以山西平朔井工一矿9煤底板突水危险性为研究对象,综合利用理论分析、数值模拟、微震监测等技术手段,对煤层底板采动变形规律和破坏深度开展研究,并取得以下主要研究成果：(1)通过理论分析煤层底板采动应力状态,得到了支撑压力变化规律与底板岩体走向应力分布及传播规律；利用离散元数值模拟软件,获取了采动过程中煤层底板应力场与裂隙场演化规律。(2)对山西平朔井工一矿9煤19106工作面回采过程进行微震实时监测,开展了微地震波传播规律研究。采用最短距离聚类法进行聚类,以欧氏距离表示微震事件之间的距离,通过计算微震事件之间的距离来评价其亲疏程度,根据其远近程度进行合理分类,最终构建了底板采动破坏深度微震实时获取的一般模式。(3)基于统一强度理论,推导了底板采动破坏深度普适性公式。利用平朔井工一矿9煤19106回采工作面现场实测的底板采动破坏深度数据样本集,反演得到中间主应力参数b,构建了适用于井工一矿9煤的底板采动破坏深度公式。(4)基于未确知数学理论,开展底板采动破坏深度动态预测研究。根据山西平朔井工一矿微震监测结果,利用未确知聚类优化法,选取采深、煤层倾角、采厚、构造影响程度4个主要影响因素作为判别指标,建立了煤层底板采动破坏深度动态预测模型,并进行了验证,验证结果表明：该方法构建的底板采动破坏深度动态预测模型是可靠实用的,可以在同类矿山进行推广应用。(5)提出动突水系数概念并对19106回采工作面底板突水可能性进行了计算。利用突变理论,结合微地震监测结果获取底板稳定隔水层厚度,确定动突水系数,并应用于山西平朔井工一矿19106回采工作面突水可能性评价,结果表明：19106工作面回采期间突水危险性较小。
刘德民[8]2015年在《华北型煤田矿井突水机理及预警技术》文中认为随着开采深度和强度的增加以及下组煤的大规模开发,华北型煤田开采条件日趋复杂多变,水压、地应力和水温不断增大,矿井突水灾害问题更加突出,突水频率和突水强度不断加大,急需矿井突水灾害监测预警技术对矿井突水进行适时监测和预警,确保煤矿安全回采。目前国内外对矿井水害监测预警技术进行了一定的研究,但很多理论技术还不成熟,特别是突水判据和预警准则等更是处于探索阶段需要进一步系统研究。本文以赵庄煤矿和矿井水害监测预警系统为主要研究对象,针对研究区主要水害类型突水机理及力学判据、矿井突水监测预警模式、监测预警指标体系、预警准则以及矿井突水监测预警关键技术展开了相关研究工作,在此基础上,设计研发了矿井突水监测预警系统,并在赵庄煤矿5303工作面展开了现场应用。1.分析了赵庄煤矿矿井水文地质条件,确定了主要突水类型。赵庄矿主采煤层3#和15#煤主要受峰峰组灰岩水、太原组灰岩水、山西组砂岩裂隙水、下石盒子组K8砂岩裂隙水等水源的影响,矿井导水通道主要有断裂构造、陷落柱、封闭不良钻孔、顶底板导水裂隙带,主要突水类型有封闭不良钻孔突水、断层突水、陷落柱突水、采空区突水和底板突水。2.研究总结了封闭不良钻孔突水、断层突水、陷落柱突水、采空区突水和底板突水等突水机理,总结提出了相应的突水判据。利用厚壁圆筒理论,提出了封闭不良钻孔侧壁突水力学模型,得出了封闭不良钻孔侧壁突水的主要影响因素:采场破坏范围、孔径、孔内水压、围岩力学性质等,建立了封闭不良钻孔侧壁突水判据。揭示了断层在采动影响下活化机理,提出了断层活化影响因素:断层的富水性、断层倾角、断层带特性、断层所处的位置等,建立了断层活化判据及突水判据。系统研究了老空区突水模式及突水机理,分别建立了顶板有效隔水层抗剪破坏力学模型、顶板有效隔水层抗拉破坏力学模型、邻近老空区突水力学模型,提出了顶板老空区和邻近老空区突水判据。总结了前人关于陷落柱突水和底板突水机理的研究成果,给出了研究较为成熟的突水判据。3.提出了监测预警指标体系和矿井突水监测预警模式。综合考虑预警指标的易获取性和可预警性,结合现场实践经验,提出了矿井预警监测指标,主要包括:隔水煤岩柱电阻率、矿井水温水压、岩层的应力应变和常规水化学指标,其中常规水化学指标包括TDS、Na++K+、Ca2+、Mg2+、CL-、SO42-、HCO3-、PH等水化学指标。并根据监测指标将水害预警划分为物理预警模式和化学预警模式,制订了隔水层电阻率参数动态全面监测和关键部位单点多参数监测的现场实时监测方式,提出了物理预警模式和化学预警模式监测预警原理及方法。4.提出了矿井突水灾害监测预警准则关键参数有效隔水煤岩柱厚度的实时监测反演方法。综合分析了煤层开采隔水煤岩破坏带在有地下水参与和无地下水参与两种情况下视电阻率变化规律,提出了利用视电阻率实时监测反演采动破坏范围的方法,即分析对比采前、采中和采后隔水煤岩柱视电阻率变化趋势,判读隔水煤岩柱破坏范围,然后求取效隔水煤岩柱厚度,该方法得到了现场验证。5.研究了关键监测预警位置确定的方法,开发了基于GIS组件和ANN耦合技术的关键监测预警位置确定的系统软件。提出了关键监测位置确定评价指标体系主要包括:充水水源水压、水量、防隔水煤岩柱厚度、断层影响指数、陷落柱影响指数和封闭不良钻孔影响指数,构建了断层影响指数、陷落柱影响指数和封闭不良钻孔影响指数计算公式,并利用所建立的突水判据,提出了影响指数计算公式中相关参数的求解方法,得出了所有评价指标的量化方法。研发了基于GIS组件和ANN耦合技术的关键监测预警位置确定的系统,系统分为6个子系统:地图控制子系统、地图显示输出子系统、地图辅助工具子系统、数据库管理子系统、信息检索子系统、预测分析子系统,该系统能够利用GIS强大空间分析功能和ANN强大非线性功能,实现突水危险性较高的区域圈定,进而确立关键监测预警位置。6.实现了基于GIS空间分析功能的动态构建标准水源样品库的方法,提高了矿井水源识别精度及矿井水化学预警的正确率。标准水源样品库的构建是矿井突水化学预警的的关键,本文改进了传统的标准水源样品库构建方法即将所有已知水源的水样全部放入标准水源样品库中,一个矿井只建立一个标准水源样品库。本文利用GIS组件空间分析功能,实现了动态构建标准水源样品库的方法,即在针对不同的出水点,综合考虑该出水点水样所处含水层岩性、地质构造、径流区域以及采掘活动等影响、标准水样采样时间等多种因素,利用GIS空间分析功能精选出和出水点水文地质条件相近、采集时间较近的标准水样,组建该出水点的标准水源样品库,实现不同出水点动态构建不同的标准水源样品库。并以兴隆庄矿水样编号为496的出水点为例,对动态构建标准水源样品库的方法进行了测试验证,研究表明动态标准样品库的方法可以有效提高样品库的回代准确率。7.系统研究对比了矿井水源识别方法,设计实现了矿井水单水源识别和混合水源识别算法,为矿井水化学预警准则的制订提供了依据。矿井水源识别方法对比分析表明贝叶斯判别模型能够应用矿井出水所有可能信息,在最小错误识别风险下实现小子样试验分析,灰色关联分析可以针对矿井水质的形成具有多因素、关联、整体复杂的特性,找出矿井水各种指标间的密切程度,实现水源识别,也非常适合小子样分析,本文设计实现了基于贝叶斯判别分析和灰色关联分析的矿井水源识别算法,该算法能够实现单水源识别和混合水源识别,其中混合水源识别是采用构建2种和3种水源混合样品库,实现2种水源和3种水源的识别,并能给出每种水源的大致比例。矿井水源识别结果可以为矿井化学预警提供依据。8.研究了矿井突水物理预警准则,总结提出了定性和定量两种物理预警准则。根据所监测的物理预警指标的变化及以往突水实例,提出了5种需发布警情的定性预警准则:监测位置应力突然降低、应变急剧增大、水温水压产生变化并逐渐接近目标水源、邻近目标水源的隔水层电阻率降低且范围逐渐增加、导水通道内电阻率持续降低且向工作面或目标水源扩展。依据监测有效厚度与理论或判据有效厚度Lv的关系制订了定量物理预警准则,当监测有效厚度位于[1.7Lv,+∞)、[1.4Lv,1.7Lv)、[Lv,1.4Lv)、[0,Lv)区间时,分别对应无预警、蓝色预警、黄色预警和红色预警,并给出了不同水害类型Lv的计算方法,同时还结合煤矿防治水相关规定对定量预警准则进行了必要的补充。9.提出了单水源和混合水源的矿井突水化学预警准则。识别结果为单水源时,水源若为弱充水水源则无预警,若为中等充水水源发则蓝色预警,若为强充水水源且无致灾风险则黄色预警,若为强充水水源且有致灾风险则红色预警,若为极强充水水源或老空区水源则红色预警。识别水源为混合水源时,当最强充水水源比例达到30%以上,且满足以上预警准则时发布相对应的警情。10.设计研发了矿井水害物理预警系统和化学预警系统,并在赵庄矿展开了现场应用。设计了物理预警系统和矿井化学预警系统软硬件结构,开发了相应软件系统,研发了物理预警系统和矿井化学预警系统,并以赵庄矿5303工作面为研究对象,布置了矿井物理预警系统,设定了合理的预警准则,实现了矿井突水监测预警工作,确保了工作面安全回采。
黄卫星[9]2017年在《陈四楼煤矿高承压水上采动底板突水机理研究》文中提出本文以陈四楼煤矿21701工作面为研究基础和现场实践背景,综合运用弹性力学理论分析、数值模拟等手段方法,从煤层底板岩体采动支承应力与下伏承压水相互影响下底板岩体耦合作用机制入手,分析了采煤底板岩体的应力分布规律、变形破坏特征及突水机理,最后将研究成果应用于陈四楼煤矿底板下伏高承压岩溶水的防治。本文主要取得了以下成果:(1)建立煤层回采过程顶板初次来压和周期来压底板岩体在采动支承压力和承压水压力耦合作用下力学分析模型,运用弹性力学分析理论对采煤工作面回采过程中底板岩体内的应力变化分布规律进行分析,推导出底板破坏最大深度表达式。(2)利用数值模拟软件FLAC3D对承压水上采动底板岩体变形破坏特征与突水机理进行研究分析,从底板采动破坏特征、位移变化规律、应力分布规律及孔隙渗流规律入手,探讨应力场与渗流场共同作用下承压水上底板岩体变形破坏特征及突水机理,为煤矿采动底板突水的防治技术提供了技术指导。(3)根据陈四楼煤矿底板注浆加固改造生产实践及课题研究成果,从分析陈四楼煤矿二2煤底板下伏高承压岩溶水发育特征入手,通过对采煤工作面底板突水的危险程度进行评价,得出底板注浆加固主要存在问题,提出了底板注浆钻孔倾角随钻孔深度变化规律曲线大致可近似用倾角30o~40o直线分析代替,优化了底板注浆加固改造效果。
林旭东[10]2013年在《煤矿奥灰水预测理论与方法研究》文中提出我国煤矿突水灾害严重,特别是华北煤田。当前我国华北煤田主采石炭二迭纪煤层,煤层底板下方几十米处即为含水量巨大的奥陶纪灰岩含水层。奥灰水突水事故一旦发生,突水量很大,短时间内可能淹没矿井,很难在短时间内疏水排干,救援工作很难展开,会造成巨大的经济损失和人员伤害。本文通过对两次奥灰水突水事故原因的分析,分析了奥灰水突水的机理,说明了奥灰水突水预测预报研究的必要性和可能性。奥灰水突水主要是通过原生的导水构造发生的,在煤层开采之前有煤层保护,突水事故不会发生,开采煤层时采掘工作面一旦与导水构造相遇则会发生突水事故。在太原理工大学的MTI奥灰水突水预测预报方法的基础上,本文进行了煤矿奥灰水突水危险区域划分方法的研究。并且将该突水危险区域划分方法应用于煤矿奥灰水突水监测预报系统中,进行实际工程应用。MTI奥灰水突水预测预报方法主要是选取煤层底板以下,奥陶纪灰岩含水层之上的小含水层作为监测层,通过对监测层的计算与分析,进行奥灰水突水的预测预报。本文首先研究了对煤层底板含水层进行有限元计算的方法和有限元程序的编制。计算方法为选取矿区范围一定的区域作为计算区域,对计算区域进行有限元计算网格的剖分,确定计算区域的边界条件和含水层的参数,建立含水层的渗流模型,然后进行有限元程序的计算。计算结果为含水层计算区域内各个节点的水位值。通过对监测含水层与奥陶纪灰岩含水层的有限元计算结果的分析与研究,本文提出了煤矿奥灰水突水危险区域的划分的两种方法。一是根据监测层的计算水位与实际水位的计算误差的突水危险区域判别方法；二是根据监测层与奥陶纪灰岩含水层的水位差的突水危险区域判别方法。两种奥灰水突水危险区域划分方法均是通过有限元计算出计算区域内各个节点的突水危险指数,通过不同的判别指标,划分出矿区奥灰水不同等级的突水危险区域。以李雅庄煤矿与赵庄煤矿为实例,本文将所提出的煤矿奥灰水突水危险区域的划分方法应用于工程实际中。首先,根据矿区的实际水文地质条件与对两家煤矿的煤层底板的奥陶纪灰岩含水层与作为监测层的太原组灰岩含水层进行计算区域的选取、计算网格的剖分、边界条件的确定等。然后,通过矿区内含水层简化的渗流模型对含水层进行有限元计算。根据计算结果绘制出矿区内奥陶纪灰岩含水层等水位线、作为监测层的太原组灰岩含水层等水位线和矿区内的奥灰水突水危险区域划分。最后,根据矿区实际情况对计算结果进行分析与总结。
参考文献：
[1]. 煤矿底板突水机理与底板突水实时监测技术研究[D]. 郑纲. 长安大学. 2004
[2]. 采动动载作用下底板岩层损伤破裂机理及突水防治技术研究[D]. 李海龙. 中国矿业大学. 2016
[3]. 煤矿底板采动变形及带压开采突水评判方法研究[D]. 段宏飞. 中国矿业大学. 2012
[4]. 深部开采底板破坏及高承压突水模式、前兆与防治[D]. 徐智敏. 中国矿业大学. 2010
[5]. 渗流—应力耦合作用下岩石损伤破裂演化模型与煤层底板突水机理研究[D]. 陆银龙. 中国矿业大学. 2013
[6]. 复杂条件下特厚煤层动力灾害防治研究[D]. 史先锋. 北京科技大学. 2016
[7]. 底板采动破坏深度微震实时获取与动态预测及应用研究[D]. 程爱平. 北京科技大学. 2014
[8]. 华北型煤田矿井突水机理及预警技术[D]. 刘德民. 中国矿业大学(北京). 2015
[9]. 陈四楼煤矿高承压水上采动底板突水机理研究[D]. 黄卫星. 中国矿业大学. 2017
[10]. 煤矿奥灰水预测理论与方法研究[D]. 林旭东. 太原理工大学. 2013
标签：矿业工程论文; 安全科学与灾害防治论文; 工作面论文; 应力状态论文; 机理分析论文;