邯邢矿区深部开采煤层底板突水规律及灾变模式研究
发布时间：2021-12-09 21:48
随着浅部煤炭资源的长期开发,可采储量愈发短缺,而深部的煤炭资源仍具有巨大的开发潜力,是我国重要的战略储备资源。因此,越来越多的矿井已转入深部下组煤的开采,下组煤开采的水文地质条件越来越复杂,在高地应力和高水压共同作用引起底板隔水岩层的破坏失稳,底板奥陶系灰岩高压水突水威胁日益加重。本文结合邯邢矿区水文地质条件和邢东矿深部工作面的工程实践,运用水文地质学、水文地球化学、弹塑性力学、岩石力学、数值模拟、灰色理论、GIS等理论知识和技术方法,对深部开采煤层底板突水规律和突水灾变模式进行了系统的研究,并针对建立了适用于深部带压开采厚隔水层底板突水危险性评价方法。本文主要取得了以下研究成果:1.全面总结2127、2222、2228深部工作面底板奥灰突水规律,出水量呈现“高位蓄能-峰值突破-逐渐下降”的特征。奥灰水水质由初始的SO4-Na·K型水变化为SO4-Ca型水,初期以K+,Na+离子为主,后期以Ca2+离子为主。该水质变化特征是由于深部岩体破碎强烈,形成面状裂隙,增大了介质的透水能...
【文章来源】：华北科技学院河北省
【文章页数】：132 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
001~2019年我国煤炭原煤产量变化图
第2页共108页煤炭资源总储量的53%[4,5]，超过半数以上。由此可见，深部的煤炭资源具有巨大的开发潜力，是我国不容忽视的战略储备资源。随着浅层资源的长期开发，可采储量严重不足。据统计[6]，目前我国已有47座矿井采深超过或接近1000m（见图1-2），主要分布在河北、山东、安徽等中东部地区。山东省有21座千米深井，数量在全国位居第一，安徽省6座，冀、豫二省各有4座。其中开滦集团赵各庄矿开采深度为1200m，吉煤集团八宝煤矿采深1220m，平顶山十矿1250m。采深最大的是山东新矿集团孙村煤矿，开采深度已达1500m[7]。由此可见，在煤炭开采强度较大的华北地区，更多的矿井延伸至千米深度是今后的必然趋势。图1-2我国采深近千米的矿井[6]Figure1-2Mineswithadepthofnearly1,000metersinChina[6]1.1.2邯邢矿区深部开采面临的问题我国岩溶类煤矿床水文地质条件非常复杂，华北石炭二叠系煤田更为突出，而邯邢矿区在华北地区是最为典型的大水老矿区。目前，大部分矿井转入深部开采或开采受奥灰承压水威胁的下组煤。峰峰矿区9个矿井采深达650m以下，其中4个矿井采深达到1000m，九龙矿副井深达1341m；邯郸矿区有2个矿井开采下组煤。邢台矿区邢东矿采深已达1260m；有6个矿井开采下组煤，下组煤年产量已达到370万t以上。随着邯邢矿区开采深度的增加，下组煤开采的水文地质条件越来越复杂，煤层底板隔水层承受奥灰水压普遍超过7.0MPa，个别矿井达到14.6MPa，底板奥陶系灰岩高压水突水威胁日益加重。即使采取了一系列水文地质条件综合探查和底板改造治理措施，仍不能彻底消除重大突水灾害的发生。据统计，邯邢矿区自1995年以来，邯邢矿区国有煤矿发生了13次较典型的底板奥灰突水事件[8]。表1-1邯邢矿区国有煤矿底板突水情况一览表Tabl
第8页共108页施龙青[25,26]认为煤层开采前，承压含水层上方就存在原始导升带，开采之后，在采矿压力和水压共同作用下，原始导升带上方还会出现一个新增导升带。提出了“下四带”理论。图1-4“下三带”理论示意图Figure1-4Theschematicdiagramofthe“lowerthreebelts”（4）薄板理论刘天泉，张金才等[27,28]将煤层底板隔水层简化为弹性薄板，结合莫尔库仑强度准则和格里菲斯强度准则计算出煤层底板导水裂缝带的最大深度。给出了煤层底板极限承压水压力的计算公式。但是薄板理论仅适用于隔水层厚度小于工作面宽度1/7~1/5的情况。（5）“关键层”理论钱鸣高[29,30]将关键层控制理论引入煤层底板突水机理研究。他认为煤层底板岩层中存在一个关键层，是承压水开采过程中控制煤层底板突水的主要诱因。工作面在回采过程中，煤层底板关键层必然会受到矿压扰动，一旦破坏，底板就会发生突水。在该理论的力学模型将关键层视为薄板。（6）“突水优势面”理论高延法[31,32]提出的突水优势面理论认为，突水系数法不能决定工作面是否一定发生突水，具有底板高承压水突水威胁的工作面如果发生突水事故，则水体一定是通过隔水层某一断面向上导升的。该理论从本质上说明了含水层的富水性和隔水层阻隔水能力具有不均一性。最为有效预防治理底板水害的方法就是找出发生突水的某一危险优势面，并对这些突水优势面进行治理。（7）“递进导升”理论王经明[33,34]认为煤层开采过程中，拉伸应力和水压致裂共同作用引起底板岩层出现裂隙扩展的现象。承压水体在水力驱动的作用下沿着裂隙不断向上导升，当煤层底板破坏带与导升带高度之和大于或等于煤层底板隔水层厚度时，说明导升带与底板破坏带在空间上已经沟通，隔水层已经不具备阻水能力，就会发?
【参考文献】：
期刊论文
[1]深部开采底板厚隔水层突水危险性评价方法研究[J]. 尹尚先,徐维,尹慧超,曹敏. 煤炭科学技术. 2020(01)
[2]深部矿井水害特征、评价方法与治水勘探方向[J]. 李文平,乔伟,李小琴,孙如华. 煤炭学报. 2019(08)
[3]多模型融合评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性[J]. 施龙青,曲兴玥,韩进,邱梅,高卫富,秦道霞,刘海松. 煤炭学报. 2019(08)
[4]煤炭深部开采界定及采动响应分析[J]. 张建民,李全生,张勇,曹志国,王新中. 煤炭学报. 2019(05)
[5]煤矿隐伏断层递进导升突水的临界判据及物理模拟研究[J]. 王进尚,姚多喜,黄浩. 煤炭学报. 2018(07)
[6]煤矿陷落柱突水的变形-渗流-冲蚀耦合模型及应用[J]. 姚邦华,王连成,魏建平,李振华,刘小杰. 煤炭学报. 2018(07)
[7]深部奥灰水特性及其浓缩后在奥灰水害防治中的应用[J]. 李涛,高颖,陈伟. 煤炭学报. 2018(S1)
[8]我国煤炭资源高效回收及节能战略研究[J]. 袁亮. 中国矿业大学学报(社会科学版). 2018(01)
[9]深部开采底板突水灾变模式及试验应用[J]. 郭惟嘉,张士川,孙文斌,陈军涛. 煤炭学报. 2018(01)
[10]AHP法确定煤层底板突水主控因素权重及系统研发[J]. 武强,李慎举,刘守强,宫厚健,李哲,齐京生. 煤炭科学技术. 2017(01)
博士论文
[1]深部煤层底板变形破坏机理及突水评价方法研究[D]. 张风达.中国矿业大学(北京) 2016
硕士论文
[1]九龙矿地下水水化学特征及地下水流数值模拟[D]. 焦艳军.中国地质大学(北京) 2014
本文编号：3531368
【文章来源】：华北科技学院河北省
【文章页数】：132 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
001~2019年我国煤炭原煤产量变化图
第2页共108页煤炭资源总储量的53%[4,5]，超过半数以上。由此可见，深部的煤炭资源具有巨大的开发潜力，是我国不容忽视的战略储备资源。随着浅层资源的长期开发，可采储量严重不足。据统计[6]，目前我国已有47座矿井采深超过或接近1000m（见图1-2），主要分布在河北、山东、安徽等中东部地区。山东省有21座千米深井，数量在全国位居第一，安徽省6座，冀、豫二省各有4座。其中开滦集团赵各庄矿开采深度为1200m，吉煤集团八宝煤矿采深1220m，平顶山十矿1250m。采深最大的是山东新矿集团孙村煤矿，开采深度已达1500m[7]。由此可见，在煤炭开采强度较大的华北地区，更多的矿井延伸至千米深度是今后的必然趋势。图1-2我国采深近千米的矿井[6]Figure1-2Mineswithadepthofnearly1,000metersinChina[6]1.1.2邯邢矿区深部开采面临的问题我国岩溶类煤矿床水文地质条件非常复杂，华北石炭二叠系煤田更为突出，而邯邢矿区在华北地区是最为典型的大水老矿区。目前，大部分矿井转入深部开采或开采受奥灰承压水威胁的下组煤。峰峰矿区9个矿井采深达650m以下，其中4个矿井采深达到1000m，九龙矿副井深达1341m；邯郸矿区有2个矿井开采下组煤。邢台矿区邢东矿采深已达1260m；有6个矿井开采下组煤，下组煤年产量已达到370万t以上。随着邯邢矿区开采深度的增加，下组煤开采的水文地质条件越来越复杂，煤层底板隔水层承受奥灰水压普遍超过7.0MPa，个别矿井达到14.6MPa，底板奥陶系灰岩高压水突水威胁日益加重。即使采取了一系列水文地质条件综合探查和底板改造治理措施，仍不能彻底消除重大突水灾害的发生。据统计，邯邢矿区自1995年以来，邯邢矿区国有煤矿发生了13次较典型的底板奥灰突水事件[8]。表1-1邯邢矿区国有煤矿底板突水情况一览表Tabl
第8页共108页施龙青[25,26]认为煤层开采前，承压含水层上方就存在原始导升带，开采之后，在采矿压力和水压共同作用下，原始导升带上方还会出现一个新增导升带。提出了“下四带”理论。图1-4“下三带”理论示意图Figure1-4Theschematicdiagramofthe“lowerthreebelts”（4）薄板理论刘天泉，张金才等[27,28]将煤层底板隔水层简化为弹性薄板，结合莫尔库仑强度准则和格里菲斯强度准则计算出煤层底板导水裂缝带的最大深度。给出了煤层底板极限承压水压力的计算公式。但是薄板理论仅适用于隔水层厚度小于工作面宽度1/7~1/5的情况。（5）“关键层”理论钱鸣高[29,30]将关键层控制理论引入煤层底板突水机理研究。他认为煤层底板岩层中存在一个关键层，是承压水开采过程中控制煤层底板突水的主要诱因。工作面在回采过程中，煤层底板关键层必然会受到矿压扰动，一旦破坏，底板就会发生突水。在该理论的力学模型将关键层视为薄板。（6）“突水优势面”理论高延法[31,32]提出的突水优势面理论认为，突水系数法不能决定工作面是否一定发生突水，具有底板高承压水突水威胁的工作面如果发生突水事故，则水体一定是通过隔水层某一断面向上导升的。该理论从本质上说明了含水层的富水性和隔水层阻隔水能力具有不均一性。最为有效预防治理底板水害的方法就是找出发生突水的某一危险优势面，并对这些突水优势面进行治理。（7）“递进导升”理论王经明[33,34]认为煤层开采过程中，拉伸应力和水压致裂共同作用引起底板岩层出现裂隙扩展的现象。承压水体在水力驱动的作用下沿着裂隙不断向上导升，当煤层底板破坏带与导升带高度之和大于或等于煤层底板隔水层厚度时，说明导升带与底板破坏带在空间上已经沟通，隔水层已经不具备阻水能力，就会发?
【参考文献】：
期刊论文
[1]深部开采底板厚隔水层突水危险性评价方法研究[J]. 尹尚先,徐维,尹慧超,曹敏. 煤炭科学技术. 2020(01)
[2]深部矿井水害特征、评价方法与治水勘探方向[J]. 李文平,乔伟,李小琴,孙如华. 煤炭学报. 2019(08)
[3]多模型融合评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性[J]. 施龙青,曲兴玥,韩进,邱梅,高卫富,秦道霞,刘海松. 煤炭学报. 2019(08)
[4]煤炭深部开采界定及采动响应分析[J]. 张建民,李全生,张勇,曹志国,王新中. 煤炭学报. 2019(05)
[5]煤矿隐伏断层递进导升突水的临界判据及物理模拟研究[J]. 王进尚,姚多喜,黄浩. 煤炭学报. 2018(07)
[6]煤矿陷落柱突水的变形-渗流-冲蚀耦合模型及应用[J]. 姚邦华,王连成,魏建平,李振华,刘小杰. 煤炭学报. 2018(07)
[7]深部奥灰水特性及其浓缩后在奥灰水害防治中的应用[J]. 李涛,高颖,陈伟. 煤炭学报. 2018(S1)
[8]我国煤炭资源高效回收及节能战略研究[J]. 袁亮. 中国矿业大学学报(社会科学版). 2018(01)
[9]深部开采底板突水灾变模式及试验应用[J]. 郭惟嘉,张士川,孙文斌,陈军涛. 煤炭学报. 2018(01)
[10]AHP法确定煤层底板突水主控因素权重及系统研发[J]. 武强,李慎举,刘守强,宫厚健,李哲,齐京生. 煤炭科学技术. 2017(01)
博士论文
[1]深部煤层底板变形破坏机理及突水评价方法研究[D]. 张风达.中国矿业大学(北京) 2016
硕士论文
[1]九龙矿地下水水化学特征及地下水流数值模拟[D]. 焦艳军.中国地质大学(北京) 2014
本文编号：3531368
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