淮北矿区深部岩溶突水机理及治理模式
发布时间：2020-08-07 07:31
【摘要】：我国华北型煤田开采,普遍受底板岩溶水害威胁;但由于不同矿区水文工程地质条件存在差异,突水类型和机理、危害程度及防治技术也存在差异。淮北矿区是华北型煤田典型大水矿区,曾数次发生底板岩溶水特大突水淹井灾害。随着矿井采深增大、水压逐渐增高,岩溶水害威胁更加严重。由于深部开采水文工程地质条件和底板岩溶突水机理的复杂性,采用现行的规程规范方法,已难以准确评价突水危险性。论文以淮北矿区典型矿井太灰含水层底板突水为研究对象,综合运用理论分析、现场地质调查、煤矿现场井下试验、物理模拟和数值模拟等研究方法,对薄层灰岩突水机理、评价方法、治理模式进行了深入研究,取得了如下研究成果:(1)通过地面抽水试验、井下多孔联合放水试验、井下简易探放水试验,研究了太灰上段含水层单层富水性特征、垂向富水性变化特征,认为:淮北6(10)煤开采主要突水水源为太灰上段L3~L4灰。太灰上段随埋深的增大,富水性逐渐减弱,提出在深部存在“高承压、弱富水”的水文地质条件环境。(2)通过分析太灰上段钻孔单位涌水量、钻孔涌水率,钻孔岩芯岩溶调查,确定了太灰上段岩溶发育类型:L1、L2灰为孔隙裂隙型岩溶;L3、L4灰为溶蚀裂隙网络型岩溶类型。研究发现随埋深增加,岩溶发育程度逐渐减弱,指出埋深变化和补给量变化,是影响岩溶发育、含水层富水性变化的主要因素。(3)通过分析淮北各矿区工作面突水特征,提出淮北薄层灰岩底板突水工作面具有“超压开采”的特点和“逢突必断”的规律性;突水量总体上与矿区太灰上段富水性分区特征基本吻合。突水工作面特征统计与分析,为研究确定不同水文地质条件的底板水害治理模式,提供了有力的依据。(4)在统计华北大水矿区薄层灰岩底板突水案例的基础上,发现以恒定的临界突水系数值预测不同厚度隔水层的突水危险性,与实际严重不符;研究了隔水层厚度对临界突水系数影响的力学机理,建立了临界突水系数随隔水层厚度变化的修正公式,丰富和发展了突水系数理论,提高了底板突水预测准确性。(5)采用RFPA2D-Flow数值模拟软件,建立不同隔水层厚度、相同突水系数的底板突水模型,模拟结果表明相同的突水系数前提条件下,隔水层厚度越小、突水危险性越大,与Ts-M法理论推导具有相似的特征。对比分析了单一软弱隔水层底板(泥岩)、与软硬互层隔水层裂隙发育特征;模拟结果显示,当煤层隔水层厚度突水系数相同,软硬互层组合结构岩体,其突水裂隙发育贯通的可能性更小。(6)通过断层突水相似材料模拟实验,发现断层突水过程中,断层(带)内水压、渗透系数呈现规律性变化:渗流启动阶段,水压先增大,然后保持基本不变,渗透系数基本不变;渗流转换阶段,水压迅速降低,渗透系数大幅增加;突水阶段,水压、渗透系数基本趋于稳定不变。据此,提出了断层突水的“渗压平衡”理论观点,解释了“渗压平衡”的机理,阐述了“渗压平衡”理论的工程实践意义,初步探索了以“渗压平衡”理论为基础的断层突水预测、监测预警方法。(7)通过煤矿现场断层压水试验、断层突水相似材料模拟实验、断层渗流理论分析,发现断层渗透系数与临界突水系数存在相关关系:断层临界突水系数TS随渗透系数K的增大,非线性减小。在上述研究的基础上,提出断层突水的评价方法—TS-K法,TS-K法弥补了突水系数法对构造破坏块段渗流特征研究的不足,为断层(带)突水预测、断层(带)注浆效果评价提供了依据。(8)提出了工作面为单元的“治水勘探”理念,凝练提出了“疏水降压、限压开采”、“局部注浆、抗压开采”、“全面注浆改造、抗压开采”三种底板水害治理模式,界定了各种治理模式的应用条件,规范了治理模式的技术要求,以具体的水害工程治理为案例,提出了“经济疏水量”、局部注浆综合评价技术,钻定向钻进技术等治理模式的关键技术,形成了不同治理模式的配套技术体系。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD745
【图文】：
图 2-2 淮北煤田构造纲要图（据屈争辉[172]）Figure 2-2 the tectonic outline map of HuaiBei mine（according to Qu zhenghui[17表2-2主要断层特征表Table 2-2 The main fault characteristic table名称 性质 走向 倾向 倾角（o） 落差（m）控程
涌水量 205 m3/h。L3未见溶洞记录，但少数钻漏水严重；L4有 3 个钻见溶孔裂隙，杨庄在-147.6m 见溶洞裂隙破碎带（07 观 11 孔），图 2-6。在-305多个溶洞直径 0.2m 以上（86 注 2 孔），-430m 见 0.1m 溶洞（#90-6 孔）。另巷道、钻孔、电法勘探资料表明，闸河矿区杨庄、朱庄井田内奥灰含水层均育有陷落柱。
统计宿县矿区桃园井田、祁南井田揭露太灰上段的地面孔 64 个，井下放水2 个，调查太灰上段溶洞、溶孔、岩溶裂隙发育特征。136 个统计钻孔揭露上段的钻孔资料未发现溶洞发育，溶蚀裂隙发育的钻孔 17 个，无岩溶发育孔 119 个，岩溶形态以溶蚀裂隙为主，图 2-7。
本文编号：2783683
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD745
【图文】：
图 2-2 淮北煤田构造纲要图（据屈争辉[172]）Figure 2-2 the tectonic outline map of HuaiBei mine（according to Qu zhenghui[17表2-2主要断层特征表Table 2-2 The main fault characteristic table名称 性质 走向 倾向 倾角（o） 落差（m）控程
涌水量 205 m3/h。L3未见溶洞记录，但少数钻漏水严重；L4有 3 个钻见溶孔裂隙，杨庄在-147.6m 见溶洞裂隙破碎带（07 观 11 孔），图 2-6。在-305多个溶洞直径 0.2m 以上（86 注 2 孔），-430m 见 0.1m 溶洞（#90-6 孔）。另巷道、钻孔、电法勘探资料表明，闸河矿区杨庄、朱庄井田内奥灰含水层均育有陷落柱。
统计宿县矿区桃园井田、祁南井田揭露太灰上段的地面孔 64 个，井下放水2 个，调查太灰上段溶洞、溶孔、岩溶裂隙发育特征。136 个统计钻孔揭露上段的钻孔资料未发现溶洞发育，溶蚀裂隙发育的钻孔 17 个，无岩溶发育孔 119 个，岩溶形态以溶蚀裂隙为主，图 2-7。
本文编号：2783683
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