试验研究基于渗透率演化在煤矿的突水风险和预防回填的讨论

文摘

煤炭开采引起的骨折经常发生在地质地层直到发生故障时,提供渠道水流。因此,有必要研究岩石的渗透率演化下的负载。钻孔取样是在基岩层进行下一个含水层,和砂岩的渗透率演化标本在不同围压下岩石力学测试中测试实验室。结果表明,增加围压渗透率逐渐降低,而峰值强度增加而增加的压力。发生在最小和最大渗透率砂岩标本受到弹性形变和应变软化阶段,分别。失败,和最大磁导率,这些砂岩标本不同时发生。为了防止流道形成由于岩石裂缝的发展和失败,回填采空区的方法,提出了回填裂缝发展的影响也进行了讨论。

1。介绍

在煤炭开采过程中,地层运动发生在矿井地面压力的影响进一步产生骨折(1- - - - - -3]。在这种背景下,输水渠道形成一次骨折相互连接,这样水的含水层流动开采面板中,造成突水(4,5]。近年来,有许多突水事故一个含水层下采煤引起的,导致经济损失和威胁着煤矿的安全生产6,7]。此外,骨折不断被开发和扩展,而渗透率根据不同采动应力的影响也不尽相同。因此,有必要探索在岩石渗透率的演化变形故障提供实验数据揭示了煤层在地下含水层的突水机理。

研究人员进行了大量的煤和岩石的渗透率实验研究[8- - - - - -12和数值方法13- - - - - -15]。杆菌等。16)提出了一个新的实用技术方法的评价水力传导率和在复杂的裂隙岩体隧道涌水量,用来评估水流入隧道计划沿着新建的高速公路项目。Bukharov和伊17)提出了一个方法确定骨折在硬岩石的渗透率在大坝渗流问题,和Zhang et al。18]研究脆性岩石的变形与渗透率之间的关系。Parisa [19]估计岩石的渗透率通过使用神经网络模型;王等人。20.]研究了透气性的特点运用低渗透性岩石三轴试验,时提供指导建设地下储油设施。郭et al。21)表明,岩石的渗透率与温度和压力呈正相关在研究温度对岩石的渗透性的影响。孟和李22)研究了高质量的煤的渗透率的变化。Głowacki和Selvadurai23)测试的渗透性石灰石在不同压力和提出了一个经验空间渗透性演化的模型。研究在渗流过程中岩石渗透率演化可以大大有助于揭示岩石的渗流机理。

此外,煤炭开采造成突水发生,通常是由于地层破碎煤炭开采期间,这将形成地下水的渗流通道。对于这个问题,提出了一些方法来控制在煤矿突水;同时,现场取得了良好的应用效果。李等人。24)发现了一个突水机制适合特定的地质和水文地质条件,应用灌浆控制措施。为了防止煤矿的突水,吴et al。25)提出了脆弱性指数方法通过耦合层次分析法和地理信息系统评价的突水风险。此外,煤层下组合结构,特别是在水体可以通过适当的规划优化提取煤的恢复和系统层控制调查(26]。然而,上述控制方法不能保证煤炭开采过程中地层的完整性,这将破坏生态环境和地下水。与此同时,一些研究可以结合岩石渗流和突水的机理,迄今缺乏关注的在基岩含水层的渗透性演化。

因此,本研究旨在调查岩层的水渗流机理,提出有效的控制方法。钻孔取样在基岩含水层测试进行不同围压下岩样的渗透率演化,揭示在开采煤层突水的原因。通过岩石渗流实验研究,岩石的渗透率演化和破坏过程之间的关系可以获得准确。最后,回填控制方法对预防煤矿water-inrush-induced灾害提出和讨论。

2。实验的细节

2.1。实验材料

砂岩标本被从基岩层回填面板煤矿在安徽省,中国。的煤矿矿井含水层明显影响,因为第四纪松散地层的底部含水层直接覆盖基岩层,下面没有隔水层。此外,煤层之间的最小距离回填面板和含水层为21.8 m。煤层是含水层的影响,不能发掘传统的采矿方法。含水层的厚度范围从6.12到39.19米的平均20.7米,和它包含的材料包括砂砾、粗燕麦粉、粘土质砾石,粗砂,中沙和粘土砂。眼前的屋顶是粉砂岩和细砂岩组成的高相关的湿和干燥的优势和平均厚度5.8米。核心进行了钻井回填面板测试基岩的渗流特点,提供实验数据,旨在防止未来突水含水层下采煤引起的风险。砂岩的矿物主要有长石、石英、高岭石、伊利石和绿泥石。它平均密度为2570公斤/米³。圆柱形标本测量直径50毫米,和100毫米高度,从大部分标本。

利用扫描电子显微镜(SEM),砂岩的微观结构260 x标本后,1400 x 2400 x放大了,如图1。大多数矿物粒子表现为不规则的块,它们是相互联系的;然而,有矿物粒子微观缺陷包括微孔隙和微裂隙。微孔隙和微裂隙表现出较低的抗拉和抗压强度与完整岩石相比,他们被认为是形成原始不变的流体渗流通道,允许标本(27]。

2.2。实验装置和测试方法

的渗流特征砂岩标本通过使用计算机控制的MTS815.03测试系统进行测试。最大轴向载荷是4600 kN。如图2,上下两端的每个标本受限多孔钢板,以确保统一的水压力施加在整个试样横截面和保证均匀液体渗透到标本的表面。上部和下部的水压力分别对上、下多孔板的标本。垂直孔分别是在多孔板的中心,这样水形成的流道。塑料绝缘套管、热收缩塑料套管,用于密封标本。

显示了渗流实验的基本机制如下:轴向压力 ,围压 ,和孔隙压力实施(保持 )然后孔隙压力 ,低端的标本,降低渗透压的差异( )可以建立整个试样的两端。因此,水被迫标本。

研究压力对砂岩的渗流特征的影响在不同埋藏深度,砂岩标本的围压力下的渗流特征4,6,8,分别测定10 MPa。此外,轴向应力对标本,然后,渗透的样品是通过使用下列公式计算28,29日]: 在哪里 , ,和数据采集是指行号,渗透压力之间的差异th和th线,分别。

在进行渗流实验之前,有必要提前标本完全饱和渗流过程是块状如果标本部分饱和;此外,圆柱形砂岩标本密封测试期间,或标本内的水与油混合在三轴细胞本身。

3所示。实验结果分析

轴向压力和渗透率之间的关系与砂岩在不同围压下的轴向应变图所示3:这是渗透率之间的相似和不同围压下轴向应变。在不同围压下,主微孔隙和微裂隙在砂岩致密化和关闭阶段标本达到弹性极限压力不断增加。此外,轴向应力和应变之间的线性关系:弹性变形之后,新裂缝砂岩样品开发和扩展,发生塑性变形。砂岩试件达到峰值强度后,压力迅速下降,表现出应变软化。此后,砂岩标本进一步扩张,直到达到他们的剩余强度。

由于主要的微孔隙和微裂隙砂岩标本成为强化和更加紧密的关闭压力增加在弹性变形阶段,渗透迅速下降。在塑性变形阶段,新的骨折快速开发和扩展和渗透砂岩试件达到极限强度后逐渐增加。然后是渗透率砂岩标本受损后达到最大值。此外,新裂缝砂岩标本中不断发展并最终失败发生,它可以不断地提供渠道水流。

图3表明,最小和最大渗透率砂岩标本受到时发生弹性变形阶段和应变软化阶段。此外,发生最大渗透率砂岩试件达到峰值强度后,暗示砂岩标本的失败不同时出现在达到最大渗透率。渗透率突然达到最大后砂岩标本完全损坏。在煤矿,一个渠道水流形成由于突变让水流面板,以便煤矿受到water-inrush-induced灾难,威胁着煤矿的安全开采。

最大渗透率之间的关系和砂岩的峰值强度与围压图所示4。逐渐的最大渗透率随围压增加而降低,峰值强度随着围压上升。当围压从4 MPa提高到10 MPa,标本的最大渗透率下降 μ米²来 μ米²在峰值强度从38.9 MPa提高到98.2 MPa。

4所示。讨论

根据压力和渗透率之间的关系,从变形到破坏过程可分为六个阶段(图5)[30.,31日]。六个阶段包括微裂隙的闭合(OA),弹性变形阶段(AB)、裂缝发育和扩展阶段(BC),快速发展的不稳定骨折(CD),应变软化阶段(DE)和残余强度阶段(EF)。

OA,主裂缝进一步被压缩,关闭这样的空隙体积试样整体降低,渗透率下降。在弹性变形阶段(AB),应变逐渐随压力增加而降低。此外,有一个近似的线性轴向应力和应变之间的关系和标本的渗透率逐渐增加。在裂缝的发展和扩展(BC),标本是经塑性变形后达到弹性极限和新骨折和关节出现压力增大,导致渗透率迅速增加。之后,在不稳定骨折快速发展阶段(CD)。在这个阶段,骨折和关节标本的快速开发和扩展后的试样达到屈服极限,直到标本完全破坏,通透性显著增加。在应变软化阶段(DE),标本内的骨折和关节逐渐损坏标本后达到峰值强度和应力逐渐降低到一个稳定的价值(剩余强度)增加压力。此外,渗透率迅速升至最大标本后达到峰值强度。在阶段(EF),标本受到应变软化后,有过压力和渗透率变化增加压力。

在煤矿突水图所示6。煤炭开采后,立即屋顶坍塌,形成一个屈服区上覆地层压力的影响下由于损失降低煤层的支持。相比之下,主屋顶逐渐走向的下部煤层裂缝逐渐扩展和内部应力达到极限强度时破裂。此外,沿着上覆地层破裂发展形成破碎区。屈服和断裂的区域形成了输水断裂区。一旦输水含水层裂隙带发展,流入的水通过连接板骨折引起的煤炭开采,造成上述突水。

从实验结果可以看出部分3的上覆地层逐渐沉没在煤层开采后,骨折在地层的影响下逐步发展并最终破裂压力引起的煤矿。随着地层在每一层被破坏,断裂形成的网格,因此多孔。含水层的水可以流到矿业委员会通过骨折和突水随之而来。

通过以上分析,可以推测的是控制地层的裂缝网格是必要的,以免形成一个连接含水层,并防止water-inrush-induced灾害。因此,采空区的面板可以通过使用回填材料回填煤层开采后,由于煤炭开采空间可以回填,回填材料(作为主要支持)被用来承担大量的表层,有效地限制了沉降的屋顶(32- - - - - -34]。因此,上覆地层主要是表示为弯曲下沉和骨折在有限的领域,它有效地降低输水裂隙带的高度,保证下煤层的安全开采含水层(35]。

已经提出,固体废物(煤矸石、粉煤灰和矿渣)回填到采空区控制地层移动和裂缝发展(36,37];固体充填开采的方法示意图如图7。调查勘探的发展在上覆地层断裂区固体充填开采,开采高度和压缩比的关系输水裂隙带的高度是通过回归使用SPSS统计分析软件35,38]: 在哪里指输水裂隙带的高度,是压缩比,是矿业的高度。

而压缩率代表的比例的最终沉降矿业的屋顶高度,压缩比越大,回填效果就越好。 在哪里指的是屋顶的最终沉降。

根据公式(2),挖掘高度和压缩比的关系的高度的输水派生断裂区,如图8。

如图8开采高度越低,压缩比越大,降低输水裂隙带的高度。因此,对于那些煤矿地质条件特殊,压缩比是一个关键因素在控制输水裂隙带的高度。此外,压缩比越大,越好回填效果和上覆地层的沉降越少,因此,输水区骨折不到达含水层,从而减少突水的风险。

为了监控输水裂隙带的高度在回填采矿面板中,两个监测钻孔回填上面钻孔和安装面板。钻井液是用来监测地层的裂缝发展。两个钻孔的深度1和钻孔2是295.0米,和最终的洞是在地板上煤层的层。挖掘回填面板后,地层位移和变形相对温和,和骨折的发展高度约为10.0米。同时,输水裂隙带的高度没有发展到含水层。监测结果表明,采用回填方法可以有效地减少开发的高度输水区骨折在地层下实现安全开采的含水层。

5。结论

本文旨在研究岩石的渗透率变化在加载和揭示的机制在煤矿突水含水层。为了实现这一目标,在基岩层钻孔取样进行了含水层的渗透性演化下砂岩标本在不同围压下了。

由于主要的微孔隙和微裂隙砂岩标本进一步被强化和关闭随着压力的增加在弹性变形阶段,渗透迅速下降。在塑性变形阶段,新的骨折快速开发和扩展:渗透率逐渐增加砂岩试件达到极限强度后,然后,渗透率突然达到最大值后砂岩标本完全损坏。此外,最小和最大渗透率砂岩标本时发生弹性形变和应变软化阶段。此外,最大渗透率砂岩试件达到峰值强度后出现,这意味着失败的砂岩标本没有发生的同时最大渗透率。

渗透率突然达到最大值后砂岩标本完全损坏。在煤矿,一个渠道水流形成由于突变使得水流面板和造成突水。回填的方法可以用来减少煤炭开采引起的裂缝发展和防止输水骨折区到达含水层,从而减少突水的风险。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

金融支持这项工作由全国博士后项目提供创新人才(BX20180361)、国家杰出青年科学基金(51725403),国家重点实验室的独立研究项目的煤炭资源安全开采,CUMT (SKLCRSM19X001)和江苏省高校自然科学基金(KJB440004)。

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