文摘

屋顶水灾害的预测和控制一直是煤炭资源的开采过程中的关键问题。随着开采深度的增加在西部矿区,上覆含水地层的冒顶和交流已导致越来越多的顶板突水事故和生产环境的恶化的工作面。针对屋顶水灾害预测的问题sandy-argillaceous结构地层Shanghaimiao矿区在中国,首先,建立了顶板突水的力学结构模型根据参数的工作面,和砂岩的厚度是作为主控地质因素;富含水分的公式推导计算强度上覆地层的矿区。其次,从“Breakage-arch”发展的高度扰动结合顶板突水的力学结构模型的相对位置关系“Breakage-arch”和含水地层进行了分析,并判断风险系数的新方法提出了顶板突水。最后,根据地质钻孔柱状图和现场条件的# 111084工作面。1我在Shanghaimiao矿区,富含水分指数和突水风险系数得到了上覆含水地层通过判别分析,和# 111084工作面突水风险的定量评估和预测。富含水分属性评价含水地层条件下的水文地质勘探程度低是准确、合理地评估,和一个新的评价方法在矿业提出了水的灾难。

1。介绍

中国侏罗纪可采煤炭资源占煤炭总储量的67%以上,主要分布在中国西部。在早期阶段,煤炭资源开采主要是浅矿业(1,2]。随着煤矿开采深度的增加,越来越多的事故,冒顶与上覆含水层,导致屋顶侵入灾难或生产环境恶化的工作面3- - - - - -5]。面对顶板突水灾害的日益严峻的形势,许多学者进行了大量研究并取得了很大的进步在顶板突水灾害的预测和治疗。包括吴院士的“三maps-two预测法”定量评价顶板突水条件(6]。李等人,张等。7,8)建立了数学模型,间接预测根据multi-information屋顶的水灾害综合分析地理信息系统(GIS)的方法。的概念的松散含水层的突水系数可能是孟等人提出的和高9,10]。风扇等。11)全面分裂的风险在Yushenfu矿区突水和沙子打破和评估的风险在矿区突水和沙子打破。易et al。12]预测工作面顶板突水可能性区域歧视的结果的基础上主要的关键层上覆岩层的位置。基于关键层位置的影响的发展高度引水断裂带,徐et al。13,14)提出了一种新的预测方法的高度引水区。

然而,顶板突水的条件和机制是复杂的。显然是不全面的只考虑是否输水的高度煤层开采造成断裂带触动屋顶蓄水层。当输水断裂带未能到达含水层,开采地层将打破二次扰动的影响下,和输水断裂带的扰动范围将相应地改变。因此,本文认为含水砂岩厚度的影响因素。根据上覆岩层之间的空间关系失败和上覆含水层影响采矿、歧视顶板突水可能性系数的方法提出一种验证在Shanghaimiao矿区工作面,中国。

2。空间结构的顶板突水模式

在推进的过程中煤炭开采的工作面,上覆地层的断裂和碎片在连续运动和发展,和含水层之间的相对位置关系和输水断裂带是常规;也就是说,它是由地层运动。因此,从煤层顶板突水研究应该关注岩石运动和关注的损害范围的过程中采场上覆岩层运动发展和空间范围和含水层之间的关系。

煤层上方的岩石地层可分为两部分:上覆岩层空间结构和外覆空间结构的一部分15]。表土的外部空间结构没有明显的岩层运动之外的“Breakage-arch”,这几乎没有对采场顶板的透水性的影响。进步的工作面,采场的悬挂空间越来越多,上覆地层断裂,和断裂位置从下到上交错,形成一个“Breakage-arch”直接影响采场的透水性屋顶(如图1)。“Breakage-arch”移动岩石结构叫做覆空间结构。一般来说,它可以被认为是高度发展的“Breakage-arch”引水断裂带的高度(16]。至于“Breakage-arch”之间的相对位置关系和含水层,“Breakage-arch”与含水层,立即发生突水。

一些学者认为,预防突水灾害的关键是澄清的位置含水岩层和富含水分的范围区域(17,18]。通过调整工作面长度和明挖洞的位置关系相对富水区域,它是确保了破碎岩层在进步中打断了工作面和不扩散到含水岩层。即使破碎岩层并不影响含水岩层,有可能突水的屋顶根据分离排水和静压突水(19]。

3所示。数值模拟的发展“Breakage-Arch”定律

工作面推进过程中,上覆岩层被挖掘,和“Breakage-arch”向上继续发展和扩大,导致大量的网络骨折,很容易引起采场突水。为了研究工作面长度之间的关系和发展高度的“Breakage-arch”,结合现场偷窥钻孔观测结果和在Shanghaimiao矿区勘探钻孔数据,FLAC^{3 d}建立了数值模拟模型(如图2)。模型尺寸 ,模型包含121875网格元素和146256节点,和模拟工作面开挖尺寸是150米,180米,210米,240米,分别。mc本构模型是用来描述机械响应下的表土紧张失败和不稳定。垂直应力和水平应力模型中的应用 MPa, MPa, MPa。煤和各种岩石的力学参数如表所示1。模型计算达到初始平衡后,工作面根据维度挖掘150米,180米,210米,240米和计算的默认平衡态软件获得的发展特征塑性区,如图3。

数值模拟结果表明,塑性区发展高度的增加而增加的宽度工作面。的测量和比较后,发展高度塑性区是工作面宽度的1/2。

4所示。判别分析顶板突水的可能性

含水层的给水度是衡量具体的收益。具体的收益越大,含水层的给水度越强,反之亦然。因此,特定的收益率可以直接反映含水层的富水性。根据工程实践,大多数煤矿地区的水文地质勘探程度很低,在中国泵(排水)测试的数量是有限的,单位涌水量的数据可以获得较少,不能充分反映含水层的富水性,以及高精度的评价和预测含水层的不能实现。因此,基于之前的研究,提出了一种新的方法来区分顶板突水的危险。

4.1。水丰富的指数

sandy-argillaceous沉积的岩性结构可分为两类:(1)砾岩岩石,粗砂岩、细砂岩和被称为砂质岩石(或脆性岩石),因为他们的粗颗粒和高脆性;(2)粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、碳质泥岩称为泥质岩石(或塑料岩石)因为他们的微粒和很强的可塑性。砂质岩石原生孔隙度大,容易产生大量的裂缝,这是主要的水存储空间。因为有某些地层中地层力学性能的差异,形成分离层的条件得到满足。在分离层的形成过程中,砂岩地层的裂隙水将继续收集到分离层。与分离收集水的增加,地层水会对其产生孔隙水压力和负载较低的岩层。这将导致低的断裂和不稳定岩层和工作面突水的形成。然而,有泥质岩层微粒和强大的可塑性sandy-argillaceous沉积结构层。失败可以承受一定的拉力,不容易产生裂缝,可以抑制水存储空间的扩张,阻碍了收集地层孔隙裂隙水的分离。因此,把相邻的泥质岩石覆盖关键层的顶部边界和边界和顶部之间的时间间隔的屋顶工作面有效研究区间,脆性岩石内的累积厚度的比例的有效研究间隔可以反映出上覆地层出水量。 在哪里水丰度指数(无量纲)是桑迪的累积厚度岩层内有效的学习间隔(m),然后呢邻泥质岩石之间的垂直距离是关键层上方的屋顶和工作面(m)。

4.2。突水可能性系数

突水的风险从屋顶是由“Breakage-arch”的高度和屋顶的水含量。干扰和破坏的范围越大含水层和强水丰富,突水的风险相对较高。为了定量评估的采场突水的可能性为间接充水含水层,介绍了突水可能性系数。在采场突水的概率是评估通过测量之间的安全距离输水断裂和上层含水层。不考虑其他因素,计算公式是(20.] 在哪里是前任的突水可能性系数(无量纲)是防水地层的厚度,即。,the distance between the coal seam roof and the upper aquifer (m), and的理论计算值是防水煤(岩)柱(m)。

有不同的物理和机械性能sandy-argillaceous沉积的地层结构,确定上覆岩层的下沉过程必须是不协调的运动。因此,分离空间生成,提供物理空间发展条件突水危险的水体,和主要分离层开发关键层以下。在工作面推进的,覆在主屋顶坏了,旋转,沉没。主要屋顶不断动态发展空间,形成了一个“Breakage-arch”结构在二维平面上,导致大量引水骨折。这增加的可能性连接输水断裂带的含水层。

不管上面的上覆岩层的笨重的性别主屋顶,表土的断裂和弯曲屋顶从主关键层有相似的形态。在变形的计算,它可以被视为一个multistrata环相同的中心,如图4。

根据几何关系图4, 在哪里(范围从1到 )最大沉降点的表土,除了直接的屋顶,地层上覆岩层的厚度吗(m),是表土的转向角(°),煤矿的高度(米),是直接顶板的厚度(m),是残余压碎扩张(无量纲),是发展的高度分离的最低点地层(m)。

随着分离的发展空间,邻近沙质地层孔隙水、裂隙水是不断收集分离层(如图5)。收集到的水施加额外的负载较低的地层的障碍。当外加负载超过不透水层的抗拉强度( ),很容易引起不稳定的屏障层,最后导致工作面突水。因此,根据离层的水之间的空间关系和“Breakage-arch”的发展高度的比例“Breakage-arch”的最低点高度集水分离层是作为歧视的基础上的。同时,突水可能性的歧视公式是通过组合关键层的位置和不透水层的抗拉强度:(1)从几何关系: (2)从应力状态: 在哪里是突水可能性系数(无量纲)的高度是分离的最低点(m),是发展的高度“Breakage-arch”(m),关键层的高度(米),的宽度是工作面(m),是比例系数, (无量纲)岩石的抗拉强度为不透水层(Pa),在分离地层水的密度(公斤/米³),重力加速度(约为9.8米/秒²)。

的价值就越大 ,更大的工作面突水的危险。当接近100%,这表明“Breakage-arch”和含水层的空间位置是无限接近(如图6)。不透水层是无限接近打破不稳定状态,这很容易导致工作面突水。

5。工程验证

5.1。项目的地质条件

Shanghaimiao没有。1煤矿位于etokeqian横幅,内蒙古。煤炭资源总量约为143亿吨。矿区是一个典型的砂泥质沉积形成的地质构造,地质剖面图如图7。侏罗系延安形成(J_{2 y})是一个含煤地层,由侏罗纪Zhiluo形成覆盖(J_{2 z}白垩纪),加之集团(K_{1 zd}),和底层三叠纪三叠系(T_{3 y})。

5.2。含水层和水产量

的主要含水层Shanghaimiao没有。1煤矿是白垩纪砾岩含水层,侏罗系延安形成砂岩含水层,侏罗纪Zhiluo形成砂岩含水层。(1)的平均厚度含水层段侏罗纪Zhiluo形成砂岩是41.0米,水的高度水平+ 1220 ~ + 1252 m,渗透系数为0.05 ~ 0.35 m / d,和特定的产量是0.017 ~ 0.015 L / (s·m)(2)白垩纪砾岩含水层的平均厚度为64.5 m,水位的高度是+ 1240 ~ + 1269 m,渗透系数为0.049 ~ 0.341 m / d,和特定的产量是0.047 ~ 0.341 L / (s·m)(3)侏罗纪延安形成的含水层组砂岩孔隙(裂缝)水,渗透系数为0.0029 ~ 0.1970 m / d,和特定的产量是0.0027 ~ 0.0281 L / (s·m)

煤层# 8的最大开采高度是3.8米,工作面长度为220米,最大厚度的防水安全煤(岩)柱是20米。根据钻井数据(图8显示了一些钻井数据)和水产量指数的计算公式(1),富含水分的等值线图指数# 111084工作面得到(如图9)。

5.3。在工作面突水的可能性屋顶

以# 111084工作面地质条件为例,# z1水文观测井的水位变化工作面突水位置附近的测量,如图10。(1)在分离的水储存空间:Zhiluo形成的水位下降了13.59米被0 ~ 110 m先进后(数据从7月13日到7月31日)(2)在弯曲的形成区:进步是110 ~ 140,表土沉降发生,水位上升了0.972米(数据从7月31日到8月5日)(3)突水:推进到141米时,引水裂缝破坏工作面上方的密闭空间分离和突水发生。最大的水量是2000米³/ h,水位下降29.12米

根据现场观测数据,# 111084工作面突水的条件,有必要预测unmin地区突水的可能性。

关键层的位置和直接顶板的厚度是决定根据地质钻孔柱状图。水份结合指数和使用判别方程(6)和(8)的突水系数可能性,上覆含水层的突水的可能性在111084工作面开采期间没有。1我在Shanghaimiao矿区是评估。由于岩性的差异直接屋顶,粉碎膨胀系数的值范围波动在1.15和1.4之间(21]。突水可能性系数计算和坐标导入冲浪者12.0获得等值线图(如图11)的突水系数的可能性。等高线图充满了渐变的颜色基于数值区间。其中,red-filled表明这是一个伟大的一部分的可能性“Breakage-arch”联系了这个地区含水层。green-filled区域表明“Breakage-arch”联系含水层的可能性是非常小的。指的是“三系”法采空区积水的区域( )充满了黄色,这属于预警范围。

与已有结果相比,(20.),本文主要修改的歧视方法富含水分指数和工作面突水的可能性。煤层的开采参数包括时,预测系数是积极的,系数的波动范围是10 ~ 80 +,预测结果的准确性高,和系数的变化范围很大。拥有相同的地理坐标时,图(11日)预测结果的等值线图绘制之前使用突水可能性指数法来修正,和图吗11 (b)预测结果的等值线图绘制通过判别方程(2)和方程(3摘要)。比较表明,修改后的歧视本文方法具有良好的预测精度和改善的可行性突水可能性预测分区。

6。结论

(1)丰富的水沙泥质沉积地层结构参差不齐。砂层的厚度的比例在整个上覆岩层作为主要的指数评价水丰度。结合工作面的参数和突水的表土结构模型,建立了出水量的评价方法(2)的评价和预测水损坏的屋顶的工作面条件下的砂泥质沉积结构层,破坏范围的“Breakage-arch”蓄水层和含水层的水屈服强度是全面考虑。结合工作面参数和残余膨胀系数直接屋顶,歧视的可能性提出了突水系数公式(3)根据本文提出的新的歧视公式富含水分指数表土和突水系数的可能性,并在# 111084工作面突水的可能性是定量评估和预测。它意识到水丰富的科学评估和突水的可能性沙泥质沉积地层结构条件下的水文地质勘探程度低

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

我们感谢中国国家自然科学基金会的资金支持(51974174),山东省优秀青年基金(ZR2019YQ26),大学重点科研计划项目(科技)山东(J18K2010),源创新计划(18 - 2号- 2 - 68 - jch),和山东省自然科学基金(没有。ZR2018MEE001)。