文摘

上海Datun孔庄煤矿能源有限公司有限公司是一个典型的煤矿在中国东部。煤矿工作面开采扰动的深导致的骨折和运动上覆地层的损害含水层上覆地层,造成突水灾害和构成严重威胁煤矿的安全生产。因此,时间和空间演化机制的输水骨折区孔庄煤矿上覆地层的研究系统。特别是,孔庄煤矿的水文地质条件和开采条件进行了分析;在此基础上,上覆地层的断裂和运动是由物理相似模拟试验,模拟和上覆地层的时空演化规则的孔庄煤矿。此外,开发“两带”高度衡量双头水关闭检测方法,和突水灾害的风险评估进行煤层顶板的孔庄煤矿。本文的研究成果表明,输水通道形成在# 7煤层的开采过程是最重要的冲水通道。第四系含水层水充电我间接通过基岩含水层,和大的砂质泥岩厚度是关键层控制输水断裂带的发展。同时,屈服区高度为26.7米,8.3倍的开采高度,断裂带的高度是68.3米,约等于16.26矿业的高度。# 1和# 2的结果在双头钻孔泄漏水关闭检测方法表明,输水裂隙带的高度是63.70米- 65.27米,和split-to-mining比率是15.17 - -15.54。 The water inrush risk of the coal seam roof shows that most of the 7436 working face is in the transition zone, and a small area around the cutting hole of the working face is in the relatively dangerous zone. Therefore, the innovation of this paper is that the temporal and spatial evolution mechanism of the water-conducting fractured zone of overlying strata in the Kongzhuang coal mine is revealed, which provides the theoretical guidance for the prediction and prevention of water inrush disaster in the coal mine with the similar mining conditions.

1。介绍

近年来,在中国东部浅煤矿资源逐渐枯竭,筋疲力尽,而深矿井资源极其丰富,因此矿业形势变化逐渐从浅矿山深部开采(1- - - - - -3]。目前,煤层的埋藏深度提取在中国增加的速度每年大约20米。此外,许多煤矿在深度超过1000米,超过初始概念深度。煤矿深部煤矿的典型特征是高地应力、地面温度高、高渗透压,大型采矿扰动(4- - - - - -6]。其中,高原位应力容易导致巷道底鼓发生等问题,屋顶倒塌,突水灾害。

例如,上海Datun孔庄煤矿能源有限公司有限公司是典型的深部煤矿之一。有多层砂岩厚关键层的屋顶深工作面关键层破坏的关键因素导致表层分离的水动力载荷的灾难,这对安全生产有不利影响(7- - - - - -9]。因此,有必要分析富水含水层的屋顶孔庄煤矿、关键层的断裂特征,“两个地区”的高度。具体地说,“两个地区”是指表土的屈服区和断裂区(10]。顶板突水的特征和演化规则的孔庄煤矿进行了研究。

许多学者研究的发展规律的输水断裂带和控制效果的主要关键层的输水断裂带。例如,徐et al。11)研究主关键层的位置的影响发展的水流骨折,采用理论分析、模拟实验、工程勘探,是用来进行Bulianta煤矿的突水保护,申东煤田。施等。12)描述了一种漂移模型下面的水迁移沿工作面巷道,发现“斑马骨折”提供水的主要通道,大量突水发生。基于深度的影响规律的研究关键层的高度上断裂勘探区,徐et al。13)提出了一种新的方法来预测勘探区骨折的高度位置的关键层和杰出的异常发展的高度支离破碎的输水区关键层结构变化引起的,由工程测量验证的结果。陈等人。14]研究了顶板涌水和屋顶运动的相关法律理论分析和现场测量的方法,提出屋顶水喷是预测和控制,根据水丰度和屋顶压裂的法则不稳定。基于extrathick煤层的赋存特征和富含水分Binchang矿区表土,高et al。15]分析了漯河厚砂岩含水层的故障特征在高强度开采利用数值模拟方法,提出突水的危险和综合控制技术组成的高度允许开采和减压。错过的条件或薄煤层直接顶不透水层和穷人出水量屋顶蓄水层的能力,在此基础上的“三maps-two预测”方法,屋顶蓄水层出水风险评价方法进一步研究了吴et al。16从两个方面,一个是屋顶屈服和断裂的程度,和其他屋顶含水层水产量的能力。根据勘探区域的计算高度,屋顶开裂的安全分区由曾庆红et al。(17),为输水裂隙带的高度计算公式得到符合实际情况的研究区域。然后,从基岩含水层突水的危险煤层的屋顶被结合的结果评估水丰度评价。太阳et al。18)确定我的屋顶激增的水源在陕西Jiaoping矿区一个雷区,水质分析的方法和发展高度的输水断裂带的分析;此外,富含水分的分析的基础上根据GI-variation系数法分离发展的风险分析,风险评价顶板突水的叠加分析。根据分区water-conducted骨折类型和渗流的力学分析或管流模型,曹et al。19]研究water-conducted裂缝分布模型的主要渠道和建立water-conducted骨折主要通道的分布模型的关键层的大小,它提供了一个理论基础的实现人工控制水流在water-conducted骨折的主要通道。杜et al。20.]探索断裂带的内部响应之间的关系发展和光纤检测数据通过将分布式光纤传感技术应用到相似模型试验,建立了内部应变曲线的形状之间的关系,水进行了断裂带的发展高度,关键层的活动。Yun Zhang et al。21)提出了短块煤炭开采技术和研究的发展规律输水断裂带在上覆岩层在采煤过程中,提供了一个提高煤炭资源回收率的重要参考和优化开采水资源保护的理论。郑et al。22)使用FLAC3D软件有限元软件来模拟和分析的高度的尺寸效应的输水骨折根据上覆岩层的特点在莘庄煤矿,表明输水断裂带的高度的增加呈正相关,开采厚度和工作面宽度。Zhang et al。23]分析了输水断裂带的高度之间的关系,每一个影响因素采用多元回归分析的方法,分析了拟合公式的输水断裂带的高度和每个因素,利用多元非线性回归分析。

很明显,发展法律的输水断裂带和控制效果的主要关键层在输水断裂带已被广泛研究在先前的研究成果。然而,时间和空间演化机制上覆地层的勘探区骨折煤矿深处,如孔庄煤矿,不是获得,应该系统地研究,这些研究成果的基础上。因此,在孔庄煤矿水文地质条件和开采条件进行了分析。国家岩石屈服应力的变化过程中挖掘由相似模拟试验研究。最后,发展“两带”高度的上覆岩层深部工作面被双头水关闭设备,从而为水灾害防治提供理论指导的孔庄煤矿。

2。地质条件和采矿条件

孔庄煤矿位于徐州城市,江苏省,中国,这是附加到上海Datun能源有限公司有限公司7303综采工作面位于中部和上部的III5孔庄煤矿矿区。工作面有-760米等高线在北方,一个斜槽7301工作面在南方,在东方KF13断层,行人的下坡III5矿区在西方。显然,孔庄煤矿7303综采工作面是一个典型的深部煤矿工作面。工作面是+ 33.38米的高度对应的地面高程,工作面的海拔是-641.6 ~ -764.7米。罢工的工作面长度是1015米,倾斜长度是205米。# 7煤层的厚度2.90 ~ 5.00米,平均厚度为3.20米。工作面煤层倾角的15°~ 25°,平均19°倾角。煤层的顶板泥岩,主要的屋顶是细砂岩、细砂岩是直接下。

冲水的主要来源,影响# 7深孔庄煤矿的煤炭开采砂岩水边界的低石河子形成和砂岩裂隙水的屋顶在山西的形成。7 #煤顶板砂岩裂隙含水层贫穷和裂缝发展不平衡,整体出水量较弱,和出水量深比浅的部分,一部分在砂岩含水层之间的距离底部的低石河子形成和煤层7小;输水断裂带可能影响这一层。

此外,冲水通道由采矿活动已成为最重要的矿井水冲水通道填充(24- - - - - -26]。第四纪底部含水层水可能间接填满我的通过提供基岩含水层,因此基岩含水层也成为矿井水通道填充。通过识别关键层24-47水井7303工作面,结果表明,粗砂岩(7.71米)64.76米的距离# 7煤是主要关键层,和泥岩(5.93米),泥岩(6.56米)27.75米的距离# 7煤和泥岩(7.65米)35.94米的距离7煤注册表子项层。砂质岩层很薄,砂质泥岩,厚度有明显的控制效果的输水断裂带的发展。

3所示。物理相似模拟表土失败

3.1。物理相似模拟试验

物理相似模拟试验是一个重要的研究方法,研究深部开采的表土失败,和理论原理的物理相似模拟试验是几何相似、运动相似,和动态相似。测试正在进行 ( )规范测试表。设计模型的高度为1900毫米,煤炭32毫米,厚度和底板厚度100毫米。为了研究上覆岩层断裂和迁移的特点和发展高度勘探断裂带# 7煤层开挖期间在孔庄煤矿。物理相似模型构建和挖掘沿着煤层的趋势。此外,物理相似模型是一步一步挖掘,和30厘米保护煤柱两侧保留。215厘米是发掘,相当于215工作面推进。

为了观察期间上覆岩层的位移变化的工作面,总共8调查行排列沿煤层顶板从下到上。调查8号线从煤层顶板是10厘米,测线7煤层顶板的30厘米,测线6煤层顶板是50厘米,测线从煤层顶5是70厘米,测线从煤层顶板4是90厘米,测线从煤层顶板3是110厘米,测线2是120厘米从煤层顶板和测线从煤层顶板1是140厘米。每个测量线安排14测量分沿着煤层的开采方向,和相邻测点之间的距离是20厘米。总共112位移测量点排列在整个模型。位移测量的点的布局和工作面是如图1和2。

开放的过程中切割孔的矿业215厘米,一步一步挖掘模型,并且每个矿业是4厘米,等于实际工作的推进面临4米。一次性开挖直接利用215厘米,等于215米长度的实际工作的脸。在开挖过程中,断裂特征和断裂发展上层表土的观察和记录,以及上覆的运动由数码相机监控。然后,通过计算机图像处理技术、数字图像处理、变化的整体位移矿业面临的上覆地层进行了分析。最后一次测量完成后进行的模拟采矿和地层运动的稳定性。

根据表土崩溃的分析形式与不同推进距离,有11个周期的屋顶期刊屋顶重量和平均体重这个实验步骤是16米。煤层开挖过程中,屋顶期刊重量的作用下,工作面经历了分离的屋顶,骨折,骨折在整个测试过程中,然后生成一个崩溃区。区大致梯形崩溃,其特征如图所示3。随着工作面连续推进,许多纵向和分离骨折出现在上覆地层的主要屋顶。输水断裂带的形成从低速到高速发展,和分离层断裂提供了一个生成的动态变化过程,扩张、收缩,关闭,如图4。

很明显,上覆含水岩层的输水渠道很难通过分离裂缝,因为分离收缩裂缝和密切与工作面推进,逐渐紧凑。输水通道主要由岩石裂缝,裂缝的发展是克制通过实施相应的措施在实际生产中,如图5。

进步的工作面,输水骨折区向上发展。为了直观地反映引水断裂带之间的关系和工作面推进距离,引水断裂带的分布曲线和工作面推进距离是根据测试数据。工作面进步到108米后,输水断裂带的发展高度显著增加。具体原因是大规模崩溃的屋顶。因此,抑制裂缝的发展,实施相应的措施在实际生产。工作面进步到155米时,勘探关键层断裂区发展,和发展的高度输水区骨折稳定在大约78.3米,不继续向上发展。这表明输水断裂带的最大发展高度约为78.3米,这是煤厚度的24.5倍。

3.2。分析上覆岩层位移定律

测线的垂直位移的变化曲线在煤层开挖如图86。测线间的垂直距离8和煤层的屋顶是10米。之前第一个屋顶重量发生在工作面,测量线8只是轻微变形。开挖的煤层,直接上的测点上屈服第8行产生很大的位移。随着开挖距离的增加工作面,在中间测点的测线达到最大沉降时,没有明显的变化,表明倒塌的屋顶逐渐压实的过程中前进。当工作面挖掘到215米,最大沉降观测线1是2.98米。

测线的垂直位移的变化曲线在煤层开挖如图77。垂直的直线距离7煤层的屋顶是30 m。沉降调查第7行通常是低于调查8号线,和地层的沉降空间变得越来越小,由于地层的崩溃。工作面先进到155米后,中间测点的测线7基本上不变形达到最大沉降后,这意味着较低的地层逐渐压实后推进到155米。当工作面挖掘到215米,最大沉降观测线1是2.36米。

测线的垂直位移的变化曲线在煤层开挖如图68。第6行之间的垂直距离和煤层的屋顶是50米。在工作面先进550之前,调查3号线只有轻微变形,表明矿业动态扰动没有影响推进前50米到230米。先进的140工作面时,测线的垂直位移值6变化很大,和最大沉降位移为0.82 m,这表明上覆岩层崩落区上覆地层的进一步压缩,和屋顶倒塌在一个大范围,导致上覆地层裂缝的快速向上发展,而中间的床上用品裂缝表土逐渐开始压实和关闭。的过程中逐步推进到215米,由于上覆地层的周期性断裂,垂直位移观测线的变化阶段,最后的最大沉降值是0.99。

测线的垂直位移的变化曲线在煤层开挖如图49。测线的垂直距离5和煤层的屋顶是90米。调查的整体沉降4号线略有变化。当4号线调查发掘155煤层,沉降量逐渐增加。煤层时挖到215米,沉降量不会大幅变化,最后的最大沉降值是0.32。因此,当煤层下测线4是挖掘到155米,只有分层裂缝发生,但没有发生破损。

4所示。开发高度测量上覆岩层的“两带”

4.1。双头水关闭指令

双头水关闭检测方法是一个重要的方法来测量的发展高度输水区骨折在上覆地层,其中包含两个胶袋和尾巴,和水出口孔在中间,和尾巴是连接到通过高压水管注水系统,如图10。具体来说,双头水关闭检测方法是用来选择适当的检测网站工作面周围挖和钻钻采空区上方的斜孔(27- - - - - -30.]。此外,为了获得的上限高度输水区骨折,双头水关闭装置是用来密封的钻孔注水在不同的部分,和每个部分的漏流测量钻孔。

注水系统包括一袋注水管道和注水管道测试,如图11。袋子里的水注水管道穿过入口压力安全阀①,阀门①,压力表①,减压安全阀②,最后,进入袋双头水通过出口管道关闭;袋子里的水注水管道穿过进水口通过压力安全阀③,阀门②,压力表②,流量计,压力安全阀④和,最后,通过水出口管道进入中间的双头水关闭设备。

从泵注水系统输出高压水(直接由高压水管井下)(31日- - - - - -33]。三通阀用于供应高压水包注水管道和注水管线测试,如图12。

白洞的双头的尾水关闭测试喷水孔,和银洞是袋子注水孔。双头的尾水关闭连接到钻杆使用白手起家的连接部分,如图13。

4.2。井下观测过程

自行设计的双头水关闭设备用于监视水井的水泄漏之前和之后的采矿和确定骨折的分布在每个开采后岩层。系统由双头水关闭,压力软管,观测平台,等等。观察设备和井下观测图所示14。观察钻孔# 2 1月14日,2022年,其次是钻孔# 1 4月22日和钻孔4月23 # 4。在井眼# 4的观察,发现一定量的水流动的设备,这被认为是断裂的袋子在推进过程中。

4.3。检测结果分析

当上覆地层的工作面不受损,平均注水流量的变化premining对比洞# 4约为7.34 L / min由于断裂的双头水关闭包在现场试验。根据实地观察,有大量泄漏的井深78米,泄漏是36.2升/分钟。这是因为发达的裂纹检测面积对比洞# 4,根据物理相似模拟试验的结果,有一个分离的泥岩64.55 # 7煤层。

注水损失79.5 ~ 84米范围的# 1井眼波动在5.75 ~ 6 L / min。比较与注水泄漏的相应部分# 4洞比较表明,地层在本节中不受损;注水泄漏范围的增加46.5米~ 78米的井深,这明显高于在前面的小节中,和泄漏达到5.5 ~ 10.6升/分钟,表明这段输水断裂带的顶部。因此,输水的位置上覆地层断裂带由# 1 78米深的坑,相应的岩石层9.97米厚的泥岩,屋顶和煤层的垂直高度为65.27米。

注水的漏孔# 2表明,泄漏波动在0.2到2.3 L / min的井深81.5到95米。比较的相应部分的泄漏# 4表明,地层对比洞在这一节中不受损;注水的漏孔的范围72.5 ~ 80 m深度明显高于前一节,和泄漏达到0.75 ~ 10.65升/分钟,表明本节骨折的输水。由于注水损失迅速增加在这一节中,岩层遭受严重损坏的这一部分,它已经进入了输水裂隙带。因此,最高边界的位置上覆地层的勘探断裂带由# 2孔的井深80米,垂直高度和煤层的顶部是63.7米。

总之,工作面开采后,上覆地层是受开采的影响,导致了大量新的骨折。# 1的漏孔是5.5 ~ 10.6升/分钟;# 2钻井损失通常是不到1 #钻探。# 4比较的泄漏孔是7.34 ~ 36.2 L / min。在施工期间,双头水塞的袋子破裂,导致大量泄漏。根据类似的模拟测试结果,泥岩的距离64.55米的# 7煤产生分离。结合先进的裂缝发展机制,大型泄漏的现象78米的井深是合理的解释。很明显,最大的输水骨折在7303工作面高度测量的范围63.70 - -65.27 m, fracture-mining比是15.17:15.54,如表所示1。

4.4。突水风险评估部门

屋顶的评价模型突水风险指数。基于AHP建立了7煤层。利用GIS强大的空间数据分析功能,每个专题地图叠加计算,突水风险的专题地图索引值的获得煤层顶板(34- - - - - -38]。使用自然分解方法,突水风险(TS)值的每个网格煤层顶板突水风险专题地图索引值计算和分级,以便获得最佳分类状态,实现集团内部最小的区别,最大的区别。分类结果如图15。

最好的突水危险指数(TS)各级分类阈值是0.36,0.44,0.51,和0.60,分别。根据各分类阈值,突水风险的屋顶。7煤层在研究区域分为五种类型,如表所示2。

根据分类结果,评估的风险区划图的突水的屋顶。7煤层在该地区,如图16。根据分区结果,大多数的7436工作面在过渡区,只有切口附近地区的洞是在相对较高的水平的危险地带。K33钻孔和周边地区在整个研究领域深入到危险地带的突水屋顶和需要谨慎。正常涌水量预计是15米³/小时,最大涌水量是30米³/ h在正常开采的工作面。

5。结论

本研究的优点是时间和空间演化机制的输水骨折区上覆地层的孔庄煤矿透露,和本研究的缺点是时间和空间演化机制的输水区骨折的上覆地层开采条件不清楚,应系统地研究。本研究的局限性,时间和空间演化机制的输水区骨折的上覆地层在其他采矿条件不研究。这项研究在实际项目的影响和未来发展的好处是,研究结果可以为预测和预防提供理论指导煤矿突水灾害。本研究的主要结论如下:(1)冲水的主要来源,影响# 7煤层砂岩水边界的低石河子形成和砂岩裂隙水的屋顶在山西的形成。冲水通道由采矿活动是我最重要的冲水通道冲水。粗砂岩(7.71米),64.76米的距离# 7煤,主关键层;泥岩(5.93米),泥岩(6.56米),也就是27.75米的距离# 7煤和泥岩(7.65米)35.94米的距离煤层7子关键层。砂质岩层很薄,砂质泥岩厚度大的发展具有明显的控制效果的输水断裂区(2)屈服区为26.7 m,开采高度的8.3倍。裂缝的高度是68.3米,开采高度的16.26倍。削减的崩落角是58.3,停止开采的崩落角线是57.2。随着工作面推进的,第一重之前裂纹密度值逐渐增加。在第一次加权,裂缝密度不断减少中间的采空区。“两个地区”的发展规律的表土7303工作面探测到监测井眼的损失。具体来说,自行设计双头堵水是用来检测两个区域的发展高度,提高井漏的观察方法(3)输水区骨折的高度确定准确的检测和分析。损失的结果# 1和# 2的水井表明,输水裂隙带的高度63.70 - -65.27米,split-mining比是15.17:15.54。利用GIS的方法和AHP(层次分析法),风险划分煤层顶板突水的深地区进行。结果表明,大部分的深工作面7436过渡区,和一个小面积的切削面更危险的区域。研究结果的预测和预防提供理论指导煤矿突水灾害

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

这项工作得到了国家自然科学基金(52004082,52004082,52274079),该项目为河南省高校科技创新团队(23 irtsthn005),河南省自然科学基金(222300420007)和河南省重点实验室项目的地下工程和防灾(河南理工大学)。