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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

我国不同类别煤层顶板水害致灾机理与防控路径

2024-07-19



创新点

针对采动覆岩导水裂隙网络发育及顶板覆岩含水结构体水体迁移演化之间相互性和时变性诱发煤层顶板水害多元化发展的新形势,通过全面统计分析我国煤层顶板水害时空发育规律、水文地质和工程地质条件,将顶板水害划分为巨厚含水层涌(淋)水、薄基岩溃水溃砂、离层突水、天窗补给型突水、烧变岩水害5种类型,并基于统计数据形成地理区位分布特征,划分了突水致灾模式。通过建立力学概化模型,探讨了不同类型顶板水害启动灾变的临界条件及灾变机制,并在梳理现有顶板水害防控技术体系基础之上,展望了顶板水害治理领域未来发展的理念和技术导向,对于全面准确认识我国煤层顶板水害综合演变规律具有重要参考价值,对煤层顶板水害防治理念技术更新迭代具有一定的指导作用。

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我国不同类别煤层顶板水害致灾机理与防控路径

作者:曾一凡1, 2, 3 , 朱慧聪1, 2, 3 , 武 强1, 2, 3 , 王 皓, 郭小铭, 崔芳鹏1, 2, 3 , 庞振忠, 刘守强1, 2, 3 , 杨维弘1, 2, 3
单位:1. 中国矿业大学 (北京国家煤矿水害防治工程技术研究中心2. 矿山水防治与资源化利用国家矿山安全监察局重点实验室3. 矿业大学 (北京内蒙古研究院4. 中煤科工西安研究院 (集团有限公司5. 中国中煤能源集团有限公司
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

我国是世界上煤矿水文地质条件最复杂的国家。煤层顶板覆岩水文地质条件复杂多变,采动覆岩导水裂隙网络发育及顶板覆岩含水结构体水体迁移演化之间具备统一的相互性和时变性,极易诱发水运移路径的变迁和突涌水量的大梯度时空演变。近年来,伴随煤炭开发向深部延深及生产重心向西部转移,煤层顶板水害呈现多元化新趋势发展:巨厚基岩强富水性含水层引发采场大面积、持久性涌(淋)水现象;薄基岩弱胶结层扩充了采场涌水介质类型,水−砂耦合溃涌灾害逐步显现;薄弱隔水区采动劣化损伤,导致组合含水结构体间建立起畅通的水力联系,采场突水水源得到显著强化。可见,煤层顶板突水具有显著的独特性和危害性,致其成为我国尤其是西部煤炭生产基地的主要矿井灾害之一。
长期以来,领域内专家学者针对煤层顶板水害开展了大量研究,并在多因素耦合孕灾−致灾机理、多元化防控理念及技术等方面开展了有益探索。但是,新的经济社会发展趋势带动了新的资源开发模式和开发力度发生深刻转变,导致顶板水害逐步从传统模式中蜕变出来,新的突水模式日趋凸显,如天窗补给型突水、烧变岩水害等。同时,传统突水模式灾变因素及机理趋向复杂化,使煤层顶板水害发展趋势交叉多变,相应的机理研究和防治技术研发逐步成为前沿科学问题。
为了系统全面地认识煤层顶板水害,推广现有治理技术并探索新技术、新方向,笔者在全面分析近年来我国煤层顶板水害事故规律性发展趋势、地理区位展布特征及顶板充水含水层赋存条件、突水模式、动力特征、力学行为等基础上,系统划分了顶板水害的类型模式、特征、主要类别的致灾机理,梳理了现有顶板水害解危防控技术体系,并展望了未来顶板水害防治领域的发展路径和方向。

摘要
 ABSTRACT
我国是世界上成煤和赋存条件最复杂的国家,煤层顶板水文地质条件的多样性和复杂性,采动覆岩裂隙场与渗流场耦合的相互性和时变性以及煤层顶板突水的独特性和危害性,造成顶板水害是我国尤其是西部煤矿区的主要矿井灾害之一。为了更好地认识顶板水害和推广现有技术和探索新技术防控此类矿井灾害,在全面分析近年来我国煤层顶板水害事故规律与顶板充水含水层的赋存条件、突水模式、动力特征、力学行为等基础上,系统划分了顶板水害的类型、特征、主要类别的致灾机理及梳理了现有顶板水害的防治技术,并展望了未来顶板水害防治领域的发展方向。
研究发现:① 顶板水害主体架构包括巨厚基岩含水层涌(淋)水、薄基岩弱胶结层水−砂耦合溃涌、离层空间蓄水储能突水、天窗补给型突水、围岩烧变增透致突等5种类别,集中分布于秦岭—淮河沿线以北地区,陕、蒙、宁是顶板水害主要聚集地。② 采动诱发巨厚基岩含水层下覆岩原生裂隙互馈−贯通发育“Z”型离层空间,导致采场出现大面积涌(淋)水现象;基于复合关键层破断力学条件,阐明了薄基岩弱胶结层水−砂耦合溃涌致灾的动力源;构建了离层失稳突水临界判别准则,将离层突水划分为静载扰动、“动+静”载复合扰动、复合煤层开采重复扰动3种模式;红土隔水层缺失及红土薄弱区采动劣化损伤是产生天窗越流补给的主要根源;围岩烧变增透,孔隙度增大,接受临近水源补水后形成新的含水结构体,在采动诱发下烧变岩水涌入采场发生水害事故。③ 梳理了当前煤层顶板水害“探−放−治”三位一体的解危防控技术体系,提出了井上下共轭联动、钻−采(掘)高位协同地质勘探系统,以防治水“三区”划分为导向的地质保障工作,“煤−水−生态”多目标齐抓共管的绿色开采和防治水理念,以及数智化、透明化矿山水文地质灾害信息维护系统等未来发展方向。
部分图表






 1    我国顶板水害统计概况


 2    我国煤层顶板水害地理分布范围


 3    不同类型煤层顶板水害总览


 4    我国煤层顶板水害及诱因主体架构


 5    基岩厚度划分


 6    巨厚基岩含水层涌 (水特征相似材料试验结果


 7    上位岩层概化力学模型


 8    薄基岩水砂耦合溃涌地质模型


 9    离层下位岩层概化圆弧所在圆曲线


 10    离层下位岩层概化圆弧曲线

图16    顶板水害防治(工程)技术体系


图17    矿井水综合处置利用示意


作者简介


曾一凡,工学博士(后),中国矿业大学(北京)教授,博士生导师,国家“万人计划”青年拔尖人才。主要从事矿山水文和工程地质研究与工程实践工作,作为国家矿山局专家多次参加煤矿重大水灾事故调查和安全检查,先后主持国家自然科学基金3项、中国博士后基金2项、国家重点研发子课题1项及多项企业重点科研项目;作为项目骨干参与国家重大科研仪器、国家自然重点基金和中国工程院咨询项目等8项;完成80余个煤矿山防治水专项安全会诊和防治水技术服务。在EngineeringJournal of HydrologyMine Water and the Environment煤炭学报等权威期刊以第1或通讯作者发表SCI/EI论文30余篇,出版中英文著作6部(其中第一完成人出版英文著作2部)。参与修订2016版《煤矿安全规程》和编制2018版《煤矿防治水细则》,授权中国、美国等发明专利48项(其中美国等国际发明专利10余项)。获教育部等省部级奖18项(其中一等奖6项)、中国青年地质科技奖“金锤奖”、孙越崎青年科技奖和武汉市黄鹤英才创新人才等荣誉。兼任煤炭工业技术委员会水害防治专委会委员,国家煤矿水害防治工程技术研究中心技术委员会委员,自然资源部采煤沉陷区综合治理工程技术创新中心首席科学家,中国应急管理学会矿山应急与安全工作委员会副秘书长,中国地质学会矿山水防治与利用专业委员会副秘书长,中国水利学会地下水科学与工程专业委员会委员等职务;担任国际SCI期刊Mine Water and the Environment副主编、《煤炭学报》、《中国安全科学学报》、《煤田地质与勘探》、《煤炭科学技术》以及《煤炭工程》青年编委等学术职务。


研究方向

矿山水文地质


主要成果

主要从事矿山水文和工程地质研究与工程实践工作,主要学术贡献包括:提出针对顶底板水害危险性评价的“基于变权的三图双预测法”和“突水系数小于0.06MPa/m的底板突水评价方法”,发现并总结了“天窗补给型衍生式矿井动力突水新模式”,提出了“天窗补给型”衍生突水评价预测方法和防治技术体系;研发了井下钻孔物探超前探放水成套技术与系列装备(钻孔激发极化、钻孔电磁波层析成像和钻孔雷达);在底板水害治理方面,提出了基于古风化壳隔水性分区的奥灰高承压含水层区域注浆预治理技术;针对顶板水害防控,基于矿井安全与生态水资源保护等多目标超前疏放水等技术,提出了“煤--热”正效协同共采理论与技术体系,并在榆神煤田二期开展实验性工程示范。




来源:

曾一凡朱慧聪武强我国不同类别煤层顶板水害致灾机理与防控路径[J]. 煤炭学报202449(3):1539−1555.


  责任编辑:宫在芹
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