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承壓水弱面突破與控水采煤 版權信息
- ISBN：9787030694232
- 條形碼：9787030694232 ; 978-7-03-069423-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
承壓水弱面突破與控水采煤 本書特色
本書可供從事采礦、安全等領域的科技工作者、高等院校相關專業師 生參考。
承壓水弱面突破與控水采煤 內容簡介
我國煤炭開發逐漸進入深部，承壓水上安全開采問題突出，本書主要從承壓水體上開采的基本概念、研究意義和現狀出發，介紹了煤層底板突水的物源基礎，基于突水現象分析了底板突水的主控因素，提出了“承壓水的弱面突破”概念和理論，闡述了“承壓水體上精準控水開采”技術理念，從工程化視角介紹了承壓水體上采煤“立體探查一透明地質一弱面圈定一精準評價一避害設計一弱面增厚一動壓控制—智能監測”的科學實踐體系。從防治底板突水的實踐理念、基本途徑、綜合開采體系、防治水技術體系等方面論述了承壓水體上采煤的綜合預防和治理技術。 本書可供從事采礦、安全等領域的科技工作者、高等院校相關專業師生參考。
承壓水弱面突破與控水采煤 目錄
目錄
前言
第1章 概述 1
1.1 承壓水體上采煤的基本概念 1
1.2 承壓水上采煤研究的意義 6
1.3 承壓水上采煤的研究概況 7
1.3.1 國外研究概況 7
1.3.2 國內研究概況 9
1.4 承壓水上采煤的研究趨勢 19
第2章 底板突水的物源基礎與主控因素 22
2.1 可溶巖石與巖溶作用 22
2.2 華北地區灰巖的分布規律 23
2.3 底板突水現象 26
2.3.1 薄隔水層弱面區的突水現象 26
2.3.2 構造弱面區的突水現象 33
2.4 灰巖含水層及其突水初識 41
2.4.1 灰巖含水層區域的富水特征 41
2.4.2 灰巖含水層富水的不均一性特征 42
2.4.3 構造控水特征 43
2.4.4 滯后突水特征 45
2.4.5 深部礦井底板突水的特征 46
2.5 底板突水的主控因素 47
2.5.1 底板突水的主控因素體系 47
2.5.2 底板突水的主控因素作用 48
2.5.3 礦區底板突水主控因素的實例分析 55
第3章 承壓水弱面突破機理 61
3.1 基本概念與特征 61
3.1.1 基本概念 61
3.1.2 基本特征 61
3.2 采動影響下底板弱面的形成機理 64
3.2.1 采動滑移作用下的底板破壞機理 64
3.2.2 采動卸荷作用下的底板弱面破壞機理 73
3.2.3 采動卸荷作用下底板弱面承壓導升破壞的機理 83
3.3 底板弱面突水機理與滲透性分布特征 89
3.3.1 底板弱面突水機理 89
3.3.2 底板完整弱面的滲透性分布特征 103
3.4 底板弱面突水的數值模擬 110
3.4.1 數值模擬方案 110
3.4.2 底板弱面突水的數值模擬結果 112
3.5 底板完整弱面突水的相似模擬 139
3.5.1 相似模擬模型 140
3.5.2 實驗過程 142
3.5.3 相似模擬結果 143
3.6 底板破壞帶與應力應變監測 149
3.6.1 監測方法 149
3.6.2 鉆孔孔位設計 149
3.6.3 注水試驗鉆孔數據分析 150
3.6.4 應力應變試驗的鉆孔數據分析 152
第4章 承壓水體上采煤安全性的評價方法 157
4.1 突水系數法 157
4.2 阻水系數法 161
4.2.1 阻水系數計算 161
4.2.2 測試方法與原理 163
4.3 承壓水體上安全煤巖柱留設法 167
4.3.1 承壓水上允許的采動等級 167
4.3.2 承壓水上防水安全煤巖柱的留設 167
4.4 脆弱性指數法 169
4.5 深部開采PSO-SVM評價法 177
4.5.1 深部分界點的界定 177
4.5.2 深部煤層底板破壞深度的數學模型 186
4.5.3 深部煤層底板突水危險性預測的PSO優化SVM模型 189
第5章 承壓水體上精準控水采煤技術 196
5.1 技術內涵與框架 196
5.1.1 技術內涵 196
5.1.2 技術框架 197
5.2 承壓水體上采煤的綜合精準探查 198
5.2.1 地球物理勘探方法 198
5.2.2 鉆探勘查技術 200
5.2.3 突水水源的精準判別技術 201
5.3 透明地質體構建與弱面區的精準圈定 212
5.3.1 透明地質體構建 212
5.3.2 弱面區的精準圈定 214
5.4 承壓水體上采煤的精準評價 214
5.5 承壓水體上采煤的避害設計 215
5.6 承壓水體上采煤的弱面注漿增厚 215
5.6.1 弱面注漿增厚的原則 215
5.6.2 弱面注漿增厚實現的注漿方法 216
5.6.3 巖溶承壓水害的區域治理技術 222
5.7 礦山壓力的主動精準卸壓 237
5.7.1 煤層采動后頂底板的應力一致性 237
5.7.2 頂底板壓力的主動卸壓 239
5.8 承壓水體上采煤的精準監測 240
5.8.1 礦山壓力及動力事件的精準監測 241
5.8.2 巖溶含水層水文信息的精準監測 244
第6章 承壓水體上采煤的綜合防治體系 248
6.1 防治底板突水的基本理念與途徑 248
6.1.1 底板水害防治理念 248
6.1.2 底板水害解危的基本途徑 250
6.2 承壓水體上采煤的綜合開采體系 262
6.2.1 綜合開采體系 262
6.2.2 承壓水體上采煤的開采方法 264
6.2.3 承壓水體上采煤開采方法的選擇 268
6.3 底板水害防治技術體系 270
主要參考文獻 273
前言
第1章 概述 1
1.1 承壓水體上采煤的基本概念 1
1.2 承壓水上采煤研究的意義 6
1.3 承壓水上采煤的研究概況 7
1.3.1 國外研究概況 7
1.3.2 國內研究概況 9
1.4 承壓水上采煤的研究趨勢 19
第2章 底板突水的物源基礎與主控因素 22
2.1 可溶巖石與巖溶作用 22
2.2 華北地區灰巖的分布規律 23
2.3 底板突水現象 26
2.3.1 薄隔水層弱面區的突水現象 26
2.3.2 構造弱面區的突水現象 33
2.4 灰巖含水層及其突水初識 41
2.4.1 灰巖含水層區域的富水特征 41
2.4.2 灰巖含水層富水的不均一性特征 42
2.4.3 構造控水特征 43
2.4.4 滯后突水特征 45
2.4.5 深部礦井底板突水的特征 46
2.5 底板突水的主控因素 47
2.5.1 底板突水的主控因素體系 47
2.5.2 底板突水的主控因素作用 48
2.5.3 礦區底板突水主控因素的實例分析 55
第3章 承壓水弱面突破機理 61
3.1 基本概念與特征 61
3.1.1 基本概念 61
3.1.2 基本特征 61
3.2 采動影響下底板弱面的形成機理 64
3.2.1 采動滑移作用下的底板破壞機理 64
3.2.2 采動卸荷作用下的底板弱面破壞機理 73
3.2.3 采動卸荷作用下底板弱面承壓導升破壞的機理 83
3.3 底板弱面突水機理與滲透性分布特征 89
3.3.1 底板弱面突水機理 89
3.3.2 底板完整弱面的滲透性分布特征 103
3.4 底板弱面突水的數值模擬 110
3.4.1 數值模擬方案 110
3.4.2 底板弱面突水的數值模擬結果 112
3.5 底板完整弱面突水的相似模擬 139
3.5.1 相似模擬模型 140
3.5.2 實驗過程 142
3.5.3 相似模擬結果 143
3.6 底板破壞帶與應力應變監測 149
3.6.1 監測方法 149
3.6.2 鉆孔孔位設計 149
3.6.3 注水試驗鉆孔數據分析 150
3.6.4 應力應變試驗的鉆孔數據分析 152
第4章 承壓水體上采煤安全性的評價方法 157
4.1 突水系數法 157
4.2 阻水系數法 161
4.2.1 阻水系數計算 161
4.2.2 測試方法與原理 163
4.3 承壓水體上安全煤巖柱留設法 167
4.3.1 承壓水上允許的采動等級 167
4.3.2 承壓水上防水安全煤巖柱的留設 167
4.4 脆弱性指數法 169
4.5 深部開采PSO-SVM評價法 177
4.5.1 深部分界點的界定 177
4.5.2 深部煤層底板破壞深度的數學模型 186
4.5.3 深部煤層底板突水危險性預測的PSO優化SVM模型 189
第5章 承壓水體上精準控水采煤技術 196
5.1 技術內涵與框架 196
5.1.1 技術內涵 196
5.1.2 技術框架 197
5.2 承壓水體上采煤的綜合精準探查 198
5.2.1 地球物理勘探方法 198
5.2.2 鉆探勘查技術 200
5.2.3 突水水源的精準判別技術 201
5.3 透明地質體構建與弱面區的精準圈定 212
5.3.1 透明地質體構建 212
5.3.2 弱面區的精準圈定 214
5.4 承壓水體上采煤的精準評價 214
5.5 承壓水體上采煤的避害設計 215
5.6 承壓水體上采煤的弱面注漿增厚 215
5.6.1 弱面注漿增厚的原則 215
5.6.2 弱面注漿增厚實現的注漿方法 216
5.6.3 巖溶承壓水害的區域治理技術 222
5.7 礦山壓力的主動精準卸壓 237
5.7.1 煤層采動后頂底板的應力一致性 237
5.7.2 頂底板壓力的主動卸壓 239
5.8 承壓水體上采煤的精準監測 240
5.8.1 礦山壓力及動力事件的精準監測 241
5.8.2 巖溶含水層水文信息的精準監測 244
第6章 承壓水體上采煤的綜合防治體系 248
6.1 防治底板突水的基本理念與途徑 248
6.1.1 底板水害防治理念 248
6.1.2 底板水害解危的基本途徑 250
6.2 承壓水體上采煤的綜合開采體系 262
6.2.1 綜合開采體系 262
6.2.2 承壓水體上采煤的開采方法 264
6.2.3 承壓水體上采煤開采方法的選擇 268
6.3 底板水害防治技術體系 270
主要參考文獻 273
展開全部
承壓水弱面突破與控水采煤 節選
第1章 概述 1.1 承壓水體上采煤的基本概念 1.底板承壓水 賦存和運動于煤層底板巖溶地層空間中具有承壓性質的水體叫作煤層底板巖溶承壓水。它是以巖溶、裂隙和裂隙-巖溶三種方式存在的承壓狀態水體，其特點是具有垂直分帶性和水平不均一性。我國北方地區常見的有奧陶紀灰巖和石炭二疊紀薄層灰巖，南方地區則沉積長興灰巖、茅口灰巖等。 2.承壓水體上采煤 對分布于承壓含水體(層)之上且開采水平在帶壓水位線以下煤層的開采稱為承壓水體上采煤。 3.承壓水體頂界面 地下承壓含水體(層)的頂部界面。 4.煤層底板涌(突)水 煤層底板的承壓水在水壓、礦壓等因素的作用下，克服煤層和巖溶含水層之間相對隔水層的巖體強度及節理、斷層等結構面的阻力，通過在底板巖體內形成的破壞弱面構成的導水通道，以緩發、滯發或突發的方式涌入巷道或采場的現象稱為底板涌(突)水。 5.下三帶 承壓水體上采煤時，在水壓和礦壓的聯合作用下，煤層底板自上而下依次形成采動導水破壞帶、阻水帶(完整巖層帶)和承壓水原始導升帶，即“下三帶”。 6.底板采動導水破壞帶 煤層底板巖層受采動影響而產生的采動導水裂隙的范圍稱為底板采動導水破壞帶，其深度為自煤層底板至采動破壞*深處法線的距離。 7.承壓水原始導升帶 煤層底板承壓含水層的水在水壓力作用下上升到其上覆巖層中的范圍稱為承壓水原始導升帶。 8.阻水帶 煤層底板采動導水破壞帶以下、底板含水體或原始導升帶頂界面以上具有阻水能力的完整巖層的范圍稱為阻水帶。 9.承壓水二次導升帶 煤層底板承壓含水層的水在水壓力和礦壓的聯合作用下發生二次導升，使承壓水體進一步上升到其上覆巖層中的范圍稱為承壓水二次導升帶。 10.煤層底板的相對隔水層 煤層與承壓含水層頂界面之間的地層稱為煤層底板的相對隔水層。它不同于傳統的隔水層，其組成的地層可以是泥巖等塑性巖地層，也可以是砂巖等脆性巖地層，塑性巖和脆性巖互相組合形成了既具有隔水能力又具有抗壓能力的地層組，它是承壓水體上采煤的隔水-抗壓關鍵層。 11.底板有效隔水層 煤層底板相對隔水層的總厚度與采動導水破壞帶深度和承壓水導升高度的差值稱為有效隔水層厚度，其厚度等同于底板完整巖層帶厚度。 12.有效隔水層等效厚度 隔水層由不同巖性的巖層組成，其隔水-阻水性能不同，采用等值系數將各種巖性地層的阻水能力標準化，有效隔水層中各巖層標準化后的厚度稱為有效隔水層等效厚度。 13.等值系數 等值系數值見表1-1，可用下列公式計算： (1-1) 式中，為選擇標準單位厚度(如泥巖)的隔水-阻水作用值；為與相比質量不同而單位厚度相同巖層的隔水-阻水作用值；為值相對于值的等值系數。 表1-1等值系數表 14.巖溶含水層頂部充填帶 巖溶石灰巖含水層頂部的孔隙、裂隙、溶隙等被上覆地層的泥砂等沉積物充填了的巖層區段稱為巖溶含水層頂部充填帶。灰巖含水層頂界面的風化殼常被充填從而形成風化充填帶。 15.突水系數 突水系數是水壓值與隔水層厚度的比值，即 (1-2) 式中，T為突水系數，MPa/m；P為水壓力值，MPa；M為隔水層厚度，m。 我國部分礦區的突水系數經驗值見表1-2。 表1-2部分礦區的突水系數經驗值 16.帶壓開采 帶壓開采是指煤層底板巖溶含水層中承壓水頭的高度高于回采工作面標高條件下的開采。 17.疏水降壓采煤 通過疏放承壓含水層的靜、動儲量，降低承壓水的水頭值，以達到減小煤層底板隔水巖體所承受的水壓的目的，該方法稱為疏水降壓采煤。 18.疏干開采 對封閉型水文單元或當含水層富水性較弱時，在可疏性良好的條件下，對工作面底板巖溶含水層的承壓水疏干后再回采的方法稱為疏干開采。 19.巖溶動態承壓水面 煤層底板巖溶水面在工作面前方的超前壓力壓縮段內潛入隔水層一定高度，形成采動過程中的巖溶動態承壓水面。 20.安全水頭值 隔水層能承受含水層的*大水頭壓力值稱為安全水頭值。 21.阻水系數 阻水系數法是由現場鉆孔水力壓裂法實測的單位底板隔水巖層的平均阻水能力，其表達式為 (1-3) 式中，Z為阻水系數，MPa/m；R為裂縫擴展半徑，一般可取40～50m；Pb為巖體破裂壓力，與地應力和巖體抗張強度有關，MPa。 22.底板防水安全煤巖柱 為防止底板巖溶承壓水進入掘采工作面的底板巖層稱為底板防水安全煤巖柱。 23.脆弱性指數 脆弱性指數是指礦區內某一具體區塊的各種影響因素對底板涌(突)水危險性產生的影響總和。它可用VI(vulnerability index)模型表示： (1-4) 式中，VI為脆弱性指數；為底板突水主控因素的影響權重；為單因素影響值函數；為地理坐標；為影響因素總數。 24.承壓水弱面突破 巖溶承壓水在水壓和礦壓的聯合作用下，通過薄隔水層區、構造裂隙等弱面突入掘采工作面的現象稱為承壓水弱面突破。 25.底板控水采煤 通過采取優化采區接續設計和工作面參數等，選擇底板采動影響小的采煤方法，實施礦壓控制等綜合技術措施，達到承壓水上開采工作面不突水或少涌水的采煤技術體系稱為煤層底板控水采煤。 26.隔水層加固 通過注漿的方式對底板相對隔水層的孔隙、裂隙等進行加固的方法稱為隔水層加固。 27.含水層改造 通過注漿的方式對巖溶承壓水含水層的孔隙、裂隙、溶隙等進行改造的方法稱為含水層改造。可以對含水層的整體或一部分進行注漿改造，變含水層為相對隔水層。 28.承壓水體上控壓增厚采煤 通過實施水力壓裂等卸壓工程，控制礦壓的集中顯現，削弱礦壓自頂板向底板的傳導力度，同時通過注漿方法加固隔水層、改造含水層以增加底板隔水層的厚度，*終實現承壓水上安全開采的技術稱為控壓增厚采煤技術。 29.水害區域治理 采用定向鉆進技術在承壓含水層內施加水平長鉆孔，通過注漿的方式阻斷承壓水導水通道或改造含水層，從而實現較大面積礦區的底板水害的整體治理稱為水害區域治理。依據施工場所和裝備的不同，可分為地面和井下區域治理兩類。 30.水平定向鉆進 利用鉆孔自然彎曲規律或采用專用工具使近水平鉆孔的軌跡按設計要求延伸鉆進至預定目標的一種鉆探方法稱為水平定向鉆進(horizontal directional drilling，HDD)。 31.隨鉆測量 鉆具姿態隨鉆測量是指鉆進過程中測量鉆具的傾角、方位和工具面三個與鉆具姿態相關的參數。 32.隨鉆測井 地層評價隨鉆測井是通過各種裝置測量地層的電阻率、自然伽馬、中子孔隙度、體積密度等地質參數，實時獲得地層巖性及所含流體的狀況，以用于勘探、開采等目的。 1.2 承壓水上采煤研究的意義 我國原煤產量位居世界**，煤炭占我國一次能源消費的59%左右，因此煤炭的安全生產對國民經濟的健康有序發展極其重要。但是，我國煤礦水文地質條件整體上十分復雜，且95%的煤礦屬井工開采，開采歷史悠久，水害類型多樣，諸多因素給水害防治工作增加了較大的難度。*近二十年，煤炭工業發展迅猛，特別是綜采、綜放開采方法的普及，使煤炭資源獲得了大規模、高強度、大采深的開發，這無疑加劇了煤礦底板水害問題的復雜性。 我國灰巖巖溶(karst)的分布很廣，面積大約為200萬km2，約占全國陸地總面積的20%，有60%的煤礦受到不同程度的底板巖溶承壓水的威脅，底板水害的分布面積和嚴重程度均居世界主要采煤國之首。 華北型煤田主采石炭二疊紀煤層，普遍缺失上奧陶統、志留系、泥盆系及下石炭統，石炭二疊紀地層直接沉積于中奧陶統之上，中奧陶統巨厚灰巖簡稱“奧灰”。華北型煤田東起徐州、淄博，西至陜西渭北，北起遼寧南部、山西大同、內蒙古準格爾，南至淮南、平頂山一帶，有數十個煤田受到灰巖巖溶水的影響。華北型底板水害礦區自南至北主要有安徽的淮南、淮北，江蘇的徐州、大屯，山東的淄博、肥城、新汶、萊蕪、棗莊、兗州，河南的平頂山、永城、新密、豫西、焦作、鶴壁、安陽，陜西的渭北，山西霍州、軒崗、西山、朔州、大同，河北的井陘、邯鄲、峰峰、邢臺、開灤、蔚縣，內蒙古的準格爾、烏海，遼寧的本溪、南票，吉林的通化等，灰巖巖溶水資源豐富，含水性強，補給條件充沛。經過近幾十年的開采，不少礦區的淺部煤炭資源已經開采完畢，逐漸進入下組煤和深部開采，有些礦井的水壓值已達10MPa以上，部分礦井雖然水壓小，但煤層與承壓含水層之間的隔水層僅有10～20m，因此超薄隔水底板上采煤的情況不斷涌現，突水危險性不斷增大。 我國南方的一些主要礦區，如漣邵、南桐、天府、中梁山、合山、韶關、東昌、萍鄉、豐城等地，在主要開采煤層的底板下面有110～220m厚的含水豐富的茅口灰巖，這對煤礦開采構成了嚴重威脅。 開采實踐表明，巖溶承壓水率先從底板“弱面”開始突破，從而形成每分鐘幾方至上千方的涌水。這些“弱面”既可以是超薄的相對隔水層區段，也可以是斷層、陷落柱等地質構造區段。據統計，由斷層等地質構造引起的開采工作面或掘進巷道中的突水占突水總數的80%以上，且滯后型突水多于突發型突水，工作面回采突水多于掘進巷道突水。例如，1984年6月2日，開灤范各莊煤礦2171
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