新上海一號煤礦頂板離層攜泥砂突水機理試驗探討

                  論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:碩博論文網 點擊次數:
                  論文字數:56566 論文編號:sb2022111011513849629 日期:2022-12-01 來源:碩博論文網

                  本文是一篇工程碩士論文,本文通過選取含水層厚度、砂地比、統一口徑單位涌水量以及滲透系數4個指標,結合層次分析法確定各因素權重,采用GIS軟件構建了直羅組含水層富水性的評價模型,得到工作面突水位置處直羅組含水層富水性相對于整個大巷北翼屬于中等。
                  1 緒論
                  1.1 選題背景及研究意義
                  作為“富煤、貧油、少氣”的國家,煤炭能源是我國的基礎能源,在能源生產消費中占據主導地位。根據《中國可持續能源發展戰略》研究報告,至2050年煤炭占我國一次能源消耗比重50%以上。因此煤炭行業的安全發展是中國國民經濟持續又快速發展的關鍵之一。侏羅紀煤炭資源儲量豐富,在我國煤炭資源總量中占據重大比例,主要集中在內蒙古、陜西、甘肅、寧夏四省區以及新疆北部。隨著我國東部礦區以石炭二疊紀煤為主體的煤炭資源逐步枯竭,西北部以侏羅紀煤為主的煤炭資源戰略地位更顯重要。西北侏羅紀煤田煤層厚度大、覆巖強度較低,近年來,隨著西北侏羅紀煤田開發規模和強度增大,侏羅系煤田礦井水害頻發,離層水害問題尤其嚴重。如2016年4月25日,陜西銅川照金煤礦202工作面回采過程中發生突水潰砂事故,總水量約32267m3,攜帶泥沙量1680.45m3,釀成11人死亡的惡性事故。由此可見,頂板離層水害機理與防治的研究是西北部礦區安全生產的關鍵。
                  2014年7月27日內蒙古上海廟礦區新上海一號煤礦111084工作面發生嚴重的頂板離層突水事故,瞬時水量達2000m3/h,總出水量約23.3萬m3,潰出的泥沙量3.58萬m3;該次突水造成了工作面被泥沙掩埋,對礦井正常生產活動造成極為嚴重的影響,也造成巨大的經濟損失。延安組8煤是該礦主采煤層之一,出于礦井安全生產考慮,有必要對新上海一號煤礦離層涌水機理進行研究。
                  相比其他煤礦曾發生過的離層水害,新上海一號煤礦111084工作面離層突水表現出間歇性突水和突水攜帶大量泥沙的特點。此外,新上海一號煤礦是上海廟礦區首期建設的礦井,開采侏羅系煤層,水文地質條件及水害類型具有一定代表性,可為區域內其它礦井及國內類似地質條件受離層水害威脅的礦井提供借鑒和重要參考,也對豐富我國離層水害防治技術具有重要的理論研究和實踐指導意義。
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                  1.2 國內外研究現狀
                  1.2.1 覆巖采動導水裂隙帶發育規律研究現狀
                  采動影響下上覆巖層的豎向導水裂隙作為頂板水主要導水通道,一直是我國學者的重點研究對象。
                  80年代以前,許多礦區開展了大量的裂高孔現場觀測和試驗性研究工作,在現場觀測資料和試驗性研究的基礎上,總結出不同類型覆巖條件下,煤層開采厚度和導水裂隙帶高度的關系,并指導實際生產。該階段仍以經驗積累為主,研究重點擴展到覆巖巖體工程地質環境和巖體力學環境[1]。
                  80年代至今,導水裂隙帶的研究取得了許多重要成果,并開始引入損傷力學、彈塑性力學、流變力學等理論,研究重點不再限于地質構造、地層巖性和水文特征等地質條件,更向巖體力學特性、時間效應、動態分析拓展,數值模擬和物理模擬也應用廣泛,研究的深度不僅僅局限于覆巖移動變形和破壞,而從覆巖變形破壞過程、影響因素等方面探討導水裂隙帶的形成機制,并進行有效的預測以指導實際生產。
                  劉天泉院士提出覆巖破壞學說,按照長臂開采后,覆巖的變形破壞特征和導水性,將頂板覆巖劃分為“三帶”,即自下而上分別為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[2]。各帶范圍取決于覆巖地質條件、巖性、地應力、煤層和直接頂厚度[3],許多學者通過實測、物理模擬和數值模擬驗證了這一理論[4-14]。
                  康永華[15]對比研究了中硬覆巖厚煤層開采條件下不同采煤方法對導水裂隙帶高度和性態的影響,提出可通過減小初次開采厚度來降低導水裂隙帶發育高度,減小覆巖擾動量。
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                  2 研究區概況
                  2.1 井田概況
                  新上海一號礦井于2008年5月21日正式開工建設,礦井資源量5.19億噸,可采儲量3.37億噸,可采煤層10層,設計生產能力400萬噸/年,服務年限60.2年。井田開拓方式為中部立井多水平開拓,采用走向長臂一次采全高綜采采煤法。自煤礦籌建至今,主要開采煤層為侏羅系延安組5煤、8煤和15煤。近20年主要開采煤層為侏羅系延安組5煤、8煤、15煤、16煤和18煤,其中侏羅系延安組5煤和8煤為先期開采的主采煤層。
                  2.1.1 交通位置
                  新上海一號煤礦位于內蒙古自治區鄂托克前旗境內,距內蒙古自治區鄂托克前旗約74km,行政區劃屬鄂托克前旗上海廟鎮管轄。井田呈南北條帶狀展布,井田南北長約12.5km,東西寬2.0-3.5km,井田面積26.6043km2,見圖2-1。井田南部與青銀高速公路相連,北部與寧夏省道203公路相接,西至銀川、東接包茂高速的敖-銀公路,橫貫東西、南北相連的公路交通網絡已經基本形成。上海廟礦區鐵路專用線北接東勝—烏海鐵路的三北羊場車站,交匯于太原—中衛—銀川鐵路上的古窯子車站??v觀全區,井田交通發達,煤炭外運便利。

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                  2.2 工作面概況
                  8煤為新上海一號煤礦前期的主采煤層,目前井田范圍內8煤工作面主要分布在大巷北翼,共有7個工作面;一分區8煤工作面4個,其中113081、113082和111082工作面已經回采完畢;111084工作面因突水事故造成工作面被泥沙掩埋,暫?;夭?;二分區8煤工作面3個,其中211082與211083工作面暫未回采,211081工作面目前處于回采的準備階段。

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                  111084工作面位于井田東部,工作面長1868m,寬203.7m,開采侏羅系延安組8煤,煤層平均厚度2.9m,工作面標高+903.13-+949.63m;東側111082工作面長度1880m,寬度210m,煤層平均厚度3.5m,開采期間最大涌水量約5m3/h,于2013年回采完畢,兩個工作面之間留設煤柱20m,見圖2-4。工作面范圍內構造簡單,未揭露斷層。
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                  3 煤層開采頂板覆巖裂隙發育規律 ................................ 24
                  3.1 111084工作面覆巖發育特征 .......................... 24
                  3.2 111084工作面導水裂隙帶發育高度 ........................... 34
                  3.3 111084工作面離層發育位置研究 ............................... 36
                  4 突水全過程中水位變化特征 ................................... 47
                  4.1 突水過程分析 ....................... 47
                  4.2 111084工作面直羅組含水層富水性研究 ................... 48
                  4.3 直羅組水位變化分析 ............................... 52
                  5 111084工作面攜泥砂突水機理試驗研究 ................................ 63
                  5.1 111084工作面攜泥砂突水物源層位分析 ........................... 63
                  5.2 直羅組底板砂巖巖性特性實驗 ......................... 67
                  5.3 攜泥砂突水試驗模擬 .................................. 67
                  6 采動覆巖離層攜泥砂突水危險性預測
                  6.1 離層攜泥砂突水危險性分區單因素分析
                  結合5.4章節對離層攜泥砂突水機理的研究,以新上海一號煤礦的地質條件為基礎,確定以下幾個因素作為研究區離層攜泥砂突水危險性的指標。
                  1)煤層開采厚度
                  覆巖離層的產生是由于工作面開采擾動形成的。煤層開采厚度越大,其對覆巖的擾動越大,導水裂隙帶發育越高,形成的離層空間越大,更容易形成離層突水。
                  2)保護層厚度
                  保護層厚度即煤層頂板導水裂隙帶與離層的間距,保護層厚度越大,導水通道越難以形成,離層突水的危險性就越低。
                  3)直羅組含水層富水性指數
                  直羅組含水層作為8煤頂板離層空間的補給水源,其含水層的富水性影響了離層積水的大小與涌突水的強度。含水層的富水性越強,離層積水的水量越多,涌水量越大,工作面上覆的弱膠結砂巖分解成泥砂的速率越高,發生攜泥砂突水的概率越高。
                  4)直羅組底部覆巖弱膠結砂巖層厚度
                  突水所攜帶的泥砂是直羅組底部覆巖中的弱膠結砂巖層在強水動力條件下的分解、泥砂化形成的,因此羅組底部覆巖的弱膠結砂巖層厚度越大,突水所攜帶的泥砂量越多,越容易形成攜泥砂突水。
                  根據礦區勘探資料,統計離層攜泥砂突水危險性有關的各因素的數據,見表6-1。各因素分區圖見圖6-1、6-2、6-3與6-4。

                  工程碩士論文參考
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                  7 結論與展望
                  7.1 結論
                  本文以新上海一號煤礦111084工作面的突水實例為研究對象,在分析礦井水文地質與工程地質條件基礎上,采用室內試驗、理論分析、數值模擬、物理模擬和統計方法等,開展了111084工作面采動覆巖離層攜泥砂突水機理研究,并對二分區水害開展了預測分區,得出以下幾點結論:
                  1)111084工作面8煤頂板到直羅組底的間距在35-50m之間,泥質巖類占比大于砂質巖類;其頂部發育較厚的泥巖隔水層。直羅組厚度在78-149m之間,泥質巖類占比大于砂質巖類;下部發育厚層的砂巖含水層,其內部呈砂泥互層的特點。
                  2)基于規范公式及相鄰工作面實測值,得到111084工作面的導水裂隙帶高度為34.89m。根據關鍵層理論,確定主關鍵層均為志丹群下部厚層礫巖,亞關鍵層則大多位于在直羅組中下部的厚層砂巖與延安組上部的厚層砂質泥巖。結合111084工作面覆巖發育特征與導水裂隙帶發育高度,確定可積水離層分別發育在白堊系志丹群底部主關鍵層與直羅組下部亞關鍵層之下?;诎鍞嗔褜?11084工作面的覆巖破斷距進行分析,得出主關鍵層均不發生破斷,離層上覆的亞關鍵層的極限破斷距在107.75-132.77m之間,周期破斷距在106.39-130.22m之間。通過離散元數值模擬得到:直羅組下部亞關鍵層下的離層形成于工作面推進至80m時,在工作面推進至140m處時發育至極限;白堊系底部主關鍵層下產生離層形成于工作面推進至100m時。
                  3)111084工作面共發生4次突水,突水強度依次減弱、突水間隔時間依次增長;確定突水的主要水源為直羅組含水層,突水離層為直羅組厚層砂巖(亞關鍵層)下發育的離層;結合覆巖裂隙發育規律,通過Z1與Z3鉆孔直羅組含水層突水-水位的聯動分析,驗證了覆巖離層發育與含水層水位變化的同步演化過程。
                  參考文獻(略)


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