煤矿突水溃砂机理研究现状

煤矿突水溃砂机理研究现状

1矿井突水噬砂灾害机理所谓滑动沙是指在采矿准备期间，含砂量高的水砂混合液体进入地下车间，导致资产或员工损失。我国西北地区浅埋煤层开采过程中面临着突水溃砂的威胁,华东、华北等矿区开展的提高开采上限开采,缓解了煤炭资源的紧张,但突水溃砂事故也时有发生。矿井突水溃砂事故对煤矿正常生产的影响非常大,常造成泥沙淤塞工作面和巷道,掩埋机械设备,清理恢复极为困难,造成严重的经济损失。煤矿突水溃砂灾害的发生条件和机理复杂,与煤层上覆含水层的规模和性质、煤层、开采方式、覆岩厚度和强度、覆岩破坏形式等很多因素有关。目前,对煤矿开采溃砂灾害机理的研究虽然取得了一定进展。但是,由于对水砂混合物突涌灾害发生前后地质信息的分析不到位,不能及时准确地确定灾害的类型、规模等主要的工程地质特征,更不能提供快速有效的治理措施。因此,深入研究采掘溃砂机理,有针对性地提出防治措施,在保证安全的前提下降低成本,增加经济效益,对煤矿安全生产具有重要意义。2国内外研究现状2.1基于室内试验的抗突水治理机理研究煤矿突水溃砂机理的研究,主要是应用传统的试验方法和地下水动力学原理,常以临界水力坡度作为评判依据。近松散层下采掘会引起上覆岩层的移动与破坏,裂缝沟通上覆松散层形成溃砂通道,如图1所示。因此,覆岩变形破坏特征,特别是近松散层覆岩(风化岩体)的破坏规律,是采掘溃砂研究的认识基础。由于地下采掘工程具有隐蔽性,通过现场观测研究由采煤引起的溃砂机理和影响因素十分困难,所以很多学者借助室内模拟试验对溃砂机理进行探讨。梁燕等对第三系弱胶结砂岩底板突水突砂进行的室内试验,获得了不同试样突水的临界水压梯度;张敏江等采用室内试验研究了3种弱胶结的砂岩突水、涌砂的阶段性的特点;汤爱平等进行了某矿井弱胶结粉砂的突水涌砂机理研究并提出防治灾害的方法;张杰等通过不同岩块端角接触面高度滤砂试验,得出了满足裂隙滤砂的合理端角接触面高度;隋旺华等通过室内试验得出含水层内孔隙水压力发生变化,可以作为近松散含水层开采溃砂灾害预警和监测的前兆信息;隋旺华等通过模型试验得出含水层的初始水头和突砂口张开程度是控制矿井工作面突砂量的关键因素;杨伟峰也通过试验探讨了水砂混合流在运移过程中孔隙水压力变化的规律;许延春研究了上覆含黏砂土的流动性,认识到含黏砂土具有渗漏自愈性,漏斗出口直径是砂土是否稳定的关键因素。许多研究者从理论上对突水溃砂现象进行了解释,张玉军等、王世东等以地下水动力学为基本原理,建立了以渗透破坏的临界水力坡度为条件的预防突水溃砂发生的临界条件和预计公式;隋旺华等、蔡光桃等分析了在突水溃砂过程中,溃砂颗粒的受力情况,并建立了临界水力坡度的溃砂判别方法;伍永平等建立溃砂伪结构物理力学模型,以泥沙起动理论为基础,探讨溃砂发生时砂颗粒的受力情况,给出溃砂发生条件的理论表达式。2.2灭砂及充填技术针对煤矿采掘溃砂灾害发生的原因,在生产实践中逐步发展了一系列的防治措施。研究表明采动覆岩破坏通道和较高的初始地下水位是近松散层采掘溃砂的主要诱发因素,图2、图3是通道宽度和初始水压对溃砂量的影响,所以,减轻覆岩破坏程度和降低地下水位就成为预防采掘溃砂的2种重要手段。从减轻采动覆岩破坏的角度,采用了多种措施,来减少覆岩破坏,例如留设防水、防砂安全煤岩柱,条带开采、房柱开采等不完全开采措施或者井下充填技术等。从降低初始地下水位角度,采前疏排上部含水层中地下水是解决溃砂地质灾害有效的措施。在舒兰、淮南和兖州等矿区多采用井下钻孔疏放水、地面直通钻孔疏放水、巷道疏干等方式疏降松散含水层水位。此外,有些矿区也采取了注浆加固和铺设双抗网的手段来防治煤矿突水溃砂事故的发生。预测是溃砂防治的基础,溃砂预测主要包括,近松散层覆岩破坏高度、风化带抗渗透性能、含水砂层的临界水力坡度以及导水裂缝带导通产生的最大水力坡度及其随时间的变化等。目前,各种信息技术和数学方法,例如3S技术、可视化技术、地质建模技术和事故分析法等均被引入到煤矿溃水溃砂预测和安全评价。3关于井土壤侵蚀的研究存在问题和解决方案3.1噬砂过程和机理1)现阶段对溃砂机理的研究和探讨主要从传统的水文地质、工程地质的角度出发,重点是对近松散层覆岩的破坏规律、上覆岩土体的渗透特性、抗渗透能力进行研究,为开采上限决策提供依据,研究结果主要以宏观定性为主,对于溃砂可能性判别主要是基于传统的土力学的临界水力坡度的概念,判断标准也主要参考实践经验。由于对溃砂的发展过程至今没有详细的研究,所以,也没有建立起对溃砂过程预测的机理和溃砂量的计算方法。2)由于受试验条件和手段的限制,目前研究溃砂规律主要通过传感器监测松散层的水、土压力的变化来推断溃砂发生的过程和机理,由于室内试验装置和试验材料都是不透明的,所以无法获得溃砂发生时砂土体内部的变化过程,所得的试验现象及数据也难以全面解释溃砂发生的机理,制约了溃砂机制的深入研究。3)目前关于煤矿突水溃砂预测预警模型只是对上覆基岩厚度和松散含水层厚度等地质因素的分析,而通过少量的地质信息建立的预测评价模型不能准确地预测溃砂事故的发生,因为溃砂预测与评价需要涉及许多因素的综合评价分析,如上覆松散层的水压压力,采矿方法、顶板管理方法等,因此,在溃砂机理研究的基础上建立煤矿突水溃砂的预测模型是非常有意义的,将为煤矿突水溃砂进行预测预警,并辅助工作人员做出治理方案决策。3.2采砂异常成因的新方法、新对策综合采掘溃砂机制及防治预测方法的研究和存在的问题,笔者认为:采掘溃砂产生的机理与影响因素与一般意义的矿井水害不同,传统的突水防治规范、规程已经很难适应,需要引入新方法、新思路来研究采掘溃砂的问题。1颗粒流流动状态颗粒流是颗粒物质在外力作用和内部应力状况变化时发生的类似于流体的运动状态。由于溃砂发生时表现出颗粒流动的特征,所以以颗粒物质的流动行为研究为基础,研究溃砂过程中水砂混合流的流动特征,可以更深入地认识溃砂产生的机理。试验发现,颗粒物质的流动不同于液体和气体流动。颗粒物质流动主要受到颗粒速度、瓶颈开口、初始流量、边界条件、颗粒间流体、颗粒黏性等因素影响,其流动存在3种状态:稀疏流、密集流和堵塞状态,而且在一定条件下会发生流态转变[29,30,31,32,33,34,35]。J.C.Tasi等通过研究小角度情况下的稀疏颗粒流,指出影响颗粒流流动状态的主要因素是通道宽度和边界粗糙度。Pouliquen等在斜槽试验中观察到了颗粒尺寸不均匀时引起的“指进”流动。Beverloo等给出了密集流状态下出口尺寸与流量关系的经验公式。目前,由Cundall和Strake创立的颗粒离散元法(DEM)及颗粒流软件(PFC)已被广发的应用于岩土工程、采矿、地质灾害、砂土破坏及细观本构关系等多方面。2透明土体变形试验材料传统的室内模型试验测量只能获得土体宏观的变形和边界区域的变形,为了实现对上覆松散砂土体内部变形、渗流等可视化观测,已有很多学者使用透明土材料做模型试验。文献研究表明利用具有相同折射系数的无定形硅粉和孔隙流体合成的透明土在宏观上有着与天然黏土相似的岩土工程性质,此后研发了无定形硅胶及熔融石英来模拟砂土合成出人工透明土体,这2种透明土材料拥有相同的折射系数,因此,可以用这2种材料模拟层状地层,用熔融石英制作的透明土试验材料模型如图4所示。透明土试验采用数字图像处理确定颗粒移动变形特征,以解释土体移动变形机理。文献发明了一套与透明土相适应的变形测量系统,如图5所示。该系统可以利用激光散斑技术实现对透明土试验中的土体变形进行全空间的无损监测,可以监测土体内部任意位置的变形。充分认识采掘溃砂土体内部移动变形规律。4调整和深化地质成果下一步的研究目标是通过应用新的理论方法来获得对溃砂机制等采掘溃砂地质灾害研究中的薄弱环节的新认识,为防治采掘溃砂安全评判与决策、防治溃砂技术手段的革新与效果评判等提供理论和技术支撑。具体应包括:①基于颗粒流的突水溃砂流态转变研究及溃砂量计算;②溃砂过程机制、水砂混合物对裂隙和破碎岩体作用的透明土试验研究;③溃砂预测模型及溃砂防治工程效果评判的熵权模型研究。具体的研究途径是针对采掘溃砂地质灾害研究中的薄弱环节,通过颗粒流理论的指导、采用透明土试验技术,分析研究采掘溃砂机制、水砂混合物对岩体裂缝和破碎带岩体等出口通道的作用以及水砂混合物的运移规律,对溃砂机理进行深入研究,划分出突水溃砂流态类型,建立溃砂量计算方法,然后,通过现场收集的资料与试验结果的归纳整理,分析影响采掘溃砂事故发生的主要地质工程、水文地质条件,确定危险因子,建立煤矿突水溃砂事故概念模型,采用熵权法计算各危险因子的权重值,构造评判模型。对溃砂发生的可能性进行分级预测,并评判不同工程措施防治溃砂效果,作为选择溃砂防治措施的依据。5矿土研究技术对抗噬砂机制的指导意义在分析以往溃砂机理及预测防治研