采空区充水过程水位变化特征及影响因素研究.pdf
《采空区充水过程水位变化特征及影响因素研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《采空区充水过程水位变化特征及影响因素研究.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、1804factors during water filling in goafJ.Safety in Coal Mines,2023,54(9):180-186.移动扫码阅读GAO Xin,DENG Cunbao,XING Yuzhong.Research on water level variation characteristics and influencing54(9):180-186.高鑫,邓存水过程水位变化特征及系研分全.2023SafetyinCoal MinesSep.20232023年9 月煤防发全No.9Vol.54第9 期第5 4 卷DOI:10.13347/ki.mk
2、aq.2023.09.024采空区充水过程水位变化特征及影响因素研究高鑫1 2,邓存宝,邢玉忠1.21.太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西太原0 3 0 0 2 4 2.山西省煤矿安全研究生教育创新中心,山西太原0 3 0 0 2摘要:影响矿井突水水位的重要因素有突水强度、矿井巷道和矿井采空区;为研究矿井突水后采空区充水过程中的内部水位变化特征及影响因素,搭建了实验平台,进行采空区充水实验研究。结果表明:在研石对水流的阻滞作用下,采空区充水过程分为初期水流蔓延阶段和后续充水阶段,整个过程中近工作面处水位较高而深部水位较低,水面出现坡度且随时间逐渐减小;采空区充水率随时间增长且近似二次函数
3、变化,突水量和矿井空间结构是影响充水过程的重要因素。关键词:矿井突水;水位;相似模拟;变化特征;影响因素中图分类号:TD745文献标志码:A文章编号:1 0 0 3-4 9 6 X(2 0 2 3)0 9-0 1 8 0-0 7Research on water level variation characteristics and influencing factors during water filling in goafGAO Xin2,DENG Cunbao,XING Yuzhong1,2(1.College of Safety and Emergency Management En
4、gineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Center of Shanxi Mine Safety for Graduate Education Innovation,Taiyuan 030024,China)Abstract:The important factors that affect the water inrush level in mines are the intensity of water inrush,mine roadways and minegoafs.In order to s
5、tudy the characteristics and influencing factors of internal water level changes in the process of water filling ingoafs after mine water inrush,an experimental platform was built to conduct experimental research on water filling in goafs.The res-ults show that:under the blocking effect of gangue on
6、 water flow,the water filling process of the goaf is divided into the initial wa-ter flow spreading stage and the subsequent water filling stage.In the whole process,the water level near the working face is higherwhile the deep water level is lower,and the water surface slope appears and gradually d
7、ecreases with time;the water filling rate ofgoaf increases with time and approximates a quadratic function change.Water inrush and mine spatial structure are important factorsaffecting the water filling process.Key words:mine water inrush;water level;similar simulation;variation features;influencing
8、 factors随着煤矿开采深度的增加,井下水文地质条件日益复杂,突水事故危害日益严重,一旦发生突水事故,往往会造成巨额财产损失和大量人员伤亡;突水后避难与救援等相关工作的开展很大程度上取决于矿井水位发展情况,有效的矿井突水水位预测及水灾路径搜索手段具有重要意义1-3 。目前,以基于图论及网络理论的研究为主;马恒等 4 以巷道交叉点的标高为搜索权重提出了水流下向、上向蔓延路径搜索算法,并应用于未来时间段的突水范围和水位标高点预测;蔡明杰等 5 采用无向图和邻接表对矿井巷道网络进行描述和存储,使用优化SPFA算法进行了单源路线搜索;于丹等 6 结合随时间变化的水位高度对逃生路径选择的影响,建立了
9、以巷道初始当量长度与危险性程度为衡量最优路径的权值时变数学模型,并结合改进的Dijkstra算法进行求解,优化后的模型收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 9责任编辑:庚馨杰基金项目:国家自然科学基金-山西煤基低碳联合基金重点支持资助项目(U1710258)作者简介:高鑫(1 9 9 8),男,山西大同人,硕士研究生,研究方向为矿井灾害防治。E-mail:7 9 3 8 7 7 5 1 6 q q.c o m181SafetyinCoal MinesSep.20232023年9 月煤砺发全No.9Vo1.54第9 期第5 4 卷更能反映突水时巷道内的实际情景。突水强度、矿井巷道和矿井采空区是影
10、响矿井突水水位发展的重要因素,采空区具有不同于巷道空间的孔隙结构,突水涌入采空区后的流动过程将不同于其在巷道内的流动情况,且将对矿井水位的上升过程起到重要影响 7-8 。综上,为研究突水后采空区充水过程中的内部水位变化特征及其影响因素,以高河能源E1305工作面为工程背景,以单个采空区为切人点设计了采空区充水实验;研究成果对矿井突水水位变化发展研究具有一定的借鉴意义。1采空区充水实验研究1.1采空区两带发育及储水结构特征采空区两带结构示意图如图1。曲下沉带裂隙带0000000000000000跨落000000000000000000500000图1 买采空区两带结构示意图Fig.1Schema
11、tic diagram of two-zone structure of goaf煤层开采过程中,工作面的持续推进使得顶板悬顶跨度逐渐增大,挠曲变形逐渐加剧,直接顶岩层下沉并发生断裂、垮落、充填;随着工作面的持续推进,上覆岩层裂隙逐渐发育扩展,最终形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带;裂隙带位于垮落带之上,关键层切分成块且整体跨落,跨落带内的岩体破碎成块度不一的散体,并发生堆积,体积较原体积有所增大,使其内部具有大量的孔隙结构,从而发挥主要的储水作用 9-1 。中硬覆岩下较厚煤层综放开采形成的垮落带及导水裂隙带高度可由式(1)和式(2)计算 1 2 :100MHk=4.71(1)0.49M+19.1
12、2100MHi=11.49(2)0.26M+6.88式中:H为垮落带高度,m;M为煤层厚度,m;H 为裂隙带高度,m。跨落带未完全充水及完全充水状态示意图如图2。顶板落带媒层(a)垮落带未完全充水状态顶板跨落带媒层(b)垮落带完全充水状态图2垮落带未完全充水及完全充水状态示意图Fig.2Schematic diagrams of caving zone not fully filledwithwaterand fullyfilledwith water矿井发生突水时,水位上升至煤层底板标高后水流涌人工作面采空区,并主要对垮落带内的孔隙结构进行充填,此过程即为采空区的充水过程;由于内部研石的阻滞
13、作用,水流在采空区的流动情况将与其在巷道等无阻碍空间的流动情况有着显著不同,这就导致采空区出现外部水位快速上升,而内部水位低于外部水位,且自由水面出现坡度的情况;可以预知的是,在充水完成后,水面坡度减小,但该过程的具体水流蔓延情况、水位变化特征、突水强度以及空间结构对该过程的影响尚不明确。1.2研究背景选取璐安集团高河能源E1305工作面为研究背景,该工作面采用走向长壁、后退式综放一次采全高采煤法,主采煤层为二叠系山西组3 煤层,煤层回采厚度稳定且构造简单;一般倾角为315,平均倾角为5,可视作近水平煤层。3 煤层顶板、底板岩层柱状图如图3。工作面落带最高高度为3 3.5 m,破碎的岩石散体体
14、积相较原本岩体明显变大的现象即为岩体的碎胀特性,常用破碎后体积与原体积之比,即碎胀系数表示 1 3 。岩体的碎胀系数满足式(3):VRIkp=VRo(3)式中:kp为碎胀系数;Vr为破碎后体积,m;Vro为原体积,m。182SafetyinCoal MinesSep.20232023年9 月煤防发全No.9Vol.54第9 期第5 4 卷层序均厚/m柱状岩性713.3粉砂岩:局部夹砂质泥岩67.2砂质泥岩:夹细砂条带51.9泥岩:水平纹理,含碳屑46.43#煤层:主采煤层32.9粉砂岩28.9细砂岩117.1砂质泥岩图3 3*煤层顶板、底板岩层柱状图Fig.3Column diagram of
15、 roof and floor of No.3 coal seam岩体的碎胀受到埋深、岩性、厚度等条件的多方面影响,对于由下及上为泥岩、砂质泥岩、砂岩这类分布情况的顶板,覆岩垮落后下部岩石散体的块度相对较小,而碎胀系数则相对较大 1 4 ;结合E1305工作面顶板岩性,泥岩、砂质泥岩和粉砂岩是垮落带的主要堆积岩石。1.3实验装置为高效模拟采空区的充水过程,简化实验复杂程度,将所研究采空区以外的部分简化为1 个整体结构,使用底部尺寸为2 0 0 mm200mm的亚克力材质水箱作为替代物。水箱一侧外壁由多个可活动挡板构成,能够通过增减挡板数量实现高度调节,以对不同的巷道空间结构高度进行模拟;其余组
16、成包括采空区模型、供水装置、数据采集及分析仪器等;采空区模型使用亚克力板材搭建并进行防漏水处理,采空区与水箱由单侧巷道相连接,整体几何相似比为1:2 0 0;结合E1305工作面走向长度实际情况,主要研究采空区走向方向的水位变化情况,对工作面倾向长度即模型宽度进行一定了取舍;采空区尺寸(长宽高)为2 0 0 0 mm220mm150mm,工作面尺寸(长宽高)为2 2 0 mm39mmx18mm,进(回)风巷的尺寸(长宽高)为2 0 0mm25mm18mm;根据上文垮落带高度计算结果,并参照顶板岩性及模型参数进行岩石铺设,从下到上分别为泥岩层、砂质泥岩层和粉砂岩层,共计1 5 0 mm。模型的岩
17、层铺设情况见表1。实验过程中,使用水泵以某流量值向水箱供水使水位上升、水流通过巷道流人工作面采空区,多余水流将在到达水箱预设高度后溢出以维持该表1模型的岩层铺设情况Table 1 Laying of model rock formations层序铺设岩石粒径/mm铺设厚度/mm3粉砂岩2030852砂质泥岩1020501泥岩51015水位;为达到多测点数据监测的目的,选用多个液位传感器及配套装置进行数据采集及记录,液位传感器测量范围为2 0 0 mm,外径为5 mm,测量精度为0.5%FS;依据模型大小及研究需要,将9 个传感器居中布置并设置测点间距为2 5 0 mm,近工作面处为1#测点,并
18、以此类推,每秒记录1次水位数据。2实验结果2.1采空区内部水位变化特征通过分析各测点的水位上升曲线研究水位变化特征,将水量设置为1 7 0 0 L/h,水箱高度设置为1 5 0 mm。不同测点的水位随时间变化曲线如图4。t-26st-141 s1601II120测点1测点280测点3测点440测点5测点6测点7050100150时间/s图4 不同测点的水位随时间变化曲线Fig.4Curves of water level changing with time atdifferent measuring points由图4 可知:从传感器探测水流到水位上升至垮落带高度,不同测点处水位随时间的变化
19、具有相似的趋势;但在充水初期,不同位置水位上升的起始时间有先后差别;近工作面端1 测点水位最先上升后,其余测点依次开始变化,出现这种现象的原因在于,在采空区充水过程中,石对水流向远端的流动起到阻滞作用,使得水流到达深部不同位置的时间有着明显的先后差异;7#183SafetyinCoalMines2023年9 月Sep.2023煤防岁全Vol.54No.9第9 期第5 4 卷测点处距离工作面更远,因此其水位最后上升,同时,从曲线的变化趋势可以看出,近工作面端水位初期上升快速而后期速度有所下降,远端水位虽起始时间较晚,但曲线更为快速平稳;在充水末期,两端水位达到一致高度即完成充水过程。结合各测点的
20、水位上升曲线,可将采空区充水过程分为2 个不同的阶段:水流向深部蔓延阶段:此阶段研石将阻滞水流向远端的流动,工作面端水位持续升高的同时水流依次流过1#7 测点处;后续充水:完成水流向深部的蔓延后,近工作面端水位明显高于远端水位,在此阶段中,近工作面端水位上升速度放缓,而远端水位快速上升,直至完成充水过程。为研究充水过程的具体发展情况,取1#7 测点的水位测量值均值为某时刻的平均水位高度,通过平均水位高度计算可得充水完成率,计算公式如下:Volk=(4)VGO式中:k为充水率;Vai为已充水的采空区体积,m;V c o 为采空区总体积,m。随着充水过程的进行,采空区内部逐渐被水淹没,直观体现在充
21、水率随时间的变化而逐渐增长,并绘制出变化曲线。充水率随时间变化曲线如图5。1.00,J(-3.5011710-5)x2+0.012.2x-0.014 35R2=0.998 90.5充水率拟合曲线0255075100125150时间图5 3充水率随时间变化曲线Fig.5Curveofwaterfillingratewithtime由图5 可知:在充水初期,完成率曲线上升趋势明显,随着充水过程的继续,上升速度有所放缓,并在后期呈现缓慢上涨趋势;原因在于随着充水过程的进行,采空区内部水位逐渐升高,导致进水压力相对降低,充水速率相对下降,充水完成率的变化曲线呈近似二次函数形式。采空区内水面的坡度将随时
22、间发生变化,在初期蔓延阶段近工作面端水位持续上升,水流在向采空区深部流动的过程中,水面与水平地面形成的夹角随时间变化;在后续充水阶段中,由于不同位置的水位上升速率不同,水面夹角仍将继续变化;水位夹角正切值的大小能够有效反映水面坡度大小,水面夹角正切值随时间的变化趋势则能够有效反映该过程中的水位坡度变化情况夹角正切值随时间变化曲线如图6。0.08y=(5.6 1 0 3 3 1 0-)x 2 0.0 0 1 4 1 x+0.0 8 9 5R2=0.9950.060.04夹角正切值拟合曲线0.020255075100125150时间/s图6 夹角正切值随时间变化曲线Fig.6Curve of ta
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 采空区 过程 水位 变化 特征 影响 因素 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。