裂隙岩体渗透性影响因素的研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,因围岩应力与水力耦合作用导致裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。为了更直观地了解耦合作用对裂隙岩体渗透特性的影响,以隧洞开挖为例,用开挖后隧洞内总涌水量来表征岩体的渗透特性。利用数值试验的方法,研究了块体边界大小、初始应力比、裂隙隙宽和裂隙夹角对开挖后隧洞内涌水量变化的影响,进而可以看出它们对裂隙岩体渗透性的影响。并得出如下结论:随着块体尺寸和初始应力比的增大,隧洞内总涌水量减少;随初始隙宽的增大涌水量增加并当达到某一固定值时保持不变;隧洞涌水量在θ2/θ1=3.5,其中θ1=30°,即两组节理的夹角为75°处达到最大。     

采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流动的耦合机理

采用渗流力学理论分析方法,对煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用进行了研究。对采动过程中煤层及其覆岩的裂隙,采动应力和瓦斯压力进行了现场实测,并对三者之间的相互影响作用进行对比分析。研究结果表明：采动影响下裂隙煤岩体的渗透率与裂隙宽度、裂隙贯通情况、裂隙不平整度、裂隙间距裂隙法向刚度和采动应力等有关,裂隙煤岩体瓦斯流动与其裂隙发育情况有着极其密切的关系,瓦斯渗透率与裂隙宽度呈正相关,与裂隙间距呈负相关。基于工作面煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动耦合作用,依据裂隙煤岩体瓦斯渗流定律,构建了裂隙煤岩体采动应力-瓦斯渗透的力学模型,揭示了裂隙煤岩体的采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合机理。     

应力恢复对采动裂隙岩体渗透性演化的影响

研究了采动岩体应力恢复对断裂带渗透性的影响并将其应用于分层开采和残煤复采导水断裂带的计算。通过试验对侧限作用下裂隙岩体在轴向分级加载条件下渗流变化规律进行了研究,以模拟应力恢复作用对裂隙岩体渗透性的影响;依据实测的采动裂隙岩体体积膨胀系数的对数分布规律,对采动裂隙岩体渗透性分布规律进行了描述,计算了应力恢复作用下,裂隙岩体内裂隙开度及渗透性演化规律。试验结果表明:轴向加载条件下裂隙模块开度及渗透性均显著下降,加载初期应力较小但其对裂隙模块的开度及渗透性影响更显著,后期应力增大但其对裂隙试块的渗透性影响程度降低,在20 MPa压力作用下裂隙很难完全闭合;理论计算结果表明:应力恢复作用下采空区上覆裂隙岩体内下部大开度裂隙渗透性有降低但仍为较好的导水通道,上部裂隙开度较小层段渗透性也有明显降低。根据水利水电工程地质勘查规范将渗透系数小于0.01 m/d的层段视为不透水层,采空区上覆导水断裂带最大高度在应力恢复后较初始实测最大值减小了约26%。依据研究结果对传统的分层开采覆岩导水断裂带高度计算公式进行了修正,采用修正公式计算下分层煤或残煤开采防水(砂)煤柱的留设方案更为合理。     

岩溶陷落柱周边裂隙带岩体渗透性的试验研究

以皖北刘桥矿区岩溶陷落柱为例，通过全应力-应变渗透试验，研究受采掘影响的不同应力场条件下柱边裂隙围岩渗透性的变化规律以及动水压力与岩体变形的关系，为陷落柱渗流场和应力场的耦合分析提供参数。     

重复采动下覆岩裂隙发育规律模拟研究

基于内蒙古布尔台矿已有的工程地质资料,采用数值模拟软件RFPA~(2D),建立了双煤层重复采动的数值模型,模拟研究了覆岩破断、裂隙发育和再发育规律,分析了上覆岩层在采动前后垂直应力的变化情况.结果表明:重复采动可引起原有煤层覆岩裂隙的再发育,使得顶板裂隙波及的含水层范围扩大,从而增大采空区的涌水量,甚至会引发突水;采动使得覆岩的垂直应力减小,而重复采动更加剧了这一趋势,这是覆岩裂隙继续发育的重要因素.     

采动裂隙椭抛带分布特征的相似模拟实验分析

煤层开采后,覆岩采动裂隙分布特征与卸压瓦斯抽采密切相关。基于相似原理,进行了覆岩采动裂隙分布特征的物理相似材料模拟实验。根据实验中裂隙带及压实带的拟合曲线,说明覆岩采动裂隙分布特征是椭抛带形态。通过观测覆岩裂隙的裂隙密度、离层率、带宽及碎胀特征,进一步研究了采动裂隙椭抛带的发育、发展规律。最后在试验分析的基础上,推导出采动裂隙椭抛带的空间分布数学模型,为确定合理的卸压瓦斯抽采钻孔终孔位置提供了依据。     

腐蚀环境板岩贯通裂隙渗透特性变化规律

针对板岩裂隙渗流特性受水化学腐蚀影响规律尚不明确的现状,以大连地区的板岩为研究对象,开展了板岩贯通裂隙受水化学溶液(NaCl,HCl,NaOH)腐蚀的渗透特性试验研究。首先通过对浸泡贯通裂隙试件的SEM扫描和浸泡溶液PH值对比,分析了水-岩作用对裂隙板岩微细观结构的影响机制。其次通过不同溶液、不同浸泡时间裂隙试件的渗透性试验,宏观上获得了腐蚀环境下裂隙板岩的渗透性变化规律。再次基于一系列化学反应方程式,将上述宏细观结果进行对比分析,认为裂隙板岩渗透性受水化学腐蚀影响明显,HCl,Na Cl溶液对结构面具有溶蚀作用,增大了其均值隙宽;而NaOH溶液与板岩矿物成分反应生成的稳定沉淀物质,附着、堵塞于裂隙间,使得均值隙宽减小。最后,基于试验数据建立不同溶液板岩渗透系数与浸泡时间的非线性关系,并引入裂隙渗流计算理论公式,采用FLAC~(3D)的fish语言编写板岩裂隙化学-渗流-应力耦合计算程序,计算与试验结果具有较好的一致性。     

不同开采方式下煤岩应力场-裂隙场-渗流场行为研究

煤岩的采动力学行为与常规的煤岩材料力学行为有本质不同,传统的岩石力学实验研究没能体现开采方式和工程扰动的真实影响。深部煤与瓦斯共采实践中,不同开采方式扰动下的煤岩应力场、裂隙场和渗流场行为有显著差异,但煤岩采动力学行为特征尚缺乏科学的、定量化的分析和表达。通过开展不同开采方式下煤岩采动力学实验,分析3种典型开采方式下煤岩采动力学行为、采动裂隙展布及增透率演化规律,探索不同开采方式下煤岩真实采动应力场、裂隙场和渗流场的特征差异。研究表明:不同开采方式产生不同的采动应力场,并导致不同的煤岩裂隙场和渗流场行为特征差异;不同开采方式条件下煤岩峰值应力、峰值应力对应轴向应变和环向应变按照无煤柱开采、放顶煤开采和保护层开采的顺序降低,而体积应变绝对值则依次升高;不同开采方式下煤岩采动裂隙尺度分维D及煤层增透率激增点与工作面之间的距离(L_(rise))均按照保护层开采、无煤柱开采、放顶煤开采的顺序依次下降,确定煤层L_(rise)范围和增透率空间分布可为煤瓦斯共采工程提供理论指导。     

采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采

为研究采动覆岩裂隙演化及其中瓦斯的运移规律,通过物理相似模拟及数值模拟发现,煤层开采后采动覆岩裂隙形态可用椭抛带来表征。基于岩层控制关键层理论,建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型。运用环境流体力学,传质学,渗流力学,采动岩体力学等理论,得到采动煤体应力与卸压瓦斯渗流,纵向破断裂隙区瓦斯升浮,以及横向离层裂隙区瓦斯扩散等方程,构建出椭抛带中卸压瓦斯渗流-升浮-扩散综合控制模型。分析了椭抛带卸压瓦斯抽采机理,提出相应的煤与甲烷共采技术。通过山西天池煤矿抽采卸压瓦斯的现场实践,说明采动裂隙椭抛带是卸压瓦斯的储运区,将瓦斯抽采系统布置其中,可取得良好效果。     

断层突水温度-非线性渗流-应力耦合模型研究

为了研究深部矿井高地应力、高承压水压及高地温条件下断层突水过程中的底板承压水运移规律和地温变化规律,运用COMSOL建立温度场(T)-非线性渗流场(H)-应力场(M)耦合模型,其中非线性渗流方程耦合Darcy定律, Brinkman方程和Navier-Stokes方程。结果表明:模型能够很好地描述温度场、渗流场和采动应力场之间的相互作用关系以及底板承压水从含水层经过断层破碎带到达巷道的非线性运移过程;采动应力场和渗流速度对断层带温度场的影响很大,通过监测断层带的温度变化,可以预测断层带渗流场的变化,从而预测断层突水。     

深部煤层非充分采动下覆岩裂隙场可视化探测研究

覆岩采动裂隙分布规律与导水裂隙带高度的探测是煤矿安全开采研究的热点问题之一,对矿井水害防治与瓦斯治理具有重要作用,为获得深埋煤层在非充分采动下覆岩裂隙场分布特征及导水裂隙带的发育高度,以济宁煤田某矿为试验矿井,采用传统经验公式、钻孔冲洗液漏失量观测及钻孔电视观测3种方法,进行了理论计算、定量探测和定性分析。探测结果表明:缓倾斜煤层平均倾角6°、埋深538～595 m、条带式非充分采动下,导水裂隙带高度66.0 m,为采高的23.6倍;垮落带高度8.45 m,为采高3.02倍;覆岩采动裂隙主要为NEE向斜裂缝形式,发育在垮落带与裂隙带下部,主要发育范围为采空区底板以上约33.55 m,约为采高的12倍,占导水裂隙带高度的50.8%;采动覆岩裂隙在裂隙带表现出明显的分层性,裂隙带上部裂隙发育强度与宽度有限,虽具有水文意义,但对采空区地表残余变形影响较小;裂隙带下部裂隙发育强烈,存在多处离层,对地下水渗流和采空区地表残余变形均存在一定程度影响;对比分析表明,3种方法在精度上存在较大差异,钻孔彩色电视观测效果最优,可精确探测岩体内部裂隙分布及其产状;钻孔冲洗液漏失量观测效果次之,可以获得较为精确的数据;传统经验公式精度最差,仅能确定大致范围。     

覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“三带”、“O”形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内,覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演...     

粗糙裂隙渗流研究综述

总结了有关粗糙裂隙渗流的基本特征和相关研究成果,得出影响粗糙裂隙渗流的几个重要参数,如隙宽、应力、粗糙度、连通性和接触面积等.介绍了管渗耦合渗流模型和图像分析法.最后提出了需要进一步研究的问题.     

长壁工作面覆岩采动裂隙网络演化特征

以淮南张集矿1122(1)工作面为原型,制作了相似材料模型。结合分形几何理论研究了覆岩采动裂隙的分布及发育特征,并分析了覆岩采动裂隙长度与数量的分维与工作面推进长度之间的关系。研究发现：采动裂隙总数随着工作面推进长度增大而增大,且在主关键层弯曲前,裂隙总数逐渐增多;主关键层弯曲后,导致采空区中部部分裂隙闭合,而新生裂隙则不断增加。     

利用三维地震技术探测覆岩变形破坏研究

利用采区三维地震勘探,全面系统地分析了随工作面推进采场覆岩采动裂隙的动态地震波场响应特征.通过三维数据体的纵、横向剖面分析以及采用对比解释法,研究了采空区、支撑压力区、采动影响带的地震波场响应特征,根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙"天窗"、采动影响范围.实践证明:利用三维地震技术进行覆岩采动裂隙的探测,技术上是完全可行的,探测效果明显.     

重复采动覆岩裂隙率空间分布相似模拟研究 ——以陕北矿区为例

由于水资源短缺,陕北矿区利用采空区储存矿井水进行再利用,采空区储水量与采动裂隙空间分布密切相关,为准确预测采空区储水量,基于工作面上覆岩层断裂分带划分结果,确定煤矿地下水库的主要储水空间为垮落带与断裂带的裂隙空间,建立了采动覆岩裂隙率空间分布的计算方法,采用相似模拟试验得出了柠条塔矿1-2煤和2-2煤重复采动后上覆岩层...     

采动覆岩裂隙发育变化规律研究

为了研究采动覆岩裂隙发育变化规律,建立了基本顶初次来压的力学模型,分析了岩体的变形场方程、岩体损伤演变方程,然后采用RFPA^2D数值模拟软件,研究了覆岩破断裂隙发育变化规律、煤层开采采场应力变化以及煤采空区垂直压应力变化规律。研究得出,随着煤层不断的开采,顶板裂隙带的位置不断向上发育,采场上部的卸压区为拱形,工作面前方的支撑压力峰值逐渐增加。研究为矿井后期开采设计提供了借鉴。     

裂隙岩体渗流水-岩耦合数值分析

以单条平直裂隙中的水流运动规律和裂隙网络渗流模型为基础，介绍了裂隙岩体渗流场与应力场耦合非线性分析的基本原理以及两场耦合的数学模型，并说明了耦合计算方法及步骤，运用算例，通过对比分析耦合及非耦合两种情况下的渗流场等值线图，说明了在渗流场必须考虑水-岩耦合作用。     

深部承压水上含隐伏构造煤层底板渗流路径扩展规律

针对邯邢矿区矿井开采深度逐渐加深与采动影响下隐伏构造活化而导致底板奥灰层突水威胁日益加重的问题,研究大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律,以确定矿井底板突水条件及重点治理区域。从开采扰动、隐伏构造、承压水共同作用角度分析,根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析,建立了含隐伏导含水构造的概化力学模型,通过断裂力学理论得出了含水裂隙的起裂条件、抗渗透强度及由主应力表达的裂隙扩展判据,应用弹性力学边界荷载在半无限板内传播的经典求解方法推导得出了采动应力与承压水压力耦合作用下含隐伏构造煤层底板的垂直应力、水平应力和剪切应力表达式,在所得应力分量基础上通过应力张量的不变量求解应力状态方程得到含水裂隙扩展判据中的主应力表达式,以邯邢矿区典型突水矿区地质与开采参数为例进行算例分析,通过编制Matlab计算程序计算得出底板裂隙的扩展路径。进而采用可模拟岩石破裂声发射且裂隙扩展可视化效果较好的RFPA数值软件进行验证分析,再现了底板渗流路径演化过程。理论计算与数值分析结果表明:隐伏构造的局部应力扰动作用影响了渗流路径的扩展方向,使3种类型底板分别呈现出不同的渗流路径,对于完整型底板,渗流裂隙由奥灰承压水层顶界面至采空区两侧边界呈"正八字"形向采空区扩展;对于隐伏陷落柱型底板,渗流裂隙沿陷落柱顶界面呈"倒八字"形向上发散式扩,至底板28 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线分别指向采空区两侧边界展;而对于隐伏断层型底板,渗流裂隙则沿断层延线的反向扩展,至底板30 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线指向工作面后方,在底板含水裂隙自下而上与底板采动裂隙自上而下联合扩展作用下最终贯通形成底板奥灰水至采煤工作面的渗流通道。基于理论计算和数值模拟得出的底板承压水渗流路径扩展规律,在实际工程中可结合微震监测技术来实时动态捕捉煤层底板隐伏导含水构造活化的前兆信息,进而实现底板突水路径的预测预报和快速重点区域治理。     

浅埋煤层群重复采动覆岩运移及裂隙演化规律研究北大核心

为了准确掌握单一煤层和煤层群开采覆岩裂隙演化规律及分布形态特征,通过物理相似模拟实验、现场钻孔勘探、理论计算等方法分析煤层开采过程中覆岩运移破断特征及采动裂隙的分布形态。结果表明:在重复采动条件下,覆岩出现离层裂隙和纵向裂隙并伴随超前裂隙的产生,形成“采空区-工作面”和“采空区-采空区-工作面”结构时,覆岩裂隙经历产生、扩张、闭合、再产生、贯通、再闭合等6个动态循环变化阶段;煤层群在一次采动时形成“梯形”裂隙区,二次及多次采动下,覆岩受上覆载荷作用,裂隙区向工作面两侧煤柱扩展,上煤层受本煤层边界煤柱和下煤层开采形成的“悬臂岩梁”支撑影响,使工作面两侧裂隙明显高于工作面中部,覆岩形成“M”形裂隙分布形态;覆岩受采动影响产生周期性破断,以单岩层或多岩层同时产生变形、运移、破断垮落,由此可见,覆岩中存在控制上部岩层的硬岩层和其控制岩层以组合梁的形式同步运移、破断。根据覆岩破断特征建立了基于Winkler弹性地基煤层群重复采动覆岩破断特征的组合岩梁力学模型,由模型计算得到覆岩裂隙演化高度和相似模拟实验及现场所测高度相近,由此表明,该模型可作为浅埋煤层群重复采动覆岩裂隙演化高度计算的依据。