煤矿区突(涌)水系统分析模拟及应用

按照系统论、控制论、信息论的思想方法，将开滦范各庄煤矿防治水实践活动所获得的各种信息，采用多源信息采集及关联信息提取处理的二次开发技术，总结出突水系统原岩应力、应变特征及含水介质富水性规律；在此基础上，一方面，围绕揭示突水系统自组织演化过程规律，运用力学分析和数值模拟方法，提取、突出和升华揭示突水机理、概化突水模式的有用信息，提出了柱式通道剪、拉、压复合以剪为主的岩层破坏力学机制，并建立了厚壁简模型及突水理论判据，可以有效预测突水部位及突水与否，指导防治工作；另一方面，为难确模拟预测矿井涌水量，采用广义三重介质渗流模型对范各庄矿井地下水系统进行了模拟预测。总体实现了岩体结构、地下水、地下工程在突(涌)水系统中的交叉和统一。采动影响下巷道及采面的FLAC^3D数值模拟显示，柱式构造的存在使底板的应力、应变分布极不均匀，在采空区煤壁边缘线内外，底板岩层受升、降错动产生的剪应力、上凸弯曲产生的拉应力和压应力的三重作用，当三重复合力学作用超过岩体强度极限时岩体失稳破坏。通过北方煤矿区岩溶陷落柱这种特殊构造形式的深入研究，认为适当的岩溶及地质构造是岩溶陷落柱形成的基本要素。按岩体结构控制论的观点，将煤矿突水划分为陷落柱、断层(或破碎带)、完整结构岩体三种突水模式。突(涌)水条件分析表明，不论岩体结构如何，采动矿压和构造(如陷落柱)存在降低了岩体强度，当承压水压力大于关键层的最小主应力时，承压水的渗水软化和压裂扩容作用，导致地下水突破其中的关键部位(层)，而形成突水。范各庄2171综采工作面特大突水模型的建立及突水判别的实际计算表明，‘柱体通道’突水模式概化准确，‘厚壁简’力学模型切实可行，突水判据正确，且切合实际。多源信息处理同时阐明，原岩应力应变控制了介质的富水性规律，陷落柱、褶皱轴部裂隙带和断裂构造是范各庄矿井地下水系统补、径、排的主要控制因素，是系统的主干裂隙介质，而陷落柱作为含水介质的主干裂隙，其水文地质特征、渗流量计算等均不同于断裂裂隙或褶皱轴部裂隙，概化为另一类主干裂隙介质。范各庄矿井地下水系统以煤层底板砂岩介质为主要目标含水层，F0断层及其伴生构造、井口向斜轴部、塔蛇向斜轴部、13号陷落拄为主干裂隙，其间为等效裂隙岩块，主干裂隙控水且主干裂隙水流服从水流三次方定律，陷落柱等同水流管道，裂隙岩块等效多孔渗流介质，用水量交换耦合组成广义三重介质渗流模型，该模型充分体现了煤系裂隙含水系统流场的空间特征，特别是强径流带和局部非连续渗流特征。流场和模型识别显示，范各庄矿井底板砂岩含水层正常裂隙岩块的渗透性及储水性较差，矿井水主要来源于构造导通的下部灰岩含水层；以不同矿井(突)涌水量为输入，运行系统模型，所得的流场形态分析认为，三水平12～14煤含水层的正常涌水量以10m^3／min较为适当，最大涌水量不超过15m^3／min，矿井正常总涌水量20～25m^3／min，矿井最大总涌水量30m^3／min。此外，应用突变理论研究了突水的充分必要条件、突变特征和底板稳定性影响因素。     

煤层底板陷落柱突水模拟及机理分析

岩溶陷落柱是中国北方型石炭二迭系煤田的一种特殊塌陷，广泛分布于20个煤田45个煤矿区，其导致的突水具有隐蔽性、突发性且与岩溶水有天然联系等特点，对煤矿安全生产危害极大。为研究煤层底板陷落柱破坏特征及突水机理，采用FLAC^3D模拟分析了陷落柱影响下采面推进过程的不同阶段。数值模拟及实验显示，由于陷落柱的面积有限，矿压和水压力联合作用下使其发生弯曲并形成拉张破坏的可能性较小，一般产生剪切破坏，虽然升、降错动产生的剪应力、上凸弯曲产生的拉应力和压应力的三重作用导致煤层底板岩层失稳破坏，但以剪应力作用为主：同时，陷落柱的存在改变了煤层底板的地质环境和岩体结构，底板有效隔水层厚度减小，岩体强度降低，应力．应变分布不均，局部应力集中系数增大，使关键层的最小主应力进一步降低，一旦承压水压力大于关键层的最小主应力，承压水的渗水软化和压裂扩容即起作用，使底板岩层破坏裂隙沿最薄弱方向进一步扩展，导致裂隙贯通，最终形成管涌，发生突水。特别是，陷落柱的边壁、工作面底板压缩区与膨胀区的分界线重合在一条线上时，是底板岩层发生剪切破坏的最佳状态，最容易发生底臌突水。     

滕南矿区岩溶陷落柱分布特征及其控制因素分析

针对岩溶陷落柱导致的突水具有隐蔽性和突发性的特点,为了预防岩溶陷落柱突水,对岩溶陷落柱可能发育的区域加以预测。根据滕南矿区地质与水文地质资料,分析已揭露的陷落柱的分布特征,总结岩溶陷落柱的发育规律。结果表明:岩溶陷落柱分布和发育具有不均匀性,多发育在矿井浅部,以及富水性较强和强径流条件的区域;岩溶陷落柱发育主要受奥灰埋深、奥灰含水层的富水性、地质构造控水条件及奥灰地下水径流条件4个因素的综合控制。在此基础上,构建层次分析评价模型,采用专家打分赋权方法,对4个控制因素统筹考虑,预测未来可能发育岩溶陷落柱的区域,旨在控制和避免煤矿生产中揭露岩溶陷落柱或处理不当而造成灾害。     

奥陶系顶部岩层渗流力学特性及作为隔水关键层应用研究

华北型煤田受岩溶强含水层威胁的煤炭资源含量巨大,特别是下组煤因距离奥陶系太近而不敢开采。近年来,煤矿奥灰突水灾害损失日趋严重,而奥陶系岩溶水又是华北地区重要的地下供水水源,因此,底板保水采煤和煤矿防治水技术急需关键性的突破。本文围绕将奥陶系顶部岩层作为隔水关键层的水文地质环境及其渗流力学特性,开展奥陶系顶部隔水层的形成与演化规律、破碎岩体渗透性测定、奥陶系顶部隔水关键层的构成与力学特征理论分析和数值模拟、断裂活化导水性能、陷落柱渗透性能等方面的研究,取得了如下创新性成果:     

范各庄矿井地下水系统广义多重介质渗流模型

为充分体现矿井裂隙水系统的强烈非均质性和不连续特征，运用广义多重介质理论，系统地研究了范各庄煤系含水介质。地质研究及水文地质试验表明，陷落柱作为含水介质的主干裂隙，其水文地质特征、渗流量计算等均不同于断裂裂隙或褶皱轴部裂隙，应概化为另一类主干裂隙介质；范各庄矿井地下水系统以煤层底板砂岩介质为主要目标含水层，F0断层及其伴生构造、井口向斜轴部、塔坨向斜轴部、13^#陷落柱为主干裂隙，其间为等效裂隙岩块；主干裂隙控水且主干裂隙水流服从水流三次方定律，陷落柱等同水流管道，裂隙岩块等效多孔渗流介质；用水量交换耦合组成了广义三重介质渗流模型，该模型充分体现了煤系裂隙含水系统流场的空间特征，特别是强径流带和局部非连续渗流特征。广义三重介质渗流模型的流场和模型识别显示，范各庄矿井底板砂岩含水层正常裂隙岩块的渗透性及储水性较差，矿井水主要来源于构造导通的下部灰岩含水层；以不同矿井(突)涌水量为输入，运行系统模型，所得的流场形态分析认为，三水平12煤-14煤含水层的正常涌水量以0．167m^3／s较为适当，最大涌水量不超过0．25m^3／s，矿井正常总涌水量为0.333-0．417m^3／s，矿井最大总涌水量为0．5m^3／s。     

意大利C6钻注一体机在秀宁隧道中的应用

正1工程概述工程地质概况:秀宁隧道是广昆线上的最长隧道,是铁道部十大复杂风险隧道之一,全长13187m,最大埋深535m。隧道发育8条断层,3处向斜和2处背斜,穿越3大富水区,正常涌水量为64000m~3/d,最大涌水量为140000m~3/d,可溶岩地段、断层破碎带、背斜轴通过部位及可溶岩与非可溶接触部位为富水部位,受构造影响,岩体破碎,节     

对矿井工程中的施工技术的探讨

本文对地质构造复杂煤矿区钻进松散、软弱煤岩层段.特别是钻遇断层破碎带、陷落柱等破碎松软岩层时,极易出现孔内垮塌、卡钻、埋钻等事故,提出一些措施.而在工程中施工技术的方法和开工顺序也是影响整个工程开采的关键因素.     

北方岩溶陷落柱的充水特征及水文地质模型

岩溶陷落柱是中国北方型石炭二迭纪煤田的一种特殊隐伏垂向构造,广泛分布于20个煤田45个煤矿区,对煤矿安全生产危害极大.为实现岩溶陷落柱的数学模拟并准确预测其涌(突)水量,进行了其充水特征及受控机制的研究,并建立了水文地质模型.研究表明,陷落柱的充水受地质构造运动、地下水径流条件、柱体内物质组成、压实和胶结情况以及承受水压大小等多种条件与因素的控制和影响,而各种因素又彼此促进和相互制约,只有处在现代岩溶水强径流带和集中排泄带并隐伏埋藏在地下水水位以下者,才能构成突水的潜在威胁.真正造成突水危害的还需要其他条件的配合,这就决定了绝大部分北方岩溶陷落柱并不充水也不导水.若岩溶陷落柱一旦突水,水量大且迅猛,预测及防治难度极大.按照系统论的观点,灰岩地下水是其补给源,柱体本身是充水通道,井巷或采煤工作面是其排泄点,岩溶陷落柱作为矿井地下水广义三重介质渗流系统的一类介质,自身又构成了独特的岩溶陷落柱水文地质子系统.对于子系统内部特征的详细深入研究,可将陷落柱划分为全充水强导水型、边缘充水导水型和不导水或微弱导水疏干型等3种类型,在地下水系统中相应地概化为垂向管道、主干裂隙或垂向越流介质、隔水体或无影响介质,通过数学模型的解算实现矿井涌(突)水量的准确预测预报.     

喀斯特地区岩溶和土洞对建筑物地基稳定性影响的处理方法探讨

贵州是典型的喀斯特地貌发育区，红粘土分布广泛。红粘土常为岩溶地区的覆盖层，红粘土裂隙发育，层中一定存在有岩溶和土洞。岩溶（又名喀斯特）是可溶性岩层，受水化学溶蚀和机械作用而形成裂隙、溶沟、溶槽和溶洞，以及由于洞穴顶板塌落地表产生陷穴等一系列现象和作用的总称。     

六盘水煤田黑塘煤矿构造特征及其演化

通过系统分析六盘水煤田黑塘煤矿地质构造特征及演化认为:黑塘煤矿向斜构造—龙家沟向斜,轴向南东-北北东向,浅部地层倾角25°~50°,深部5°~20°;矿井内断层总体走向NE,倾向多为SE,断层落差多小于50 m,且正断层数量多于逆断层;断层组合样式多样;矿井构造的形成及演化受区域构造控制明显,燕山中期研究区经历了NE-SE向挤压、近NS向挤压和NW-SE向挤压的应力转换过程,奠定了研究区NE向的主体构造格局;燕山晚期NW-SE向拉张作用,使断裂构造性质发生转变,导致矿井现今正断层为主导。     

采动影响下强充水型隐伏岩溶陷落柱 围岩变形与渗流场数值模拟

 通过引入孔隙水作用于围岩的体积力项 ,采用弹塑性本构模型和达西渗流模型,有限元数值模拟和分析存在一穿透煤层的强充水型隐伏岩溶陷落柱时的带压开采过程中,煤层围岩的变形和渗流场随采煤工作面逐步接近陷落柱时的变化规律,探讨孔隙水压力对围岩变形的影响,并分析在存在岩溶陷落柱条件下的合理防水煤柱预留距离。数值模拟结果可为含特殊地质构造煤层的开采设计提供依据,同时为进一步的流固耦合作用和煤层底板突水机制的研究以及防水煤柱的留设提供一定的参考。     

红层软岩顺层滑坡临滑预报的强度控制方法*

 我国西部地区侏罗系、白垩系、第三系红层软岩广泛分布,红层软岩岩体强度低、抗风化能力弱、水敏感性强、工程地质性质较差、滑坡灾害严重。红层软岩顺层滑坡赋存的地质环境条件是形成滑坡的控制性因素,岩体强度特征决定滑坡的力学变形机制。不同变形、破坏条件影响红层软岩滑坡运移机制与特征。红层软岩岩体强度各向异性规律性强,岩层层面在各种地质营力的长期作用下逐步演化为滑动面。在研究红层软岩不同破坏条件下岩体强度特征与岩层层面抗剪强度变化规律,分析红层软岩滑坡的蠕动变形与滑动面形成机制的基础上,通过对典型红层软岩顺层滑坡临滑预报实例分析,提出了一种红层软岩顺层滑坡临滑预报的强度控制方法。     

地下采空诱发陡倾层状岩质斜坡失稳机制研究

 我国西南灰岩山区的褶皱山体经长期强烈的地质抬升运动与河流侵蚀,山体呈现出中上部厚层-巨厚层灰岩地层陡峭,下部页岩、泥岩地层平缓的“靴状”地貌形态,加之下部煤层、铝土矿层的开采,成为我国大型层状岩质崩滑灾害的高发区。本文以重庆武隆鸡冠岭陡倾层状岩质斜坡滑动为例,采用FLAC3D模拟分析了地下采空诱发陡倾层状岩质斜坡“弯曲变形-层间错动-采矿加速倾倒变形-下伏岩体阻滑-下伏岩体剪切破坏-整体失稳”的渐进失稳过程,认为鸡冠岭山体滑动是一类层状岩体的倾倒-滑移失稳的复合破坏模式。模拟结果表明：(1) 陡倾临空的斜坡在长期重力作用下,坡体沿山梁方向发生蠕滑变形,坡体逐渐产生拉裂缝;同时由于该斜坡位于背斜核部附近,应力集中导致上覆层状岩体呈现出弯曲变形的特征;(2) 长期岩溶作用加速坡体裂缝的发育与扩张;(3) 斜坡下部煤层开采时,导致鸡冠岭山梁发生应力发生重分布,上覆层状岩体逐渐发生层面分离,层状岩体下部产生裂缝,岩体强度逐渐降低;(4) 当斜坡下部煤层逐渐采空后,上覆层状岩体变形急剧增大,发生倾倒破坏,挤压矿层下伏稳定岩体,发生剪切滑移,最终从临空处剪出形成高速碎屑流。因此,对于西南灰岩褶皱山区,认识长期地下采空对层状山体的扰动作用,对大型灰岩山体防灾减灾与风险区划具有重要的现实意义。     

山前高陡构造节理围岩的井壁失稳机制研究

 我国西部山前的高陡构造油气蕴藏丰富,但剧烈构造运动形成的节理岩体在钻井过程中容易出现井壁失稳问题,严重制约了勘探开发效益的提高。深入研究节理岩体井壁失稳机制对解决这一难题具有重要意义。结合中国天山山脉南缘霍尔果斯构造的地质情况,利用RFPA2D-flow软件建立山前构造节理岩体的井眼模型,探讨了井眼周围应力场和渗流场的特点,模拟了井壁围岩失稳坍塌的过程,讨论了稳定井壁的对策。井壁周围的应力集中出现在水平最小主应力方位上,而渗流则主要发生在水平最大主应力方位的节理面上,随着渗流作用节理面上流体压力逐渐升高,并导致围岩在节理面上发生拉张破坏而坍塌,井壁坍塌主要出现在水平最大主应力方位上。这一结果合理解释双井径测井曲线上井眼长轴发生翻转的现象。研究结果表明,降低节理面的渗流速度能够明显地减轻节理围岩的失稳,说明加强钻井液封堵性能对稳定井壁具有针对性;过低的井眼液柱压力会导致水平最小主应力方位上井壁围岩剪切破坏,然而过高的井眼液柱压力却对水平最大主应力方位上节理围岩的稳定产生不利影响,说明控制泥浆密度上限是必要的。研究成果对山前高陡构造钻井的井壁稳定问题具有参考价值。     

采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析

具有良好分层性的采场覆岩破断规律己被基本掌握，但对于厚关键层(特厚层砂岩老顶)覆岩的采场矿压规律还需深入研究。运用岩体破裂过程分析系统，结合某矿区实际覆岩构造特征，分析了具有厚关键层的采场覆岩的破断与冒落规律。研究表明：厚关键层的破断、垮落规律与长梁(或薄板)矿压理论存在根本差异，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒落呈不等长的短块状。厚关键层来压具有多样性和随机性，不同形式的采场来压对支架的作用不同，大块滑落失稳对采场支架的威胁最大，对采场矿压控制提出了严峻的挑战。该研究成果为实际采矿设计与矿压控制提供了理论依据。     

从施工地质灾害看岩体结构动态控制作用

 在我国岩石工程规模加大、趋深而施工扰动范围趋广和趋强的今天,难以避让的不良地质体中常出现的施工地质灾害已成为影响工期和造价的极重要因素。工程实践观测到以不良地质体为主的岩体结构动态变化及其对快速、高强度工程开挖扰动的响应很复杂。理论上需认识不同层次和不同部位岩体变形破坏反映出的结构动态变化和调整,对其控制作用和工程调控需从相互作用时间变化角度加以表述,同时为“短进尺”等地下工程施工经验提供依据。通过总结、回顾岩体结构控制论发展和适用性,结合岩石工程中不良地质体有关的施工地质灾害防治实践,提出基于变形破坏时效性的岩体结构动态控制观(DDC)。以平行于背斜轴部展布的上公山隧洞围岩施工地质灾害导致工期延误和方案多次变更为例,说明岩体结构动态变化是工程施工扰动作用的集中体现和客观结果。本文结果或可为深入研究岩体变形破坏时效性提供一定地质基础。     

南水北调西线工程若干工程地质问题研究

 基于工程实践,探讨西线一期工程区域稳定性评价的原则和基本思路,根据有关资料,给出工程区的稳定性分区,认为西线工程位于基本稳定区,附近断裂大多数不具有活动性,坝址场区内没有发现活动断裂和地震震中分布,没有活动断裂穿越引水隧洞。隧洞围岩主要为II～III类围岩,局部为IV～V类围岩,岩爆强度不高,围岩大变形主要发生在板岩段和构造破碎带处,地质条件适合TBM施工。根据水文地质资料,给出各隧洞段的涌水量。可能引起强透水或涌水的地段主要在浅埋过沟段、向斜褶皱核部破碎岩体形成的富水段、断层破碎带及其影响带。     

危岩体调查及稳定性工程地质分类方法探讨

危岩体是指陡峭边坡上被多组结构面切割,在重力、风化营力、地应力、地震、水体等作用下与母岩逐渐分离,稳定性较差的岩体.其对工程建设的潜在威胁严重.野外调查是危岩体研究中的最基础,最关键的部分.在总结对我国西南地区大型水电站危岩体的野外调查、险情排查经验的基础上,提出危岩体调查应该按资料收集、了解调查区所影响的建构筑物的特征、调查区全貌观察(确定调查的路线)、初步调查以及补充调查和现场复核等步骤进行.介绍了危岩体的边界、成因、稳定性、几何尺寸、失稳方式、运动轨迹及对建构筑物可能造成的危害等的确定方法.还介绍了先进的三维激光扫描技术在危岩体调查中的应用.最后提出了根据地质特征对危岩体进行稳定性分类的方法.这些成果有助于预防边坡地质灾害和边坡防护对策的制定.     

基于工程地质三维精细模型的高拱坝 坝肩处理可视化分析

 拱坝坝肩岩体的稳定与否直接关系着拱坝的安全。我国西南锦屏一级拱坝坝肩工程地质条件极为复杂,对其处理措施中设置了密集的7层洞室。采用VisualGeo工程地质三维建模系统,建立该工程整体岩级分类三维地质模型,并建立抗力岩体加固处理洞室群模型。在此基础上进行坝肩边坡模拟开挖分析及抗力岩体加固处理洞室群模拟开挖分析,得到加固处理洞室群围岩岩级分类三维地质模型。同时,进行坝肩洞室群所在的7个高程的平切分析和各洞室开挖各类岩体的体积分析,为高拱坝坝肩岩体处理设计与施工提供了直观、精确的可视化分析平台。