大型逆断层下盘深部煤层顶板破坏的数值模拟及其突水可能性分析

结合某矿732工作面实际工程情况,利用UDEC软件对煤层顶板破坏高度进行数值模拟研究,分析受采动荷载影响下煤层顶板破坏高度随工作面推进距离的关系,得出煤层顶板最大破坏高度约为88 m,指出该破坏高度将与F16逆断层上盘灰岩沟通;进一步分析实际地质资料和岩溶发育终止深度规律,得出灰岩裂隙水量不大,为工作面安全开采提供意见,并且得到实际工程的验证。     

水力压裂时煤层缝裂的扩展分析

近年来,水力压裂技术逐渐被应用到煤层气井的压裂施工中.为了深入研究水力压裂时裂缝在煤层中的扩展情况,本文从理论上分析了裂缝壁面的受力状态,根据最大拉应力准则,给出了原级裂隙扩展的力学条件,进而分析了空间壁面裂隙扩展的力学条件.在此基础上,利用RF-PA'2D-Flow有限元数值软件模拟了高压水作用下煤层裂缝的扩展延伸过程.结果表明:当水压达到理论临界值时,模型中裂缝便向前扩展;当模型中的裂缝转向延伸时,缝端压力完全满足理论分析的空间壁面裂隙延伸条件;通过对裂缝的扩展模拟,再现了裂缝延伸、转向等过程;此法可有效地预测裂缝的长度,为现场煤层压裂提供参考.     

潘谢矿区Ⅰ、Ⅱ型水体下防水煤岩柱留设探讨

在研究淮南矿区煤田地质勘探工程的基础上,查明了巨厚松散层的水文工程地质条件,通过对比分析潘谢矿区巨厚松散层的岩性组合,将谢桥含水层的红层划分为隔水层；提出了在Ⅰ、Ⅱ型水体下存在下渗带的观点,分析了压架出水原因和防范技术措施,为确定潘谢矿区回采上限提供了科学依据.     

断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究

 针对含断层缺陷底板的受力特征,建立相应的简化力学模型,分析得到断层面上的剪切应力和法向应力表达式,并研究断层倾角对断层面上剪切应力、法向应力及断层活化的影响规律。同时运用RFPA2D-Flow软件,模拟不同倾角的正断层在采动影响下底板的裂隙分布、渗流分布及采空区底板涌水量变化特征。模拟结果在一定程度上揭示含断层构造底板突水通道的形成机制及断层倾角对底板突水的影响规律。研究表明,断层倾角越大,断层越容易活化与突水。研究结果对采场底板含断层缺陷时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。     

煤层钻孔孔壁瓦斯涌出的数值模拟

钻孔周围煤体中的瓦斯流动是一个复杂的非线性物理过程。应用Darcy定律、质量守恒定律建立了钻孔周围煤体中瓦斯不稳定径向流动的数学模型,利用FLAC3D中的有限差分方法对钻孔过程中孔壁瓦斯涌出进行模拟,得到此过程中瓦斯涌出速度、涌出总量与钻孔时间的关系,指出瓦斯涌出总量随着钻孔时间的增加呈3次多项式变化,而流速则呈倒抛物线形分布。研究结果表明,数值模拟能反映煤层瓦斯流动的基本规律,可为实际生产提供参考。     

大倾角煤层巷道变形机理与支护控制研究

针对大倾角煤层巷道围岩难以控制的现状,结合菏泽某矿区的巷道地质资料,采用FLAC软件对大倾角煤层巷道围岩应力分布和变形破坏进行研究。结果表明:与近水平煤层巷道相比,大倾角煤层巷道开挖后巷道变形表现为非对称性;对大倾角煤层巷道应加强低帮中部、高帮煤岩交界处的支护强度和重视靠近低帮侧的顶底板支护。在此基础上,设计了巷道支护控制方案,有效地控制了大倾角煤层巷道的变形破坏问题。     

承载关键层、隔水关键层和渗流关键层关系初探

在分析岩层变形-渗流耦合系统的复杂性特征的基础上,提出应用复杂系统动力学理论解释突水机制的初步设想.研究表明：在承载关键层破断前,承载关键层同时也是隔水关键层,但一般不是渗流关键层;在承载关键层破断后,承载关键层不再具有隔水作用,隔水作用最强的某一软弱岩层成为隔水关键层和渗流关键层;当渗流参量满足一定的条件,渗流发生Lyapunov意义下的失稳,引发突水;岩层变形-渗流耦合动力学系统是具有非连续性、非均匀性、非线性、控制参量时变和边界时变等特征的复杂系统.只有将承载关键层理论、隔水关键层理论和渗流关键层理论相互融合,并且将复杂系统动力学的思想和方法引入突水防治理论研究,才能从本质上描述突水的过程.     

某矿区带压开采逆断层活化及突水性分析

根据某矿区732工作面的实际地质特征，建立了力学模型，给出了断层位置法向应力和剪应力的计算公式，计算了该矿区在开采过程中F16逆断层面上的法向应力和剪应力，得出：随着732工作面的开挖，F16逆断层面产生附加法向应力和附加剪应力，附加的法向应力使得断层带内张性裂隙产生与发展，附加的剪应力使得断层带内剪切裂隙和断层两侧的剪节理张开，透水性增强。在此基础上，利用RFPA 2D Flow有限元软件模拟了732工作面开采过程中顶板破坏情况及底板渗流特征，结果表明：732工作面开挖过程中，由于F16逆断层浅部紧闭不导水以及底板页岩未破坏，对盘含水层到采场之间没有形成贯通的裂隙通道，奥灰水不能溃入采场，底板渗流量不足以发生突水危险。     

脆性岩石真三轴能量强度准则研究

基于岩石材料拉压强度不等和中间主应力对强度影响特点,从可释放弹性能角度出发推导和建立了可考虑中间主应力对岩石破坏弹性能释放影响的真三轴能量强度准则,利用厚壁圆筒试验数据和已有文献真三轴试验数据以及从能量准则参数物理含义三方面分析验证了所建真三轴能量强度准则的合理性及可靠性.结果表明,所建真三轴能量准则能适应于厚壁圆筒及真三轴压力试验的多种复杂应力状态;花岗岩、石灰岩中间主应力影响大于红砂岩、中细砂岩;对同种岩石来说,岩石中间主应力影响系数随应力状态不同而不同,总体变化趋势随中间主应力增加而先增大后减小;岩石能量强度准则与岩石应力状态和材料物理性质密切相关.     

巷道矸石充填控制覆岩变形的力学机理研究

建立了巷道矸石充填的力学模型,并应用Ritz法求解了煤柱位移场的弹性解.根据弹性-黏弹性对应原理,通过引入Maxwell体流变模型,求解了煤柱位移场的黏弹性解.得到了煤柱的压缩变形、侧向变形等随时间及充填体材料特性的变化规律,由此可确定充填巷采煤柱的变形特征,并估计了煤柱最终变形量及变形稳定时间等.将研究结果与某矿区充填开采实测变形规律比较,两者具有较好的吻合.