开滦范各庄井田突水特征及煤层底板 突水地质条件分析

 煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据,以开滦范各庄井田为依托,从促发与阻抗突水2方面系统分析矿井突水特征和12～14煤层间砂岩裂隙含水层厚度及其特征、突水介质条件(岩性、层间距)和突水构造条件,建立煤层底板突水与地质条件之间的相关关系和模型,并探讨控制机制。研究结果表明,本区发生突水的水源以12～14煤层间砂岩裂隙承压含水层为主,其砂岩裂隙含水层的厚度由井田的浅部向深部增厚;含水层水压随其埋藏深度的增加而增高,呈线性相关关系,且富水性增强。煤层底板隔水性能取决于隔水层厚度及其泥岩百分比含量,底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系,随着底板泥岩厚度的增加,泥岩层抵抗水压的能力增强,隔水性能变好,且完整底板泥岩层的抗水能力明显大于含裂隙的底板泥岩层。突水与构造密切相关,突水点最大涌水量与断层密度呈正相关关系。断层突水是由于断层对煤岩层的破坏作用导致在断层附近煤岩层裂隙和孔隙增加,力学强度大幅度降低的结果,且受控于区域构造和现代构造应力环境。这些成果为井田12煤层底板突水危险性评价与预测和井下突水防治提供理论依据。     

倾斜特厚煤层综放带压开采底板破坏特征研究

采动底板破坏特征,对于带压开采具有重要意义。以文明矿为试验矿井,采用分段注水装置、钻孔电视系统、地质雷达对大采深特厚倾斜煤层综放开采底板破坏深度进行探测,并对采动前后底板裂隙数量与钻孔深度、裂隙宽度与数量进行数字化分析,并就采动后底板应力变化和塑性区特征进行数值模拟试验,数据结果表明:文明矿大采深倾斜特厚煤层综放开采底板破坏深度为30.1 m;采动前裂隙数量较小,而采动后裂隙数量呈上升—下降—不变的形态分布;采动前底板裂隙宽度以小于5 mm为主,采动后裂隙宽度以16~20 mm为主;工作面下方支承压力集中系数大于上方;底板垂直应力曲线在倾斜方向上呈"勺形"分布且卸压程度随着底板深度增加而逐渐降低并形成了较大的塑性破坏区。     

深部开采动力扰动下底板应力演化及裂隙扩展机制

深部开采地应力增高及动力灾害增多驱动岩体裂隙扩展导致底板突水事故频发,使得研究动力扰动下裂隙扩展机制具有指导意义。根据弹性理论推导分析了顶板动力扰动对底板应力的影响,模拟计算了动力扰动下底板应力及位移演化规律,基于卸荷岩体理论分阶段研究了动力扰动下端部效应区及卸荷作用下突水通道发育区的裂隙扩展机制,结合岩体渗流特征分析了高承压水压力下裂隙的渗透作用,并进行了工程验证。结果表明:随动力扰动强度增加,端部效应区应力非线性增长;动力扰动强度越大,卸荷起点越高,越易满足裂隙扩展的临界应力;动力扰动强度决定了底板裂隙的扩展及渗透作用机制,当突水通道发育区渗透率突变增加的岩层深度大于隔水层厚度时将诱发底板突水。     

深部开采底板裂隙扩展演化规律试验研究

 为进一步研究深部底板岩体的破裂失稳机制,基于自主研制的高水压底板突水相似模拟试验系统,建立深部承压水上含小断层底板采动裂隙演化及导水通道形成的模型,通过在底板不同深度布设应力传感器和位移监测点,研究底板和断层附近岩体随工作面开采的应力及位移变化规律,反演得到底板及断层采动裂隙的发育及扩展演化规律,为深部开采工作面突水机制的研究提供了一种新的思路。结果表明：工作面开采过程中,底板岩体的受力变化规律主要有2种：(1) 开切眼左侧煤柱底板岩体的应力增量出现先增大后减小的变化趋势;(2) 采场底板岩体的应力增量出现先增大后减小至零再反向增大的变化趋势。深部底板岩体的采动裂隙主要在开切眼、采空区中部和回采工作面3个部位产生,裂隙类型以竖向张裂隙、剪切裂隙和层向裂隙为主,且在主要裂隙附近衍生出一些细微的小裂隙。距煤层较近的断层上、下盘岩体受到的应力差较大,断层上盘在强剪应力差的作用下形成了一条与断层走向平行的剪切裂隙,加快了断裂面破碎岩体的相对滑动程度,促进了断层的活化。     

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。     

煤层底板岩体阻水能力原位测试研究

介绍了煤层底板岩体阻水能力的测试原理、测试方法和测试过程 ,分析了测试成果的可靠性 ,并对杨庄煤矿六煤底板岩体的阻水能力进行了评价 ,为煤矿底板突水防治提供了一条新途径。     

煤岩体孔隙裂隙双重介质逾渗机理研究

介绍了孔隙裂隙双重介质逾渗概率的研究方法,在此基础上研究了煤岩体的逾渗概率与渗透系数的关系,分析了裂隙、孔隙及二者共同作用对煤岩体逾渗概率的影响。结果表明:煤岩体这类孔隙裂隙双重介质的逾渗概率与其渗透系数呈指数规律;煤岩体的裂纹孔隙率决定孔洞孔隙率对其渗透性的影响程度;同时,裂隙还决定了孔隙裂隙介质的逾渗规律,使其与多孔介质的逾渗规律具有完全不同的形式。     

开采对底板岩体渗透性的影响

受奥灰水威胁，煤层“带压开采”的关键是必须搞活底板岩体的破坏机理，确定底板岩体的破坏深度。而确定底板岩体的破坏深度通常是依据其渗透性的改变进行的。底板岩体渗透性的改变和底板岩体的应力场密切相关。利用现场实测数据；岩石力学参数和位移反分析的方法，确定了赵各庄矿1237工作面的底板应力场，进而确定了底板岩体的渗透系数，最后，具体分析了底板应力场和渗透系数的关系。     

采动应力效应下的煤层底板裂隙演化规律研究

煤层底板突水的实质是采动应力诱发煤层底板裂隙失稳、扩展和贯通,形成突水通道,进而引发突水灾害。根据回采工作面前后支承压力分布规律,笔者建立了煤层底板应力计算模型,分析了随着回采工作面的推进煤层底板中的垂直应力和水平应力分布规律以及煤层底板的破坏形式;对煤层底板岩体进行了破坏分区,根据断裂力学理论给出了不同区域内,裂纹不同破坏模式下的张开位移表达式;采用震波检层技术验证了煤层底板采动裂隙动态的演化规律,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。     

煤层底板岩体采动渗流场–应变场耦合分析

根据五沟煤矿1018工作面地质及水文地质条件,应用三维快速拉格朗日(FLAC3D)流固耦合分析模块,采用变渗透系数方法,对该工作面底板岩体采动渗流应变机制进行数值模拟研究。分析结果表明:采动影响下,围岩渗透系数发生较大的变化,处在采空区正上方的泥岩段最大达到原始渗透系数的1 293倍;根据渗流场分析,工作面采动并没有破坏底板隔水层的阻水性能,采动裂隙没有导通灰岩含水层,灰岩水涌入回采工作面形成水害可能性较小;工作面正下方岩体单元安全度小于1的区域最大深度为30 m。综合渗流场以及隔水底板单元安全度分析结果,10煤底板下灰岩水溃入工作面形成水害可能性较小。     

砂岩与砂质泥岩渗透性能试验研究

利用柔性壁渗透仪对取自兰州地区的砂岩和砂质泥岩试样进行了渗透性能的试验研究,通过施加不同围压和渗透压,比较砂岩与砂质泥岩两者的渗透性能,并根据试验数据对渗透系数与渗透压进行拟合,同时,利用扫描电镜(SEM)对渗透前后的砂岩和砂质泥岩进行微观分析。试验结果表明:在200 kPa围压时,渗透系数随渗透压增加有增长趋势,在300 kPa、400 kPa围压时,渗透系数随渗透压增加先增大后保持稳定;在同等围压和渗透压下,砂质泥岩的渗透系数要大于砂岩;根据物理力学性质指标,可通过岩石吸水率和孔隙率对渗透系数进行判定。通过观察电镜结果可知,渗透试验前后,两者内部结构变化较大。     

Seepage–stress coupled analysis on anisotropic characteristics of the fractured rock mass around roadway

Anisotropic properties of the fractured rock masses are investigated considering the coupled effect of the seepage and stress. The equivalent permeability and damage tensor of the fractured rock mass are initially examined using a series of Discrete-Fracture-Network (DFN) models with varied size and orientations from the geological investigation data of the sandstone roadway on the floor of 12# coal seam in Fangezhuang Coal Mine. A seepage–stress cross-coupling anisotropic model considering the coupled effect of the seepage and stress is described and applied to analyze the influence of the principal orientations of the joint sets on the anisotropic properties of the rock mass. It appears that the anisotropic properties of the rock mass have a great influence on the stress distribution, hydraulic conductivity coefficient and damage zone. The model may contribute to a more reasonable explanation on the dominant effect of the joint sets on deformation and failure of rock mass.     

北皂海域煤矿顶板软岩试样渗透性试验研究

针对北皂海域煤矿顶板岩层的隔水性问题,进行了顶板岩样的渗透性试验。根据岩样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析了全应力–应变过程中岩样渗透性随其变形变化的特点及渗透率–应变和渗透率–应力之间的关联性。结果表明,北皂海域煤矿顶板为典型的软岩,可分为砂岩、泥岩和含粗砾砂岩 3 组,全应力–应变过程岩样渗透率变化过程可划分为压密–弹性段、峰前屈服段、峰后段 3 个区间;砂岩与含砾粗砂岩、泥岩相比,其变形破坏曲线更为均匀;用临界抗渗强度与峰值强度的比值或临界抗渗应变与最大渗透率应变的比值能较好反映软岩渗透率变化规律。     

基于核磁共振实时成像技术的裂隙砂岩渗流特性研究

地下工程岩体内部存在着大量不规则、多尺度的孔(裂)隙,使得其渗流问题十分复杂,研究裂隙岩体的渗流特性及流场分布对岩体工程安全和深部资源开发利用具有重要的工程实际意义.利用核磁共振岩石渗流过程实时在线分析与成像系统对含不同裂隙性状的砂岩试样开展裂隙岩石渗流试验,对渗流过程中试样的体积含水率、T2谱曲线和渗透系数等参数的演...     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。     

地应力对裂隙岩体渗流特性影响的研究

岩体总是赋存于一定的渗流场与应力场中的，研究地应力场对渗流场的影响具有重要的意义。首先分析了裂隙岩体渗流运动的基本规律，研究了应力对渗流作用影响的机理。在此基础上，结合甘肃某工程进行了现场地应力测量及高压压水试验，并且作了大量地表的、钻井岩芯的节理裂隙地质调查，得到了该地区的地应力值和渗透系数值。然后通过回归分析，可以发现该地区渗透系数随地应力值的增大呈负指数递减的变化规律。     

CT尺度砂岩渗流与应力关系试验研究

岩石渗流与应力关系研究是进行岩石渗流场与应力场耦合分析的关键。运用岩石高压三轴加载装置和渗透压加载装置,对砂岩进行了渗流与应力关系试验,同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。通过试验结果分析,推出了基于CT数的岩石孔隙率公式,在此基础上,分析了岩石应力–应变过程中孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等的变化规律。结果发现:岩石渗透参数的变化与岩石受力损伤–破裂过程密切相关。在初期的压密阶段,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随应力的增大而减小;当岩石的内部出现微裂纹后,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随应力的增大而增大,从宏观应力–应变关系看,从微裂纹出现到宏观破坏出现前,岩石还处于弹性变形阶段;当岩石宏观破坏时,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等达到最大值。同时还发现:在渗透水压力作用下,受压砂岩的微裂纹起裂应力占岩石峰值强度的45%,而同样干岩样中微裂纹起裂应力占岩石峰值强度的55%以上,也就是说,渗透水压力使砂岩样的强度损失10%。     

Effect of damage on gas seepage behavior of sandstone specimens

In underground engineering,such as geological CO_2 sequestration,unconventional oil and gas exploration,and radioactive waste storage,permeability of rock is important to evaluate the potential CO_2 storage capacity,improve oil and gas production,and prevent leakage of radioactive waste.In this study,hydrostatic stress tests and triaxial compression tests with gas permeability measurements were carried out on intact and damaged sandstone specimens.Three series of experiment were designed to evaluate the permeability evolution laws of sandstone under different testing conditions.They included triaxial seepage tests on intact specimens under different confining pressures,triaxial seepage tests on damaged specimens with different extents of damage,and hydrostatic seepage tests on damaged specimens under increasing and decreasing gas pressures.Based on the experimental results,the effects of effective confining pressure,extent of damage and increasing and decreasing gas pressure on permeability of sandstone were investigated.It shows that the permeability of the intact sandstone specimens first decreased and then increased,followed by a constant value with increase in axial strain.The permeability of the sandstone specimens was observed to decrease with increase in effective confining pressure.The extent of damage affects the permeability evolution,but does not influence the failure patterns of damaged sandstone.As the gas pressure increased,the permeability of the damaged sandstone specimen increased.Under the same gas pressure condition,the permeability during the decreasing process is generally higher than that during the increasing process.These experiments are expected to enhance our understanding of seepage behavior in underground rock masses.     

岩石高压渗透试验装置的研制与开发

 为提高对低渗透岩的测试精度,缩短渗透性测试时间,研究岩石(体)高孔隙水压力条件下的渗透、力学特性及其破坏机制,开发研制一套岩石高压渗透试验装置。该套装置可针对大尺寸,不同规格(圆柱体或方柱体)岩石(体)或碎石土还原在其原始地应力状态下进行渗透性及相关力学试验研究。围压、渗透压最大可加到30 MPa,轴向荷载最大可加到4 000 kN。试验通过精确度量渗出水体积的变化进行流量测定,大大提高了测试精度、缩短了测试时间。试样进水端水压以静态伺服阀为主要控制元件,可在脱离计算机控制条件下保持某一稳定水压值不变。在试样出水端采用管路过滤器、调速阀等组件对水流速度大小进行调控,当调节的流速与通过试样的渗透速度达到平衡时,即可在出水端产生某一稳定的水压值,进而在试样两端建立稳定的水压差。计算机调控灵活,具有可视化,可根据实际情况随时调整试验方案,而且操作命令语句可任意加长以满足试验要求。该试验装置解决了高孔隙水压、小水力梯度条件下的各种渗透性、高渗压下力学性质试验研究技术难关,这将为水电工程、石油、核电等领域相关试验研究提供新的测试手段,具有重要意义。     

Effects of anisotropic permeability of fractured rock masses on underground oil storage caverns

An isotropic assumption is often applied to analyze permeability tests of in situ fractured rock mass, and the homogeneous hydraulic conductivities are then used directly in the seepage analysis. However, the hydraulic conductivities are normally anisotropic in fractured rock masses and the effects of the anisotropic permeability should be taken into account in rock engineering analysis, especially for seepage analysis of underground oil storage caverns. In this study, an underground oil storage cavern project is analyzed and the Oda’s method is used to determine the anisotropy in permeability, where the anisotropy in permeability is determined using the fracture orientation and the in situ stress information from the field survey. The horizontal hydraulic conductivities are obtained based on the geometric average hydraulic conductivities from the injection tests of six boreholes. A typical cavern unit is numerical modeled using code FLAC. The effects of anisotropic permeability on water pressure, water quantities and critical gas pressure are studied carefully. The results indicate that most calculated results based on in situ hydraulic tests with isotropic permeability assumption can be used safely in the underground oil storage cavern project.