承压水体上煤层底板下位隐伏断层采动突水机制研究

由于煤层底板隐伏断层分布广、数量多、隐蔽性强且不易探测的特点,使得底板隐伏断层活化突水成为深部开采突水的主要形式之一。根据底板隐伏断层发育规模及空间位置条件,总结提出了底板沟通隐伏性断层突水、上位隐伏性断层突水及下位隐伏性断层突水3种模式。针对承压水体上煤层底板下位隐伏断层底板突水模式,通过力学分析、底板突水相似模拟及FLAC^3D数值拟研究了煤层回采过程中底板空间采动应力变化规律、隐伏断层扩展及突水通道演化过程。研究结果表明：近煤层底板采动岩体随工作面推进,经历压缩-卸荷-恢复过程,形成采动破坏带,底板空间采动应力状态以工作面为分界线呈现水平“S”型分布形态;采动-水压-隐伏断层作用下,隐伏断层将对采动应力随工作面移动起到阻隔作用;隐伏断层顶部受矿压-水压作用的破坏程度时机更早、程度更严重,更易诱发导水裂隙发育,隐伏断层原生裂隙扩展并向逆工作面推进方向上方发育,与采动破坏带沟通形成突水通道;采动承压水导升运移与采动裂隙发育紧密相关,采动承压水导升强度及强渗流区范围随工作面推进渐进发展,底板隐伏断层采动突水先出现隐伏断层上方采空区,突水量随工作面推进渐进增加。在将含...     

底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律研究

为深入研究底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律,应用FLAC3D固液耦合模式模拟隐伏断层底板岩体的应力分布、变形破坏特征、递进导升渗流规律及裂隙扩展突水机制.数值模拟表明:在矿山压力和承压水压力影响下,随着工作面开挖,打破原来开挖面周围荷载平衡,底板岩层节理裂隙经历张开、闭合、扩展反复循环过程,当矿压破坏带和...     

含隐伏断层煤层回采诱发底板突水影响因素研究

针对具体地质条件,采用FLAC~(3D)的固液耦合模式,利用变参数流变模型对含隐伏断层缺陷煤层诱发底板滞后突水影响因素及滞后突水机理进行研究。结果表明:滞后突水是由底板岩体的变形和破坏所引起,其影响因素不仅与隐伏断层与煤层的空间关系及承压水水压有关,而且与隐伏断层发育程度及其与煤层间的空间距离有关;隐伏断层顶界面处的应力随工作面的持续推进先增加后松弛再增加,应力变化导致对应位置处的岩体先压缩后膨胀再压缩,隐伏断层顶界面处的最大垂向位移与煤层埋深之间存在线性关系,而与水压及隐伏断层顶面与煤层间距之间均存在幂指数关系;煤层回采致使地应力重新分布,重新分布的应力影响到底板岩体的渗透能力,使裂隙内的水将静水势能转变成动能,进而对裂隙壁面产生冲刷和扩张作用,这种影响具有时效性,其为滞后突水机理研究的核心内容和关键问题。通过计算再现了不同因素影响下煤层回采过程中底板采动裂隙形成、隐伏断层损伤破坏到突水通道形成的全过程,揭示了含隐伏断层构造底板突水通道的形成机制。研究结果对承压水上含隐伏断层缺陷煤层安全回采具有重要的参考价值。     

基于流固耦合的深部煤层采动底板突水机理研究

为了研究煤层深部开采底板采动破坏特征及与浅部开采的差异及底板突水机理,以淮北矿区下组煤底板为研究对象,建立了3种不同采深的底板突水模型。基于FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发,对流固耦合条件下不同深度煤层采动底板破坏特征进行了综合分析与对比。研究结果表明:深部条件下煤层采动底板破坏形态与浅部明显不同,深部高地应力及高承压水耦合作用下,含水层顶部发育原位张裂带,且在采动影响下,会进一步出现递进导升现象,而浅部开采时无此现象;当采动破坏带与深部递进导升带沟通时,发生底板突水事故,揭示了矿井深部煤层底板原位张裂隙产生—与承压含水层导通—原位导升带发育—采动破坏带与递进导升带沟通这一突水机理。     

煤层底板隐伏小断层突水数值模拟

针对煤层底板隐伏小断层突水过程,应用RFPA-FLOW2D软件进行模拟计算分析。结果表明:在矿压和水压共同作用下,煤层底板破坏过程经历了小断层活化、小断层活化区扩展和裂隙贯通3个阶段;底板渗流场和裂隙场同步演化,突水位置可准确标定。多条小断层突水过程模拟结果表明,隐伏小断层越发育,底板破坏区贯通强度越大,煤层底板发生突水的可能性也越大。     

断层影响下底板突水通道研究

基于岩体极限平衡理论,综合考虑断层本身性质和矿山压力中应力降低区的作用,解得底板隔水层的极限水压解析式,推导出底板突水力学判据,结合华泰煤矿7502工作面,解得底板隔水层的极限水压大于实际承压水水压,底板隔水层中没有形成突水通道;基于FLAC3D流固耦合理论,建立了断层影响下煤层开采的数值模型,得出断层带中的承压水导升高度(8m)较正常岩层(6m)高,断层影响下底板岩体应力呈非对称分布,断层附近的底板采动破坏深度(24m)大于未受断层影响的底板破坏深度(20m),底板破坏区与断层导通,承压水通过断层进入破坏区,形成突水通道,发生底板突水。结果表明:断层影响下的底板突水,往往不是底板隔水层破坏导致,而是承压水通过断层进入采动破坏区所致。     

煤矿隐伏断层在底板突水中的影响

基于矿井底板突水和大断裂构造的关系,论证了隐伏断层在煤矿底板突水中的影响。主要从隐伏断层的特征、成因和诱发突水机理等方面进行了研究。研究结果表明:隐伏断层发育于脆性岩层中,受控于大断裂构造。在矿压和水压的共同作用下,煤层底板破坏过程经历了隐伏断层的活化和隐伏断层的扩展导通两个阶段。隐伏断层的存在始终是底板发生突水的一个隐患。     

煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅰ——主控指标体系的建设

为了有效控制煤层底板带压开采突水灾害发生，在系统分析煤层底板充水含水层水力特征、煤层底板隔水岩段防突性能、断层、褶皱和岩溶陷落柱等地质构造特征、矿压破坏以及底板承压含水层导升高度的基础上，提出了符合我国煤层底板突水实际的新型实用主控指标体系，具体研究了体系中各突水主控指标在矿井突水过程中的作用方式与特征.     

含隐伏小断层底板采动突水机理数值模拟研究

为得到含隐伏小断层的煤层底板开采中的突水机理,分析底板裂隙演化及渗流突水通道的形成规律。采用RFPA2D-Flow软件分析了含隐伏小断层底板在工作面开采中,底板岩层破坏、突水通道的形成及突水发生的整个动态发展过程,得到了开采过程中底板岩层裂隙的产生和扩展演化、损伤破坏区域的形成过程及渗流场的运移过程。结果表明:底板隐伏小断层活化突水主要分为隐伏小断层活化和活化裂隙区域扩展2个阶段。底板不同位置隐伏小断层的裂隙贯通存在差异,距采空区越近,隐伏小断层越易活化形成突水通道,随着采空区卸压效果的增加,隐伏小断层突水的可能性逐步增大。     

含断层构造采动底板岩体突水过程数值模拟

为确保承压水上煤层安全开采,从"下三带"理论入手,以实际工程为背景,基于FLAC3D数值软件,构建断层构造承压水上煤层开采模型,分析断层影响下底板破坏规律及突水路径,结果表明:随着工作面推进,在距断层一定范围内,煤层底板最大破坏深度为10 m,靠近断层时,受断层影响,煤壁前下方破坏深度增大至16m,并与断层破坏带导通形成突水通道;受采动影响,孔隙水压力沿着底板隔水层和断层均发生明显导升,其高度约6~8m不等,且流水矢量方向与底板突水通道路径一致;含30°、45°和60°断层工作面开采突水通道形成时,对应剩余临界水平煤柱长度分别为67m、37m和18 m,说明断层倾角越小,需要留设的保护煤柱越长,即在相同推进距离下,断层倾角越大越不易发生底板突水现象。该研究结果为矿井煤柱留设提供了科学依据,具有重要的实用价值。     

Experimental Simulation of Fault Water Inrush Channel Evolution in a Coal Mine Floor

Mine water inrush is very common in China and can cause hysteresis and severe damage. The entire process of crack formation, concealed fault propagation, and evolution of a water inrush channel with high pressure water directly beneath the mine floor was physically simulated based on fluid–solid coupling mechanics and solid materials research. Activated materials were used to simulate fault damaged rock, including soybeans, sand, Vaseline, and calcium carbonate. The results indicate that water channels are mainly caused by the connection between tectonic rock zones and coal floor cracks, which are the direct cause for water inrush. Furthermore, the lagging water inrush mechanism from the coal floor in a confined water body under both a stress field and a seepage field were revealed. The formation of the water inrush path with temporal and spatial variations was analyzed by interpreting the monitoring data and phenomena. The data showed that the floor stress in front of the working face increased and was affected by the abutment pressure, and that floor stress under the mined-out area began to decrease simultaneously. The stress of the upper wall showed a drastic drop while the stress of the footwall continued to decline and then stabilized after the water inrush. This work provides new approaches and knowledge for research on deep mining water inrush structures.     

固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律的模拟研究

本文运用数值模拟方法,通过改变断层倾角的大小、断层破碎带厚度以及含水层水压对固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律进行了模拟研究,揭示了不同工况条件下断层活化突水的影响规律。模拟结果表明:在相同工况条件下,断层的上盘断层界面所受的正应力及剪应力皆大于下盘断层界面所受的相应应力;在工作面推进相同步距时,断层界面所承受的正应力随断层倾角增大而减小,剪应力在倾角为一定范围内随增大而增加,但倾角超过一定角度后其又随之增加而减小;随断层破碎带宽度增加,断层盘界面所受的正应力越大,而剪应力越小;断层界面所承受的正应力及剪应力皆随含水层水压的增加而增加,且水压越大,断层突水危险性就越大。     

断层对工作面顶板涌突水影响的数值模拟研究

工作面附近存在断层时,裂隙的发育高度有较大增长,断层也可能“活化”突水,增加了防治水的难度。以新巨龙煤矿工作面为原型,基于UDEC软件,建立断层倾角为30°、45°、60°和75°的数值模型,分别模拟工作面从断层上盘至下盘和下盘至上盘的推进过程,通过对最大裂隙高度增长率、断层面监测点最大剪应力和垂向位移量的分析,得到采动过程中裂隙发育高度和断层“活化”规律。     

赵各庄矿大倾角煤层综放开采突水条件的力学机理分析

为揭示突水发生的力学机理，以矿区典型地质剖面为基础，运用FLAC^3D软件建立二维有限差数值模拟模型，通过数值模拟方法，对不同开采阶段岩石巷道围岩应力进行模拟计算，并分析其突水发生的可能类型和方式.结果表明，处于地质体内不同部位的岩石巷道围岩应力的变化与主采煤层的开挖过程有条件地相关，以致其突水类型也有所不同;位于断层上盘的通风道处围岩应力易受开采条件和开采进度的影响，并易于产生由采动诱发所引起的突发性突水灾害事故，其突水水源为奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水；而位于断层下盘的电车道处围岩应力受开采影响较小，其突水水源为煤层顶板、底板薄层状裂隙承压水.     

晋城成庄井田煤层气直井开发后煤层底板突水危险性评价

以晋城矿区成庄井田为依托,分析煤层气开发后煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件,建立了煤层气开发后煤层底板突水危险性评价理论与方法,揭示煤层气直井开发对煤炭开采底板突水影响机制。研究结果表明:煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压使煤层底板隔水层形成贯通的破裂,如果隔水层中的最小水平主应力大于承压水的水压,从应力方面,就不会发生突水,如果相反,就会发生突水;煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,开采煤层承受的水压与煤层到主要含水层间有效隔水层厚度之比,决定了煤层底板突水危险性。根据煤层底板隔水层岩石破裂压力、水压和水压与隔水层厚度比值等关键参数,将煤层底板突水危险性划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)4类。成庄井田太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,且变化大,煤层气垂直井开发后煤炭开采受奥灰水威胁。如果9号煤层气完井深度与煤炭开采底板破坏深度15 m相同计算,煤层底板突水危险性主要为中等安全,仅在深部存在突水危险性;煤层气开发后3号煤层开采过程中不会发生底板突水。     

Influence Analysis of Mining’s Effect on Failure Characteristics of a Coal Seam Floor with Faults: A Numerical Simulation Case Study in the Zhaolou Coal Mine

A fluid–solid coupled numerical simulation was carried out for the Zhaolou coal mine using Flac3D software. The results showed that: (1) when the failure depth of the floor exceeded the extension depth of the floor rock mass and the hydrostatic seepage pressure of the fractured structure surface exceeded the stress state of the fractured element, floor water inrush will occur. (2) With other factors being equal, if the footwall is mined first, the pore pressure concentration near the fault is more obvious, and the floor-confined water is lifted 10–25 m higher than when the hanging-wall is mined first. Mining the floor adversely affects its plastic zone, and the failure depth is ≈?10 m greater than when the hanging wall is mined first. (3) When advancing against the fault dip, the pore pressure concentration near the fault is more obvious, and the floor confined water is lifted 5–20 m higher than when the mine advances along the fault dip. Again, mining the floor first disrupts the floor plastic zone, and the failure depth is approximately 5 m greater than when the mine is advanced along the fault dip. (4) The risk of floor-water inrush is minimized when the hanging-wall is mined first and the mine advances along the fault dip; the risk is greatest when the footwall is mined first and is advanced against the fault dip. These results provide a theoretical basis for preventing mine water inrush.     

承压水上采煤断层突水的固流耦合研究

在理论分析的基础上,建立了承压水上采煤的固流耦合数学模型,并编制了有限元程序,利用该程序用数值模拟的方法,系统地分析了各断层要素影响下采场的应力分布规律及突水机理,得出了断层倾角、断层厚度和断层断距与突水的关系;采用三元线性回归法,确立了正、逆断层下临界断层防水煤柱宽度与各断层要素的拟合关系式,给出了突水判据.     

深部开采底板突水灾变模式及试验应用

深部采场高地应力、高岩溶水压和强开采扰动条件使得底板突水相比浅部采场形成特定构造、水-岩-应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体水力学问题。基于不同地质构造受采动影响特征及其诱发煤层底板突水机理,将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型,并分析了对应的突水判据。研究认为完整底板裂隙扩展型归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升高度大于有效隔水层厚度,原生通道导通型归结于构造活化引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通,隐伏构造滑剪型归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统探寻了3种突水灾变模式下突水通道的时空演变过程,验证了突水判据的准确性。     

断层活化引发顶板岩溶水突水机理分析

以塘冲煤矿为工程背景,通过数值计算和现场实测,分析了断层的活化对采空区导水裂隙带高度的影响.在工作面超前支承压力的作用下,工作面前方断层活化,改交了采场应力场和岩体运动规律,导致导水裂隙带高度增加,从而破坏隔水层导通上覆承压岩溶含水层,引发矿井突水事故.