双柳煤矿陷落柱发育特征及突水危险性分析

为解决采动过程中陷落柱活化导通奥灰水造成矿井突水事故的问题,采用理论分析、现场观测的手段从几何参数、发育特征、出现前兆和分布特征等4个方面分析归纳双柳煤矿陷落柱的基本特征,认为陷落柱主要发育在浅部,附近通常伴有小断层,周围煤岩层产状发生变化,主要分布在奥灰岩溶溶孔、溶洞发育比较强烈的区域。以双柳煤矿220工作面的X15陷落柱为例,通过FLAC3D软件模拟分析上组煤开采过程中陷落柱在采动影响下突水的危险性。研究结果表明:随着工作面的推进,陷落柱周边的塑性破坏场、渗流场和应力场发生变化,当工作面推进至距陷落柱30 m处,塑性破坏场与渗流场开始接触;距离10 m处,破坏区触及渗流区域的较高压区域,具有高突水危险。     

采动条件下陷落柱变形破坏与突水危险性研究

针对某矿煤层受陷落柱突水的严重威胁问题,根据该矿2502工作面的水文地质条件、煤层力学性质以及顶底板岩层结构及性质,利用FLAC3D数值模拟方法研究煤矿陷落柱开采过程中应力分布与塑性区分布特征。研究表明:陷落柱顶部之上40~50 m高度内出现密集连通的塑性区域,采动条件下会导致富水性强顶板含水层的砂岩水进入陷落柱,在陷落柱内形成水分的汇集层。因此,建议在推进到距离陷落柱40~30 m范围内时,对陷落柱内的充水情况进行探查。     

五阳煤矿陷落柱发育特征及突水危险性评价

为防止陷落柱导通奥灰水造成矿井重大水灾,分析归纳了山西五阳煤矿陷落柱基本特征,主要包括：陷落柱发育标高在650 m以上,发育与构造密切相关,多数原生导水性差;典型陷落柱垂直具有6段特征等.以五阳煤矿7601工作面为原型,运用ANSYS有限元软件模拟分析了煤层下部有隐伏陷落柱时采动过程中的突水危险性.当工作面推进距陷落柱小于50 m时,受采动影响的陷落柱导水裂隙与工作面导通可导致工作面出水;随工作面推进,导水通道扩大可导致突水事故.     

煤层底板陷落柱活化突水过程的数值模拟

为了研究煤层底板陷落柱活化破坏特征及诱发的突水机理,采用RFPA2D模拟了全充水强导水型和边缘充水导水型陷落柱的活化突水过程.数值模拟再现了流固耦合作用下全充水导水型陷落柱克服剥离面上的黏结力、柱边滑动面上的抗滑阻力,最终发生发生活化崩塌的过程以及边缘充水导水型陷落柱从边缘裂隙的扩张、贯通到宏观导水通道形成的全过程.分析结果表明,突水通道形成受陷落柱本身的物理力学性质以及开采应力扰动等因素的共同控制,陷落柱构造的存在影响了原岩应力应变的均匀分布,在开采扰动时,这种影响表现的更为突出,在应变不协调部位容易产生剪切变形与损伤,加之高压渗透水流的楔劈作用,致使陷落柱逐步活化而引发突水.     

导水陷落柱突水模拟试验台研制及应用

为了分析研究采动影响下陷落柱突水的物理规律及特征,结合五阳煤矿7601工作面工程地质和开采技术条件,利用数值模拟软件和突水模拟试验平台分别模拟了底板和过煤层两种不同陷落柱的突水过程.结果表明,陷落柱突水破坏过程的数值模拟与试验台相似模拟相一致;底板陷落柱与过煤层陷落柱突水的规律是,在采动作用影响下,陷落柱周边的塑性区不断扩大,与工作面前方形成的塑性区相互贯通,形成突水通道,当陷落柱充水且水压达到一定值时,工作面发生突水;特殊构造突水模拟试验台在一定程度上满足了设计试验的需要.     

陷落柱影响采场围岩破坏和底板突水的数值模拟分析

为探讨陷落柱在围岩破坏及突水中所起的作用,采用FLAC^3D模拟分析了陷落柱影响下采煤工作面推进的全过程．采动影响下采场围岩的应力应变数值模拟充分说明,陷落柱的存在使底板的应力应变分布极不均匀,应力集中系数增大,陷落柱附近位移明显,远离陷落柱其影响逐渐减小,但对底板岩层破坏范围及破坏形式影响较小;陷落柱顶面上方岩层的应变较大,与周围不协调,容易产生局部剪切变形．陷落柱边壁、工作面底板压缩区与膨胀区的分界线重合在一条线上时,是剪切破坏的最佳状态,最容易发生底鼓突水．陷落柱影响下的底板破坏深度为15—18m．     

采场底板陷落柱渗流突水数值模拟

为研究采动压力和渗透水压对陷落柱渗流突水的作用,建立了采场底板陷落柱突水的物理模型,并利用FLAC3D 软件模拟分析了采场推进过程中应力场和渗流场的变化特征。结果表明,工作面宽度的增加会增加底板的扰动,导致原生裂隙继续往深部发育,进而增大导通下部陷落柱的风险,采用回填方式开采的工作面底板扰动较小,底板岩层破坏的程度较小,为遇陷落柱构造防治突水事故提供指导。     

椭圆形陷落柱厚壁筒突水模式力学判据及数值模拟

有效地预测、预防岩溶陷落柱突水,运用复变函数、弹塑性力学,推导了椭圆形截面陷落柱“厚壁筒”力学模型突水模式的临界判据方程,并通过有限元软件验证了陷落柱受到均布力作用时,应力分布的解析解。研究表明：椭圆形截面陷落柱在受到以陷落柱柱体为导水通道的均布力作用下,厚壁椭圆筒的应力从椭圆筒的内壁到外壁逐渐变化,在椭圆筒内壁的长半轴的两个端点处应力取得最大值,在椭圆筒的短半轴处的应力取得最小值。     

浅谈导水陷落柱突水淹井综合治理

结合近几年我国煤矿陷落柱突水淹井事故的治理方法,总结6种导水陷落柱突水淹井的综合治理技术。     

超宽综采工作面隐伏陷落柱探测技术研究

为研究桃园煤矿1035开切眼爆破掘进过程中隐伏陷落柱的滞后突水灾变时空演化特征,基于爆破动荷载与流固耦合作用下围岩的渗透率突变特性,采用FLAC^3D软件对其应力、位移、塑性区,以及涌水量的变化规律进行数值模拟研究,探讨陷落柱影响带宽度对突水的影响。研究结果表明：在开切眼掘进工作面超过陷落柱中心10 m后,开切眼底板破坏塑性区将与隐伏陷落柱影响带贯通而导致陷落柱突水,其突水具有一定的滞后性、突发性及大量性;同时,只有当陷落柱影响带与桃园煤矿1035开切眼间距小于5 m时,开切眼爆破掘进才会引发突水事故。研究结果可为类似条件下的突水治理提供理论参考。

     

岩溶地面塌陷稳定性数值模拟分析及防治对策：以深圳市某区域为例

随着深圳城市化的快速发展,辖区内可用土地资源日趋紧张,合理开发利用土地就显得尤为重要。深圳市东部区域约有80km2下伏地层为石炭系下统大塘阶石凳子组(C1ds)可溶岩区域,岩溶较发育,影响城市公共安全和制约土地资源的合理开发利用。本文以深圳辖区内某区域为例,开展资料收集、调查、钻探等工作,通过梳理、分析历史数据,拟定岩溶的发育形态及发育规模,结合当前城市工程建设现状,利用软件FLAC3D进行数值建模和模拟分析,得出该区域可能发生岩溶地面塌陷灾害的条件,并提出合理的防治建议,以期有效促进深圳岩溶地面塌陷灾害防治工作的发展,进一步保障城市公共安全,提高土地利用率。     

高压水射流掏槽防突技术参数数值模拟与试验研究

运用ANSYS有限元分析软件,综合分析不同巷道模型掏槽后的围岩应力和煤体位移变化情况,确定了高压水射流掏槽位置应距离巷道底板2/7处左右,掏槽孔径的大小为巷道底板长度的4/15左右,这样巷道围岩裂隙发育充分,且保持了围岩的完整性,有利于加快工作面的掘进速度。通过现场测试,验证了高压水射流掏槽前后煤层残存瓦斯含量显著降低,围岩电磁辐射强度波动较大,钻孔孔壁发生变形,表明掏槽后槽孔周边煤体裂隙发育,扩大了槽孔周边煤层瓦斯的释放范围,降低了突出煤层瓦斯压力梯度,消除了突出的危险性。     

Matter-elements model and application for prediction of coal and gas outburst

The theory and method of extenics were applied to establish classical field matter elements and segment field matter elements for coal and gas outburst. A matter-element model for prediction was established based on five matter-elements, which included gas pressure, types of coal damage, coal rigidity, initial speed of methane diffusion and in-situ stress. Each index weight was given fairly and quickly through the improved analytic hierarchy process, which need not carry on consistency checks, so accuracy of assessment can be improved. Supported by the National Natural Science Foundation of China (50534080); the Science and Technology Research Project of Chongqing (CSCT, 2006AA7002)     

基于流态转捩的非线性渗流模型及在陷落柱突水机理分析中的应用

岩溶陷落柱突水是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于陷落柱突水过程中流体流态转捩（含水层层流到巷道紊流）的渗流本质,建立了三流场（Darcy层流、Forchheimer流和N-S紊流）耦合非线性渗流模型,并应用于骆驼山煤矿“3·1”底板陷落柱突水数值模拟分析。结果表明：随着突水流体流速不断增大,陷落柱Forchheimer流由黏滞阻力为主,到黏滞阻力和惯性阻力共同作用,最后到惯性阻力为主发生了质的变化,陷落柱突水是流体渗流从渐变到突变的动态过程。进一步表明采用Forchheimer方程描述陷落柱内高速非线性层流,能够较好地反映水流从含水层达西层流到巷道紊流的中间状态,可以定量揭示陷落柱突水三种流态转捩的渗流本质。     

煤与瓦斯突出多物理场分布特征的数值模拟研究

为揭示煤与瓦斯突出过程煤体多物理场耦合灾变机制,在含瓦斯煤气固耦合方程基础上,利用COMSOL软件中的固体力学与PDE模块,模拟了突出前后煤体应力场、变形场、气体流动场分布规律。与前期开展的突出物理模拟试验结果进行对比验证,证实了数值分析方法的可行性。模拟结果表明：突出后孔洞壁附近煤体发生塑性变形,导致此处煤体渗透率增大,且随着应力增大,突出孔洞壁处煤体渗透率可比原始渗透率增加2～3个数量级;突出后气体压力从突出孔洞壁面到煤体深部呈现先急剧上升后降低至原始气压的变化趋势,在孔洞壁处形成较高压力梯度,是突出持续发生的必要条件。     

煤与瓦斯突出预测的SOFM模型及应用

煤与瓦斯突出是煤矿生产活动中常见的一种动力灾害之一,其危险性等级评价是煤矿安全生产的必要前提和保证。文章综合考虑煤与瓦斯突出发生的地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等条件,选取地质破坏程度、瓦斯压力、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数以及开采深度作为煤与瓦斯突出危险性预测的评价指标。基于此,文章借签一种自组织特征映射(SOFM)神经网络,建立煤与瓦斯突出危险性预测的SOFM神经网络模型,将SOFM神经网络模型应用于国内26个典型矿井的煤与瓦斯突出危险性预测。研究表明,SOFM神经网络模型预测效果较好,其正判率为92.31%。说明该模型可为小样本、多指标的煤与瓦斯突出预测提供一种新的思路。     

基于流固耦合理论的尾矿库数值模拟及模型试验研究

以云南省某尾矿库为例,运用流固耦合原理进行尾矿库三维有限元数值模拟,研究尾矿库在正常工况和洪水工况下浸润线高低和孔隙水压力大小变化情况,并运用模型相似理论建立室内尾矿库试验模型,分别在2种工况下进行浸润线和孔隙水压力实际测量。研究结果表明:正常工况下,数值模拟中考虑流固耦合作用比不考虑流固耦合作用时浸润线偏差5%,孔隙水压力大小偏差30%;模型试验实测浸润线和孔隙水压力结果与考虑流固耦合作用时偏差分别为0.12%、6%,不考虑流固耦合作用时偏差分别为0.35%、21.20%。洪水工况,数值模拟中考虑流固耦合作用比不考虑流固耦合作用时浸润线偏差10%,孔隙水压力偏差16%;模型试验实测浸润线和孔隙水压力结果与考虑流固耦合作用时偏差分别为4.6%、4.1%,不考虑流固耦合作用时偏差分别为7.3%、11.3%。在2种工况下,数值模拟考虑流固耦合作用时尾矿库内浸润线和孔隙水压力更加接近室内模型试验结果。因此,在数值模拟中考虑流固耦合作用的计算结果更加趋于实际工程情况和满足工程实际要求。