保水采煤的隔水关键层理论与应用研究

针对矿区生态环境保护,资源和环境协调开发的可持续发展观,保水采煤思想应运而生.为实现保水采煤这一重要主题,提出了隔水关键层的基本概念,通过建立隔水关键层力学模型,综合运用实验研究、理论分析、数值模拟等研究手段,系统分析了隔水关键层的基本力学特性及隔水性能,并将基于隔水关键层的保护原理成功运用到保水采煤的工程实践.提出基于隔水关键层的保水采煤原理.在岩层控制的结构关键层概念和传统的隔水层概念基础上提出了隔水关键层的基本概念,并阐述了其包含的3层含意.建立了隔水关键层的基本力学模型,并对其进行结构稳定性分析.建立了层状岩体渗流的非线性动力学模型,考察了隔水关键层渗流系统的平衡态特征,并给出了隔水关键层渗流系统的失稳判别条件.在传统物理模型试验的基础上,引入了数字图像相关法这一先进的分析手段,使试验布置更为简洁,同时可以进行位移场、应变场等全场力学特性分析,从而定量的再现了覆岩运动的全过程.从结构稳定性角度分析了隔水关键层的隔水性能,为实现保水采煤提供借鉴.采用数值模拟研究手段,基于岩石渗流-损伤耦合模型,模拟了隔水关键层的岩层移动及裂隙演化特征,同时系统分析了贯通裂隙与渗流分布的基本特征,并对渗流量进行了详细的统计和比较,总结隔水关键层的隔水性能.运用隔水关键层原理成功地在神东矿区开展了保水采煤实践,初步建立适合神东矿区的保水采煤模式.针对神东矿区某2个工作面的地质条件,建立数值分析及理论分析模型,通过数值模拟及理论计算,分析出覆岩中隔水关键层的基本特征.     

浅埋近距离煤层开采的覆岩与地表下沉规律

神东煤田主要赋存浅埋近距离煤层,目前顶部单一煤层开采以及下煤层重复采动的覆岩与地表下沉规律研究有待完善.采用实测分析,物理模拟和数值模拟的方法,揭示了单一煤层开采及下煤层重复采动的地表下沉影响因素,下沉系数与采高无直接关系,与载基比(松散层厚度/基岩厚度)基本呈正相关.其他条件一定时,层间距越大,重复采动的地表下沉量越小.大柳塔矿1-2上煤层开采后,覆岩离层裂隙主要在基岩中发育,土层依附于基岩呈整体下沉,地表下沉系数为0.79.重复采动基岩与土层下沉加剧,地表有下行裂隙发育,下沉系数为0.85,地表下沉曲线与基岩相比更为缓和.     

康家湾永久防水矿柱安全开采可行性

康家湾矿是典型的大型水体下矿床,开采技术条件极其复杂,而留设大量永久防水矿柱,造成资源积压．分析了矿区内主要构造对顶板围岩及含水层影响、顶板与隔水层和相对隔水层位置关系、含水层及勘探钻孔对矿柱回收的影响;计算了冒落带和导水裂隙高度及安全开采深度;用ANSYS有限元软件模拟了空区上覆岩层稳定性及最大允许暴露面积．结果表明,断层不会连通空区与水体,矿柱顶板围岩稳固,与含水层的隔水层和相对隔水层厚度在190m以上;充填未接顶高度应控制在2．0m内,采动后的安全厚度应大于65m;对空区及时、高质量充填有利于永久防水矿柱的回收;理论的采空区极限暴露面积可达3360—4000m^2．因此,在满足以上研究参数条件下,采用充填法对康家湾永久防水矿柱进行回收是完全可行的．     

采动覆岩破断裂隙的贯通度研究

为了判定采场隔水关键层和计算导水裂隙带高度,进行了覆岩采动导水裂隙分布特征的相似模拟实验和力学分析.提出了破断裂隙贯通度的概念和计算公式.试验结果表明,采场覆岩裂隙带上位岩层的回转变形空间较小,且由于岩层刚度和厚度的差异,薄岩层会完全破断;但坚硬厚岩层破断裂隙未贯通,没有形成竖向"导水、导气"裂隙.为了描述岩层的破断程度及破断裂隙导水能力的强弱岩层破断裂隙的贯通度随其下自由空间的增大而增大,且存在自由空间阀值,大于其阀值时则增加缓慢并趋于1;随岩层厚度增大,起裂时岩层破断裂缝的张开角度减小;岩层破断裂隙的贯通度随裂纹尖端临界张开位移的增大而呈线性减小,随岩层周期破断距的增大也呈近似线性减小.     

深部条带开采高位关键层离层区周边冲击危险性研究

近年来深部条带开采矿井发生了多起冲击地压事故.事故数据表明,在具有高位关键层的深部条带开采矿井,冲击事件分布具有一定的规律:冲击集中发生在已开采区域周边位置.通过建立关键层离层力学模型,分析了关键层极限跨度与采场尺寸的关系和关键层挠度与关键层下方煤柱压缩量的关系,探讨了高位关键层离层形成条件和离层对周边区域应力分布的影响规律,揭示了深部条带开采关键层离层区周边冲击地压发生机理.研究表明:条带煤柱在两侧采空区传递应力作用下被压缩,导致关键层离层形成应力传递结构.该结构将关键层上方岩层的载荷传递到离层区周边区域,使周边区域应力集中程度明显增加,从而导致该区域冲击地压频繁发生.关键层离层区周边冲击危险性与关键层离层跨度和关键层上方岩层厚度成正相关.研究成果对于类似条件下冲击地压防治具有指导意义.     

超高水材料开放式充填开采覆岩控制研究

以陶一矿超高水材料开放式充填开采为背景,介绍了超高水材料开放式充填开采效果的评价方法,并对其覆岩控制效果进行了分析和评价.结果表明：超高水材料的渗透效果与存在裂隙的多少及其导通性有关.采用该方法进行充填开采后,充填率可接近90%,覆岩控制效果良好,地表未发生明显变化,采空区及其顶底板岩层中几乎所有导通的缝隙和部分离层空间都被超高水材料充填密实,工作面瓦斯含量也有明显降低.     

不同侧覆土厚度条件下连拱隧道的偏压特性研究

起凤山隧道进、出口浅埋偏压严重,上覆土层较薄,稳定性差,开挖扰动后上部土层易发生滑动.后行洞开挖时常会出现围岩变形过大、坍塌、失稳等安全事故.本文结合现场连拱隧道的地质条件和围岩的力学特点,采用理论分析和数值模拟方法对开挖后连拱隧道埋深、侧覆土层厚度与围岩应力和位移的变形规律展开研究,研究结果表明:隧道在竖向方向受到的偏压应力随着埋深的增加而减小,埋深越浅其偏压作用越明显,当埋深超过20 m后偏压作用的偏压应力增加量逐渐减小.对不同侧覆土层厚度的隧道开挖引起的岩体竖向变形特性进行分析,结果表明:竖向位移随侧覆土层厚度的增加逐步减小,当侧覆土厚度超过21 m时,竖向位移受侧覆土厚度的影响较小,基本只受围岩本身岩土性质的影响.     

薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动规律研究

系统地进行了地下水动力学参数、覆岩力学组合结构特征与基岩风化带的阻隔水特性试验。结果表明:风积沙层底部含水层为强含水层;主采煤层上覆覆岩泥岩强度高于砂岩;砂岩孔隙率高、含水量大,抗压抗拉强度比值高;泥岩和砂岩的粘土矿物含量均低。具有典型的脆性易裂、抗扰动能力差和再生隔水能力弱等新的破坏移动特性。并通过多因素拟合确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采动破坏"两带"高度的动态变化特征,提出了长壁工作面开采防止突水溃砂的调控技术,成功应用于榆阳煤矿并实现绿色保水开采。为陕北榆神大煤田薄基岩浅埋煤层进一步推广高效开采技术和保护生态环境实现绿色保水开采奠定了基础。     

混凝土底板温度及温度应力影响参数分析

借助参数化设计语言(APDL)分析了水泥品种及标号、结构尺寸、外界约束对混凝土底板温度及温度应力的影响.结果表明:与普通硅酸盐水泥525相比,普通硅酸盐水泥425、矿渣水泥425可使底板最大拉应力分别减低约21%、37%;底板平面尺寸增大,压应力几乎保持不变,拉应力增大,发展较为平缓;底板厚度越大,出现最高温度的龄期越晚,底板降温时持续高温时间更长,且温度应力随厚度增大而增大.     

固体充填体压实特征下岩层移动规律研究

基于充填材料压实特性试验,结合具体工程实例,推导出充填体弹性模量与垂直应变之间的关系,利用FLAC3D软件内置FISH语言,编制相应的充填体非线性压实程序,准确地模拟矸石充填采空区后上覆岩层移动规律.研究结果表明:充填采煤工作面顶板下沉量随着工作面的推进而逐渐增大,整体以缓慢弯曲下沉为主,没有出现激增的现象;超前支撑应力分布与垮落法开采相似,其超前支承应力峰值及影响范围均要比垮落法开采低;矸石充填体内部应力呈现"拱形"分布,随着工作面的推进,矸石充填体内部应力逐步升高,增幅逐渐减小.现场实测数据与数值模拟结果基本吻合,验证了研究成果的科学性.     

水资源转移存储在浅埋深薄基岩矿区的应用

在含水层破坏之前,预先将其中的水资源转移至不受开采影响的其它含水层或同一含水层不受开采影响的其它区域,是实施水资源保护性开采的关键技术.神东矿区煤层覆岩结构具有浅埋深、薄基岩的特点,煤炭开采对煤层顶板第四系潜水产生较大的影响.以神东矿区补连塔煤矿为例,尝试在煤炭开采前进行地下水资源转移存储,实施水资源保护性开采.基于水资源转移存储可行性研究,根据实际条件设计了水资源转移存储工程,其实施将为神东矿区带来巨大的经济效益和社会效益.     

神东矿区浅埋煤层开采覆岩移动与裂隙分布特征

以神东矿区3类典型的煤层赋存条件为主要研究对象,采用实验室相似材料和计算机数值模拟的方法,分析了浅埋煤层长壁开采覆岩移动与裂隙在水平方向和垂直方向的扩展与分布的动态演变特征.研究表明,随工作面的推进,覆岩会出现与地表同步垮落现象;工作面推进越快,裂隙扩展的时间越短,裂隙闭合也越快;覆岩强风化带的存在,有利于消解部分采动裂隙.     

卧龙湖煤矿8101工作面采动覆岩破坏特征研究

煤矿开采过程中覆岩破坏容易引发工作面溃砂、突水事故,为了保证卧龙湖煤矿8101工作面安全开采,根据矿区覆岩工程地质特征及矿区岩层柱状图,建立了FLAC3D数值模拟模型.通过FLAC3D软件模拟,得到了工作面推进时的覆岩应力场及覆岩塑性区分布图,由此分析得出在开切眼和煤壁处覆岩主要为剪切破坏,采空区上部主要为拉伸破坏,得到煤层开采时覆岩最大主应力1.78MPa,最大导水裂隙带高度31m.     

承压水体上开采底板岩层破断及渗流特征

以山西某煤矿承压水体上下组煤开采为工程背景,通过对煤层底板岩石进行全应力-应变渗透性试验及单裂隙渗透性试验,揭示了岩石应力-渗流耦合机理,获得了断裂面渗透系数的定量关系式;采用离散元流固耦合模拟方法,对承压水体上煤层开采底板岩层的应力状态及渗流特征进行模拟分析.结果表明:底板岩层"四带"中的渗透性均与水平应力密切相关,其中:直接底板受工作面矿压影响严重,岩层中的水平应力杂乱无章,破坏带厚度约13m;奥灰含水层顶部岩层为低围压区,容易形成奥灰水楔劈裂导升机理,导升带厚度为17m左右;底板中部层位受采动矿压及底板承压水直接影响相对较小,此带中水平应力自上而下呈递增状态,有效隔水层带厚度38m,是底板的关键阻水层.     

采动影响下断层滑移失稳的动力学分析及数值模拟

为研究开采扰动下断层滑移失稳诱发冲击矿压的致灾条件,基于"砌体梁"理论分析了开采过程中断层围岩系统的受力状态和力学响应.首先推导了断层面正应力、剪应力的计算公式,进而得到断层滑移失稳与覆岩"关键层"的破断和采场的推进的关系;利用数值模拟计算比较了不同开采影响因素下的断层面位移场、应力场、速度场和能量场的响应规律.结果表明:断层滑移对采动影响具有不同的敏感性,断层带上剪切位移和应力分布受断层摩擦角、采深、断层位置和回采方式等影响较大;而受断层力学性质(诸如法向刚度、切向刚度等)影响较小.受采动覆岩演化高度影响,断层带上不同位置处的应力路径变化较大,临近断层处易出现滑移.最大滑移速度和震源参数与最大剪切位移呈正相关关系.     

巷道底板承压水突水评价方法研究

华北石炭二叠纪聚煤区是中国最重要的煤炭生产基地,区内众多煤矿皆受煤系底部奥陶系灰岩承压水威胁。针对当前煤矿巷道底板承压水突水评价方法存在的局限和不足,探索研究巷道底板承压水突水评价方法。现行评价方法岩梁法的理论计算前提主要包括：底板隔水层简化为两端固支梁;在岩梁弯矩最大处,底板隔水岩层承受的拉应力超过抗拉强度,岩层拉裂破坏;忽略孔隙水压力对岩石破坏的影响,计算隔水层厚度时抗拉强度取底板隔水层的平均值。事故数据及研究分析表明岩梁法计算假设存在不合理之处,与实际工况有较大偏差。基于对常见矩形巷道围岩应力分布特征的分析,结合巷道实际工况,摒弃底板隔水岩层弯拉破坏模式,提出隔水岩层剪切破坏模式,建立巷道底板承压水突水破坏岩柱模型;基于所建立的岩柱模型,利用极限平衡理论,综合考虑孔隙水压力对岩石破坏的影响,推导底板隔水层承受最大水压的计算评价方法。结果表明：最大水压与隔水层厚度、隔水层平均容重、抗剪强度参数、孔隙水压力系数和巷道宽度直接相关,最大水压与隔水层厚度呈指数函数关系。文中所提评价方法的计算结果与实测吻合,证明该方法合理有效。所提方法也能为地下工程其他专业领域类似的承压水突水问题研究提供借鉴。     

单轴压缩下充填正交裂隙花岗岩强度及裂纹扩展演化

为研究充填材料类型对裂隙岩石力学特性及裂纹扩展演化的影响特征,对含充填正交裂隙花岗岩板状试样进行单轴压缩试验.结果表明:与单裂隙试样相比,含充填正交裂隙试样峰值强度和弹性模量明显劣化,劣化幅度分别为17.45%~39.19%和9.64%~27.42%.随充填材料强度的增加,充填试样峰值强度和弹性模量均逐渐增大.充填类型对试样次生裂纹的起裂形式影响显著,充填材料强度较低时,试样首先在充填物与次裂隙的交界面发生"脱黏"现象,然后由次裂隙外侧尖端开始起裂,而充填材料强度较高时可抑制次裂隙尖端裂纹萌生,试样初始破坏表现为主裂隙尖端的拉裂纹扩展.充填材料强度越大,充填试样的起裂应力越接近峰值强度,起裂应力水平越高.获得了充填试样轴向应力-应变曲线与次生裂纹扩展的实时关系,表明每一次较大的应力跌落均对应一条次生裂纹的萌生和扩展.     

采动覆岩中关键层的破断规律研究

介绍了采动覆岩中关键层上的载荷和支承压力分布随覆岩分层的几何和力学特性变化的规律,具体分析了关键层内的极限应力与软弱夹层厚度及坚硬岩层厚度的关系,并由关键层断裂的先后次序,说明了主关键层和亚关键层的辩证关系,并且揭示了坚硬岩层与坚硬岩层之间的复合效应．     

土工格栅 黏性土界面特性的拉拔试验分析

筋-土界面特性是影响加筋土结构性能的重要因素之一,利用中型拉拔模型试验分析了界面正应力和黏性土含水量对格栅黏性土界面相互作用特性的影响,试验结果表明黏性土含水量对格栅极限抗拔力、界面黏聚力和摩擦系数影响明显.不同界面正应力下格栅极限抗拔力在含水量较小时差别显著,随着黏性土含水量增加,格栅极限抗拔力和界面摩擦系数呈现减少趋势,而筋-土界面间黏聚力先增大后减小,且当含水量达到塑限含水量时,三者均趋于稳定.格栅抗拔力-位移曲线均经历线性和非线性增加以及拉拔极限阶段,并随含水量增加,抗拔力-位移曲线由线性增长向极限状态发展的中间阶段逐渐缩短.在拉拔最大载荷下持续一段时间后卸载,发现格栅的横肋应变有增大的趋势,而纵肋应变呈现减小的趋势.     

红层泥岩桩岩接触面本构模型试验及数值模拟

桩-岩（土）接触面力学特性的研究是桩基承载机理研究的基础。通过红层泥岩桩岩接触面大型直剪试验,研究了红层泥岩桩岩接触面的力学特性,结果表明：接触面剪应力先随剪切位移增大而增大,在达到峰值后,剪应力随着剪切位移增大而降低,并最终趋于稳定值,应力应变曲线呈现出应变软化的特征。根据剪切试验结果,推导出桩岩接触面应变软化本构方程。利用fish语言对FLAC^3D中自带的理想弹塑性接触单元进行二次开发,并应用开发的模型对桩岩接触面直剪试验进行了数值模拟,分析剪应力与剪切位移之间的关系,证明了该本构能够较好地模拟接触面间的应变软化特性。