基于不同正断层角度的上盘工作面突水数值模拟分析

运用FLAC3D软件,模拟位于正断层上盘的工作面推进过程中不同的断层倾角对工作面突水的影响。模拟结果表明:断层倾角越小,底板和煤柱塑性破坏越严重,容易导致承压水通过底板裂隙进入工作面引起突水;断层倾角越大,断层活化越明显,承压水的导生速度、高度、渗透幅度均增大,容易通过煤岩柱塑性破坏区进入工作面引起突水。     

断层倾角对底板突水影响的数值模拟

为了研究赵家寨煤矿综采工作面断层对底板突水的影响,根据工作面水文地质条件和岩石力学性能等参数,运用岩石破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,模拟不同倾角的正断层在采动影响下工作面底板的裂隙变化规律。模拟结果在一定程度上揭示了断层倾角对底板突水的影响规律。模拟结果表明,断层倾角越小,断层越容易活化与突水。     

底板隐伏断层采动活化突水的断裂力学分析

为研究含隐伏断层煤矿底板采动突水发生的力学机理,根据底板隐伏断层赋存的实际特征,建立力学模型。利用断裂力学理论分析方法,研究了工作面推进过程中,在采动应力和承压水压力联合作用下底板突水通道形成的过程。获得了隐伏断层活化突水的力学判据,并分析了影响突水的主要因素。结果表明:临界水压力q是底板突水的必要条件,主要受到隐伏断层长度a、倾角β、支撑压力Q、底板厚度h等因素的影响,而当分支裂纹扩展长度达到一定值,使得有效隔水层厚度不足以抵抗采动应力和承压水压力的作用时,能够满足底板突水的充分条件。根据实际工作面工程地质条件,采用数值模拟方法对底板破坏过程中的底板应力变化和渗流情况进行了分析,使理论分析得到验证。     

承压水上含断层煤层开采底板突水规律研究北大核心

在深部煤层开采的过程中,承压水水压以及复杂的构造环境是威胁矿井安全生产的重要因素。为研究承压水上受断层影响下底板的突水规律,基于基本力学原理,建立了承压水上受煤层采动影响的围岩受力力学模型,求解断层突水的临界水压力值;同时,基于控制变量法和流-固耦合理论,运用FLAC3D数值模拟软件,从应力场、位移场、渗流场以及破坏区共同耦合作用的角度出发,分析在断层形态以及承压水压力不同的条件下煤层底板突水规律。结果表明:当工作面回采至断层区域附近时,断层倾角对围岩所受垂直应力的影响较大,倾角由30°变换至60°时,所受垂直应力的平均变化率约为-29%;断层宽度主要影响靠近工作面底部断层处的破坏程度,断层宽度越宽,破坏程度越小;含水层水压对断层中所受的孔隙水压力起主导作用;断层的倾角越大、宽度越小,含水层中承压水水压越高,底板发生突水的危险性越强。     

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。     

采动底板断层“活化”的解析计算及其工程应用

在材料力学和矿山压力理论的基础上,建立了采动底板断层活化突水的解析力学模型。综合考虑断层面及其附近的受力条件,并结合水压力推导出采动底板断层活化突水的相关公式,得出了在临界突水条件下断层活化突水的水压和开采深度的相关公式,并对该公式相关参数进行了讨论。结合郑州矿区超化煤矿22081工作面断层活化突水实例进行应用,通过计算得出其理论与实际情况是基本吻合的。进而说明该力学模型及其相关公式可以作为采动底板断层活化的判据之一。     

隐伏断层诱发巷道底板突水研究

隐伏断层在掘进扰动和承压水共同作用下可能形成突水通道诱发底板突水。以山西省刘家梁煤矿巷道突水问题为工程背景,以底板含隐伏断层的巷道为研究对象,通过理论分析、岩石力学试验、数值模拟的方法,研究了巷道在掘进过程中,围岩应力场、位移场、塑性区的演化情况。结果表明：随着巷道掘进,隐伏断层顶界面处围岩受应力场影响,由压缩态变为膨胀态;在倾角大于50°的正断层中,小倾角隐伏断层顶界面处围岩受到的剪应力峰值更大,当剪应力达到某一临界值时,断层不断向上活化扩展,最终演化形成沟通底板破坏带的突水通道,且突水通道更易在卸压区底板贯通。     

断层影响下底板隔水层的破坏机理研究

为了研究断层对底板隔水层稳定性的影响,根据岩石剪切破坏的极限平衡条件推导出隔水层破坏的临界水压力公式,并提出突水判据.基于临界水压力公式分析了断层倾角、内聚力和断层煤柱宽度对底板隔水层破坏的影响规律.结果表明,断层倾角越小,底板隔水层能够承受的临界水压越小,底板就越容易发生突水;若断层带内聚力越小,即断层带强度越软弱,底板临界水压力也随之减小,此时底板发生突水的可能性越大;断层煤柱留设宽度越大,底板越不容易发生突水.工程应用表明预设的煤柱宽度偏小,有发生底板突水的可能,为保证安全开采,根据所推出的临界水压力公式计算得出合理的断层煤柱宽度应为34.3 m.     

含断层底板采动效应数值分析——断层倾角对采动效应的影响

根据煤层底板地质特征,建立了含断层底板岩体工程地质力学模型,并运用连续介质快速拉格朗日元法对底板采动效应进行了数值模拟。结果表明:在相同的地质和采矿条件下,断层倾角对底板采动效应有较大影响,当工作面推进至断层时,断层倾角越小,底板采动破坏深度越大,且底板卸荷范围较大;当工作面推过断层,底板卸荷深度随断层倾角增大而增加,底板变形破坏深度也加大;断层存在活化现象。揭示了采场底板断层突水的机制。     

断层对工作面底板突水的影响机理研究

针对创日泊里煤矿生产中出现的工作面突水问题,从理论层面上分析了其发生原因,建立了断层影响下的工作面底板力学模型对其进行受力分析。采用RFPA2D-Flow软件建立了断层工作面的数值模型,通过模拟不同断层倾角以及正逆断层对工作面底板突水情况,得出不同断层对突水情况的影响。     

淮北矿区底板断层防治水研究与实践

为了有效地治理淮北矿区底板断层突水,针对不同断层情况采取了不同的措施。在煤柱留设方面,充分考虑了断层倾角和断层对煤体渗透性的影响;在注浆、疏放水方面,考虑各个含水层之间的水力联系。研究和实践表明：与传统的按规程和经验留设煤柱相比,在考虑到断层倾角和断层对煤体的影响基础上进行煤柱留设更加科学合理。桃园矿F2断层倾角为60°,处于临界角;为安全考虑,在留设煤柱后还应加强底板监控,防治断层引发的底板突水。注浆前先进行放水试验可以更好地了解含水层之间的水力联系,对注浆工作有指导作用。朱庄矿和杨庄矿的工程实践也说明了注浆对于阻止小断层构造引发的突水效果显著。     

Numerical simulation on fault water-inrush based on fluid-solid coupling theory

About 75% water-inrush accidents in China are caused by geological structure such as faults, therefore, it is necessary to investigate the water-inrush mechanism of faults to provide references for the mining activity above confined water. In this paper, based on the fluid-solid coupling theory, we built the stress-seepage coupling model for rock, then we combined with an example of water-inrush caused by fault, studied the water-inrush mechanism by using the numerical software COMSOL Mutiphysics, analyzed the change rule of shear stress, vertical stress, plastic area and water pressure for stope with a fault, and estimated the water-inrush risk at the different distances between working faces and the fault. The numerical simulation results indicate that: (1) the water-inrush risk will grow as the decrease of the distance between working face and the fault; (2) the failure mode of the rock in floor with fault is shear failure; (3) the rock between water-containing fault and working face failure is the reason for water-inrush.     

Water-inrush Assessment Using a GIS-based Bayesian Network for the 12-2 Coal Seam of the Kailuan Donghuantuo Coal Mine in China

The Donghuantuo coal mine is geologically unusual, with 60 normal faults, 18 reverse faults, and 1 syncline. The coal seam floor is highly fractured and the fractures act as conduits for groundwater, which flows from the Ordina limestone aquifer into the no. 12 coal seam. From 2005 to 2010, there were 7 water-inrush disasters through the floor of this coal seam. The largest water-inrush event exceeded 63?m3/min; there are five points where the water-inrush continues to exceed 1.0?m3/min. Comprehensive modeling of the probability of water-inrush through the floor is required to reduce the likelihood and severity of such events. The water-inrush situation was assessed using a GIS-based Bayesian network (BN). In the developed BN-GIS model, the geometry of the coal mine working face was incorporated in suitable detail and resolution. The results of the modeling compared well with field water-inrush observations. Based on documented water-inrush events, the accuracy of the fit of the model data is 83.4?%, and the probability of making an incorrect prediction is less than 0.5, which means that using this method could significantly enhance coal production at the mine.     

深部煤巷围岩强化控制在谢桥矿的应用

 摘要：随着煤矿进入深部开采,煤层巷道围岩稳定性控制越来越受到重视。本文提出了深部煤巷围岩的强化控制思路,其核心是 “三高”锚杆支护体系。结合“三高”锚杆并应用FLAC数值模拟成功解决了谢桥矿12418顺槽深部高地压煤层巷道的支护问题。该深部围岩强化控制思路具有极大的推广意义。     

复杂断层带富水性矿井瞬变电磁法探测研究

复杂断层带富水性的探测关系到矿井的采掘安全。探讨了矿井瞬变电磁法超前探测的基本原理与技术方法,分析了断层带富水性的地球物理响应特征,结合某矿巷道掘进前方断层带出水位置的矿井瞬变电磁法探测,提出了立体探测方案,对探测结果进行了分析解释,得到钻探验证。研究表明,利用矿井瞬变电磁探测技术可以有效地获得掘进巷道前方复杂断层带的富水程度、位置和范围,可以为掘进巷道防治水工作提供可靠的技术保障。     

基于非达西流模型的煤矿突水渗流机制数值模拟

突水是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。以义安煤矿704工作面突水事故为例,采用非线性渗流模型模拟突水瞬态流动全过程,探讨突水过程中流速和压力的变化规律,揭示矿山突水全过程的流态转捩机制。研究表明：义安煤矿突水达到最大涌水量时,含水层的压力在0.2～0.3 MPa之间,突水实际上是一个降压加速的过程,含水层压力骤降是突水发生的前兆,且突水通道进出口压力和流速是动态变化的,3个流场有机地组成一个不可分割的整体。撑子面处突水流体涡旋是层流向紊流过渡的空间响应,表明矿山突水存在流态转捩过程。通过进一步研究发现突水通道的导水性能越强,发生突水灾害时危害越大。研究结果可为反演确定合理的工程渗流力学参数和突水通道的几何结构提供参考。     

断层水害防治技术应用研究

位于承压含水层上巷道掘进过导水断层时,在承压含水层水压和围岩应力变化的因素下,会导致承压含水层裂隙发育,断层破碎带形成导水通道,承压含水层与断层破碎带发生水力联系形成突水通道,对巷道安全掘进带来威胁,极易发生突水事故。针对上述问题,通过分析井田水文地质条件、超前探查掌握断层及其防范承压含水层的水文资料,综合分析断层的导水性及承压含水层的区域富水性,按照公式进行突水危险性水害预测理论计算。根据综合分析和理论计算结果,采取对断层破碎带预注浆加固、断层两盘含水层治理改造、承压含水层疏水降压和加强巷道支护的综合防治措施,消除了承压水害和断层水害,保障了巷道安全过断层。     

开采沉陷中不同断层活化模式研究

当工作面上覆岩层中含有断层时,地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。为了研究开采沉陷中断层活化机理,通过理论推导将开采沉陷中断层活化分为"断层面产生离层空间"、"煤柱压缩"两种断层活化模式并分别利用数值模拟和现场实例进行了验证。研究结果表明:①采动将造成断层面产生离层空间,离层空间以下沉系数等于1传递给松散层造成断层露头处地表产生台阶下沉,影响断层离层空间的主要因素有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断层倾角、断层是否含水、断层带岩体内摩擦角及黏聚力等;②断层面离层空间随着工作面推进长度的增加而增加,当工作面推进一定长度时不再变化;断层面离层空间随着基岩厚度的增加而线性增加;断层面离层空间随着保护煤柱宽度增加而减小;断层面离层空间随煤层厚度增加而线性增加;断层面离层空间随断层倾角增大而增加;断层带岩体原生水的存在对断层面离层空间产生具有促进作用;断层面离层空间随断层带岩体黏聚力和内摩擦角的增加而减小;③工作面主要影响角和断层倾角的大小关系控制"断层面产生离层空间"模式断层活化,当断层倾角大于主要影响角并与主要影响角在基岩内相交时,断层将活化;④当断层倾角小于主要影响角时,工作面超前支承压力影响范围控制"煤柱压缩"模式断层活化,当工作面超前支承压力接触断层时,断层将活化。     

断层突水机理分析

根据煤层底板的层状结构特征，建立了分析底板突水的关键层（ＫＳ）结构模型．根据断层性质，断层可以划分为张开型断层和闭合型断层．张开型断层的突水机理是断层两盘的关键层在水压作用下产生了过大的张开位移，并且在断层张开的同时，承压水对断层带进行渗透冲刷；闭合型断层的突水机理是断层两盘的关键层或关键层的接触部产生了强度破坏．     

三山岛金矿上覆断层赋存状态对巷道稳定性的影响

大量工程实践表明,断层对地下巷道围岩稳定性有决定性的影响。以三山岛金矿深部主要断层F1,F2及F3为工程背景,采用数值模拟的方法研究断层倾角0°、50°、90°,水平断层分别距巷道顶板5、10、15 m,断层厚度分别为10、15、20 m等多种工况下的巷道掘进过程,对照无断层情况下的巷道稳定性,分析断层倾角、断层距巷道顶板的距离、断层的厚度对巷道围岩稳定性的影响。得出主要结论:倾角增大的过程中巷道的两帮收敛随之增大,断层厚度对巷道稳定性的影响主要体现为巷道顶板沉降的增大,断层距巷道顶板10 m的范围内,对巷道的安全掘进产生影响需要支护加固。